随着以社会、心理和生物及信息化、数字化为一体的医学模式发展,将医学研究领域引进了大数据时代,系统生物学、高通量组学等研究方法为深入研究复杂的生命活动提供了条件及支撑。利用基因富集方法分析高通量的全基因组芯片,判断预先定义的基因集合其代表的生物学功能的变化,为临床医学研究提供了一个新的思路、启示。航天飞行对于航天员带来最大的挑战就是失重环境对健康造成的巨大影响,随着航天医学的发展,在轨飞行时间的增加,对于航天员牙周组织的健康、牙列的完整性,牙齿稳固性提出了更高的要求。既往研究已经证实,失重对于牙周组织会造成不同程度的影响,例如牙槽骨的改建、牙周膜细胞的增殖和分化、细胞骨架的改变以及牙周膜前体细胞生物学性状的变化等,提示失重环境对于航天员牙周组织造成损伤。牙周膜决定牙周组织代谢和改建的重要功能,牙周膜的主要成分是牙周膜成纤维细胞,它具有成纤维细胞和成骨细胞的双重特性,具有一定的分化潜能,对于力学因素的刺激响应显著,研究人牙周膜细胞在微重力环境中变化,对于明确失重环境对于牙周组织损伤的分子生物学机制奠定了一定的基础。细胞的增殖、分化、迁移等生命活动,是内因和外因共同作用的结果,二者协同作用,引起细胞一系列的生命活动。内因是细胞信号分子,外因是细胞所处的微环境,主要由为细胞外基质组成。目前的航天医学多注重于失重环境下细胞信号分子的变化及调控机制,但是模拟微重力环境中细胞外基质的变化并未见有文献报道。本研究以人牙周膜成纤维细胞(human periodontal ligamentfibroblasts,hPDLFs)为研究对象,建立模拟微重力下人牙周膜成纤维细胞体外培养模型,结合课题组前期积累的小鼠牙囊发育的芯片数据,通过生物信息学的方法筛选成骨相关功能的信号分子,并观察在在模拟微重力环境下的变化,丰富微重力敏感的候选功能基因集,为制定未来中长期航天飞行口腔健康防护措施提供实验室依据。本研究建立人牙周膜成纤维细胞模拟微重力环境培养模型,利用骨向诱导剂诱导hPDLFs,观察碱性磷酸酶及骨钙素的变化。对小鼠下颌第一磨牙牙囊组织发育两期基因芯片数据进行基因富集分析比较,筛选变化显著的差异表达基因,并探寻其与hPDLFs和失重的关联,确定研究目的基因;通过RT-PCR和western-blot等半定量检测方法,检测模拟微重力下已筛选出的成骨目的基因在hPDLFs中表达的变化,结果如下:1.采用改良的酶消化组织块法分离成功培养hPDLFs,并采用免疫组化方法对其进行鉴定;建立了模拟微重力下hPDLFs体外培养模型,hPDLFs在模拟微重力培养模型中生长良好,确定研究时间点为24h、48h和72h;2.建立药物诱导hPDLFs成骨向分化的模型,并观察模拟微重力对hPDLFs中ALP和OC表达的影响。骨向诱导剂在正常重力环境和模拟微重力环境中均可诱导hPDLFs的骨向分化,并且模拟微重力组中ALP和OC的表达下降,骨向诱导剂可以拮抗这一下降趋势;3.对课题组前期获得的芯片数据进行基因富集分析,确定基因金属蛋白酶8(Matrix metalloproteinases 8, MMP8)和基质 Gla 蛋白(Matrix Gla protein,mgp)为研究的目的基因;观察模拟微重力下MMP8和mgp的变化:在模拟微重力组中,hPDLFs中MMP8的mRNA和蛋白的表达均较正常重力组增加,以第三天差异最明显,具有统计学意义,并且MMP8的表达在骨向诱导组较非诱导组增加;在非骨向诱导组中,模拟微重力组中mgp的mRNA和蛋白的表达较正常重力组表达增加,以第三天差异最明显具有统计学意义。但在骨向诱导组中,mgp的mRNA和蛋白的表达未发生明显的变化。本研究结果表明:1、成功的建立了模拟微重力下hPDLFs的培养模型2、模拟微重力效应会降低hPDLFs中ALP和OC的分泌,但骨诱导剂可以减弱降低的趋势;3、确定MMP8和mgp为研究的目的基因,模拟微重力模型中,MMP8和mgp的表达较正常重力组增加,说明MMP8和mgp基因参与调节模拟微重力环境对hPDLFs的成骨向分化的影响;4、研究结果提示,失重环境下牙周膜代谢活动的增加,从而可能进一步导致牙槽骨密度的减低、牙齿松动度的增加以及牙周炎的进展加速,提示在长期的空间飞行会造成航天员口颌系统的损伤,该研究结果为未来制定航天员口颌系统健康防护措施,进行针对性的口颌系统的训练及重力适应性防护措施、加强空间飞行任务的卫勤保障提供了实验室依据。