基于“整骨-陷窝小管网络-骨细胞”多尺度模型探究不同加载参数对骨重建的影响

目的骨重建效应与所施加循环载荷的幅值、速率、频率、数量和恢复时间等参数密切相关。然而,不同加载参数与骨重建效应之间的确切关系和调控机制尚不完全明确。本研究从骨细胞对力学刺激的响应入手,通过建立“整骨-陷窝小管网络(LCN)-骨细胞”多尺度模型,探究不同加载参数对骨重建的影响。方法基于显微CT扫描建立小鼠胫骨有限元模型,计算加载引起的组织变形;利用共聚焦显微镜对LCN进行成像,计算LCN内组织变形产生的流体剪切力(FSS);建立骨细胞力敏感离子通道(MSIC)模型,描述FSS作用下的骨细胞MISC的打开、关闭和失活。然后,使用该模型探究载荷大小、频率、循环数量和恢复时间对骨细胞MISC的影响。结果载荷幅值和频率通过直接影响骨细胞上FSS,进而调控MSIC的开放比例。随着数量的增加,MSIC逐渐从开放状态转变为失活状态,骨细胞对FSS响应饱和。短期恢复时间有助于MSIC恢复到关闭状态,而长期恢复时间有助于恢复骨细胞的力学敏感性。模型预测所有加载参数下的骨细胞MSIC开放比例与动物实验测量的骨形成率存在很强的相关性(R=0.86)。结论通过描述骨细胞MSIC对力学刺激的响应,揭示了不同加载参数与骨重建效应之间的调控机制。