骨细胞是骨骼中最丰富的细胞类型，占成人骨骼中细胞总成分的 90-95%。骨细胞是主要的机械感觉细胞，也是调节多种组织磷酸盐代谢的内分泌细胞，因此，骨细胞是骨代谢平衡的主要调节者。细胞机械传导过程需要指定的机械换能器将机械力转换为各种基本生物信号。目前，科学研究中使用的各种商用和定制设备会产生不同振幅和频率的机械刺激，可能导致细胞或生物产生不同的应变。因此，应谨慎比较不同设备产生的生物学效应。因此，研究相同类型、大小和持续时间而作用方式不同的机械刺激对细胞的影响尤为重要。
作者团队与日本超导技术公司（JASTEC）合作，设计和制作了可以产生大梯度强磁场（LG-HMF）的超导磁体（JMTA-16T50MF）。如果将抗磁性材料放置在垂直/轴向方向的梯度磁场中，抗磁性材料的表观重力会因受到磁力而有不同程度的减弱或增强。水和生物材料，如DNA、蛋白质和脂质都是抗磁性材料。对于37℃的水，其抗磁化率为c » -9.05 ´ 10-6，大多数组织成分具有与水相似的磁化率。在梯度磁场中，抗磁性物质所受的磁力方向由较强的场域指向较弱的场域。物质所受单位体积的磁力由公式：
计算所得，B表示磁感应强度，m0表示真空的磁导率(4p ´ 10-7 H/m)，c表示体积磁化率，z表示轴向距离。在本研究中，细胞被放置在12.56 T，-109 T/m（12 T upward）和12.50 T, 105 T/m（12 T downward）的位置（图1）。当位于12 T upward位置时，细胞受到的磁力大小与重力相当，方向与重力方向相反。当位于12 T downward位置时，细胞受到的磁力大小与重力相当，方向与重力方向相反。
图1 LG-HMF细胞培养系统
与地磁对照组相比，12 T downward处理组MLO-Y4细胞形态、细胞面积、细胞树突数量均无明显变化，凋亡有减少的趋势，这可能是MLO-Y4细胞活力增加的原因。另外，12 T upward处理显著促进细胞凋亡，骨细胞形态改变，树突伸长，树突数量减少，直接导致细胞数量和活力下降。转录组测序结果显示，与地磁对照组相比，12 T upward作用后MLO-Y4细胞有614个基因的表达有显著变化，而12 T downward作用后有94个差异表达基因（图2）。结果表明与重力方向相反的磁力可能会引起更多的生物效应。
图2 磁力作用对MLO-Y4骨细胞基因表达的影响
通过进一步聚类分析表明，这些差异表达基因主要与胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）蛋白聚糖、ECM组织和整合素（integrin）细胞表面相互作用有关。为了进一步验证转录组测序结果，研究者使用免疫荧光和Western blot检测ECM、integrin和细胞骨架（Cytoskeleton，CSK）相关蛋白的表达。12 T upward处理显著抑制LAMB1、Collagen I和integrin b1的表达。相反，12 T downward处理显著促进了LAMB1、Collagen I和integrin b1的表达。在地磁对照和12 T downward条件下，MLO-Y4细胞呈星形，肌动蛋白纤维均匀分布在细胞体上。然而，在12 T upward条件下，MLO-Y4细胞呈现出相对较长的细胞形状，细胞骨架不连续且松散。Wisp2是12 T upward和12 T downward比较最显著的差异表达基因，主要定位于细胞核、ECM和细胞骨架。String数据库显示Wisp2与Wnt通路的相关性最强。结合实验结果，细胞骨架稳定有助于Wnt信号通路的转导；细胞骨架破坏抑制Wnt信号通路的转导。此外，12 T upward处理降低了NO的产生，增加了SOST的表达，进一步协同抑制了MLO-Y4细胞中的Wnt通路。Wnt通路的抑制进一步降低下游骨功能蛋白OPG的表达。由于细胞分泌的NO和OPG显著降低，12 T upward条件培养基显著促进破骨细胞的分化。12 T downward处理组细胞分泌的NO和OPG显著升高，从而抑制了破骨细胞的分化。因此，作者认为施加到细胞上的磁力首先会引起 ECM 的物理变形，然后机械信号会从 ECM- integrin轴传递到适配蛋白，最后传递到细胞骨架。细胞骨架将机械信号从前端的感受器向细胞中心转导。（图3）
图3 磁力方向影响MLO-Y4骨细胞功能
图4 LG-HMF对骨细胞作用的机制图
