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背景高原地区因其特殊的政治、社会、经济、军事等原因受到各所在国家的高度重视。尤其是近年来随着全球化进程加快,人口迁移愈加频繁,高原地区的独特地位愈发重要,高原医学在此背景下得以长足发展。高原环境对生物体的影响因素众多,其中以低氧对机体的影响最为重要。传统的高原医学主要的研究方向是高原环境对呼吸、心血管以及血液系统的影响。近年来有大量文献指出,在高原地区骨组织的发生和修复不同于平原地区。但高原环境对骨组织的发生、发展及修复的确切影响仍有争议,其分子机制及可能的作用通路尚不明确。目的本研究拟用低压低氧环境模拟高原环境,观察其对大鼠正常骨组织以及骨修复能力的影响,并通过RNA-sequencing(RNA-seq)技术全面分析低压低氧环境导致的骨组织差异性表达基因,试图阐明其机制,为将来可能的干预措施提供理论依据。方法1.用低压低氧环境模拟高原环境,将成年大鼠在低压低氧环境以及常氧环境中分别饲养21天,比较两种环境下大鼠的体重及血液学变化,以及股骨的微观结构、组织学变化和生物力学变化。2.取上述两组大鼠的股骨中段骨组织,提取总RNA,用RNA-seq技术进行高通量测序,全面分析两组大鼠骨组织的转录组表达情况,试图发现低压低氧环境影响骨组织的分子基础和可能的信号通路。3.在建立均一性好、可重复性高的大鼠股骨骨缺损动物模型的基础上,将骨缺损大鼠在建模第4天分别放入低压低氧环境和常氧环境中饲养21天,用micro-CT、HE染色以及丽春红三色染色等方法观察两种环境中骨的修复能力,并用三点弯曲实验检测股骨骨缺损处的生物力学性能。4.取上述实验中包括骨痂组织在内的中段股骨,提取骨组织总RNA,进行高通量测序,全面分析两组转录组表达情况,根据检测到的差异表达基因探寻可能的分子机制和信号通路。结果1.低压低氧舱中饲养的大鼠在实验期间体重增量明显小于常氧条件下饲养的大鼠。血液学检测显示:低氧组红细胞(erythrocyte,RBC)、血红蛋白(hemoglobin,HGB)及红细胞压积(hematocrit,HCT)明显高于常氧组,血小板计数(platelet,PLT)及血小板压积(plateletcrit,PCT)明显低于常氧组。组织学观察显示,低氧组大鼠股骨远端松质骨相对常氧组较为疏松,Micro-CT各参数量化分析结果进一步证实此结论。生物力学检测显示,低氧组的结构参数(structural properties)以及组织机械参数(intrinsic mechanical properties)明显低于常氧组。2.两组大鼠的正常骨组织共检测到846个差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs),其中289个基因在低氧组中相对上调,557个相对下调。这些差异表达基因进行基因本体(Gene Ontology,GO)分析后有293个功能聚类显著富集。通过京都基因和基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)富集分析,发现差异表达基因主要富集到17条信号通路上,包括包括NF-κB信号通路、AMPK信号通路、脂肪细胞因子信号通路、造血细胞谱系信号通路、B细胞受体信号通路等。3.经过对三种建模方式的比较,确定了一种操作简便、均一性好、重复性高的大鼠股骨骨缺损建模方式。该骨缺损模型大鼠在两种环境中分别饲养21天后,低氧组骨缺损处充填骨痂组织较少,且多为新生骨和软骨,常氧组骨缺损愈合较好,且骨痂组织较为成熟。两组生物力学未见明显差异。4.上述两组大鼠骨痂组织共检测到2999个差异表达基因,其中1359个基因在低氧组中相对上调,1640个相对下调。这些差异表达基因进行功能聚类后有310个显著富集。通过KEGG富集分析,发现差异表达基因主要富集到40条信号通路上,包括:破骨细胞分化信号通路、NF-κB信号通路、HIF-1信号通路、VEGF信号通路、TNF信号通路、类风湿性关节炎信号通路、造血细胞谱系信号通路、B细胞受体信号通路等。结论1.低压低氧环境对大鼠股骨的微观结构和强度均有负面影响。2.本研究首次利用RNA-seq技术分析了低压低氧环境对大鼠骨组织的影响,发现了846个差异表达基因,富集到17个信号通路。3.本实验采用的大鼠股骨骨缺损动物模型具有较好的均一性和较高的可重复性。4.低压低氧环境不利于骨缺损的修复。5.低压低氧环境下的骨痂组织相对于常氧环境,共出现2999个差异表达基因,主要富集到40条通路。