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力学卸载通过调控间充质干细胞分泌组、促进炎症反应,进而加速破骨细胞分化与骨吸收
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成人骨骼依靠骨吸收与骨形成的动态偶联平衡维持骨量与力学稳定性，该过程受细胞因子、神经、激素及力学信号等多重因素调控。适宜的力学刺激可促进成骨分化、维持骨稳态，而衰老、长期卧床等导致的力学负荷降低会打破骨重塑平衡，造成骨吸收亢进、骨形成抑制，诱发废用性骨丢失。目前，力学失负荷引发骨重塑解偶联的具体机制尚不明确，限制了相关骨病的临床防治。
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细胞拉伸刺激培养
骨细胞是经典的骨骼力学感受器，可通过分泌多种细胞因子调控骨重塑进程。近年研究发现，骨髓间充质干细胞、成骨谱系细胞同样具有力学感知能力，机械敏感离子通道Piezo1可介导力学信号调控干细胞成骨分化，并参与抑制破骨骨吸收，在骨力学调控中发挥关键作用。但Piezo1在各类骨谱系细胞中的力学传导机制及下游调控效应尚未被系统阐明。
基于此，遵义医科大学细胞生物学教研室的研究团队通过梳理Piezo1介导的力学信号传导机制，探究其在骨重塑偶联失衡中的调控作用，为骨代谢相关疾病的防治提供新的理论依据与干预靶点。研究成果发表在 Cell Transplant 期刊，题为“Mechanical Unloading Promotes Osteoclastic Differentiation and Bone Resorption by Modulating the MSC Secretome to Favor Inflammation”。
首先，研究人员利用后肢悬吊（HU）大鼠模型探究微重力诱导骨重塑失衡的内在机制（图1A）。力学卸载处理7 d后，大鼠整体骨密度、骨体积尚未出现显著改变，但骨小梁数量减少、骨小梁间隙增宽（图1B、C）；而卸载3 d即可打破骨重塑稳态，骨髓内RANKL表达升高、OPG表达下降（图1D‑F）。力学卸载还会造成骨髓CD11b⁺髓系细胞（单核细胞、中性粒细胞）明显增多，外周血CD11b⁺细胞同步上调，提示机体同时存在骨髓局部炎症与全身炎症反应（图1G‑J）；骨髓促炎因子IL‑1β、IL‑6、CXCL5、M‑CSF表达上升，而造血相关趋化因子CXCL12表达下调（图1K）。综上，力学卸载早期即可诱发骨髓低度炎症，促进单核细胞增殖与破骨分化，增强破骨细胞介导的骨吸收，最终造成骨丢失。
图 1 力学卸载引发 BM 炎症。
为进一步阐释力学卸载诱发骨髓炎症的上游机制，研究构建间充质干细胞（MSC）特异性Piezo1条件敲除小鼠。鉴于力学卸载会使MSC来源的造血维持因子CXCL12显著下降，研究推测力学信号可通过MSC调控骨髓造血微环境。结果显示，MSC特异性Piezo1敲除小鼠能够重现HU模型的骨丢失表型，出现骨量下降、骨重塑失衡（图2A‑C）；在正常负重饲养条件下，该敲除小鼠骨髓促炎因子上调幅度甚至高于后肢悬吊模型，单核细胞、中性粒细胞数量同步增多（图2D、E）。上述结果证实，MSC的力学信号缺失就足以诱发骨髓炎症，说明具备力学响应能力的MSC是维持骨髓微环境稳态的关键细胞。
图 2 WB 条件下 MSCs 特异性 Piezo1 敲除诱发 BM 炎症。
随后研究借助Flexcell体外周期性力学拉伸（CMS）体系，解析力学刺激下MSC调控骨髓微环境的分子机制。10%周期性力学拉伸可促进MSC增殖，并上调Runx2、ALP、Osx等成骨相关基因（图3A）。对24 h拉伸处理后的MSC开展高通量测序，KEGG富集分析显示差异基因主要集中于炎症相关通路与破骨分化调控通路（图3B）；火山图表明，差异最显著的基因大多为细胞因子（图3C），IL‑1α、CXCL2、M‑CSF等促炎因子表达下调。细胞因子‑受体互作通路热图进一步验证，10% CMS刺激能够抑制MSC促炎细胞因子的表达（图3D）。
图 3 10% CMS 改变 MSCs 分泌组。
研究设置不同拉伸强度的CMS处理，探究促炎因子表达的剂量依赖性效应。8% CMS即可显著下调各类受试促炎细胞因子，10% CMS处理时促炎因子表达降至最低水平（图3E）；而RANKL、OPG表达未见明显变化，提示HU模型骨髓中RANKL/OPG比值改变并非由MSC直接产生。该结果说明适宜的力学负荷可以调控MSC的细胞因子分泌谱。
测序结果提示CMS处理后的MSC差异基因富集于破骨分化通路（图3B），但CMS并不直接调控MSC自身RANKL/OPG表达（图3E），因此研究推测MSC主要通过分泌组间接调控单核细胞功能。研究收集10% CMS处理MSC获得的条件培养基（CM‑10%）培养RAW264.7单核细胞，CM‑10%可显著抑制RAW264.7细胞增殖，但不影响细胞凋亡，并且几乎完全阻断破骨细胞分化（图4A‑E）；SA‑β‑gal衰老染色排除了该效应来源于CMS诱导MSC衰老的可能性（图4F）。以上结果证明，周期性力学拉伸能够重塑MSC分泌组，进而抑制单核细胞增殖以及破骨细胞分化。
图 4 CMS 处理 MSCs 的 CM 抑制单核细胞增殖与破骨分化。
既然力学卸载引发的骨髓炎症与骨吸收增强部分源于MSC功能异常，研究继续评估CMS预处理MSC用于治疗废用性骨质疏松的应用潜力。10% CMS刺激给MSC带来的分泌表型至少可以维持3 d，该时间段内收集的条件培养基依旧具备抑制破骨分化的能力（图5A、B）。动物体内实验采用尾静脉细胞输注方案，在后肢悬吊的同时每3 d分别输注CMS预处理MSCs‑10%与未处理MSCs‑0%；21 d显微CT结果显示，两组MSC干预均能够减轻骨丢失，其中MSCs‑10%几乎可以完全逆转骨量下降，恢复骨重塑平衡（图5C、D）。MSCs‑10%治疗可将骨髓CD11b⁺细胞数量、促炎因子水平回调至接近正常负重对照组，同时恢复骨髓RANKL/OPG的平衡（图5E、F）。该结果表明，CMS预处理MSC能够显著改善力学卸载状态下的骨髓微环境，重建骨重塑稳态，是废用性骨质疏松极具前景的干细胞干预策略。
图 5 CMS 预处理 MSCs 移植可有效改善力学卸载状态下骨吸收与 BM 炎症。
总之，该研究表明，机械卸载会改变 MSCs 的分泌组，促使骨髓微环境发生炎性改变，髓系细胞与炎症细胞因子增多，进而促进单核细胞增殖、破骨细胞分化。MSCs 的机械感受离子通道 Piezo1 缺失可以重现机械卸载诱导的骨髓炎症与骨丢失表型。适宜的循环机械拉伸能够调控 MSCs 的细胞因子分泌，降低促炎因子表达，其条件培养基可抑制单核细胞增殖与破骨细胞分化。体内移植经 10% 循环机械拉伸预处理的 MSCs，能够改善骨髓炎症微环境，重建骨重塑平衡，有效缓解机械卸载造成的骨流失，为废用性骨质疏松提供了一种基于干细胞的潜在治疗策略。
参考文献：Wang W, Zheng X, Wang H, Zuo B, Chen S, Li J. Mechanical Unloading Promotes Osteoclastic Differentiation and Bone Resorption by Modulating the MSC Secretome to Favor Inflammation. Cell Transplant. 2024 Jan-Dec;33:9636897241236584. doi: 10.1177/09636897241236584. PMID: 38501500; PMCID: PMC10953070.
原文链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10953070/或点击阅读原文
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