間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)位于骨髓基質(zhì)內(nèi)，是一種非造血性多能干細(xì)胞，可分化為多種細(xì)胞類型，包括成骨細(xì)胞或脂肪細(xì)胞。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMMSCs)作為一種多能干細(xì)胞，因其在再生醫(yī)學(xué)和組織工程中的重要意義而備受關(guān)注。隨著年齡的增長或骨質(zhì)疏松，骨髓脂肪生成增加，并與骨量的喪失呈負(fù)相關(guān)。骨髓脂肪細(xì)胞來源于多能的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，可分化為脂肪或骨。BMMSCs是機(jī)械敏感細(xì)胞，但機(jī)械負(fù)荷如何在體內(nèi)調(diào)節(jié)骨髓脂肪生成及其對骨重建的影響仍然知之甚少。
2025年10月28日，香港大學(xué)徐愛民、王柏樂教授聯(lián)合法國國家科學(xué)研究中心分子與細(xì)胞藥理學(xué)研究所Eric Honoré在國際知名期刊Signal Transduction and Targeted Therapy（IF=52.7）上發(fā)表了文章 “Piezo1 activation suppresses bone marrow adipogenesis to prevent osteoporosis by inhibiting a mechanoinflammatory autocrine loop”。研究發(fā)現(xiàn)BMMSCs中Piezo1的激活通過阻止CCL2-Lcn2炎癥自分泌環(huán)路來抑制骨髓脂肪生成以維持骨強(qiáng)度，從而揭示了之前未知的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)、炎癥和細(xì)胞命運(yùn)決定之間的聯(lián)系。
· 維真助力 - 慢病毒·
基因信息 KLF2：Kruppel樣因子2
病毒產(chǎn)品 Lv-PDGFRα-klf2-eGFP，Lv-PDGFRα-eGFP
體外實驗
感染細(xì)胞 WT或Piezo1敲除的BMMSCs
MOI 40
感染時間 72h
體內(nèi)實驗
實驗動物 雄性PDGFRα-Piezo1 KO小鼠及其同窩WT小鼠
注射方式 兩側(cè)脛骨內(nèi)注射
病毒用量 1.25×106 TU per side
GFP熒光以及WB證實慢病毒介導(dǎo)Klf2在BMMSCs過表達(dá)
01 研究結(jié)果分享
1、PIEZO1基因缺失的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞優(yōu)先分化為脂肪細(xì)胞而不是成骨細(xì)胞
研究人員為探索Piezo1在脂肪組織的發(fā)育和功能中的潛在作用，利用血小板衍生生長因子受體α(PDGFRα)-Cre小鼠構(gòu)建脂肪祖細(xì)胞Piezo1基因缺失模型。結(jié)果表明PDGFRα+細(xì)胞中的Piezo1缺失會削弱成骨作用，增加骨髓脂肪含量，但對周圍脂肪組織沒有明顯影響。接下來，研究人員探索了Piezo1對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在體外的成骨和成脂能力影響，發(fā)現(xiàn)Piezo1 KO BMMSCs的成骨能力比WT BMMSCs低得多，而成脂能力增加，提示Piezo1基因缺失后，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞優(yōu)先分化為脂肪細(xì)胞。考慮到Piezo1在小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中的重要作用，通過Piezo1激活/抑制進(jìn)一步研究了Piezo1在人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(HBMMSCs)中的作用，Yoda1激活Piezo1顯著抑制脂肪生成，但促進(jìn)成骨。相反，通過GsMTx4抑制Piezo1增加了脂肪生成，但抑制了成骨。此外，研究人員通過骨髓移植實驗證實了PDGFRα-Piezo1 KO小鼠骨體積減少和骨髓脂肪增加完全是由于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中Piezo1缺失所致。
圖1.PIEZO1基因缺失的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞優(yōu)先分化為脂肪細(xì)胞而不是成骨細(xì)胞
2、PIEZO1缺失增強(qiáng)CCL2-CCR2信號促進(jìn)Lcn2表達(dá)和分泌
大量證據(jù)表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞來源的自分泌因子在決定骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的譜系定向方面具有重要意義。研究人員進(jìn)一步探究了Piezo1下游調(diào)控BMMSCs成骨或成脂作用的分泌因子，篩選發(fā)現(xiàn)了在Piezo1缺失的BMMSCs中顯著增加的促炎細(xì)胞因子lipocalin-2 (Lcn2)和Ccl2。接下來研究人員探討了Piezo1缺失是如何上調(diào)BMMSCs中Lcn2的表達(dá)和分泌。qPCR分析和Olink數(shù)據(jù)顯示，Piezo1 KO BMMSC中Ccl2的表達(dá)和分泌水平均大幅升高。Ccl2已被證明通過其自分泌作用在腫瘤細(xì)胞中誘導(dǎo) Lcn2，為了研究 Lcn2 水平是否通過 Ccl2 的 Piezo1 依賴性自分泌作用進(jìn)行調(diào)節(jié)，研究人員首先確認(rèn)了 BMMSC 中 Ccl2 受體 CCR2 的表達(dá)，并發(fā)現(xiàn)它在 Piezo1 KO BMMSC 中顯著上調(diào)，此外重組小鼠CCL2蛋白能地將BMMSCs的分化潛能從成骨轉(zhuǎn)變?yōu)槌芍⒃黾恿薟T BMMSCs中Lcn2的表達(dá)和分泌，而CCR2拮抗劑INCB3344可逆轉(zhuǎn)Piezo1 KO BMMSCs 的上述表型，表明CCL2-CCR2信號促進(jìn)成脂抑骨。進(jìn)一步研究表明Piezo1 通過抑制 Ccl2 誘發(fā)的 NF-κB 激活來抑制 Lcn2 表達(dá)和分泌。
圖2. PIEZO1通過抑制CCl2誘導(dǎo)的NF-κB的活化而抑制Lcn2的表達(dá)和分泌
3、體內(nèi)過表達(dá)KLF2或下調(diào)CCL2/Lcn2逆轉(zhuǎn)PDGFRα-Piezo1 KO小鼠骨量和骨髓肥胖變化
為了驗證KLF2-CCL2-Lcn2軸作為Piezo1的下游信號效應(yīng)器，參與調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞命運(yùn)，研究人員利用慢病毒在小鼠體內(nèi)過表達(dá)KLF2或下調(diào)CCL2/Lcn2，并在體外BMMSCs已證實該策略的有效性，以及慢病毒脛骨內(nèi)注射的特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)。在PDGFRα+BMMSCs中恢復(fù)KLF2的表達(dá)逆轉(zhuǎn)了Piezo1 KO小鼠的骨體積減少、骨小梁數(shù)量減少、骨密度降低、ALP染色的成骨細(xì)胞減少、骨小梁分離增加和BMA增加。同樣，在Piezo1缺陷的PDGFRα+BMMSCs中，CCL2或Lcn2被敲低到與WT BMMSCs相當(dāng)?shù)乃剑軠p輕Piezo1 KO小鼠的骨丟失和骨髓肥胖癥。此外，CCL2基因敲低降低了Lcn2的表達(dá)和分泌，而KLF2過表達(dá)抑制了KO BMMSCs中CCL2和Lcn2的表達(dá)和分泌，進(jìn)一步支持了KLF2-CCL2-Lcn2信號軸介導(dǎo)Piezo1缺乏引起的小鼠骨丟失和骨髓肥胖的觀點。
圖3. 體內(nèi)驗證Piezo1-KLF2-CCL2-Lcn2信號軸在調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨和成脂
02 結(jié)論
本研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械傳感器Piezo1通過CaMKII/KLF2調(diào)節(jié)c-jun-CCL2-NF-κB-Lcn2炎癥軸，從而平衡骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的脂肪成骨潛能。機(jī)械卸載或Piezo1失活會破壞這種平衡，導(dǎo)致BMMSCs中CCL2-Lcn2自分泌環(huán)路過度激活，并促進(jìn)骨髓脂肪生成，進(jìn)而導(dǎo)致與衰老或肥胖相關(guān)的骨骼和/或代謝疾病。運(yùn)動通過Piezo1開放和下游激活CaMKII/KLF2途徑來抑制這種自分泌炎癥環(huán)路，從而在增加骨密度和減少BMA方面發(fā)揮其健康益處。這些數(shù)據(jù)揭示了機(jī)械控制的炎癥在決定骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞細(xì)胞命運(yùn)中的關(guān)鍵作用，并提出了以Piezo1-c-JunCcl2-NF-κB-Lcn2軸為靶點，作為基于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療衰老和肥胖相關(guān)慢性疾病的一種有前途的策略的可能性。