2021-11-29
衰老和疾病過程中的骨質流失與成骨和破骨作用的失衡有關。研究表明，小鼠骨骼干細胞（SSC）的固有老化改變了骨髓微環境中的信號傳導，扭曲了骨骼和血液譜系的分化，導致脆弱的骨骼再生不良。從功能上講，衰老SSC的骨和軟骨形成潛能降低，但產生更多的基質譜系，表達高水平的促炎癥和促吸收細胞因子。單細胞RNA測序研究顯示功能喪失與衰老小鼠SSC轉錄組多樣性減少直接相關，這導致了骨髓微環境的轉化。年輕造血干細胞的系統重建將老年SSC暴露于年輕循環中，不會逆轉其骨軟骨生成活性的降低，也不會改善老年小鼠的骨量或骨骼愈合參數。相反，衰老的SSC譜系通過造血干細胞和祖細胞促進破骨細胞活性和髓樣傾斜，表明SSC的老化是造血老化的驅動因素。老年小鼠骨再生不足能夠通過局部應用BMP2和CSF1拮抗劑的組合治療恢復到年輕水平，從而重新激活老年SSC，同時清除炎癥、促破骨細胞環境。該研究結果為骨骼老化的復雜、多因素機制提供了機制上的見解，并為老年骨骼系統的再生提供了前景。
結 論
一、骨骼干細胞的功能衰退來源于細胞本身的變化而非環境。
二、骨骼干細胞的老化直接導致造血系統出現年齡相關性的髓系偏移。
三、老年骨骼干細胞的功能衰退是轉錄組多樣性喪失的結果。
四、用BMP2結合低劑量aCSF1治療，能夠使老年骨骼恢復到年輕的再生水平。
結 果
骨骼干細胞通過自我更新，源源不斷生成新的細胞，同時向成骨細胞分化，促進骨質新生，在骨骼發育和骨損傷修復中發揮重要作用。為了探究衰老過程中，骨骼干細胞功能的變化，研究人員通過骨折模型來檢驗骨骼干細胞再生能力。
一、小鼠骨骼干細胞表現出內在的衰老，與年齡相關的骨骼干細胞功能下降
研究人員從2月齡和24月齡小鼠的骨骼中純化了3000個骨骼干細胞和骨-軟骨-基質祖細胞，并將其移植到2月齡免疫缺陷小鼠的腎囊中。4周后，組織學和micro-CT分析表明，受體體內移植的2月齡小鼠的細胞形成了堅固骨移植物，而移植的24月齡小鼠的細胞形成的骨移植物更小、礦化程度更低（圖 1f-h)。比較了2月齡與24月齡小鼠愈傷組織的活性，發現與24月齡小鼠相比，2月齡小鼠的骨痂愈合情況更好。在骨折后第10天，2月齡小鼠的愈傷組織愈合情況如圖1a、b所示。然后研究者使用流式細胞術從未骨折以及骨折的小鼠骨骼中分別提取了骨骼干細胞和骨-軟骨-基質祖細胞，觀察到細胞總數隨年齡增長而減少，以及增殖活性相應減弱，細胞的凋亡水平略有增加（圖 1c，d)。最后，流式細胞術分析顯示，24月齡骨折小鼠下游骨骼干細胞譜系均向前髓系轉移（圖 1e)。
圖1
二、老年骨骼干細胞促進造血干細胞的髓系偏移
研究者將2月齡小鼠的造血干細胞移植到2月齡或24月齡小鼠體內，12周后，24月齡小鼠體內移植的造血干細胞顯示出髓系偏倚（圖2g，h）。同時，24月齡小鼠的移植骨髓細胞從產生共同淋巴祖細胞向髓系細胞轉變（圖 2i，j）。而將24月齡小鼠的造血干細胞與2月齡小鼠的骨骼干細胞基質共培養后，移植到2月齡受體小鼠中，導致外周血髓系輸出增加，以及共同淋巴祖細胞數量減少（圖 2k-m)。
圖2
三、與年齡相關的骨骼干細胞的多樣性喪失，老年骨骼干細胞促進破骨細胞的生成
對3天（0月）、2月和24月齡小鼠的表型骨骼干細胞，進行了單細胞測序，并進行了細胞篩選，確定了8個轉錄組譜的亞群（圖 3a-c）。基因富集中的聚類被標識為軟骨群，成骨群，基質群，以及“gabra2陽性”群。通過進行細胞追蹤分析將剩余的聚類標識為潛在的骨骼干細胞來源（圖 3d）
圖3
四、老年骨骼生態位的組合靶向治療恢復了年輕骨再生能力
研究通過對不同年齡段的骨骼干細胞進行基因表達分析，發現隨著衰老，骨骼干細胞分泌破骨細胞成熟因子CSF1增多，而促進骨軟骨再生的因子TGFβ分泌減少，故研究人員采用BMP2聯合CSF1拮抗劑，BMP2作為TGFβ家族中的一員，具有促進骨骼干細胞向成骨細胞分化，誘導骨、軟骨生成，向24月齡衰老小鼠骨折斷端注射含有“BMP2+CSF1拮抗劑”的水凝膠，就能夠使24月齡的小鼠像2月齡的小鼠一樣擁有高效骨折修復能力，且骨折斷端的骨骼干細胞克隆再生能力和成骨能力都增強，還成功逆轉了骨骼干細胞衰老相關的基因表達，使得成骨、成軟骨相關的基因整體表達上升。
圖4
總結
身體健康隨著衰老的逐漸退化是非?；A而又極具韌性的醫學課題之一。大多數與年齡有關的疾病的病因仍未完全清楚，從根本上來說，衰老的某些方面顯然根植于細胞的內在變化，而干細胞在其中無疑扮演著重要的角色，本證明骨衰老根源于骨骼干細胞的改變，最終影響骨骼和造血譜系的輸出，降低骨骼完整性并限制愈合能力。提供了扭轉年齡性骨骼衰老的方法，使我們對于衰老過程有了更深的理解。
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