骨细胞通过激活整合素α5调节雄性小鼠对机械负荷的骨合成代谢反应

机械敏感的骨组织根据机械负荷调整其结构。骨细胞（Osteocytes）是骨组织中主要的机械感觉细胞，可以检测来自腔隙-小管网络的机械信号，并将骨合成代谢分子释放到骨基质中，以调节骨表面的骨重塑。

整合素由 α 和 β 亚基组成，在细胞和细胞外基质之间的信号转导过程。在骨细胞中，整合素α5 被证明可以调节间隙连接蛋白43（Cx43）的表达并通过接头蛋白 14-3-3θ 与 Cx43 在质膜上共组装，形成机械敏感的 Cx43 半通道复合物。在流体流动剪切应力（FFSS）下，整合素α5 直接与 Cx43 相互作用，在骨细胞上打开 Cx43 半通道。开放的 Cx43 半通道释放小的合成代谢因子，如骨细胞中的前列腺素E2（PGE2），它们以自分泌/旁分泌方式发挥作用并促进骨骼合成代谢对机械负荷的反应。

基于整合素α5 和 Cx43 半通道之间的相互作用，有理由假设整合素α5 通过激活 Cx43 半通道来促进骨骼中机械刺激的合成代谢功能。因此，西北工业大学生命学院及美国德克萨斯大学健康科学中心的研究团队为了确定整合素a5 在骨细胞中的作用及其在机械负荷过程中的合成代谢功能，构建了Itga5 条件性基因敲除（cKO）小鼠模型，发现骨细胞中整合素α5 的缺失阻碍了皮质骨和小梁骨对机械负荷的合成代谢反应，并进一步揭示了机械负荷下整合素α5 在激活骨细胞半通道、PGE2 释放以及骨重塑中的重要性。研究成果发表在 Bone Research 期刊题为“Osteocytes regulate bone anabolic response to mechanical loading in male mice via activation of integrin α5”。

首先，研究人员假设骨细胞整合素α5 的缺失可能会降低 Cx43半通道活性并在机械负荷期间损害骨骼的合成代谢功能。为了验证这一假设，生成了骨细胞整合素α5 cKO 小鼠。来自胫骨皮质骨组织的染色定量分析发现，与WT小鼠相比，cKO小鼠的皮质骨中有更多的空骨陷窝；且TUNEL阳性骨细胞增加，TUNEL标记也证实了cKO小鼠中凋亡骨细胞的显著增加。

然后对 WT 和 cKO 雄性小鼠进行为期 2 周的循环轴向胫骨压缩负荷（0.5N，2Hz）。μCT分析显示，与WT小鼠相比，cKO小鼠对侧未加载负荷胫骨的骨面积分数（B.Ar/T.Ar）和皮质骨厚度（Ct.Th）显著降低（图1 c、e）。与对侧对照胫骨相比，WT小鼠的机械负荷增加了 Ct.Th（图1 e）。虽然负荷导致骨面积（B.Ar）增加，但由于cKO小鼠对侧对照胫骨总横截面积（T.Ar）的扩大（图1 a、b），骨髓面积的增大（M.Ar）（图1 d）和皮质厚度的减小（图1 e）导致骨面积比率的损失，如cKO小鼠 B.Ar/T.Ar 降低所示（图1 c）。因此，在WT小鼠中显示的由胫骨负荷诱导的 Ct.Th 和极惯性矩（pMOI）增加，在cKO小鼠中没有观察到（图1 e、f）。在WT和cKO小鼠的机械负载期间，骨密度（BMD）没有变化（图1 g）。与对侧对照组相比，WT小鼠的弹性模量和极限应力显著增加，但在cKO小鼠中没有发现这种增加（图1 h、i）。

在干骺端小梁骨中，机械负荷增加了cKO和WT小鼠对侧对照的骨小梁厚度（Tb.Th）。然而，与对侧对照组相比，cKO小鼠在胫骨负荷下表现出骨小梁数量（Tb.N）的减少和骨小梁分离度（Tb.Sp）的增加。这些结果表明，整合素α5参与了皮质骨和小梁骨对机械负荷的合成代谢反应。

图1 骨细胞中整合素α5的缺失减弱或逆转了中轴皮质骨机械负荷的合成代谢功能。

 WT和cKO小鼠未负荷对侧胫骨的动态组织形态学分析显示，在骨内膜表面，机械负荷导致WT对侧对照的矿物质附着率（MAR）和骨形成率/骨表面（BRF/BS）增加，但在cKO小鼠中这种增加受到抑制（图2 a、c），且WT小鼠负荷胫骨的MAR和BFR/BS大于cKO小鼠（图2 a、c）。然而，胫骨负荷没有观察到矿化表面/骨表面（MS/BS）的显著增加，而负荷的cKO小鼠胫骨则呈下降趋势（图2 b）。代表性图像显示，骨内膜成骨反应集中在后外侧区域（图2 g）。与骨内膜表面相比，cKO小鼠在骨干 37% 区域骨外膜表面的MS/BS与WT相比显著降低（图2 e）。骨外膜表面的MAR、MS/BS和BFR/BS显著升高，与cKO和WT小鼠的对侧对照相似（图2 d-f）。这些结果表明，骨细胞中整合素α5的缺失减弱了机械负荷引起的中轴骨成骨增加。

鉴于在后外侧（PL）表面发生强烈的骨内成骨反应，因此，接下来研究重点分析了该区域的成骨细胞。结果表明，WT小鼠骨内膜表面压缩负荷诱导的成骨细胞显著增加，但在cKO小鼠中没有增加，且与WT小鼠相比，cKO小鼠骨外膜表面的成骨细胞较少。

由于加载后 M.Ar 在cKO小鼠中增大，实验假设这种反应部分是由于破骨细胞活性的增加。正如预期，在 WT 和 cKO 小鼠中，机械负荷增加了前内侧（AM）骨内膜表面的破骨细胞，而PL表面的破骨细胞在机械负荷期间没有变化。对侧非负荷胫骨的分析显示，cKO小鼠中的破骨细胞比WT小鼠更多。有趣的是，机械负荷显著增加了cKO小鼠干骺端小梁骨中的破骨细胞数量和破骨细胞覆盖面。这些数据表明，整合素α5在机械负荷期间调节成骨细胞和破骨细胞活动，其缺失抑制负荷诱导的成骨细胞活性增加，但促进骨小梁破骨细胞的活性。

图2 骨细胞中整合素α5 缺失抑制机械负荷下中轴骨内成骨的增加。

最后，为了确定 Cx43 半通道是否参与整合素α5 调节的对轴向胫骨负荷的合成代谢反应，向小鼠尾静脉注射EB染料来评估 WT 和 cKO 小鼠的原位半通道活性。结果表明，机械负荷增加了WT小鼠骨细胞的EB摄取，但在cKO小鼠中没有（图3 a）。EB荧光强度的定量证实了cKO小鼠对EB染料摄取的抑制作用（图3 b、c）。同样，机械负荷也增加了干骺端小梁骨中EB染料的摄取，但这种增加在cKO小鼠中受到抑制（图3 d-f）。这些结果表明，整合素α5在调节骨细胞半通道响应机械负荷的开放中起着重要作用，其缺失可抑制骨细胞机械负荷诱导的半通道开放。

鉴于Cx43 半通道释放的细胞外 PGE2对骨骼机械反应至关重要，因此，在 WT 和 cKO 小鼠的血清和胫骨中检测了 PGE2 水平，观察到仅在WT小鼠胫骨中，负荷诱导PGE2水平增加，在cKO胫骨中这种增加受到抑制，且血清中WT小鼠的PGE2水平也高于cKO小鼠。此外，还确定了整合素α5 在负荷诱导的硬骨素（SOST）抑制中的参与，发现与WT小鼠的对侧对照相比，机械负荷减少了SOST-阳性骨细胞，但在cKO小鼠的负荷胫骨中没有发生。

由于骨细胞中SOST的下调对于负荷诱导的WNT通路激活至关重要，因此确定了另一种 WNT 信号分子 β-catenin 在成骨细胞中的表达，发现与WT小鼠对侧对照胫骨相比，机械负荷导致骨内膜表面β-catenin阳性成骨细胞的表达显著增加，但在cKO小鼠中没有。这些结果表明，在机械负荷过程中，骨细胞中整合素α5的缺失阻碍了PGE2的释放，进而降低了骨细胞中SOST，这与骨内膜表面β-catenin表达和成骨细胞活性受阻有关。

图3 在整合素α5 cKO小鼠中，机械负荷诱导的骨细胞半通道开放受到抑制。


图4 骨细胞整合素a5β1 在骨骼机械刺激的合成代谢反应中的作用图解。

在机械负荷下，COX-2 和 PGE2 水平增加。如前所述，在骨细胞表面表达的整合素α5β1 将被激活以改变其延伸的细胞外结构域并触发 Cx43 半通道的开放。开放的半通道将释放以自分泌方式发挥作用的 PGE2通过EP4受体降低SOST表达。结果，成骨细胞中 β-catenin的表达增加，导致成骨细胞活性和骨内膜骨形成增加。

总之，这项研究揭示了骨细胞整合素α5 在骨内膜骨表面机械负荷的合成代谢反应中新的生理作用。该研究表明，整合素α5 和 Cx43 半通道在介导骨骼合成代谢对机械负荷的反应方面存在重要关系，并进一步表明整合素α5 可以作为骨骼疾病的新潜在治疗靶点。未来，将开展更深入的临床前研究，以更深入地了解整合素α5 在机械反应中的作用。当确定了介导机械反应的关键因子/通路时，便有望建立潜在的药物靶点并开发候选药物，以帮助增强老年患者或身体不便患者的机械反应性和合成代谢功能。

参考文献：Zhao D, Hua R, Riquelme MA, Cheng H, Guda T, Xu H, Gu S, Jiang JX. Osteocytes regulate bone anabolic response to mechanical loading in male mice via activation of integrin α5. Bone Res. 2022 Jul 18;10(1):49. doi: 10.1038/s41413-022-00222-z. PMID: 35851577; PMCID: PMC9293884.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35851577/

ISSN 2095-6231 (online)

Journal Impact Factor: 14.3

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