未来骨科医工融合—文献集萃（四）Bone Research：衰老损害骨细胞对胶原完整性和骨质量的调节

发布日期： 2024-10-19 19:57:00 阅读量： 4

汇报人：张建松（北京协和医院）

摘要

骨质量差是老年人骨骼脆弱的主要因素，而建立和维持骨质量（与骨量无关）的分子机制尚不清楚，但目前研究认为主要是由骨细胞决定的。该研究假设衰老导致的骨质量下降是由于骨细胞周围陷窝/小管重塑（PLR）受到抑制，而陷窝/小管重塑（PLR）是维持骨骼材料特性的重要因素。该文章研究了年轻和老年小鼠的骨骼，发现小鼠的骨细胞内源性抑制TGFβ信号从而抑制了陷窝/小管重塑（PLR）。而老年小鼠的骨骼显示出TGFβ信号和陷窝/小管重塑（PLR）减少，但衰老并未加重雄性TβRIIocy - / -骨骼中已有的陷窝/小管重塑（PLR）抑制。这种关系影响了宏观力学测试中纳米尺度和组织尺度上胶原材料的行为。年龄对骨量、密度和矿物材料行为的影响与骨细胞TGFβ信号无关。该研究证明了衰老导致骨质量下降的原因是骨细胞功能丧失及依赖于TGFβ的胶原完整性维持功能的丧失。

方法

作者通过比较年轻和老年小鼠的骨骼，以及TβRIIocy−/−小鼠和Cre阴性对照小鼠的骨骼，来探讨年龄、骨细胞TGFβ信号传导和PLR在骨质量控制中的作用。同时实验采用了多种机械测试： 通过三点弯曲测试评估了小鼠骨骼的力学性能，包括弹性模量、抗拉强度和断裂功等；利用同步辐射光源产生的单色X射线在原位拉伸测试中分析了骨胶原和矿物质的纳米材料行为，通过SAXS和WAXD技术分别研究了胶原和矿物质的应变；通过原位拉伸测试结合同步辐射SAXS/WAXD技术，在原位拉伸测试中实时测量了骨胶原和矿物质的应变，以及整体组织的应变。

总结

该文章综合创新的运用了分子生物学、细胞生物学、组织学、材料科学和力学等多个领域的知识和技术，为深入理解骨质量下降的分子机制和材料基础提供了强有力的实验依据。

创新点

1. 揭示了TGFβ信号传导在骨质量下降中的关键作用： 研究首次揭示了随着年龄增长，骨质量下降与破骨细胞中TGFβ信号传导的抑制密切相关。这一发现突破了传统观点，即骨质量下降仅仅是骨量减少的结果，而是强调了骨细胞信号传导在维持骨质量中的重要作用。

2. 明确了TGFβ信号传导调控骨小梁微结构的分子机制： 通过对TβRIIocy−/−小鼠模型的研究，发现TGFβ信号传导的抑制导致骨小梁数量减少和骨密度降低，揭示了TGFβ信号传导在维持骨小梁微结构完整性中的关键作用。

3. 揭示了骨基质质量和骨骼力学性能下降的分子和材料机制： 研究通过多种技术手段，如同步辐射SAXS/WAXD、原位拉伸测试、蛋白质组学和FTIR等，揭示了TGFβ信号传导的抑制导致骨基质蛋白质组成和性质改变，进而影响骨骼的力学性能。

4. 提出了多尺度分析骨质量下降的新方法： 研究结合了组织学、分子生物学、材料科学和力学等多学科方法，从宏观、微观和纳米尺度对骨质量下降进行了系统研究，为骨质量下降的研究提供了新的思路和方法。

图示：通过 TGFβ 信号传导对骨质进行年龄相关控制的示意图

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41413-023-00303-7

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