通過機(jī)械刺激的骨細(xì)胞初級纖毛和PTH1R調(diào)節(jié)分泌組及與破骨細(xì)胞的通訊

機(jī)械負(fù)荷是骨形成和維持的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因素。骨細(xì)胞是骨骼中最豐富的細(xì)胞，對機(jī)械刺激作出反應(yīng)，改變調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞功能的分子的釋放。在沒有機(jī)械刺激的情況下，骨細(xì)胞產(chǎn)生信號，誘導(dǎo)破骨細(xì)胞前體的募集和分化，刺激骨吸收。

甲狀旁腺激素1型受體（PTH1R）是甲狀旁腺激素受體（PTHRs）成員之一，屬于B族G蛋白偶聯(lián)受體家族（GPCRs），可以潛在地觸發(fā)骨骼中的幾種細(xì)胞內(nèi)信號通路，在骨形成和重塑中起著關(guān)鍵作用。有研究描述了機(jī)械刺激可以在沒有配體刺激的情況下直接激活PTH1R，這表明甲狀旁腺激素（PTH）受體作為機(jī)械傳感器在骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞中的潛在作用。

骨細(xì)胞中的初級纖毛負(fù)責(zé)檢測和介導(dǎo)電磁刺激信號，從而調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞活性和功能。最近對PTH1R作為骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞細(xì)胞膜機(jī)械傳感器的作用的描述，表明這種GPCR受體可能在專注于檢測機(jī)械刺激的細(xì)胞器（如初級纖毛）中特別豐富。事實(shí)上，PTH1R通過骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞中的初級纖毛和Gli-1依賴性機(jī)制誘導(dǎo)促生存作用。然而，PTH1R是否可以在機(jī)械刺激期間動員到初級纖毛，以及這種易位如何影響骨細(xì)胞-破骨細(xì)胞通訊尚不清楚。

基于此，西班牙圣巴勃羅-CEU大學(xué)骨生理病理學(xué)實(shí)驗(yàn)室和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系課題組的一項(xiàng)研究曾假設(shè)PTH1R在初級纖毛中形成信號復(fù)合物，這對于骨細(xì)胞的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)至關(guān)重要，并影響骨細(xì)胞-破骨細(xì)胞通訊，研究結(jié)果提出了一種基于PTH1R動員到初級纖毛的機(jī)制，可以解釋PTH或PTH 相關(guān)蛋白（PTHrP）聯(lián)合治療機(jī)械刺激以保持骨量和質(zhì)量的治療效果。具體研究成果發(fā)表在 The Journal of Cellular Physiology 期刊題為“PTH1R translocation to primary cilia in mechanically-stimulated ostecytes prevents osteoclast formation via regulation of CXCL5 and IL-6 secretion”。
 
首先，為了評估初級纖毛和PTH1R對機(jī)械刺激遷移的影響，實(shí)驗(yàn)使用兩種策略抑制了流體流動（FF，10 dynes/cm²，10 min）或PTHrP刺激前骨細(xì)胞中初級纖毛的形成，分別是沉默IFT88（纖毛生成和初級纖毛功能所需的蛋白質(zhì)）或與水合氯醛（主要纖毛抑制劑）預(yù)孵育。

與靜態(tài)條件下相比，來自FF 或 PTHrP 刺激的 MLO-Y4 細(xì)胞的條件培養(yǎng)基（CM）顯著抑制了小鼠單核細(xì)胞 RAW 細(xì)胞系的遷移。相比之下，來自IFT88或PTH1R沉默的骨細(xì)胞的CM在FF或PTHrP刺激下對單核細(xì)胞遷移沒有抑制作用。這些數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)F或PTHrP刺激的骨細(xì)胞分泌組通過依賴于骨細(xì)胞初級纖毛和PTH1R的機(jī)制抑制RAW 264.7和人單核細(xì)胞的遷移。

然后評估了骨細(xì)胞初級纖毛和PTH1R對破骨細(xì)胞分化的可能作用。結(jié)果觀察到，從FF或PTHrP刺激的骨細(xì)胞中獲得的CM降低了在破骨細(xì)胞因子存在下分化為破骨細(xì)胞的人單核細(xì)胞的百分比（圖1 a、b）。即使骨細(xì)胞受到FF或PTHrP刺激，也觀察到這些作用（圖1 a、b）。因此，這些結(jié)果表明，機(jī)械刺激和PTHrP刺激的骨細(xì)胞的分泌組通過依賴于PTH1R和初級纖毛的機(jī)制抑制了人單核細(xì)胞的破骨生成過程。
接下來，實(shí)驗(yàn)確定了MLO-Y4細(xì)胞中初級纖毛和PTH1R之間可能的共定位，以及它們的共定位是否會影響兩種機(jī)械傳感器的功能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在FF刺激后，70%的纖毛骨細(xì)胞表現(xiàn)出PTH1R和原代纖毛的共定位。在這個百分比中，56%的纖毛細(xì)胞在纖毛的整個延伸上顯示PTH1R定位，而14%僅在纖毛的底部顯示共定位。CH預(yù)處理消除了纖毛的形成，從而抑制了PTH1R對纖毛的動員，而PTHrP不影響PTH1R的動員。此外，機(jī)械刺激的骨細(xì)胞的初級纖毛長度增加，同樣，CH預(yù)處理抑制了這種效應(yīng)，但不受PTH1R拮抗劑PTHrP的影響。因此，這些結(jié)果表明，機(jī)械刺激擴(kuò)大了骨細(xì)胞初級纖毛，并觸發(fā)了PTH1R沿這些細(xì)胞的初級纖毛的顯著動員。

PTH1R對骨細(xì)胞的作用與不同的信號通路有關(guān)，包括Gli轉(zhuǎn)錄因子的過表達(dá)，以及PKA和PKC活化。因此，接著研究了參與MLO-Y4細(xì)胞CM調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞遷移和分化的信號通路，評估了骨細(xì)胞中PKA，PKC或Hedgehog（Hh）信號通路的抑制如何影響小鼠單核細(xì)胞系RAW 264.7細(xì)胞（圖2 a）和人單核細(xì)胞（圖2 b）的遷移。用Gant61、SQ22536和U-73122（分別為Gli、PKA和PKC抑制劑）預(yù)處理骨細(xì)胞可降低骨細(xì)胞CM對小鼠和人單核細(xì)胞遷移的FF和PTHrP依賴性抑制作用（圖2 a、b）。然后研究了不同CMs對破骨形成的影響，同樣，從用抑制劑Gant61、SQ22536和U-73122預(yù)處理的FF或PTHrP刺激的骨細(xì)胞獲得的CM完全逆轉(zhuǎn)了由非抑制的FF或PTHrP刺激的骨細(xì)胞引起的破骨細(xì)胞分化的抑制（圖2 c）。因此，這些數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)F和PTHrP對骨細(xì)胞的刺激抑制了單核細(xì)胞的遷移及其通過依賴于Gli、PKA和PKC的作用向破骨細(xì)胞的分化。
最后，實(shí)驗(yàn)研究了MLO-Y4骨細(xì)胞的分泌組，以分析PTH1R對FF刺激或靜態(tài)下骨細(xì)胞分泌的作用，并解開骨細(xì)胞分泌的可能調(diào)節(jié)單核細(xì)胞遷移和破骨細(xì)胞分化的蛋白質(zhì)。與SC條件下骨細(xì)胞相比，F(xiàn)F刺激的骨細(xì)胞的分泌組表現(xiàn)出76種增加的蛋白質(zhì)和39種降低的蛋白質(zhì)。研究中骨細(xì)胞過表達(dá)的一些蛋白質(zhì)與炎癥過程或破骨細(xì)胞前體（如CXCL5和IL-6）的募集有關(guān)。對此，蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)顯示FF抑制CXCL5的分泌，但不抑制IL-6的分泌。相反，PTH1R的沉默誘導(dǎo)IL-6分泌而不影響CXCL5分泌。

基于這些觀察結(jié)果，使用特異性中和抗體分析了IL-6和CXCL5是否參與調(diào)節(jié)MLO-Y4細(xì)胞中由PTH1R-和初級纖毛依賴性機(jī)制誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞遷移和分化（圖3）。SC下骨細(xì)胞的CM引起單核細(xì)胞遷移和破骨細(xì)胞分化的增加，而用抗CXCL5或抗IL-6抗體預(yù)處理骨細(xì)胞CM可抑制這一效應(yīng)。此外，F(xiàn)F在有或沒有CXCL5或IL-6中和的情況下均減少了單核細(xì)胞遷移和破骨細(xì)胞分化（圖3）。然而，當(dāng)來自骨細(xì)胞的初級纖毛或PTH1R分別被CH或PTHrP抑制時，CXCL5中和對單核細(xì)胞遷移或破骨細(xì)胞分化沒有影響（圖3 a-c）。相反，抗IL-6不僅逆轉(zhuǎn)SC條件下遷移（圖3 b）和破骨細(xì)胞形成（圖3 c），而且在CH或PTHrP存在時也能逆轉(zhuǎn)（圖3 a-c）。因此，在FF條件下，抑制Gli、PKA或PKC通路誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成過程可以通過IL-6中和逆轉(zhuǎn)，但不能通過CXCL5抗體預(yù)孵育逆轉(zhuǎn)（圖3 d）。

這些發(fā)現(xiàn)表明，骨細(xì)胞中功能性初級纖毛和PTH1R的存在對于與破骨細(xì)胞的正確通信是必要的，并表明機(jī)械刺激通過CXCL5抑制破骨細(xì)胞的募集和分化，而PTH1R活化通過IL-6調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞（圖4）。
總之，該研究結(jié)果支持骨細(xì)胞中需要功能性初級纖毛和PTH1R來調(diào)節(jié)這些細(xì)胞的分泌組及其與破骨細(xì)胞的通訊。因此，機(jī)械刺激的骨細(xì)胞通過減少CXCL5分泌來抑制破骨細(xì)胞的募集和分化，而骨細(xì)胞PTH1R的激活通過調(diào)節(jié)Il-6分泌來調(diào)控破骨細(xì)胞。

參考文獻(xiàn)：Tirado-Cabrera I, Martin-Guerrero E, Heredero-Jimenez S, Ardura JA, Gortázar AR. PTH1R translocation to primary cilia in mechanically-stimulated ostecytes prevents osteoclast formation via regulation of CXCL5 and IL-6 secretion. J Cell Physiol. 2022 Oct;237(10):3927-3943. doi: 10.1002/jcp.30849. Epub 2022 Aug 7. PMID: 35933642; PMCID: PMC9804361.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35933642/

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