骨細胞通過激活整合素α5調(diào)節(jié)雄性小鼠對機械負荷的骨合成代謝反應(yīng)

機械敏感的骨組織根據(jù)機械負荷調(diào)整其結(jié)構(gòu)。骨細胞（Osteocytes）是骨組織中主要的機械感覺細胞，可以檢測來自腔隙-小管網(wǎng)絡(luò)的機械信號，并將骨合成代謝分子釋放到骨基質(zhì)中，以調(diào)節(jié)骨表面的骨重塑。

整合素由 α 和 β 亞基組成，在細胞和細胞外基質(zhì)之間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。在骨細胞中，整合素α5 被證明可以調(diào)節(jié)間隙連接蛋白43（Cx43）的表達并通過接頭蛋白 14-3-3θ 與 Cx43 在質(zhì)膜上共組裝，形成機械敏感的 Cx43 半通道復(fù)合物。在流體流動剪切應(yīng)力（FFSS）下，整合素α5 直接與 Cx43 相互作用，在骨細胞上打開 Cx43 半通道。開放的 Cx43 半通道釋放小的合成代謝因子，如骨細胞中的前列腺素E2（PGE2），它們以自分泌/旁分泌方式發(fā)揮作用并促進骨骼合成代謝對機械負荷的反應(yīng)。

基于整合素α5 和 Cx43 半通道之間的相互作用，有理由假設(shè)整合素α5 通過激活 Cx43 半通道來促進骨骼中機械刺激的合成代謝功能。因此，西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院及美國德克薩斯大學(xué)健康科學(xué)中心的研究團隊為了確定整合素a5 在骨細胞中的作用及其在機械負荷過程中的合成代謝功能，構(gòu)建了Itga5 條件性基因敲除（cKO）小鼠模型，發(fā)現(xiàn)骨細胞中整合素α5 的缺失阻礙了皮質(zhì)骨和小梁骨對機械負荷的合成代謝反應(yīng)，并進一步揭示了機械負荷下整合素α5 在激活骨細胞半通道、PGE2 釋放以及骨重塑中的重要性。研究成果發(fā)表在 Bone Research 期刊題為“Osteocytes regulate bone anabolic response to mechanical loading in male mice via activation of integrin α5”。

首先，研究人員假設(shè)骨細胞整合素α5 的缺失可能會降低 Cx43半通道活性并在機械負荷期間損害骨骼的合成代謝功能。為了驗證這一假設(shè)，生成了骨細胞整合素α5 cKO 小鼠。來自脛骨皮質(zhì)骨組織的染色定量分析發(fā)現(xiàn)，與WT小鼠相比，cKO小鼠的皮質(zhì)骨中有更多的空骨陷窩；且TUNEL陽性骨細胞增加，TUNEL標記也證實了cKO小鼠中凋亡骨細胞的顯著增加。

然后對 WT 和 cKO 雄性小鼠進行為期 2 周的循環(huán)軸向脛骨壓縮負荷（0.5N，2Hz）。μCT分析顯示，與WT小鼠相比，cKO小鼠對側(cè)未加載負荷脛骨的骨面積分數(shù)（B.Ar/T.Ar）和皮質(zhì)骨厚度（Ct.Th）顯著降低（圖1 c、e）。與對側(cè)對照脛骨相比，WT小鼠的機械負荷增加了 Ct.Th（圖1 e）。雖然負荷導(dǎo)致骨面積（B.Ar）增加，但由于cKO小鼠對側(cè)對照脛骨總橫截面積（T.Ar）的擴大（圖1 a、b），骨髓面積的增大（M.Ar）（圖1 d）和皮質(zhì)厚度的減小（圖1 e）導(dǎo)致骨面積比率的損失，如cKO小鼠 B.Ar/T.Ar 降低所示（圖1 c）。因此，在WT小鼠中顯示的由脛骨負荷誘導(dǎo)的 Ct.Th 和極慣性矩（pMOI）增加，在cKO小鼠中沒有觀察到（圖1 e、f）。在WT和cKO小鼠的機械負載期間，骨密度（BMD）沒有變化（圖1 g）。與對側(cè)對照組相比，WT小鼠的彈性模量和極限應(yīng)力顯著增加，但在cKO小鼠中沒有發(fā)現(xiàn)這種增加（圖1 h、i）。

在干骺端小梁骨中，機械負荷增加了cKO和WT小鼠對側(cè)對照的骨小梁厚度（Tb.Th）。然而，與對側(cè)對照組相比，cKO小鼠在脛骨負荷下表現(xiàn)出骨小梁數(shù)量（Tb.N）的減少和骨小梁分離度（Tb.Sp）的增加。這些結(jié)果表明，整合素α5參與了皮質(zhì)骨和小梁骨對機械負荷的合成代謝反應(yīng)。

圖1 骨細胞中整合素α5的缺失減弱或逆轉(zhuǎn)了中軸皮質(zhì)骨機械負荷的合成代謝功能。

 WT和cKO小鼠未負荷對側(cè)脛骨的動態(tài)組織形態(tài)學(xué)分析顯示，在骨內(nèi)膜表面，機械負荷導(dǎo)致WT對側(cè)對照的礦物質(zhì)附著率（MAR）和骨形成率/骨表面（BRF/BS）增加，但在cKO小鼠中這種增加受到抑制（圖2 a、c），且WT小鼠負荷脛骨的MAR和BFR/BS大于cKO小鼠（圖2 a、c）。然而，脛骨負荷沒有觀察到礦化表面/骨表面（MS/BS）的顯著增加，而負荷的cKO小鼠脛骨則呈下降趨勢（圖2 b）。代表性圖像顯示，骨內(nèi)膜成骨反應(yīng)集中在后外側(cè)區(qū)域（圖2 g）。與骨內(nèi)膜表面相比，cKO小鼠在骨干 37% 區(qū)域骨外膜表面的MS/BS與WT相比顯著降低（圖2 e）。骨外膜表面的MAR、MS/BS和BFR/BS顯著升高，與cKO和WT小鼠的對側(cè)對照相似（圖2 d-f）。這些結(jié)果表明，骨細胞中整合素α5的缺失減弱了機械負荷引起的中軸骨成骨增加。

鑒于在后外側(cè)（PL）表面發(fā)生強烈的骨內(nèi)成骨反應(yīng)，因此，接下來研究重點分析了該區(qū)域的成骨細胞。結(jié)果表明，WT小鼠骨內(nèi)膜表面壓縮負荷誘導(dǎo)的成骨細胞顯著增加，但在cKO小鼠中沒有增加，且與WT小鼠相比，cKO小鼠骨外膜表面的成骨細胞較少。

由于加載后 M.Ar 在cKO小鼠中增大，實驗假設(shè)這種反應(yīng)部分是由于破骨細胞活性的增加。正如預(yù)期，在 WT 和 cKO 小鼠中，機械負荷增加了前內(nèi)側(cè)（AM）骨內(nèi)膜表面的破骨細胞，而PL表面的破骨細胞在機械負荷期間沒有變化。對側(cè)非負荷脛骨的分析顯示，cKO小鼠中的破骨細胞比WT小鼠更多。有趣的是，機械負荷顯著增加了cKO小鼠干骺端小梁骨中的破骨細胞數(shù)量和破骨細胞覆蓋面。這些數(shù)據(jù)表明，整合素α5在機械負荷期間調(diào)節(jié)成骨細胞和破骨細胞活動，其缺失抑制負荷誘導(dǎo)的成骨細胞活性增加，但促進骨小梁破骨細胞的活性。

圖2 骨細胞中整合素α5 缺失抑制機械負荷下中軸骨內(nèi)成骨的增加。

最后，為了確定 Cx43 半通道是否參與整合素α5 調(diào)節(jié)的對軸向脛骨負荷的合成代謝反應(yīng)，向小鼠尾靜脈注射EB染料來評估 WT 和 cKO 小鼠的原位半通道活性。結(jié)果表明，機械負荷增加了WT小鼠骨細胞的EB攝取，但在cKO小鼠中沒有（圖3 a）。EB熒光強度的定量證實了cKO小鼠對EB染料攝取的抑制作用（圖3 b、c）。同樣，機械負荷也增加了干骺端小梁骨中EB染料的攝取，但這種增加在cKO小鼠中受到抑制（圖3 d-f）。這些結(jié)果表明，整合素α5在調(diào)節(jié)骨細胞半通道響應(yīng)機械負荷的開放中起著重要作用，其缺失可抑制骨細胞機械負荷誘導(dǎo)的半通道開放。

鑒于Cx43 半通道釋放的細胞外 PGE2對骨骼機械反應(yīng)至關(guān)重要，因此，在 WT 和 cKO 小鼠的血清和脛骨中檢測了 PGE2 水平，觀察到僅在WT小鼠脛骨中，負荷誘導(dǎo)PGE2水平增加，在cKO脛骨中這種增加受到抑制，且血清中WT小鼠的PGE2水平也高于cKO小鼠。此外，還確定了整合素α5 在負荷誘導(dǎo)的硬骨素（SOST）抑制中的參與，發(fā)現(xiàn)與WT小鼠的對側(cè)對照相比，機械負荷減少了SOST-陽性骨細胞，但在cKO小鼠的負荷脛骨中沒有發(fā)生。

由于骨細胞中SOST的下調(diào)對于負荷誘導(dǎo)的WNT通路激活至關(guān)重要，因此確定了另一種 WNT 信號分子 β-catenin 在成骨細胞中的表達，發(fā)現(xiàn)與WT小鼠對側(cè)對照脛骨相比，機械負荷導(dǎo)致骨內(nèi)膜表面β-catenin陽性成骨細胞的表達顯著增加，但在cKO小鼠中沒有。這些結(jié)果表明，在機械負荷過程中，骨細胞中整合素α5的缺失阻礙了PGE2的釋放，進而降低了骨細胞中SOST，這與骨內(nèi)膜表面β-catenin表達和成骨細胞活性受阻有關(guān)。

圖3 在整合素α5 cKO小鼠中，機械負荷誘導(dǎo)的骨細胞半通道開放受到抑制。


圖4 骨細胞整合素a5β1 在骨骼機械刺激的合成代謝反應(yīng)中的作用圖解。

在機械負荷下，COX-2 和 PGE2 水平增加。如前所述，在骨細胞表面表達的整合素α5β1 將被激活以改變其延伸的細胞外結(jié)構(gòu)域并觸發(fā) Cx43 半通道的開放。開放的半通道將釋放以自分泌方式發(fā)揮作用的 PGE2通過EP4受體降低SOST表達。結(jié)果，成骨細胞中 β-catenin的表達增加，導(dǎo)致成骨細胞活性和骨內(nèi)膜骨形成增加。

總之，這項研究揭示了骨細胞整合素α5 在骨內(nèi)膜骨表面機械負荷的合成代謝反應(yīng)中新的生理作用。該研究表明，整合素α5 和 Cx43 半通道在介導(dǎo)骨骼合成代謝對機械負荷的反應(yīng)方面存在重要關(guān)系，并進一步表明整合素α5 可以作為骨骼疾病的新潛在治療靶點。未來，將開展更深入的臨床前研究，以更深入地了解整合素α5 在機械反應(yīng)中的作用。當確定了介導(dǎo)機械反應(yīng)的關(guān)鍵因子/通路時，便有望建立潛在的藥物靶點并開發(fā)候選藥物，以幫助增強老年患者或身體不便患者的機械反應(yīng)性和合成代謝功能。

參考文獻：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.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35851577/

ISSN 2095-6231 (online)

Journal Impact Factor: 14.3

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