Piezo1通过抑制Ccl2-Lcn2炎症自分泌环路调控骨髓间充质干细胞命运决定从而预防骨质疏松

《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Piezo1 activation suppresses bone marrow adipogenesis to prevent osteoporosis by inhibiting a mechanoinflammatory autocrine loop

本研究揭示了机械敏感性离子通道Piezo1在骨髓间充质干细胞（BMMSCs）命运决定中的关键作用。研究人员发现Piezo1缺失会激活Ccl2-CCR2-NF-κB-Lcn2炎症自分泌环路，促进骨髓脂肪生成并抑制骨形成，而运动可通过Piezo1-CaMKII-Klf2通路逆转这一过程。该研究为理解机械信号调控干细胞命运提供了新机制，为骨质疏松治疗提供了潜在靶点。

　　

随着人口老龄化加剧，骨质疏松症已成为全球性的健康问题。这种以骨量减少、骨微结构退化为特征的疾病，不仅导致骨折风险显著增加，还伴随着骨髓脂肪组织的异常积聚。在骨髓这个特殊的微环境中，间充质干细胞（BMMSCs）如同"多能工匠"，既能分化为成骨细胞促进骨形成，也能分化为脂肪细胞导致骨髓脂肪堆积。这两种分化路径如同天平的两端，维持着骨骼的健康平衡。然而，随着年龄增长或疾病状态，这一天平往往向脂肪生成倾斜，导致骨质疏松的发生。

长期以来，科学家们知道机械负荷对骨骼健康至关重要——运动能增强骨密度，而长期卧床则导致骨量流失。但机械信号如何被细胞感知并转化为生化信号，进而调控干细胞命运决定的分子机制，始终是领域内的未解之谜。机械敏感性离子通道作为细胞的"力学感受器"，在这一过程中可能扮演关键角色，其中Piezo1通道因其对多种机械刺激的高度敏感性而备受关注。

香港大学的研究团队在《Signal Transduction and Targeted Therapy》上发表的最新研究，为我们揭开了这一谜题的关键环节。研究发现Piezo1通道在BMMSCs中发挥着"命运守门人"的作用，通过抑制炎症自分泌环路，防止骨髓脂肪过度生成，从而维持骨骼机械稳定性。

研究团队运用了多种关键技术方法：利用PDGFRα-Cre介导的细胞特异性基因敲除技术构建Piezo1条件性敲除小鼠模型；通过骨髓移植实验验证表型特异性；采用微型计算机断层扫描（micro-CT）进行骨微结构分析；通过奥斯米酸染色量化骨髓脂肪；结合电生理学技术记录Piezo1通道活性；利用Olink蛋白质组学分析分泌蛋白谱；采用染色质免疫沉淀（ChIP）和荧光素酶报告基因分析转录因子调控机制。

Piezo1在PDGFRα阳性细胞中的缺失导致小鼠骨质疏松和骨髓脂肪堆积

研究人员首先构建了BMMSCs特异性Piezo1敲除小鼠（PDGFRα-Piezo1 KO）。令人惊讶的是，这些小鼠表现出明显的骨质疏松表型：骨量减少、骨密度降低、骨小梁数量下降且间距增宽。

与此同时，小鼠骨髓腔内的脂肪细胞数量显著增加，形成明显的骨髓脂肪堆积。骨形成标志物PINP（I型前胶原N端前肽）水平下降，而骨吸收标志物CTX-1（I型胶原C端肽）无变化，表明骨形成受损是主要缺陷。动态骨形态计量学进一步证实了骨形成率降低。

Piezo1缺陷的BMMSCs优先分化为脂肪细胞而非成骨细胞

为探究细胞自主性机制，研究人员分离了Piezo1敲除的BMMSCs进行体外分化实验。结果发现，Piezo1缺失显著抑制了成骨分化（碱性磷酸酶活性和矿化结节形成减少），同时促进了脂肪生成（脂滴积聚和脂肪生成基因表达上调）。

重要的是，这种命运转变具有组织特异性，因为皮下白色脂肪组织中的基质血管组分（SVFs）的脂肪生成能力未受影响，表明Piezo1在BMMSCs中发挥独特作用。

骨髓移植证实表型特异性源于BMMSCs的Piezo1缺失

为确认表型确实源于BMMSCs的Piezo1缺失而非其他PDGFRα阳性细胞，研究人员进行了骨髓移植实验。将Piezo1敲除小鼠的骨髓细胞移植给野生型受体小鼠后，受体小鼠重现了骨质疏松和骨髓脂肪堆积表型，有力证明了BMMSCs自主性机制。

运动诱导的骨形成和骨髓脂肪减少在PDGFRα-Piezo1 KO小鼠中被消除

运动作为机械负荷的重要来源，其益处是否通过Piezo1介导？研究发现，6周跑步机训练显著改善了野生型小鼠的骨密度并减少了骨髓脂肪，但这些益处几乎在Piezo1敲除小鼠中完全消失，表明Piezo1是运动产生骨骼保护作用的关键介质。

脂质运载蛋白2（Lcn2）作为Piezo1调控BMMSCs分化的关键下游效应因子

机制探索发现，Piezo1敲除BMMSCs的条件培养基可抑制成骨、促进脂肪生成，提示自分泌因子参与其中。蛋白质组学分析鉴定出Lcn2是Piezo1缺失后上调最显著的分泌蛋白之一。

功能实验证实，Lcn2基因敲低或抗体中和均能逆转Piezo1缺失引起的成骨抑制和脂肪生成增强，体内注射Lcn2中和抗体也能改善Piezo1敲除小鼠的骨质疏松和骨髓脂肪堆积。

Piezo1缺失通过增强Ccl2-CCR2信号促进Lcn2表达和分泌

深入研究信号通路发现，Piezo1缺失显著上调了趋化因子Ccl2及其受体CCR2的表达。Ccl2通过激活NF-κB通路促进Lcn2转录，而CCR2拮抗剂可逆转这一效应。

转录因子分析显示，Piezo1缺失增强了c-Jun与Ccl2启动子的结合，而AP-1抑制剂可抑制Ccl2表达。进一步研究发现，Piezo1激活通过CaMKII诱导转录因子Klf2表达，而Klf2可抑制c-Jun和NF-κB的转录活性，从而抑制Ccl2和Lcn2表达。

体内过表达Klf2或敲低Ccl2/Lcn2可逆转PDGFRα-Piezo1 KO小鼠的骨量和骨髓脂肪变化

最后，研究人员通过胫骨内注射携带特定基因的慢病毒，在体验证了Piezo1-Klf2-Ccl2-Lcn2信号轴。结果显示，在Piezo1敲除小鼠的BMMSCs中过表达Klf2或敲低Ccl2/Lcn2，均可显著改善骨质疏松和骨髓脂肪堆积表型。

这项研究首次揭示了机械敏感性离子通道Piezo1通过调控炎症自分泌环路决定BMMSCs命运选择的全新机制。在生理状态下，机械负荷激活Piezo1，通过CaMKII/Klf2通路抑制c-Jun-Ccl2-NF-κB-Lcn2炎症轴，促进成骨分化并抑制脂肪生成；而在机械卸载或Piezo1功能缺失时，这一抑制被解除，炎症信号通路过度激活，导致骨髓脂肪过度生成和骨形成受损。

该研究的重要意义在于将机械传感、炎症信号和干细胞命运决定这三个看似独立的过程有机联系起来，揭示了它们之间精巧的相互作用网络。不仅深化了对骨骼机械生物学的基本理解，还为骨质疏松等骨骼疾病的治疗提供了新的靶点策略。针对Piezo1-Klf2-Ccl2-Lcn2轴的干预措施，可能成为未来开发"运动模拟药物"的理论基础，为那些因年龄、疾病或行动不便而无法进行足够体力活动的人群提供新的治疗选择。

此外，该研究还揭示了骨髓脂肪与外周脂肪在调控机制上的重要差异，尽管它们都来源于表达PDGFRα的祖细胞，但对Piezo1信号的响应却截然不同，这为理解不同脂肪库的异质性提供了新视角。研究建立的PDGFRα-Piezo1 KO小鼠模型也为后续研究骨髓脂肪的病理生理功能提供了有价值工具。

从临床转化角度，该研究发现的信号通路组件在骨质疏松患者中存在类似改变，如PIEZO1表达降低、CCL2和LCN2水平升高等，进一步支持了该通路在人类骨骼健康中的重要性。未来针对这一通路的靶向治疗策略，可能为骨质疏松的防治开辟新的途径。