脂多糖通过调控骨吸收与形成影响斑马鱼鳞片再生机制研究

《Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology》：Lipopolysaccharides increase the resorption levels and affect zebrafish scales de novo bone formation

本研究针对炎症环境下骨再生障碍的机制问题，以斑马鱼鳞片再生为模型，探讨了脂多糖（LPS）诱导的炎症反应对骨代谢的影响。研究发现LPS暴露导致鳞片面积减小、骨吸收增强（acp5、oc-stamp上调）、骨形成抑制（sp7下调），为解析炎症性骨病及筛选治疗药物提供了新型体内筛选平台。

　　

在骨骼生物学研究领域，理解骨骼发育和再生过程对于治疗骨骼疾病至关重要。斑马鱼因其骨骼结构与哺乳动物高度保守、繁殖周期短、易于进行基因操作等优势，已成为骨骼研究的重要模式生物。炎症反应在组织修复中扮演着复杂角色，适度的炎症有助于启动再生程序，然而，过度或持续的炎症则会适得其反，阻碍修复进程，甚至导致骨骼疾病的发生。细菌感染或其细胞壁成分脂多糖（LPS）是诱发强烈炎症的常见因素，但其在骨再生过程中具体如何干扰成骨细胞（负责骨形成）与破骨细胞（负责骨吸收）的平衡，其中的详细机制尚不完全清楚。为了解决这一问题，研究人员利用斑马鱼鳞片这一独特的再生模型，深入探究了LPS诱导的炎症对骨骼再生的影响。

本研究主要采用了斑马鱼鳞片再生模型这一关键技术。研究人员通过手术拔除成年斑马鱼的鳞片以启动再生过程，并将这些斑马鱼暴露于不同浓度的LPS（1和10 μg/mL）中，以模拟炎症环境。随后，利用形态学分析（如测量鳞片面积和纵横比）、组织化学染色（如评估破骨细胞活性导致的脱矿现象）以及分子生物学技术（如通过实时荧光定量PCR检测成骨和破骨细胞相关基因的表达水平），系统评估了LPS对鳞片再生过程中骨代谢的影响。

结果

LPS暴露影响鳞片形态和矿化

研究人员发现，与对照组相比，暴露于10 μg/mL LPS的斑马鱼，其再生鳞片的面积显著减小，且鳞片的纵横比（反映形状的指标）增加，表明LPS干扰了鳞片的正常生长和形态建成。此外，组织学分析显示，LPS处理组的鳞片出现了明显的脱矿现象，提示矿化过程受到抑制。

LPS增强破骨细胞活性及相关基因表达

为了探究形态变化背后的细胞活动，研究检测了破骨细胞的活性。结果证实，LPS暴露显著增强了破骨细胞介导的骨吸收作用。在分子水平上，两个关键的破骨细胞标志基因——抗酒石酸酸性磷酸酶（acp5）和破骨细胞特异性跨膜蛋白（oc-stamp）的表达均出现上调。这表明LPS通过激活破骨细胞，加剧了骨吸收过程。

LPS抑制成骨细胞活性及相关基因表达

在考察骨形成方面，研究人员关注了成骨细胞的功能。研究发现，代表成骨细胞活性的关键转录因子Sp7（也称为Osterix）的表达在LPS暴露后显著下调。这一结果与观察到的鳞片矿化减弱现象相一致，说明LPS在促进骨吸收的同时，也抑制了成骨细胞的分化和骨形成功能。

讨论与结论

本研究通过斑马鱼鳞片再生模型，清晰地揭示了LPS诱导的炎症反应对骨代谢的双重负面影响：一方面激活破骨细胞导致骨吸收增强，另一方面抑制成骨细胞导致骨形成减弱。这种失衡最终阻碍了骨骼的正常再生。该模型成功模拟了与炎症相关的骨骼疾病（如类风湿性关节炎、牙周炎等）中的骨丢失病理过程。因此，斑马鱼再生鳞片暴露于LPS的体系，可作为一种高效、直观的体内筛选模型。其重要意义在于，它不仅有助于深入阐明炎症环境下骨吸收亢进的分子机制，特别是成骨细胞与破骨细胞之间的相互作用，更重要的是，它为大规模筛选能够缓解炎症性骨丢失、促进骨骼再生的新型治疗化合物提供了一个强大的平台。这项研究由Gil Martins、Sunil Poudel、Ana Portela、Gon?alo Pinto、Tamára F. Santos、Francisco A. Guardiola、Ana Marreiros和Paulo J. Gavaia合作完成，论文发表在《Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology》上，为骨骼研究和药物开发提供了新的视角和工具。