FKBP5通过FKBP5-AKT-FOXO1通路调控人类iPSC衍生的间充质干细胞的成骨作用

《Journal of Cellular and Molecular Medicine》：FKBP5 Regulates Osteogenesis of Human iPSC-Derived Mesenchymal Stem Cells via FKBP5-AKT-FOXO1 Pathway

诱导多能干细胞衍生间充质干细胞（iMSCs）中FKBP5通过调控AKT-FOXO1信号通路促进成骨分化，并在大鼠临界尺寸颅骨缺损模型中验证其骨再生疗效。

　　在现代医学研究中，骨骼组织再生技术为治疗严重的骨缺损问题提供了新的可能性。诱导多能干细胞来源的间充质干细胞（iMSCs）因其能够维持自我更新能力并具备分化为多种细胞类型的潜力，逐渐成为组织工程和再生医学的重要研究对象。然而，尽管iMSCs在骨修复方面展现出广阔的应用前景，其在骨生成过程中的具体分子机制仍存在诸多未知。其中，FKBP5这一分子在iMSCs的骨分化过程中所扮演的角色尚未被充分阐明。本文旨在探讨FKBP5在iMSCs骨生成中的作用及其潜在机制，为iMSCs在临床骨缺损治疗中的应用提供理论依据和实践指导。

### FKBP5在骨生成中的作用机制

FKBP5是一种51kDa的免疫亲和蛋白，属于FK506结合蛋白家族，具有广泛的生物学功能。它不仅可以作为分子伴侣参与细胞内蛋白质的折叠和稳定，还能够通过其结构特点作为信号传导中的支架蛋白，与多种细胞信号分子相互作用。研究表明，FKBP5在iMSCs进行骨生成分化时表达水平显著上升，这提示其可能在骨分化过程中发挥重要作用。为了进一步验证这一假设，研究者通过构建lentivirus载体，对FKBP5进行了敲低和过表达处理，以观察其对iMSCs骨生成能力的影响。

实验结果表明，FKBP5的表达下调显著抑制了iMSCs的骨生成能力，而其表达上调则促进了骨生成过程。这表明FKBP5在iMSCs的骨分化中具有正向调控作用。进一步的蛋白质组学分析显示，FKBP5过表达的iMSCs与对照组相比，在骨生成过程中存在大量蛋白质表达差异，这些差异主要集中在与骨生成相关的信号通路，如PI3K-AKT信号通路。这表明FKBP5可能通过调控这些关键通路来影响iMSCs的骨分化能力。

### FKBP5与AKT-FOXO1信号通路的相互作用

为了深入探讨FKBP5的作用机制，研究者进一步分析了其与AKT和FOXO1之间的相互作用。通过共免疫沉淀（Co-IP）实验，发现FKBP5能够与AKT及其磷酸化形式pS473-AKT结合，但与PI3K或其磷酸化形式p-PI3K以及FOXO1的磷酸化形式pS256-FOXO1的结合能力较弱。此外，实验还发现，FKBP5的表达上调会导致pS473-AKT/AKT和pS256-FOXO1/FOXO1的比值下降，这表明FKBP5可能通过影响AKT的磷酸化状态，进而调控FOXO1的活性。

FOXO1是AKT的直接靶点，其活性对骨生成具有重要影响。在iMSCs中，FOXO1的表达下调会显著降低骨生成相关基因如RUNX2和OCN的表达水平，从而抑制骨生成。然而，当FOXO1被抑制时，iMSCs的骨生成能力被削弱，这说明FOXO1在iMSCs的骨分化中具有关键作用。因此，研究推测FKBP5可能通过调节AKT的磷酸化状态，进而影响FOXO1的活性，从而促进iMSCs的骨生成。

### 体内实验验证FKBP5的促进作用

为了验证FKBP5在体内是否能够促进iMSCs的骨生成能力，研究者构建了一个大鼠关键尺寸颅骨缺损模型。在该模型中，将过表达FKBP5的iMSCs与载有GelMA（一种生物材料）的对照组进行了比较。结果显示，与对照组相比，过表达FKBP5的iMSCs在体内表现出更强的骨再生能力。微CT成像分析显示，iMSCs/oeFKBP5组的缺损区域在术后6周和10周时显示出更显著的新骨形成，包括新骨体积分数（BV/TV）、骨矿密度（BMD）和骨小梁数量的增加，同时骨小梁间距减少，这表明新骨组织的形成更加紧密和成熟。

组织学评估进一步支持了这一结论。在术后10周，通过H&E染色和Masson染色观察到，iMSCs/oeFKBP5组的缺损区域表现出显著的组织再生和几乎完全的骨闭合。而对照组（Mod组）和GelMA组则表现出较少的新骨形成。这表明，FKBP5过表达的iMSCs在体内能够有效促进骨再生，具有重要的临床应用价值。

### iMSCs的临床潜力

iMSCs由于其来源于个体的体细胞，能够保持相同的遗传背景，这使其在细胞治疗中具有免疫特权的特性，减少了移植后的免疫排斥反应。此外，iMSCs在体外能够稳定地进行多向分化，包括成骨、成脂和成软骨分化，这为其在组织工程中的应用提供了坚实的基础。然而，由于iMSCs的来源有限，且在不同个体间的细胞质量存在较大差异，限制了其在临床中的广泛应用。

因此，研究发现FKBP5在iMSCs的骨生成过程中具有促进作用，这为iMSCs的临床应用提供了一个新的调控靶点。通过调控FKBP5的表达，可以有效增强iMSCs的骨生成能力，从而提高其在治疗骨缺损方面的效率。这不仅有助于解决iMSCs在临床应用中的某些限制，也为未来的个性化治疗提供了新的思路。

### 结论与展望

综上所述，本研究首次揭示了FKBP5在iMSCs骨生成过程中的关键作用，特别是其通过调控AKT-FOXO1信号通路促进骨分化的能力。这一发现为iMSCs在骨缺损治疗中的应用提供了新的理论依据，并为未来的研究和临床转化奠定了基础。然而，尽管iMSCs在体外和体内均表现出良好的骨生成潜力，其在大规模临床应用中的安全性和有效性仍需进一步验证。

此外，iMSCs的移植效果不仅依赖于其自身分化能力，还与所使用的生物材料密切相关。因此，未来的研究应关注如何优化生物材料的配方，以更好地支持iMSCs的骨生成能力。同时，还需要进一步探讨FKBP5与其他信号通路的相互作用，以全面了解其在骨生成中的分子机制。此外，针对不同类型的骨缺损，如长骨骨折或脊柱损伤，研究其在不同组织环境下的作用可能有助于拓展iMSCs的应用范围。

最后，尽管iMSCs在骨组织再生中展现出巨大潜力，但其在临床转化过程中仍面临诸多挑战，包括细胞规模化生产、长期稳定性以及在复杂体内环境中的适应性。因此，未来的研究应致力于解决这些问题，以推动iMSCs在临床骨缺损治疗中的广泛应用。