Piezo1 调控骨膜祖细胞命运：解锁组织再生新策略

本文聚焦于骨膜祖细胞，发现机械敏感蛋白 Piezo1 通过 YAP 通路平衡骨膜祖细胞的成骨 - 成腱可塑性（osteogenic - tenogenic plasticity）。研究揭示其在骨与肌腱组织发育及再生中的关键作用，为组织再生治疗提供新思路，极具科研与临床价值。

　　

一、研究背景

在肌肉骨骼发育早期，肢体的肌腱和骨骼均起源于肢芽间充质。在不同刺激下，这些间充质细胞最终分化为不同组织的干细胞或祖细胞，形成各自独特的生存微环境。骨膜覆盖在除关节软骨和韧带、肌腱附着点外的所有骨表面，含有多种细胞，包括成纤维细胞、骨骼干 / 祖细胞、成骨细胞和血管周细胞等。多种骨膜来源的干 / 祖细胞群体在骨形成和骨折愈合中发挥重要作用，然而，肌腱和骨骼系统中这些细胞之间的联系尚不清楚。

同时，已有研究表明，机械应力是影响细胞可塑性的关键因素。Piezo1 作为骨骼系统中机械应力的关键传感器，在骨和肌腱中均发挥重要作用。但骨膜祖细胞是否具有成腱能力，以及 Piezo1 对其的调控机制尚未明确。

二、研究方法

1. 动物模型构建：构建了多种基因编辑小鼠模型，如 Prx1^Cre;Piezo1^fl/fl、Ocn^Cre;Piezo1^fl/fl、Scx^Cre;Piezo1^fl/fl等，用于研究 Piezo1 在不同细胞谱系中的功能。
2. 细胞实验：通过分离不同小鼠品系的骨膜祖细胞，进行体外培养和分化实验，检测细胞的成骨和成腱能力。实验包括成骨分化实验（如 ALP 染色、茜素红染色检测成骨标志物表达）、细胞增殖实验等。
3. 测序分析：运用单细胞 RNA 测序（scRNA - seq）和 RNA 测序（RNA - seq）技术，分析不同条件下细胞的基因表达谱，鉴定细胞类型和功能，探究基因调控网络。
4. 体内实验：进行骨损伤和肌腱损伤模型实验，观察小鼠在体内环境下骨和肌腱的再生情况，评估 Piezo1 对组织修复的影响。例如，在皮质骨钻孔损伤模型中观察新骨形成情况，在肌腱损伤模型中通过步态分析、力学测试等评估肌腱修复效果。

三、研究结果

1. PIEZO1 维持骨膜祖细胞的成骨能力：通过比较 Prx1^Cre;Piezo1^fl/fl和 Ocn^Cre;Piezo1^fl/fl小鼠的骨表型，发现 Prx1^Cre;Piezo1^fl/fl小鼠的皮质骨厚度减少更为严重，且骨膜祖细胞的成骨分化能力受损，而骨髓来源的祖细胞成骨分化不受影响，表明 PIEZO1 对骨膜祖细胞的成骨能力有重要影响，且这种调控作用具有组织特异性。
2. Piezo1 缺失使骨膜骨骼祖细胞停滞在祖细胞状态：对 Prx1⁺骨膜细胞进行单细胞 RNA 测序分析，发现 Piezo1 缺失导致早期阶段细胞增多，成熟成骨细胞减少，表明 Piezo1 缺失使骨膜骨骼祖细胞停滞在祖细胞状态，阻碍其向成熟成骨细胞分化。
3. SCX 标记骨膜中的骨骼祖细胞群体：通过对单细胞 RNA 测序数据的分析、多种基因编辑小鼠模型（如 SCX^GFP、Scx^Cre;Ai9/+ 等）的实验验证，以及细胞移植实验，证明 SCX 可以标记骨膜中的骨骼祖细胞群体，且这些细胞具有成骨潜能。
4. PIEZO1 通过 YAP 信号通路抑制 Scx 表达：研究发现，Piezo1 缺失会导致 Scx 表达上调，通过一系列实验证实 PIEZO1 通过调节 YAP 信号通路来抑制 Scx 表达。具体而言，Piezo1 缺失会损害 YAP 的核定位，进而影响其下游靶基因的表达，导致 Scx 表达增加。
5. Piezo1 缺失损害骨稳态和骨损伤期间的骨形成：构建 Scx^Cre;Piezo1^fl/fl小鼠模型，研究发现该模型小鼠在 6 周龄时皮质骨厚度降低，3 月龄时皮质骨和小梁骨表型均变差，且在骨损伤后新骨形成严重受损，表明 Piezo1 在维持骨稳态和促进骨损伤修复中发挥重要作用。
6. PIEZO1 调节骨膜骨骼祖细胞的谱系定向：通过对基因表达谱的分析，发现 Piezo1 缺失会导致骨膜祖细胞中与成骨相关的基因表达减少，与成腱相关的基因表达增加。同时，研究还发现环境硬度可以调节 Piezo1 表达和骨膜祖细胞的命运决定，表明 PIEZO1 在调控骨膜祖细胞的谱系定向中起关键作用。
7. Piezo1 缺陷的骨膜骨骼祖细胞可介导肌腱再生：通过一系列体内外实验，包括将 Prx1⁺骨膜祖细胞、Scx^Cre;Piezo1^fl/fl;SCX^GFP小鼠的骨膜祖细胞等移植到受伤肌腱中，发现 Piezo1 缺陷的骨膜祖细胞能够形成具有正常或接近正常生物力学性能的肌腱，且在步态分析等指标中表现出更好的恢复效果，证明其在肌腱再生中的潜在应用价值。

四、研究讨论

1. 研究结论：本研究表明，PIEZO1 在骨髓和骨膜祖细胞的调控中发挥不同作用，这可能与两者所处的机械微环境差异有关。骨膜祖细胞的成骨能力依赖于 PIEZO1 的机械感知功能，Piezo1 缺失会导致骨膜祖细胞向成腱方向分化，从而影响骨的发育和修复。同时，研究还证明了 SCX 标记的骨膜祖细胞在组织再生中的重要性，为进一步理解骨骼和肌腱组织的发育及再生机制提供了理论依据。
2. 研究意义：本研究成果为组织再生治疗提供了新的策略和潜在的治疗靶点。通过调控 Piezo1 的表达或其相关信号通路，可以调节骨膜祖细胞的命运，有望实现更有效的骨和肌腱组织修复，为临床治疗骨骼和肌腱相关疾病带来新的希望。
3. 研究展望：尽管本研究取得了重要进展，但仍存在一些局限性。例如，SCX 作为核定位转录因子，不适合用于人类活细胞的分离，未来需要进一步探索该细胞群体的膜蛋白表面标记，以便更好地分离骨膜干 / 祖细胞。此外，还需深入剖析骨膜干 / 祖细胞的亚群，确定具有最强再生能力的干细胞亚群，为组织再生治疗提供更精准的方案。