基于器官芯片的肌肉-骨骼类器官揭示间歇性缺氧下肌肉-骨骼互作机制及线粒体靶向治疗新策略

为解决间歇性缺氧(IH)导致肌肉-骨骼代谢失衡的机制难题，复旦大学团队创新开发了肌肉-骨骼器官芯片(MSK OoC)平台。研究首次发现肌肉线粒体蛋白Sirt3通过调控肌因子Cxcl5影响骨代谢，并利用Janus介孔纳米颗粒靶向递送白藜芦醇(RES)成功逆转病理表型，为肌肉-骨骼轴研究提供了新型微生理模型和精准治疗策略。

　　

肌肉与骨骼作为人体运动系统的核心组件，其生化对话机制长期困扰着研究者。临床发现慢性阻塞性肺病(COPD)和阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)等间歇性缺氧(IH)相关疾病患者常伴随肌肉萎缩与骨质疏松共病现象，但传统二维细胞培养无法模拟器官间动态交流，动物模型又存在种属差异，使得肌肉如何通过"生化信号轴"调控骨代谢成为未解之谜。

复旦大学口腔医学院与化学系联合团队在《National Science Review》发表突破性研究，通过构建开放式肌肉-骨骼器官芯片(MSK OoC)，首次揭示线粒体去乙酰化酶Sirt3通过肌因子Cxcl5调控骨代谢的新机制。该平台整合肌肉类器官(MOs)与具有成骨-破骨动态平衡功能的骨类器官(BOs)，结合蛋白质组学、分子对接等技术，发现IH通过破坏肌肉线粒体网络完整性，导致Sirt3表达下调，进而激活NF-κB通路促进Cxcl5分泌，最终抑制成骨分化并促进破骨活性。更引人注目的是，研究创新性设计线粒体靶向序列(MTS)修饰的Sirt3过表达载体，证实亚细胞定位精准性对疗效的关键作用，并开发出两亲性Janus介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN&PMO)实现RES的靶向递送，在芯片和动物模型中均成功逆转病理表型。

关键技术包括：1) 构建具备收缩功能的各向异性MOs和能模拟骨形成/重塑动态的BOs；2) 建立IH循环系统(1% O₂/40 min与21% O₂/20 min交替)；3) 采用LV3/LV5慢病毒载体进行Sirt3基因调控；4) 整合分泌组学与转录组学筛选关键肌因子；5) 设计TPP修饰的Janus纳米颗粒实现线粒体靶向给药。

设计MSK OoC及常氧条件下的芯片表征
通过硅胶框架稳定中央肌纤维通道，两侧培养室分别装载骨形成/重塑阶段BOs。MOs呈现典型的肌管排列和核周迁移特征，其收缩效率显著优于二维培养。BOs在1:1基质胶/胶原比例下表现出最佳Runx2表达，微CT证实其35天可形成类羟基磷灰石(HA)矿化结构。共培养实验揭示肌肉分泌因子在生理状态下促进成骨但抑制破骨活性。

IH损伤MOs与BOs的生化通讯
IH处理导致MOs肌球蛋白重链(Myh1/2/7)表达下降，线粒体分裂蛋白Drp1/Fis1上调而融合蛋白Opa1下调。共培养发现IH预处理的MOs使BOs成骨标志物Runx2/Osx/Ocn表达降低50%，但促进破骨标志物Trap/Ctsk活性增强，首次证实肌肉线粒体功能障碍可远程调控骨代谢失衡。

IH诱导Sirt3下调的病理机制
在7个sirtuin家族成员中，Sirt3在IH条件下下调最显著。构建Sirt3敲低(KD)MOs发现其线粒体膜电位(TMRM染色)降低，收缩速度下降。共培养实验显示Sirt3 KD使BOs成骨分化能力减弱，破骨活性增强，提示肌肉Sirt3是调控骨代谢的关键靶点。

肌肉Sirt3-Cxcl5轴调控骨代谢
通过多组学交叉分析锁定Cxcl5为关键差异分泌因子，其在IH条件下表达升高千倍。机制上，Sirt3缺失通过增强p65磷酸化促进Cxcl5转录。使用重组Cxcl5处理BOs可重现IH导致的骨代谢异常，而Cxcl5 KD能逆转Sirt3 KD的负面效应，证实该轴在肌肉-骨骼通讯中的核心地位。

Sirt3介导的线粒体靶向治疗
对比发现含MTS的Sirt3过表达(MTS-Sirt3 OE)较普通Sirt3 OE能更有效恢复线粒体网络，其共培养使BOs成骨标志物表达恢复至常氧水平。据此设计的TPP@MSN&PMO纳米颗粒可实现RES(与Sirt3结合能-7.1 kcal/mol)的线粒体靶向递送，在芯片和动物模型中均显著改善肌萎缩和骨质疏松表型。

这项研究不仅建立了首个能模拟肌肉-骨骼双向通讯的器官芯片平台，更揭示了Sirt3-Cxcl5轴在IH病理过程中的核心调控作用。创新性提出的"亚细胞器精准修复"策略——强调线粒体靶向序列对治疗效果的决定性影响，为开发器官间通讯紊乱的靶向疗法提供了新范式。MSK OoC技术的成功应用，标志着微生理系统已具备模拟复杂器官互作的能力，未来通过引入更多细胞类型和机械力微环境，有望进一步揭示肌肉-骨骼-神经等多器官对话机制。该研究为COPD、OSA等IH相关疾病的并发症防治提供了全新治疗靶点，同时展示的Janus纳米载体设计思路，对其它需要亚细胞器精准给药的疾病具有重要借鉴价值。