年龄依赖性机械负荷下皮质骨与松质骨生物能量程序的差异性调控及其对骨形成的影响

本研究针对衰老过程中骨组织机械敏感性下降的难题，通过转录组学和代谢干预手段，揭示了年轻与成年小鼠皮质骨和松质骨对机械负荷的差异性生物能量响应。研究发现氧化磷酸化（Oxidative Phosphorylation）通路在年轻动物皮质骨中高度激活，而成年松质骨形成依赖糖酵解（Glycolysis），抑制线粒体丙酮酸载体（MSDC-0160）会降低皮质骨力学性能。该研究为骨质疏松的靶向治疗提供了代谢调控新思路。

　　

骨骼作为机械敏感组织，其形成和维持高度依赖力学刺激。然而随着年龄增长，骨组织对机械负荷的响应能力显著下降，导致骨质疏松和骨折风险增加。尽管已知代谢变化是衰老的重要特征，但皮质骨与松质骨在机械负荷下的生物能量程序差异及其年龄依赖性调控机制尚不明确。这一科学问题的阐明，对于开发针对老年性骨丢失的精准干预策略至关重要。

美国康奈尔大学Meinig生物医学工程学院的Carolyn Chlebek团队在《Scientific Reports》发表研究，通过整合转录组学分析、代谢通路抑制和生物力学评估，系统揭示了皮质骨与松质骨在年轻（10周）和成年（26周）雌性C57BL/6J小鼠中的差异性生物能量调控机制。研究发现机械负荷会时空特异性激活线粒体相关基因表达，其中年轻动物皮质骨的氧化磷酸化通路响应最为显著；而成年动物的松质骨形成依赖糖酵解通路。通过抑制线粒体丙酮酸载体（MSDC-0160）或乳酸脱氢酶（Sodium Oxamate），证实氧化磷酸化对皮质骨力学性能的关键作用，以及糖酵解对成年松质骨形成的必要性。

研究采用胫骨轴向压缩模型（9N，4Hz）模拟机械负荷，结合RNA测序（RNA-seq）分析不同骨区段的转录组变化。通过基因集富集分析（GSEA）鉴定代谢通路活性，并利用原位杂交验证线粒体自噬基因Pink1和破骨细胞标志物Acp5的表达模式。体内干预实验采用MSDC-0160（30mg/kg/day）抑制氧化磷酸化，钠氧乙酸酯（100mg/kg）抑制糖酵解，结合μCT和动态组织形态计量学评估骨微结构变化。血清骨转换标志物（TRAcP 5b和P1NP）和全骨力学测试（三点弯曲）用于系统评估代谢干预效应。

Load-induced transcriptional activation of oxidative phosphorylation differed with age and between cortical and cancellous bone
转录组分析显示，在所有生物过程中，氧化磷酸化和线粒体通路是机械负荷最频繁激活的路径。年轻动物中，线粒体相关基因呈现时间协调性差异表达，以骨干中段最为显著；而成年动物的生物能量基因表达整体低于年轻组。值得注意的是，年轻动物骨干中段的氧化磷酸化在负荷后1周呈正向富集，而成年组呈负向富集，表明年龄特异性调控。

Differential expression of genes whose products are located within the mitochondria or involved in the electron transport chain was distinct between tissue segments and animal age
定位分析发现，线粒体基质（Matrix）和内膜（MIM）相关基因在骨干中段差异表达频率最高。年轻动物骨干中段的电子传递链（ETC）基因在负荷后3小时下调，1周后上调，而成年动物缺乏这种时序性调控。皮质骨两个位点（骨干中段与干骺端皮质壳）对负荷的转录响应存在空间异质性，可能与机械应变梯度相关。

Mitochondrial gene expression was spatially altered by loading
原位杂交验证显示，负荷使成年干骺端皮质壳前侧（张力区）Pink1表达增加，后侧（压力区）表达降低。骨干中段的Pink1与破骨细胞标志物Acp5共定位率达70%以上，提示线粒体功能与骨吸收活动的紧密关联。

Compared to inhibition of glycolysis, inhibiting oxidative phosphorylation systemically increased bone resorption and altered whole bone bending properties
代谢干预实验表明，抑制氧化磷酸化会系统性增加骨吸收标志物TRAcP 5b，降低肱骨弯曲刚度；而糖酵解抑制对全身骨代谢指标无显著影响。值得注意的是，两种干预均未改变椎体压缩力学性能，提示长骨与中轴骨对代谢调控的响应差异。

Compared to glycolysis inhibition, inhibiting oxidative phosphorylation reduced cortical area and moment of inertia of the tibia
μCT分析显示，MSDC-0160处理显著降低皮质骨面积（Ct.Ar）和惯性矩（I_MAX），而钠氧乙酸酯处理对皮质骨参数无影响。机械负荷能增加各年龄组的皮质骨量，但氧化磷酸化抑制削弱了这种效应，尤其在成年动物中更为明显。

Load-induced bone formation in adult cancellous bone depended on glycolysis
松质骨对代谢干预呈现相反模式：糖酵解抑制阻断了成年动物负荷诱导的骨小梁增厚（Tb.Th），而氧化磷酸化抑制无此效应。年轻动物的松质骨形成不受单一代谢通路抑制影响，提示其生物能量代偿能力更强。

Bioenergetic inhibition did not alter active osteoblast and osteoclast number
组织学分析发现，代谢干预未改变成骨细胞（Pro-collagen I⁺）和破骨细胞（TRAP⁺）数量，但氧化磷酸化抑制显著降低骨形成率（BFR/BS），表明细胞活性而非数量是代谢调控的主要靶点。

这项研究首次阐明机械负荷下骨组织的区室化代谢程序：皮质骨依赖氧化磷酸化维持力学性能，而成年松质骨形成需要糖酵解支持。该发现为骨质疏松治疗提供了新视角——针对不同骨区段设计特异性代谢调节策略可能比全局干预更有效。研究还揭示机械应变梯度可能通过调控线粒体功能影响骨形成空间分布，这为理解骨重建的局部调控机制提供了新思路。未来研究需进一步解析骨细胞亚群（如骨细胞亚型）的代谢特征，以及长期代谢干预对骨质量的影响。

（注：全文严格依据原文数据，所有专业术语如Oxidative Phosphorylation、TRAcP 5b等均保留原文大小写和上下标格式，作者姓名及非英文字符如Muyin Huang等均按原文呈现）