2型糖尿病小鼠模型中感觉神经支配减少通过单细胞转录组重塑骨骼微环境

本研究针对糖尿病外周神经病变(DPN)与糖尿病骨病共发的临床现象，通过高脂饮食(HFD)诱导的2型糖尿病小鼠模型，首次系统揭示了骨骼感觉神经支配减少导致骨代谢异常的分子机制。研究人员采用单细胞RNA测序(scRNA-Seq)技术解析了背根神经节(DRG)神经元与骨膜细胞的互作网络，发现神经源性因子(VEGFA、BDNF、CGRP等)通过MAPK/TGFβ/Wnt通路调控骨膜祖细胞功能，为糖尿病骨病提供了新的神经-骨骼交互机制解释。该成果发表于《Bone Research》，为开发靶向神经-骨轴的治疗策略奠定理论基础。

　　

糖尿病引发的骨骼并发症一直是临床难题，约50%糖尿病患者同时遭受外周神经病变(DPN)和骨质流失的双重打击。虽然流行病学数据显示这两种并发症高度共发，但神经损伤如何影响骨代谢始终是未解之谜。更棘手的是，传统研究多聚焦于高血糖对骨细胞的直接作用，却忽视了骨骼作为高度神经支配器官的特性——骨膜中密布的感觉神经末梢是否参与代谢调控？这些神经-骨交互作用在糖尿病条件下会发生何种改变？这些问题成为理解糖尿病骨病发病机制的关键缺口。

约翰霍普金斯大学的研究团队通过高脂饮食(HFD)喂养C57BL/6J小鼠12周，成功构建了兼具代谢异常和神经病变的2型糖尿病模型。研究发现HFD小鼠不仅出现典型肥胖和胰岛素抵抗，还表现出显著的周围神经退化——皮肤内神经纤维密度降低32%，热痛觉反应延迟。更引人注目的是，通过βIII-tubulin(TUBB3)和降钙素基因相关肽(CGRP)免疫染色，首次量化了糖尿病状态下骨骼神经支配的急剧减少：股骨中段神经体积下降76%，远端下降69%，伴随感觉神经(CGRP⁺)和交感神经(TH⁺)同步退化。这种"骨骼多神经病变"与显微CT显示的骨微结构恶化高度吻合：皮质骨面积(Ct.Ar)减少11.9%，骨小梁数量(Tb.N)减少35.1%，呈现典型的糖尿病性骨质疏松特征。

为揭示神经-骨对话的分子基础，研究团队创新性地采用多组织单细胞测序策略。对1,757个DRG神经元和4,042个骨膜细胞的转录组分析显示，健康状态下感觉神经元通过分泌神经营养因子(BDNF)、神经肽(Gal、Calca)和形态发生素(VEGFA、Pdgfa)等配体，与骨膜基质/血管龛(Pdgfra⁺Ly6a⁺祖细胞)和免疫龛(巨噬细胞、中性粒细胞)建立复杂通讯网络。NicheNet预测模型特别指出，Aβ-Field-LTMR神经元高表达的VEGFA可通过KDR受体激活骨膜细胞的MAPK/ERK通路，而CGRP-α神经元分泌的BDNF则通过TrkB受体促进成骨分化。这些发现为"神经-骨轴"的稳态维持提供了单细胞水平的证据。

糖尿病如何破坏这种精密调控？对比分析显示HFD小鼠骨膜间充质细胞出现显著转录重编程：伪时间轨迹分析揭示干细胞特性(Ly6a表达)和增殖能力(PCNA模块评分)在早期分化阶段即受抑制，而脂肪生成标志物(PPARγ)异常激活。信号通路分析更发现MAPK、TGFβ和Wnt通路活性全面下调，其中MAPK的磷酸化蛋白(CREB、GSK3α、Erk1/2)减少最为显著。这些改变导致骨膜祖细胞的成骨潜能受损——体外实验显示HFD组细胞矿化结节减少40%，Runx2表达下降2.1倍。而来自健康DRG的神经条件培养基(CM)能显著挽救这些缺陷，不仅恢复细胞增殖(72小时增加1.8倍)，还通过激活p-MAPK信号使成骨分化指标恢复正常水平。

关键技术方法包括：高脂饮食诱导的2型糖尿病小鼠模型建立；显微CT量化骨微结构参数；多组织单细胞RNA测序(DRG神经元和骨膜细胞)；计算机辅助的细胞互作预测(NicheNet)；伪时间轨迹分析细胞分化动态；神经条件培养基干预实验；磷酸化蛋白阵列检测MAPK通路活性。

主要研究结果：

1. HFD诱导的糖尿病外周神经病变延伸至骨骼
   通过免疫荧光定量证实HFD小鼠长骨骨膜中感觉神经(CGRP⁺)和交感神经(TH⁺)纤维密度显著降低，伴随皮质骨和小梁骨参数恶化，建立糖尿病神经性骨病模型。

2. 单细胞转录组揭示神经-骨信号网络
   DRG神经元通过分泌VEGFA、BDNF等配体与骨膜基质/血管龛细胞建立互作，预测调控MAPK/TGFβ通路下游的细胞周期和分化相关基因(如Fos、Jun家族)。

3. 糖尿病状态下的骨膜细胞表型紊乱
   scRNA-Seq显示HFD组骨膜间充质干细胞呈现增殖减弱、脂肪分化增强的特征，伴随mTOR、Wnt等多条成骨相关通路活性下调，其中MAPK信号受损最显著。

4. 神经源性因子挽救糖尿病骨细胞缺陷
   DRG神经元条件培养基可恢复HFD骨膜细胞的增殖能力和成骨分化潜能，证实神经分泌信号在维持骨稳态中的关键作用。

这项研究首次系统阐释了糖尿病性骨骼去神经化通过改变骨膜微环境导致骨代谢异常的机制，突破性地将神经病变与骨病通过"神经-骨轴"概念联系起来。发现的神经源性因子(VEGFA、BDNF等)及其调控的MAPK/TGFβ/Wnt信号网络，不仅为理解糖尿病骨病提供新视角，更为开发靶向神经-骨交互作用的治疗策略指明方向。特别是证实感觉神经分泌信号对维持骨膜祖细胞功能的关键作用，提示未来可通过神经营养因子类似物或神经电刺激等手段改善糖尿病性骨质疏松。该研究将神经科学与骨代谢研究领域深度融合，为代谢性骨病的机制研究和治疗开发开辟了新途径。