低渗刺激通过TRPV4-CDC42信号通路调控肌动蛋白动力学促进骨细胞树突形成

为解决骨细胞树突形成机制不明的问题，研究人员通过3D胶原水凝胶培养体系，发现低渗刺激通过激活TRPV4通道和CDC42信号通路调控肌动蛋白(actin)动力学，从而促进骨细胞树突延伸。该研究揭示了机械力感知的新机制，为骨稳态调控和骨组织工程提供了新靶点。

　　

骨组织作为动态器官，其结构和功能高度依赖机械力刺激。在骨骼中，星形的骨细胞(osteocyte)通过延伸的树突状突起构成复杂的骨小管-骨陷窝系统(lacunar-canalicular system)，成为感知机械信号的核心。然而，这个精巧的"力学天线"如何形成一直是未解之谜。尤其令人困惑的是，随着年龄增长或雌激素缺乏，骨细胞树突网络会出现退行性改变，这与骨质疏松等疾病密切相关。

为揭开这一谜题，研究人员建立了创新的三维培养体系，将MLO-Y4骨样细胞培养于I型胶原水凝胶中。通过精确调控细胞外渗透压，发现低渗刺激能显著促进树突形成，而高渗环境则抑制这一过程。进一步研究揭示，这种渗透压依赖的形态发生是通过TRPV4(瞬时受体电位香草素亚型4)通道和CDC42(细胞分裂周期蛋白42)信号通路实现的。

研究采用多项关键技术：三维胶原水凝胶培养模拟骨微环境；伺服微压系统测量细胞内压力变化；局部微注射技术实现空间精确的渗透压刺激；活细胞成像追踪肌动蛋白(actin)动态；钙离子荧光标记监测TRPV4通道活性；以及RNA测序分析差异表达基因。

3.1节显示，在软基质(1 mg/mL胶原)中骨细胞树突最长(62.5 μm)，而硬基质(3 mg/mL)限制其延伸(35 μm)。免疫荧光显示肌动蛋白在树突尖端富集，细胞松弛素处理完全阻断树突形成，证实机械力依赖的肌动蛋白动力学是关键。

3.2节发现，低渗培养基(240 mOsm)使树突长度增至68 μm，而高渗组(360 mOsm)仅20 μm。活细胞成像捕捉到低渗刺激下肌动蛋白在尖端快速聚集的动态过程。

3.3节通过局部微注射证实，仅低渗刺激能诱导新树突形成(0.65 μm/min)，而高渗刺激导致现存树突快速回缩(1.9 μm/min)。

3.4节揭示其分子机制：低渗使细胞内压升至341 Pa，激活TRPV4通道引发钙内流。抑制TRPV4使树突长度恒定为20 μm，丧失渗透压响应性。

3.5-3.6节通过转录组分析和药理学干预，发现CDC42是下游效应器。低渗促进CDC42磷酸化，而TRPV4抑制剂可阻断此过程，形成完整的TRPV4-CDC42信号轴。

这项发表于《Materials Today Bio》的研究首次阐明渗透压通过机械-化学偶联调控骨细胞形态的机制。不仅深化了对Wolff定律细胞层面的理解，更为骨质疏松等疾病的治疗提供了新思路——通过靶向TRPV4-CDC42通路可能修复受损的骨细胞网络。在组织工程领域，该研究提示调控水凝胶渗透压可优化骨移植物中骨细胞的形态和功能。此外，这一机制可能普适于神经元树突发育等其它细胞形态发生过程，具有广泛的生物学意义。