胆碱能信号通过骨细胞机械生物学调控骨适应的性别二态性机制研究

本研究针对骨质疏松等骨代谢疾病中机械敏感性调控机制不明的关键问题，通过构建骨细胞特异性Chrna1和Rapsn条件性敲除小鼠模型，结合活体双光子成像和三维光片显微技术，首次揭示了胆碱能神经纤维与骨细胞的直接空间关联，并证实尼古丁型乙酰胆碱受体(nAChRs)通过钙信号(Ca2+)通路以性别二态性方式调控骨机械适应。该研究为神经-骨交互作用提供了新范式，为靶向胆碱能通路的骨疾病治疗策略奠定理论基础。

　　

骨骼作为人体最精密的力学敏感组织，其结构重塑过程始终是生物医学领域的核心谜题。早在20世纪，Harold Frost就提出"机械调控假说"，认为骨细胞能像精密传感器般感知微应变环境，指挥成骨与破骨细胞的协同工作。然而，这个"骨量调控开关"的具体分子机制，尤其是神经系统是否参与其中，一直是未解之谜。近年来，阿尔茨海默病患者使用胆碱酯酶抑制剂后骨折风险显著降低的临床现象，犹如黑暗中的萤火，提示着胆碱能信号可能与骨代谢存在神秘联系。但关键问题始终悬而未决：骨组织中是否存在神经-骨细胞的直接对话？胆碱能信号是否参与机械力感知？其调控是否存在性别差异？

为解开这些谜团，研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，构建了骨细胞特异性敲除尼古丁型乙酰胆碱受体α1亚基(Chrna1)及其支架蛋白(Rapsn)的小鼠模型，结合多种前沿技术展开探索。研究首先采用改良的BABB组织透明化技术结合三维光片显微镜，实现全骨样本神经网络的立体成像；通过转基因小鼠活体双光子成像，首次捕捉到胆碱能神经纤维与骨细胞的直接接触；建立骨细胞特异性GCaMP6f钙指示系统，在体量化分析机械负荷下钙信号动态；辅以μCT骨形态计量、动态组织形态学和生物力学测试等多维度评估。

胆碱能神经纤维与骨细胞的直接空间关联

通过创新的全骨透明化技术，研究首次在皮质骨中观察到穿透矿化基质的胆碱能神经纤维，这些纤维在骨髓腔形成复杂网络，并通过跨皮质通道与骨细胞密切接触。活体成像显示，约20%的骨细胞位于神经纤维100微米范围内，且女性小鼠的分布呈现更显著的空间聚集性。

nAChRs调控骨细胞机械敏感性的性别差异

条件性敲除实验揭示：雌性Chrna1敲除小鼠骨细胞在低应变(250-500 με)下机械敏感性降低，而雄性则在中等应变(1000-2000 με)下反应增强。有趣的是，Rapsn敲除使雄性骨细胞钙信号振幅增加，却导致雌性骨形成率下降。这些发现提示α1亚基与支架蛋白对机械信号解码具有性别特异性调控作用。

骨表型的性别二态性

μCT分析显示：雌性Chrna1敲除小鼠主要表现为骨小梁体积减少32.7%，而雄性则出现皮质面积缩小15.2%。机械加载可挽救雌性的骨量缺陷，但对雄性无效。更引人注目的是力学测试结果：雄性敲除股骨断裂能增加98.7%，呈现显著韧性特征，而材料成分分析(FTIR)未发现改变，提示组织结构重构是主因。

Rapsyn的独特调控作用

与受体敲除不同，Rapsn敲除雌鼠表现出皮质骨量减少但骨密度增加的"补偿性"表型。动态组织形态学显示其加载诱导的骨形成率降低55.7%，暗示支架蛋白可能通过调节破骨活动影响骨代谢平衡。

这项研究开创性地建立了"神经-骨细胞机械传感"新范式，揭示胆碱能信号通过nAChRs-Ca²⁺轴调控骨适应的精细机制。其重要意义在于：首先，发现骨组织中存在迄今未知的神经-骨细胞直接通讯，为"神经调控骨代谢"理论提供解剖学基础；其次，阐明胆碱能信号对机械敏感性的剂量和性别依赖性调控，为解释临床观察到的性别差异提供分子依据；最后，证实靶向骨细胞nAChRs可改变骨材料性能，为开发新型抗骨质疏松药物指明方向。正如研究者强调，这项发现不仅重新定义了我们对骨机械适应的认知，更可能催生针对神经退行性疾病伴发骨丢失的联合治疗策略。未来研究需要进一步解析不同nAChRs亚型的时空表达谱，并探索雌激素-胆碱能信号交叉对话的深层机制。