机械应力通过Piezo1-YAP-miR-337-IRS1轴调控间充质干细胞增殖的机制及其在废用性骨质疏松治疗中的潜在应用

本研究针对长期卧床和太空微重力环境导致的废用性骨质疏松（disuse-induced bone loss）难题，揭示了机械应力通过Piezo1-YAP-miR-337-IRS1信号轴调控骨髓间充质干细胞（LepR+ MSCs）增殖的核心机制。研究人员发现机械卸载通过上调miR-337抑制IRS-1/PI3K-Akt-mTOR通路，导致MSCs数量减少；敲除miR-337可特异性逆转废用性骨丢失，为太空医学和临床康复提供新靶点。成果发表于《Cell Discovery》。

　　

在长期卧床患者和太空宇航员中，骨骼因缺乏机械应力而出现进行性骨量丢失——这一现象被称为废用性骨质疏松（disuse-induced bone loss）。尽管已知机械卸载会破坏骨形成与吸收的平衡，但隐藏在背后的细胞分子机制始终蒙着神秘面纱。更令人担忧的是，现有疗法主要针对破骨细胞抑制或机械负荷补偿，却无法解决骨髓微环境中间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）耗竭这一根本问题。

为揭开这一谜团，研究人员以啮齿类动物后肢卸载（hindlimb unloading, HU）模型为突破口，展开了一场从细胞到分子的科学探索。通过显微CT和骨组织形态计量分析，团队首先确认HU处理14天后大鼠出现显著骨量下降，同时伴随血清骨钙素（Ocn）水平降低和骨吸收标志物CTX1升高。令人惊讶的是，免疫荧光和流式细胞术显示，机械卸载仅3天就使骨髓中瘦素受体阳性（LepR⁺）MSCs数量锐减50%，且这种损耗主要发生在骨小梁附近的动脉周围区域——这个被称为"机械敏感niche"的特殊微环境。

研究团队随后构建了精妙的体外力学刺激系统。当采用10%循环机械拉伸（cyclic mechanical stretching, CMS）处理血清饥饿诱导的静息态MSCs时，细胞如同被唤醒般恢复旺盛增殖。RNA测序揭示了一个关键线索：CMS与血清刺激同样激活PI3K-Akt-mTOR通路，而该通路抑制剂LY294002和雷帕霉素能完全阻断CMS的促增殖效应。通过miRNA表达谱筛查，一个机械敏感的"分子刹车"浮出水面——microRNA-337-3p（miR-337）。在HU大鼠的LepR⁺细胞中，miR-337表达显著上调；体外实验证实其通过直接靶向胰岛素受体底物1（IRS-1）的3'UTR，抑制PI3K-Akt-mTOR通路活性。

研究进一步追踪到机械力的"天线"——机械敏感离子通道Piezo1。当用siRNA敲低Piezo1后，CMS既不能抑制miR-337表达，也无法激活PI3K-Akt通路。双荧光素酶报告基因实验揭示，Piezo1下游的Hippo-YAP通路通过转录因子TEAD直接结合miR-337启动子区域，构成完整的力信号转导链条：机械卸载→Piezo1失活→YAP核转位减少→TEAD介导的miR-337转录增加→IRS-1翻译抑制→PI3K-Akt-mTOR通路关闭→MSCs增殖受阻。

基因敲除动物实验为转化医学带来曙光。miR-337敲除（KO）大鼠在HU处理后，不仅骨髓中增殖态LepR⁺细胞数量得以维持，骨形成指标也明显改善。更引人注目的是，将KO-MSCs移植到野生型HU大鼠体内，可显著减轻骨丢失。这种保护作用具有疾病特异性——对卵巢切除（OVX）导致的雌激素缺乏性骨质疏松无效，提示机械卸载与激素缺乏通过不同机制影响骨代谢。

关键技术方法

研究采用大鼠尾悬吊HU模型模拟机械卸载；通过流式分选CD45^-CD31^-LepR⁺细胞群体；使用Flexcell细胞力学加载系统进行体外CMS处理；构建miR-337启动子突变体通过双荧光素酶报告基因验证TEAD结合位点；采用显微CT和骨组织形态计量进行表型分析；通过异体骨髓MSCs移植评估治疗潜力。

主要研究结果

1. 1.

   MSCs数量在HU大鼠骨髓中显著减少

   显微CT显示HU处理14天导致骨量显著降低，流式检测发现CD45^-CD31^-LepR⁺ MSCs减少50%，多色免疫组化证实动脉周围增殖态MSCs（Ki67⁺Runx2^-）选择性丢失。

2. 2.

   机械拉伸通过抑制miR-337激活静息态MSCs

   10% CMS处理使血清饥饿的MSCs重新进入细胞周期，RNA-seq显示其激活PI3K-Akt-mTOR通路与血清刺激相似。构建AAV-GFP-IRS1 3'UTR报告系统证实miR-337在体内外均靶向抑制IRS-1表达。

3. 3.

   Piezo1-YAP通路调控miR-337转录

   Piezo1激动剂Yoda1可模拟CMS效应抑制miR-337表达，而YAP抑制剂verteporfin或TEAD结合位点突变均阻断这一调控。

4. 4.

   miR-337敲除特异性抵抗HU性骨丢失

   KO大鼠在28天HU处理后骨量、MSCs数量和成骨活性均优于野生型，但OVX模型无此保护效应，证实机制特异性。

结论与意义

该研究首次阐明机械应力通过Piezo1-YAP-miR-337-IRS1轴动态调控骨髓MSCs增殖的分子机制，突破性地发现：

1）动脉周围niche是机械敏感的MSCs增殖调控中心；

2）单一miRNA（miR-337）足以决定废用性骨质疏松的易感性；

3）MSCs移植策略为太空任务和临床康复提供新思路。

这些发现不仅为理解机械力感知的生物学基础增添新维度，更启示我们：靶向干预miR-337或可成为对抗长期失重/卧床所致骨丢失的"分子体操"，让宇航员和卧床患者的骨骼在缺乏机械负荷时仍能保持强健。