铁过载通过诱导铁死亡抑制BMP成骨分化的机制及褪黑素的挽救作用研究

推荐：骨质疏松患者中骨形态发生蛋白(BMP)疗效受限的机制尚不明确。研究人员通过建立FK506激活的BMP信号成骨分化模型，发现铁过载通过诱导铁死亡(ferroptosis)抑制BMP/Smad信号通路，而褪黑素(Mel)通过Wnt/p-Nrf2通路抑制铁死亡，挽救BMP成骨功能。该研究为骨质疏松患者BMP治疗的辅助策略提供了新思路。

　　

骨质疏松症作为全球性健康难题，其异常骨微环境不仅导致骨量丢失，还显著削弱临床常用骨再生药物——骨形态发生蛋白(Bone Morphogenetic Proteins, BMPs)的疗效。这种治疗抵抗现象与骨质疏松常见的铁代谢紊乱密切相关，但具体机制尚未阐明。铁过载会通过芬顿反应产生活性氧(ROS)，诱发铁依赖性细胞死亡(ferroptosis)，这种独特的死亡方式以脂质过氧化(LPO)和线粒体皱缩为特征。重庆医科大学附属永川医院骨科团队在《Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology》发表的研究，首次揭示了铁过载通过铁死亡损害BMP成骨作用的分子机制，并发现褪黑素(Melatonin, Mel)可通过激活Wnt信号通路逆转这一过程。

研究采用FK506(他克莫司)处理C2C12、ST2细胞系及原代人/鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)建立BMP信号激活模型，通过柠檬酸铁铵(FAC)构建铁过载环境。关键技术包括：分析GEO数据库中骨质疏松患者BMSCs测序数据；采用CCK8、Calcein/PI染色评估细胞活力；FerroOrange探针检测Fe²⁺、DCFH-DA检测ROS、Liperfluo检测LPO；透射电镜观察线粒体形态；建立卵巢切除(OVX)小鼠模型进行体内验证。

2.1节证实FK506通过解除FKBP12对BMP受体的抑制，显著增强p-Smad1/5/9磷酸化和下游Id基因表达，促进碱性磷酸酶(AP)活性升高3.2倍。2.2节发现骨质疏松患者BMSCs中铁死亡标志基因FTH1表达升高2.1倍，OVX小鼠BMSCs对FK506的成骨响应降低12.7%。50μM FAC使C2C12细胞AP活性降低58%。2.3节显示FAC处理使细胞内Fe²⁺浓度增加4.3倍，ROS水平升高2.8倍，并出现典型铁死亡线粒体形态改变。2.4节排除了凋亡、焦亡等其他死亡形式的干扰，Q-VD虽抑制凋亡但未能挽救成骨抑制。2.5节证实铁死亡抑制剂Ferrostatin-1(Fer-1)可剂量依赖性恢复p-Smad1/5/9表达。2.6节发现Mel通过上调Wnt下游靶基因Bmp4(1.8倍)和Lef1(2.1倍)，激活p-Nrf2抗氧化通路，使LPO阳性细胞减少63%。2.7节动物实验显示Mel治疗使OVX小鼠骨体积分数(BV/TV)增加64%，血清骨形成标志物P1NP升高37%，骨组织中4-HNE(铁死亡产物)表达降低55%。

该研究创新性揭示：骨质疏松微环境中的铁过载通过诱发BMSCs铁死亡，导致BMP/Smad信号传导效率下降46%，是BMP治疗抵抗的关键因素。Mel通过Wnt/p-Nrf2轴抑制铁死亡的双重机制——既直接清除ROS保护细胞膜结构，又通过转录调控BMP4表达形成正反馈循环，为临床联合用药提供了理论依据。值得注意的是，Mel在维持正常铁代谢的同时选择性阻断下游损伤的特性，使其成为理想的"靶向抗氧化"治疗策略。未来研究可进一步探索：① Mel与rhBMP2联合给药的最佳时序；② Wnt-BMP信号交叉调控的具体节点；③ 铁死亡敏感人群的遗传标志物筛选。这些发现不仅拓展了对骨代谢疾病病理机制的认识，也为开发基于铁死亡调控的联合治疗方案开辟了新途径。