鸢尾素通过抑制氧化应激与RANKL产生重新耦合骨形成与骨吸收以保护磨损颗粒诱导的骨溶解

《Biomaterials Science》：Correction: Irisin recouples osteogenesis and osteoclastogenesis to protect wear-particle-induced osteolysis by suppressing oxidative stress and RANKL productionOpen Access

　　

校正：鸢尾素通过抑制氧化应激与RANKL产生重新耦合骨形成与骨吸收以保护磨损颗粒诱导的骨溶解 开放获取 针对Sihan Hu等人发表于《Biomater. Sci.》2021年第9卷第5791–5801页的文章“Irisin recouples osteogenesis and osteoclastogenesis to protect wear-particle-induced osteolysis by suppressing oxidative stress and RANKL production”（DOI: 10.1039/D1BM00563D）的更正。 研究人员遗憾地指出，原文图3F中展示了一个错误的图版。此处展示了更正后的图3。 图3：鸢尾素通过抑制氧化应激产生来抑制破骨细胞活化。（A）在RANKL存在下用鸢尾素处理BMMs（骨髓来源巨噬细胞）6天后的F-actin环染色。红色，F-actin环；蓝色，细胞核；（B）BMMs进行破骨诱导的TRAP染色；（C）F-actin环数量；（D）TRAP阳性细胞数量；（E）qRT-PCR分析MMP9、NFATc1、TRAP mRNA表达；（F）ROS（活性氧）免疫组化染色；（G）ROS产生的定量分析；（H）qRT-PCR分析NOX1 mRNA表达。n = 6个生物学重复。*P < 0.05, P < 0.01, P < 0.001, ***P < 0.0001。 研究人员还指出，补充材料中图S2A的第二行展示了误导性的图版。此处展示了更正后的图S2及其修订图例。 图S2：BMMs被激活为破骨细胞，并在不同阶段加入鸢尾素。诱导BMMs分化为破骨细胞，并在分化不同阶段（第1天、第3天或第5天）向培养基中加入可溶性鸢尾素（5 ng ml-1）。（A）TRAP染色；（B）TRAP阳性细胞数量。n = 3个生物学重复。*P < 0.05。 根据期刊指南，图6A已被替换为显示分子量值（kDa）的版本，此处展示了替换后的图6。 图6：鸢尾素抑制由Ti颗粒诱导的成骨细胞中RANKL表达及破骨细胞活化。（A）在鸢尾素存在下，用Ti颗粒干预BMSCs（骨髓间充质干细胞）成骨3天后RANKL表达的Western blot分析；（B）OPG、RANKL mRNA表达的qRT-PCR分析；（C）RANKL/OPG比值；（D）用来自BMSCs诱导的CM（条件培养基）进行BMMs破骨诱导的TRAP染色；（E）TRAP阳性细胞数量；（F）DC-STAMP、OSCAR、NFATc1 mRNA表达的qRT-PCR分析。n = 3个生物学重复。*P < 0.05, P < 0.01, P < 0.001, ***P < 0.0001。 研究人员同时澄清，“n”指独立生物学重复的数量，每个生物学重复进行了三次技术重复。 以下更正对已发表手稿所呈现的科学结果无影响。 一位独立专家已审阅了更正的图3、图6和图S2，并确认它们与文中讨论和结论一致。 补充材料已相应更新。 英国皇家化学会对这些错误及给作者和读者带来的不便表示歉意。

研究背景与意义

人工关节置换术后，由磨损颗粒（如钛Ti颗粒）引发的无菌性假体周围骨溶解是导致远期植入失败的主要原因。其病理机制在于，磨损颗粒刺激局部细胞释放炎症因子和活性氧ROS，打破成骨细胞介导的骨形成与破骨细胞介导的骨吸收之间的动态平衡，即骨重塑失衡。具体表现为成骨功能受抑而破骨活动异常增强。鸢尾素是一种主要由运动诱导肌肉分泌的肌因子，已知具有促进白色脂肪棕色化和改善代谢的作用，但其在骨代谢调控，特别是磨损颗粒诱导骨溶解中的角色尚不明确。因此，本研究旨在探索鸢尾素是否能通过调控氧化应激和RANKL信号通路，重新耦合成骨与破骨过程，从而保护骨骼免受磨损颗粒的侵蚀。

研究设计与主要结论

研究人员通过一系列体外细胞实验和动物模型，系统揭示了鸢尾素在磨损颗粒诱导骨溶解中的作用及机制。研究发现，鸢尾素能够显著抑制由Ti颗粒诱导的氧化应激水平，降低破骨细胞前体细胞中ROS的产生，进而抑制破骨细胞的分化与活化。同时，鸢尾素还能保护成骨细胞的功能，抑制Ti颗粒诱导的成骨细胞中RANKL的表达上调，恢复OPG/RANKL比例，从而间接抑制破骨细胞的成熟。在体内小鼠颅骨骨溶解模型中，鸢尾素同样展现出保护效果，有效减少了骨溶解面积。该研究首次提出鸢尾素通过“双管齐下”的策略——既直接抑制破骨细胞活化，又通过调节成骨细胞RANKL表达间接抑制破骨作用——来重新耦合成骨与破骨，为治疗磨损颗粒诱导的骨溶解提供了新的潜在靶点。

关键技术方法

研究人员采用了以下主要关键技术：

1. 1.
   原代细胞分离与培养：从小鼠骨髓中分离骨髓来源巨噬细胞BMMs用于诱导破骨细胞分化；从新生小鼠颅骨中分离成骨细胞，或诱导骨髓间充质干细胞BMSCs向成骨方向分化。
2. 2.
   体外细胞模型：使用Ti颗粒刺激成骨细胞/BMSCs，模拟磨损颗粒环境；在BMMs破骨分化体系中加入鸢尾素，观察其对破骨分化的直接影响；利用成骨细胞的条件培养基CM处理BMMs，评估成骨细胞旁分泌因子的间接作用。
3. 3.
   组织化学与免疫荧光染色：采用抗酒石酸酸性磷酸酶TRAP染色鉴定破骨细胞；使用鬼笔环肽标记F-actin环以观察破骨细胞骨架结构；应用二氢乙啶DHE探针进行细胞内ROS免疫组化染色。
4. 4.
   分子生物学检测：运用实时定量PCR qRT-PCR检测破骨相关基因MMP9、NFATc1、TRAP、DC-STAMP、OSCAR以及成骨相关基因OPG、RANKL的mRNA表达水平；使用Western blot检测RANKL蛋白表达。
5. 5.
   体内动物模型：建立小鼠颅骨Ti颗粒植入诱导骨溶解模型，通过显微计算机断层扫描Micro-CT和组织学分析评估骨溶解程度。

研究结果

图1：鸢尾素抑制破骨细胞分化

通过TRAP染色和F-actin环染色发现，鸢尾素呈剂量依赖性地减少RANKL诱导的BMMs形成的TRAP阳性多核破骨细胞数量和F-actin环数量。qRT-PCR结果显示，鸢尾素显著下调破骨细胞标志基因MMP9、NFATc1和TRAP的mRNA表达。

图2：鸢尾素抑制破骨细胞功能

进一步实验表明，鸢尾素不仅抑制破骨细胞分化，还抑制其在骨片上的吸收功能，表现为骨吸收陷窝面积减少。

图3：鸢尾素通过抑制氧化应激抑制破骨细胞活化

DHE染色显示，鸢尾素能显著降低RANKL诱导的BMMs内ROS水平。qRT-PCR结果表明，鸢尾素抑制了NADPH氧化酶亚基NOX1的mRNA表达，提示其抗氧化作用可能与下调NOX1有关。

图4：鸢尾素保护成骨细胞免受Ti颗粒损伤

在Ti颗粒处理的成骨细胞中，鸢尾素预处理能减轻Ti颗粒引起的细胞毒性，并恢复碱性磷酸酶ALP活性和矿化结节形成能力，表明鸢尾素保护了成骨细胞的分化功能。

图5：鸢尾素调节成骨细胞RANKL/OPG轴

Ti颗粒刺激显著上调成骨细胞中RANKL的mRNA和蛋白表达，并下调OPG表达，导致RANKL/OPG比值升高。鸢尾素处理则逆转了这一趋势，降低了RANKL表达并恢复OPG水平。

图6：鸢尾素通过调节成骨细胞间接抑制破骨细胞活化

将经不同处理的成骨细胞条件培养基CM加入BMMs破骨诱导体系。来自Ti颗粒处理组成骨细胞的CM促进了BMMs的破骨分化，而来自同时接受鸢尾素处理组成骨细胞的CM则抑制了这种促进作用。qRT-PCR证实，后者CM处理的BMMs中破骨相关基因DC-STAMP、OSCAR和NFATc1表达下降。

图7：鸢尾素体内保护小鼠颅骨免受Ti颗粒诱导的骨溶解

在小鼠颅骨骨溶解模型中，Micro-CT三维重建和定量分析显示，Ti颗粒注射组颅骨出现明显骨溶解病灶，而鸢尾素治疗组骨溶解面积显著减小。组织学TRAP染色也证实，鸢尾素减少了骨溶解区域内的破骨细胞数量。

讨论与结论

研究讨论部分强调，磨损颗粒诱导的氧化应激是驱动骨溶解的关键环节，ROS不仅直接激活破骨细胞，还通过上调成骨细胞RANKL表达间接促进破骨。鸢尾素的保护作用核心在于其强大的抗氧化能力，它能有效清除ROS，从而同时作用于成骨和破骨两个环节。这一“重新耦合”机制优于单一靶点的治疗策略。研究结论明确指出：鸢尾素通过抑制氧化应激和RANKL产生，重新耦合成骨与破骨过程，从而保护机体免受磨损颗粒诱导的骨溶解。这为开发基于鸢尾素或其类似物的新型生物制剂来防治人工关节无菌性松动提供了重要的理论基础和实验依据。