STING/Ⅰ型干扰素信号通路激活在骨髓炎中的多模式治疗作用及机制解析

《Advanced Science》：STING/Type I Interferon Pathway Activation Confers Multimodal Therapeutic Benefits in Osteomyelitis

　　

骨髓炎是一种由病原微生物引起的炎性骨病，以剧烈疼痛、广泛骨破坏和局部脓肿形成导致抗生素疗效降低为特征。本研究探讨了激活STING（干扰素基因刺激因子）通路在骨髓炎中的治疗潜力。在金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）诱导的小鼠股骨骨髓炎模型中，STING激动剂可减轻骨髓炎相关疼痛、抑制感染诱导的骨破坏并减少局部脓肿形成。这些效应依赖于宿主STING/Ⅰ型干扰素（type I interferon, IFN-I）信号，涉及三种机制：抑制病原体对伤害感受器的激活；在不影响成骨细胞活性的情况下抑制破骨细胞分化与功能；下调白细胞介素-1β（interleukin-1β, IL-1β），从而减少中性粒细胞募集和脓肿形成。通过减少作为物理屏障的脓肿形成，STING激动剂增强了常规抗生素（如万古霉素）在感染部位的抗菌疗效。总之，这些发现表明STING激活的协同机制代表了一个缓解疼痛和改善骨髓炎临床结局的有前景的治疗靶点。

**骨髓炎中STING/Ⅰ型干扰素通路激活的多模式治疗效益：研究解读**

**一、研究背景与问题**

骨髓炎是由病原微生物引起的炎性骨病，临床特征为剧烈疼痛和严重骨破坏。金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）涉及超过50%的骨髓炎病例，其中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA）常导致持续性感染。尽管抗生素是主要治疗手段，但临床数据显示骨髓炎治疗失败率达20%–30%，感染控制不佳可能导致残疾甚至危及生命的并发症。治疗失败常迫使患者接受长疗程抗生素，这不仅增加抗生素相关不良事件风险，还可能通过肠道菌群失调损害全身免疫功能，形成恶性循环。

病原菌通过多种机制致病：其释放的毒力因子可直接激活骨内和骨膜伤害感受器引发疼痛；同时通过分泌葡萄球菌蛋白A（Staphylococcal Protein A, SpA）等毒力因子促进破骨细胞分化并抑制成骨细胞功能，破坏骨形成与骨吸收的平衡，驱动病理性骨破坏。此外，细菌通过定植于骨陷窝、骨细胞、生物被膜或脓肿中逃避免疫杀伤和抗生素作用，这凸显了开发增强抗菌疗效新策略的紧迫性。

值得注意的是，骨髓炎与骨转移性肿瘤共享关键临床病理特征：两者均表现为疼痛和病理性骨破坏。近期研究表明，STING（stimulator of interferon genes，干扰素基因刺激因子）通路激动剂在癌症治疗中展现出显著前景。骨转移模型研究证实，STING激动剂（如DMXAA）通过激活cGAS-STING-IFN-I轴发挥多模式效应：STING诱导的IFN-I激活树突状细胞和细胞毒性T淋巴细胞增强抗肿瘤免疫；STING信号抑制肿瘤介导的破骨细胞分化减少溶骨性破坏；且STING激动剂具有内在镇痛特性。这些发现为骨髓炎治疗提供了新视角。前期研究还证实STING通路激活可通过独特机制影响细菌感染期间的免疫细胞功能，提示外源性STING激动剂可能调节内源性免疫信号以对抗骨感染中的病原体免疫逃逸。基于此，研究人员开展本研究，系统评估STING通路在骨髓炎发病中的作用并探索其治疗潜力。

**二、研究设计与主要技术方法**

研究人员利用多种基因修饰小鼠品系建立骨髓炎模型，以STING激动剂作为干预手段。主要关键技术方法包括：（1）构建MRSA菌株USA300和化脓性链球菌诱导的小鼠股骨骨髓炎模型；（2）行为学测试评估疼痛，包括Von Frey纤维丝法检测机械性痛觉过敏和Hargreaves法检测热痛觉过敏；（3）影像学评估骨破坏，采用X射线成像及 radiographic scoring（参照Norden评分系统）和Micro-CT定量骨微结构参数（骨体积分数BV/TV、骨小梁数量Tb.N、骨小梁分离度Tb.Sp等）；（4）ELISA检测血清和骨组织中细胞因子（IFN-α、IFN-β、TNF-α、IL-1β、IL-6）及骨转换标志物（CTX-I、PINP）；（5）背根神经节（dorsal root ganglion, DRG）神经元培养与钙成像技术检测神经元激活；（6）破骨细胞诱导与TRAP染色（抗酒石酸酸性磷酸酶染色）评估破骨细胞数量；（7）流式细胞术分析中性粒细胞比例；（8）组织学染色（H&E、Masson）评估脓肿形成和新骨形成；（9）细菌载量测定评估抗菌效果。样本来源为C57BL/6J小鼠及其衍生基因修饰品系。

**三、研究结果**

**2.1 STING激动剂缓解骨髓炎相关疼痛**

研究人员向C57BL/6小鼠股骨内注射MRSA菌株（USA300，2 μL，1×10⁶CFU）建立骨髓炎模型，于感染后第3天和第7天腹腔注射DMXAA（20 mg/kg），在感染后1至14天通过Von Frey试验和Hargreaves试验评估机械性和热痛觉过敏。结果显示DMXAA显著缓解骨髓炎病程中的疼痛，且未引起体重、肝功能（ALT、AST）和肾功能（Cr、BUN）的显著变化，表明药物相对安全。在链球菌诱导的骨髓炎模型中同样观察到DMXAA的显著镇痛效应，提示该效应并非菌株特异性。此外，另一种STING激动剂ADU-S100同样能缓解骨髓炎相关疼痛，表明多种STING激动剂可能具有类似的镇痛效果。

**2.2 STING激动剂减轻骨髓炎相关骨破坏**

研究人员利用X射线动态评估骨破坏程度，发现DMXAA治疗在感染后第10天和第20天显著减轻骨破坏。Micro-CT分析显示，DMXAA治疗组小鼠皮质骨破坏显著减少，骨体积分数（BV/TV）和骨小梁数量（Tb.N）显著增加，骨小梁分离度（Tb.Sp）降低。ADU-S100同样能减轻骨破坏。由于疼痛和骨破坏限制患者活动能力，研究人员通过转棒试验和旷场试验评估运动功能，发现DMXAA治疗显著延长转棒跌落潜伏期并增加运动总距离，提示STING激动剂通过缓解疼痛和阻止骨破坏促进运动功能恢复。

**2.3 STING激动剂经STING/IFN-I信号通路缓解疼痛和骨破坏**

为验证STING激动剂的作用是否由STING介导，研究人员使用STING基因敲除小鼠（STING^gt/gt）建立骨髓炎模型。结果显示STING^gt/gt小鼠基础痛阈低于野生型（wild-type, WT）小鼠，且DMXAA注射后未能产生镇痛效果，也未改善骨破坏评分。通过ELISA检测发现DMXAA处理后4小时血清和骨组织中IFN-α和IFN-β水平显著升高，且该升高持续至给药后24小时。进一步使用IFN-I受体亚基缺陷小鼠（Ifnar1^?/?）发现，DMXAA的镇痛和骨保护效应完全消失，证实STING激动剂的这些效应高度依赖于IFN-I及其受体信号。

**2.4 STING激动剂通过STING/IFN-I通路抑制金黄色葡萄球菌诱导的伤害感受神经元激活**

为探究镇痛机制，研究人员分离培养L3-L5背根神经节（DRG）神经元，用DMXAA（50 μm）预处理4小时后加入S. aureus培养上清，通过钙成像技术检测神经元激活。结果显示DMXAA组中激活的DRG神经元显著减少，表明STING激动剂能抑制病原体对伤害感受神经元的直接激活。在感染后第3天给予DMXAA，给药后4小时即观察到显著镇痛效应，而此时TNF-α、IL-1β和IL-6等炎症标志物尚未出现组间差异，提示该快速镇痛效应主要源于对伤害感受神经元激活的抑制而非炎症水平下降。通过RTX消融伤害感受神经元后，DMXAA的镇痛效应消失。研究人员进一步构建了在Nav1.8+伤害感受神经元中特异性敲除STING（Nav1.8-Cre; STING^fx/fx）或Ifnar1（Nav1.8-Cre; Ifnar1^fx/fx）的小鼠，发现这两类小鼠均表现出痛觉过敏，且DMXAA注射后无镇痛效应，证实STING激动剂的镇痛作用依赖于伤害感受神经元内的STING/IFN-I信号通路。

**2.5 STING激动剂通过STING/IFN-I通路抑制破骨细胞分化并减少骨破坏**

研究人员在骨髓炎小鼠中于第3天和第7天腹腔注射DMXAA，第14天进行TRAP染色，发现DMXAA组破骨细胞数量显著减少。Masson染色显示DMXAA对新骨形成无显著影响。血清标志物检测显示DMXAA显著降低骨吸收标志物CTX-I水平，而对骨形成标志物PINP无显著影响，表明STING激动剂通过减少破骨细胞数量和抑制其功能来减轻骨破坏。体外实验中，DMXAA剂量依赖性地抑制RANKL诱导的RAW 264.7细胞向破骨细胞分化；在来自STING^gt/gt和Ifnar1^?/?小鼠的骨髓来源巨噬细胞（BMDM）中，DMXAA的抑制作用消失。因此，STING激动剂在体内和体外均通过STING/IFN-I通路直接抑制破骨细胞形成。

**2.6 STING激动剂通过抑制慢性骨髓炎中的炎症信号减轻疼痛并减少脓肿形成**

为评估STING激动剂对慢性期炎症的影响，研究人员检测了感染后第3、7、14天骨组织中TNF-α、IL-1β和IL-6水平，发现DMXAA特异性降低IL-1β水平，对TNF-α和IL-6无显著影响。使用IL-1β中和抗体可显著缓解骨髓炎小鼠疼痛，而向DMXAA治疗小鼠补充重组IL-1β则使其疼痛水平显著回升，表明慢性期STING激动剂的镇痛作用部分通过降低IL-1β实现。在STING^gt/gt和Ifnar1^?/?小鼠中，骨组织IL-1β水平显著高于WT小鼠，证实STING/IFN-I通路调节IL-1β表达。组织学分析显示DMXAA组局部脓肿形成率显著低于对照组。流式细胞术分析显示，DMXAA组骨髓中性粒细胞（CD45+CD11b+Ly6G+）比例显著降低；在STING^gt/gt和Ifnar1^?/?小鼠中，感染后第7天和第14天中性粒细胞比例则高于WT小鼠。细菌载量实验表明，感染后第1天给药DMXAA会增加股骨细菌载量，但在第3天和第7天给药则不影响细菌清除能力，且未观察到全身性细菌播散，说明减少脓肿形成并未损害机体局限感染的能力。

**2.7 STING激动剂的脓肿抑制效应增强抗生素疗效**

由于脓肿构成阻碍抗生素渗透的物理屏障，研究人员假设DMXAA与抗生素联用能增强疗效。在感染后第3天和第7天给予DMXAA，并从第3天起每日给予万古霉素。结果显示，从第7天起，DMXAA+抗生素组的股骨细菌载量显著低于Vehicle+抗生素组，且DMXAA处理显著增加了股骨内万古霉素浓度。联合治疗组的疼痛阈值显著高于单独抗生素组，破骨细胞数量显著减少，X射线显示骨破坏程度更轻。在STING^gt/gt和Ifnar1^?/?小鼠中，DMXAA未能增强抗生素疗效。这些结果表明STING激动剂通过抑制脓肿形成增强敏感抗生素在骨髓炎中的杀菌效果。

**四、讨论与结论**

本研究证实STING激动剂在MRSA诱导的骨髓炎小鼠模型中发挥多模式治疗作用：缓解疼痛、抑制感染介导的骨破坏、增强抗生素杀菌疗效。讨论部分指出，与NSAIDs和 opioids相比，STING激动剂在骨组织破坏性疾病中具有镇痛优势且规避了相关副作用。STING通路敲除小鼠基础痛阈降低的现象提示STING通路在维持正常疼痛感知中具有重要作用。STING激动剂的骨保护作用主要体现为抑制破骨细胞介导的骨吸收而不影响成骨。通过STING/IFN-I信号抑制IL-1β转录从而减少中性粒细胞募集和脓肿形成，是增强抗生素渗透和疗效的关键机制。

研究结论如下：STING/IFN-I信号通路在骨髓炎的疼痛发生和骨破坏中发挥重要作用。具体而言：（1）STING激动剂通过STING/IFN-I轴直接作用于伤害感受器以缓解骨髓炎疼痛；（2）该通路激活抑制破骨细胞分化，从而减轻病原体诱导的骨破坏；（3）通过减少IL-1β产生，STING激活强烈抑制脓肿形成，从而增强抗生素的杀菌疗效。这些发现表明STING通路激活作为一种协同治疗策略，为改善骨髓炎疼痛管理和临床结局提供了有前景的靶点。该研究发表在《Advanced Science》。