感觉神经在机械卸载或再加载时调节骨稳态：来自太空飞行实验与地面机械卸载模型的证据

《Bone Research》：Sensory nerves regulate bone homeostasis in response to mechanical unloading or reloading: evidence from a spaceflight experiment and ground-based mechanical unloading models

　　

机械负荷对于维持骨量至关重要，理解骨如何响应机械负荷而重塑，对于治疗肌肉骨骼疾病具有重要意义。近期研究发现，骨内的感觉神经是骨稳态的机械调控因子。然而，感觉神经的结构与网络如何随机械负荷变化而改变，目前仍不清楚。为解答这一问题，研究人员在国际空间站（ISS）开展了一项太空飞行实验，并采用了两种地面机械卸载模型，即尾悬吊（TS）和后肢固定。在太空飞行实验中，研究人员将神经纤维表达绿色荧光蛋白的Sox10-Venus小鼠在ISS上饲养3周，结果发现微重力暴露显著降低了骨量并损害了骨内神经丰度。这些变化在两种地面模型中均得到重现。TS后的机械再加载可促使骨量和神经丰度恢复。逆行示踪实验显示，机械变化特异性地影响骨内感觉神经支配，而不改变背根神经节（DRG）中神经元的数量。值得注意的是，连续给予感觉神经分泌的神经肽——降钙素基因相关肽（CGRP），可预防卸载诱导的骨丢失。此外，手术和遗传消融感觉神经均可抑制负荷诱导的小梁骨恢复。这些发现表明，骨内感觉神经在响应机械变化时对调节骨稳态起关键作用，并可能有助于开发针对机械卸载所致骨丢失（如长期卧床和长期太空飞行）的治疗策略。

**论文解读：感觉神经在机械卸载与再加载条件下调控骨稳态——来自太空飞行与地面模型的研究**

随着人口老龄化加剧，骨质疏松症和 fragility fractures（脆性骨折）已成为严峻的医疗与社会经济负担。老年人常见活动减少和长期卧床，导致骨骼机械卸载，进而加速骨丢失并增加骨折风险。尽管机械负荷是维持骨量的关键因素，但其调控骨稳态的具体机制仍未完全阐明。传统观点认为骨细胞是骨骼中的主要机械感受器，但近年研究发现，由外周神经组成的感觉系统也参与骨稳态调节。骨内感觉神经表达降钙素基因相关肽（CGRP）和P物质（SP）等神经肽，其中约77%的感觉神经呈CGRP阳性。CGRP与骨细胞表面受体相互作用，调节骨代谢。已有研究表明，感觉神经通过NGF/TrkA信号参与机械负荷调控的骨形成。然而，感觉神经的精细结构和网络如何响应机械卸载/再加载而动态改变，及其对骨代谢的影响，仍是未解之谜。为此，研究人员整合了国际空间站（ISS）太空飞行实验与地面尾悬吊（TS）和后肢固定（HLI）模型，并结合逆行示踪、神经肽干预及手术/遗传神经消融等手段，系统探究了骨内感觉神经在机械卸载/再加载过程中的作用。

**研究背景与问题**

机械负荷对骨骼健康不可或缺，但骨如何感知并响应机械信号尚不完全清楚。除了骨细胞作为机械感受器的经典理论，感觉神经这一新发现的机械调控因子受到关注。尽管已知感觉神经可调节骨形成，但在机械卸载（如微重力、制动）条件下，感觉神经的结构网络如何变化，是否参与卸载诱导的骨丢失，以及再加载后能否恢复，均缺乏直接证据。现有地面卸载模型（如TS、HLI）存在物理束缚等局限性，不能完全模拟生理性机械卸载。太空飞行则提供无重力负荷的真实微重力环境，且太空环境会加速类似衰老的骨丢失过程（骨丢失速度约为地球的10倍），因而适合研究骨质疏松机制。基于此，本研究借助ISS太空实验结合地面模型，从多角度阐明感觉神经在机械卸载/再加载下的角色。

**主要技术方法**

研究采用以下关键技术：①空间飞行实验：通过JAXA“小鼠栖息单元7（MHU-7）”将6只11周龄雄性Sox10-Venus小鼠运送至ISS的日本实验舱“希望号”，在微重力下饲养3周；对照组在地面模拟舱（ISSES）中同步饲养。②地面机械卸载模型：对小鼠实施TS或HLI 3周，模拟后肢卸载。③骨组织透明化与三维成像：采用Osteo-DISCO技术结合宽场显微镜和光片荧光显微镜，对骨内神经纤维进行三维可视化及定量分析（%神经/骨面积比）。④逆行示踪：向右胫骨近端注射荧光金（FG），标记背根神经节（DRG）中投射至骨内的感觉神经元，并通过免疫荧光（IF）检测TrkA和CGRP阳性细胞比例。⑤CGRP给药实验：通过皮下渗透泵持续给予CGRP（2.4 μg/kg）。⑥手术神经消融模型：消融进入胫骨入口处的神经。⑦遗传神经消融模型：将Advillin-Cre小鼠与DTR^fl/fl小鼠杂交，获得Avil^Cre;DTR^fl/+小鼠，并通过白喉毒素（DTX）注射特异性清除感觉神经。样本来源为C57BL/6J小鼠、Sox10-Venus转基因小鼠以及上述杂交小鼠。

**研究结果**

**1. 太空微重力暴露导致骨丢失并降低骨内神经丰度**

对太空飞行3周的小鼠胫骨近端和股骨远端进行micro-CT分析，发现小梁骨体积分数（BV/TV）和小梁骨厚度（Tb.Th）显著下降，皮质骨厚度在股骨中也降低；抗重力肌（比目鱼肌、跖肌）重量显著减轻。Osteo-DISCO成像显示，太空组骨内Venus荧光信号（标记神经纤维）显著低于地面对照组。而血管标记物EMCN和VE-cadherin阳性血管体积无变化，表明微重力在3周内不影响骨内血管网络，但特异性地减少神经纤维丰度。

**2. TS与HLI模型重现太空飞行中的变化**

对11周龄雄性Sox10-Venus小鼠实施TS或HLI 3周后，micro-CT均显示胫骨和股骨的小梁骨质量显著下降，皮质骨面积比（Ct.Ar/Tt.Ar）降低；同时骨内神经纤维丰度也显著减少。三种机械卸载模型（太空、TS、HLI）的观察结果高度一致，提示机械卸载是导致骨内神经减少的根本原因。

**3. 机械卸载特异性影响骨内感觉神经支配**

逆行示踪实验显示，TS 3周后，L3/L4 DRG中TrkA阳性和CGRP阳性神经元比例未改变，但FG阳性细胞（以及FG与TrkA或CGRP共阳性细胞）比例显著降低。这说明机械卸载并不减少DRG感觉神经元的数量，而是损害感觉神经在骨内的末梢投射，导致FG摄取及转运减少。

**4. 机械再加载恢复骨量及感觉神经支配**

小鼠经历2周TS后，胫骨小梁骨量和骨内神经纤维丰度均下降；随后4周机械再加载，二者均出现部分恢复。逆行示踪进一步显示，再加载后DRG中FG阳性且共表达TrkA/CGRP的细胞比例回升，表明感觉神经支配随机械负荷水平动态可逆变化，并与小梁骨量的变化平行。

**5. CGRP给药预防TS诱导的骨丢失**

在TS期间通过渗透泵持续给予CGRP，可显著减缓胫骨远端小梁骨丢失，而疼痛行为学（von Frey纤维和热板试验）无变化，排除CGRP致敏干扰。qPCR显示，TS降低了PBS组中成骨基因Alpl和Ocn的表达，而CGRP组则维持正常；破骨基因表达无改变。在10周龄成年小鼠及同时开始TS与给药的方案中，CGRP同样表现出保护趋势，表明CGRP通过维持成骨活性预防卸载性骨丢失。

**6. 手术神经消融抑制负荷诱导的骨恢复**

手术消融胫骨入口神经后，小鼠先经历2周TS再恢复4周。对照组（假手术）在再加载后明显恢复小梁骨量，而神经消融侧则无恢复。qPCR显示成骨基因在消融侧未上调，该现象在10周龄小鼠中复现。证明骨内神经对负荷诱导的骨恢复必不可少。

**7. 遗传消融感觉神经同样抑制负荷诱导的骨恢复**

Avil^Cre;DTR^fl/+小鼠经DTX处理后，DRG中TrkA和CGRP阳性细胞比例显著下降，骨内TrkA和CGRP阳性神经纤维长度减少，而酪氨酸羟化酶（TH）阳性交感神经不变，确认消融特异性针对感觉神经。行为学测试证实痛觉功能减退。在TS+再加载实验中，对照组骨量恢复显著，而感觉神经消融组则完全不见恢复。骨组织形态计量学显示，对照组成骨细胞数（N.Ob/BS）和骨形成率（BFR/BS）升高，破骨细胞数无差异；血清骨钙素水平在对照组有升高趋势。两个独立的消融模型共同证实，感觉神经通过促进成骨活动介导负荷诱导的骨形成。

**讨论与结论**

本研究利用太空飞行、TS和HLI三种卸载模型，一致发现机械卸载导致小梁骨丢失和骨内感觉神经丰度下降，而再加载则可逆转这一变化。值得注意的是，骨内血管在3周微重力下保持稳定，提示神经比血管对重力变化更敏感。逆行示踪表明，感觉神经元胞体数量不变，改变的是骨内末梢支配密度，反映无髓鞘感觉纤维的高可塑性。CGRP给药可维持成骨基因表达从而预防骨丢失，而手术或遗传消融感觉神经则阻断负荷诱导的骨形成，说明感觉神经分泌的CGRP是骨-神经通讯的关键介质。总之，骨内感觉神经是机械卸载/再加载过程中骨稳态的核心调节者，该发现为长期卧床、太空飞行等机械卸载性骨丢失提供了潜在的治疗靶点。研究结论可概括为：机械卸载减少骨内感觉神经支配并导致骨量下降；机械再加载则恢复感觉支配和骨量；CGRP信号与感觉神经的完整性对于负荷引发的成骨性骨恢复至关重要。