点评 | 白晓春（南方医科大学）、曹鹏（北京生命科学研究所）骨骼是人体的重要器官，其功能包括支撑、保护、运动和内分泌代谢等，近年来研究表明大脑的神经网络对骨本体感觉、骨代谢的神经调节、骨的内分泌调节均发挥着极其重要的调控作用，但背后的生物学机制尚不完全清楚。杨帆研究团队的前期研究已经发现大脑的中枢神经环路可以直接调节外周交感神经活动，进而来干预外周骨骼代谢和功能 (Journal of Clinical Investigation. 2020；Molecular Psychiatry. 2022)。大脑作为机体的最高神经中枢也可以通过精确调控内分泌激素来对骨代谢重塑产生重要的调节作用。甲状旁腺激素（PTH）是机体至关重要的钙磷代谢调节激素，对骨的形成和吸收过程发挥关键调控作用。在鱼类等海洋动物，PTH多肽在中枢神经系统表达；在人类和其它哺乳动物PTH主要由外周甲状旁腺分泌来维持钙磷平衡；然而迄今为止，中枢神经系统如何感受并调控PTH分泌，进而影响骨代谢重塑进程的生物学机制尚不清楚。2023年4月20日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知及脑疾病研究所杨帆团队在Neuron杂志在线发表了题为Bidirectional Control of Parathyroid Hormone and Bone Mass by Subfornical Organ (大脑穹窿下器官双向调节甲状旁腺素分泌及骨量) 的研究论文，详细描述了小鼠的中枢神经系统穹窿下器官（subfornical organ, SFO）感受外周甲状旁腺激素（parathyroid hormone, PTH），并通过下丘脑室旁核（paraventricular nucleus, PVN）以及交感神经反馈调节外周PTH变化进而干预骨代谢的机制。为了深入研究中枢神经通过甲状旁腺调节骨代谢的过程，杨帆团队分别从神经连接，以及功能调控两个角度对甲状旁腺与中枢神经之间的关系做出了解析。团队首先通过解剖学以及具有时间分辨率的逆向示踪研究发现外周甲状旁腺与中枢神经系统的中间网状核(intermediate reticular nucleus, IRt)，室旁核（PVN）以及穹窿下器官（SFO）存在神经解剖学连接。外周注射用生物素标记的PTH，通过在大脑中对生物素进行染色可以发现外周注射的PTH可与SFO脑区结合。而进一步，通过脑片电生理研究，在PTH的作用下，SFO神经元的膜电位可以发生约5mV左右的提高，这一提高过程在钠离子通道被抑制后不受影响。另一方面，在体钙荧光实验提示，对自由活动的小鼠注射外周来源的PTH使得SFO及位于其下游的PVN脑区的钙活动显著增加。SFO属于室周核团，血脑屏障薄弱，神经元可以直接与血液进行物质交换，以上实验结果发现中枢神经系统可以通过SFO直接感受外周PTH变化。既然SFO脑区可以感知PTH，那么其内部神经元可能存在对应的受体表达。研究发现，在SFO神经元中PTH的两类受体PTH1R及PTH2R均有大量表达。通过CRISPR-Cas9技术敲除SFO中的PTH受体表达可发现，PTH1R受体敲除使小鼠外周血液中PTH水平降低，对外源钙刺激的响应迟缓，松质骨密度和骨量降低，而PTH2R受体敲除没有相应影响。由此可以证明，SFO中的PTH1R对于机体的PTH基础分泌以及应对外周刺激的反馈调节起到了必要的作用。进一步对SFO的神经元解析发现，PTH受体在SFO中的GABA能 (gamma-aminobutyric acid, γ-氨基丁酸) 及Glut能(glutamate, 谷氨酸) 神经元中都有表达，表达的PTH1R受体的神经元中GABA能神经元占大多数，而表达PTH2R的神经元中Glut能神经元占大多数。在发现了SFO可以通过PTH受体感受PTH后，团队成员对SFO神经元是否调控外周PTH水平进行了深入研究。在利用光遗传学和化学遗传学分别激活SFO中的CaMKII（钙/钙调蛋白依赖激酶 II）神经元，可以在30分钟内观察到外周PTH的降低，长时间化学遗传学激活SFOCaMKII神经元可以观察到PTH的下降和外周松质骨密度的显著降低。由于SFO中同时表达抑制性GABA能神经元以及兴奋性CaMKII能神经元，利用化学遗传学方式分别激活SFO中的GABA能及Glut能神经元可以观察到：激活SFO中的GABA能神经元可以造成外周甲状旁腺激素降低以及外周骨密度的下降；而激活Glut能神经元则结果正好相反。结合前期发现PTH1R表达的细胞大部分为GABA能神经元，可以认为SFO中GABA能神经元感受到PTH浓度增加后对外周PTH主要进行了负反馈调节。在研究了SFO对PTH的感受和调控后，杨帆团队又对SFO的下游神经核团进行了解析。前期有研究发现SFO中Glut能神经元可以支配下游脑区，但对于SFO中GABA能神经元的研究则相对较少。团队研究发现下丘脑PVN脑区受到SFO中GABA和Glut能神经元的投射；在利用化学遗传学单独激活PVN脑区中的CaMKII及VGlut2神经元都可以发现外周甲状旁腺激素升高，单独激活SFO中GABA能神经元到PVN的投射环路则可以抑制外周PTH水平，同时使外周骨松质密度降低，表明SFO中GABA神经元可以通过抑制PVN中神经元来调控外周PTH和骨密度. PVN是下丘脑中调节外周交感神经的重要脑区，研究人员进一步研究了交感神经系统对于外周PTH的调控作用。通过对小鼠腹腔注射6羟多巴（6-OHDa, 6-Hydroxydopamine）抑制外周交感神经或在大鼠甲状旁腺局部注射6-OHDa抑制甲状旁腺交感神经，均发现可以直接造成外周PTH显著降低或PTH对钙刺激响应下降，验证了外周交感神经对PTH的重要调节作用。
图1 穹窿下器官（SFO）感受外周甲状旁腺激素（PTH）进而通过下丘脑室旁核（PVN）及交感神经系统调控PTH及骨代谢
综上所述，这一研究揭示了中枢SFO脑区感知外周PTH，分别通过GABA能及Glut能神经元以及交感神经对外周PTH水平进行调控，并进一步调节骨代谢的神经机制。该机制的发现首次揭示了大脑-甲状旁腺-骨轴在维持骨代谢稳态中的关键作用，进一步完善了大脑-内分泌-骨骼系统互作调控的学术理论体系，也拓展了精准调控中枢神经干预内分泌激素水平的新技术和方法手段，为我们深入理解机体维持骨稳态的机理提供了新的研究思路。深圳先进院杨帆研究员，深圳理工大学（筹）吕维加教授为共同通讯作者，张路博士与刘念博士为论文的共同第一作者。中枢神经调控骨代谢是近年来骨科学领域的前沿重点研究方向，理解大脑调控骨代谢的机理对于深入解析骨质疏松的发生机制，探索治疗或干预手段都有着重要意义。而甲状旁腺激素作为重要的钙磷调节和促进骨形成激素，对骨稳态的维持和骨质疏松的治疗都发挥着关键作用。深圳先进院杨帆科研团队首次发现了中枢神经核团SFO在精确调节外周甲旁腺素分泌发挥重要作用，并深入解析了在中枢-内分泌-骨调控体系中，外周甲状旁腺激素如何作用于脑功能核团，又进一步反馈性调节甲状旁腺素进而影响骨代谢的机制。该机制的解析一方面完善了神经内分泌调节骨代谢的知识理论体系，验证了神经内分泌激素的变化对骨的重要调节作用，为骨代谢调控研究拓展了新的思路。另一方面拓展了对甲状旁腺激素促进骨生成的系统性认知，为临床上从神经角度精准调控内分泌激素干预骨质疏松提供了理论支撑。中枢神经如何感知并调控内分泌来维持机体内稳态是近年来国内外神经科学的重点研究方向。尤其在2019年提出神经系统的“内感受“这一概念后，中枢神经系统如何通过各种途径感受机体内环境成为了近年来神经科学研究的重要议题。这一研究领域的关键科学问题是外周脏器如何向大脑特定神经核团快速传递信息，进一步通过中枢神经环路和外周交感神经调控外周脏器功能。深圳先进院杨帆课题组聚焦于中枢神经调节内分泌和骨代谢这一前沿研究方向，发现甲状旁腺激素PTH作为一类重要的钙磷代谢调节激素，可以在血脑屏障薄弱处穹窿下器官SFO通过受体直接作用于SFO神经元，影响神经元的放电活动，进一步通过下游神经环路对PTH水平的发挥精确调节作用，进而影响外周骨代谢。这一创新性研究进一步揭示了中枢神经和内分泌这两大系统之间的密切互作关系及其对外周骨代谢稳态的重要调节作用。除了神经末梢在大脑与外周脏器快速进行信息交互外，大脑也可以通过内分泌系统“润物细无声”的调节骨骼等器官的代谢和功能。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.03.030
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