Nat Commun︱谢辉团队报道骨基质胞外囊泡介导衰老机体骨与血管“钙化矛盾”
撰文︱谢辉，王振兴，陈春媛
责编︱王思珍
骨质疏松症（osteoporosis，OP）和血管钙化（vascular calcification，VC）常在老年人中伴随发生[1]。OP是一种严重危害骨骼健康的慢性疾病，常导致的骨质疏松性骨折是老年患者致残和致死的主要原因之一[2]；VC会造成动脉弹性降低，引起血流动力学改变，显著增加心血管事件风险[3]。这种一方面骨骼成骨不足、另一方面血管壁异位骨化增加的现象称为骨与血管“钙化矛盾”[4]。骨髓间充质干细胞/基质细胞（BMSCs）分化命运改变（成骨减少、成脂增加）和血管平滑肌细胞（VSMCs）成骨转分化分别是导致骨质疏松症和血管钙化的主要细胞学基础，其同时发生的具体调控机制仍有待深入阐明。
2022年3月18日，中南大学湘雅医院的谢辉教授团队在Nature Communications上发表了题为“Aged bone matrix-derived extracellular vesicles as a messenger for calcification paradox”的原创性研究成果，揭示了衰老骨基质胞外囊泡（AB-EV）能进入骨髓腔和血管组织促进骨髓间充质干细胞（BMSC）成脂分化和血管平滑肌细胞（VSMC）成骨转分化，进而诱导骨-脂失衡和加剧血管钙化。
骨骼约占人体总重量的五分之一，是人体中最大的器官之一。骨骼是一种代谢高度活跃的器官，在整个生命过程中不断地重塑，即旧骨被破骨细胞移除并被成骨细胞合成新骨取代，从而使成人骨骼每10年就会完全翻新一次，这注定骨骼终生持续释放大量无机物与有机物。骨细胞存在于骨基质中，数量多（占骨骼细胞的90-95%）、寿命长（达数十年）、辐射广（其表面大量向外延伸的树状突触长度总和达到约17.5万公里），彼此之间以及与骨表面上的成骨细胞和破骨细胞相互连接，形成广泛的神经元样细胞投射网络。骨细胞发挥重要的旁分泌与内分泌代谢调控作用[5]。譬如，谢辉教授团队前期也发现了骨细胞神经肽Y参与“神经-骨轴”介导自主神经信号通过调控骨髓微环境影响骨代谢[6]。胞外囊泡（extracellular vesicles，EV）是细胞、组织与器官间通过“囊泡运输”进行信息传递的关键信使，广泛影响机体的病理生理过程。骨细胞EV相关研究甚少。
为了探索骨基质胞外囊泡（B-EV）的来源细胞及其在体内的分布，研究团队率先构建了CD63（EV表面标志蛋白）条件性基因敲入的Cd63em(loxp-mCherry-loxp-eGFP)3小鼠（简称Cd63fl/−小鼠）。将该小鼠与牙本质基质蛋白1（dentin matrix protein 1，DMP1；骨细胞标志蛋白）阳性细胞特异性表达Cre酶的工具鼠Dmp1Cre小鼠杂交，获得了骨细胞EV示踪小鼠（Dmp1Cre;Cd63fl/−）。利用该示踪小鼠确证了骨基质胞外囊泡（B-EV）主要由骨细胞分泌，并且可转运到主动脉血管壁（图1）
图1 骨细胞EV在骨基质和主动脉血管壁的示踪分析
（图源：Wang ZX, et al., Nat Commun, 2022）
来源于衰老机体的B-EV（AB-EV）能显著促进BMSCs成脂分化和VSMCs成骨转分化；将其经骨髓腔注射到小鼠体内，导致骨量减少（图2A）和骨髓腔脂肪增多（图2B），并加剧血管钙化（图2C）。然而，来源于年轻机体的B-EV（YB-EV）则无上述功能。
图2 AB-EV导致小鼠骨量减少（A）和骨髓腔脂肪增多（B），并加剧血管钙化
（图源：Wang ZX, et al., Nat Commun, 2022）
在破骨细胞骨吸收的过程中，B-EV被释放到骨髓腔中，并能随血液循环转运到血管组织。骨吸收抑制剂阿仑膦酸钠（目前临床上应用最广的一线骨质疏松症治疗药物）能明显抑制AB-EV的释放，显著减轻老年去卵巢小鼠（绝经后骨质疏松症模型）骨量减少和骨髓腔脂肪堆积，并能明显缓解去卵巢（因雌激素缺乏引起破骨细胞骨吸收增加）引起的小鼠血管钙化加剧（图3）。
图3 阿仑膦酸钠（ALE）缓解老年OVX小鼠的骨脂失衡（A、B）与血管钙化（C、D）
（图源：Wang ZX, et al., Nat Commun, 2022）
机制研究表明，AB-EV富集micoRNA，miR-483-5p和miR-2861，其中miR-483-5p介导AB-EV促进BMSCs成脂分化和骨-脂失衡，miR-2861则介导AB-EV诱导VSMCs成骨转分化从而促进血管钙化。
图4 衰老骨基质来源胞外囊泡参与骨与血管“钙化矛盾”形成的机制模式图
（图源：Wang ZX, et al., Nat Commun, 2022）
但是，AB-EV对VSMCs和BMSCs不同的细胞分化命运调控机制仍有待进一步研究。富集了促成骨分子miR-2861的AB-EV为何促进VSMCs成骨转分化却不促进BMSCs成骨分化？AB-EV中同时富集了miR-483-5p和miR-2861，为何在AB-EV作用于BMSCs时，miR-483-5p的促成脂功能会呈现出来而miR-2861的促成骨功能却无法呈现？
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29191-x
中南大学湘雅医院谢辉教授和陈春媛特聘副研究员为该论文共同通讯作者，王振兴助理研究员为该论文第一作者，罗忠伟博士、李付杏子博士和曹加助理研究员等为该论文的重要参与作者。中南大学湘雅医院为该论文的第一作者兼通讯作者单位。该研究得到了国家自然科学基金委、中国医学科学院、湖南省科技厅、中国博士后科学基金会等基金的资助。
第一作者王振兴（第二排左3），通讯作者陈春媛（第二排右4），通讯作者谢辉（第二排左5）
（照片提供自：中南大学湘雅医院谢辉实验室）
谢辉：中南大学二级研究员，2015年入选国家高层次人才引进计划青年类，同年获得国家自然科学基金委优秀青年科学基金资助，2021年获得国家自然科学基金委杰出青年科学基金资助。2011年在中南大学获得医学博士学位，随后在美国约翰霍普金斯大学医学院进行博士后研究。2015年5月回中南大学湘雅医院工作，先后建立运动系统损伤修复研究中心、湘雅医院-埃米迦联合研究中心和中南大学埃米医学研究中心并担任主任。研究方向：骨骼内与器官间代谢调控模式与机制，埃米银抗癌与抗耐药病原微生物感染，益生菌与干细胞及其胞外囊泡、谷物短肽、生物酶等抗衰老与促组织再生。近年来以通讯或第一作者身份在Nat Med、Adv Funct Mater、Adv Sci、Autophagy、Nat Commun、J Clin Invest、Sci Adv、Bone Res等发表一系列原创论文，在骨骼自身代谢调控及骨骼相关跨器官代谢调控领域做出了多项重要的研究成果。
【1】Cell Systems︱徐书华团队完成土家族单亲源基因序列从头组装并论证族群特异性参考基因组构建的必要性和应用价值
【2】Nat Commun︱一种具有生物质转化潜力的α/β水解酶——葡萄糖醛酸酯酶的作用机理及与生物量的关系
【3】Nat Metab︱杨巍维/姚烽/赵允团队合作发现肿瘤免疫逃逸的新机制
【4】Cell Death Differ︱尹海芳团队揭示杜兴肌肉萎缩症新作用机制：转录因子Wt1激活心外膜细胞分化促进心肌纤维化
【5】PNAS︱全基因组关联分析揭示基因与领导职位和健康之间的关系
【6】Nat Commun︱朱涛团队报道乳腺癌肿瘤干细胞调控铁死亡及转移的克隆化增殖新机制
【7】Nat Commun︱首次！朱健康课题组创造无DNA甲基化的植物
【8】BMC Biology︱徐伟/刘爱忠揭示DNA甲基化谷在种子特异基因表达方面的作用机理
【9】Nat Commun︱周小明/孙子宜团队根据Sigma-1受体开放式构象揭示其配体进入途径的分子机制
【10】Cell Death Differ︱龙建纲/刘健康/张令强合作报道前列腺特异性癌基因OTUD6A促进前列腺癌发生机制
【11】Nat Methods︱费鹏/张玉慧课题组合作报道活细胞超分辨成像研究的新进展
【12】Current Biology︱孔凡江/刘宝辉揭示SOC1同源基因的进化与变异提高大豆产量
【13】PNAS︱ 新发现！一种调节脑内神经元发育和促炎反应的小胶质细胞亚型
【14】Nature︱心房颤动和心律失常的新机制! 心脏降钙素所介导的旁分泌信号转导如何控制心房纤维形成和心律失常
参考文献（上下滑动查看）
1. Pescatore, L. A.; Gamarra, L. F.; Liberman, M., Multifaceted mechanisms of vascular calcification in aging. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2019, 39 (7), 1307-1316.
2. Yang, T. L.; Shen, H.; Liu, A.; Dong, S. S.; Zhang, L.; Deng, F. Y.; Zhao, Q.; Deng, H. W., A road map for understanding molecular and genetic determinants of osteoporosis. Nat Rev Endocrinol 2020, 16 (2), 91-103.
3. Ogata, H.; Fukagawa, M.; Hirakata, H.; Kagimura, T.; Fukushima, M.; Akizawa, T.; Investigators, L.; Committees, Effect of treating hyperphosphatemia with lanthanum carbonate vs calcium carbonate on cardiovascular events in patients with chronic kidney disease undergoing hemodialysis: the landmark randomized clinical trial. JAMA 2021, 325 (19), 1946-1954.
4. Gu, W.; Wang, Z.; Sun, Z.; Bao, Z.; Zhang, L.; Geng, Y.; Jing, L.; Mao, X.; Li, L., Role of NFATc1 in the bone-vascular axis calcification paradox. J Cardiovasc Pharmacol 2020, 75 (3), 200-207.
5. Delgado-Calle, J.; Bellido, T., The osteocyte as a signaling cell. Physiol Rev 2022, 102 (1), 379-410.
6. Zhang, Y.; Chen, C. Y.; Liu, Y. W.; Rao, S. S.; Tan, Y. J.; Qian, Y. X.; Xia, K.; Huang, J.; Liu, X. X.; Hong, C. G.; Yin, H.; Cao, J.; Feng, S. K.; He, Z. H.; Li, Y. Y.; Luo, Z. W.; Wu, B.; Yan, Z. Q.; Chen, T. H.; Chen, M. L.; Wang, Y. Y.; Wang, Z. X.; Liu, Z. Z.; Luo, M. J.; Hu, X. K.; Jin, L.; Wan, T. F.; Yue, T.; Tang, S. Y.; Xie, H., Neuronal induction of bone-fat imbalance through osteocyte neuropeptide Y. Adv Sci 2021, 8 (24), e2100808.
制版︱王思珍
本文完