3月29日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Developmental Cell在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）周波研究組和鄒衛(wèi)國(guó)研究組的合作研究成果：“Fibrous periosteum repairs bone fracture and maintains the healed bone throughout mouse adulthood”。該項(xiàng)工作揭示了小鼠骨外膜中被認(rèn)為不擁有成骨能力的骨外膜纖維層細(xì)胞雖然在穩(wěn)態(tài)下不參與成骨，但在骨折后是損傷修復(fù)最主要的貢獻(xiàn)者。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)骨折前后負(fù)責(zé)成骨的骨骼干細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)變，也為提高愈合骨的骨質(zhì)量指明了方向。
骨骼干細(xì)胞（skeletal stem cells）作為一類多能干細(xì)胞，具有自我更新和向成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞三系分化的能力。它在骨骼的發(fā)育，穩(wěn)態(tài)維持與損傷修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。骨骼干細(xì)胞的功能損傷會(huì)嚴(yán)重影響骨骼的發(fā)育和損傷修復(fù)進(jìn)程。在骨折后愈合困難（骨不連）的治療中，骨骼干細(xì)胞的移植被認(rèn)為是最有潛力的治療方案。但骨骼干細(xì)胞存在高度異質(zhì)性，廣泛存在于骨髓、生長(zhǎng)板和骨外膜處。既往的研究顯示多種異質(zhì)性的骨骼干細(xì)胞都參與了骨折損傷修復(fù)進(jìn)程。然而由于研究手段的限制，這些研究中人們通常將骨外膜當(dāng)作一個(gè)整體進(jìn)行研究，忽略其內(nèi)部存在的異質(zhì)性。
周波和鄒衛(wèi)國(guó)研究組一直致力于骨骼干細(xì)胞的譜系研究。在最近的這項(xiàng)工作中，他們構(gòu)建了一個(gè)全新的雙同源重組酶報(bào)告基因R26ZT1,并篩選了多種能標(biāo)記骨骼干細(xì)胞的譜系示蹤小鼠，從而建立一套可同步示蹤兩類異質(zhì)的骨骼干細(xì)胞同步示蹤系統(tǒng)（SSC-Simultracer）。此系統(tǒng)可以利用tdTomato和ZsGreen熒光蛋白的表達(dá)區(qū)分骨髓（BMSC）、骨外膜生發(fā)層（CL-PC）與骨外膜纖維層（FL-PC）中的骨骼干細(xì)胞的譜系命運(yùn)。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了Col1a1BFP報(bào)告基因小鼠用于表征Col1a1+成骨細(xì)胞。通過(guò)示蹤實(shí)驗(yàn)他們發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)下成骨細(xì)胞來(lái)源于骨髓和骨外膜生發(fā)層的骨骼干細(xì)胞（CL-PC），而纖維層細(xì)胞保持靜息不參與骨的生成。骨折修復(fù)過(guò)程中成骨細(xì)胞主要來(lái)源于纖維層細(xì)胞（FL-PC），纖維層細(xì)胞在骨折過(guò)程中生成了纖維軟骨骨痂的主體部分和絕大部分的新生皮質(zhì)骨。骨折完全愈合后成骨細(xì)胞來(lái)源于在修復(fù)過(guò)程中遷移到骨髓和骨外膜生發(fā)層處的纖維層細(xì)胞，這群細(xì)胞在骨髓和生長(zhǎng)層處長(zhǎng)期存在并持續(xù)成骨。這些結(jié)論打破了人們以往對(duì)骨外膜纖維層細(xì)胞不具有成骨能力的認(rèn)知，并鑒定到了骨折損傷修復(fù)中真正的功能細(xì)胞。
此外他們對(duì)遷移到骨髓和骨外膜生發(fā)層處的纖維層細(xì)胞進(jìn)行了研究。利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)合體外分化和體內(nèi)移植實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這群纖維層來(lái)源的細(xì)胞成骨分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)水平低且體內(nèi)外成骨活性遠(yuǎn)低于原有的骨髓和生發(fā)層處的骨骼干細(xì)胞。這種成骨干細(xì)胞成骨活性的降低在宏觀層面反應(yīng)為愈合骨的骨質(zhì)量下降。通過(guò)Micro-CT成像發(fā)現(xiàn)，骨折愈合處的皮質(zhì)骨的多項(xiàng)骨參數(shù)顯著地低于正常骨和相鄰骨。這一發(fā)現(xiàn)告訴人們由于成骨細(xì)胞的干細(xì)胞來(lái)源的轉(zhuǎn)變，即使外觀上不明顯骨頭也會(huì)留下隱形的“疤”，解釋了為什么人在之前發(fā)生過(guò)骨折的位置更容易發(fā)生二次骨折。研究提示如果能夠阻礙纖維層細(xì)胞侵入骨髓和生發(fā)層，有望讓愈合骨的骨質(zhì)量顯著性地提升。這也將是團(tuán)隊(duì)下一步的重點(diǎn)攻關(guān)方向。
分子細(xì)胞卓越中心博士生劉逸銘為該論文第一作者，博士生唐新宇和博士生舒慧是該論文的共同第一作者。周波和鄒衛(wèi)國(guó)研究員是該文的共同通訊作者。這項(xiàng)工作獲得中國(guó)科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市以及中國(guó)科學(xué)院的基金支持。分子細(xì)胞卓越中心SPF動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)和細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)為本工作提供了大力支持。
文章鏈接：https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(24)00187-4
圖1. SSC-Simultracer骨骼干細(xì)胞同步示蹤系統(tǒng)示意圖
圖2. 骨折前后成骨細(xì)胞的干細(xì)胞來(lái)源的轉(zhuǎn)變示意圖
