3月29日，國際學術(shù)期刊Developmental Cell在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）周波研究組和鄒衛(wèi)國研究組的合作研究成果：“Fibrous periosteum repairs bone fracture and maintains the healed bone throughout mouse adulthood”。該項工作揭示了小鼠骨外膜中被認為不擁有成骨能力的骨外膜纖維層細胞雖然在穩(wěn)態(tài)下不參與成骨，但在骨折后是損傷修復最主要的貢獻者。研究同時發(fā)現(xiàn)骨折前后負責成骨的骨骼干細胞發(fā)生轉(zhuǎn)變，也為提高愈合骨的骨質(zhì)量指明了方向。
骨骼干細胞（skeletal stem cells）作為一類多能干細胞，具有自我更新和向成骨細胞、軟骨細胞和脂肪細胞三系分化的能力。它在骨骼的發(fā)育，穩(wěn)態(tài)維持與損傷修復過程中發(fā)揮著重要作用。骨骼干細胞的功能損傷會嚴重影響骨骼的發(fā)育和損傷修復進程。在骨折后愈合困難（骨不連）的治療中，骨骼干細胞的移植被認為是最有潛力的治療方案。但骨骼干細胞存在高度異質(zhì)性，廣泛存在于骨髓、生長板和骨外膜處。既往的研究顯示多種異質(zhì)性的骨骼干細胞都參與了骨折損傷修復進程。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作一個整體進行研究，忽略其內(nèi)部存在的異質(zhì)性。
周波和鄒衛(wèi)國研究組一直致力于骨骼干細胞的譜系研究。在最近的這項工作中，他們構(gòu)建了一個全新的雙同源重組酶報告基因R26ZT1,并篩選了多種能標記骨骼干細胞的譜系示蹤小鼠，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）中的骨骼干細胞的譜系命運。
研究團隊進一步構(gòu)建了Col1a1BFP報告基因小鼠用于表征Col1a1+成骨細胞。通過示蹤實驗他們發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)下成骨細胞來源于骨髓和骨外膜生發(fā)層的骨骼干細胞（CL-PC），而纖維層細胞保持靜息不參與骨的生成。骨折修復過程中成骨細胞主要來源于纖維層細胞（FL-PC），纖維層細胞在骨折過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胞來源于在修復過程中遷移到骨髓和骨外膜生發(fā)層處的纖維層細胞，這群細胞在骨髓和生長層處長期存在并持續(xù)成骨。這些結(jié)論打破了人們以往對骨外膜纖維層細胞不具有成骨能力的認知，并鑒定到了骨折損傷修復中真正的功能細胞。
此外他們對遷移到骨髓和骨外膜生發(fā)層處的纖維層細胞進行了研究。利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)合體外分化和體內(nèi)移植實驗發(fā)現(xiàn)，這群纖維層來源的細胞成骨分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達水平低且體內(nèi)外成骨活性遠低于原有的骨髓和生發(fā)層處的骨骼干細胞。這種成骨干細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Micro-CT成像發(fā)現(xiàn)，骨折愈合處的皮質(zhì)骨的多項骨參數(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胞的干細胞來源的轉(zhuǎn)變，即使外觀上不明顯骨頭也會留下隱形的“疤”，解釋了為什么人在之前發(fā)生過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。這也將是團隊下一步的重點攻關(guān)方向。
分子細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)國研究員是該文的共同通訊作者。這項工作獲得中國科技部、國家自然科學基金、上海市以及中國科學院的基金支持。分子細胞卓越中心SPF動物實驗技術(shù)平臺和細胞分析技術(shù)平臺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骨骼干細胞同步示蹤系統(tǒng)示意圖
圖2. 骨折前后成骨細胞的干細胞來源的轉(zhuǎn)變示意圖
