運動通過 STAT3 促進骨生成來維持骨穩(wěn)態(tài)

運動介導的機械力在維持骨穩(wěn)態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用，缺乏運動會加速骨量流失，使骨骼減少，骨質(zhì)減弱，從而降低骨骼的強度和結(jié)構(gòu)。因此，闡明運動介導的骨穩(wěn)態(tài)的潛在機制將是治療由缺乏運動引起的骨質(zhì)疏松癥的關(guān)鍵因素。

骨穩(wěn)態(tài)是通過成骨細胞介導的骨形成和破骨細胞介誘導的骨吸收之間的平衡來維持的，不平衡會導致骨骼功能障礙和骨骼不完整。據(jù)報道，機械負荷促進骨形成。成骨細胞作為骨形成細胞，來源于骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs），可以將機械信號轉(zhuǎn)化為生物信號，協(xié)調(diào)骨吸收和形成。然而，BMSCs調(diào)節(jié)運動驅(qū)動骨形成的潛在分子機制仍未明確。

信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄活化因子3（Stat3）是在多種細胞中普遍表達的細胞質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子，可能成為機械轉(zhuǎn)導各個方面的重要介質(zhì)。先前的研究表明，STAT3 對骨骼生長和骨穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，并且可能是調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)的潛在機械敏感分子靶點。

因此，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科課題組的一項研究旨在集中探討了 STAT3 如何在運動介導的機械力下調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)。該研究采用跑輪模型和懸尾模型研究了骨代謝和STAT3在運動前后中的作用，揭示了STAT3 可能作為缺乏運動引起的骨質(zhì)疏松癥的潛在靶點。具體內(nèi)容發(fā)表在 International Journal of Biological Sciences 期刊題為“Exercise maintains bone homeostasis by promoting osteogenesis through STAT3”。
 

首先，研究人員建立了一個跑輪模型來研究運動下的骨骼變化和骨代謝（圖1 A）。H&E染色顯示運動后骨小梁骨量增加（圖1 B）。與對照組相比，運動組小梁骨量增加（圖1 C），皮質(zhì)骨厚度沒有明顯變化（圖1 D）。骨量增加可能是由于骨形成增加、骨吸收減少或兩者兼而有之。與對照組相比，運動組的礦物質(zhì)沉積率（MAR）更高（圖1 E）。TRAP染色表明運動組小鼠表現(xiàn)出增加的骨形成，破骨細胞也更多，且骨吸收也增加。這些結(jié)果表明，機械力通過增加骨形成誘導體內(nèi)骨量增加。

先前的研究表明，STAT3在骨代謝中起著重要作用，因此實驗研究了STAT3在運動中是否可能發(fā)揮同樣的作用。運動小鼠中p-STAT3+ OPN+ 細胞數(shù)量的增加（圖1 F）暗示了運動介導的骨量增加可能與STAT3活性密切相關(guān)。

為了進一步研究運動與 STAT3 活性之間的關(guān)系，利用小鼠尾部懸吊（TS）模型來模擬運動損失（圖1 G）。H&E染色顯示TS組運動損失后骨量減少（圖1 H）。同時，BV/TV、Tb.N.和 Ct.Th 顯著下降（圖1 J）。此外，運動損失降低了TS小鼠的MAR，這表明運動損失抑制了骨形成（圖1 K）。TRAP染色顯示，運動損失增加了TS小鼠的破骨細胞數(shù)量，表明運動損失增加了骨吸收。此外，在運動損失小鼠的股骨中觀察到p-STAT3+ OPN+ 細胞的減少（圖1 L）。

圖1 成骨細胞STAT3與體內(nèi)運動介導的機械力密切相關(guān)。

為了進一步研究機械力是否可以激活STAT3，應(yīng)用張力系統(tǒng)在體外模擬循環(huán)機械拉伸應(yīng)變（CMS，10%，0.5 Hz，8 h ）。CMS后，BMSCs顯示ALP活性增加，成骨特異性標志物表達水平升高（圖2 A、B）。p-STAT3在BMSCs中的表達顯著增加（圖2 C）。這與p-STAT3陽性BMSCs的數(shù)量顯著增加一致（圖2 D）。CMS后BMSCs中STAT3陽性表達從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞核（圖2 E）。這些結(jié)果表明，成骨細胞STAT3活性可能與運動誘導的骨形成和骨量密切相關(guān)。

圖2 體外機械力激活成骨細胞STAT3。

由于 STAT3 被認為是一個有前途的抗癌靶點，研究人員探討了 STAT3 的藥理學抑制是否可以調(diào)節(jié)運動介導的骨形成。首先，在有和沒有JAK2-STAT3抑制劑AG490 下于CMS中培養(yǎng)BMSCs，結(jié)果表明，在AG490處理下，無論是否有CMS，STAT3的磷酸化都被顯著抑制，ALP活性降低，成骨特異性標志物表達水平降低。

在小鼠腹腔內(nèi)注射AG490后，發(fā)現(xiàn)運動小鼠存在骨質(zhì)流失，骨量減少，且MAR受損，表明運動小鼠的骨形成活性在AG490處理后減弱。TRAP染色顯示AG490處理的運動小鼠的破骨細胞數(shù)量較少，骨吸收減少。這些結(jié)果說明，STAT3 的藥理學抑制可以減緩骨骼發(fā)育并中斷機械力介導的骨穩(wěn)態(tài)，表明 STAT3 可能是機械力介導的疾病的合適靶點。

接下來，為了進一步探討STAT3對機械力暴露的BMSCs成骨細胞分化的影響，用表達GFP（Ad-EGFP）和CRE重組酶（Ad-CRE）的腺病毒感染Stat3fl/fl小鼠BMSCs 以敲除STAT3（圖3 A）。CMS后，Ad-CRE組的ALP活性降低（圖3 B）。成骨標志物的mRNA表達與ALP染色一致（圖3 C）。

然后應(yīng)用他莫昔芬誘導成骨細胞系表達cre、Col1ERT2 cre 來誘導運動期間Stat3 的敲除（圖3 D、F）。與AG490處理的小鼠一致，與Stat3fl/fl 相比，無論運動還是不運動，Stat3Col1ERT2小鼠的小梁骨量均顯著減少（圖3 G-H）。此外，在對照組和運動組中，Stat3Col1ERT2小鼠沒有差異，這表明成骨細胞STAT3在機械力作用下的重要作用。Stat3Col1ERT2小鼠的MAR降低，表明在缺乏STAT3的情況下，骨形成活性被消除（圖3 I），且破骨細胞較少，表明在缺乏STAT3的情況下，骨吸收活性下降。這些結(jié)果表明，機械敏感的STAT3在運動介導的骨形成過程中起著至關(guān)重要的作用。

圖3 體外和體內(nèi)機械力作用下，成骨細胞譜系特異性缺失STAT3會損害骨形成。

由于機械力可以促進STAT3磷酸化，因此實驗認為STAT3的激活可以在沒有機械力的情況下促進成骨細胞分化并維持骨穩(wěn)態(tài)。為了驗證這一假設(shè)，首先分析了用 STAT3 激動劑 colivelin 處理的 BMSCs 中 p-STAT3 的蛋白水平，結(jié)果表明，colivelin 處理導致 p-STAT3 水平更高，發(fā)現(xiàn)colivelin促進成骨分化，成骨標志物表達也有所提高。

為了進一步研究colivelin是否可以在沒有運動的情況下維持骨穩(wěn)態(tài)，建立了TS模型（圖4 A）。與TS小鼠相比，colivelin處理的TS小鼠小梁骨的BV/TV和Tb.N. 顯著升高（圖4 B、C），這意味著colivelin可以相對挽救骨質(zhì)流失，且MAR增加，表明colivelin在運動損失下促進骨形成（圖4 D）。這些結(jié)果充分說明，STAT3的藥理激活可用于預防因運動缺失引起的骨質(zhì)疏松癥。

最后，實驗試圖檢測廢用性骨質(zhì)疏松后colivelin的治療效果（圖4 F）。結(jié)果表明，骨質(zhì)流失后colivelin增加骨小梁骨BV/TV和Tb.N.，表明STAT3的激活加速了骨質(zhì)流失的恢復速度（圖4 G、H）。鈣黃綠素-茜素紅雙標記提示colivelin促進骨形成（圖4 I）。這些數(shù)據(jù)都表明，STAT3可能作為治療廢用性骨質(zhì)疏松的合適藥理學靶點。

圖4 STAT3的藥理激活在體內(nèi)無機械力的情況下促進骨形成。

圖5 圖形概要

目前的研究表明，STAT3 在體內(nèi)和體外均可作為骨穩(wěn)態(tài)的機械轉(zhuǎn)導調(diào)節(jié)因子。STAT3 的藥理學抑制和成骨細胞譜系特異性消除可通過減少骨形成來中斷機械力介導的骨穩(wěn)態(tài)。同時，STAT3的藥理激活促進了成骨細胞分化，并在缺乏運動的情況下挽救了骨質(zhì)流失。總之，該研究明確了 STAT3 在運動介導的骨形成中的關(guān)鍵作用，并揭示了STAT3可能作為未來治療骨代謝性疾病的合適藥理學靶點。

參考文獻：Huang X, Zhu Y, Sun S, Gao X, Yang Y, Xu H, Jin A, Liu Y, Jia H, Dai Q, Jiang L. Exercise maintains bone homeostasis by promoting osteogenesis through STAT3. Int J Biol Sci. 2023 Apr 2;19(7):2021-2033. doi: 10.7150/ijbs.82744. PMID: 37151888; PMCID: PMC10158023.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37151888/

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