運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的機(jī)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(yùn)動(dòng)會(huì)加速骨量流失，使骨骼減少，骨質(zhì)減弱，從而降低骨骼的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)。因此，闡明運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的骨穩(wěn)態(tài)的潛在機(jī)制將是治療由缺乏運(yùn)動(dòng)引起的骨質(zhì)疏松癥的關(guān)鍵因素。

骨穩(wěn)態(tài)是通過(guò)成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成和破骨細(xì)胞介誘導(dǎo)的骨吸收之間的平衡來(lái)維持的，不平衡會(huì)導(dǎo)致骨骼功能障礙和骨骼不完整。據(jù)報(bào)道，機(jī)械負(fù)荷促進(jìn)骨形成。成骨細(xì)胞作為骨形成細(xì)胞，來(lái)源于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs），可以將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)，協(xié)調(diào)骨吸收和形成。然而，BMSCs調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)骨形成的潛在分子機(jī)制仍未明確。

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄活化因子3（Stat3）是在多種細(xì)胞中普遍表達(dá)的細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子，可能成為機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)各個(gè)方面的重要介質(zhì)。先前的研究表明，STAT3 對(duì)骨骼生長(zhǎng)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(jī)械敏感分子靶點(diǎn)。

因此，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科課題組的一項(xiàng)研究旨在集中探討了 STAT3 如何在運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的機(jī)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(yùn)動(dòng)前后中的作用，揭示了STAT3 可能作為缺乏運(yùn)動(dòng)引起的骨質(zhì)疏松癥的潛在靶點(diǎn)。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(gè)跑輪模型來(lái)研究運(yùn)動(dòng)下的骨骼變化和骨代謝（圖1 A）。H&E染色顯示運(yùn)動(dòng)后骨小梁骨量增加（圖1 B）。與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)組小梁骨量增加（圖1 C），皮質(zhì)骨厚度沒(méi)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(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)組的礦物質(zhì)沉積率（MAR）更高（圖1 E）。TRAP染色表明運(yùn)動(dòng)組小鼠表現(xiàn)出增加的骨形成，破骨細(xì)胞也更多，且骨吸收也增加。這些結(jié)果表明，機(jī)械力通過(guò)增加骨形成誘導(dǎo)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(shí)驗(yàn)研究了STAT3在運(yùn)動(dòng)中是否可能發(fā)揮同樣的作用。運(yùn)動(dòng)小鼠中p-STAT3+ OPN+ 細(xì)胞數(shù)量的增加（圖1 F）暗示了運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的骨量增加可能與STAT3活性密切相關(guān)。

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

圖1 成骨細(xì)胞STAT3與體內(nèi)運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的機(jī)械力密切相關(guān)。

為了進(jìn)一步研究機(jī)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(jī)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(biāo)志物表達(dá)水平升高（圖2 A、B）。p-STAT3在BMSCs中的表達(dá)顯著增加（圖2 C）。這與p-STAT3陽(yáng)性BMSCs的數(shù)量顯著增加一致（圖2 D）。CMS后BMSCs中STAT3陽(yáng)性表達(dá)從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核（圖2 E）。這些結(jié)果表明，成骨細(xì)胞STAT3活性可能與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的骨形成和骨量密切相關(guān)。

圖2 體外機(jī)械力激活成骨細(xì)胞STAT3。

由于 STAT3 被認(rèn)為是一個(gè)有前途的抗癌靶點(diǎn)，研究人員探討了 STAT3 的藥理學(xué)抑制是否可以調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的骨形成。首先，在有和沒(méi)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(wú)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(biāo)志物表達(dá)水平降低。

在小鼠腹腔內(nèi)注射AG490后，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)小鼠存在骨質(zhì)流失，骨量減少，且MAR受損，表明運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)小鼠的破骨細(xì)胞數(shù)量較少，骨吸收減少。這些結(jié)果說(shuō)明，STAT3 的藥理學(xué)抑制可以減緩骨骼發(fā)育并中斷機(jī)械力介導(dǎo)的骨穩(wěn)態(tài)，表明 STAT3 可能是機(jī)械力介導(dǎo)的疾病的合適靶點(diǎn)。

接下來(lái)，為了進(jìn)一步探討STAT3對(duì)機(jī)械力暴露的BMSCs成骨細(xì)胞分化的影響，用表達(dá)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(biāo)志物的mRNA表達(dá)與ALP染色一致（圖3 C）。

然后應(yīng)用他莫昔芬誘導(dǎo)成骨細(xì)胞系表達(dá)cre、Col1ERT2 cre 來(lái)誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)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(wú)論運(yùn)動(dòng)還是不運(yùn)動(dòng)，Stat3Col1ERT2小鼠的小梁骨量均顯著減少（圖3 G-H）。此外，在對(duì)照組和運(yùn)動(dòng)組中，Stat3Col1ERT2小鼠沒(méi)有差異，這表明成骨細(xì)胞STAT3在機(jī)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(xì)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(jī)械敏感的STAT3在運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的骨形成過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。

圖3 體外和體內(nèi)機(jī)械力作用下，成骨細(xì)胞譜系特異性缺失STAT3會(huì)損害骨形成。

由于機(jī)械力可以促進(jìn)STAT3磷酸化，因此實(shí)驗(yàn)認(rèn)為STAT3的激活可以在沒(méi)有機(jī)械力的情況下促進(jìn)成骨細(xì)胞分化并維持骨穩(wěn)態(tài)。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，首先分析了用 STAT3 激動(dòng)劑 colivelin 處理的 BMSCs 中 p-STAT3 的蛋白水平，結(jié)果表明，colivelin 處理導(dǎo)致 p-STAT3 水平更高，發(fā)現(xiàn)colivelin促進(jìn)成骨分化，成骨標(biāo)志物表達(dá)也有所提高。

為了進(jìn)一步研究colivelin是否可以在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)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(duì)挽救骨質(zhì)流失，且MAR增加，表明colivelin在運(yùn)動(dòng)損失下促進(jìn)骨形成（圖4 D）。這些結(jié)果充分說(shuō)明，STAT3的藥理激活可用于預(yù)防因運(yùn)動(dòng)缺失引起的骨質(zhì)疏松癥。

最后，實(shí)驗(yàn)試圖檢測(cè)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(fù)速度（圖4 G、H）。鈣黃綠素-茜素紅雙標(biāo)記提示colivelin促進(jìn)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(xué)靶點(diǎn)。

圖4 STAT3的藥理激活在體內(nèi)無(wú)機(jī)械力的情況下促進(jìn)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(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)因子。STAT3 的藥理學(xué)抑制和成骨細(xì)胞譜系特異性消除可通過(guò)減少骨形成來(lái)中斷機(jī)械力介導(dǎo)的骨穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，STAT3的藥理激活促進(jìn)了成骨細(xì)胞分化，并在缺乏運(yùn)動(dòng)的情況下挽救了骨質(zhì)流失�？傊�，該研究明確了 STAT3 在運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的骨形成中的關(guān)鍵作用，并揭示了STAT3可能作為未來(lái)治療骨代謝性疾病的合適藥理學(xué)靶點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：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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