老化的骨骼干细胞产生炎性退行性微环境

衰老和疾病过程中的骨质流失与成骨和破骨作用的失衡有关。研究表明，小鼠骨骼干细胞（SSC）的固有老化改变了骨髓微环境中的信号传导，扭曲了骨骼和血液谱系的分化，导致脆弱的骨骼再生不良。从功能上讲，衰老SSC的骨和软骨形成潜能降低，但产生更多的基质谱系，表达高水平的促炎症和促吸收细胞因子。单细胞RNA测序研究显示功能丧失与衰老小鼠SSC转录组多样性减少直接相关，这导致了骨髓微环境的转化。年轻造血干细胞的系统重建将老年SSC暴露于年轻循环中，不会逆转其骨软骨生成活性的降低，也不会改善老年小鼠的骨量或骨骼愈合参数。相反，衰老的SSC谱系通过造血干细胞和祖细胞促进破骨细胞活性和髓样倾斜，表明SSC的老化是造血老化的驱动因素。老年小鼠骨再生不足能够通过局部应用BMP2和CSF1拮抗剂的组合治疗恢复到年轻水平，从而重新激活老年SSC，同时清除炎症、促破骨细胞环境。该研究结果为骨骼老化的复杂、多因素机制提供了机制上的见解，并为老年骨骼系统的再生提供了前景。

结 论

一、骨骼干细胞的功能衰退来源于细胞本身的变化而非环境。

二、骨骼干细胞的老化直接导致造血系统出现年龄相关性的髓系偏移。

三、老年骨骼干细胞的功能衰退是转录组多样性丧失的结果。

四、用BMP2结合低剂量aCSF1治疗，能够使老年骨骼恢复到年轻的再生水平。

结 果

骨骼干细胞通过自我更新，源源不断生成新的细胞，同时向成骨细胞分化，促进骨质新生，在骨骼发育和骨损伤修复中发挥重要作用。为了探究衰老过程中，骨骼干细胞功能的变化，研究人员通过骨折模型来检验骨骼干细胞再生能力。

一、小鼠骨骼干细胞表现出内在的衰老，与年龄相关的骨骼干细胞功能下降

研究人员从2月龄和24月龄小鼠的骨骼中纯化了3000个骨骼干细胞和骨-软骨-基质祖细胞，并将其移植到2月龄免疫缺陷小鼠的肾囊中。4周后，组织学和micro-CT分析表明，受体体内移植的2月龄小鼠的细胞形成了坚固骨移植物，而移植的24月龄小鼠的细胞形成的骨移植物更小、矿化程度更低（图 1f-h)。比较了2月龄与24月龄小鼠愈伤组织的活性，发现与24月龄小鼠相比，2月龄小鼠的骨痂愈合情况更好。在骨折后第10天，2月龄小鼠的愈伤组织愈合情况如图1a、b所示。然后研究者使用流式细胞术从未骨折以及骨折的小鼠骨骼中分别提取了骨骼干细胞和骨-软骨-基质祖细胞，观察到细胞总数随年龄增长而减少，以及增殖活性相应减弱，细胞的凋亡水平略有增加（图 1c，d)。最后，流式细胞术分析显示，24月龄骨折小鼠下游骨骼干细胞谱系均向前髓系转移（图 1e)。

图1

二、老年骨骼干细胞促进造血干细胞的髓系偏移

研究者将2月龄小鼠的造血干细胞移植到2月龄或24月龄小鼠体内，12周后，24月龄小鼠体内移植的造血干细胞显示出髓系偏倚（图2g，h）。同时，24月龄小鼠的移植骨髓细胞从产生共同淋巴祖细胞向髓系细胞转变（图 2i，j）。而将24月龄小鼠的造血干细胞与2月龄小鼠的骨骼干细胞基质共培养后，移植到2月龄受体小鼠中，导致外周血髓系输出增加，以及共同淋巴祖细胞数量减少（图 2k-m)。

图2

三、与年龄相关的骨骼干细胞的多样性丧失，老年骨骼干细胞促进破骨细胞的生成

对3天（0月）、2月和24月龄小鼠的表型骨骼干细胞，进行了单细胞测序，并进行了细胞筛选，确定了8个转录组谱的亚群（图 3a-c）。基因富集中的聚类被标识为软骨群，成骨群，基质群，以及“gabra2阳性”群。通过进行细胞追踪分析将剩余的聚类标识为潜在的骨骼干细胞来源（图 3d）

图3

四、老年骨骼生态位的组合靶向治疗恢复了年轻骨再生能力

研究通过对不同年龄段的骨骼干细胞进行基因表达分析，发现随着衰老，骨骼干细胞分泌破骨细胞成熟因子CSF1增多，而促进骨软骨再生的因子TGFβ分泌减少，故研究人员采用BMP2联合CSF1拮抗剂，BMP2作为TGFβ家族中的一员，具有促进骨骼干细胞向成骨细胞分化，诱导骨、软骨生成，向24月龄衰老小鼠骨折断端注射含有“BMP2+CSF1拮抗剂”的水凝胶，就能够使24月龄的小鼠像2月龄的小鼠一样拥有高效骨折修复能力，且骨折断端的骨骼干细胞克隆再生能力和成骨能力都增强，还成功逆转了骨骼干细胞衰老相关的基因表达，使得成骨、成软骨相关的基因整体表达上升。

图4

总结

      身体健康随着衰老的逐渐退化是非常基础而又极具韧性的医学课题之一。大多数与年龄有关的疾病的病因仍未完全清楚，从根本上来说，衰老的某些方面显然根植于细胞的内在变化，而干细胞在其中无疑扮演着重要的角色，本证明骨衰老根源于骨骼干细胞的改变，最终影响骨骼和造血谱系的输出，降低骨骼完整性并限制愈合能力。提供了扭转年龄性骨骼衰老的方法，使我们对于衰老过程有了更深的理解。