BrAIn regulates weight bearing bone through PGE2 skeletal interoception: implication of ankle osteoarthritis and pain

Subject terms: Bone, Pathogenesis

内感受（Interoception）是一种监测生物体内部状态，调节大脑和外周器官之间复杂相互作用的大脑回路。下丘脑通过下行神经或神经内分泌通路整合外周信息和协调外周器官来控制全身稳态。研究表明，骨骼内感受（Skeletal Interoception）调节骨稳态。感觉神经被骨骼中的前列腺素E2（PGE2）激活，诱导下丘脑中 cAMP 反应元件结合蛋白（CREB）的磷酸化作为上行内感受信号，该信号进一步下调交感神经活动并促进成骨。重要的是，骨骼内感受信号还下调下丘脑神经肽Y（NPY）表达，以诱导脂肪组织脂肪分解，促进成骨形成。

PGE2 被认为是骨骼生长的有效合成代谢调节剂。负荷骨组织中 PGE2 水平增加，直接给药导致骨形成。PGE2 还增加了骨骼对机械负荷的敏感性。前列腺素的生化阻塞导致骨骼无法感知和响应机械刺激。此外，暴露于流体剪切的成骨细胞增加了环氧合酶-2（COX2）的表达，而COX2 是负责 PGE2 合成的酶。因此，PGE2 可以作为机械转导信号，通过骨骼内感受将外部机械负荷信号转化为生化反应。然而，目前尚不清楚从骨细胞响应机械应力而产生的信号是否在大脑中被处理和解释以调节骨重塑以维持其机械结构和新陈代谢，以及这在疾病期间如何变化。

基于此，美国约翰霍普金斯大学医学院骨外科曹旭教授团队在 Bone Research 期刊在线发表了题为“Brain regulates weight bearing bone through PGE2 skeletal interoception: implication of ankle osteoarthritis and pain”的研究成果。这项研究调查了响应机械应力的 PGE2 骨骼内感受是否在正常生理期间被处理以及大脑是如何解释该信号的。研究数据表明，在响应机械负荷时，骨骼内感受以下丘脑处理 PGE2 驱动的外周信号的形式发生，以维持生理性骨稳态，而慢性升高的 PGE2 可以在踝骨性关节炎（AOA）期间被感知为疼痛，而这暗示了潜在的治疗方案。

机械负荷刺激骨骼系统中 PGE2 水平的增加。通过测量不同位置骨骼中 PGE2 水平，研究人员发现，骨骼每个部位的 PGE2 浓度与其负重程度成正比。

COX2是 PGE2 的关键限速生物合成酶，因此检测了COX2是否介导骨形成。研究发现，距骨中COX2的表达明显高于胫骨和跟骨（图1 a）。值得注意的是，距骨中几乎没有 TRAP 染色，而成年小鼠的胫骨和跟骨则有相对较强的染色（图1 b），这与每个骨表面的破骨细胞数量（N.Oc/BS）和骨髓中破骨细胞密度的显著差异相关（图1 c、d）。组织蛋白酶K（CTSK）由破骨细胞高度表达和分泌，是其骨吸收活性所必需的，也在骨细胞中表达（图1 f）。此外，跟骨和胫骨中观察到相当数量的稳态 CTSK+ 破骨细胞，但在距骨中没有观察到（图1 e、g），而免疫组化显示距骨、跟骨和胫骨中的 CTSK+ 骨细胞处于稳态（图1 f、h）。这些结果可能表明，骨细胞中的 CTSK 调节距骨表面重塑。这些发现证明，在生理条件下，距骨中的 PGE2 介导独立于破骨细胞的骨重塑。

已知 PGE2 可刺激成骨细胞骨形成。因此，测量了胫骨轴向压缩（2Hz，2N-12N）后骨髓中的 PGE2 水平，发现其在加载后 3 小时和 6 小时增加，在 12 小时后下降到正常水平（图1 i）。免疫组织化学分析还发现，与非负荷对照相比，负荷后胫骨小梁表面的 COX2 表达更高（图1 j）。通过 μCT 分析，发现在负荷 1 个月后，骨形成的程度显著增加（图1 l、m）。

为了进一步检查 PGE2 是否主要由成骨细胞响应机械负荷分泌，在小鼠成骨细胞中敲除 COX2 以消除成骨细胞分泌的 PGE2，结果发现，PGE2 浓度在加载后12小时内未发生变化，这表明 PGE2 主要由成骨细胞分泌（图1 k）。此外，未发现机械加载后骨形成的增加（图1 n、o）。这些数据表明，骨骼中的 PGE2 浓度随着机械负荷的增加而增加，机械负荷通过上调 PGE2 水平促进骨形成。

图1 PGE2 介导机械负荷诱导的成骨细胞骨形成。

为了研究感觉神经在距骨稳态中的作用，生成了感觉神经 TrkA 缺失小鼠，发现 TrkA 的缺失减少了距骨骨形成，表明感觉神经功能对成人距骨稳态起着重要作用。接下来，测试了感觉神经中 TrkA 的缺失是否可以减少机械负荷诱导的骨形成。对 TrkAwt 和 TrkAAvil−/− 小鼠施加一个月的胫骨轴向压缩，发现 TrkAw小鼠，与非负荷对照相比，机械负荷显著增加了胫骨骨形成，TrkAAvil–/– 小鼠中负荷诱导的骨形成被消除。此外，与非负荷对照相比，机械加载后野生型小鼠的 Ocn+ 成骨细胞显著增加，而 TrkAAvil–/– 小鼠中则没有。这些结果表明，外周感觉神经调节负荷诱导的成骨。

EP4 是 PGE2 的关键受体，该信号通过调节交感神经活动来维持成年小鼠成骨和脂肪生成的平衡。为了确定机械负荷诱导的骨形成是否由感觉神经中的 PGE2-EP4 信号介导，生成了特异性 EP4 敲除小鼠（EP4Avil–/–），发现与对照组相比，EP4wt 小鼠机械负荷后骨量显著增加，然而，这种效果在EP4Avil–/– 小鼠中减弱（图2 a）。同样，免疫染色发现，与非负荷对照相比，EP4wt 小鼠中机械负荷与显著增加的 Ocn+ 成骨细胞数量相关，而这些影响在EP4Avil–/– 小鼠中不存在（图2 b）。

成骨细胞衍生的 PGE2 介导的EP4 受体激活通过下丘脑 CREB 信号抑制交感神经活动来促进骨形成。通过对下丘脑切片进行免疫染色，发现与非负荷对照组相比，机械负荷与下丘脑弓状核（ARC）中磷酸化 CREB（pCREB）水平显著升高相关（图2 c）。相比之下，机械负荷后，COX2Ocn−/− 小鼠中的pCREB水平并不比 COX2wt小鼠高（图2 d）。这些数据进一步表明，成骨细胞在机械负荷下分泌 PGE2 以激活骨骼内感受。此外，在EP4Avil–/– 小鼠中，与 EP4wt 小鼠相比，机械负荷后 pCREB 水平并不高（图2 e），表明机械负荷可能通过激活 PGE2-EP4 上行内感受通路来刺激骨形成。

为了评估交感神经活动，对下丘脑室旁核（PVN）中的酪氨酸羟化酶（TH）进行了免疫染色，发现与对照组相比，机械负荷组的 TH 表达显著降低（图2 f）。正如预期的那样，机械负荷与 EP4wt 小鼠而非EP4Avil–/– 小鼠中较低的 TH 表达相关（图2 g）。这些发现表明，响应机械负荷的骨骼内感受是由 ARC 中的 CREB 磷酸化诱导的，其抑制 PVN 中的 TH 表达以促进成骨。

图2 机械负荷通过 PGE2/EP4 内感受信号诱导成骨。

ARC 是控制能量平衡和自主神经系统的重要部位，PVN 已被确定为有助于控制交感神经输出和能量消耗的主要下丘脑部位。验证ARC-PVN 神经回路控制能量平衡，数据表明 ARC 神经元投射到 PVN。重要的是，与非负荷对照组相比，机械负荷与 ARC 中 CTB 标记神经元中 pCREB 的表达显著增加相关。这表明，ARC-PVN 回路参与机械负荷诱导的骨骼内感受。此外，在机械负荷期间，与左脑对照相比，右脑 AgRP+ 神经元的抑制与ARC中pCREB表达的显著降低有关。重要的是，与对照（左）侧相比，ARC 中 AAV 注射侧（右侧）在机械加载后 PVN 中 TH 表达的抑制被消除。这些结果表明，机械负荷激活 ARC-PVN 回路以降低交感神经活动。

由 Crem 基因编码的 CREM 是 CRE 介导的基因转录的内源性调节剂。Crem 基因以其产生多种选择性剪接的转录物变体而著称，包括 CREMτ、CREMα、CREMβ、CREMγ 和 ICER，每个变体具有不同的功能。为了确定机械负荷是否增加下丘脑中 CREM 的表达以调节 Th 基因表达，通过RT-PCR 测量了机械负荷后小鼠 PVN 中 Crem mRNA 的表达，发现与非负荷对照组相比，负荷小鼠的 Crem mRNA 表达显著升高（图3 a），其中转录抑制性 CREMα、β 和 γ，而非转录激活性 CREMτ，的表达水平更高（图3 b-d）。进一步研究发现，机械负荷诱导 CREM 与 Th 启动子的 CRE 结合位点特异性结合（图3 e、f）。此外，通过对下丘脑切片进行免疫染色，发现机械负荷的EP4wt 小鼠中PVN 中 CREM 的表达显著增加，且这种效应在 EP4Avil–/– 小鼠中急剧减少（图3 g）。这些结果表明，机械负荷通过 ARC-PVN 回路激活 PGE2-EP4 介导的骨骼内感受信号，以诱导 PVN 中的 CREM 表达以抑制 TH 表达，从而抑制交感神经驱动。

磷酸化的 STAT3（p-STAT3）作为转录因子，结合并调节靶基因的表达，以调节能量代谢。研究发现，机械负荷在 EP4wt小鼠PVN 中诱导了更高水平的 p-STAT3（图3 h），且 pSTAT3 与启动子特异性结合（图3 i、g）。此外，通过对下丘脑切片进行免疫染色，发现 pSTAT3 的表达在负荷的 EP4wt小鼠的 PVN 中显著升高，且这种效应在 EP4Avil–/– 小鼠中明显减弱（图3 h）。这些数据表明，机械负荷激活 PGE2-EP4 介导的骨骼内感受通路，诱导 PVN pSTAT3 信号的激活，从而刺激 CREM 的合成。

图3 机械负荷通过 PGE2/EP4 内感受通路抑制通过 ARC → PVN 回路的交感神经活动。

最后，研究测试了感觉神经支配是否由 PGE2 启动并与 AOA 相关疼痛相关。建立AOA 和踝关节疼痛的小鼠模型，发现在 12 周龄 AOA 小鼠中，骨髓（BV/TV）和骨小梁参数均显著降低（图4 a、b），距骨腔周围有绿色染色的骨基质（图4 c），表明手术后 8 周距下关节明显退变。此外，野生型小鼠AOA术后2个月右后爪同侧强度百分比和两肢接触面积（图4 d、e）与假手术对照组相比存在显著差异。AOA 中骨细胞中 COX2 的表达高于假手术对照（图4 f）。重要的是，AOA 小鼠的 CGRP+ 神经丝密度和距骨中的 PGE2 水平明显高于假手术组（图4 h、g），表明手术会导致机械负荷增加，进而导致 PGE2 水平升高。此外，与假手术小鼠相比，AOA 小鼠骨细胞中 CTSK 的表达显著增加（图4 i），表明 CTSK 活性与距骨中的 CGRP+ 感觉神经支配有关。

为了进一步检验在人类疾病中的假设，从接受全踝关节置换术（TAA）的终末期 AOA 患者中收集手术样本（图4 j），与健康距骨相比，其骨量明显减少（图4 k、l）。健康对照和距骨中的 AOA 样本之间的 TRAP+ 破骨细胞表达没有差异（图4 m）。重要的是，与健康距骨相比，AOA 样本中骨细胞中 COX2 的表达显著更高（图4 n）。此外，观察到与健康对照相比，AOA 样本 8 周后距骨软骨中的 CTSK 表达显著增加（图4 o），CGRP+ 感觉神经纤维也更多（图4 p）。这些结果表明，PGE2 升高与通过感觉神经诱导的 AOA 相关疼痛有关。

图4 PGE2 水平的改变导致踝关节骨关节炎和感觉神经疼痛。
 

图5 图形概要

总之，该研究结果表明，下丘脑通过感知响应机械负荷而升高的骨 PGE2 浓度来调节骨骼重塑和结构。机械负荷促进 PGE2/EP4-ARC-PVN 骨骼内感受上行通路，从骨骼到大脑下调交感神经张力信号以进行骨骼重塑。PGE2 上行内感受信号调节下丘脑酪氨酸羟化酶活性以维持负重骨稳态。如果负荷异常，尤其是在 AOA 中，则可能导致慢性疼痛，并对潜在的治疗产生影响。

参考文献：Gao F, Hu Q, Chen W, Li J, Qi C, Yan Y, Qian C, Wan M, Ficke J, Zheng J, Cao X. Brain regulates weight bearing bone through PGE2 skeletal interoception: implication of ankle osteoarthritis and pain. Bone Res. 2024 Mar 5;12(1):16. doi: 10.1038/s41413-024-00316-w. PMID: 38443372; PMCID: PMC10914853.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38443372/

Journal Impact Factor: 14.3

ISSN 2095-6231 (online)

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