港中文秦岭教授《Materials Today》：镁促进非典型股骨骨折愈合，被《Science》推荐

双膦酸盐(BPs)是一种流行的抗骨吸收药物，被广泛用于治疗骨质疏松症和降低骨质疏松性骨折的风险。然而，已发现长期使用BPs会导致一种新型骨折——非典型股骨骨折(AFF)，愈合困难，且潜在机制尚不清楚，阻碍了有效治疗的发展。已证明外周感觉神经通过释放神经肽，特别是降钙素基因相关肽（CGRP）来调节骨折愈合。

香港中文大学的秦岭教授团队联合美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学医学院的Regis J. O'Keefe教授团队通过使用单细胞RNA测序，确定了长期BPs治疗可促进祖细胞转变为特定的成纤维细胞簇，这些成纤维细胞主动沉积致密的细胞外基质(ECM)，抑制骨折愈伤组织桥接，并证明CGRP是促进AFF愈合的有前景的药物。开发了一种创新的含镁混合髓内钉固定系统(Mg-IMN)，通过提高CGRP的合成和释放来有效挽救BPs损害的骨折愈合。这种装置优化了BPs预处理大鼠的骨折愈合，与直接施用CGRP相当。这些发现强调了CGRP在促进AFF愈合中所起的不可或缺的作用，并通过利用镁基可生物降解骨科植入物的CGRP刺激作用，开发了促进AFF愈合的转化策略。该研究以题为“Magnesium facilitates the healing of atypical femoral fractures: A single-cell transcriptomic study”发表在《Materials Today》上。并被Science以“Improved healing of rare fractures”为题，作为亮点报道。

【长期BPs治疗对大鼠骨折愈伤影响】

首先测试了长期BPs治疗是否不利于动物骨质疏松性骨折的愈合。大鼠分别给予高剂量和低剂量唑来膦酸钠（ZOL）治疗，然后用常规不锈钢髓内钉(SS-IMN)固定单侧闭合性股骨骨折。在高剂量BPs预处理的大鼠中，62.5%的动物在骨折后12周（wpf）出现非桥接愈伤组织，而低剂量组和对照组分别为44.4%和16.7%。到24 wpf，约90%的ZOL组动物出现非桥接愈伤组织，这被定义为骨折不愈合。这些数据表明，无论骨质疏松状态如何，BPs治疗都可能产生不利的微环境，损害骨折愈合。

图1：大鼠骨折愈合受损表征

【ZOL对纤维化骨折不愈合的影响】

为了剖析纤维化骨折不愈合的机制，在骨折愈合的不同时间点收获骨折愈伤组织细胞（FCC）进行流式细胞术与单细胞RNA测序（scRNA-seq）。结果表明分泌ECM的成纤维细胞可能与纤维化组织占据的骨折间隙相关，ZOL治疗可能会阻碍正在积极分泌胶原蛋白以防止愈伤组织桥接的成纤维细胞簇的清除。值得注意的是，ZOL组包含一个独特的成纤维细胞簇，在GO分析中与骨髓白细胞迁移/调节相关的类别中过度表达。此外，用ZOL对来自对照大鼠的骨髓干细胞（BMSCs）进行体外治疗也增加了祖细胞的纤维化潜能，促进骨髓祖细胞分化为成纤维细胞，支持BPs对纤维化变化的直接影响。

图2：ZOL阻止分泌ECM的成纤维细胞的清除

【CGRP对AFF的影响】

BPs诱导的人类AFFs的纤维化骨折部位显示出下调的CGRP表达，在4 wpf的ZOL预处理大鼠中观察到类似的结果。为了评估补充CGRP是否可以减弱受损的愈合潜力，每天将外源性CGRP注射到ZOL预处理的大鼠的骨折部位。与没有CGRP治疗的ZOL组相比，ZOL处理的大鼠注射CGRP在8 wpf和12 wpf时都缩小了骨折间隙并降低了愈伤组织非桥接率。同时，病理成纤维细胞的比例在12 wpf时从6.03%下降到1.42%，3型胶原蛋白的表达也降低，提示CGRP有效通过作用于祖细胞可能减弱纤维组织的形成。scRNA-seq结果表明CGRP可能降低分泌ECM的成纤维细胞的产生或增强它们的清除。

图3：CGRP对大鼠AFF的影响表征

【Mg-IMN促进骨折愈合】

ZOL预处理大鼠再形成单侧闭合性股骨骨折后，应用Mg-IMN代替传统的不锈钢IMN。4 wpf后，Mg-IMN固定刺激了较大的外部愈伤组织形成，增加了愈伤组织面积。在12和24 wpf时，用Mg-IMN固定的大鼠（Mg组）显示出模糊的骨折线，而用不锈钢IMN固定的大鼠（ZOL组）仍然显示出非桥接的愈伤组织。X射线表征显示，Mg-IMN在8 wpf时有效降低骨折非桥接率27.7%，在12 wpf时降低45.9%，在24 wpf时降低35.2%。组织学上，与ZOL组相比，Mg-IMN治疗的大鼠在骨折间隙中显示出更少的纤维组织以及优化的血管结构。流式细胞术显示，相对于ZOL组，Mg组在4 wpf时病理成纤维细胞分数减少了36.7%，在12 wpf时减少了80.8%。而scRNA-seq结果显示Mg逆转了ZOL对Fam111a、Mgp和Thbs4基因转录的影响，所有这些都可能参与纤维化和骨骼发育。

图4：Mg-IMN促进骨折愈合

【小结】

综上所述，该工作表明，AFFs骨折愈合潜力受损的潜在机制与长期BPs暴露后骨折部位的CGRP表达受到抑制有关。通过Mg诱导的CGRP释放预防BMSCs的异常纤维化分化可有效减轻异常纤维化，从而促进用ZOL预处理的大鼠的骨折愈合。确定了一个独特的不利于骨折愈合成纤维细胞群，这种异常的成纤维细胞可能是导致骨折修复和骨再生受损的常见病理因素。该临床转化研究的一个有希望的未来方向是扩大Mg-IMN的适应症，用于与过度纤维化相关的肌肉骨骼疾病。

全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121004570?via%3Dihub

来源：高分子科学前沿

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