周波/邹卫国团队合作揭示骨折后骨骼干细胞来源发生转变

骨骼干细胞（skeletal stem cells）作为一类多能干细胞，具有自我更新和向成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞三系分化的能力。它在骨骼的发育，稳态维持与损伤修复过程中发挥着重要作用。骨骼干细胞的功能损伤会严重影响骨骼的发育和损伤修复进程。在骨折后愈合困难（骨不连）的治疗中，骨骼干细胞的移植被认为是最有潜力的治疗方案【1】。但骨骼干细胞存在高度异质性，广泛存在于骨髓、生长板和骨外膜处。既往的研究显示多种异质性的骨骼干细胞都参与了骨折损伤修复进程。然而由于研究手段的限制，这些研究中人们通常将骨外膜当作一个整体进行研究，忽略其内部存在的异质性。

2024年3月29日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心周波课题组和邹卫国课题组在Developmental Cell在线发表了题为Fibrous periosteum repairs bone fracture and maintains the healed bone throughout mouse adulthood的研究论文。该工作揭示了小鼠骨外膜中被认为不拥有成骨能力的骨外膜纤维层细胞虽然在稳态下不参与成骨，但在骨折后是损伤修复最主要的贡献者。并发现骨折前后负责成骨的骨骼干细胞发生转变，也为提高愈合骨的骨质量指明了方向。

周波和邹卫国课题组一直致力于骨骼干细胞的谱系研究，他们之前的研究发现小鼠青春期前后骨骼的干细胞来源发生了转变（详见BioArt报道：Cell Stem Cell | 当骨骼干细胞遭遇青春期——周波课题组揭示小鼠青春期前后骨骼干细胞来源发生转变）【2】。在最近的这项工作中，他们构建了一个全新的双同源重组酶报告基因R26ZT1，并筛选了多种能标记骨骼干细胞的谱系示踪小鼠。从而建立一套可同步示踪两类异质的骨骼干细胞同步示踪系统（SSC-Simultracer），此系统可以利用tdTomato和ZsGreen荧光蛋白的表达区分骨髓（BMSC）、骨外膜生发层（CL-PC）与骨外膜纤维层（FL-PC）中的骨骼干细胞的谱系命运（图1）。

图1. SSC-Simultracer骨骼干细胞同步示踪系统示意图。

进一步地，团队构建了Col1a1BFP报告基因小鼠用于表征Col1a1+成骨细胞。通过示踪实验他们发现：稳态下成骨细胞来源于骨髓和骨外膜生发层的骨骼干细胞（CL-PC），而纤维层细胞保持静息不参与骨的生成。骨折修复过程中成骨细胞主要来源于纤维层细胞（FL-PC），纤维层细胞在骨折过程中生成了纤维软骨骨痂的主体部分和绝大部分的新生皮质骨。骨折完全愈合后成骨细胞来源于在修复过程中迁移到骨髓和骨外膜生发层处的纤维层细胞，这群细胞在骨髓和生长层处长期存在并持续成骨（图2）。这些结论打破了人们以往对骨外膜纤维层细胞不具有成骨能力的认知，并鉴定到了骨折损伤修复中真正的功能细胞。

图2. 骨折前后成骨细胞的干细胞来源的转变示意图。

此外他们对迁移到骨髓和骨外膜生发层处的纤维层细胞进行了研究。利用单细胞转录组测序结合体外分化和体内移植实验发现：这群纤维层来源的细胞成骨分化相关转录因子表达水平低且体内外成骨活性远低于原有的骨髓和生发层处的骨骼干细胞。这种成骨干细胞成骨活性的降低在宏观层面反应为愈合骨的骨质量下降。通过Micro-CT成像发现骨折愈合处的皮质骨的多项骨参数显著地低于正常骨和相邻骨。这一发现告诉人们由于成骨细胞的干细胞来源的转变，即使外观上不明显骨头也会留下隐形的“疤”。解释了为什么人在之前发生过骨折的位置更容易发生二次骨折【3】。这同时意味着——如果能够阻碍纤维层细胞侵入骨髓和生发层，有望让愈合骨的骨质量拥有显著性地提升。这也将是团队下一步的重点攻关方向。

据悉，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心三年级博士生刘逸铭是本项工作的第一作者，唐新宇和舒慧博士是本项工作的共同第一作者。周波和邹卫国研究员是本文的共同通讯作者。

原文链接：

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(24)00187-4

制版人：十一

参考文献

1. TSENG S S, LEE M A, REDDI A H. Nonunions and the potential of stem cells in fracture-healing [J]. J Bone Joint Surg Am, 2008, 90 Suppl 1: 92-8.

2. SHU H S, LIU Y L, TANG X T, et al. Tracing the skeletal progenitor transition during postnatal bone formation [J]. Cell Stem Cell, 2021, 28(12): 2122-36 e3.

3. KLOTZBUECHER C M, ROSS P D, LANDSMAN P B, et al. Patients with prior fractures have an increased risk of future fractures: a summary of the literature and statistical synthesis [J]. J Bone Miner Res, 2000, 15(4): 721-39