50岁骨密度骤降？美学者揭秘：衰老细胞的物理变化才是脆骨元凶！

作为“沉默的流行病”， 骨质疏松似乎已成一个不容小觑的公共卫生难题。据美国CDC发布的最新数据显示[1]，50岁+的人群中，其患病率高达12.6%，低骨量的情况更是达到43.1%。照这趋势，预计到2025年，与年龄相关脆性骨折的经济负担可能将超过250亿美元。

真是让人捏一把大汗，最近，Senolytic疗法的先驱，来自西达赛奈医疗中心的Kirkland教授的最新研究说不定为你对骨质疏松症的担忧带来了新的希望：“来点刺激”可能有助于恢复衰老骨细胞的功能，改善骨骼健康[2]！

作为一种以骨量减少、骨结构恶化为特征的骨骼J病，骨质疏松症不仅增加了骨折的风险，更严重影响了患者的生活自理能力。说到骨质疏松，绕不开的一定是这俩活宝：成骨、破骨细胞。

破骨细胞[3]，是由单核细胞或巨噬细胞前体合体形成，擅长分泌酸性磷酸酶和蛋白酶溶解骨骼中的羟基磷灰石晶体，并将其吸收回血液以备不时之需[4]；相对地，位于骨骼表面的成骨细胞[5]负责生成新骨，通过分泌与钙离子结合的蛋白质，形成羟基磷灰石晶体，促进骨骼生长与矿化。

图注：成骨、破骨细胞平衡系统

这对骨界“双胞胎”，在我们身体中相互配合，共同守护骨骼健康。不过，要是破骨细胞嗨过了头，吸收骨质的速度超过了建骨速度，就会导致身体骨密度下降，引发骨质疏松风险[6]。

破骨、成骨细胞的平衡很重要，但我们还得给那些被自己分泌的骨基质“封印”的骨细胞一点关注，没错，就是那些“朴实无华”、名字就这么简单的骨细胞，占据骨骼的80%-90%，曾被认为只能“占位”，但在本文研究者的探索下，逐渐展示出了它们真正的实力[7]。

不要以为深埋骨内就只能当个“吃瓜群众”，骨细胞可以感知传递外部的机械刺激，所以主要负责将这种刺激转化为细胞内信号，激活内部细胞信号通路参与骨骼的形成和重塑。而且要是稍有不慎，这些“吃瓜群众”，很可能给你的骨骼系统来个迎头痛击。

图注：骨细胞的形成过程

随着衰老，骨细胞内部的细胞骨架（即撑起细胞、维持细胞形态的结构）会发生结构变化，弹性与灵活性降低，阻碍了力的传导，进而削弱骨细胞的力感知能力。

同时在外部，衰老骨细胞还会表达SASP（衰老相关分泌表型），进一步改变骨微环境，导致骨形成减少、骨吸收增加、其他骨细胞功能下降，加剧骨质疏松风险。

为什么有这样的变化？不如先来看看基因怎么说，对衰老骨细胞的基因表达量进行检测后，作者发现，在骨细胞中，衰老相关基因的表达水平发生显著变化，其中最突出的当属Sost、Mepe和Mmp9这三个。

图注：照射后不同时间点里骨细胞中与衰老相关基因的表达水平变化

其中， Sost是一种能抑制Wnt/β-catenin信号通路（在骨形成和骨重建中发挥重要作用）的蛋白，其上调表明成骨细胞的分化和骨基质的形成受到抑制，导致骨形成减少；

而Mepe是一种与骨矿化相关的蛋白，其表达增加则是因为骨细胞在试图维持骨基质的完整性，其上调是对衰老引起的骨减少的一种适应性反应；

对于参与细胞外基质降解的酶Mmp9，它表达的降低会导致细胞外基质降解减少，从而导致细胞外基质过度沉积，影响衰老骨细胞骨组织的弹性和功能。

图注：衰老照射后骨细胞中与骨细胞功能相关的基因表达发生不同的变化

总之，这些基因的变化反映了衰老骨细胞在细胞骨架结构和机械特性上的改变，所以我们可以去检测衰老骨细胞中的这些基因表达量，从而提前预知自己骨细胞是否已经衰老……对吗？

当然不是！本项研究的作者大大提到一个观点：目前常用的检测衰老的生物标志物，例如SA-β-Gal活性、衰老相关基因表达等，不仅在不同细胞和组织间差异显著，而且还受到性别等其他因素的影响，这就导致了它们的可靠性没我们想象的那么高。

对此，作者从历年研究中总结出了一个更合适的指标：生物物理标记物！这……生物这个词也看得懂，物理也看得懂，这俩一结合……到底是啥？回忆一下我们之前聊的衰老引起细胞僵硬，没错，就是检测骨细胞细胞骨架上的力学特性的变化（在细胞上做物理实验，想想就刺激！）。

图注：检测方法大揭秘

说干就干，通过高级光纤干涉的纳米压痕技术，研究人员对细胞骨架模量以及膜粘弹性变化进行了延时的单细胞分析，发现衰老骨细胞在细胞骨架和细胞膜上，会发生典型的生物物理变化，包括：

细胞骨架刚度增加

利用赫兹接触力学模型，再搭配上负载压痕数据。研究人员发现，辐射后的骨细胞在不同时间点（D7、D14和D21）的杨氏模量（衡量材料刚度的一个指标）相比对照组明显增加，表明细胞变得更加僵硬。

图注：时间轴上，衰老细胞的杨氏模量稳步上升！

细胞膜粘弹性改变

与平稳的正常细胞不同，衰老细胞在纳米压痕实验中回归基线的过程里，出现了明显的二次峰值，表明其细胞骨架的粘弹性质发生了改变，粘附力更高，导致细胞恢复到原始形态的速度比正常细胞慢。

图注：不同组细胞在卸载时的粘附力表现，差距不是一点点

细胞形态变化

当然，以上这些物理特性的变化，都是最直观地反映在了衰老骨细胞的形态上。免疫荧光染色图像还显示，衰老骨细胞的体积膨胀，原有的勾连在一起的凸起部分（树突网络）断裂，细胞边界也是乱七八糟，完全没有了对照组的规整模样。

图注：岁月催“胞”老……

串联以上的研究结果，不难发现，随着衰老，骨细胞的细胞骨架变得僵硬，传递信号的应力纤维也减少，无法有效地感知外界环境的变化并传递机械信号至下游靶点（例如成骨、破骨细胞），从而影响骨重塑与维持骨强度的能力，增加患骨质疏松的风险。

图注：衰老骨细胞发生的变化

找到病因，那接下来就是对症下药了，基于对生物物理标记的探索，作者也提出了一项疗愈骨质疏松的新招：生物力学刺激[8]。顾名思义，就是利用外界物理手段，比如机械拉伸、压缩、电刺激等，给细胞或组织做个“SPA”，从而影响它们的行为和功能，实现疗愈效果。

图注：多种生物力学刺激对细胞行为的影响

这种力学刺激可以引发细胞的多种反应，比如调节基因表达与钙离子内流，影响细胞的增殖分化、组织再生等[9]，此外，它还能调整细胞外基质（ECM）硬度，或是改变流体动力学剪切应力（就像游泳时水流对你产生的推力）来提升细胞功能[10]。

虽然听上去玄乎，但早已有不少研究已经在生物力学刺激改善骨质疏松方面做出成果：力学刺激可以通过激活多种信号通路（β-catenin信号通路、PGE2通路、NO通路等）影响骨细胞的增殖与分化，达到维持骨量，增加骨密度的目的[11]。

当然，一直让你躺在实验台上接受机械刺激，激活信号通路来疗愈骨质疏松，显然不太现实，所以……来一场酣畅淋漓的八段锦[12]吧！

图注：八段锦帮助疗愈骨质疏松症的神秘机制大公开

结合了有氧运动与阻力训练的百家之长，锻炼八段锦能产生多种机械负荷（如张力、压缩和流体剪切应力）来刺激骨细胞，在促进骨形成的同时还能减少骨质流失，增强骨密度，预防因年龄增长导致的骨质疏松。（真是科技与传统的完美结合，看来每周来几次八段锦还真挺有道理……）

时光派点评

读完这篇研究，最让派派惊艳的，还是从生物物理学角度，解析了细胞骨架力学变化与衰老之间的关系。

当然，以上的这些发现还得经过后续研究的验证，才能进一步探索开发例如针对细胞骨架重塑的药物或者新型的生物力学装置，这样的抗衰大招，值得期待一手！

—— TIMEPIE ——
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