Nature论文解读！揭示锻炼增强骨骼和免疫功能的新机制

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

2021年2月28日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的研究人员在骨髓中发现了一种称为壁龛（niche，也译为微环境）的特殊环境，新的骨细胞和免疫细胞在那里产生。他们还发现运动诱导的刺激是维持这种壁龛以及它所包含的成骨细胞（bone-forming cell）和免疫形成细胞（immune-forming cell）所必需的。这些发现共同确定了一种锻炼强化骨骼和免疫功能的新方式。相关研究结果于2021年2月24日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“A mechanosensitive peri-arteriolar niche for osteogenesis and lymphopoiesis”。论文通讯作者为德克萨斯大学西南医学中心的Sean J. Morrison博士。

从锻炼到免疫功能，图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03298-5。

Morrison及其研究团队发现行走或跑步产生的力量会从骨骼表面沿着小动脉血管传入骨骼内部的骨髓。排列在小动脉（arteriole）外部的的成骨细胞感知到这些力量，并被诱导增殖。这不仅可以形成新的骨细胞从而有助于增厚骨骼，而且成骨细胞还能分泌一种生长因子，增加在小动脉周围形成淋巴细胞的细胞的频率。淋巴细胞是让免疫系统对抗感染的B细胞和T细胞。

当成骨细胞感知运动造成的压力（也就是机械力）的能力失活时，就会减少新的骨细胞和淋巴细胞的形成，导致骨骼变得更薄，降低小鼠清除细菌感染的能力。

Morrison博士说，“随着年龄的增长，我们骨髓中的环境发生了变化，负责维持骨骼质量和免疫功能的细胞变得枯竭。我们对这种环境如何变化或者为什么这些细胞会随着年龄的增长而减少知之甚少。过去的研究已表明，锻炼可以改善骨骼强度和免疫功能，我们的研究发现了一种新的机制。”

Morrison实验室之前的研究发现了骨骼干细胞（skeletal stem cell），这些干细胞产生了成年时期骨髓中大部分形成的新的骨细胞。它们是瘦素受体+（LepR+）细胞。它们排列在骨髓中的血管外侧，形成维持造血细胞（blood-forming cell）的关键生长因子。Morrison实验室还发现LepR+细胞的一个亚群能合成一种以前未被发现的成骨生长因子，即Osteolectin。Osteolectin通过使LepR+细胞形成新的骨细胞来促进成体骨骼的维持。

在这项新的研究中，Morrison实验室的博士后研究员Bo Shen更仔细地观察了制造Osteolectin的LepR+细胞亚群。他发现这些细胞只停留在骨髓的小动脉血管周围，并通过合成干细胞因子（SCF）来维持附近的淋巴样祖细胞（lymphoid progenitor）。剔除Osteolectin阳性细胞中的SCF会消耗淋巴样祖细胞，并破坏小鼠对细菌感染作出免疫反应的能力。

Shen说，“与我们以前的研究一起，这项研究的发现表明Osteolectin阳性细胞为小动脉周围的成骨祖细胞和淋巴样祖细胞构建了一种特殊的壁龛。扩大Osteolectin阳性细胞数量的治疗干预可以增加骨形成和免疫反应，特别是在老年人中。”

Shen发现，随着年龄的增长，Osteolectin阳性细胞和淋巴样祖细胞的数量减少。他很好奇能否扭转这一趋势，于是他在笼子里放了转轮，让小鼠可以运动。他发现这些小鼠的骨骼在运动后变得更加强壮，而小动脉周围的Osteolectin阳性细胞和淋巴样祖细胞的数量则有所增加。这是首次表明机械刺激调节了骨髓中的壁龛。

Shen发现Osteolectin阳性细胞在它们的表面上表达了一种称为Piezo1的受体，该受体在细胞内发出信号以响应机械力。当Piezo1从小鼠的Osteolectin阳性细胞中被剔除时，这些Osteolectin阳性细胞和它们支持的淋巴样祖细胞变得枯竭，削弱了骨骼并损害了免疫反应。

Morrison说，“我们认为我们发现了一种重要的机制，通过这种机制，锻炼可以促进免疫力并增强骨骼，而此前人们已经发现了其他机制。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Bo Shen et al. A mechanosensitive peri-arteriolar niche for osteogenesis and lymphopoiesis. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03298-5.

2.Mehmet Saçma et al. Exercise generates immune cells in bone. Nature, 2021, doi:10.1038/d41586-021-00419-y.

3.Researchers identify mechanism by which exercise strengthens bones and immunity
https://medicalxpress.com/news/2021-02-mechanism-bones-immunity.html