空军军医大学景达教授团队《自然·通讯》：揭示骨细胞SERCA2钙泵介导2型糖尿病骨损伤新机制

2型糖尿病相关脆性骨折是一个日益严峻的医学挑战，2型糖尿病患者骨脆性增加、骨折风险升高，且2型糖尿病骨折患者具有微循环障碍、创伤愈合困难等问题，使其致残和致死率进一步增加，但2型糖尿病骨损伤机制仍不明确，目前尚缺乏有效的治疗手段。

2024年1月30日，空军军医大学景达教授团队的最新研究成果在《Nature Communications》杂志在线发表了题为“Rescuing SERCA2 pump deficiency improves bone mechano-responsiveness in type 2 diabetes by shaping osteocyte calcium dynamics”的工作。该团队以构建的全新多尺度骨细胞生物力学平台为基础，创新发现了2型糖尿病患者骨脆性增加的主要原因由其骨应力敏感性降低所诱发。高糖状态会诱发PPAR-α介导的骨细胞内质网SERCA2钙泵发生特异性损伤，导致应力作用下骨细胞钙振荡动力学特征发生显著变化，从而降低骨的应力敏感性。而通过外源性或内源性上调SERCA2的表达均能够显著改善2型糖尿病骨的应力敏感性，从而改善提高骨健康状态。

在本研究中，研究人员首先向小鼠胫骨施加生理水平的轴向压缩载荷刺激，发现对照小鼠的加载侧胫骨的骨量、骨微结构及骨力学属性均明显改善，而生理性应力刺激引起的骨量和骨强度的增加在自发性和诱发性2型糖尿病小鼠中都受到抑制（图1）。随后，研究人员检测了轴向压缩载荷刺激作用下2型糖尿病小鼠胫骨内参与骨代谢的骨骼细胞（骨细胞、成骨细胞和破骨细胞）的变化情况。生理性轴向载荷刺激提高了正常小鼠的成骨细胞功能并抑制其破骨细胞生成，改善了骨细胞活性并促进骨细胞分泌调控骨代谢的关键细胞因子，但生理性应力刺激对骨细胞、成骨细胞和破骨细胞的调控作用在2型糖尿病小鼠中均被抑制（图2）。基于激光共聚焦采集与应力加载同步技术，研究者发现正常小鼠原位骨细胞及体外骨细胞在应力作用下产生多尖峰钙振荡特征，而2型糖尿病小鼠原位骨细胞及暴露于高糖高脂环境的体外骨细胞响应机械负载时仅产生少量弱钙尖峰，无钙振荡现象（图3）。上述实验结果揭示，2型糖尿病骨骼应力敏感性衰退，其响应机械应力的骨合成代谢作用减弱，2型糖尿病骨骼中骨细胞感受和响应应力调控骨代谢的能力和钙信号响应受损。

图1 生理性轴向压缩载荷刺激引起的骨量和骨强度的增加在自发性和诱发性2型糖尿病小鼠中均受到抑制

图2 生理性轴向压缩载荷刺激对骨细胞、成骨细胞和破骨细胞的调控作用在2型糖尿病小鼠中被抑制

图3 外界应力刺激下2型糖尿病骨细胞的钙信号响应受损

为进一步明确2型糖尿病骨骼应力敏感性衰退的机制，研究者发现高糖高脂环境下的MLO-Y4骨细胞和2型糖尿病小鼠胫骨骨细胞中的SERCA2（位于内质网的细胞内泵，负责在Ca²⁺释放后将Ca²⁺运输回内质网）表达显著降低，且抑制SERCA2后流体剪切力诱导的骨细胞钙响应明显减弱（图4）。SERCA2激动剂istaroxime（ISTA）可以明显改善应力作用下自发性和诱发性2型糖尿病小鼠胫骨的原位骨细胞以及高糖高脂环境下体外骨细胞的钙响应能力，ISTA也能恢复高糖高脂环境下骨细胞的活性及分泌骨代谢关键因子的功能（图5）。

图4 2型糖尿病诱导的SERCA2表达降低介导了骨细胞应力敏感性衰退

图5 上调2型糖尿病骨骼中SERCA2的表达增强了应力作用下骨细胞的活性、功能和钙振荡反应

通过ISTA外源性上调2型糖尿病骨骼中SERCA2表达，可以改善由骨细胞介导的成骨细胞和破骨细胞之间的骨代谢平衡，恢复应力作用下自发性和诱发性2型糖尿病小鼠的骨力学响应能力（图6）。通过构建骨细胞特异性SERCA2过表达小鼠内源性上调2型糖尿病小鼠骨骼中SERCA2表达，能显著改善应力作用下2型糖尿病骨骼的骨合成代谢作用，小鼠骨量、骨力学属性以及骨细胞的功能活性显著增强（图7）。此外，通过转录组测序及分子生物学实验发现，高糖状态会诱发PPAR-α介导的骨细胞内质网SERCA2钙泵发生特异性损伤，上调PPAR-α能恢复高糖高脂环境下骨细胞的钙应力响应能力（图8）。

图6 ISTA治疗通过骨细胞调节骨代谢平衡增强2型糖尿病小鼠的骨力学敏感性

图7 骨细胞特异性过表达SERCA能抑制2型糖尿病导致的骨力学敏感性衰退

图8 PPAR-α介导2型糖尿病骨细胞中SERCA2表达的特异性降低

图9 机制图

【小结与展望】

该研究从生物力学角度深入阐释了2型糖尿病骨伤新机制，为提升2型糖尿病骨质量以及降低骨折发生风险提供重要途径，同时为以骨细胞为靶点的代谢性骨病防治提供新思路，是骨生物力学研究领域的又一项新突破。

空军军医大学景达教授为本文的通讯作者，邵希博士为本文的第一作者，田玉兰、刘娟、颜泽栋为共同第一作者。该研究受军事科技领域青年人才托举工程计划、军队高层次创新人才工程青年科技英才、国家自然科学基金面上项目、陕西省杰出青年基金等课题资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45023-6