《Cell Communication and Signaling》血管内皮与成骨细胞 “对话” 的秘密：Notch 信号通路如何左右骨分化？

为探究 EC 与 OB 相互作用影响成骨分化的机制，俄罗斯科学院细胞学研究所等单位的研究人员开展相关研究，发现 EC 对 OB 成骨分化有双重作用，Notch 信号通路关键。该研究为骨疾病治疗提供新思路，值得科研读者一读。

　　

在骨骼的世界里，血管与骨组织的关系就像一对亲密无间却又有些神秘的伙伴。我们都知道，骨骼可不是一成不变的 “硬石头”，它时刻都在进行着新陈代谢，新的骨组织不断形成，旧的则被重塑 ，而这一过程离不开血管的支持。血管中的内皮细胞（EC）就像勤劳的 “小蜜蜂”，不仅负责运输氧气和营养物质，还对周围细胞的命运有着重要影响，尤其是和骨形成细胞 —— 成骨细胞（OB）之间的互动，更是在正常骨发育和修复中起着关键作用。

以往的研究告诉我们，EC 和 OB 之间存在着旁分泌（细胞分泌化学物质，作用于周围其他细胞）和近分泌（细胞通过表面分子直接接触进行信号传递）机制。旁分泌时，它们会分泌各种因子，就像传递秘密信件一样，影响着彼此的功能。然而，尽管大家对这两种细胞的相互作用有所了解，但其中的具体机制却像一团迷雾，很多细节还不为人知。比如，到底是哪些信号通路在其中发挥关键作用？不同的接触方式又会对成骨分化产生怎样不同的影响呢？这些问题就像一个个小谜团，吸引着科学家们去探索。

为了揭开这些谜团，俄罗斯科学院细胞学研究所等单位的研究人员展开了深入研究，并在《Cell Communication and Signaling》期刊上发表了题为 “Endothelial - mesenchymal crosstalk drives osteogenic differentiation of human osteoblasts through Notch signaling” 的论文。他们发现，内皮细胞对成骨细胞的成骨分化有着双重影响，这种影响取决于两者是否直接接触。而且，Notch 信号通路在诱导成骨分化过程中扮演着独特且关键的角色。这一发现对于我们理解骨骼发育和维持过程中细胞间的通讯机制至关重要，也为治疗与成骨分化相关的疾病提供了新的潜在方向。

在这项研究中，研究人员使用了多种关键技术方法。他们通过细胞培养技术，分别从人股骨或胫骨骨骺以及人脐静脉中分离培养出成骨细胞和内皮细胞 ，并将它们进行直接共培养（模拟细胞直接接触的情况）和间接共培养（用半透膜隔开，模拟仅通过分泌因子交流的情况） 。之后，利用 RNA 测序和蛋白质组学技术，全面分析不同共培养条件下细胞的基因和蛋白质表达变化，就像给细胞做了一次 “深度体检”，看看它们在不同环境下都发生了哪些改变。为了验证 Notch 信号通路的作用，还运用了慢病毒转导技术，对内皮细胞中的 Notch 信号通路进行调控，然后观察其对成骨细胞成骨分化的影响。

接下来，让我们详细看看研究人员都有哪些重要发现。

EC 增强或抑制成骨细胞的成骨分化取决于物理接触的存在

研究人员搭建了直接共培养和间接共培养的 “舞台”，让 EC 和 OB 在上面 “表演”。结果发现，这两种培养方式下，细胞的表现截然不同。间接共培养就像给成骨分化踩了刹车，完全抑制了它；而直接共培养则像是给成骨分化加了油门，相比 OB 单培养，基质钙化明显增加。早期通过 RT - PCR 检测发现，除了 COL1A1 在 OB 直接共培养时有差异外，其他成骨标记物在不同共培养条件下的表达相似。这就像是不同的相处模式，会让细胞走向不同的 “命运”，直接接触时，EC 能促进 OB 的成骨分化，而隔开后却起到了抑制作用。

OB 与 EC 共培养时具有相似的特征，而 EC 在与 OB 的不同共培养条件下表现出明显的特征变化

研究人员对不同共培养条件下的 OB 和 EC 进行了蛋白质组学和转录组学分析，这就好比用显微镜深入观察细胞的 “内在世界”。在 OB 中，他们识别出了 22,351 个转录本和 2,966 个蛋白质；在 EC 中，则有 22,539 个转录本和 3,073 个蛋白质。主成分分析（PCA）显示，OB 在不同共培养条件下形成混合簇，说明它的 “性格” 比较稳定，不太受共培养环境的影响。但 EC 就不一样了，它在不同共培养条件下展现出明显不同的蛋白质组学和转录组学特征，就像一个容易受环境影响的 “变色龙”，对不同的共培养条件有着显著的反应。
进一步分析发现，直接共培养时，OB 中与成骨相关的标记物和 Notch 信号通路成分表达增加，同时细胞外基质重组等过程被激活；间接共培养时，OB 中与细胞周期等相关的转录本下调。而在 EC 方面，间接共培养使其激活了 BMP 信号通路的抑制剂和一氧化氮合酶等；直接共培养则激活了 Notch 信号通路，还让与骨骼发育相关的基因表达增加。这表明，虽然 OB 在不同共培养条件下变化不大，但 EC 的变化却能对成骨分化产生重要影响。

成骨细胞的成骨分化可通过在直接细胞 - 细胞接触期间调节内皮细胞中的 Notch 信号来调控

为了更深入了解 Notch 信号通路的作用，研究人员用携带针对 Notch 通路基因的 shRNA 的慢病毒转导 EC，就像是给 Notch 信号通路 “捣乱”，看看会发生什么。结果发现，敲低 EC 中 Notch1、Notch3 等部分 Notch 信号通路成分，会抑制 OB 的成骨转化，其中 Notch1 和 Notch3 的敲低影响最为显著。相反，当激活 EC 中 Notch1 或 Notch3 的细胞内结构域时，OB 的钙化水平增加，成骨分化程度明显提高。这就像找到了一把能控制成骨分化的 “钥匙”，Notch 信号通路在其中起着关键的调控作用。

Notch 激活 / 失活对 EC 转录组谱的影响

研究人员还研究了 Notch 信号通路激活或失活时 EC 转录组的变化。他们发现，激活 Notch 细胞内结构域比敲低 Notch 受体对整体基因表达谱的影响更大。激活 Notch1 和 Notch3 细胞内结构域的 EC，一些与细胞外结构和骨化相关的基因表达增加；而敲低 Notch1 和 Notch3 的 EC，与染色体分离等相关的过程下调。这进一步说明了 Notch 信号通路的激活或抑制会使 EC 发生不同的变化，进而影响 OB 的成骨分化。

综合以上研究结果，研究人员得出结论：内皮细胞对成骨分化过程具有双重作用。其抑制成骨的特性与分泌的旁分泌因子有关，就像细胞分泌的一些 “小魔法”，能阻止成骨分化；而诱导成骨的特性则由 Notch 信号通路介导，并且只有在与间充质细胞（这里指成骨细胞）直接物理接触时才会发挥作用，就像一把需要特定 “钥匙孔”（直接接触）才能启动的 “钥匙”。通过调节内皮细胞的 Notch 通路，可以实现对成骨细胞成骨分化的增强或抑制，这为未来治疗骨骼相关疾病提供了新的潜在方法。

在讨论部分，研究人员指出，内皮细胞和骨形成细胞之间的相互作用在骨组织形成中非常重要，但目前很多直接和间接调节机制还不清楚。他们的研究揭示了物理相互作用和 Notch 信号通路在成骨分化中的关键意义。这不仅有助于我们理解骨生成的调控机制，就像打开了一扇了解骨骼发育奥秘的窗户，还对生物工程和未来增强骨再生的治疗方法开发有着重要意义。例如，在治疗骨折或骨质疏松等疾病时，或许可以通过调节 Notch 信号通路来促进骨组织的修复和再生，为患者带来新的希望。

这项研究为我们展现了细胞间相互作用和信号通路在骨骼发育中的奇妙世界，虽然还有很多未知等待探索，但它已经为相关领域的研究和治疗提供了重要的线索和方向，让我们对未来攻克骨骼相关疾病充满了期待。