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这篇综述聚焦于成骨 - 血管生成偶联过程，深入探讨细胞通讯模式及相关信号通路（如 VEGF、HIF-1α 等通路）。阐述其在正常骨发育、骨折愈合及骨相关疾病（骨质疏松、骨关节炎等）中的作用，并介绍基于此的临床治疗策略，为骨相关研究提供重要参考。
成骨 - 血管生成偶联中的细胞通讯及相关信号通路研究进展
在骨骼的生长、修复以及维持健康的过程中，成骨作用和血管生成之间存在着紧密的联系。成骨（Osteogenesis）是由成骨细胞介导的骨形成过程，在骨发育、骨稳态维持以及骨折愈合等多种生理过程中发挥着关键作用 。而血管生成（Angiogenesis）则是从已有的血管中生成新血管的过程，对于骨组织来说，血管不仅为其输送必要的营养物质、氧气，还运输参与骨形成和重塑的细胞，在骨相关过程中同样不可或缺。这两者在时间和空间上相互关联，通过多种细胞通讯方式和信号通路协同作用，共同构建了复杂而有序的骨微环境。
成骨 - 血管生成偶联中的细胞通讯模式和关键信号通路
细胞通讯在成骨 - 血管生成偶联中起着核心作用，主要包括信号传导和信号转导两个基本过程。信号传导是指供体细胞产生信号分子并传递给受体细胞，而信号转导则是信号分子与受体结合后，将细胞外信号传递到细胞内并引发一系列生物学反应的过程。根据信号传递方式的不同，细胞通讯可分为多种类型。
- 主要细胞通讯模式
- 旁分泌（Paracrine）：旁分泌是成骨 - 血管生成偶联中常见的通讯模式。骨相关细胞和血管内皮细胞（ECs）都能分泌信号分子到细胞外环境，进而影响成骨和血管生成。例如，ECs 分泌的骨形态发生蛋白（BMP）-2/4/7、胰岛素样生长因子（IGF）等可调节骨相关细胞的活性；而成骨细胞（OBs）、破骨细胞（OCs）等分泌的血管内皮生长因子（VEGF）A、血小板衍生生长因子（PDGF）-BB 等则作用于 ECs，影响其迁移、增殖和血管生成能力 。
- 直接接触通讯（Juxtacrine）：这种通讯方式需要供体细胞和受体细胞直接接触，主要通过间隙连接（Gap junctions）和直接膜接触两种机制实现。间隙连接由连接蛋白（如连接蛋白 43，Cx43/Gja1）形成细胞间通道，允许信号分子在相邻细胞间直接传递，在骨细胞和血管细胞中对调节细胞功能至关重要 。直接膜接触则依赖于供体细胞上的膜结合配体与受体细胞上的受体相互作用，激活细胞内信号通路，如 NOTCH 信号通路、WNT 信号通路等 。
- 自分泌（Autocrine）：自分泌是细胞分泌的信号分子作用于自身，激活细胞内信号通路的自我调节机制。以 VEGF 为例，它不仅通过旁分泌作用于 ECs，还能与产生它的成骨细胞系细胞上的血管内皮生长因子受体 2（VEGFR2）结合，通过自分泌调节成骨细胞的分化和活性 。
- 细胞外囊泡（EVs）介导的通讯：EVs 是细胞间通讯的重要介质，包括外泌体（Exosomes）等，携带蛋白质、基因、微小 RNA（miRNA）等生物活性物质，调节成骨和血管生成过程 。例如，血管内皮细胞来源的外泌体可调节成骨细胞和破骨细胞前体的分化，抑制骨髓巨噬细胞分化，减少骨质疏松 。
- 细胞外基质（ECM）和整合素介导的信号传导：ECM 在成骨 - 血管生成偶联中也发挥着重要作用，它储存的信号分子（如转化生长因子 β，TGF-β）在骨吸收或重塑过程中释放，与靶细胞上的整合素受体相互作用，激活细胞内信号通路 。整合素还能感知机械刺激和 ECM 的物理性质，调节细胞活动，参与细胞间通讯 。
- 关键信号通路
- VEGF 通路：VEGF 信号通路在成骨 - 血管生成偶联中至关重要。VEGF 通过旁分泌与 VEGFR 结合，激活磷脂酰肌醇 3 - 激酶（PI3K）/ 蛋白激酶 B（Akt）、蛋白激酶 C / 丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）等下游通路，调节 ECs 的迁移、存活、增殖和血管生成 。VEGF 还能促进成骨细胞的分化，与其他信号通路相互作用，共同调节成骨 - 血管生成偶联 。
- 缺氧诱导因子（HIF）-1α 通路：缺氧条件下，HIF-1α 的稳定性增加并进入细胞核，与 HIF-1β 形成异二聚体，结合到靶基因的缺氧反应元件上，诱导 VEGF 等基因的转录 。HIF-1α 调节的 VEGF 表达形成了一个关键的信号轴，促进成骨细胞、破骨细胞和血管内皮细胞之间的通讯，从而偶联成骨和血管生成 。
- BMPs 和相关通路：BMPs 是 TGF-β 超家族的成员，在调节成骨细胞活性和骨形成中发挥重要作用 。BMPs 和 TGF-β 共享相似的经典信号通路，通过激活 Smad 蛋白调节下游基因表达 。这些通路不仅影响成骨细胞和破骨细胞的活性，还通过血管生成介导成骨 - 血管生成偶联 。
- Wnt/β - 连环蛋白（β-catenin）通路：Wnt/β-catenin 通路在成骨 - 血管生成偶联中起关键作用。激活该通路可促进间充质干细胞（MSCs）向成骨细胞分化，调节成骨细胞功能，同时增强血管内皮细胞和内皮祖细胞的血管生成能力，从而建立成骨和血管生成之间的偶联 。
- 其他通路：成骨 - 血管生成偶联还涉及其他多种信号通路，如成纤维细胞生长因子（FGF）信号通路、PDGF/PDGFRβ 通路、IGF 信号通路、Hedgehog 信号通路、Hippo/Yes 相关蛋白（YAP）通路等 。这些通路各自发挥独特的作用，共同调节成骨和血管生成过程。
正常骨发育和维持过程中的成骨 - 血管生成偶联的细胞通讯
- 骨发育和维持中的成骨 - 血管生成偶联骨发育是一个复杂的过程，包括膜内成骨和软骨内成骨两种主要方式。在这个过程中，成骨细胞和软骨细胞分泌 VEGFA 等信号分子，调节血管生成，而血管生成又与初级和次级骨化中心的建立密切相关 。骨发育还涉及血管亚型的转变，不同类型的血管在骨发育的不同阶段发挥着特定的作用 。骨维持则依赖于骨形成和骨吸收之间的平衡，成骨 - 血管生成偶联在维持这一平衡中起着重要作用。例如，ECs 和骨细胞分泌的血管生成因子和促血管生成因子可激活调节骨重塑的信号通路 。
- 细胞通讯
- OB-EC 通讯：OBs 和 ECs 之间的通讯主要通过旁分泌信号、EVs 介导的间接通讯、间隙连接以及配体 - 受体介导的直接接触通讯等方式进行 。旁分泌信号涉及多种信号通路和分子，如 HIF-1α/VEGF 轴、PDGF/PDGFRβ 通路等 。EVs 介导的通讯主要通过外泌体中携带的 miRNA 和功能蛋白来实现 。间隙连接可能是另一种潜在的直接通讯方式，虽然目前研究主要集中在 ECs 和 BMSCs、OPCs 之间，但推测其在 OBs 和 ECs 之间也可能发挥作用 。配体 - 受体介导的直接接触通讯中，Notch 信号通路在调节 OBs 和 ECs 的生物学活动中起重要作用 。
- OC-EC 通讯：OCs 和 ECs 之间的通讯通过旁分泌信号、EVs 介导的信号传递以及可能的直接接触通讯来实现 。旁分泌信号涉及 HIFs、VEGF、PDGF-BB 等关键分子 。EVs 介导的信号传递中，miRNA 作为关键的货物分子，调节 OCs 和 ECs 的功能 。Eph/Ephrin 通路可能介导 OCs 和 ECs 之间的直接接触通讯，促进成骨 - 血管生成偶联，但目前其作用仍有待进一步阐明 。
- 综合信号级联反应：成骨和血管生成是复杂的过程，涉及多种骨相关细胞之间的信号交换，形成了一个复杂的网络交叉通讯 。在这个过程中，RANKL、VEGF、BMP-2 等多种信号分子和信号通路相互作用，共同调节成骨 - 血管生成偶联 。
- 免疫和其他骨相关细胞的作用：巨噬细胞、中性粒细胞、BMSCs、周细胞等在成骨 - 血管生成偶联的细胞通讯中也发挥着重要作用 。巨噬细胞通过分泌细胞因子和生长因子，影响成骨细胞、破骨细胞和血管内皮细胞的功能，促进骨形成和血管生成 。中性粒细胞通过与靶细胞的通讯，调节骨代谢和血管生成 。BMSCs 可分化为成骨细胞和周细胞，分泌旁分泌因子和外泌体，促进成骨和血管生成 。周细胞参与血管形成和稳定，与 ECs 相互作用，调节骨微环境 。
骨折愈合和再生过程中的成骨 - 血管生成偶联的细胞通讯
- 骨折愈合的关键阶段和成骨 - 血管生成偶联骨折愈合是骨再生的典型形式，包括早期炎症反应、血管生成、成骨分化和骨化等阶段，成骨 - 血管生成偶联在这个过程中起着不可或缺的作用 。在早期炎症反应期，骨折部位的血肿形成相对缺氧的环境，诱导 HIF-1α 表达上调，促进后续的血管生成和成骨 。在血管生成期，ECs 侵入骨折部位，构建血管网络，为成骨分化和骨化提供必要的条件 。
- 骨折修复过程中巨噬细胞、ECs 和成骨细胞之间的相互作用巨噬细胞与 ECs 之间存在密切的通讯，巨噬细胞通过分泌促血管生成因子、调节 ECs 的增殖和迁移等方式，影响血管生成和骨再生 。巨噬细胞的表型转换在骨折愈合过程中也起着重要作用，从促炎的 M1 表型转换为抗炎的 M2 表型，促进组织愈合 。巨噬细胞与 MSCs 之间也存在通讯，M1 巨噬细胞和 M2 巨噬细胞对 MSCs 的作用不同，在骨折愈合的不同阶段发挥着不同的作用 。M2 巨噬细胞分泌的生长因子可促进 MSCs 的成骨分化，而 M1 巨噬细胞的作用则存在争议，可能促进或抑制骨折愈合，取决于骨折愈合的阶段 。
- 颅骨骨折中骨与血管之间的细胞通讯与长骨不同，颅骨骨折愈合过程中，成骨和血管生成的耦合可能存在差异 。研究发现，颅骨骨折中 OPCs 的集体侵入并不总是伴随着早期血管生成的萌芽，但骨与血管细胞之间的通讯仍然存在，通过多种信号通路调节骨折愈合 。
其他骨相关疾病中的成骨 - 血管生成偶联的细胞通讯
- 骨质疏松症（Osteoporosis）：骨质疏松症是由于骨吸收和骨形成失衡导致的疾病，影响骨质量和血管形成 。研究表明，HIF-1α/p53 轴在长骨的成骨 - 血管生成相互作用中起双向调节作用 。BMSCs 在骨质疏松症的治疗中起着关键作用，通过分泌细胞因子和生长因子，促进钙沉积、胶原蛋白合成和血管生成 。此外，骨质疏松症的微环境中存在免疫失调，T 调节细胞和 T 辅助细胞（Th）的失衡影响骨代谢和血管生成 。
- 骨关节炎（Osteoarthritis）：骨关节炎的发展与免疫系统对炎症环境的反应密切相关 。多种细胞因子，如 IL-3、IL-1β、IL-6 等，在软骨细胞的调节中发挥着重要作用 。在骨关节炎的发病机制中，H 型阳性血管和 MSCs 形成正反馈环，促进异常的软骨下骨形成 。此外，调节 NFκB 和 MAPK 信号通路可抑制破骨细胞生成，减轻骨关节炎的症状 。
- 骨坏死（Osteonecrosis）：骨坏死是由于破骨细胞活性增加和血管生成受损导致的疾病，可由药物、放疗、激素等多种因素引起 。例如，药物相关的颌骨骨坏死与抗吸收药物（如双膦酸盐）的使用有关，放疗可导致辐射诱导的骨坏死，激素使用可引起激素诱导的骨坏死 。MSCs 疗法在治疗骨坏死方面显示出潜力，通过促进血管生成和骨修复来改善病情 。
基于成骨 - 血管生成偶联细胞通讯的临床治疗方法
- 基于细胞间信号传递的疗法
- 旁分泌生长因子疗法：生长因子在调节成骨和血管生成中起着关键作用。通过将生长因子（如 BMPs、VEGF 等）嵌入生物材料（如 hydrogels）中并植入骨缺损部位，可促进血管生成和成骨，修复骨缺损 。此外，通过外部刺激（如超声、温度变化、光等）控制生长因子的释放时间和顺序，可提高治疗效果 。
- 外泌体疗法：外泌体作为细胞间通讯的重要介质，可携带生物活性分子调节成骨和血管生成 。通过工程化外泌体，使其携带特定的 miRNA 或信号分子，可增强其治疗潜力，为骨修复提供个性化的治疗方法 。
- 针对细胞内信号转导的疗法
- 靶向信号通路疗法：细胞内信号转导是成骨 - 血管生成偶联的关键环节。通过药理调节信号通路中的配体、受体等成分，可促进骨相关疾病的组织再生 。例如，调节 Notch 和 Wnt/β-catenin 通路在治疗骨疾病方面显示出潜力 。
- miRNA 和基因疗法：非编码 RNA（如 miRNA）是成骨 - 血管生成偶联信号通路的重要调节因子。通过调节 miRNA 的表达，可影响下游信号转导，进而调节骨形成和血管发育 。此外，N6 - 甲基腺苷甲基化和组蛋白修饰等表观遗传调控也可影响成骨分化和信号通路，为遗传和表观遗传疗法提供了新的思路 。
- 细胞通讯在临床中的应用
- 仿生支架和组织工程：在骨组织工程中，通过将调节成骨 - 血管生成偶联的信号分子纳入生物材料（如 hydrogels、bioactive ceramics 等）中，可促进骨组织的修复和再生 。这些材料可提供支持细胞生长和分化的微环境，增强骨缺损的修复效果 。
- 细胞疗法：移植干细胞或祖细胞（如 MSCs、EPCs 等）是促进骨和血管再生的有效方法 。MSCs 可分化为成骨细胞和周细胞，直接参与骨形成，同时分泌旁分泌因子和外泌体，调节成骨和血管生成 。EPCs 可促进新血管的形成，间接支持骨再生 。将多种祖细胞联合应用的多细胞混合干细胞疗法在治疗复杂骨折和骨缺损方面具有潜力 。
结论与展望
成骨与血管生成在时间和空间上紧密耦合，这一过程涉及多种骨相关细胞、信号分子和信号通路之间复杂的细胞通讯网络 。通过对过去十年相关研究的回顾，我们对成骨 - 血管生成偶联中的细胞通讯有了更深入的理解 。这些知识为治疗骨相关疾病和促进骨组织工程提供了新的策略，如基于 EVs 的药物递送和嵌入生长因子的 hydrogels 等 。然而，仍有许多方面有待进一步研究 。例如，OC 谱系细胞与 ECs 之间的直接接触通讯机制、EVs 中调节成骨及其与血管生成偶联的具体分子、颅骨骨折愈合中骨和血管细胞通讯的分子机制等 。未来的研究需要深入探索这些过程，以确定潜在的治疗靶点，为预防和治疗骨相关疾病提供更有效的方法 。
