GLP-1介导Wnt信号通路在失重性骨质疏松中的作用及分子调控机制

Osteoporosis induced by weightlessness is a serious medical problem that heavily affected the health and working ability of astronauts and cannot be effectively treated. It is an urgent unsolved problem in the Aerospace medicine field to find new strategies and new drug targets for the treatment of weightlessness induced osteoporosis. In weightlessness situation, decreased cell differentiation ability of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) and preosteoblasts, dysfunction of cell proliferation and mineralization, and increased apoptosis of osteoblasts is the basic reason of osteoporosis. In our previous study, we found that Exendin-4, a GLP-1 receptor agonist, had the ability to facilitate bone formation and improve the symptoms of weightlessness induced osteoporosis. Therefore, we hypothesized that GLP-1 may promote BMSCs differentiating to osteoblasts and proliferation, maturation of preosteoblast by activating Wnt/β-catenin pathway, and hence that GLP-1 play important role to promote bone formation and anti-osteoporotic effect. Based on this background, this research plans to investigate the bone formation effect, anti-osteoporotic effect and the underlying molecular mechanism of GLP-1 both in vivo and in vitro, elucidating of which will enclose the molecular mechanism of the modulation effect of GLP-1 on bone metabolism and will also find new possible targets and provide novel strategies for curing osteoporosis.

失重所致骨质疏松是严重影响航天员健康和工作能力的重大医学难题，目前尚无有效的防治措施，研究防治失重性骨质疏松的新策略和药物作用新靶点是航天医学研究领域急需解决的重大问题。失重状态下骨髓间充质干细胞（BMSCs）及前成骨细胞分化功能降低，成骨细胞增殖及矿化功能障碍、凋亡增加，导致骨形成抑制，是失重性骨质疏松发生的根本原因。我们在前期研究中发现，GLP-1受体激动剂Exendin-4具有促进骨形成、改善失重性骨质疏松的作用。我们猜想：GLP-1可能通过激活Wnt/β-catenin通路促进BMSCs向成骨的定向分化及前成骨细胞的增殖、成熟，进而促进骨形成，发挥抗失重性骨质疏松的作用。本课题拟在离体和整体水平展开GLP-1促成骨作用的分子机制研究和改善模拟失重大鼠的骨质疏松疗效的研究。阐明上述问题将揭示GLP-1调控骨代谢的分子机制，发现促进骨形成的药物新靶点，提供防治失重性骨质疏松的新策略。

失重所致骨质疏松是严重影响航天员健康和工作能力的重大医学难题，研究防治失重性骨质疏松的新策略和药物作用新靶点是航天医学研究领域急需解决的重大问题。失重状态下骨髓间充质干细胞（BMSCs）及前成骨细胞分化功能降低，成骨细胞增殖及矿化功能障碍、凋亡增加，导致骨形成抑制，是失重性骨质疏松发生的根本原因。我们在前期研究中发现，GLP-1受体激动剂Exendin-4具有促进骨形成、改善失重性骨质疏松的作用，但作用机制不清。本研究中我们首先在整体和细胞水平观察Ex-4对失重性骨质疏松的疗效。采用尾部悬吊法建立失重性大鼠骨质疏松模型，Ex-4腹腔注射给药4周。Micro CT结果显示Ex-4能显著增强大鼠股骨及椎骨骨密度，改善骨小梁微结构，并能显著改善股骨和椎骨的内在和外在的生物力学特性，明显增强其机械强度。ELISA结果显示Ex-4显著提高血清骨形成标志物BAP、OCN和P1NP的水平。钙黄绿素和四环素双荧光标记法结果显示Ex-4可以显著升高骨形成率（BFR/BS）、骨矿化率（MAR）和矿化表面积（MS/BS），增加尾悬吊大鼠的新骨形成。Exendin-4明显增加尾悬吊大鼠的成骨细胞数量，减少脂肪细胞的数量。采用2D-回转器模拟失重条件，建立BMSCs细胞失重条件下体外培养模型。实时PCR和Western blot结果显示Exendin-4显著增加了模拟失重条件培养下的 BMSCs的Runx2、Sp7、Balp、Bglap和蛋白Runx2、Osteorix的表达，显著减少Pparγ、Lpl和蛋白PPARγ的表达；碱性磷酸酶染色、茜素红染色和油红染色结果显示Exendin-4明显增强BMSCs向成骨细胞分化及矿化成熟的能力，抑制其脂滴形成的能力，表明Ex-4能促进BMSCs向成骨细胞分化，抑制其向脂肪细胞分化；GLP-1受体抑制剂Ex(9-39)或GLP-1R-shRNA能明显减弱Ex-4的作用。随后我们探讨了Ex-4促进BMSCs骨向分化的分子机制。免疫共沉淀及Western-blot结果显示Ex-4通过活化PKA进而稳定BMSCs胞浆内的β-catenin，并能显著增加β-catenin的核转位，增加TCF7L2基因的表达，从而调控细胞向成骨方向分化。本研究揭示了GLP-1调骨代谢的新机制，为失重性骨质疏的防治提供了新药靶。