脉冲电磁场激活骨内特异性内皮细胞启动骨形成防治骨质疏松的机制研究

Pulsed electromagnetic fields (PEMFs) has been considered as a potential candidate for the prevention and treatment of osteoporosis, however, the mechanism by which PEMFs modulates osteogenesis is still elusive. A recent study showed that a specific vessel subtype (Type H) enthothelial cells, strongly positive for CD31 and endomucin, were located mainly around the metaphysis and endosteum. These enthothelial cells mediate growth of the bone vasculature, generate distinct metabolic and molecular microenvironments, maintain perivascular osteoprogenitors and couple angiogenesis to osteogenesis. Our previous experiments have explored the mechanisms of PEMFs-enhanced bone formation from the perspective of osteoblasts and osteoclasts. Therefore, this study is designed to test the hypothesis that, PEMFs might take Type H enthothelial cells as the target of intervention, and induce the expansion of these endothelial cells and bone formation, so as to reverse the decline of bone loss caused by aging or osteoporosis. These process might be regulated by endothelial-cell-specific hypoxia inducible factor-1α (HIF-1α) activity in bone. The PEMFs will be applied to the elderly and the ovariectomized mice, and the induced change of Type H enthothelial cells and bone formation will be detected. Furthermore, the regulation mechanism of HIF-1α will be explored. Taken together, this study might provide a novel insight for the mechanism of PEMFs-induced bone formation and provide new therapeutic targets for the treatment of osteoporosis.

脉冲电磁场(PEMFs)能增加骨密度，防治骨质疏松(OP)，但其调控骨形成的机制尚未完全阐明。研究发现，骨内毛细血管Type H亚型内皮细胞主要位于干骺端和骨内膜，其细胞表面抗原CD31和Endomucin 表达强阳性，参与骨内血管生成和骨形成耦联机制。我们前期实验从成骨细胞和破骨细胞等角度探索了PEMFs促进骨形成的作用机制。在本项目中我们提出“PEMFs以骨内Type H亚型内皮细胞作为干预靶点，在HIF-1α介导下增加其数量及活性，启动骨形成，从而逆转老年及OP引起的骨量减少”的假设。为此，本项目拟以骨内Type H亚型内皮细胞为研究对象，在老年及去势OP小鼠模型中，观察PEMFs对其表达的影响以及骨形成的变化，并探讨HIF-1α信号的调控机制。从而为PEMFs调控骨形成的机制提出全新的科学观点，亦可望为其临床治疗OP提供新的靶标。

背景：脉冲电磁场(PEMFs)能增加骨密度，防治骨质疏松(OP)，但其调控骨形成的机制尚未完全阐明。研究发现，骨内毛细血管Type H亚型内皮细胞主要位于干骺端和骨内膜，其细胞表面抗原CD31和Endomucin 表达强阳性，参与骨内血管生成和骨形成的耦联机制。我们前期实验从成骨细胞和破骨细胞角度证实了PEMFs促进骨形成的作用机制。.目的：PEMFs以骨内Type H亚型内皮细胞作为干预靶点，在HIF-1α介导下增加其数量及活性，启动骨形成，从而逆转OP引起的骨量减少。.结果：本项目以骨内Type H亚型内皮细胞为研究对象，在去势小鼠OP模型中，采用细胞及分子生物学、免疫组化、μCT、流式细胞学等方法观察PEMFs对其表达的影响以及骨形成的变化，并探讨HIF-1α信号的调控机制。频率15 Hz、强度2.4~2.6 mT、方形波的PEMFs在去势小鼠OP造模后12周进行1小时/天、8周的干预后，三维CT结果显示，PEMFs干预显著增加了去势OP小鼠股骨远端松质骨密度；荧光定量PCR发现PEMFs显著提高了小鼠成果相关基因Osterix, PDGFB 和 Col-1a1的表达ELISA结果提示PEMFs能够改善去势OP小鼠的骨代谢，增加骨形成的碱性磷酸酶ALP和骨钙素OC表达，降低骨吸收的Ⅰ型胶原交联羧基端肽CTX和抗酒石酸酸性磷酸酶TRACP5表达。同时，免疫组化和流式细胞学结果发现，特定参数的PEMFs促进了干骺端CD31和Emcn双染细胞的阳性表达，提示PEMFs具有诱导骨内皮细胞CD31hiEmcnhi的作用。此外，免疫组化和定量PCR结果也提示，PEMFs干预的去势OP小鼠长骨中HIF-1α的表达，且HIF-1α阻断剂PX-478能够抑制PEMFs对去势OP小鼠诱导骨形成和骨内皮细胞CD31hiEmcnhi的效果。.结论和意义：上述研究发现，特定参数的PEMFs能够诱导去势OP小鼠诱导骨形成和骨内皮细胞CD31hiEmcnhi，其偶联作用可能与骨内皮细胞CD31hiEmcnhi上HIF-1α的调控有关。本研究以PEMFs调控骨形成的机制提出新的科学观点，引入了骨内皮细胞CD31hiEmcnhi作为其临床治疗OP的创新的干预靶点。有关CD31hiEmcnhi上HIF-1α作用机制的深入研究，亦可优化PEMFs的促骨形成效果。