棕色脂肪通过Wnt信号通路调控骨细胞力学响应的作用及其机制

Bone remodeling can be regulated through energy metabolism, and there is an interaction between energy metabolism and bone remodeling. Our previous work showed that bone remodeling and brown adipose tissue had close interactions. However, how the brown adipose tissue regulates the mechanical response of osteocyte and bone biomechanical properties is not clear. This project will use the existing gene knockout mice of osteocyte and brown adipose tissue , through cell culture, osteocyte mechanical loading, cell and molecular biology，physiological and fatigue loading on ulna, histological and morphometric methods to study how brown adipose tissue influence the expression of Sclerostin in osteocyte. And how brown adipose tissue regulates osteocyte mechanical response through the Wnt signaling pathway to affect bone remodeling and bone biomechanical property. This study will help clarify the mechanism how brown adipose tissue influence the bone remodeling. It is expected to provide new targets and mechanobiology basis to treat diseases such as osteoporosis.

骨重建可以通过全身能量代谢进行调节，能量代谢和骨重建之间存在交互作用。本项目组既往工作表明骨重建和棕色脂肪间有密切的相互作用和影响，但是棕色脂肪如何调控骨细胞力学响应，影响骨生物力学性能的力学生物学机制尚不清楚。本项目将利用已有的骨细胞和棕色脂肪细胞部分性基因敲除小鼠，通过细胞共培养，骨细胞力学加载、细胞分子生物学、尺骨生理性加载和疲劳加载、组织学和形态计量等技术方法，多层次研究棕色脂肪组织通过影响骨细胞Sclerostin的表达，从而通过Wnt信号通路调控骨细胞力学响应，调节骨重建并影响骨生物力学性能的作用及其机制，将有助于阐明能量代谢过程中棕色脂肪影响影响骨重建机制，并有望为骨质疏松症等疾病的治疗提供新靶点和力学生物学基础。

目的：体内的脂肪组织包括白色脂肪（white adipose tissue, WAT），棕色脂肪（brown adipose tissue，BAT）和米色脂肪（beige adipose）组织，其中白色脂肪主要用于储存能量；棕色脂肪和米色脂肪则通过分解代谢储能物质来产生能量，并以热能形式传递全身。研究表明，体内白色脂肪组织增加会引起骨折风险上升，而棕色脂肪的体积则与骨量存在正相关关系。但是棕色脂肪对骨量和骨重建的影响及具体机制尚不明确。因此，本研究拟通过体内外实验探究棕色脂肪对骨量和骨重建的影响及具体机制。.结果：1.研究发现，与对照组相比，低温环境饲养14天后，小鼠BV/TV较对照组显著降低；低温环境饲养14天后，小鼠骨细胞突触长度及所占面积较室温对照组减少；H&E及Caspase3染色结果表明，低温环境饲养14天后小鼠骨细胞凋亡增加；茜素红和钙黄绿素双标、TRAP染色及血清学指标显示，低温环境饲养14天的小鼠骨形成能力降低同时骨吸收能力增加。2. 小鼠肩胛间区棕色脂肪体积在低温环境刺激14天后开始增加，并持续至28天；体外实验表明，棕色脂肪细胞培养上清能够促进BMSC的成骨分化但抑制BMM向破骨细胞分化；衰老小鼠注射棕色脂肪细胞培养可以增加衰老小鼠骨量。3.棕色脂肪细胞分泌的外泌体抑制破骨分化并能够缓解卵巢切除引起的骨量丢失。棕色脂肪细胞分泌的外泌体作用后，BMM分化形成破骨细胞的数量减少，同时与破骨分化相关的基因表达水平降低；TRAP染色及RT-PCR结果表明，转染mimic-miRNA-423-5p后的BMM破骨分化形成能力减弱。卵巢切除小鼠注射棕色脂肪细胞分泌的外泌体后，BV/TV较注射PBS的对照组增加。.结论：低温环境引起的骨量变化可能与骨细胞凋亡引起的骨重建改变有关；低温环境刺激诱导产生的棕色脂肪具有促进骨重建，增加骨量的作用，其机制可能是通过外泌体中miR-423-5p发挥抑制破骨分化形成起作用。