作者：中国人民解放军海军军医大学第一附属医院创伤骨科 马涑涑
成纤维细胞是软组织中的主要细胞类型,目前被确定为HO形成的重要成骨前体细胞。损伤性周围细胞外基质(ECM)主要由成纤维细胞产生。组织学显示,HO早期伴随水肿和渗出性细胞浸润,随后成纤维细胞大量增殖、新生血管生成、软骨细胞分化,最终导致成熟骨形成。细胞命运调控理论的发展为理解HO提供了新视角。1957年,康拉德·霍尔·沃丁顿用一个球从斜坡顶部滚向坡底的单向路径来比喻发育过程,形象的说明细胞分化具有单向性；但1987年的研究发现转录因子如肌分化因子(MyoD)；通常表达在骨骼肌细胞中)可实现小鼠胚胎成纤维细胞向成肌细胞的转分化,改变了细胞身份,即“细胞重编程”。成纤维细胞与其他细胞类型之间存在显著谱系间可塑性和表型转换,其向成骨细胞的重编程可能是HO形成的关键机制。研究表明,Wnt、成纤维细胞生长因子(FGF)/成纤维细胞生长因子受体(FGFR)、转化生长因子(TGF)-β/骨形态发生蛋白(BMP)等信号通路在此过程中发挥重要作用,而特定转录因子与非编码RNA的协同调控可能影响这一进程。深入了解这些信号通路的交互作用及其在骨疾病中的机制,将为HO治疗提供新靶点。
成纤维细胞的成骨特性
成纤维细胞作为HO微环境中ECM和生长因子的主要来源,兼具组织修复与成骨分化潜能。研究表明,强直性脊柱炎(AS)患者Runt相关转录因子2(Runx2)及骨钙素(OCN)表达显著上调,且miR2045p通过靶向Notch2抑制其成骨分化。此外,胰岛素样生长因子(IGF)-1与促炎因子环氧合酶(COX)-2可协同BMP-9增强小鼠胚胎成纤维细胞的成骨能力。血小板衍生的浓缩生长因子(CGF)和富含白细胞及血小板的纤维蛋白(L-PRF)通过FGF、BMP-2、TGF-β1信号通路促进牙周韧带成纤维细胞(PDLFs)的碱性磷酸酶(ALP)活性,凸显生长因子在成骨分化中的枢纽。因此,成纤维细胞具有成骨特性,且生长因子在促成纤维细胞成骨分化中起重要作用。
成纤维细胞重编程为成骨细胞
成纤维细胞重编程为成骨细胞主要通过转录因子和非转录因子介导。
转录因子介导 转录因子组合如RXOL鸡尾酒组合(Runx2、Osx、Oct3/4、L-Myc)可高效诱导人类成纤维细胞向功能性成骨细胞转分化,且移植后显著促进免疫缺陷小鼠骨缺损修复；进一步研究表明,减少因子数量如OL(Oct3/4,LMyc)或单一Oct4仍能诱导骨基质生成,表明核心因子存在功能冗余。Zhu等筛选的Runx2、Osx、远端缺失同源盒基因5(Dlx5)和活化转录因子(ATF)-4的4个成骨转录因子,可迅速高效地诱导转基因小鼠成纤维细胞重编程为诱导性成骨细胞(iOBs),其形态与矿化能力接近原代成骨细胞,且全基因组DNA甲基化特征与初级成骨细胞高度相似。Runx2作为成骨分化的主要调节因子贯穿分化全程,其缺失会导致成骨细胞分化停滞和骨化缺陷。Osx位于Runx2的下游,通过锌指结构域调控晚期分化,其缺失同样导致骨形成障碍。Myc上调ALP和BMP-2促进AS患者HO的进程。Krüppel4样因子(KLF-4)是一种锌指蛋白,也称为GKLF或EZF,与Oct4协同将小鼠诱导的多能干细胞重编程为软骨细胞,提示其多谱系分化潜能。SRY-box转录因子9(SOX9)通过SRY结构域调控软骨细胞增殖与成熟,间接影响成骨微环境。
非转录因子介导 使用外源性蛋白质、激动剂、抑制剂和表观遗传效应物,在无需转录因子的情况下增强细胞重编程。如胰岛素样生长因子结合蛋白7(IGFBP7)通过白细胞介素(IL)-6自分泌机制、激活素受体样激酶5(ALK5)特异性抑制剂ALK5i-Ⅱ激活Runx2通路、DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷表观遗传修饰等方法间接增强重编程效率。综上研究揭示了成纤维细胞在非转录因子介导下重编程的复杂调控,为HO的靶向治疗提供了新的理论依据与潜在干预靶点。
成纤维细胞重编程为成骨细胞的多重信号通路调控
Wnt信号通路 Wnt通路通过经典(β-catenin依赖)和非经典途径调控骨形成与细胞命运。经典Wnt信号通路通过表观遗传修饰驱动非成骨细胞向成骨细胞转分化,但其效应具有细胞类型特异性。例如,Kif26b通过Wnt/β-catenin通路抑制前交叉韧带干细胞的成骨转分化。肌成纤维细胞作为成纤维细胞的活化状态,具有高表达成纤维细胞活化蛋白-α(FAP-α)的特性,可重编程为成骨样细胞,Wnt信号在此过程中参与调控血管平滑肌的异常钙化。然而,Wnt4通过抑制TGF-β1诱导的Smad3/细胞外信号调节激酶(ERK)通路,阻断成纤维细胞向肌成纤维细胞转分化。单细胞测序证实Wnt/β-catenin过度激活可促进滑膜成纤维细胞矿化,与创伤性骨关节炎密切相关。非编码RNA(如miRNA和piRNA)通过调控Wnt通路影响重编程。miR-12200-5p靶向Apc、Tcf4、Tcf7、Wnt3a、Wnt5a和Lrp6等多个关键因子抑制成骨转分化,而piRNA-63049通过抑制β-catenin信号通路抑制骨形成。但现有研究缺乏人类样本验证,且非编码RNA与Wnt通路的互作机制仍需深入探究。
FGF信号与Wnt信号通路协同作用 FGF/FGFR信号通路通过激活下游转录因子调控细胞命运,使成纤维细胞重编程为成骨细胞。FGF2通过上调Wnt10b/β-catenin和抑制Dickkopf相关蛋白2(Dkk2)促进成骨转分化,FGF2-/-小鼠模型显示其缺失导致磷酸化糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)磷酸化减少和降低Wnt10b、Lrp6及β-catenin的mRNA表达,导致骨形成障碍。牙根发育研究表明,FGFR1表达下调触发Piezo2机械转导基因激活,通过Wnt信号通路调控Gli1+祖细胞分化致骨形成,揭示力学信号与生化通路的交叉调控。综上研究揭示FGF与Wnt通路形成级联调控网络,但其在不同病理条件下的协同机制仍需系统研究。
多通路协同机制 BMP-SMAD信号通路的激活可诱导成纤维细胞命运转变,促进成骨标志物如ALP和骨唾液酸蛋白(BSP)的表达；而TGF-β通路异常与多种骨骼畸形直接相关。Notch信号通路在双相磷酸钙陶瓷诱导的异位骨形成中促进骨髓间充质干细胞(BMSCs)成骨分化,但其体内效应需验证。Hippo信号通路通过调节关键分子,如Ras相关结构域家族成员2(RASSF2)、神经纤维瘤病2型蛋白(NF2)、哺乳动物STE20样激酶1/2(MST1/2)等,间接影响成骨细胞的分化和功能。机械信号(如培养基质的硬度)通过RhoA-ROCK通路增强Runx2、Dlx5表达。体外实验表明,硬质水凝胶培养环境能够显著提高成骨细胞样细胞的产量和功能成熟度,而体内实验也证实这些重编程细胞能够加速骨再生和异位骨形成；然而,机械负荷诱导的细胞自噬可能通过mTOR通路产生双向调控。未来需结合多组学技术分析机械信号与生物学信号间的相互作用。
结论与展望
HO的形成涉及成纤维细胞重编程、信号通路交互及微环境调控等生物学过程。研究表明,成纤维细胞作为HO形成的核心前体细胞,其向成骨细胞的重编程受Wnt、FGF/FGFR、BMP/TGF-β、Notch、Hippo等多种信号通路的精密调控:Wnt通路通过β-catenin依赖性机制激活成骨分化程序,FGF信号则通过协同Wnt通路增强Runx2表达,而BMP-SMAD通路直接诱导成骨标志物ALP/BSP的产生；非编码RNA(如miR-12200-5p、piRNA-63049)通过靶向Wnt通路关键分子抑制骨形成,揭示了表观遗传调控在重编程中的潜在作用。然而,HO的发病机制仍未完全阐明,尤其是成骨前体细胞的来源、机械应力与炎症微环境对信号通路的动态调控机制亟待阐明。未来研究方向需聚焦以下方向:(1)深入探讨多条信号通路在成纤维细胞重编程为成骨细胞中的协同或拮抗作用；(2)揭示非编码RNA在HO形成中的作用及其与信号通路的相互作用；(3)构建类器官或动物模型,结合体内外实验,明确关键靶点的临床转化潜力；(4)基于机制研究开发早期生物标志物,并设计针对信号通路的靶向干预方案。综上所述,通过深入研究成纤维细胞的重编程机制及其调控网络,有望为HO及其他骨疾病的诊断和治疗提供新的靶点和策略。
来源：实用骨科杂志2025年6月第31卷第6期
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