炎症性肠病（Inflammatory bowel diseases, IBD）是一种特发性慢性肠道炎症性疾病，主要包含溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD），常见的症状有腹痛、腹泻甚至血便。该病在西方国家的患病率和发病率最高，可达0.5%和0.3‰。IBD的肠源性炎症会对患者全身代谢产生影响。多数患者会并发骨量下降、骨质疏松，发生率分别可达67%和57.6%；相应地使骨折风险升高至正常人的1.3-1.4倍。然而，针对IBD骨病的发病机制和治疗方案的探索却进展缓慢。骨量变化依赖于破骨细胞介导的骨吸收和成骨细胞介导的骨形成相互偶联，以保持生理状态下的动态平衡。近年来，在诸多骨病如骨质疏松中，旨在促骨形成的合成代谢疗法收获多方认可，尤其在骨量重度低下患者中疗效甚佳。然而，源于骨髓间充质细胞（BMSC）的成骨细胞所介导的骨形成在IBD中的变化却至今缺乏系统研究，制约着临床医生对IBD骨并发症的有效干预。
2022年12月12日，来自上海大学转化医学研究院（Institution of Translational Medicine, SHU）的苏佳灿教授团队/长海医院消化内科徐灿、陈晓教授团队在Cell Reports Medicine发表了题为“Exosome-based bone targeting drug delivery alleviates impaired osteoblastic bone formation and bone loss in inflammatory bowel diseases”的研究文章( 2022 Dec 23;100881)，介绍了其团队发现的IBD（UC）中骨形成变化和干预手段开发的研究成果。该研究系统证明了UC中存在显著的骨量下降、骨形成减少，靶向给药促进BMSC成骨分化、增加骨形成可有效治疗IBD骨病。该研究的第一作者为海军军医大学郭嘉炜博士、上海大学转化医学研究院汪拂晓博士和胡衍博士后，通讯作者为上海大学转化医学研究院苏佳灿教授、上海长海医院陈晓和徐灿教授。
该研究团队构建了两种实验性UC模型（葡聚糖硫酸钠、IL-10敲除+吡罗昔康），观察到了肠源性炎症因子通过循环系统影响骨髓中的BMSC；并且炎症状态下骨量降低、成骨分化和骨形成受抑，成脂分化增强、骨折风险升高。研究者沿用本团队前期确立的工具细胞系基因编辑策略，生成基于骨靶向外泌体载药纳米颗粒（NP），促进BMSC成骨分化治疗UC模型中的骨并发症。（图1）
图1. 图文摘要
在葡聚糖硫酸钠构建的UC小鼠模型中，μCT检查发现其股骨内松质骨和皮质骨骨量的显著下降。定量分析指标有：骨体积分数（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）、骨小梁数量（Tb.N）、骨表面积骨体积比（BS/BV）、骨小梁分离度（Tb.Sp）、结构模式指数（SMI）、皮质骨厚度（Ct.Th）、皮质骨孔隙率（Porosity），差异均具有统计学意义（p<0.05）。（图2）在慢性UC模型和IL-10-/-+吡罗昔康模型中，也观察到了类似结果。
图2. μCT揭示的UC中骨量下降
在葡聚糖硫酸钠构建的UC小鼠模型中，钙黄绿素双标试验结果显示其股骨的骨外膜（Pb）、骨内膜（Eb）以及松质骨（Tb）的骨形成率（BFR）和矿物沉积率（MAR）均更低，差异具有统计学意义（p<0.05）。（图3）在慢性UC模型和IL-10-/-+吡罗昔康模型中，也观察到了类似结果。
图3. 钙黄绿素双标试验揭示的UC中骨形成减少
通过流式细胞分选的方式，获取葡聚糖硫酸钠构建的UC小鼠模型和对照小鼠股骨中的BMSC，进行转录组测序（RNA-seq）。经过生物信息学分析可以发现与成骨/成脂分化相关的信号通路转录水平差异，其中Wnt信号通路的主要基因显著转录下调，因此选取该通路进一步研究。（图4）目前临床上抗TNF-α药物是IBD患者的主要治疗方案之一，因此团队通过对蛋白相互作用、蛋白泛素化以及蛋白降解等研究，确定了TNF-α在体外将促进BMSC内的Wnt/β-catenin降解，从而抑制下游成骨分化相关基因转录的作用机制。
图4. RNA-seq 揭示的UC中BMSC内Wnt信号通路下调
该团队还收集了临床初诊UC的患者血清样本、健康成年人BMSC进行体外研究。qRT-PCR结果显示，来自UC患者的血清将抑制正常BMSC的成骨分化相关基因（Ocn/Osterix/Runx2）转录而促进成脂分化相关基因（Fabp4/Pparγ）转录（p<0.05），初步在临床样本中验证了理论的正确性。（图5）
图5. 人BMSC在UC患者血清处理下的基因表达变化
后续，该团队沿用前期对工具细胞系（NIH/3T3）进行基因改造，以获取骨骨靶向外泌体的策略，生产搭载了Wnt通路激动剂Wnt agonist 1的GLG1+载药纳米颗粒（NP），并成功验证相关表征和骨靶向性。（图6）
图6. 构造基于骨靶向外泌体的载药纳米颗粒
研究人员通过尾静脉注射的方式将NP递送至葡聚糖硫酸钠构建的UC小鼠骨内，经μCT检查发现其股骨内松质骨和皮质骨骨量的显著下降得到显著改善。定量分析指标的差异具有统计学意义（p<0.05），明确了其提高骨量的作用。（图7）
图7. 载药纳米颗粒改善UC中的骨量下降
同时，钙黄绿素双标试验的结果显示，NP治疗的葡聚糖硫酸钠构建的UC小鼠股骨的骨形成率（BFR）和矿物沉积率（MAR）降低显著改善。（p<0.05），明确了其促进骨形成的作用。（图8）
图8. 载药纳米颗粒改善UC中的骨形成减少
研究团队系统验证了多种IBD模型（UC）中存在骨量下降、骨形成减少、BMSC成骨分化受抑制的现象，并生产骨靶向纳米载药颗粒干预BMSC的分化命运，成功实现IBD骨病促骨合成代谢疗法的前临床研究。未来，该团队拟深入探究多种炎症性骨病中的骨代谢变化，并致力于骨靶向纳米材料的改进和开发，从而在骨研究领域提供更多的临床转化机会，构建基础研究向临床应用的桥梁。
参考文献：
Exosome-based bone-targeting drug delivery alleviates impaired osteoblastic bone formation and bone loss in inflammatory bowel diseases, Cell Rep Med. 2022 Dec 23;100881. doi: 10.1016/j.xcrm.2022.100881.
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