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CR(IF=46)| 同济大学王佐林团队鉴定了一种新的细胞谱系,可作为颌面骨再生中的骨祖细胞

骨再生源于骨祖细胞通过软骨内或膜内骨化的增殖和分化;并且再生能力随着年龄和雌激素的减少而下降。上颌窦底提升术(MSFL)是一种常用的引导上颌骨再生的外科手术。然而,对 1210 例 MSFL 后上颌骨再生临床病例的影像学分析显示,鼻窦内成骨效果与年龄和性别无关。这可能与排列在鼻窦腔内的Schneiderian膜有关。鉴于这一生物学过程的特殊性,该研究旨在阐明 MSFL 诱导骨再生的潜在机制。

2022年7月12日,同济大学王佐林团队在Cell Research(IF=46)在线发表题为“A novel lineage of osteoprogenitor cells with dual epithelial and mesenchymal properties govern maxillofacial bone homeostasis and regeneration after MSFL”的研究论文,该研究首先建立了一个小鼠模型来模拟临床 MSFL。通过单细胞 RNA 测序和基于流式细胞术的批量 RNA 测序,该研究鉴定了一种新的 Krt 14+Ctsk + 细胞亚群,它同时具有上皮和间充质特性以及骨祖细胞的转录组学特征。

双重组酶介导的谱系追踪和功能丧失分析表明,这些 Krt 14+Ctsk + 祖细胞通过分化为具有强大成骨能力的 Krt 14-Ctsk + 后代,有助于 MSFL 诱导的成骨和生理性骨稳态。此外,该研究在人类Schneiderian膜样本中检测到相似的 Krt 14+Ctsk + 细胞群,其显示出与小鼠相应细胞高度相似的成骨潜力和转录组学特征。总之,这种具有骨祖细胞特征和双重上皮-间质特性的 Krt 14+Ctsk + 群体的鉴定,为理解骨再生提供了新的见解,并可能为临床应用开辟更多可能性。

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损伤引起的骨再生是维持骨骼功能的基本生理反应。这是一个复杂的病理生理过程,依赖于多个细胞网络的复杂调节。作为骨再生的驱动力,骨祖细胞分化为成骨细胞,并通过膜内或软骨内骨化,协调再生过程并及时和稳健地维持稳态骨转换。
以前的研究已经描述了轴向和附肢骨中相对完整的成骨网络,其中涉及骨骼祖细胞的不同亚群,包括骨髓基质细胞、软骨细胞和骨膜基质细胞。已知具有间充质来源的骨祖细胞位于骨膜、骨髓和生长板。长骨中骨骼祖细胞的再生能力受年龄和雌激素水平的显著影响。它在衰老和绝经后下降,已被多项研究证实。
颅颌面骨骼是骨骼系统的一部分。由于颅颌面骨的特殊解剖结构和生理特征,颅颌面骨组织中骨祖细胞的功能与长骨不同。最近的证据表明,颅骨区域的主要骨祖细胞主要位于颅骨的骨膜或suture mesenchyme。到目前为止,已经验证了四种标记物可以标记suture中的骨祖细胞,包括组织蛋白酶 K (Ctsk)、Prrx1、Gli1 和 Axin2。
包括上颌骨和鼻骨在内的颌面骨是影响中脸轮廓和功能的重要骨骼结构。不同原因引起的颌面骨缺损会严重影响面部轮廓以及言语、咀嚼和吞咽等生理功能。上颌骨体内有一个特殊的解剖结构,称为上颌窦,其腔内衬有Schneiderian膜(SM),是呼吸上皮的延伸。
有充分证据表明,临床上使用的一种引导骨再生技术,称为上颌窦底提升术 (MSFL),通过植入牙种植体稳定抬高SM,能够诱导窦内新骨形成,再生骨量与膜抬高高度密切相关。基于1210例临床MSFL病例的影像学分析,观察到MSFL的成骨效果与年龄或性别无关,这与长骨修复中描述的现象不同。到现在为之,上颌窦成骨的潜在机制尚未阐明。
描述 Krt 14+Ctsk + 细胞转变和 Krt 14+Ctsk + 细胞在骨再生中的作用的示意图(图源自 Cell Research )
据报道,建立 MSFL 样动物模型的方法有两种,即经鼻和经肺泡方法。在本研究中,通过上述两种方法建立了两个小鼠模型来模拟临床 MSFL。使用组织学和基于显微 CT 的射线分析,观察到在鼻腔和上颌窦中均实现了种植体周围骨再生。通过批量 RNA 测序 (RNA-seq),该研究发现呼吸道上皮来源的鼻粘膜 (NM) 和 SM 之间的转录组学特征高度相似。然而,小鼠上颌窦的有限空间不允许获得足够的样本进行后续高通量测序。因此,通过鼻骨生成的MSFL样模型最终用于收集再生骨组织进行后续分析。
通过使用单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 剖析异源细胞群中的细胞组成和谱系层次,该研究确定了一个独特的细胞簇 (Krt 14+Ctsk ),共表达上皮细胞 (Krt14) 和间充质细胞 (Ctsk)标记。通过基于荧光激活细胞分选 (FACS) 的批量 RNA-seq,该簇被证明与骨祖细胞和双上皮间充质特性具有相同的转录组特征。通过双重重组酶介导的谱系追踪和功能丧失分析,该研究发现 Krt 14+Ctsk + 后代对 MSFL 诱导的成骨和生理性骨稳态都有贡献。除鼻腔外,Krt 14+Ctsk + 祖细胞也在通过上颌骨生成的小鼠 MSFL 模型的再生组织中发现。总之,该研究工作表明,Krt 14+Ctsk + 细胞可作为颌面骨再生中骨祖细胞的新谱系。

参考消息:
https://www.nature.com/articles/s41422-022-00687-x


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