摘要：说到骨质疏松，这可不是什么好事儿！它就像个“隐形的偷骨贼”，悄悄地把骨头里的钙偷走，让骨头变得又脆又容易断。尤其是那些绝经后的阿姨们，体内雌激素一下子少了，骨质疏松就更容易找上门。以前的研究虽然知道雌激素少了会影响骨头的矿物质和细胞反应，但一直没搞清楚具体是怎

说到骨质疏松，这可不是什么好事儿！它就像个“隐形的偷骨贼”，悄悄地把骨头里的钙偷走，让骨头变得又脆又容易断。尤其是那些绝经后的阿姨们，体内雌激素一下子少了，骨质疏松就更容易找上门。以前的研究虽然知道雌激素少了会影响骨头的矿物质和细胞反应，但一直没搞清楚具体是怎么回事。而且，以前那些研究骨头的模型，都没把血管细胞考虑进去，这可不行！因为血管在骨头生长和修复里可是个关键角色呢！

文章介绍

最近，一项来自爱尔兰戈尔韦大学Laoise M. McNamara教授团队发表在《AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY》上的研究就是想搞清楚雌激素缺乏的时候，血管细胞和骨质疏松之间到底有什么秘密联系，顺便开发出一个更接近真实情况的三维血管化、矿化的人类骨组织模型，看看能不能解开这个谜团。让我们一起深入了解一下吧！

#1

研究思路

Methods

想象一下，如果我们要在实验室里“种”出一块像真的骨头一样的东西。首先得使用一种叫“凝胶”的材料，把骨髓干细胞和血管细胞混在一起，让它们在一个小盒子里慢慢生长。这个过程有点像做蛋糕，得给细胞们加点“营养剂”，比如维生素、矿物质之类的，让它们能变成骨头和血管的样子。

然后让这些细胞先变成软骨的样子，因为骨头是从软骨开始慢慢变硬的。接着再给它们加点“魔法粉”，让血管细胞开始生长，就像在软骨里种下小树苗一样，慢慢地长出血管来。

最后再看看这些细胞在有雌激素和没有雌激素的情况下，骨头会有什么变化。比如，会不会变得更硬、血管长得怎么样之类的。通过这个小小的模型，来模拟真实骨头里发生的事情，这种模型就被称为“骨类器官”。

图1. 实验设计。A：通过在明胶微生物转谷氨酰胺酶构建体中分化人骨髓间充质干细胞（HBMSC）来开发软骨生成模板（从-42天到-21天）。B：在成骨分化和雌激素补充下（从-21天到0天），在血管和非血管明胶微生物转谷氨酰胺酶构建体中培养软骨生成模板。C：在第0天（培养第43天）建立矿化血管和非血管模型，并在补充雌激素或停用雌激素的情况下进一步培养（从第0天到第21天）。

#3

研究结果

Results

1. 多细胞、血管化和矿化的人骨类器官模型的开发

用显微镜拍摄骨类器官的“成长日记”，那些软软的、像果冻一样的软骨模板（就是骨头的“胚胎”）被血管细胞包围着，还长出了好多像小桥一样的连接，说明血管细胞和软骨细胞已经开始相互作用了（图2A-B）。接着用特殊的染色方法给细胞染色，发现血管细胞（CD31和EMCN标记）真的成功“入驻”了软骨模板，还形成了像小血管一样的结构（图2C-D）。

再看看软骨模板里面的蛋白质，像胶原蛋白II、X和I，它们的分布和数量都跟真实骨头生长的过程很像，说明骨类器官模型很靠谱（图2E-G）。还发现了骨细胞分化标志物（比如DMP-1和sclerostin），这些都说明骨类器官模型里的细胞正在朝着“变成硬骨头”的方向努力（图2H-I）。

用一种叫“冯·科萨染色”的方法，看到软骨模板的中间出现了小小的、亮亮的矿物质沉积，这是骨头变硬的关键一步（图2J）。这些结果表明，骨类器官模型成功地模拟了骨头从软骨变硬的过程，而且血管细胞也成功地参与进来了，这是研究骨质疏松的重要一步。

图2. 通过软骨内成骨开发健康（含雌激素）血管化和矿化的人骨类器官模型。A-B：第0天（培养的第43天）的H&E染色，软骨生成模板（黄色箭头）确认血管预处理明胶层（绿色箭头）通过多细胞连接（蓝色箭头）与软骨生成模板整合。到第21天，免疫荧光和免疫组化染色证实了CD31-Emcn-H型内皮细胞的保留和分布：第21天（C-D）的CD31（绿色）、内粘蛋白（红色）、DAPI（蓝色），细胞外基质的产生：胶原蛋白II、X和I（E-G），成骨细胞向骨细胞的分化：牙本质基质酸性磷蛋白I（DMP-I）（红色），DAPI（蓝）、硬骨素（绿色），肌动蛋白矿物冯·科萨染色，矿物结节（蓝色箭头）（J）。

2. 雌激素补充下的血管启动促进骨细胞分化和矿化

研究人员发现，在雌激素的“滋润”下，血管化的骨组织（有血管细胞参与）和非血管化的骨组织（没有血管细胞参与）表现有所不同。到了第10天和第21天，两种组织都开始形成骨相关的蛋白质，比如胶原蛋白I、DMP-1（一种骨细胞分化标志物）和sclerostin（一种调节骨形成的蛋白）。不过，血管化的骨组织在第21天时，sclerostin的含量明显更高，而胶原蛋白I的含量则相对较低，这可能意味着血管化的骨组织在骨细胞分化和成熟方面更“积极”一些。

另外，从矿化角度来看，两种组织在第10天和第21天都出现了矿化结节，但血管化的骨组织在第21天时矿化结节更明显，说明它们在形成骨质方面表现得更出色。总的来说，在雌激素存在的情况下，血管化的骨组织在骨细胞分化和矿化方面似乎更具优势，这可能暗示血管细胞在骨形成过程中起到了某种“助力”作用（图3）。

图3. 雌激素补充下的血管启动促进骨细胞分化和矿物质产生.第10天和第21天的组织学染色和定量证实了胶原蛋白I（A-I）、DMP-1（红色）、DAPI（蓝色）、硬骨素（绿色）、肌动蛋白（红色）DAPI（蓝色）。

在第10天，血管化的骨组织里面的胶原蛋白X（提示细胞快要成熟）比较少，说明血管化的骨细胞还在慢慢长大，没有那么快成熟。但到了第21天，血管化的骨组织里面的胶原蛋白X开始变多了，说明细胞开始准备成熟了。

另外，研究人员还发现了一个有趣的事情：在血管化的骨组织里，一种叫BCL2的基因（帮助细胞抵抗死亡）在第21天的时候比第10天少了，而CASP3（细胞死亡的标志）却变多了。这说明在血管化的骨组织里，可能会有一些细胞准备“退休”或者“牺牲”自己，出现了细胞凋亡（图4）。

图4. 雌激素补充下的血管启动延迟了肥大（X型胶原）和细胞凋亡。第10天和第21天组织学染色和X型胶原定量（A-I）。J-M：BAX、BCL2、BAX/BCL2、CASP3的基因表达。

3. 雌激素缺乏下的血管启动导致成骨分化和矿物质产生的增加

当雌激素没了之后，血管化的骨组织和非血管化的骨组织都开始“加班加点”地工作。到了第10天和第21天，两种组织都开始疯狂地生产胶原蛋白I、DMP-1（骨细胞分化标志物）和sclerostin（调节骨形成的蛋白），而且还出现了很多矿化结节。

不过，血管化的骨组织表现得更“努力”一些。到了第21天，血管化的骨组织里面的胶原蛋白I和sclerostin的含量都比非血管化的骨组织高，而且矿化结节也更明显。这说明在雌激素没了之后，血管化的骨组织在骨细胞分化和矿化方面更明显（图5）。

图5. 雌激素缺乏下的血管启动促进了骨细胞分化，并显著增加了矿物质沉积。第10天和第21天的组织学染色和定量证实了胶原蛋白I（A-I）、DMP-I（红色）、DAPI（蓝色）、硬骨素（绿色）、肌动蛋白（红色）DAPI（蓝色）。

当雌激素没了之后，血管化的骨组织和非血管化的骨组织都开始“加速成长”，但同时也出现了一些“压力信号”。在第10天和第21天，两种组织里的胶原蛋白X都增加了，说明细胞们都在加速成熟。不过，到了第21天，血管化的骨组织里的CASP3（细胞凋亡的标志）也增加了，这说明血管化的骨组织里的细胞们在加速成熟的同时，也感受到了更多的“压力”，甚至有一些细胞开始死亡。这些结果表明，在雌激素没了之后，血管化的骨组织里的细胞们虽然加速了成熟和矿化，但同时也感受到了更多的“压力”，导致细胞凋亡增加。这可能是骨质疏松的一个潜在机制。

图6. 雌激素缺乏下的血管启动延迟了肥大，但显著增加了细胞凋亡。第10天和第21天X型胶原的组织学染色和定量（A-I）。J-M：BAX、BCL2、BAX/BCL2、CASP3的基因表达。

4. 雌激素缺乏改变了血管发育

在雌激素没了之后，血管细胞们开始“不安分”起来。到了第21天，那些有血管细胞的骨组织里，出现了很多像小管一样的3D血管结构（用CD31标记），这些结构在正常有雌激素的情况下是很难看到的。而且，这些小管结构在雌激素没了之后变得特别明显，就像血管细胞们在没有雌激素的“监督”下，开始“自由发挥”，形成了很多奇特的结构。

另外，研究人员还发现，这些血管细胞在雌激素没了之后，会分泌更多的VEGF（一种促进血管生长的因子），这可能是导致它们“变形”的原因。总的来说，这些结果告诉我们，在雌激素没了之后，血管细胞们会变得更加“活跃”，形成更多的血管结构。这可能是骨质疏松中骨质不均匀矿化的一个原因，因为这些血管结构可能会影响骨细胞的生长和矿化（图7）。

图7. 雌激素缺乏（绝经后）组存在不同的血管样结构（CD31+）。A：第10天和第21天CD31、CD31（绿色）、DAPI（蓝色）的IFC染色。C：CD31的强度。B：第10天和第21天内皮粘蛋白（EMCN）的IFC染色，EMCN（红色），DAPI（蓝色）。D：EMCN的强度。E-H：第21天雌激素缺乏组的3D多细胞血管样结构，CD31（绿色），DAPI（蓝色），肌动蛋白（红色）。VEGF的基因表达。

总结

本研究揭开了雌激素缺乏时骨头里发生的小秘密。研究人员发现，在雌激素缺乏的情况下，血管细胞变得特别“活跃”，会形成很多奇特的血管结构，而且这些结构还会让周围的骨细胞加速矿化，让骨头变得又硬又脆。不过，这种变化只在有血管细胞的地方发生，没有血管细胞的地方骨头就没什么变化。这可能就是为什么骨质疏松的骨头里矿物质分布不均匀的原因。

总之，这个研究帮我们更好地理解了雌激素和血管细胞在骨质疏松中的“小动作”，也为未来开发治疗骨质疏松的新方法提供了新思路。

参考文献：

Bukhari MMM, Khabooshani M, Naqvi SM, McNamara LM. Estrogen deficiency alters vascularization and mineralization dynamics: insight from a novel 3-D humanized and vascularized bone organoid model. Am J Physiol Cell Physiol. 2025 Mar 1;328(3):C743-C756.

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来源：培养盒守护者