2024年发表于《International Journal of Oral Science》（IF=10.7）

一、研究背景
长时间摄入高脂肪饮食（HFD）会使体内脂质代谢失调从而损害骨代谢，导致骨质流失和骨折愈合受损。HFD驱动的代谢功能障碍如何影响骨组织的细胞功能尚未确定。已有研究表明，骨髓间充质干细胞（BMSC）衰老在骨质疏松症相关的骨形成不足中发挥了重要作用。HFD可诱导食用HFD的个体衰老和骨髓间充质干细胞功能障碍。HFD喂养下BMSCs中染色质可及性重塑的参与尚未被探索。维生素D受体（VDR）是恢复老年人老化MSCs成骨分化的关键。激活VDR可以增加Klotho的水平，Klotho可以防止皮肤萎缩、骨质减少和动脉粥样硬化等衰老表型。VDR信号是否在HFD诱导的BMSC衰老中起保护作用尚不清楚。

二、研究结果
1、HFD喂养减少骨量，损害成骨活动
小鼠喂食高热量食物（HFD）和正常饮食（ND）30周。微计算机断层扫描（µCT）分析显示，HFD喂养的小鼠股骨远端小梁骨的骨小梁体积、骨矿物质密度（BMD）、小梁数量、小梁厚度和小梁连通性密度显著减少（图1a、b），表明HFD可局部减少骨小梁骨量。骨量是破骨活性和成骨活性共同作用的结果。HFD喂养小鼠股骨和下颌骨中破骨细胞标志物TRAP的表达受到抑制（图1c-e）。此外，NCAD免疫荧光染色和Goldner's三色染色显示，饲喂HFD的小鼠成骨细胞数量和新骨形成量均减少（图1c-e）。这些发现表明，HFD降低了破骨细胞活性和成骨活性，导致骨转换受到抑制。

图1 HFD降低骨量，损害破骨细胞和成骨活性

2、饲喂HFD可诱导BMSC衰老，抑制BMSC成骨
研究HFD是否能诱导骨髓间充质干细胞衰老。HFD喂养衰老相关标记物的活性明显高于ND饲喂小鼠。通过CCK8测定、EdU染色、双氢乙啶（DHE）染色，HFD喂养小鼠的骨髓间充质干细胞，增殖能力明显低于ND喂养小鼠，细胞内活性氧（ROS）水平明显高于ND喂养的小鼠（图2a-h）。此外，成骨基因Col1a1、Ocn和Alp的表达减少以及茜素红染色的矿化结节数量减少证明，HFD喂养小鼠的骨髓间充质干细胞表现出成骨分化受损（图2a、h、i）。

图2 HFD诱导骨髓间充质干细胞衰老并抑制骨髓间充质干细胞成骨

对HFD喂养小鼠和ND喂养小鼠分离的骨髓间充质干细胞进行了RNA测序（RNA-seq）（图3a）。HFD喂养小鼠骨髓间充质干细胞中关键成骨基因，包括Wnt4、Cthrc1和Runx2下调（图3b）。GO富集分析表明，这些差异表达的基因与骨骼系统发育、细胞因子产生调节、细胞粘附调节、对外部刺激反应的正向调节以及细胞外基质组织有关（图3c）。GSEA分析证实，衰老相关基因在HFD喂养小鼠的骨髓间充质干细胞中上调（图3d）。这些发现表明，HFD通过诱导衰老、增加氧化应激、抑制增殖和降低骨髓间充质干细胞成骨分化能力来减少成骨。

图3 HFD喂养小鼠骨髓间充质干细胞的转录组特征和染色质可及性景观

3、HFD喂养小鼠骨髓间充质干细胞染色质可及性景观
为了深入了解HFD对BMSC衰老影响的机制，进行了ATAC-seq；表明骨髓间充质在HFD喂养后经历了染色质重编程。GO富集分析显示，染色质可及性发生变化的基因在骨骼系统发育、细胞-细胞粘附、细胞增殖和细胞分化等方面富集（图3h）。用HOMER鉴定了不同可达基因组区域的TF结合基序（TFBM）。RNA-seq数据结合基序分析结果显示，VDR可能是参与诱导BMSC衰老的关键TF（图3k）。ChIP-seq数据（GSE79813）证实了HFD喂养小鼠骨髓间充质干细胞中VDR结合位点染色质可及性的降低（图31、m）。GSEA显示，HFD喂养小鼠骨髓间充质干细胞中VDR靶基因下调（图3n）。这些基因表达和染色质可及性的改变表明，VDR是HFD诱导的骨髓间充质干细胞衰老的潜在关键调节因子。

图3 HFD喂养小鼠骨髓间充质干细胞的转录组特征和染色质可及性景观

4、增强VDR信号可预防棕榈酸引起的骨髓间充质干细胞衰老
PA是HFD的主要成分，在体外细胞实验中常用于重现HFD的效果。与BSA处理的骨髓间充质干细胞相比，PA处理的骨髓间充质干细胞表现出更高的SA-β-gal活性和细胞内ROS水平（图4a、b、e），成骨诱导后增殖和成骨能力受损（图4a、c-f），VDR的表达较低（图4d、e）。这些结果表明，PA足以在体内模拟HFD诱导的骨髓间充质干细胞衰老，VDR可能参与了这一过程。使用VDR配体1,25(OH)₂D上调了VDR的表达（图4d、e）。与PA组相比，PA+ 1,25(OH)2D组的SA-β-gal活性和细胞内ROS水平降低，从而抑制了PA引起的骨髓间充质干细胞的衰老标志（图4a、b、e）；骨髓间充质干细胞也表现出更好的增殖和成骨能力（图4a、c-f）。因此，VDR信号上调的骨髓间充质干细胞能够抵抗PA诱导的细胞衰老。

图4 VDR信号的上调可保护骨髓间充质干细胞免受棕榈酸或高脂肪饮食引起的衰老

5、激活VDR信号可以抵消骨髓间充质干细胞中HFD引起的衰老和骨质流失
评估VDR信号上调是否也可以在体内提供保护。饲喂HFD的小鼠每3天腹腔注射1,25(OH)₂D(0.1µg/kg)。1,25(OH)₂D处理小鼠获得的骨髓间充质干细胞显示出增加的增殖能力；衰老标志减少（图4i、k）。1,25(OH)₂D处理小鼠的骨髓间质干细胞中p21的蛋白水平明显降低(图4i、k），显著降低细胞内ROS水平（图4j），并提高成骨能力（图4i、k、l）。

图4 VDR信号的上调可保护骨髓间充质干细胞免受棕榈酸或高脂肪饮食引起的衰老

进一步研究了补充1,25(OH)₂D是否可以减少HFD引起的骨质流失。经1,25(OH)₂D处理的小鼠的骨小梁体积、骨密度、骨小梁数量和骨小梁连接密度显著增加，股骨远端干骺端小梁分离减少（图5a、b）。相反，下颌骨和股骨骨干的其他皮质骨参数没有统计学上的显著差异（图5a、b）。股骨和下颌骨切片的显示破骨细胞活性增加，而股骨近端切片显示成骨活性增加，这表明成骨细胞和新骨形成增加（图5c-e）。综上所述，VDR信号的上调可以保护骨髓间充质干细胞免于衰老，恢复受损的成骨能力，改善HFD诱导的骨质流失。

图5 VDR信号的上调可以挽救骨质流失，降低高脂肪饮食引起的成骨活动

三、研究结论
高脂肪饮食HFD会导致骨髓间充质干细胞（BMSCs）过早衰老，降低其增殖和成骨能力，从而导致骨质疏松症。维生素D受体（VDR）是骨髓间充质干细胞衰老的关键调节因子。VDR激活通过降低细胞内活性氧（ROS）水平和保持线粒体功能来减少BMSC衰老。靶向VDR-SOD2-ROS轴是HFD诱导的骨质疏松的潜在治疗方案。

参考文献：
Multiomics profiling reveals VDR as a central regulator of mesenchymal stem cell senescence with a known association with osteoporosis after high-fat diet exposure.[J]International Journal of Oral Science, 2024.