静脉内皮细胞通过TGF-β/BMP9与Notch通路协同调控成骨分化的机制及骨再生潜力

《Cell Biochemistry and Function》：Venous Endothelial Cells Promote Osteoblast Differentiation More Effectively Than Arterial Cells via TGF-β/BMP9 and Notch Pathway-Related Gene Expression

本研究揭示静脉内皮细胞（HUVEC）通过分泌因子显著增强成骨细胞分化与基质矿化，其机制涉及TGF-β/BMP9-SMAD和Notch通路的协同激活、黏着斑/细胞骨架重组及缺氧-VEGF反馈循环。相较于动脉内皮细胞（HCAEC），静脉来源的旁分泌信号更利于构建骨微环境，为骨组织工程提供新策略。

　　

背景与科学问题

骨骼稳态依赖血管生成与成骨过程的精密耦合，而内皮细胞来源对成骨分化的影响尚不明确。本研究通过比较静脉（HUVEC）与动脉（HCAEC）内皮细胞的条件培养基对人成骨细胞分化的调控作用，揭示静脉内皮细胞在骨微环境构建中的独特优势。

实验设计与核心发现

1. 1.
   静脉内皮细胞高效促进成骨分化与矿化
   • •
     HUVEC条件培养基显著提升碱性磷酸酶（ALP）活性，上调成骨关键转录因子_Runx2、_Osterix和_Osteocalcin表达，并增强基质矿化基因（_Tnap、_Bsp、_Col1a1）活性。
   • •
     茜素红染色显示HUVEC组钙结节形成明显优于HCAEC组，表明其强化晚期成骨成熟。
2. 2.
   TGF-β/BMP9-SMAD通路的关键作用
   • •
     HUVEC分泌因子激活_Tgf-β1和_Bmp9信号，显著上调_{Smad2/3/4/5/7}表达，驱动SMAD依赖的转录程序。抑制性_Smad6/7的同步上调提示通路反馈平衡机制。
3. 3.
   Notch通路与细胞骨架重组
   • •
     HUVEC组_Notch1-4受体及配体_Jagged1/2表达显著增强，促进细胞间通讯。
   • •
     黏着斑相关基因（_Integrin-β1、_FAK、_Src、_Cofilin）上调，优化细胞-基质相互作用，支持成骨功能整合。
4. 4.
   细胞外基质重塑与缺氧-VEGF反馈
   • •
     HUVEC组_Col1a1表达升高，而基质金属蛋白酶_Mmp2/9转录受抑，同时基质稳定性调节因子_Reck表达倾向上升，利于基质保存。
   • •
     缺氧标记物_Hif-1α/β及血管生成因子_Vegf、_Vegf-r1显著诱导，形成血管-成骨正向循环。
5. 5.
   Hedgehog通路的非经典激活
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     尽管_Shh配体表达普遍降低，HUVEC组下游元件_Ptch1和_Sufu上调，可能通过GLI转录间接调控_Vegf等靶点。

系统生物学验证

主成分分析显示HUVEC与HCAEC组基因表达谱显著分离，相关性网络识别出核心模块（如_Bmp9、_Notch1/3/4、_Vegf等），凸显静脉内皮信号的整体协调性。

结论与转化意义

静脉内皮细胞通过多通路协同（TGF-β/BMP9、Notch、缺氧应答、细胞骨架重组）构建利于成骨分化与矿化的微环境。该发现为骨再生医学提供了细胞来源选择依据，尤其适用于骨质疏松、骨缺损等病理场景的干预策略开发。