《Bone Research》：HIF-1α and BMAL1 in bone regeneration: crosstalk between hypoxia response and circadian rhythm
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本综述深入探讨了骨再生过程中两个核心调控因子——缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）与时钟基因BMAL1——的协同作用。文章系统梳理了它们在炎性阶段调控各类骨修复细胞（如中性粒细胞、巨噬细胞、内皮细胞、间充质干细胞、成骨细胞和破骨细胞）行为的具体机制，揭示了缺氧环境与生物钟信号之间密切的交互对话（Crosstalk），并延伸讨论了该互作在口腔及全身性骨代谢疾病中的潜在角色，为靶向缺氧应答和生物钟系统以促进骨修复的研究提供了新视角。
HIF-1α介导的炎性阶段细胞应答
炎性阶段的进展
骨再生启动后，局部血管破裂导致血肿形成和血液灌注不足，引发急性缺氧，局部氧分压（pO2）可降至0.8%–3%。这一缺氧微环境显著影响细胞的增殖、分化、迁移和凋亡。炎性阶段按时间顺序依次有中性粒细胞、巨噬细胞、内皮细胞、间充质干细胞（BMSCs）、成骨细胞和破骨细胞等被招募至损伤部位。随着新血管形成，氧压逐渐恢复，但细胞仍在变化的低氧环境中工作。成功的骨再生需要精确的信号控制，以应对从常氧到缺氧再回到常氧的动态氧环境变化，这一调控机制可能由缺氧应答和生物钟的整合所介导。
HIF-1α介导的细胞应答
- 1.
中性粒细胞：其在骨再生中具有双重作用，适量的中性粒细胞有利于早期愈合，但过量则会抑制骨形成。缺氧微环境通过HIF-1α调控中性粒细胞的持续功能。研究发现，缺氧触发的后期脱颖粒反应（24小时）是HIF-1α依赖性的。此外，从髓系特异性HIF-1α敲除小鼠骨髓分离的中性粒细胞在缺氧条件下存活率显著下降，表明HIF-1α直接调控中性粒细胞的凋亡。
- 2.
巨噬细胞：缺氧条件下，巨噬细胞表现出强烈的炎性反应，炎性细胞因子和白介素1β（IL-1β）表达显著上调。缺氧-炎症相互作用涉及HIF-1α与核因子κB（NF-κB）的交互。HIF-1α通过将巨噬细胞代谢从氧化磷酸化转向糖酵解来促进IL-1β产生，驱动炎症，并可能影响巨噬细胞向M1表型极化。
- 3.
内皮细胞：缺氧微环境通过诱导HIF-1α积累和核转位，使其与血管内皮生长因子（VEGF）基因启动子结合并激活转录，从而促进VEGF表达，增强血管生成能力。内皮细胞特异性敲除HIF-1α会破坏缺氧驱动的VEGF自分泌环，损害内皮细胞的增殖、迁移和管腔形成能力。此外，缺氧诱导内皮细胞代谢重编程，其特征是糖酵解和磷酸戊糖途径（PPP）活性增强。
- 4.
骨髓间充质干细胞：缺氧对BMSCs的影响具有浓度依赖性。中度缺氧（5% O2）可抑制衰老并增强成骨分化效率，而严重缺氧（1%–2% O2）则会抑制其生长和分化。缺氧微环境通过促进活性氧（ROS）等促炎介质积累来降低成骨效能，升高的ROS水平可诱导细胞凋亡并抑制成骨标志物表达。然而，缺氧激活的HIF-1α信号也可能对BMSC功能产生保护作用，如增强其增殖、迁移和血管生成因子表达。
- 5.
成骨细胞：缺氧微环境延迟成骨细胞的生长和分化，显著损害骨形成能力。其机制包括抑制基质矿化相关酶、降低碱性磷酸酶（ALP）活性、抑制PI3K/Akt通路、加剧氧化应激反应以及促进细胞凋亡。同时，缺氧刺激成骨细胞释放三磷酸腺苷（ATP），从而激活破骨细胞。然而，中度或间歇性缺氧可通过激活HIF-1α上调VEGF，耦合血管生成与成骨生成，或刺激BMP4/SMAD等信号通路来增强成骨活性。成骨细胞特异性敲除HIF-1α会严重损害骨骼修复所必需的新生血管形成和骨再生。
- 6.
破骨细胞：在缺氧条件下，破骨细胞的数量和活性均显著增强。这是因为破骨细胞的主要能量驱动形式是糖酵解，缺氧通过上调促破骨基因表达和增强糖酵解活性，直接刺激骨吸收。HIF-1α被确定为激活无氧呼吸、快速提升破骨细胞ATP产量的关键代谢开关。缺氧诱导的破骨细胞数量增加可能源于成骨细胞与破骨细胞之间的双向相互作用。
BMAL1在骨再生炎性阶段的作用
BMAL1在中性粒细胞中的作用
中性粒细胞活性受生物钟调节。其向组织募集的动力学受损伤或内毒素攻击的授时因子时间影响。核心时钟基因BMAL1通过调节CXCL2表达，以细胞自主方式控制中性粒细胞衰老。遗传删除中性粒细胞中的Bmal1或Cxcr2会阻碍细胞衰老表现，而衰老会破坏细胞骨架完整性，从而损害中性粒细胞迁移。
BMAL1在巨噬细胞中的作用
巨噬细胞活性表现出明显的昼夜节律。BMAL1调节巨噬细胞的极化，其过表达可抑制M1型巨噬细胞标志物（如肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、IL-1β）的表达，同时增加M2型标志物（如IL-10、精氨酸酶-1 (ARG-1)）的表达，并通过抑制糖酵解水平有效促进巨噬细胞向M2极化。
BMAL1还调节巨噬细胞的炎症反应。巨噬细胞中敲除Bmal1会破坏NF-κB通路，增加p65表达，从而增强炎性因子表达。NLRP3炎症小体的启动和激活阶段均受昼夜节律控制，Bmal1缺失会增强NLRP3炎症小体活性。
BMAL1在内皮细胞中的作用
内皮细胞参与骨再生的过程受多种信号和代谢通路网络调控，其中BMAL1至关重要。敲低BMAL1会影响内皮细胞的活力，显著抑制细胞增殖，使细胞周期阻滞在G0/G1期，并削弱其伤口愈合和出芽能力。拥有强健节律性BMAL1表达的内皮细胞，其SMAD3磷酸化和下游转化生长因子-β（TGF-β）/SMAD3信号组件呈现同步的昼夜振荡，从而维持节律性骨代谢。相反，BMAL1缺失会导致TGF-β/SMAD3通路持续激活，长期抑制BMSC增殖。
目前普遍认为BMAL1通过调节VEGF影响血管生成。在斑马鱼模型中，发现BMAL1可以结合VEGF启动子中的关键E-box元件并激活其活性。Bmal1基因敲除也会导致小鼠血管生成受损。
BMAL1在骨髓间充质干细胞中的作用
BMAL1可通过激活经典Wnt信号通路增强BMSCs的分化，增加功能性成骨细胞数量，从而对成骨产生正向调节作用。其过表达可上调成骨标志物（ALP、骨钙素 (OCN)、RUNX2）以促进分化。相反，敲低BMAL1则会抑制RUNX2和p53表达，损害成骨。
