《Journal of Advanced Research》：Bidirectional regulation between bone and vasculature: Mechanisms of osteogenesis and angiogenesis
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这篇前沿综述深入探讨了骨骼与血管系统之间精密的双向对话机制。文章系统解析了在软骨内成骨和膜内成骨两种模式下，成骨细胞、破骨细胞、骨细胞等通过分泌VEGF、PDGF-BB、Slit3等因子调控血管生成，而血管内皮细胞则通过BMP-SMAD、Notch、HIF等通路调控成骨的分子网络。综述强调了这种“血管-成骨偶联”在维持骨骼稳态及骨折修复中的核心作用，其失衡与骨质疏松、骨关节炎、类风湿关节炎等骨骼疾病的病理进程密切相关。最后，文章展望了靶向血管微环境作为骨病治疗新策略的潜力，为相关转化研究提供了重要视角。
骨骼与血管系统之间并非各自为政，它们存在着精密而活跃的“双向对话”，这种交流对于骨骼的发育、稳态维持以及损伤修复至关重要。当这种平衡被打破，便会引发骨质疏松、骨关节炎等多种骨骼疾病。本文旨在深入剖析骨-血管交互作用的分子网络，阐明其在生理和病理状态下的调控机制，并强调靶向血管微环境的治疗价值。
骨对血管及内皮细胞的调控：两种成骨模式下的不同策略
骨骼的形成主要通过两种截然不同的途径：软骨内成骨和膜内成骨。在软骨内成骨过程中，肥大的软骨细胞分泌血管内皮生长因子(VEGF)和基质金属蛋白酶-9(MMP-9)，引导血管侵入钙化的软骨模板，为成骨前体细胞的进入和随后的骨沉积铺平道路。
在软骨内成骨条件下
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骨细胞的调控：作为骨骼的主要机械感应器，骨细胞通过JAK/STAT信号轴、线粒体转移等方式整合力学和代谢信号，调节血管重塑。它们甚至能通过线粒体Rho GTP酶 1(MIRO1)依赖的方式将线粒体转移给相邻的内皮细胞，为其提供生物能量支持。
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成骨细胞的调控：成骨细胞谱系细胞通过信号网络的分泌和囊泡通讯来调节血管生成，其调控方式随分化阶段演变。在分化早期，成骨前体细胞分泌表皮生长因子样蛋白6(EGFL6)上调VEGF-A表达。成熟后，成骨细胞通过Slit3与内皮细胞上的Roundabout同源物1(ROBO1)受体结合，协同VEGF促进血管生成，同时分泌CXC配体9(CXCL9)进行竞争性抑制以防止过度生长。矿化的成骨细胞则分泌富含微小核糖核酸(miRNA)的外泌体，如外泌体-let-7f-5p和外泌体-miR-423-5p，来增强内皮细胞功能。
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破骨细胞的调控：负责骨吸收的破骨细胞也通过释放生物活性分子主动招募血管。破骨前体分泌的血小板衍生生长因子-BB(PDGF-BB)能通过鞘氨醇-1-磷酸(S1P)途径促进血管生成，并招募内皮祖细胞和间充质干细胞。成熟的破骨细胞分泌血管生成素(ANG)，与内皮细胞上的Plexin B2(PLXNB2)受体结合，诱导核糖体核糖核酸(rRNA)转录和H型血管生长。破骨细胞来源的外泌体-miR-146a则能保护内皮细胞免于凋亡。
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免疫细胞的调控：免疫系统，特别是巨噬细胞，执行着与骨折愈合阶段进展相匹配的时序性血管生成调控。M1型巨噬细胞在炎症期作为血管生成“启动者”，分泌VEGF等因子。随后，内皮细胞促进巨噬细胞向M2型极化，后者通过分泌PDGF-BB稳定血管，并分泌尿激酶型纤溶酶原激活物(uPA)、转化生长因子-β(TGF-β)等因子驱动H型血管形成。
在膜内成骨条件下
膜内成骨是一种不经过软骨中间体的直接成骨方式。在牵张成骨中，机械张力通过力传导驱动血管生成，成纤维细胞感知牵张后，通过下调脂肪非典型钙粘蛋白(Fat1)抑制Hippo信号，从而上调富含半胱氨酸的血管生成诱导剂61(Cyr61)，促进血管生长。此外，机械张力还能调节免疫微环境，促进具有修复功能的M2型巨噬细胞分化。
膜内骨来源的间充质干细胞、脂肪干细胞和成骨细胞等通过分泌外泌体协同调控血管化。例如，早期成骨分化的骨髓间充质干细胞释放的外泌体通过调节miR-150-5p/SOX2轴，诱导内皮细胞发生“伪缺氧”代谢重编程，为H型血管快速形成提供生物能量。脂肪干细胞和矿化成骨细胞则都利用外泌体-miR-423-5p，分别靶向抑制因子SUFU和CXCL10，以增强血管生成。然而，衰老的成骨细胞外泌体内容物会发生“转换”，富含的miR-139-5会加速内皮细胞衰老，从而抑制血管再生。
颅骨损伤修复呈现出一个独特现象：血管生成与成骨在时空上“脱耦联”。这主要是由于缺乏软骨性中间模板，导致血管发芽和成骨细胞活动的生物钟不同步。颅骨再生早期由脑膜来源的血管建立灌注网络，而后成骨前体细胞才浸润到这个预先形成的血管支架中。
血管在骨形成中的作用：超越运输的主动指令
血管不仅是为骨骼输送氧气和养分的“后勤补给线”，更是通过其独特的亚型和分泌的信号分子主动指导骨形成的“指令中心”。
血管亚型与微环境调控
骨组织包含H、L、E、R四种不同的毛细血管亚型。其中，H型血管与成骨关联最强，它们形成富含成骨前体细胞的特殊微环境，是“血管-成骨偶联”的关键执行者。年龄增长或雌激素缺乏会导致H型血管密度显著下降，这与骨量丢失密切相关。新发现的R型毛细血管则在骨骼发育和衰老中具有双重功能，既能促进生长期间的骨形成，又在老年骨中与破骨细胞共定位，可能参与年龄相关性骨丢失。
有趣的是，骨骼命运也受到血管化程度的极端调控。一方面，软骨等无血管组织利用缺氧作为驱动软骨形成的发育信号。另一方面，骨骺生长板内的过度血管化则会破坏正常的骨骼形成，导致骨骺过早闭合等畸形。
内皮信号网络在成骨中的作用
内皮细胞通过旁分泌信号网络直接调控成骨。
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缺氧诱导因子-血管内皮生长因子(HIF-VEGF)代谢轴：在缺氧条件下，稳定的HIF-1α与HIF-1β二聚化，转录激活VEGF表达，从而启动血管生成反应。在成骨中，内皮缺氧信号激活刺激H型血管形成，协调促进软骨内血管生成和成骨细胞介导的骨形成。
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Notch和PDGF-BB信号通路：由血流动力学力量激活的内皮Notch信号，通过调节内皮细胞对VEGF等因子的反应性，并与Noggin分泌协同，协调血管形态发生和骨形成。PDGF-BB/PDGFR-β轴则通过与Notch通路交叉对话来协调血管-骨偶联。
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骨形态发生蛋白-SMAD(BMP-SMAD)信号：内皮细胞的SMAD1/5信号对于维持血管稳定至关重要，其缺失会导致血管畸形，损害软骨基质降解和肥大软骨细胞向成骨细胞的转变，从而损害成骨。
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转录后与囊泡调控：RNA结合蛋白如Y盒结合蛋白1(YBX1)通过稳定CD31、内皮粘蛋白(Emcn)和BMP4的信使核糖核酸(mRNA)，并抑制肿瘤坏死因子-α(TNF-α)表达，在血管-成骨相互作用中起关键作用。内皮细胞来源的外泌体-miR-200-3p可被递送至骨髓间充质干细胞，上调转录因子ZBTB16，从而促进其向成骨细胞分化。
骨骼疾病中的血管化：平衡的破坏与治疗靶点
血管生成失衡深度参与多种骨骼疾病的病理进程。
骨质疏松症：在绝经后骨质疏松中，H型血管密度显著降低。VEGF、Slit3、PDGF-BB、HIF-1α等促血管生成因子水平下降，Notch信号被抑制，共同导致了“血管生态位”的退化。针对这些通路的干预，如局部给予HIF-1α激动剂去铁胺、PDGF-BB，或利用腺相关病毒靶向抑制SHN3以增加Slit3，都能通过促进H型血管生成来缓解骨丢失。在糖皮质激素诱导的骨质疏松中，糖皮质激素通过抑制核因子-κB(NF-κB)信号减少破骨前体分泌PDGF-BB，进而抑制H型血管生成。
骨关节炎：H型血管介导的血管侵入被认为是骨关节炎发病的关键因素。软骨下骨的血管生成与成骨异常偶联驱动疾病进展。成骨细胞来源的VEGF、破骨前体分泌的PDGF-BB（通过激活PDGFR-β/踝蛋白1/粘着斑激酶(FAK)复合体增强VEGF产生）、软骨细胞中雷帕霉素机制靶蛋白复合体1(mTORC1)激活驱动的VEGF分泌，以及软骨下骨来源的TGF-β（通过SMAD信号扩增巢蛋白阳性间充质干细胞群），共同导致了软骨下骨的病理性H型血管生成和异常骨重塑。此外，血管生成还与OA中的神经异常出芽密切相关，抑制血管生成可能通过抑制病理性神经长入来缓解疼痛。
类风湿关节炎：滑膜血管新生是类风湿关节炎滑膜增殖和疾病进展的关键介质。内皮细胞与成纤维样滑膜细胞之间的交互作用至关重要，内皮细胞来源的Jagged1(JAG1)和Dll4配体通过Notch信号引导活化的成纤维样滑膜细胞向血管周围迁移，并获得促炎表型。缺氧诱导的HIF-1α与Notch信号协同，增强成纤维样滑膜细胞的侵袭性并介导血管生成，通过诱导基质细胞衍生因子1(SDF-1)和VEGF等促血管因子，驱动过度的炎症性血管生成，形成破坏关节的血管翳。
骨坏死：股骨头坏死以血管内皮功能障碍和血管生成受损为核心病理特征。糖皮质激素的慢性暴露会诱导骨微血管内皮细胞和内皮祖细胞功能障碍。激活HIF-1α/VEGF信号通路（如使用去铁胺）或环状核糖核酸HIPK3(circHIPK3)介导的Krüppel样因子4(KLF4)/VEGF通路，可显著增强骨微血管内皮细胞功能，促进血管生成。此外，抑制基质金属蛋白酶2(MMP-2)可促进骨髓间充质干细胞的成骨分化并刺激血管内皮细胞增殖，而PDGF-BB则能增强间充质干细胞的自我更新能力，均显示出治疗潜力。
总而言之，骨骼与血管系统之间存在着复杂而精密的双向对话。在生理状态下，这种“血管-成骨偶联”是骨骼发育和稳态维持的基石；在病理状态下，其失衡则是多种骨骼疾病发生发展的核心环节。深入理解这一交互网络，不仅为认识骨骼生物学提供了全新视角，更将为靶向血管微环境、治疗骨质疏松、骨关节炎、类风湿关节炎、骨坏死等骨骼疾病开辟新的治疗策略。
