《Stem Cells International》：Plastrum Testudinis Extract Promotes Endogenous Bone Marrow Mesenchymal Stem Cell Migration in Osteoporotic Fracture Repair Partly by Activating the SDF-1/CXCR4 Axis
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骨质疏松性骨折（Osteoporotic fracture, OPF）是全球重大公共卫生问题，尤其在老龄化人群中高发，骨质疏松状态下骨髓间充质干细胞（Bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）的迁移能力与成骨分化潜能受
骨质疏松性骨折（Osteoporotic fracture, OPF）是全球重大公共卫生问题，尤其在老龄化人群中高发，骨质疏松状态下骨髓间充质干细胞（Bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）的迁移能力与成骨分化潜能受损，严重阻碍骨折修复。基质细胞衍生因子-1（Stromal cell-derived factor-1, SDF-1）/C-X-C趋化因子受体4（C-X-C chemokine receptor 4, CXCR4）轴是调控BMSC定向迁移与骨再生的核心通路。龟甲（Plastrum Testudinis, PT）提取物（PT extract, PTE）作为传统中药，已被证实可促进BMSC增殖与分化，但其调控OPF内源性干细胞迁移的机制尚未明确。研究人员联合生物信息学筛选、分子对接、临床组织分析与体内实验，通过基因本体论（Gene Ontology, GO）与京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG）分析锁定关键通路；建立双侧卵巢切除诱导的骨质疏松小鼠胫骨缺损模型，分别给予PTE单独或联合CXCR4抑制剂AMD3100干预，采用组织学、显微计算机断层扫描（micro-CT）、免疫荧光及Transwell体外迁移实验进行评估。生物信息学分析显示趋化因子信号通路显著富集，CXCR4被预测为PTE的关键作用靶点；分子对接证实PTE活性成分苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸与天冬氨酸可与CXCR4稳定结合。体内实验表明，PTE可显著提升骨质疏松胫骨缺损（Osteoporotic tibial defect, OTD）小鼠的骨体积分数（Bone volume/Total volume, BV/TV）与骨小梁微结构参数，逆转骨质疏松组织中SDF-1/CXCR4表达的下降；体外实验显示PTE增强BMSC迁移能力并上调SDF-1/CXCR4 mRNA水平，上述效应均被AMD3100阻断。综上，PTE通过靶向SDF-1/CXCR4轴有效挽救骨质疏松环境下内源性BMSCs的迁移缺陷，增强干细胞招募进而加速OPF愈合，为再生治疗策略提供了新的候选方案。
本研究针对骨质疏松性骨折（OPF）修复困难的核心临床问题展开，其背景在于全球老龄化加剧使得OPF发病率持续攀升，中国预计到2050年新发病例将达599万例，相关医疗支出高达1745亿元人民币。OPF愈合延迟的关键机制是骨质疏松微环境导致内源性骨髓间充质干细胞（BMSCs）的迁移与成骨分化能力显著受损，尤其是基质细胞衍生因子-1（SDF-1）/C-X-C趋化因子受体4（CXCR4）轴的表达下调和功能抑制。虽然外源性BMSC移植是潜在治疗策略，但面临免疫排斥和分化调控困难等转化瓶颈，因此激活内源性BMSC招募成为更具前景的方向。传统中药龟甲（Plastrum Testudinis, PT）具有“补肾强骨”功效，其提取物（PTE）已被证实可促进BMSC增殖与成骨分化，但是否通过调控SDF-1/CXCR4轴促进内源性干细胞迁移尚未见系统研究。研究人员假设PTE可通过激活该轴增强BMSC向损伤部位归巢，从而加速骨质疏松性骨缺损修复，并通过多维实验设计验证了这一假说。
研究人员采用了五个关键技术方法：一是回顾性收集2024年12月至2025年7月在广州中医药大学第一附属医院脊柱外科行腰椎椎间融合术患者的术中废弃椎体骨组织，分为非骨质疏松组与骨质疏松组进行临床标本分析；二是建立去势诱导的雌性C57BL/6小鼠骨质疏松模型，并在术后6周制备胫骨1 mm皮质骨缺损，模拟骨质疏松性胫骨缺损（OTD）病理状态；三是运用生物信息学方法，整合药物靶点与疾病靶点交集，开展GO功能富集与KEGG通路分析，并构建蛋白互作网络筛选核心靶点；四是采用分子对接技术验证PTE活性成分与CXCR4的结合亲和力与模式；五是综合运用micro-CT定量分析骨微结构、组织学与免疫荧光检测蛋白表达、Transwell实验评估细胞迁移能力，并结合CXCR4特异性抑制剂AMD3100进行机制阻断验证。
研究结果如下：
3.1 生物信息学预测PTE促进骨质疏松骨修复的机制
研究人员从GeneCards数据库获取骨质疏松与骨折相关基因，取前2000位交集得到1040个候选基因。GO富集分析显示这些靶点显著参与肌肉细胞增殖、骨化、肽酪氨酸磷酸化正调控、内皮细胞增殖、组织迁移、伤口愈合等生物学过程，定位于溶酶体腔、内质网腔、膜筏、胶原细胞外基质等组分，并具有激素活性、生长因子结合、细胞因子活性等分子功能。KEGG通路分析富集于癌症中microRNA、趋化因子信号通路、白细胞跨内皮迁移、p53信号通路等。分子对接显示PTE的苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、天冬氨酸四种氨基酸类成分与CXCR4具有良好结合亲和力并形成稳定相互作用。
3.2 体内证据显示PTE通过增强内源性BMSC迁移促进OTD修复
研究人员在去势OTD小鼠模型中验证发现，PTE治疗显著缩小缺损面积，提升BV/TV与骨小梁数量（Tb.N），降低骨小梁分离度（Tb.Sp）；免疫荧光结果显示PTE恢复了OTD病灶中BMSC表面标志物CD29与CD90的表达水平。
3.3 临床骨标本显示骨质疏松患者SDF-1/CXCR4表达降低
对临床标本的分析表明，骨质疏松组骨组织中成骨标志物RUNX2与BMP2表达下降，骨小梁稀疏变薄，抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）阳性破骨细胞数量增加，同时SDF-1与CXCR4表达显著低于非骨质疏松组，证实了该轴在人类骨质疏松骨组织中的功能抑制。
3.4 PTE恢复SDF-1/CXCR4信号并增强BMSC迁移以加速体内骨修复
研究人员增设AMD3100单独给药组与PTE联合AMD3100给药组，结果显示AMD3100显著抑制骨修复，BV/TV降至5.116%±2.31%，骨微结构严重恶化；而联合给药组BV/TV回升至17.184%±1.246%，Tb.N与骨小梁厚度（Tb.Th）显著增加。免疫组化与免疫荧光显示PTE可上调细胞分化周期蛋白42（CDC42）与SDF-1/CXCR4的表达，该效应被AMD3100阻断，联合给药可部分恢复其表达水平。
3.5 体外验证PTE通过激活SDF-1/CXCR4轴增强BMSC迁移
Transwell实验显示PTE处理组BMSC迁移数量较对照组显著增加，AMD3100可显著抑制该效应，联合给药可部分逆转抑制；RT-qPCR结果进一步证实PTE上调SDF-1与CXCR4 mRNA表达，AMD3100则显著抑制二者转录，联合给药可恢复其表达水平。
讨论部分指出，SDF-1/CXCR4轴是调控BMSC迁移的核心通路，其在骨质疏松骨组织中的表达下调是OPF愈合延迟的重要机制。本研究首次系统证实PTE可通过靶向该轴增强内源性BMSC招募，从而促进骨再生，为传统中药与现代干细胞归巢理论的结合提供了机制依据。研究同时指出局限性，包括PTE活性成分的液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）确证、大样本随机对照临床试验验证、更接近人类OPF负重状态的动物模型构建，以及谱系示踪技术的深入应用。结论部分强调，PTE通过激活SDF-1/CXCR4轴促进BMSC迁移与成骨分化，加速骨质疏松性胫骨缺损修复，为OPF的再生治疗提供了新的候选策略，也为中药活性成分与骨修复生物材料的联合应用奠定了理论基础。本研究发表于《Stem Cells International》。
