脊髓损伤对肌肉纤维脂肪生成祖细胞进行重组，以在肌肉内形成异位骨骼

作者：施云威 北京积水潭医院

神经源性异位骨化（NHOs）的起源细胞在脊髓损伤（SCIs）和创伤性脑损伤后在关节周围肌肉中频繁发育，目前尚不清楚，因为骨骼肌含有两种祖细胞群：肌源性卫星细胞（SCs）和间质性成纤维脂肪祖细胞（FAPs）。使用Cre重组酶/LoxP系统在两个小鼠菌株中进行了谱系追踪实验，其中荧光蛋白ZsGreen分别在Pax7或Prrx1基因启动子的控制下在骨骼肌中的SCs或FAPs中特异表达。这些实验表明，肌肉损伤后，SCI导致FAPs而非SCs上PDGFRα表达上调，SCs无法在受伤肌肉中再生肌纤维，细胞凋亡减少，肌肉驻留的FAPs持续增殖，使其能够成骨分化为NHOs。在受伤后的血液中没有检测到Prrx1启动子下表达ZsGreen的细胞，这表明NHOs的来源细胞是来自受伤肌肉的局部细胞。我们使用人类NHO活检证实了这些发现。从NHO活检组织周围的肌肉中分离的PDGFRα+间充质细胞在移植到免疫功能低下的小鼠中时可能会形成异位的人骨，而CD56+肌源细胞的潜力要低得多。因此，NHO是损伤肌肉的病理学，SCI对FAPs进行重新编程，使其经历不受控制的增殖和分化为成骨细胞。
神经源性异位骨化（NHOs）是在中枢神经系统（CNS）严重损伤（如脊髓损伤（SCI）、创伤性脑损伤、中风和脑缺氧）后，在关节周围肌肉发育的病理性异位骨骼。NHOs是常见的，创伤性脑损伤患者和SCIs患者的发病率分别为10%-23%和10%-53%，在涉及脊柱的严重战斗冲击伤患者中增加到68%。 NHOs最常见于臀部、肘部、膝盖和肩部，导致严重疼痛和患肢活动范围逐渐减小，通常会发展为完全强直。这一过程会增加坐姿、进食和穿衣的难度，从而加剧功能残疾。10NHO的生长也会导致神经和血管受压，进一步增加患者的发病率。虽然这种病理学已经知道了100多年，但目前治疗仅限于NHOs成熟后的手术切除，这是一个具有挑战性的过程，特别是当骨化包住整个关节和相邻的大血管和神经时。改善NHOs治疗方法的进展缓慢，药物干预试验的有效性仍然有限，反映了目前对NHOs病因、发病机制和病理生物学的知识有限。事实上，触发NHOs的初始因果机制是这种病理学所特有的，因为它们涉及严重的中枢神经系统创伤，而不是其他形式的创伤，如身体烧伤，或在骨化性纤维发育不良（FOP）中激活成骨基因突变，如骨形态发生蛋白I型受体ACVR1。因此，必须揭示NHO发病机制，以确定潜在的治疗靶点和治疗方法，从而减少NHO的发展，并消除非常侵入性和精细的手术切除的需要。
我们的小组先前报道了第一个NHOs小鼠模型，其中当SCI与肌肉损伤结合时，例如骨形态发生蛋白（BMP）转基因的过度表达或BMP受体的过度激活突变体的插入。我们的模型显示，SCI导致损伤肌肉中炎性反应的进一步恶化，导致JAK1/2酪氨酸激酶和信号转导和转导激活剂-3（STAT3）的持续激活，进而促进NHOs而不是肌肉修复。损伤的骨骼肌如何在中枢神经系统严重损伤后产生异位骨骼而不是再生功能性肌纤维，这仍然是一个令人着迷的干细胞生物学问题，并可能揭示治疗NHOs的新治疗策略。成年骨骼肌含有两种干/祖细胞群：（1）卫星细胞（SCs），存在于肌纤维基底层下的肌纤维内，其在损伤后再生成肌细胞和肌细胞，并作为真正的肌肉干细胞，纤维成脂肪祖细胞（FAPs）存在于肌细胞间的间隙中。与SC不同，FAPs来源于间充质，不会再生成肌细胞。损伤后的肌肉修复是一个高度协调的过程，涉及SCs和FAPs以及巨噬细胞的协调募集。肌肉损伤后，FAPs在小鼠体内前3天短暂增殖，然后在肿瘤坏死因子（TNF）的作用下发生凋亡，肿瘤坏死因子通过浸润C-C趋化因子受体-2（CCR2）+炎性单核细胞/巨噬细胞释放，这也可以清除凋亡的FAPs，FAPs的关键功能被认为涉及适当的生长因子和细胞外基质的分泌，这使得SC能够增殖、肌源性分化和肌纤维组装。由于肌肉SCs和FAPs在体外都具有成骨潜力， NHOs起源细胞的问题尚未解决。