成骨细胞特异性 Wnt 分泌是成年小鼠骨骼稳态和负荷诱导骨形成所必需的

Osteoblast-Specific Wnt Secretion Is Required for Skeletal Homeostasis and Loading-Induced Bone Formation in Adult Mice

作者信息Lisa Y Lawson, Michael D Brodt, Nicole Migotsky, Christopher J Chermside-Scabbo, Ramya Palaniappan, Matthew J Silva
PMID34542191
发布时间2022-01
DOI10.1002/jbmr.4445

实验完整度

包含药理学抑制(WNT974)和成骨细胞特异性基因敲除(Wls cKO)两种独立干预,结合胫骨负荷模型、动态组织形态计量学、qPCR、Western blot 及血清标志物检测,并进行了功能验证和机制验证。

主要模型

5月龄C57BL/6小鼠胫骨轴向负荷模型 成骨细胞特异性Wls敲除小鼠(Osx-CreERT2; WlsF/F) WNT974处理的小鼠

重点核对

WNT974给药剂量:6mg/kg/day,口服灌胃 胫骨负荷参数:60 cycles/day,4Hz,峰值应变约-2200(WNT974实验)或-3500(Wls实验) 他莫昔芬给药方案:50mg/kg/day,连续3天,口服灌胃 Wls敲除效率:胫骨Wls mRNA表达降低53% 负荷后骨形成率(BFR/BS)相对变化:WNT974组降低54%,Wls cKO组降低65%

摘要

Wnt 信号对骨骼调控的许多方面至关重要,但 Wnt 配体在骨对机械负荷的合成代谢反应中的重要性尚未明确。我们实验室和其他实验室近期的转录组谱研究显示,机械负荷强烈诱导编码 Wnt 配体(包括 Wnt1 和 Wnt7b)的基因。基于这些发现,我们假设机械负荷通过诱导 Wnt 配体表达来刺激成年骨形成。为验证这一假设,我们通过系统性(药物)和骨靶向(条件性基因敲除)方法抑制成年(5 月龄)小鼠的 Wnt 配体分泌,并对它们进行胫骨轴向负荷以诱导板层骨形成。用 Wnt 分泌抑制剂 WNT974 治疗的小鼠,非负荷骨的骨形成减少,且对胫骨负荷的骨膜骨形成反应下降 54%。接下来,通过给予 5 月龄 Osx-CreERT2; WlsF/F 小鼠他莫昔芬抑制成骨细胞特异性 Wnt 分泌。在 Wls 缺失 1-2 周内,骨骼稳态改变,骨形成减少、骨吸收增加,且负荷合成代谢反应较对照(WlsF/F)减少 65%。总之,这些发现表明 Wnt 配体分泌是成年骨稳态所必需的,且进一步确立了成骨细胞来源的 Wnt 在介导胫骨负荷的骨合成代谢反应中的作用。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
成骨细胞分泌的Wnt配体是否在成年小鼠骨骼稳态和机械负荷诱导的骨形成中发挥必需作用?
核心机制
成骨细胞来源的Wnt配体通过自分泌/旁分泌方式维持基础骨形成,并介导机械负荷诱导的骨合成代谢反应,部分通过增强Wnt/β-catenin信号通路(如Lrp5/6)促进成骨基因表达和骨形成。
主要证据
药理学抑制Wnt分泌(WNT974)和成骨细胞特异性Wls敲除均导致非负荷骨骨形成减少、负荷诱导的骨形成率显著降低(分别降低54%和65%),并伴随成骨基因表达下调和骨吸收增加,表明Wnt配体分泌是成年骨稳态和负荷反应所必需的。
研究意义
本研究确立了成骨细胞分泌的Wnt配体在成年骨骼稳态和机械负荷适应中的关键作用,提示Wnt分泌通路可作为骨骼相关疾病和失重性骨丢失的潜在干预靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

药理学抑制Wnt分泌

系统性地抑制Wnt配体分泌,评估其对骨稳态和负荷诱导骨形成的影响

5月龄雌性C57BL/6小鼠每日口服WNT974(6mg/kg)或赋形剂,并接受胫骨轴向负荷(60 cycles/day,-8N,5天),通过动态组织形态计量学评估骨形成。

2

成骨细胞特异性Wls基因敲除

特异性删除成骨细胞中的Wls基因,验证成骨细胞来源Wnt配体的作用

对5月龄Osx-CreERT2; WlsF/F小鼠给予他莫昔芬(50mg/kg/day,连续3天)诱导Wls敲除,通过PCR、qPCR和免疫组化验证敲除效率,并评估骨形成和骨吸收指标。

3

胫骨轴向负荷实验

诱导板层骨形成,评估Wnt分泌抑制对负荷反应的影响

对小鼠右胫骨进行轴向压缩负荷(60 cycles/day,5天),负荷后通过动态组织形态计量学(钙黄绿素和茜素红标记)测量骨形成参数,并取胫骨进行基因表达分析。

4

基因表达分析

检测负荷和Wnt分泌抑制对成骨基因和Wnt信号通路基因表达的影响

负荷后4小时采集胫骨,提取RNA,通过qPCR检测成骨基因(Col1a1、Sp7、Bglap等)和Wnt靶基因(Axin2、Lrp5等)的表达。

5

骨吸收分析

评估Wnt分泌抑制对骨吸收的影响

通过qPCR检测骨吸收相关基因(Rankl、RANK、Ctsk)表达,并通过ELISA检测血清CTX-1水平。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
WNT974Active Biochemicals--
他莫昔芬----
钙黄绿素Sigma--
茜素红复合物Sigma--
TRIzol----
RNeasy 小型试剂盒Qiagen--
iScript cDNA合成试剂盒BioRad--
pLRP6抗体Cell Signaling Technology2568
tLRP6抗体Cell Signaling Technology3395
抗Gpr177抗体Seven Hill BioreagentsRLAB-177
抗Sclerostin抗体R&D SystemsAF1589
VectaStain Elite ABC HRP试剂盒Vector LabsPK-6101,
ImmPact DAB过氧化物酶底物试剂盒Vector LabsSK-4105
Click-iT EdU细胞增殖试剂盒ThermoFisher--
DeadEnd荧光TUNEL系统Promega--
DNeasy试剂盒Qiagen--
P1NP ELISA试剂盒IDA Immunologistics--
CTX-1 ELISA试剂盒IDA Immunologistics--
Electropulse 1000系统Instron--
徕卡共聚焦显微镜Leica--
Osteo II软件Bioquant--
StepOne Plus PCR仪Applied Biosystems--
BioMark HD系统----
Mikro Dismembrator组织破碎仪Braun--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型
小鼠品系、年龄、性别、来源
阅读提示:Methods: Animal models
WNT974给药
WNT974剂量和给药方式、赋形剂类型和体积、给药时间
阅读提示:Methods: Porcupine inhibition
Wls基因敲除
他莫昔芬剂量和给药方案、基因型对照、敲除效率验证
阅读提示:Methods: Osteoblast-specific Wls deletion
胫骨负荷
负荷设备、负荷参数(频率、循环数、天数)、峰值应变或力、麻醉方法
阅读提示:Methods: Tibial loading
动态组织形态计量学
荧光标记物、剂量、注射时间,切片位置、厚度,分析指标(MS/BS、MAR、BFR/BS)
阅读提示:Methods: Dynamic histomorphometry
基因表达分析
取材时间、样本制备方法、基因列表、内参基因、qPCR平台
阅读提示:Methods: Gene expression
骨吸收分析
qPCR检测的基因、ELISA试剂盒、血清采集时间
阅读提示:Methods: Serum markers, Results: Wls deletion in osteoblast lineage cells enhances bone resorption