低氧/HIFα通路激活状态下的骨细胞生物学演化特征及其对骨改建过程的影响

The studies have showed that hypoxia inducible factors (HIFs) and mimicking agents (HMAs) trigger the initiation and promotion of angiogenic-osteogenic cascade events. Such discoveries suggest promising approaches for the development of novel therapies to improve bone regeneration and formation procedures. However, we recently found that activation of HIFα in osteoblasts through disruption of its degradation pathway leadings to an imbalance in the bone remodeling process associated with osteocyte differentiation obstacle. Based on this clue, in this proposal, we will investigate the regulatory roles of HIF-α pathway on late osteoblasts differentiating into osteocytes and differentiation of osteocytes, as well as relevance to bone remodeling processes, employing the conditional knockout mouse models that Hif-1α or Vhl gene in osteoblast/early osteocyte and osteocyte were deleted, respectively. We will reveal the cellular and molecular mechanisms of hypoxia/HIFa pathway in regulating osteocyte survival, fate, dendrite/canaliculi formation and phenotype expression, which associated with osteoclastogenesis involving cell migration, chemotaxis, cell-cell recognition and attachment, as well as changes into a fusion-competent status in vitro. And we will further clarify the essential function novel protein from the osteoblasts lacking VHL, designated HIP68 (Hypoxia Induced Protein), in regulating osteocyte biological behavior. We expect that the proposed studies will deepen the understanding of the mechanism of bone remodeling, provide important new therapy targets to improve bone reconstruction, exploit novel approaches for patients with difficulty bone diseases.

激活成骨细胞低氧/HIFα通路促进骨形成的有益作用，正引导药用低氧模拟化合物呈热点研究内容的发展趋势，但申请者发现，继成骨细胞HIFα通路激活后的新生骨组织，骨塑建/骨改建过程呈现“失衡”的征象，其中与骨细胞生物学特性转化有关。本课题基于既有的研究线索，以成骨细胞/早期骨细胞、成熟期骨细胞Hif-1α和Vhl基因条件敲除小鼠模型和与之相对应的细胞模型为研究对象，深入了解HIFα通路调控成骨细胞向骨细胞演化、骨细胞分化进程、骨细胞时空分布特征和表型表达的关键环节及其与骨改建过程间的关系；揭示激活HIFα通路状态下的骨细胞对破骨细胞生成和分化的调节作用及其所涉及的细胞分子生物学事件；阐明新发现的HIP68蛋白分子调控骨细胞生物学行为的分子机制。这不仅有助于加深或更新骨塑建/骨改建过程的认识，而且有望发现与确定新的调控因子或分子靶点，为提出促进骨修复、防治代谢性骨病的新举措储备科学基础。

继申请者课题组前期研究发现，由HIF-α通路激活状态下的成骨细胞所形成的骨组织，呈现骨塑建/骨改建过程偏向过量骨形成的“失衡”征象。本课题将以成骨细胞/早期骨细胞/成熟期骨细胞hif-1α基因条件敲除小鼠模型和与之相对应的细胞模型为研究对象，深入了解HIF-1α通路调控成骨细胞向骨细胞演化、骨细胞分化进程、骨细胞时空分布特征和表型表达的关键环节及其与骨改建过程的关系，并且在此基础上研究其在雌激素缺乏导致的骨质疏松症中的角色；评价新生骨组织的构筑特性，揭示骨基质组分微环境变化对骨髓基质干细胞、破骨细胞前体细胞趋化、募集、分化和功能的调节作用及其所涉及的细胞分子生物学事件；筛查成骨细胞因HIF-1α通路激活而产生的调控骨形成、骨吸收过程的介导因子。结果表明：成骨细胞及其演变的骨细胞分化发育进程延迟，骨细胞间、骨细胞与成骨细胞间、骨细胞与骨髓基质干细胞间，通过骨细胞突起所建立的立体网络性信息联系，可因成熟骨细胞量少、骨细胞突起短小而中断，伴随骨细胞Sclerostin、DMP-1表达量降低及其调节信息难以递送等变化，从而引发骨改建过程倾向于骨形成增加的失衡及其骨基质钙化不完全；雌激素缺乏小鼠骨细胞生物学特征转化存在异常，这可能与骨组织中成骨细胞HIF-1α通路的失活有关，致使骨塑建/骨改建过程呈现“失衡”的现象；成骨细胞低氧/HIFα通路被持续激活的状态下，可通过分泌IL-33蛋白靶向破骨细胞的miR-34a-5p/Notch1途径抑制破骨细胞的生成与分化、参与调控骨改建/骨转换过程；关节软骨细胞持续性高表达的HIF-1α及其下游IL-33、15-脂氧合酶-1（15-LO-1）是骨关节炎（OA）的发生发展的重要调节机制之一；应用低氧模拟化合物DFO适度激活细胞低氧/HIF-α通路，可通过诱导组织细胞的血管与骨形成，而发挥促进修复骨缺损的作用；为减轻DFO的系统性不良反应，研发了具有亲骨性和低生物毒性的小分子化合物SF-DFO，并呈现良好的防治骨质疏松的效果。这不仅有助于加深骨发生发育、骨塑建/骨改建过程的认识，而且为提出促进骨修复、防治骨关节病损的新举措储备科学基础。