BMP-dependent, injury-induced stem cell niche as a mechanism of heterotopic ossification

doi:10.1186/s13287-018-1107-7

.2019年1月11日；10(1):14.

doi:10.1186/s13287-018-1107-7。

BMP依赖性损伤诱导的干细胞生态位作为异位骨化机制

附属公司

¹安徽医科大学基础医学院，中国合肥市眉山路81号，230032。
²中国科学技术大学第一附属医院安徽省立医院创伤骨科，合肥，233000。
^三美国伊利诺伊州芝加哥市东芝加哥大道303号沃德大厦10-233，西北大学神经病学系，邮编：60611-3008。
⁴同济大学医学院同济医院内分泌代谢科，上海，中国。
⁵美国伊利诺伊州芝加哥市西北大学范伯格医学院比较医学中心，邮编：60611-3008。
⁶安徽医科大学基础医学院，中国合肥市眉山路81号，230032。l-kan@northwest.edu。
⁷美国伊利诺伊州芝加哥市东芝加哥大道303号沃德大厦10-233，西北大学神经病学系，邮编：60611-3008。l-kan@northwestern.edu。

PMID： 30635039
预防性维修识别码： PMC6329163型
内政部： 10.1186/s13287-018-1107-7

BMP依赖性损伤诱导的干细胞生态位作为异位骨化机制

陈侃等。干细胞研究与治疗. 2019.

.2019年1月11日；10(1):14.

doi:10.1186/s13287-018-1107-7。

作者

陈侃¹, 那丁¹, 杨家钊², 谭振亚¹, 泰米·麦奎尔^三, 海美路¹, 张克勤⁴, 戴安娜·巴利拉·伯杰⁵, 约翰·凯斯勒^三, 菅立新^6 7

附属公司

¹安徽医科大学基础医学院，中国合肥市眉山路81号，230032。
²中国科技大学第一附属医院安徽省医院创伤骨科，合肥，233000，中国。
^三美国伊利诺伊州芝加哥市东芝加哥大道303号病房楼10-233西北大学神经病学系，邮编60611-3008。
⁴同济大学医学院同济医院内分泌代谢科，上海，中国。
⁵美国伊利诺伊州芝加哥市西北大学范伯格医学院比较医学中心，邮编：60611-3008。
⁶安徽医科大学基础医学院，中国合肥市眉山路81号，230032。l-kan@northwestern.edu。
⁷美国伊利诺伊州芝加哥市东芝加哥大道303号病房楼10-233西北大学神经病学系，邮编60611-3008。l-kan@northwestern.edu。

PMID： 30635039
预防性维修识别码： PMC6329163型
内政部： 10.1186/s13287-018-1107-7

摘要

背景：异位骨化（HO），无论是后天性（aHO）还是遗传性，如进行性骨化性纤维发育不良（FOP），都是一种严重的疾病，没有有效的治疗。对损伤诱导HO的核心过程的理解仍然非常有限。

方法：在HO动物模型（Nse-BMP4）中，采用双脉冲胸苷类似物标记来探索损伤诱导损伤中演变的独特结构域。组织学研究旨在观察在aHO和FOP患者的活检中是否也一致发现类似的带状模式。使用Rainbow小鼠进行体内克隆分析，使用白喉毒素A（DTA）介导的耗竭进行遗传功能丧失研究，并使用Zsgreen报告小鼠进行谱系追踪，以获得进一步证据，证明Tie2-cre-、Gli1-creERT-和Glast-creERT-标记细胞作为微膨胀祖细胞/干细胞参与HO。免疫组织化学用于测试血管系统、神经突、巨噬细胞和肥大细胞是否与拟议的生态位密切相关，因此可能是候选的生态位支持细胞。还采用了类似的方法来进一步了解调节生态位和产生的HO的信号通路。

结果：我们发现，损伤诱导损伤中的独特结构域进化而来，包括HO（Nse-BMP4）动物模型中的间充质干细胞（MSC）生态位、瞬时结构域和内分化核心。在aHO和FOP患者中发现类似的带状结构。Rainbow小鼠的体内克隆分析和DTA的遗传功能丧失研究提供了证据，证明Tie2-cre-、Gli1-creERT-和Glast-creERT-标记的细胞作为微生态膨胀祖细胞/干细胞对HO有贡献；血管系统、神经突、巨噬细胞和肥大细胞始终与拟议的生态位密切相关，因此可能是候选的生态位支持细胞。进一步的机制研究发现，BMP和刺猬（Hh）信号共同调节生态位和产生的HO。

结论：现有数据提供了一种潜在的核心机制的证据，其中多种疾病特异性细胞和细胞外分子元素形成独特的局部微环境，即损伤诱导的干细胞生态位，调节间充质干细胞（MSCs）的增殖和成骨分化。HO的含义是，治疗方法必须将几种不同的疾病特定因素作为功能单元的一部分，而不是一次只治疗一种因素。

关键词：骨形态发生蛋白；刺猬（Hh）；异位骨化；间充质干细胞；生态位；生态位支持细胞；利基支持分子。

PubMed免责声明

利益冲突声明

道德审批

本研究中的所有动物实验均遵循安徽医科大学动物护理和使用委员会（方案：LLSC20140042）和西北大学（方案：IS00001002）批准的指南。经安徽省医院医学研究伦理委员会（编号：P-023）、中国科学技术大学第一附属医院（合肥）批准，使用经鉴定的人体材料。由于未鉴定的人类材料的性质，我们依靠IRB/伦理委员会来审查研究和同意程序。

出版同意书

不适用。

竞争性利益

作者声明，他们没有相互竞争的利益。

出版商备注

Springer Nature在公布的地图和机构关联中的管辖权主张方面保持中立。

数字

图1
总部不同阶段的LRC模式。**a–c**在早期炎症阶段(< 三受伤后几天）(一低功率，b条高功率，以及**c（c）**相邻切片的H&E染色），典型图像显示有许多CldU⁺/识别码⁻细胞（静止干细胞，红色箭头），一些CldU⁺/识别码⁺（活性干细胞，黄色箭头），但CldU极少⁻/识别码⁺（瞬态放大细胞，绿色箭头）。插入框是面板的部分放大目标区域一这突出了此时点的染色模式；请注意，无法识别任何公认的区域模式。**d–f日**在纤维增生期（3-6 受伤后天数）(d日低功率，**e（电子）**高功率，以及**（f）**相邻切片的H&E染色），典型图像显示CldU很少⁺/识别码⁻单元格（红色箭头），许多CldU⁺/识别码⁺（黄色箭头）和一些CldU⁻/识别码⁺（绿色箭头）。插入框是面板的部分放大目标区域d日这突出了此时点的染色模式；请注意，无法识别任何公认的区域模式。**g–i类**发展中的HO（> 6 受伤后天数）(克低功率，小时高功率，以及我相邻切片的H&E染色），可以根据一致的LRC模式将病变大致分为三个相邻的结构域，从病变的外部到中间具有可感知的梯度（白色箭头），即MSC生态位(N个)，瞬态域(T型)和内部分化核心(天). 插入框是面板的部分放大目标区域克突出了生态位和相邻的过渡区；注意这两个不同区域的染色模式有显著差异。（还请注意，弥漫的非核绿色染色是背景信号）。组织学上，MSC利基(N个在里面克和小时)是一条很窄的地带。该领域的LRC几乎都是CldU⁺/IdU公司⁻单元格（红色箭头）。瞬态放大域(T型在里面克和小时)位于MSC生态位和内部分化核心之间，包含两种CldU⁺/识别码⁺（活性干细胞，黄色箭头）和CldU⁻/识别码⁺（瞬时放大细胞，绿色箭头），具有可感知的梯度（白色箭头）和内部分化核心(天在里面克和小时)由分化细胞组成，没有明显的胸腺嘧啶类似物标记。**j–l**成熟HO（> 1 受伤后一个月）(j个低功率，k个高功率，以及我相邻切片的H&E染色），病变可类似地分为三个相邻区域，但成熟HO中常缺少短暂区域。插入框是面板的部分放大目标区域j个这突显出狭小的利基市场，其中几乎只包括静止的中央情报局⁺/识别码⁻细胞和邻近区域。米发展中HO不同领域不同类型LRC的量化（2 受伤后数周）。显示高倍图像±SD中的平均细胞数/域面积(n个 = 5); 括号中的百分比表示不同亚群的百分比（CldU⁺，氯丁橡胶⁺/识别码⁺，或IdU⁺)超过总LRC⁺每个域中的单元格）；统计数据比较了MSC结构域与其他结构域中阳性细胞的百分比，*在第页 < 方差分析0.05，Bonferroni事后测试。请注意，在提议的生态位中，97.3%的总LRC是CldU⁺静止的干细胞。在合同中，在拟议的过渡区，大多数（89.2%）LRC是CldU⁺/IdU公司⁺活性干细胞，在终末分化核心中，大多数（61.4%）的LRC是IdU⁺瞬态放大细胞。n个,o个在人类FOP中可以识别出类似的地带性模式(n个)和aHO(o个)样品，基于细胞形态（显示H&E染色的典型图像）。一,d日,克、和j个规模相同；b条,**e（电子）**,小时、和k个规模相同；**c（c）**,**（f）**,我、和我在同一刻度上，巴 = 50 微米。n个和o个在同一刻度上，巴 = 100 微米

图2
三转基因小鼠MSC生态位亚群的体内克隆分析。一,b条早期的典型图像(一)而且很晚了(b条)Nse-BMP4损伤；Tie2-cre；R26R-纸屑老鼠。请注意，许多克隆簇位于(b条)（在白色虚线之间）。**c（c）**,d日早期的典型图像(**c（c）**)而且很晚了(d日)Nse-BMP4损伤；Gli1-creERT；R26R-纸屑老鼠。请注意，Gli1-creERT的标记效率普遍较低；R26R-五彩纸屑小鼠和克隆簇很容易识别。同样，大多数克隆簇位于提议的MSC生态位（白色虚线之间）。**e（电子）**,**（f）**Nse-BMP4早期和晚期病变的典型图像；Gli1-creERT；R26R-纸屑老鼠。同样，大多数克隆簇位于提议的MSC生态位中。白色箭头指向所有面板中的克隆簇。克在每只三重转基因小鼠中进行HO的体内克隆分析的总结，n个 = 5/组。小时后期的典型图像（3 损伤后数周），似乎捕捉到子代的迁移模式（白色箭头，从MSC到内核）。一,d日,克、和j个规模相同；b条,**e（电子）**,小时、和k个在同一刻度上，巴 = 50 微米。n个和o个规模相同，一——**（f）**规模相同；酒吧 = 50 微米。

图3
Glast-creERT+亚群的条件性缺失抑制了损伤诱导的HO。一,b条TAM治疗的典型X射线图像(一)和控制(b条)Nse-BMP4；玻璃-克里特；ROSA26-eGFP-DTA小鼠4 受伤数周后。**c（c）**对照组和TAM治疗组的HO发病率。d日对照组和TAM治疗组HO湿重的量化，n个 = 5.统计分析比较了对照组（不含TAM）与耗竭组（含TAMt吨-测试**P（P）* < 0.05. 注意Glast-creaERT的损耗⁺细胞抑制HO，但未完全阻断HO。**e（电子）**MSC生态位厚度的量化，n个 = 5、统计分析比较了对照组（无TAM）与耗竭组（有TAM），使用未配对t吨-测试**P（P）* < 0.05.（f）TAM处理后的典型荧光图像(**（f）**)和控制(克)Nse-BMP4；玻璃-克里特；ROSA26-eGFP-DTA小鼠。注意，在TAM治疗组(**（f）**)、GFP⁻（重组但未耗尽）细胞很少被发现。小时,我TAM处理切片的H&E染色(小时)和控制(我)Nse-BMP4；玻璃-克里特；ROSA26-eGFP-DTA小鼠。请注意，荧光图像和H&E染色均表明TAM治疗组的MSC结构域（虚线内）较薄。酒吧 = 50 微米

图4
候选生态位支持细胞的特征。一CldU双重染色典型图像⁺/SMI312.白色箭头指向CldU的紧密关联，但不是共同本地化⁺带有SMI312的干细胞⁺神经突。b条CldU三重染色的典型图像⁺/SMI312/类型。白色箭头指向CldU的紧密关联，但不是共同定位⁺具有Typ的干细胞 + 肥大细胞。**c（c）**（end/lam）双重染色的典型图像。请注意，端部与lam几乎100%相关，但不是共同定位（端部始终位于管腔侧）。d日（CldU/lam）双重染色的典型图像。白色箭头指向CldU的紧密关联，但不是共同定位⁺lam干细胞 + 脉管系统。**e（电子）**,**（f）**巨噬细胞与HO相关。**e（电子）**丰富的IBA1⁺巨噬细胞从早期开始就存在于病灶中。**（f）**IBA1级⁺巨噬细胞与提议的MSC生态位密切相关。在所有面板中，虚线白线划定了拟议的MSC利基。酒吧 = 50 微米

图5
损伤诱导损伤中BMP成分的特征。一,b条早期BMP4染色的典型图像(一)及以后(b条)损伤。注意，BMP4在早期病变中上调，但或多或少均匀。然而，从凝结阶段开始，BMP4梯度明显，即高BMP4信号主要位于内核，并且存在明显的梯度（白色箭头）。**c（c）**,d日早期BMPRII染色的典型图像(**c（c）**)及以后(d日)损伤。BMPRII在整个病灶内无明显上调或梯度。**e（电子）**,**（f）**早期pSMAD1/5染色的典型图像(**e（电子）**)及以后(**（f）**)病变。注意，pSMAD1/5显示出与BMP4相似的模式。酒吧 = 50 微米

图6
Gli1信号条件性KO的功能后果。一,b条Nse-BMP4的典型x射线图像；Gli1-creERT公司^+/−(一)和Nse-BMP4；Gli1-creERT公司^−/−(b条)受伤后的小鼠。注意，Nse-BMP4中损伤诱导的HO被显著抑制；Gli1-creERT公司^−/−老鼠。**c（c）**,d日Nse-BMP4病变组织pSMAD1/5染色；Gli1-creERT公司^+/−(**c（c）**)和Nse-BMP4；Gli1-creERT公司^−/−老鼠(d日). 注意，这两组之间的BMP信号传导没有明显差异，但与Nse-BMP4不同；Gli1-creERT公司^+/−，在BMP4的病变组织中；Gli1-creERT公司^−/−小鼠，未观察到BMP信号梯度。**e（电子）**——我H&E染色显示，BMP4；Gli1-creERT公司^+/−老鼠(**e–g**)典型HO过程的所有阶段，即早期纤维增生(**e（电子）**)，软骨生成(**（f）**)和成熟的HO(克)，都是可以观察到的。然而，在Nse-BMP4中；Gli1-creERT公司^−/−尽管整个HO过程被显著抑制，但并非所有阶段都受到同等影响(小时,我). 值得注意的是，软骨生成受到的影响较小，而纤维增生区严重发育不全，只能在软骨核心周围发现，Nse-BMP4中发现了最成熟的结构；Gli1-creERT公司^−/−小鼠HO发育不全，没有发育良好的小梁或骨髓(我). 有趣的是，根据形态学，至少在软骨形成阶段，MSC生态位仍然可见（仅轻度受影响）。j个,k个与Nse-BMP4相比；Gli1-creERT公司^+/−; Zsgreen公司(j个)Nse-BMP4中预先存在Gli1-creERT标记的干/祖细胞；Gli1-creERT公司^−/−; 在缺乏持续的Gli1信号的情况下，Zsgreen小鼠可以存活并有助于MSC生态位的形成(k个).c（c）,d日,j个、和k个在同一刻度上，巴 = 100 μm；**（f）**——我在同一刻度上，巴 = 100 微米

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1. Kraft CT、Agarwal S、Ranganathan K、Wong VW、Loder S、Li J等。创伤诱导的异位骨形成和免疫系统的作用：综述。《创伤急性护理外科杂志》2016；80(1):156–165. doi:10.1097/TA.0000000000000883。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
1. Sakellariou VI、Grigoriou E、Mavrogenis AF、Soucacos PN、Papagelopoulos PJ。创伤性脑损伤和脊髓损伤后的异位骨化：对病因和病理生理学的深入了解。肌肉骨骼神经相互作用杂志。2012;12(4):230–240.-公共医学
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[5] Kraft CT、Agarwal S、Ranganathan K、Wong VW、Loder S、Li J等。创伤诱导的异位骨形成和免疫系统的作用：综述。《创伤急性护理外科杂志》2016；80(1):156–165. doi:10.1097/TA.0000000000000883。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

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[7] Sakellariou VI、Grigoriou E、Mavrogenis AF、Soucacos PN、Papagelopoulos PJ。创伤性脑损伤和脊髓损伤后的异位骨化：对病因和病理生理学的深入了解。肌肉骨骼神经相互作用杂志。2012;12(4):230–240.-公共医学

[8] Sakellariou VI、Grigoriou E、Mavrogenis AF、Soucacos PN、Papagelopoulos PJ。创伤性脑损伤和脊髓损伤后的异位骨化：对病因和病理生理学的深入了解。肌肉骨骼神经相互作用杂志。2012;12(4):230–240.-公共医学

[9] Pignolo RJ、Shore EM、Kaplan FS。进行性骨化性纤维增生症：诊断、治疗和治疗范围。《儿科内分泌评论》2013；10（补充2）：437–448。-项目管理咨询公司-公共医学

[10] Pignolo RJ、Shore EM、Kaplan FS。进行性骨化性纤维增生症：诊断、治疗和治疗范围。《儿科内分泌评论》2013；10（补充2）：437–448。-项目管理咨询公司-公共医学

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