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Nat Neurosci丨骨‑脑轴新机制!白晓春/陆地/宋千成揭示刺激骨骼经骨细胞PIEZO1 促进脑损伤修复

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临床上常发现,大脑受重创的人,骨头长骨痂、结痂都比常人快得多。那反过来,我们能不能只是按一按、压一压自己的腿骨,让骨骼 "叫醒" 大脑,帮它更快醒过来?


2026年9月21日,南方医科大学白晓春、宋千成,联合昆明医科大学陆地团队在《Nature Neuroscience》上发表研究“Tibial bone compression promotes recovery after brain injury through osteocyte PIEZO1”。

该研究证实,对小鼠、巴马小型猪胫骨实施动态胫骨轴向压缩(DCTAL),依靠骨细胞 PIEZO1 机械感受通道激活骨‑脑轴,分泌 HSP70、IL‑1R2、APOL11a 等骨源性因子,减少神经元丢失、抑制神经炎症、促进神经再生,改善创伤性脑损伤与卒中模型动物生存率、运动及认知功能;而骨折无法启动这套保护程序,为脑损伤无创康复策略提供动物实验依据。

核心亮点速览

  • 对胫骨施加动态力学压缩,可改善脑损伤动物的生存率与神经功能

  • 关键分子:骨细胞PIEZO1机械感受通道

  • 保护效应通过血液循环介质传递,不依赖神经传入

  • 骨折 ≠ 力学加载,两者激活完全不同的骨骼应激应答


给骨骼施加力学刺激,能改善脑损伤吗?

研究构建小鼠创伤性脑损伤(TBI)、缺血性卒中以及巴马小型猪TBI大动物模型,采用动态胫骨轴向压缩(DCTAL) 开展干预。

结果显示, DCTAL 显著提高重度 TBI 小鼠存活率;爬杆测试、水迷宫结果显示小鼠运动协调、空间记忆能力得到改善,损伤前预处理、损伤后干预均可起效。在巴马猪模型,DCTAL 延长动物存活时间,缓解脑实质萎缩,改善迷宫学习、环境探索行为。

体液介导验证结果显示,将 DCTAL 处理动物的血清输注给 TBI 动物,可复现神经保护效果,证明循环体液介质介导骨对大脑的保护;短期 DCTAL 干预不会损伤骨骼、关节结构。

因此,胫骨力学加载(DCTAL)提升小鼠和巴马猪脑损伤模型的生存率、运动与认知功能;保护效应由循环体液介质介导。

引申思考:相较于小鼠,猪的脑解剖结构与躯体生理特征和人类相似度更高。若该无创干预手段可在猪模型中显现疗效,预示其具备更高潜力开发为适用于人类的康复设备。同时,该手段在损伤前预处理、损伤后干预两种模式下均展现治疗收益,提示其既可对高危群体发挥潜在预防价值,也能够应用于脑损伤发生后的康复干预。


骨骼是如何感知力学刺激并启动保护的?

团队构建骨细胞特异性Piezo1条件敲除(Sost‑Cre/ERT2)小鼠。

骨细胞敲除 Piezo1 后,DCTAL 带来的运动、认知改善、神经元保护效应完全消失,证明骨细胞 PIEZO1 通道是该保护作用的必要条件。胫骨局部注射 PIEZO1 激动剂 MCB‑22‑174,无需外力加载,就可以缓解 TBI 小鼠功能缺损。切断下肢外周神经不会削弱 DCTAL 保护效果,说明效应不依赖躯体神经传入,而是骨细胞感受力学信号后释放体液因子发挥作用。

体外实验,DCTAL 处理后的骨皮质上清能够保护缺氧‑缺糖损伤的神经元;Piezo1敲除小鼠的骨上清丧失神经保护能力,进一步证实 PIEZO1 依赖的骨内分泌调控机制。

因此,骨细胞PIEZO1是必需分子;激活它即可起效,切断神经不影响效果,证明是骨内分泌而非神经反射。

引申思考:PIEZO1是2010年才被发现的机械敏感离子通道,这项研究把它和骨-脑轴联系了起来。切断神经不影响疗效,排除了“骨骼刺激→神经信号→大脑”这条路径,证明骨骼是通过内分泌方式来保护大脑的。骨骼不只是一个支撑身体的架子,还是一个能感知力学环境、并据此调节远端器官的内分泌器官!


骨骼释放了哪些保护因子?

转录组筛选发现力学刺激诱导骨细胞产生 HSP70、IL‑1R2、APOL11a,同时循环中 BDNF、PF4、多巴胺水平上调。

HSP70 受 PIEZO1‑AKT 信号轴调控;使用抗体中和 HSP70 会部分抵消 DCTAL 疗效,外源给予重组 HSP70 能够保护神经元。IL‑1R2 作为诱饵受体抑制 IL‑1 相关神经炎症;APOL11a 促进骨来源胆固醇转运至损伤脑组织,骨内过表达Apol11a改善脑损伤结局,敲低该基因会削弱力学加载收益。

与 DCTAL 不同,胫骨骨折不能上调上述保护性骨因子,反而提升促炎细胞因子,无法缓解神经元损伤,证明骨折与动态力学压缩属于两种完全不同的骨骼应激应答模式。

因此,骨细胞分泌HSP70、IL-1R2、APOL11a等多因子协同修复脑损伤;骨折不激活该通路,反而提升促炎因子。

引申思考:骨折 ≠ 力学加载。DCTAL通过上调保护性骨因子实现神经保护;骨折通过上调促炎因子,因此无法缓解神经元损伤。


一张图看懂:刺激骨骼如何修复大脑?

该研究阐释骨‑脑内分泌调控轴:胫骨动态力学刺激被骨细胞 PIEZO1 机械感受通道识别,促使骨细胞释放 HSP70、IL‑1R2、APOL11a 等骨源性因子,并间接升高循环 BDNF、PF4、多巴胺;这些分子经血液循环作用于受损脑组织,抑制神经元凋亡、减轻星形胶质细胞过度活化、减少炎症细胞浸润、促进内源性神经发生。

在小鼠与巴马小型猪 TBI、卒中模型中提升动物生存率,恢复运动与认知功能;胫骨骨折不能启动该套保护程序。证实骨骼是可受力学调控的内分泌器官,为脑损伤无创康复器械开发提供扎实的动物实验证据。


小编寄语

“伤筋动骨一百天”。我们通常认为骨骼受伤后需要静养,这项研究告诉我们,骨骼不只是被动的支架,它还是一个能感知力学环境、并据此调节远端器官的内分泌器官。

该研究为脑外伤、脑梗康复提供了崭新视角,未来除药物、传统康复训练之外,或许可以通过调控骨骼力学负荷,辅助脑损伤人群改善运动、认知,期待后续更多研究推动成果向临床落地。

https://doi.org/10.1038/s41593-026-02422-w

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