运动为什么能“壮骨”？其背后机制原来是这样

2021-03-03 学术头条

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来源：中国生物技术网

如果要问，为什么运动会有益健康？估计大家可以给出至少不下 5 个理由，什么促进新陈代谢、增强免疫力、促进血液循环、增加心肺功能、减脂增肌等等。

说到增肌，前不久，发表在 《Science Advances》 上的一项研究中，来自美国杜克大学的研究人员通过用实验室培养的工程化肌肉证明了这一机制：人体肌肉能在运动时抵御慢性炎症带来的破坏性影响。

因此，运动的肌肉可以抗炎强“肌”的机制已经揭示，那么肌肉包裹的骨骼又在发挥着什么作用呢？众所周知，运动可以提升骨骼强度和免疫功能，而这一现象背后的机制又是什么呢？

近日，发表在 Nature 上的一项新研究中，来自美国德克萨斯大学（UT）西南医学中心领导的国际研究团队阐明了这一机制。他们在骨髓中发现了一种名为“ 小生境 ”的特殊生态位，而这个“小生境”是产生新的骨细胞和免疫细胞的地方。运动诱导的刺激正是维持小生境以及其中的骨骼和免疫细胞生成所必需的。也就是说， 运动增强了免疫系统，而且增加了骨密度，以防止骨质疏松 。

骨髓 有造血、免疫和防御机能。 成年人的骨髓是人体最大的器官之一，人均 2.8 千克，占体重的 3.5-5.9%。在骨髓中，有两种干细胞，一种是 造血干细胞 ；另一种是 骨骼干细胞 。造血干细胞可以分化出 淋巴细胞 （免疫系统抵抗感染的B细胞和T细胞）等血细胞；而骨骼干细胞可以分化成 成骨细胞 等间充质细胞。随着年龄增长，骨髓中的“小生境”发生了变化，负责维持骨骼质量和免疫功能的细胞逐渐消耗殆尽。然而，科学家们对这种生态位如何变化以及骨细胞随年龄增长而减少的原因知之甚少。

在这项新研究中，研究人员通过小鼠实验发现，行走或跑步产生的机械力从骨骼表面沿着小动脉血管传递到骨髓。排列在小动脉外部的骨形成细胞可以感知到这些力量并被诱导增殖。这不仅可以形成新的骨细胞，从而有助于骨骼变厚，而且骨形成细胞还会分泌一种生长因子，增加了在小动脉周围形成淋巴细胞的频率。

当骨形成细胞感知机械力（由运动产生）的能力失活时，新骨骼细胞和淋巴细胞的生成就会减少，导致骨骼变薄，降低小鼠清除细菌感染的能力。

UT西南医学中心主任、霍华德·休斯医学研究所研究员Sean Morrison实验室之前的研究发现了骨骼干细胞能在成年期骨髓中产生大部分新骨细胞。这些细胞是瘦素受体+（ LEPR+ ）细胞，排列在骨髓血管的外侧，形成维持造血细胞的关键生长因子。该团队还发现，一个LEPR+细胞亚群合成了一种以前未被发现的成骨生长因子 Osteolectin （ Oln ）。 Oln 是一种分泌蛋白，可以激活骨骼干细胞、成骨祖细胞等细胞表面的相关信号，通过使LEPR+形成新的骨细胞来促进成人骨骼的维持。

在这项新研究中，研究人员研究了产生Osteolectin的LEPR+细胞亚群后发现，这些细胞只存在于骨髓中的小动脉血管周围，并且通过合成干细胞因子（SCF）来维持附近的淋巴祖细胞，而SCF是这些细胞所依赖的一种生长因子。从Oln+的细胞中删除SCF会耗尽淋巴祖细胞并破坏小鼠应对细菌感染的免疫反应能力。

研究第一作者、Morrison实验室博士后研究员Bo Shen说：“结合我们以前的研究，这项新研究结果表明Oln+细胞在小动脉周围为骨形成和淋巴祖细胞创造了一种特殊的生态位。在老年群体中。增加Oln+细胞数量的治疗干预可以增强骨骼形成和免疫反应。”

Shen发现，Oln+细胞和淋巴祖细胞的数量随着年龄增长而减少。出于对能否扭转这一趋势的好奇，Shen将小鼠放进带跑步轮的笼子里，以让它们锻炼身体。他发现，这些小鼠的骨骼随着运动而变得更强壮，同时小动脉周围的含Oln细胞和淋巴祖细胞的数量也在增加，并 首次发现了机械刺激可以调节骨髓中的“小生境” 。这一发现可能对干细胞生物学产生广泛影响。

Shen发现，Oln细胞在其表面表达出一种名为 PIEZO1 的受体，该受体在细胞对机械力作出反应时发出信号。当从小鼠的Oln细胞中删除PIEZO1时，这些细胞和它们所支持的淋巴祖细胞就会耗尽，从而削弱骨骼并损害免疫反应。

Morrison说：“我们又发现了一种重要机制，运动正是通过这种机制提高了免疫力并增强骨骼。”

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03298-5