PNAS：香港大学蒋海波等团队给骨骼拍“分子电影”，看清成骨细胞如何一砖一瓦搭建骨基质

骨形成是一个动态且高度协调的过程，支撑着骨骼生长、修复和稳态。它由成骨细胞的背景依赖性作用所协调，成骨细胞合成并沉积细胞外基质（ECM），同时响应来自其局部微环境的信号。

尽管在过去几十年中驱动成骨细胞分化和功能的分子通路已被充分阐明，但关于新基质在体内于何处、何时以及如何沉积的根本问题仍然存在。在空间和时间上绘制成骨细胞-基质相互作用，特别是在天然骨髓微环境中，对于理解骨骼健康和疾病至关重要，但利用骨骼研究界当前的技术在很大程度上仍无法实现。

常规方法如组织学、荧光成像和整体代谢分析为组织形态计量学或代谢表型提供了关键见解，但缺乏解析细胞内代谢和细胞-基质相互作用所需的空间分辨率或时间保真度。例如，组织学和电子显微镜（EM）揭示细胞和基质结构，但无法区分代谢活跃与非活跃细胞。

稳定同位素示踪和质谱虽然对于评估整体代谢通量很强大，但与解剖背景脱节且缺乏亚细胞分辨率。基于基质辅助激光解吸/电离（MALDI）、飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）和拉曼显微术的空间代谢谱分析平台已显著推进了代谢研究，但亚细胞信息和灵敏度有限。

此外，骨的矿化性质带来了额外的技术挑战，现有成像技术相对未充分利用或适应性差。因此，骨骼生物学领域一直缺乏一个能够在体内纳米尺度直接可视化和定量成骨细胞代谢及基质重塑的整合平台。

图1.跨空间尺度的肌肉骨骼细胞超微结构和元素组成的空间映射（摘自

PNAS

）

为弥补这一空白，作者开发了一个整合成像平台，将时间分辨代谢标记与相关电子和离子显微术（CEIM）相结合，以测量体内肌肉骨骼代谢和基质动力学。离子显微术——使用纳米级二次离子质谱（NanoSIMS）——为生物样品中的元素和同位素分析提供了高灵敏度和高空间分辨率（~40 nm横向）。

通过将优化的骨组织样品处理工作流程、EM超微结构图谱以及使用NanoSIMS的稳定同位素标记饮食氨基酸示踪相结合，该工作流程能够在纳米级分辨率下在组织背景下对成骨细胞代谢和ECM沉积进行定量分析。它保留了空间结构，同时揭示了从组织到细胞器的跨空间尺度的化学异质性和代谢，从而提供了骨形成动力学的全面图景。

在本研究中，作者证明成骨细胞在体内口服给药后数分钟内快速摄取并随后将饮食氨基酸转化为骨基质，这与体外观察到的多天时间线形成鲜明对比。作者显示新沉积的基质沿水泥线空间对齐，并通过进一步时间追踪基质发育，作者鉴定了骨细胞树突状突起与局部骨基质几何结构之间的空间关联。

长期氨基酸示踪进一步揭示了骨细胞和破骨细胞界面处的局部基质转换。最后，作者揭示衰老破坏了成骨细胞氨基酸掺入、局部基质沉积和骨细胞突起相关活性。

总之，作者提出了一个时空谱分析平台，该平台桥接了成骨细胞代谢和基质沉积，为研究骨骼疾病、衰老、组织再生等中的代谢改变开辟了途径。

参考消息：https://doi.org/10.1073/pnas.2533109123