2023年1月4日，上海大学苏佳灿教授团队与上海长海医院徐灿教授团队合作在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Medicine上在线发表题为“Exosome-based bone targeting drug delivery alleviates impaired osteoblastic bone formation and bone loss in inflammatory bowel diseases”的研究论文，从炎症状态将影响骨形成的角度，阐释了成骨细胞介导的骨形成受抑在炎症性肠病并发的骨量丢失、骨折风险增加现象中的分子基础。本研究中，上海大学转化医学研究院苏佳灿教授、上海长海医院消化内科徐灿教授和创伤骨科陈晓教授为共同通讯作者，郭嘉炜、汪拂晓和胡衍为共同第一作者。该研究工作获得了国家科技部、国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会等单位的多个项目资助。
炎症性肠病（Inflammatory bowel diseases, IBD）是一种特发性慢性肠道炎症性疾病，主要包含溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD），常见的症状有腹痛、腹泻等。本病在西方国家的患病率和发病率最高，可达0.5%和0.3‰。IBD与社会现代化程度紧密相关，各个新兴工业化国家的发病与日俱增。保守估计，UC和CD的患病率在中国已达11.6/100,000和1.4/100,000，且增长迅速。
IBD的肠源性炎症会对患者全身代谢产生影响。多数患者会并发骨量下降、骨质疏松，发生率分别可达67%和57.6%；相应地使骨折风险升高至正常人的1.3-1.4倍。现有研究主要聚焦于IBD中破骨细胞的过度激活导致的骨吸收增加，而现行IBD治疗指南仅强调维生素D、钙剂补充以及抗骨吸收药物应用等，但效果有限、安全性有待考量。
骨量变化依赖于破骨细胞介导的骨吸收和成骨细胞介导的骨形成相互偶联，以保持生理状态下的动态平衡。近年来，旨在促骨形成的合成代谢疗法收获多方认可，尤其在骨量重度低下患者中疗效甚佳。然而，源于骨髓间充质细胞（BMSC）的成骨细胞所介导的骨形成在IBD中的变化却至今缺乏系统研究，制约着临床医生对IBD骨并发症的有效干预。
研究团队首先建立了小鼠的急、慢性UC模型，通过检测股骨骨量和力学性能，明确了UC在动物模型中能显著降低其骨量、骨质量。此外，IL-10-/-小鼠的UC模型中也得到类似结果，从多方面验证UC患者易于并发骨丢失、骨折的病理基础。研究人员经过进一步评估小鼠骨形成参数发现UC能显著减少小鼠的新骨形成，确定了IBD中骨合成代谢的受抑状态。
研究团队接下来在细胞层面探索病理变化。体内实验中，UC小鼠股骨内的骨小梁、成骨细胞数量减少，而骨髓脂肪、脂肪细胞数量增多；体外实验中，来源于UC小鼠的BMSC成骨分化能力显著降低，而成脂分化能力显著提高。此外，研究人员收集健康成年人的BMSC，以及健康志愿者和UC患者的血清，在体外模拟UC患者BMSC的分化情况。结果表明：UC患者血清处理后的BMSC成骨分化相关基因转录降低，而成脂分化相关基因转录升高。
在机制方面，研究人员经过流式细胞术分选获得小鼠股骨内的BMSC后，利用转录组测序（RNA sequencing）和生物信息学分析，发现与成骨分化密切相关的Wnt信号通路显著下调。在体外模拟BMSC炎症时，TNF-α（IBD中血清内显著升高的炎症因子、主要治疗靶标之一）处理能通过增加Wnt通路中β-catenin的泛素化降解，抑制下游成骨相关基因转录。
利用本团队之前开发的杂化外泌体载药技术，研究人员基于受体-配体结合理论，借鉴前列腺癌骨转移分子机制，将GLG1分子表达于外泌体表面，生产并收集工具细胞系来源的GLG1+外泌体，构建搭载Wnt通路激活剂Wntagonist 1的GLG1+载药纳米颗粒（GLG1-NP）。结果发现，GLG1-NP外周给药能够实现纳米颗粒骨组织内特异性分布，经治疗的UC小鼠骨量、骨力学性能下降显著减轻，BMSC成骨分化、骨形成受抑显著改善。同时，GLG1-NP还能促进UC小鼠的骨折愈合，减少骨髓脂肪积累，在UC骨并发症中取得显著疗效。
综上所述，本研究发现肠源性炎症因子可能使BMSC成骨分化受抑，导致显著的骨量下降、骨形成减少。靶向给药促进BMSC成骨分化、增加骨形成可有效治疗IBD骨病，是一项具有参考意义的临床前研究（图1）。本研究强调了促骨合成代谢在骨骼疾病治疗中的重要性，并表明通过改造工具细胞系可以便捷获取载药外泌体，实现特定器官的外周靶向给药。
作者专访
Cell Press细胞出版社公众号特别邀请苏佳灿教授代表研究团队接受了专访，内容如下。
CellPress：
为什么选择从炎症性肠病的角度探讨骨质疏松等骨病的发病机理？
苏佳灿教授：
IBD 是以慢性炎症为特征的肠道疾病，肠道是全身免疫反应的重要器官，肠道环境的紊乱使IBD 患者出现诸多肠外并发症。其中骨质疏松是最为常见的并发症之一。据统计，IBD 患者骨质减少，骨质疏松症的发生率分别可达67%和57.6%；相应地，相对骨折风险上升至正常人的1.3-1.4 倍。然而，IBD 骨代谢的变化仍然有待进一步探索。此外，研究数据表明肥胖率与IBD病程进展之间呈正相关，在葡聚糖硫酸钠诱导的IBD 模型中也能观察到肝脏脂肪堆积和血脂异常。考虑到IBD 中骨髓脂肪的变化在骨代谢中的关键作用，我们启动了该项目，通过葡聚糖硫酸钠和吡罗昔康诱导IBD 模型，评估两种动物模型的骨量、骨质量、骨形成以及骨髓脂肪组织含量变化，从而探究IBD 对骨形成能力的影响。
CellPress：
文中将Wnt agonist 1 负载于外泌体上获得GLG1-NP，实现了BMSC的靶向药物递送。请说明其机理？
苏佳灿教授：
在骨骼发育过程中，BMSC 增殖和分化与血管生成紧密相关，靶向递送药物至BMSC 可直接解除其受抑的增殖状态和促进成骨分化。前列腺癌特别容易发生骨转移，研究发现前列腺癌细胞表面表达的GLG1 分子能选择性地与血管内皮细胞上表达的E-selectin 结合，是其易发生骨转移的分子基础。受此启发，我们立足于GLG1-E-selectin理论基础，构建了骨靶向载药系统来调节BMSC成骨分化命运，并将GLG1-NP 经全身给药干预IBD 动物模型中的骨丢失和骨折愈合过程，证实GLG1-NP 对IBD 相关骨病的治疗效果。
CellPress：
该研究有什么潜在的临床价值？
苏佳灿教授：
通过该研究，我们发现了在IBD模型中，小鼠骨量下降。IBD 的骨髓炎症微环境会使BMSC 增殖能力下降，BMSC趋向于向脂肪细胞方向分化，这为研究IBD骨松的发病机理奠定了基础。此外，我们的研究结果表明以GLG1 外泌体为基础搭载Wnt agonist 1 构建的NP 具有良好的骨靶向性和BMSC 靶向性。GLG1-NP能够长时间在骨组织内驻留，为药物的作用提供了较长的时间窗，以及为临床上IBD骨松的治疗提供一个潜在的治疗方案。
CellPress：
团队在该领域未来有何研究计划？
苏佳灿教授：
研究中我们使用葡聚糖硫酸钠诱导整个结肠发生炎症反应以及构建IL-10-/-小鼠从而诱导自发性肠道性炎症。然而由于IBD的发病机理是复杂的以及多因素的，我们使用的模型只能部分模拟IBD患者的发病机制。因此，我们未来需要建立更多的IBD模型来更加准确以及深入探究IBD相关骨病的发病机制。同时，我们将积极尝试将骨靶向外泌体技术转化落地，实现临床应用。
