作者：Stephen Gadomski, Claire Fielding, Andrés García-García, Claudia Korn 等
机构：Wellcome-MRC Cambridge Stem Cell Institute, University of Cambridge, National Institutes of Health 等
发布时间与期刊：2022年4月7日，发表在《Cell Stem Cell》
研究标题：A Cholinergic Neuroskeletal Interface Promotes Bone Formation During Postnatal Growth and Exercise
自主神经系统在调控体内稳态和平衡应激反应中起重要作用。早期研究指出交感神经肾上腺素能纤维通过去甲肾上腺素的释放减少骨质密度。然而，胆碱能信号（cholinergic signaling）在骨中的作用尚不明确。现有研究表明，某些早期交感神经起初为去甲肾上腺素能特性，后逐步转变为胆碱能特性，即“胆碱能转换”（cholinergic switch）。此外，适度运动已被证明对骨质量有积极作用，而其机制并未完全阐明。因此，研究者旨在明确胆碱能神经纤维在骨形成中的角色及其与运动和生长相关的作用机制。
此次研究通过验证以下假设展开：骨组织的胆碱能神经连接是否通过特定的信号途径促进骨细胞（osteocyte）的生存与骨形成，并以此揭示自主神经系统与骨骼系统的耦合关系。
本研究围绕三个主要方面展开：胆碱能神经纤维的发育和分布、其基于特定信号通路对骨细胞及骨形成的调控作用、适度运动及相关因子（如IL-6）对胆碱能信号的动态影响。
研究通过免疫荧光实验和遗传示踪技术，分析胆碱能神经纤维在骨组织中的分布。实验使用了多种小鼠模型，其中包括基因敲除模型（gfra2¤/¤小鼠）和胆碱能示踪模型（Chat-ires-Cre；Ai35D小鼠）。通过对骨干尤其是生长板（growth plate）及骨髓区域进行三维成像记录，研究者发现胆碱能神经纤维主要分布于皮质骨和骨髓中。此外，证实骨衬里细胞（bone-lining cells）属于胆碱能系统的非神经元成分。
研究设计了多个体外及体内实验以探讨诱导胆碱能转换的因子。高浓度的IL-6（白介素-6）被证明在骨相关交感神经的胆碱能转换中起核心作用。体外实验中，研究者将原代上颈交感神经节细胞（SCG神经元）暴露于IL-6环境下，观察到胆碱能基因标志物（如ChAT和Vacht）表达显著上调，而去甲肾上腺素能标志物表达下降。此外，通过体内实验，证实IL-6显著增加参与胆碱能信号的神经纤维密度，而阻断IL-6信号则引发骨胆碱能神经酪失。
通过一系列实验（包括共聚焦分析与电子显微镜成像），研究发现胆碱能信号主要通过NRXN-GFRa2轴（受体与配体）在骨细胞间传导。有趣的是，胆碱能信号缺乏会导致骨细胞的树突连接减少、变形及退化，骨质密度显著降低（骨质疏松现象）。进一步实验证明，胆碱能信号的缺失会使骨细胞的Wnt/Wnt抑制基因（例如Sclerostin）的表达上调，从而抑制骨形成。
研究者通过跑台实验分析运动如何增强胆碱能信号。他们发现，适度运动显著增强了鼠骨髓中胆碱能神经纤维的数量，同时增加了骨衬里细胞及成骨细胞的乙酰胆碱水平。研究进一步证实IL-6是运动诱导胆碱能信号的核心媒介因子，而IL-6信号被抑制后，该增益机制完全丧失。
胆碱能信号的结构与分布
胆碱能神经纤维分布于骨皮质和生长板附近，而胆碱能骨衬里细胞有助于在骨骼中放大乙酰胆碱信号。
IL-6驱动胆碱能转换
IL-6通过作用于骨表面交感神经纤维，引导其从去甲肾上腺素能变为胆碱能特性。
胆碱能信号维持骨细胞网络
胆碱能轴通过骨细胞间传递信号维持其生存，信号缺失将导致骨质疏松症状。
运动增强胆碱能信号
适度运动增加胆碱能神经纤维密度和骨细胞活性，而IL-6为其中重要调控因子。
科学意义
本研究首次揭示了骨组织中自主神经系统（尤其是胆碱能信号）的核心作用。从自主神经与骨细胞间建立的“对话”来看，该研究阐述了一种全新的骨骼稳态调控机制。
临床应用前景
IL-6及胆碱能调控在骨质疏松治疗中的潜力巨大。此外，研究强调适度运动对骨骼健康的积极作用，为优化骨骼健康的干预策略提供新视角。
新颖发现
率先提出自主神经系统通过胆碱能信号调控骨细胞生存及骨形成。
方法创新
结合遗传示踪和神经纤维标记术验证了胆碱能信号在骨组织中的功能性。
应用潜力
适度运动与抗骨质疏松的胆碱能调节间的机制深具研究与临床转化价值。
研究以其广泛而深入的生理和临床意义，为自主神经与骨骼生理的耦合领域提供了重要的新见解，为骨骼健康干预及骨质疏松治疗开辟出崭新的探索方向。