摘要
应力性骨折(stress fracture,SF)因骨骼反复受机械负荷引发微损伤累积所致,是军人、运动员等高强度运动群体的高发骨骼损伤,临床亟待优化针对性治疗手段。低强度脉冲超声(LIPUS)作为无创物理治疗手段在骨科临床应用广泛,但其促进 SF 愈合的具体分子机制尚未完全阐明。本研究旨在明确 LIPUS 对小鼠尺骨 SF 的修复作用,探究其调控 SF 愈合的分子通路,为 LIPUS 在 SF 临床康复治疗中的优化应用提供实验依据与新靶点参考。
构建小鼠尺骨应力性骨折模型,采用 FDA 批准的临床常规参数实施 LIPUS 干预,同时设置 Piezo1 特异性阻断剂 GsMTx4 组、Piezo1 激动剂 Yoda1 组及空白对照组。通过微计算机断层扫描(µCT)检测各组小鼠骨折部位骨矿物质密度(BMD)、骨体积(BV)等骨微结构关键指标;结合组织学染色与免疫组织化学技术,观察骨折区域成骨细胞数量及 Piezo1 蛋白表达特征;体外分离培养小鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs),给予 LIPUS 体外刺激,检测细胞增殖、成骨分化能力,同时检测钙 / 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II(CaMKII)、细胞外信号调节激酶 1/2(ERK1/2)磷酸化水平,探究 LIPUS 促成骨的信号通路机制。
µCT 检测显示,与对照组相比,LIPUS 干预可显著加速小鼠 SF 部位早期编织骨修复,显著提升编织骨区域 BMD、BV 等指标。组织学与免疫组化结果证实,LIPUS 治疗后,编织骨区域成骨细胞数量明显增多,钙黄绿素茜素红结果显示,经LIPUS治疗后骨形成速率较对照组增加,同时Piezo1 蛋白表达呈显著上调趋势。功能验证发现,阻断 Piezo1 可显著抑制 LIPUS 的治疗效果,激活 Piezo1 则能进一步增强 LIPUS 的修复作用。体外细胞实验证实,LIPUS 可有效促进 BMSCs 增殖及成骨分化,后续我们使用Piezo1及CAMKII抑制剂发现,抑制后LIPUS的效果明显减弱。通过WB及免疫荧光证明了LIPUS通过激活 Piezo1 上调 p-CaMKII 表达,进而激活 ERK1/2,通过 Piezo1-CaMKII-ERK1/2 促进SF修复。
LIPUS 可有效促进小鼠尺骨应力性骨折愈合,其作用机制为上调骨折部位骨组织 Piezo1 表达,激活 Piezo1-CaMKII-ERK1/2 信号通路,进而促进 BMSCs 增殖与成骨分化,推动骨折部位膜内骨化进程。本研究证实 Piezo1 是 LIPUS 治疗 SF 的关键分子靶点,为临床优化 SF 物理康复治疗方案、开发靶向联合治疗策略提供了重要的分子依据与研究方向。另外,使用Piezo1激动剂与LIPUS联合治疗效果更优,可为今后药物与物理因子治疗提供实验依据。
