顱縫發育與顱縫早閉的分子機制

葉劍青, 胡雪峰

(福建師范大學生命科學學院, 福建省發育與神經生物學重點實驗室, 福州 350117)

顱縫是顱骨頂部扁平骨之間的纖維關節,包括額縫(metopic suture)、冠狀縫(coronal suture)、人字縫(lambdoidal suture)和矢狀縫(sagittal suture)等。顱縫在分娩或咀嚼時輕微形變來發揮外力緩沖作用,并在個體發育期間充當骨骼生長延伸的區域[1]。顱縫和顱骨具有雙重起源,即中胚層來源和顱神經嵴來源,盡管解剖位置和胚胎起源存在差異,但各個顱縫具有相似的基本特征,包括骨前沿、顱縫間充質、上方骨膜和下方硬腦膜。相鄰的骨前沿由間充質組織隔開,間充質中含有助于顱骨持續生長的骨祖細胞。隨著大腦和頭部結構的發育,這些細胞通過膜內成骨在相鄰顱骨前沿內增殖分化為成骨細胞,持續產生新骨[2](Fig.1)。顱縫發育的過程涉及多種相互作用的信號通路,包括轉化生長因子-β(transforming growth factor beta,TGF-β)、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)、骨形態發生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)和視黃酸(retinoic acid,RA)等[3]。遺傳或外界環境的異常則會引起這些通路的失調,干擾正常的細胞增殖和分化,導致顱縫發育的障礙,例如骨之間的過早融合——顱縫早閉[4]。遺傳方面的異常會直接影響正常的成骨細胞分化或者引發微環境異常來間接影響。除此之外,機械力等表觀遺傳因素在顱縫融合中也發揮重要作用[5]。本文就顱縫微環境對顱縫發育的影響,以及機械刺激調控細胞分化的機制作歸納和綜述,為將來治療顱縫早閉的相關藥物研發提供新思路。

1 顱縫早閉類型

顱縫早閉的發生可受到遺傳因素、致畸物以及外界環境因素的影響,使得顱縫早閉表型種類和機制高度復雜。絕大多數顱縫早閉涉及單顱縫融合,少部分涉及多顱縫的融合。已經確定了50多個與顱縫早閉有關的基因,其中常發生突變的基因包括FGFR(fibroblast growth factor receptor)家族基因、TWIST1(twist family bHLH transcription factor 1)和EFNB1(ephrin B1)等(Table1),在此本文將重點介紹與FGFR2和TWIST1這兩個基因突變相關的顱縫早閉。

Table1 Craniosynostosis associated genes and main clinical features in human

1.1 FGFR2突變相關的顱縫早閉

與FGFR變異相關的顱縫早閉綜合征類型最為廣泛,其中又以FGFR2研究最多。FGFR2功能獲得性突變導致受體的配體非依賴性激活,引發多種顱縫早閉綜合征,例如Crouzon、Apert、Pfeiffer、Antley-Bixler、Jackson-Weiss等[6]。Crouzon和Pfieffer具有相似的分子機制,Crouzon綜合征表型相對輕微,主要為雙冠狀縫的早閉,伴有前額扁平、眼球突出和眼距過寬[7, 8];Pfieffer綜合征的顱面特征分為3種類型:Ⅰ型通常伴有中度至重度中面發育不全,Ⅱ型有三葉草頭骨畸形和明顯的眼球突出,Ⅲ型無三葉草頭骨畸形和眼球突出[8, 9]。這2種綜合征最常見突變點位于Ig-Ⅲ結構域,并且2種綜合征主要由Cys278Phe和Cys342Tyr錯義突變引起[6]。Apert綜合征通常由FGFR2的Ig-Ⅱ和Ig-Ⅲ結構域之間保守的接頭區域的錯義突變引起,絕大數突變集中在Ser252Trp或Pro253Arg,主要表現為雙冠縫早閉和手腳并指畸形[6]。Shin等[10]的研究表明,Fgfr2Ser252Trp/+突變小鼠的成骨細胞RANKl表達增加,導致破骨細胞多度活化可能是這種手指畸形的原因。

顱縫中FGFR2主要在分化的成骨細胞和骨祖細胞中表達,FGF/FGFR2通過下游通路信號轉導介導骨祖細胞增殖、分化和凋亡,Fgfr2功能獲得突變導致FGF/FGFR2信號活性增強,激活一個或多個下游信號通路,ERK1/2是在FGFR2信號轉導中介導絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)的關鍵蛋白質[11]。最近的研究[12]證明,Fgfr2的突變會過度激活ERK1/2-MAPK的信號轉導,引起骨祖細胞過早成骨分化,導致顱縫早閉。正常FGFR2的補充可以緩解改善顱縫早閉發生[13]。

1.2 Saethre-Chotzen綜合征

不同于FGFR2的雜合激活突變,TWIST1的突變導致自身蛋白質功能的喪失,特異性導致Saethre-Chotzen綜合征,主要表現為單側或雙側冠狀縫的融合以及上瞼下垂、寬鼻梁和寬眼距[23]。轉錄因子基因TWIST1或TCF12(transcription factor 12)中的單倍體不足是大多數Saethre-Chotzen綜合征的原因[6, 24]。近來研究表明,TWIST1基因附近非編碼區域的變異也會導致顱縫早閉[25, 26]。在斑馬魚中,TWIST1同源基因Twist1b丟失以及Tcf12的丟失會引發顱縫早閉,小鼠中只有Twist1的單倍體功能不足能導致顱縫早閉,Twist1+/-小鼠被認為是研究Saethre-Chotzen綜合征的成熟模型[27, 28]。Twist1+/-突變小鼠表現為顱縫中成骨細胞過早分化導致骨生成增加,不同來源的成骨細胞的成骨貢獻是不同的,正常情況下神經嵴來源成骨細胞比中胚層來源成骨細胞具有更強的成骨能力和增殖特性[29]。這種特性在Twist1+/-小鼠中發生了轉變,Quarto等人[30]對Twist1+/-突變小鼠體外成骨細胞的研究發現,突變體的頂骨成骨能力增強,而額骨的成骨能力受損。另外對中胚層或者神經嵴來源的Twist1基因特異性失活會導致骨的相對增長,Wnt1-Cre;Twist1flox/+小鼠中額骨相對于頂骨過度生長,而在Mesp1-Cre;Twist1flox/+小鼠中,則導致中胚層衍生的頂骨相對于額骨的過度生長[28]。

TWIST1通過與其他堿性螺旋-環-螺旋(basic helix-loop-helix,bHLH)轉錄因子同源或異源二聚化,并與啟動子上CANNTG(E-box)保守基序結合,調控靶基因轉錄活動[31, 32]。在成骨細胞分化過程中,TWIST1主要作為轉錄抑制因子廣泛抑制骨骼發育相關的基因表達和信號通路[33-35]。近來研究也確定了最新的調控靶基因,Quarto等人[30]的研究發現,Twist1+/-小鼠的FGF23表達下調,并在Fgf23基因啟動子中發現E-box結合基序的存在,表明Fgf23直接受TWIST1調控。Camp等[36]研究表明,TWIST1直接與C-ROS-1(ROS proto-oncogene 1, receptor tyrosine kinase)基因近端啟動子上2個E-box結合位點結合;他們的另一項研究[37]表明,抑制Saethre-Chotzen患者的顱骨細胞中C-ROS-1的表達和活性,能改善體外TWIST1單倍體人顱骨細胞的成骨異常。

2 顱縫微環境異常影響顱縫發育

2.1 成體顱縫間充質干細胞保證顱縫開放

顱縫間充質干細胞是一種異質性干細胞群,屬于間充質干細胞或骨骼干細胞,具有自我更新和多向分化的能力,對顱骨的穩態和修復至關重要。已經表明,在顱縫早閉小鼠的顱縫中植入Gli1+間充質干細胞群能改善顱縫早閉[38]。成體顱縫干細胞已在小鼠中被各種報告基因標記,例如Gli1+、Axin2+、Prrx1+細胞以及CD51+;CD200+細胞,各種被標記的干細胞之間存在密切聯系,但它們在顱縫中定位并不完全重疊,體現了這些干細胞的異質性。Axin2+細胞與Gli1+細胞空間分布動態重疊:顱骨的Gli1+細胞廣泛存在于出生時的整個骨膜、硬腦膜和顱縫間充質中,在隨后的個體發育成熟中逐步收斂限制在顱縫中[39];相比于Gli1+細胞,Axin2+細胞分化速度較慢,對骨骼貢獻也相對較低,Axin2+細胞在早期被限制在顱縫間充質中線處,并隨著個體發育逐步擴展至骨膜和硬腦膜中[40, 41],兩者呈現出此消彼長的趨勢。Twist1+/-小鼠中顱縫Gli1+細胞數量明顯下降,無法維持顱縫開放性[39];Twist1+/-小鼠模型中Axin2+細胞是否減少仍未知,但已知Axin2基因突變會導致顱縫早閉,并且閉合顱縫中細胞軸蛋白抑制蛋白2(axis inhibition protein 2,AXIN2)表達明顯低于顱縫開放處細胞[42, 43]。Axin2+細胞中Bmpr1a敲除會引起干細胞的過度成骨分化導致顱縫早閉,但Gli1+細胞中Bmpr1a的敲除卻不會導致顱縫早閉,這與Gli1+細胞不與骨形態發生蛋白受體1A(bone morphogenetic protein receptor type 1A,BMPR1A)共定位有一定聯系[44, 45]。Prrx1+細胞會隨著年齡的增長而減少,這被認為是由于Prrx1+細胞中含有大量骨祖細胞和轉運放大細胞。另外,Prrx1+細胞也表達AXIN2,并在Wnt激動劑的刺激下增加,因此,Prrx1+細胞可能是Axin2+干細胞的一個子集[46]。CD51+;CD200+細胞同樣被發現在Twist1+/-小鼠中顯著減少,Twist1+/-小鼠中Axin2基因的失活則可以恢復CD51+;CD200+細胞的數量,并改善顱縫早閉[47]。

2.2 胚胎期骨祖細胞規范早期顱縫發育

胚胎時期顱縫間充質起源于表達GLI1的細胞,這些細胞在胚胎日E7.5 d遷移離開近軸頭中胚層,并在E12.5 d開始向頂部擴展至外側真皮間充質層和內側腦膜層之間[48, 49]。各種出生后的干細胞標志物,例如GLI1和配對相關同源框 1(paired related homeobox 1,PRRX1)廣泛標記胚胎時期的顱縫,并不適用胚胎期的顱縫間充質干細胞的識別。最近,對E15.5和E17.5的小鼠冠狀縫轉錄物組研究[50]將Six2+細胞鑒定為胚胎冠狀縫中的骨祖細胞,譜系追蹤顯示,它們貢獻了出生后的顱縫間充質,Six2+細胞沿著額骨和頂骨的前沿表面從顱縫中心延伸開來呈現出不對稱的分布,并且發現由Six2+細胞分化的兩種分別定位在骨尖和遠處骨膜的前成骨細胞,可能分別有助于骨長度和厚度的增加;在另一項研究中[24]也觀察到,Grem1+骨祖細胞在冠狀縫中的不對稱分布——大部分細胞分布在額骨外表面和頂骨內表面,而這種不對稱性被認為可以保證頂骨始終重疊在額骨上方;Holmes等[51]在E16.5和E18.5的額縫中發現了Npnt+骨祖細胞,Npnt+骨祖細胞未呈現出與冠狀縫中的骨祖細胞類似的不對稱分布,但在額縫中由前到后逐漸表達減少。胚胎時期的骨祖細胞在顱縫發育中發揮儲備以及維持顱縫開放性的作用,突變小鼠的顱縫骨祖細胞明顯減少且存在過度的成骨分化。在Twist1+/-;Tcf12+/-小鼠中Six2+細胞和Grem1+細胞都顯著減少,并且不對稱結構消失,導致額骨與頂骨的接觸融合[24];另一個對E16.5和E18.5小鼠冠狀縫的研究[52]顯示,將Hhip+細胞確定為冠狀縫獨有的骨祖細胞,它們同樣貢獻了出生后的顱縫干細胞,Hhip-/-小鼠中顱縫間充質干細胞減少并且頂骨與額骨處于同一水平,表明在胚胎發育后期階段,可能需要Hedgehog相互作用蛋白(hedgehog interacting protein,HHIP)的抑制來防止過早成骨分化。Twist1和Hhip的突變改變了顱縫干細胞和增殖性成骨細胞及其直接祖細胞之間的平衡,成骨細胞數量的早期增加將以長期祖細胞的損失為代價,從而導致之后的骨骼無法持續生長及出生后顱縫干細胞的減少。鑒于顱縫早閉的胚胎病因學數據越來越多,識別胚胎時期顱縫中細胞種類多樣性有助于理解胚胎時期祖細胞功能障礙導致顱縫早閉的深層機制。

2.3 硬腦膜與顱縫相互影響保證正常發育

腦膜的發育與顱骨相同都是雙重起源(神經嵴或中胚層來源)。腦膜由3個不同的層組成:外層的硬腦膜、中間的蛛網膜和內部的軟腦膜。硬腦膜是附著在顱骨內表面的厚而致密的膠原膜。在發育末期,硬腦膜的外層在顱骨的內表面形成骨膜,使得顱骨和腦膜連續。早期的研究[53]通過切除硬腦膜證實了其在顱骨修復和重新骨化的重要性;最近的研究[38]發現,硬腦膜來源的間充質干細胞在外源植入的Gli1+干細胞的誘導下有助于顱縫的愈合再生,這進一步表明,顱縫與硬腦膜之間的密切交流對于顱縫發育和愈合至關重要。硬腦膜來源的多種信號通路配體對顱骨發育具有指導作用。Kou等人[54]研究的表明,將大鼠人字縫旋轉使之位于非顱縫處的硬腦膜上方,導致硬腦膜Twist1表達下調并且顱縫提早閉合。Ang等[55]構建了Fgfr2基因突變的硬腦膜細胞并與成骨細胞共培養,明顯提高成骨細胞增殖水平;Dong等[56]的研究則進一步表明,硬腦膜細胞可能通過Hippo/Yap-PI3K-AKT信號通路來影響成骨細胞的增殖和分化。Ferguson等人[57]的研究發現,利用RA處理顱縫可以上調抗成骨基因的表達以抑制成骨分化;值得注意的是腦膜中RA在E12.5 d表達,而顱縫間充質在E14.5 d表達RA 降解酶——細胞色素P450家族成員26B1蛋白(cytochrome P450 family 26 subfamily B member 1,CYP26B1)[53];并且有研究[58]表明,CYP26B1表達上升導致RA過度分解會導致小鼠顱縫早閉。以上證據表明,硬腦膜對于顱骨早期發育的指導一部分體現在防止過度的成骨分化。除此之外,有研究[59]顯示,在矢狀縫顱縫早閉患者中發現了SIX1基因的多種突變,對SIX1的定位顯示它在硬腦膜中表達;對腦膜的單細胞轉錄物組分析也顯示硬腦膜中Six1的高表達[60]。這些都提示,Six基因可能在維持硬腦膜與顱縫之間正常的信號通路交流中發揮作用。顱縫早閉的患者通常會表現出其他癥狀,例如智力障礙、社交問題以及注意力缺陷,并表現出壓抑孤僻的性格。由于顱骨過早融合會阻礙大腦正常生長,眾多顱縫早閉的患者表現出不同程度的顱內壓(intracranial pressure,ICP)升高,即使在手術治療后也可能存在顱內后期壓慢性升高的風險,導致認知和智力的受損。有證據表明,他們升高的顱內壓與靜脈畸形存在密切聯系[61]。Twist1基因是Saethre-Chotzen綜合征的關鍵致病基因,Twist1基因的突變同樣會導致硬腦膜中靜脈畸形,Tischfield等[62]研究表明,利用Pdgfrb-Cre或Sm22a-Cre條件性敲除顱骨和硬腦膜的Twist1基因足以導致靜脈畸形,來自于顱骨的前成骨細胞和硬腦膜Twist1基因調控的旁分泌BMP信號有助于靜脈血管發育,表明顱縫也積極的影響著硬腦膜的正常發育。Ang等[63]研究表明,Sm22a-Cre條件性敲除小鼠由于血管內皮生長因子C(vascular endothelial growth factor C,VEGFC)表達下調以及硬腦膜發育不全和細胞外基質缺失也會導致硬腦膜中腦膜淋巴管出現異常,值得注意的是淋巴系統的異常會影響神經系統中無用代謝物的清除,所以顱縫早閉患者認知能受損與淋巴系統異常也存在一定聯系。

2.4 顱縫細胞響應細胞外基質信號保證顱縫正常發育

細胞外基質環境的變化會影響細胞功能,例如黏附、遷移、增殖和分化,因此對這些細胞外基質功能的研究將有助于對顱縫發育和顱縫早閉的進一步了解。Bala等[64]研究發現,成骨細胞和終末分化細胞階段,閉合顱縫的細胞外基質蛋白表達也與開放顱縫的存在差異,其中核心蛋白聚糖、光蛋白聚糖和白脂素差異最為顯著。骨膜蛋白也是一種細胞外基質蛋白,在閉合的顱縫中表達降低[65];Bai等[66]研究發現,重組骨膜蛋白治療可以抑制冠狀縫細胞增殖和遷移,改善了Twist1+/-敲除小鼠的冠狀縫早閉表型。牙本質基質蛋白1(dentin matrix protein 1,DMP1)的蛋白多糖形式(DMP1-PG)在顱縫的骨前沿高度表達,DMP1-PG可通過調節骨間充質干細胞的成骨分化來防止顱縫過早融合,DMP1糖基化位點突變小鼠則表現出顱縫早閉[67]。骨骼中細胞外基質可以通過與細胞表面的外基質受體結合來影響細胞活動,破壞整合素(integrin)等外基質響應受體與細胞外基質間正常的相互作用會導致眾多人類骨骼疾病,包括骨骼發育不良、軟骨發育不良、骨關節炎和骨質疏松癥。已經有體外實驗證明光蛋白聚糖在顱骨前成骨細胞中依賴結合整合素α2β1下游的ERK信號刺激細胞的分化[68];Jiang等[69]研究發現,顱縫中結蹄組織生長因子依賴整合素α5介導來促進前成骨細胞往成骨前沿的聚集與成骨分化;Gilbert等[70]在顱縫早閉兔模型中確定了一個與整合素α3相關的非編碼突變,對顱縫早閉患者的數據分析也顯示整合素α3基因ITGA3表達在冠狀縫早閉患者的顯著降低,但需要進一步的研究確定其在顱縫發育的功能;黏著斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)可接收來自整合素的信號以激活下游骨形成相關信號,有研究發現FAK在顱縫早閉的大鼠中表達上升[54]。以上研究皆表明,整合素介導的信號傳導在顱縫發育中的重要性。盤基蛋白結構域受體2 (discoidin domain receptor2,DDR2) 是另一種膠原蛋白受體,人類和小鼠DDR2與細胞外基質中膠原蛋白相互作用從而調控細胞增殖和分化。Binrayes等[71]研究發現,DDR2功能喪失小鼠顱骨中骨祖細胞和成骨細胞增殖分化減少,引發嚴重的顱面和骨骼缺陷,過表達DDR2則會刺激細胞的增殖分化;另一項研究[72]則發現,顱骨中DDR2表達區域與Gli1+細胞重疊,Gli1+細胞依靠DDR2的正常功能開始成骨譜系分化。

3 機械刺激調控顱縫發育

顱縫上的壓力主要來自不斷增長的大腦。分娩、擠壓和創傷性沖擊等外部刺激以及咀嚼等正常生理過程也會在顱骨上施加壓力,臨床實踐已經證實了適當的機械力有利于骨愈合和再生[73]。機械拉伸促進顱縫中Gli1+干細胞成骨分化,進而促進成骨[40]。機械刺激激活多種成骨分化信號通路(Fig.2)。有研究[74]表明,機械拉伸會激活胞內ROCK-TAZ通路來促進Runx2轉錄,影響顱縫間充質干細胞的成骨分化;Li等[75]研究發現,激活非經典Wnt信號通路可增強RhoA-ROCK信號通路介導的機械轉導;機械拉伸也會刺激VGLL3的表達上調,VGLL3與TEAD結合作用于Runx2促進轉錄[76]。機械刺激還會影響其他細胞的活動,成纖維細胞在機械拉伸作用下被激活,可促進顱縫中血管生成[77];機械刺激使得大量巨噬細胞聚集在縫合血管周圍,隨后促進顱縫間充質干細胞的成骨分化[78]。

Fig.2 Regulation of cranial suture cells by mechanical forces (A) Internal expansion from brain growth and external mechanical force is transmitted to cells in the cranial suture mesenchyma, which affects skull development.(B) Hh binds to Patch1 receptor and activates Hh signal to promote transcription of related genes. Integrins and DDR2 sense mechanical signals from the extracellular matrix and activate downstream signals to promote transcription. PC1 and PC2 are located in the primary cilia and act synergistically, sensing external mechanical stimuli and activating downstream signals to promote transcription. Piezo1 senses the external mechanical stimulus, which causes the inflow of Ca2+, activating a downstream signaling pathway that promotes transcription

3.1 細胞外基質介導的機械調控

近來的單細胞數據表明,顱縫間充質是一種機械反應性結締組織,并在冠狀縫上方識別出一種富含與韌帶形成、細胞收縮和機械感覺相關基因表達的韌帶層,該層與成骨細胞之間有著強烈的配體-受體相互作用[50, 51]。細胞外基質在結締組織中最為豐富,并能夠響應外界的機械刺激來改變自身的硬度。然而,目前許多有關細胞外基質機械傳導的研究廣泛集中在軀干骨上而非顱骨上。Barreto等[79]研究表明,細胞外基質硬度的增加可以提高細胞成骨譜系分化和骨形成,來自閉合處的顱縫細胞比開放處的顱縫細胞具有更高的硬度敏感性,表明細胞外基質的硬度與顱縫早閉有著密切聯系。顱骨中的機械刺激傳導與整合素也有著密切關聯。Jin等[80]的體外研究表明,流體剪切力可以提高顱骨中成骨細胞表面整合素的表達量。細胞在響應機械刺激后也會反過來改造細胞外基質的機械和結構特性,機械刺激允許細胞通過表達生長因子和細胞外基質分泌物改變其微環境。Jiang等[69]研究發現,顱縫中結蹄組織生長因子在機械力作用下高表達;Takeshita等[81]研究同樣發現,機械環境下顱縫中結蹄組織生長因子和血管內皮生長因子的高表達;Li等[77]研究發現,顱縫中成纖維細胞在機械應變下表達了許多細胞外基質相關基因。

3.2 初級纖毛介導的機械調控

初級纖毛(primary cilia)是一種存在于大多數細胞表面類似天線的細胞器,參與細胞間信號傳導、感受環境機械刺激。前成骨細胞和骨細胞頂端表面突出的初級纖毛能夠通過特定的受體和機械敏感通道感知骨誘導刺激并轉導它們以激活細胞內成骨級聯反應[82, 83]。纖毛內的結構變異會導致顱面畸形,比如Bardet-Biedl綜合征(Bardet-Biedl syndrome,BBS)主要由編碼BBS蛋白質復合體BBSome的基因突變引發。從非綜合征顱縫早閉患者中分離出的間充質細胞表現出BBS9的表達失調,導致纖毛無法正確感知和響應來自周圍環境的機械刺激[84];Fuz蛋白參與鞭毛內運輸過程,Fuz的突變會干擾Hh通路的正常傳導,引發顱縫早閉等表型[85];對顱縫早閉中鑒定的基因的研究也將91個基因中的18個映射到纖毛功能中[86]。因此,纖毛功能障礙似乎與顱縫病變密切相關,特別是顱縫早閉。多囊蛋白(polycystin,PC)是一種定位于初級纖毛的跨膜蛋白家族,由PC1和PC2組成,可感知機械信號并轉化為胞質內生化信號,激活多種信號轉導途徑[87]。PC1和PC2在小鼠成骨細胞和骨細胞表達,PC1缺陷小鼠在外力刺激下骨生成受限[88, 89]。有研究[90-92]表明,機械負荷通過增強PC1-JAK2-STAT3、PC1-CaN-NFAT以及PC1-AKT-β-Catenin信號軸,促進成骨細胞分化和骨形成。最近,對人顱縫早閉細胞的體外研究[93]中發現,被抑制的PC1還可激活PI3K-AKT-mTOR2通路來抑制顱縫細胞增殖和遷移;另外一項研究[94]則發現,對PC1激活則增強了ERK信號來提高RUNX2基因表達促進成骨分化。

3.3 Piezo1機械敏感蛋白介導的機械調控

Piezo1是一個精密的機械敏感陽離子通道,能被各種形式的機械刺激激活,有助于細胞對周圍組織的觸摸、壓力或拉伸做出反應[95]。激活狀態下的Piezo1介導Ca2+流入胞質以啟動下游Ca2+信號傳導,Ca2+內流可導致CaMKII磷酸化并激活CREB,促進成骨細胞分化。Sun等[96]研究發現,Piezo1有助于成骨細胞對顯微鏡探針戳的機械刺激做出反應,特異性敲除成骨細胞中Piezo1的小鼠(OC-Cre;Piezo1f/f)表現出顱骨閉合不完全,發育遲緩。此外,敲除小鼠的成骨細胞中CaMKII和CREB的磷酸化明顯降低,參與成骨細胞分化的關鍵轉錄因子RUNX2和ATF4在敲除小鼠成骨細胞中被下調。目前,在小鼠四肢的研究[97]中發現,Piezo1/2依賴于NFAT-YAP1-?-catenin信號通路傳遞介導骨形成所必需的機械信號,由于Piezo1敲除小鼠具有顱骨缺陷,推測在小鼠顱骨中可能存在相同的機制來介導骨形成,并且通過抑制Piezo1機械感知可能有助于改善顱縫早閉。

4 問題與展望

顱縫早閉發生可被多種內外因素誘導,因此顱縫早閉分為多種類型。絕大多數顱縫早閉患者的共性表現為顱縫處骨生成增加,過度的成骨細胞分化導致顱縫間充質干細胞儲備的下降被認為是主要原因。一方面,內在遺傳因素直接影響干細胞規范和分化,另一方面,來自硬腦膜和細胞外基質的信號失衡也可間接影響細胞活動,進一步加重顱縫微環境的紊亂。規范顱縫發育的重要因素不止如此,最近的研究[98]表明,顱骨中的神經系統也積極影響著顱縫發育。因此,探究其他組織對顱縫的潛在影響有助于將來更全面的認識顱縫微環境中的相互聯系。

顱縫已被證明是一個典型的模型來研究細胞外力如何與細胞骨架或內在力相作用。機械信號由細胞外基質傳遞,并由細胞膜上特殊蛋白質或結構感知,轉化為胞內化學信號,引發細胞反應?；诟杉毎闹委熞驯蛔C明有助于顱縫的通暢,阻斷成骨傾向的藥物治療效果顯著以及經縫牽引成骨技術也被用于顱縫早閉的矯正,盡管研究和技術進步改善了顱縫早閉的臨床治療,但這種疾病的治療仍具有挑戰性。鑒于顱縫早閉的病因復雜,需要進行更多的研究來闡明這一重要關系。