Nature：颅骨骨髓是否可以成为抗击衰老的新突破口？

颅骨骨髓，这个曾经被忽视的造血器官，正在科学界掀起新的波澜。它不仅仅是头骨中的一种填充物，更是造血活动的重要来源，尤其在成年及老龄阶段展现出显著的韧性与潜力。相比传统关注的长骨骨髓，颅骨骨髓在老龄化过程中表现出惊人的抗衰老特性，维持着强劲的造血功能，这让很多人对其独特的生物学机制产生了浓厚兴趣。11月13日Nature的研究报道“Adult skull bone marrow is an expanding and resilient haematopoietic reservoir”揭示了颅骨骨髓在不同生命阶段及病理条件下的适应性变化，并分析其在血管扩展和造血支持中的独特角色，探讨了为何颅骨骨髓在面对衰老和应激时如此与众不同，以及它如何在未来的临床应用中为老年性疾病的治疗提供新的可能性。

骨髓微环境在造血干细胞（Haematopoietic Stem Cells, HSCs）的自我更新及其命运决策中扮演关键角色。在正常情况下，造血干细胞广泛分布于各类骨骼，包括颅骨和平长骨。然而，过去的研究主要集中于长骨骨髓，对于颅骨骨髓的独特特性及其在造血中的具体贡献则相对缺乏深入探讨。尤其是，颅骨骨髓和长骨骨髓在衰老过程中的行为是否一致，以及这些差异如何影响整体造血能力，目前尚不明确。

颅骨通过膜内成骨形成，而长骨通过软骨内成骨形成，这一发育过程的不同决定了它们在功能和结构上的显著差异。颅骨骨髓所处的独特微环境使其在生命不同时期，尤其是在衰老过程中，表现出与长骨截然不同的变化模式。理解颅骨骨髓在整个生命周期中的变化对于揭示骨髓微环境如何影响造血干细胞功能至关重要。这些信息不仅有助于阐明基础生物学机制，还为开发针对衰老和骨髓相关疾病的新疗法提供了重要依据。

成人颅骨血管扩展与年龄相关的变化（Credit: Nature）

a.小鼠颅骨在成年的不同阶段的横截面：从年轻（10-14周）、中年（31-37周）、老年（52-75周）到高龄（95周以上），用横截面图显示了血管的变化。这些横截面图帮助我们直观地看到随着年龄增长，颅骨血管网络的扩展情况。

b、c.利用体内免疫荧光染色技术展示了颅骨中血管的扩展和形态变化：b显示了随着年龄的增长，颅骨内血管的显著扩展，c重点展示了血管分支和形态的变化。

d.量化了颅骨不同部位（额骨、顶骨、间顶骨）的血管面积、直径以及内皮素（Endomucin）表达的变化：年轻（Y）、中年（M）、老年（O）和高龄（G）阶段的小鼠被用于分析，每个点代表一只小鼠的测量值，数据来自三个独立实验中每组四只小鼠。血管面积和内皮素表达的增加，尤其是老年阶段的变化，进一步说明了随着年龄增长，颅骨血管网络的逐渐扩展。

颅骨骨髓的扩展与血管生长

为了分析颅骨骨髓在成年期的变化，研究选取了不同年龄段的小鼠，包括年轻（10-14周）、中年（31-37周）、老年（52-75周）和超老年（95周以上）的个体。结果显示，随着年龄增长，颅骨内的血管网络逐步扩展，血管面积和直径显著增加。在年轻小鼠的额骨和顶骨区域，血管及其周围的骨髓仅占据有限的空间，而在超老年阶段，血管扩展覆盖了整个区域。这种显著的血管扩展表明，颅骨骨髓在衰老过程中能够保持有效的血液供应和造血支持，这对于缓解与年龄相关的造血能力下降具有重要意义。

通过体内免疫荧光染色，研究人员观察到颅骨血管在中年和老年阶段持续扩展。额骨和顶骨的血管面积分别增加了6.4倍和3.6倍，血管直径也显著增加。随着血管扩展，颅骨骨髓中总造血细胞数量显著增加，包括造血干细胞、造血祖细胞和基质细胞等。流式细胞术分析表明，颅骨血管扩展伴随造血干细胞（HSCs）、造血祖细胞（Haematopoietic Stem and Progenitor Cells, HSPCs）及特定造血前体细胞的数量显著增加。

进一步的实验显示，血管扩展不仅意味着血管本身的物理增长，还伴随着血管内皮细胞功能的提升。这些内皮细胞通过分泌各种细胞因子和生长因子，支持造血干细胞的增殖和分化，从而在调控造血微环境中发挥关键作用。值得注意的是，雌性小鼠中的血管扩展比雄性更为迅速，导致颅骨厚度在老年阶段增加约70%。这种性别差异可能与激素，尤其是雌激素在血管生成中的作用有关。这些发现提示我们进一步探索性别在骨髓微环境调控中的作用机制。

通过追踪造血干细胞的动态迁移路径，研究进一步证实颅骨骨髓的造血干细胞不仅在局部进行分化，还能够通过血液循环迁移至其他部位，参与全身的造血过程。这种迁移机制使得颅骨骨髓成为全身造血和免疫调节中不可忽视的一个关键来源。颅骨骨髓与其他骨髓部位之间的动态平衡和相互作用显示出它不仅是局部造血储备，也是全身造血系统的重要组成部分。

血管内皮与造血功能的关系

颅骨内的血管扩展与造血功能密切相关，尤其是血管内皮细胞对于造血干细胞微环境的调节作用至关重要。研究显示，颅骨不同区域的血管结构存在显著差异。例如，额骨区域的血管主要由较大的FLK1+CD31+窦状血管组成，而顶骨则以连接较小动脉的窦状血管环为主。这些结构的差异可能影响血管的通透性，从而调节不同区域的造血活性。

随着颅骨骨髓的扩展，血管内皮素（Endomucin）的表达显著增加，尤其是在顶骨区域，表达量增加了7倍。内皮素是一种标记窦状血管的蛋白，与骨髓维持及造血干细胞功能密切相关。通过阻断内皮素的实验，研究人员发现其抑制导致造血干细胞活性显著降低，进一步支持了内皮素在维持造血微环境中的重要性。这些结果表明，血管内皮细胞不仅为造血干细胞提供结构支持，还通过分泌一系列造血调节因子，直接影响干细胞的命运决策。

颅骨骨髓在病理生理条件下的响应

当身体对血细胞的需求增加时，骨髓的造血活动会急剧增强，这种现象在多种生理和病理条件下均有体现。研究分析了妊娠、缺血性中风和慢性髓性白血病（Chronic Myeloid Leukemia, CML）等情境下颅骨骨髓的变化。在妊娠过程中，颅骨骨髓及其血管显著扩展，血管面积分别增加了1.8倍（妊娠第17天）和2.3倍（产后第2天），伴随着造血干细胞、造血祖细胞和基质细胞的增加。这些变化表明，颅骨骨髓在妊娠期间通过血管扩展和造血能力增强，满足了孕期对血细胞增加的需求。

在中风模型中，研究也观察到颅骨骨髓和血管的急剧扩展，血管面积增加了2.1倍，覆盖了大量顶骨区域。中风后，造血干细胞迁移至受损脑部区域，并参与局部免疫和修复反应。颅骨骨髓的造血干细胞在这一过程中显著增加，表明其不仅对全身造血作出贡献，还在局部损伤修复中发挥重要作用。特别是颅骨骨髓的造血干细胞对脑组织的损伤修复有着关键影响，这可能是由于颅骨的解剖位置靠近大脑，造血干细胞能够迅速到达受损部位。

相比之下，长骨骨髓在类似病理状态下的表现有所不同。例如，在中风和慢性白血病中，长骨骨髓的血管密度显著降低，造血细胞数量变化有限。在慢性髓性白血病模型中，颅骨骨髓及其血管的扩展程度高于长骨骨髓，血管面积增加了39.1%，而长骨的血管面积则减少了50.4%。这些数据表明，颅骨骨髓在应对病理性压力时表现出更大的应激能力，能够更好地维持血管和造血细胞的稳态。此外，这些结果进一步揭示了颅骨骨髓在多种病理情况下的独特适应机制，这使得其在应对血细胞需求增加和组织修复方面表现得尤为重要。

血管内皮生长因子VEGFA在颅骨骨髓扩展中的作用

血管内皮生长因子A（VEGFA）是血管生长的主要调节因子。在妊娠、中风和PTH治疗条件下，颅骨骨髓中的VEGFA水平显著升高，推动血管及骨髓的扩展。相比之下，长骨骨髓的VEGFA水平变化较小。通过体内过表达VEGFA，研究发现颅骨骨髓的血管及造血功能显著增强，进一步验证了VEGFA在颅骨血管生长中的核心作用。抑制VEGFR2信号传导则阻止了骨髓和血管的扩展，证明了VEGFA-VEGFR2信号在调控颅骨骨髓扩展中的重要性。

为了进一步验证VEGFA在颅骨血管扩展中的作用，研究人员通过基因敲除实验去除VEGFA基因，结果显示，缺失VEGFA的小鼠颅骨血管扩展显著减少，造血干细胞数量也大幅下降。这一证据表明，VEGFA不仅对血管扩展至关重要，还对维持造血微环境中的造血活性起关键作用。通过对VEGFA相关下游信号的进一步研究，可以更好地理解血管生成和造血干细胞维持之间的精细调控机制。

此外，研究还发现，在不同的生理和病理条件下，VEGFA的表达模式存在动态变化。例如，在中风模型中，VEGFA的表达呈现快速上升的趋势，这与血管快速扩展的需求相一致。相反，在慢性病理状态下，VEGFA的表达呈现出相对稳定的高水平，以支持长期的血管扩展和造血活动。这些发现为理解不同生理和病理状态下血管与造血干细胞之间的相互作用提供了新的线索。

衰老过程中颅骨骨髓的弹性

衰老对骨髓微环境产生广泛影响，尤其是脂肪生成和炎症反应。然而，研究发现颅骨骨髓在衰老过程中表现出显著的抗衰老特性。与长骨骨髓相比，颅骨中的脂肪细胞数量变化较小，而长骨中的脂肪细胞在老年阶段增加了5.9倍。此外，颅骨骨髓中的大部分炎症因子在老年阶段没有显著增加，而长骨中多种炎症因子显著上调，如TNF和IL-6。

这些抗衰老特性可能与颅骨骨髓内的血管扩展和基质细胞的保护作用有关。在颅骨中，基质细胞分泌的抗炎因子能够有效减少衰老过程中炎症因子的积累，这对于维持健康的造血环境至关重要。相反，长骨骨髓中的炎症因子上调可能是由于长骨骨髓在衰老过程中脂肪组织增生的结果，而脂肪组织被认为是慢性炎症的主要来源之一。

老年阶段的造血干细胞表现出向髓系细胞分化的偏向，但这种偏向在颅骨骨髓中并不显著，表明颅骨骨髓在维持健康造血微环境方面具有一定的优势。这一优势使得颅骨骨髓在衰老过程中依然能够保持造血的多样性和活性，降低了髓系细胞过度增生所带来的潜在风险。此外，在放射线照射实验中，只有头部受到保护的老年小鼠能够长期存活，而保护长骨的老年小鼠无法在照射后长期生存，进一步验证了颅骨骨髓在衰老过程中更强的恢复能力。

研究进一步指出，颅骨骨髓在放射线损伤后的恢复过程中，表现出更强的抗氧化能力和造血微环境的稳定性。这些特性可能与颅骨内较高的血管扩展能力以及较强的抗炎反应有关，这使得颅骨骨髓在应对各种应激因素时表现得更为有效。此外，颅骨骨髓内的特殊基质细胞可能通过分泌多种抗氧化因子和支持性分子，进一步促进了造血干细胞的存活和功能恢复。

综上，颅骨骨髓作为一个独特的造血储备，在成年及老龄化过程中展现了显著的扩展能力和抗衰老特性。与长骨不同，颅骨骨髓在整个生命过程中不断经历血管扩展，尤其是在应对病理挑战时表现出独特的应激反应能力。这些特性可能为老年性疾病的研究与治疗提供新的视角，特别是在维持和增强造血功能方面，颅骨骨髓可能具有重要的临床应用潜力。

颅骨骨髓的微环境差异使其在衰老过程中保持了较好的造血功能，这对基础研究和临床应用具有重要意义。未来的研究可进一步探索颅骨骨髓中各类基质细胞和信号分子在维持造血平衡中的具体机制，为老年性疾病的预防和治疗提供更具针对性的策略。此外，通过进一步理解颅骨骨髓在不同生理和病理状态下的应答机制，尤其是在应对急性和慢性损伤中的独特适应性，将有助于开发新型的治疗策略，以改善衰老和疾病条件下的造血功能。这些研究方向不仅有望揭示颅骨骨髓的生物学奥秘，还可能为促进人类健康长寿提供新的理论依据和实践路径。

参考文献

Koh, B.I., Mohanakrishnan, V., Jeong, HW. et al. Adult skull bone marrow is an expanding and resilient haematopoietic reservoir. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08163-9