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Basic and Translational Advance in Bone

Basic and Translational Advance in Bone

Speaker · Clifford J. Rosen整理日期 · 2026-08-21

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Basic and Translational Advance in Bone

  • 會議／場次： ENDO 2026／YI02
  • 短講： YI02-01｜Basic and Translational Advance in Bone
  • 講者： Clifford J. Rosen

整理稿

座長引言與演講概述

在 ENDO 2026 的「Year in Bone」專題演講中，座長李裕美教授（Yumi Rhee，來自韓國首爾延世大學）開場指出，本年度採用全新的雙講者形式，邀請兩位在骨骼與礦物質代謝領域的權威學者，分別就基礎與譯意研究（Basic and Translational Advance）及臨床進展進行回顧。首位主講人為 Clifford J. Rosen 醫師（來自 MaineHealth Institute for Research），其在骨生物學與臨床內分泌學領域主持多項美國國家衛生院（NIH）資助計畫，並發表超過 600 篇同儕審查論文。

Clifford J. Rosen 醫師指出，在過去約 18 個月內（經擴充納入 2024 至 2025 年的突破性文獻），骨生物學領域有三項長期困擾學者的核心問題獲得了關鍵性的譯意突破：

  1. 糞便腸道微菌叢（fecal microbiome）如何影響骨骼重塑（bone remodeling）與骨質量？
  2. 機械力載荷（mechanical loading）如何中介骨骼重塑？
  3. 為何女性在哺乳期（lactation）發生顯著骨流失後，不會造成永久性的骨量喪失？

這三項研究分別來自加州大學舊金山分校（UCSF）與哈佛牙醫學院（Harvard School of Dental Medicine）等頂尖團隊，其結果不僅解開了基礎生理機制，更具備顯著的臨床轉譯價值與潛在治療標的。

議題一：糞便腸道微菌叢如何影響骨骼重塑與骨材質特性

臨床背景與核心疑問

臨床上已知腸道微菌叢失調（microbial dysbiosis）與心血管疾病風險及代謝症候群（metabolic syndrome, MetS）相關。在骨骼領域，學者已觀察到利用抗生素破壞小鼠腸道微菌叢後，其骨骼會發生明顯改變；同居模型（co-housing model）與糞便微生物移植（fecal microbiota transplantation, FMT）實驗亦證實微菌叢可傳遞骨骼效應。然而，使用雙能量 X 光吸收儀（dual-energy X-ray absorptiometry, DXA）量測骨密度（bone mineral density, BMD）時，微菌叢改變所產生的骨量變化往往非常微小。

Rosen 醫師指出，核心問題在於：腸道微菌叢是否透過改變骨骼的生物力學強度（mechanical strength）與骨材質特性（material properties），而非單純改變骨礦物質總量來影響骨骼健康？

生理機制與潛在途徑

腸道微菌叢影響骨骼的機制包含多條途徑：

  • 循環荷爾蒙與營養吸收：改變鈣與腸道胜肽的吸收。
  • 免疫系統與骨髓微環境：腸道黏膜屏障受損引發全身性發炎，進而調控骨髓內造血與骨骼細胞生成。
  • 腸道微生物代謝物（metabolites）：
    • 膽汁酸（bile acids, BAs）：可刺激成骨細胞分化（osteoblast differentiation）並抑制破骨細胞生成（osteoclastogenesis），主要透過抑制 IL-6 與腫瘤壞死因子-alpha（TNF-alpha）來實現，投影片補充：此過程亦涉及 TGR5、FXR 受體激活、AMPK/GLP-1 訊號調控與 FGF15/19 途徑。
    • 脂肪酸（fatty acids）與短鏈脂肪酸（SCFAs）：可向骨骼傳遞訊號，促進骨形成、增加骨鈣素（osteocalcin）並抑制骨吸收。投影片補充：SCFAs（如 acetate、butyrate、propionate）能增加腸道鈣轉運體與鈣吸收、降低 PTH 濃度、抑制 RANKL/NFATc1/TRAF6 與組蛋白去乙醯化酶（HDAC），經由調節性 T 細胞（Tregs）與抑制 NF-kB 發炎途徑降低骨吸收標記 β\beta-CrossLaps；投影片亦列出 TMAO 等微生物代謝物及 GPR41、GPR43、GPR109 等受體。Rosen 醫師特別提及其實驗室目前正針對脂肪酸受體 GPR120 進行深入研究。

研究設計與主要發現（Wang B et al., JBMR Plus, 2025）

這項由 Christopher J. Hernandez 與 Deepak Vashishth 等團隊合作進行的研究（發表於 JBMR Plus, 2025;9:ziaf115），採用 C57BL/6 小鼠進行腸道微菌叢操控實驗，分組包含：未改變組（Unaltered）、持續抗生素組（Continuous，飲水中給予 Ampicillin 1.0 g/L 與 Neomycin 0.5 g/L 達 24 週）、初始給藥組（Initial，給藥 4 週後停藥且無菌群恢復）、FMT 重建組（Reconstituted，抗生素處置後接受健康 FMT）與延遲給藥組（Delayed）。

研究團隊結合斷裂韌性測試（fracture toughness test）、微電腦斷層掃描（micro-CT）、拉曼光譜分析（Raman spectroscopy）、血清生物標記與微菌叢 16S rRNA 分析。結果顯示：

  • 菌群轉移與骨韌性恢復：接受 FMT 處置的微菌叢重建小鼠，其骨骼的起始韌性（initiation toughness）與最大韌性（maximum toughness）均顯著改善。微菌叢分析顯示，FMT 使腸道菌群顯著向乳酸桿菌屬（Lactobacillus）轉移，並減少擬桿菌屬（Bacteroides）的相對豐度。
  • 發炎因子與基質品質的相關性：血清生物標記分析發現，血清 TNF-alpha 是與礦物質化受損最顯著正相關的細胞激素，且與骨骼斷裂韌性呈顯著負相關，顯示發炎細胞激素對骨骼生物力學特性與骨基質具有深刻影響。投影片補充詳細數據：Raman 光譜指標中，TNF-alpha 與 Mineral-to-Matrix Ratio（Spearman ρ=0.71,p<0.001\rho = 0.71, p < 0.001）、Carboxymethyl-lysine（ρ=0.39,p=0.007\rho = 0.39, p = 0.007）及 Type-B Carbonate Substitution（ρ=0.65,p<0.001\rho = 0.65, p < 0.001）呈正相關，與 Crystallinity 呈負相關（ρ=−0.49,p=0.003\rho = -0.49, p = 0.003）；與斷裂韌性指標呈負相關（Pearson r=−0.45,p<0.001r = -0.45, p < 0.001 及 r=−0.40,p<0.001r = -0.40, p < 0.001）。

臨床譯意與 Take-home Messages

  1. 糞便微菌叢失調會透過增加骨吸收對骨骼健康產生負面影響。
  2. 雖然 DXA 測得的骨密度變化微乎其微，但礦物質化品質受損相當顯著，且是驅動骨骼韌性下降的核心因素。
  3. TNF-alpha 是連結腸道微菌叢失調與骨微結構惡化的關鍵循環細胞激素之一。

議題二：Piezo1 介導的骨細胞機械力轉導與發育期骨骼重塑

臨床背景與核心疑問

機械力學在骨骼生理中無處不在。1892 年 Julius Wolff 提出「伍爾夫定律」（Wolff's law）：骨骼會根據其承受的機械應力適應性地改變其大小與外形。在成熟骨骼中，骨細胞（osteocyte）已被證實為核心的機械力感受器（mechanosensor）。骨細胞由成骨細胞終末分化而來，伸出樹狀突（dendrites）並建立陷窩-骨細管網絡（lacunar-canalicular network），連結血管與骨髓。

當機械應力消失時，如長期臥床（bed rest）、脊髓損傷（spinal cord injury）、太空飛行（spaceflight）或體重減輕（weight loss），骨骼均會發生快速的骨吸收。Rosen 醫師指出，其實驗室研究發現減重引發的骨量流失伴隨著顯著的骨細胞溶骨作用（osteocytic osteolysis），這可能反映了重力去負載（unloading），對長途太空飛行（如火星任務）或臨床減重患者的骨骼防護具重要意義。

然而，生物學上存在一個長期困惑的問題：在新生兒（neonate）或嬰兒時期，肌肉活動與機械負重極小，骨骼如何完成成熟、礦物質化與基質硬化（matrix stiffening），使嬰兒在準備站立行走時骨骼不致發生骨折？

研究設計與主要發現（Hu YJ et al., Nature Communications, 2025）

由 Harvard 團隊 Yingzi Yang 教授領導的研究（發表於 Nature Communications, 2025;16:65636），解析了力學門控離子通道 Piezo1 在骨細胞成熟與樹狀突發育中的作用。

  • Piezo1 與人類表型：Piezo1 為細胞膜上對張力敏感的陽離子通道，受力活化後引導鈣離子（Ca²⁺）流入並觸發下游化學與電訊號。人類全基因體關聯研究（GWAS）顯示，PIEZO1 基因變異與身高及骨質疏鬆症相關。投影片補充：SNP 位點包含與骨質疏鬆及骨折相關的 rs4238686 (A>C / A>G)，以及與身材矮小相關的 rs11643303 (A>C) 和 rs201226914 (G>T)。
  • 條件性剔除小鼠模型：研究團隊建立 late-stage 成骨細胞與骨細胞特異性剔除小鼠（Dmp1-Cre; Piezo1^fl/fl，即 Piezo1 cKO）。
  • 骨細胞樹狀突與基質硬化缺陷：Piezo1 缺失小鼠在出生後早期即表現出骨量下降、骨細胞成熟受阻，其樹狀突數量與長度顯著減少，陷窩-骨細管網絡嚴重破壞。這證實即使在新生兒低應力狀態下，Piezo1 介導的微小力學感應對於發育期骨細胞成熟與基質硬化仍不可或缺。投影片補充：正常小鼠在 Postnatal Day 5、10、42 至 84 天樹狀突長度與硬化素（SOST）表達逐步增加，但 Piezo1 cKO 小鼠在 Postnatal Day 42 的骨細管長度與數量發生顯著下降（p<0.0001p < 0.0001）。

機制解析與下游訊號軸

研究團隊結合單細胞 RNA 序鏈（RNA-seq）與 OCY454 骨細胞株實驗，揭示了調控路徑：

  1. Piezo1-YAP 訊號途徑：Piezo1 活化後會啟動 Hippo 路徑中的 YAP（Yes-associated protein），同時抑制 Wnt/β\beta-catenin 訊號，以協調骨細胞樹狀突形成與基質硬化。在 Piezo1 缺失細胞中，YAP 活性顯著降低。
  2. 間歇性 YAP 救援：利用 Tet-On 可控表達系統間歇性活化 YAP，成功救援了 Piezo1 缺失小鼠的骨細胞樹狀突與骨骼缺陷。
  3. CCN1/CCN2 效應蛋白與 downstream 傳導：YAP 活化後會誘導分泌細胞通訊網路因子 1 與 2（CCN1, CCN2）。CCN1 與 CCN2 作為基質細胞外蛋白，作用於骨細胞表面 Integrin 受體，啟動 Src 訊號與肌動蛋白聚合（actin polymerization），形成正回饋路徑驅動樹狀突形成與骨細胞成熟。過表達 CCN1/CCN2 能完全救援 Piezo1 cKO 小鼠的皮質骨與骨細胞網絡缺陷。其中 CCN1 主要促進骨基質形成，CCN2 則在抑制與逆轉組織纖維化（regression of fibrosis）中扮演重要角色。

臨床譯意與 Take-home Messages

  1. 機械力轉導透過骨細胞持續刺激新骨形成。
  2. Piezo1 通道對於發育早期（特別是新生兒期）骨細胞回應機械刺激極為關鍵。
  3. Piezo1 經由 Hippo 路徑的 YAP 進行傳導並調控 Wnt 訊號，以促進樹狀突形成與基質硬化。
  4. CCN1 與 CCN2 是 Piezo1 介導機械力轉導的核心下游介質，CCN1 增強基質形成，CCN2 具抗纖維化作用，兩者均為潛在治療標的。

議題三：母體大腦荷爾蒙 CCN3 在哺乳期對骨骼的保護機制

臨床背景與核心疑問

在女性生理學中，哺乳期（lactation）是一個極端的骨代謝挑戰期。母體為了提供乳汁中大量的鈣質，全身處於低雌激素（low estrogen）與高副甲狀腺素相關胜肽（PTHrP）狀態，引發劇烈的骨細胞溶骨作用與骨吸收。然而，臨床觀察發現，女性在結束哺乳後不會造成永久性的骨量喪失或長期骨折風險增加。

長期以來，學者一直在尋找中樞神經系統（CNS）調控骨質的機制。過往研究（如 Gerard Karsenty 團隊）已建立交感神經張力驅動骨吸收的概念。近期發表於 Nature（2024;631:8023）的研究，揭示了一種全新的「腦-骨軸」（brain-bone axis）荷爾蒙。

發現歷程與實驗突破（Babey ME et al., Nature, 2024）

  • 中樞雌激素受體-alpha（ERα）基因剔除模型：研究團隊在下視丘弓狀核（arcuate nucleus, ARC）的 KISS1 神經元中特異性剔除雌激素受體-alpha（使用 Esr1^(Nkx2.1-Cre)、Esr1^(Kiss1-Cre) 或 Esr1^(Pdyn-Cre) 小鼠）。
  • 極端高骨量表型（High-Bone-Mass Phenotype）：剔除 ARC KISS1 神經元的 ERα 後，雌性小鼠展現出極為驚人的骨量增加，其股骨小梁骨骨體積比（BV/TV）從正常對照組的 ~11% 暴增至 64%，且骨骼強度大幅提升。此表型僅出現在雌性小鼠。這顯示 ARC KISS1 神經元上的 ERα 訊號在正常情況下扮演著「煞車」角色，限制了一條強大的促成骨路徑。
  • 聯體共生與股骨移植實驗：為了確認此現象是否由全身性循環因子（circulating factor）介導，研究團隊將正常雄性或雌性小鼠的股骨，移植至 ARC ERα 突變型雌性小鼠體內。結果來自對照組（不論雄性或雌性）的移植股骨在突變型宿主體內均展現出顯著的骨量暴增，證實 ARC KISS1 神經元去抑制後，會向血液中分泌一種不分性別、能強烈刺激骨形成的循環荷爾蒙。
  • 骨骼幹細胞（SSCs）作用：實驗證實該循環因子能直接促進骨骼幹細胞（skeletal stem cells, SSCs）的招募與成骨細胞分化。

因子鑑定：CCN3（Cellular Communication Network Factor 3）

研究團隊利用單細胞轉錄組分析下視丘 ARC 區域，並結合高脂飲食（HFD）模型進行篩選（高脂飲食可抑制該高骨量表型），成功鎖定目標：細胞通訊網路因子 3（CCN3）。

  • 源頭與調控：CCN3 是一種由 ARC KISS1 陽性神經元高度表達並分泌至全身循環的大腦荷爾蒙（brain-derived hormone）。
  • 生理與藥理作用：
    • 強效促成骨：重組蛋白（mCCN3 或 hCCN3）不論透過全身性注射或下視丘腺相關病毒（AAV-CCN3）局部給藥，均能顯著增加年輕與年老、雌雄小鼠的小梁骨骨量與骨強度。投影片補充：AAV-CCN3 投遞可使小鼠股骨 BV/TV 增加 67%、第 5 腰椎（L5）BV/TV 增加達 108% 至 478%（p<0.001p < 0.001），成骨細胞表面積（No. Ob/BS）顯著增加。
    • 加速骨折修復：外源性 CCN3 能顯著促進骨折修復與骨痂形成。

哺乳期中的生理保護機制

研究團隊進一步解析 CCN3 在哺乳期的生理角色：

  • 哺乳期中樞 CCN3 上調：在哺乳期間，母體下視丘 ARC 中的 CCN3 表達量大幅上升。
  • RNA 干擾實驗（shRNA Knockdown）：若在下視丘特異性敲低 CCN3（AAV-shCcn3 達 77% knockdown）：
    • 在正常飲食下，母鼠在哺乳 7 至 14 天及離乳後，骨流失程度顯著加劇。
    • 在低鈣飲食（low-calcium diet, LCD）挑戰下，缺失 CCN3 的哺乳母鼠發生毀滅性的骨質流失，且無法維持子代的生存與發育，乳鼠體重顯著下降，甚至出現子代死亡（僅 4/6 母鼠能維持部分子代）。
  • 機制模型：哺乳期母體雖然處於低雌激素與高 PTHrP 驅動的骨吸收狀態以釋放鈣質進入乳汁，但下視丘 ARC KISS1 神經元同時大量分泌 CCN3。CCN3 直接作用於骨骼幹細胞以強烈刺激骨形成（bone formation），從而抵銷了過度的骨吸收，保護母體骨骼結構不致遭到永久性破壞，確保母體能持續提供乳汁以哺育後代。

臨床譯意與 Take-home Messages

  1. 下視丘弓狀核（ARC）KISS1 神經元作為女性生殖的門控者，同時參與「腦-骨軸」的調控。
  2. 弓狀核區域性缺失 ERα 會顯著增強骨量。
  3. CCN3 能在缺乏雌激素的狀態下強效促進骨形成。
  4. 在哺乳期間，CCN3 保護母體骨骼免於劇烈骨流失並協助維持後代發育。
  5. 治療潛力與警告：低劑量 CCN3 具備開發為治療藥物的潛力；然而 Rosen 醫師提醒，高劑量 CCN3 可能會引發反向調節或抗成骨效應，因此未來臨床轉化時，掌握治療窗口（therapeutic window）將是關鍵課題。

演講總結

Clifford J. Rosen 醫師總結指出，這三項突破性研究分別從腸道微菌叢代謝與發炎（TNF-alpha）、骨細胞力學離子通道（Piezo1-YAP-CCN1/2）以及中樞神經內分泌荷爾蒙（ARC KISS1-CCN3）三個層面，重新定義了對骨骼重塑與發育的認知。這些發現不僅解答了許多臨床生理謎團（如嬰兒骨骼發育與哺乳期骨骼恢復），更為未來骨質疏鬆症、骨折癒合及太空醫學提供了具備轉化價值的治療標的。