摘要：在哺乳动物骨骼系统中，血管生成与骨生成的协同（血管 - 骨耦合）是骨骼稳态维持、修复及骨折愈合的关键环节。近年来，研究发现骨骼血管中存在一种特殊的内皮细胞亚型 ——Type-H 内皮细胞（Type-H ECs），可通过分泌特异性因子招募成骨细胞前体，高效介导血

在哺乳动物骨骼系统中，血管生成与骨生成的协同（血管 - 骨耦合）是骨骼稳态维持、修复及骨折愈合的关键环节。近年来，研究发现骨骼血管中存在一种特殊的内皮细胞亚型 ——Type-H 内皮细胞（Type-H ECs），可通过分泌特异性因子招募成骨细胞前体，高效介导血管生成与骨生成的耦合。

磷酸钙（Ca-P）陶瓷是一类具有优异生物相容性和骨诱导性的骨修复材料，其中双相磷酸钙（BCP）因可在无外源性细胞或生长因子添加的情况下诱导骨形成，在临床骨缺损修复中具有重要潜力。然而，当前对磷酸钙陶瓷骨诱导机制的理解仍存在关键缺口：Type-H 血管是否参与及如何调控磷酸钙陶瓷的骨诱导过程，尚未明确。2025年8月，四川大学张兴栋院士、朱向东研究员和李向锋副研究员团队在《Chemical Engineering Journal》发表研究“The role of type-H vessels in the osteoinduction of calcium phosphate ceramics”，系统阐明了H型血管是钙磷陶瓷骨诱导的关键媒介，并揭示了从材料表面特性到细胞信号通路再到成骨反应的完整机制，为下一代骨修复材料的开发提供了重要的理论和实验基础。本研究中单细胞转录组技术服务由美吉生物提供。

英文题目：The role of type-H vessels in the osteoinduction of calcium phosphate ceramics

中文题目：H型血管在磷酸钙陶瓷成骨诱导中的作用

合作单位：四川大学

发表时间：2025年8月

发表期刊：Chemical Engineering Journal

影响因子：13.1

探究科学问题

Type-H血管是否参与Ca–P陶瓷的骨诱导过程？

不同Ca–P陶瓷（BCP vs β-TCP）对Type-H血管形成的影响差异及其原因？

Type-H血管如何调控骨髓间充质干细胞（BMSCs）向成骨方向分化？

通过药物干预Type-H血管形成，是否会影响Ca–P陶瓷的骨诱导能力？

主要结果

1. 材料表征结果：锁定 BCP 与 β-TCP 的关键差异

虽两种陶瓷均为多孔结构（孔隙率约61%-66%），但存在显著理化差异：

表面特性：BCP 表面粗糙度（22.14±3.69μm）高于 β-TCP（15.10±2.24μm），zeta 电位更低；

物相与离子释放：BCP 含 HA 相，β-TCP 为纯相；培养后期 BCP 的 Ca²⁺浓度下降更显著，提示更易形成类骨磷灰石。这些差异为后续解释 “BCP 更易诱导 Type-H 血管” 提供材料层面依据。

图1.材料制备与表征

2.体内实验：证实 Type-H 血管是 BCP 骨诱导的核心

将陶瓷植入BALB/C小鼠的腿部肌肉袋中，评估其异位成骨能力。术后 14 天，两种陶瓷均有血管形成，但无骨形成；术后 12 周，BCP 组出现异位骨（骨发生率 50%），β-TCP 组无骨形成，验证 BCP 的骨诱导性；免疫荧光显示 BCP 组 Type-H 血管（CD31⁺Emcn⁺）数量显著高于 β-TCP 组；scRNA-seq 进一步发现，BCP 招募的内皮细胞（Cluster 14，以 Cd31/Cldn5/Vwf 为标志）高表达 Type-H ECs 基因（Cd31、Emcn、Kdr 等），几乎无 Type-L ECs 基因（Rgs4、Stab2），直接证实 BCP 优先招募 Type-H ECs。

图2.体内实验

3.体外 EPCs 实验：解析 BCP 诱导 Type-H ECs 分化的机制

将EPCs与两种陶瓷共培养，SEM 和 CCK-8 显示 BCP 促进 EPCs 黏附（铺展面积更大）和增殖（3/5 天活性更高）；免疫荧光和 qRT-PCR 证实 BCP 显著提高 EPCs 的 CD31/Emcn 表达，促进其向 Type-H ECs 分化，且 Type-H 血管相关因子（Tgfβ、Fgf1、Pdgf、Noggin）表达更高。RNA-seq 发现 BCP 组 DEGs 富集于 “细胞 - 基质黏附”“血管生成” 相关功能，KEGG 指向 PI3K-Akt、cGMP-PKG 等通路；qRT-PCR 验证 BCP 显著上调整合素 Intgav/Intgb1，提示 BCP 通过整合素激活下游通路，推动 EPCs 向 Type-H ECs 分化。

图3.TCP和BCP共培养后EPCs的RNA测序分析

4.药物调控实验：验证 Type-H 血管的功能必要性

研究者通过使用Type-H血管激活剂（DFO）和抑制剂（PX-478），调控小鼠体内Type-H血管的形成，以评估其对双相磷酸钙陶瓷（BCP）异位成骨能力的影响。研究发现：

①DFO显著促进了Type-H血管的形成，而PX-478则明显抑制其形成。②DFO处理组新骨形成量显著增加。③Type-H血管周围显著富集Osterix阳性成骨前体细胞，提示Type-H血管可能通过招募这些细胞促进成骨。④DFO显著提高了HIF-1α的表达水平，而PX-478则降低其表达，表明HIF-1α可能参与调控Type-H血管的形成及其后续的成骨效应。综上所述，Type-H血管在钙磷陶瓷的骨诱导过程中发挥关键作用，其形成可通过调控HIF-1α表达实现，进而影响Osterix阳性细胞的招募及新骨生成。

图4.H型血管抑制剂/激活剂对Ca-P生物陶瓷骨诱导的影响

小结

本研究首次揭示Type-H血管在磷酸钙陶瓷骨诱导中的关键作用 ——scRNA-seq证实BCP骨诱导过程中招募Type-H ECs；与β-TCP相比，BCP通过整合素 - PI3K-Akt/cGMP-PKG 通路促进EPCs向Type-H ECs分化Type-H ECs分泌因子通过 VEGF/VEGFR和TGF-β/Smad通路激活BMSCs成骨；体内药物调控实验证实 DFO/PX-478 可通过调控Type-H血管影响BCP骨诱导，且Osterix细胞在Type-H 血管周围的选择性分布是骨诱导的关键步骤。该发现不仅解答了领域内 “何种血管介导骨诱导” 的疑问，更为设计高骨诱导性骨修复材料提供了新靶点（如调控 Type-H 血管形成），具有重要的科学与临床价值。

参考文献

Cong Feng et al. “The role of type-H vessels in the osteoinduction of calcium phosphate ceramics.”Chemical Engineering Journal Volume 522,2025,167831,.

来源：科学巨匠