骨折是一種常見的骨損傷🤽🏼，其中骨不連的發生率估計為5％~10％🫱🏽，這些病人的骨骼無法正常愈合。骨折的修復需要不同的細胞協同參與，同時涉及眾多復雜的信號通路。骨骼幹細胞(Skeletal Stem cells💂🏻，SSCs)是組織特異性幹細胞，可以自我更新並位於骨分化層次結構的頂端🐀，從而產生骨骼生長🎓，維持和修復所需的成熟骨骼細胞類型。骨骼的發育、穩態和修復需要骨骼幹細胞的自我更新和分化來發揮作用。在骨折後愈合困難（骨不連）的治療中，幹細胞的移植治療被認為是最有潛力的治療方案🥐，由於幹細胞的異質性和骨外膜處骨骼幹細胞的特異性膜蛋白標誌物的缺少，導致幹細胞移植治療骨折愈合不良的臨床轉化受阻♘。

2024年9月3日🌳，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心鄒衛國研究員在Journal of Clinical Investigation（《臨床研究雜誌》）在線發表題為Itm2a expression marks periosesteal skeletal stem cell that contribute to bone fracture healing（整合膜蛋白2A表達標記著參與骨折愈合的骨外膜骨骼幹細胞）的研究論文🧗‍♀️🫧。該研究發現整合膜蛋白2A(integral membrane protein 2A, Itm2a)可以標記一群骨外膜上的骨骼幹細胞，並且該群細胞能夠參與骨折損傷修復🧟‍♂️。

鄒衛國組一直致力於骨折損傷修復的相關研究，此前鑒定出了骨折損傷修復過程中的關鍵表觀遺傳因子Lsd1（Sun Jun. et al., Science Advances, 2020）。並與周波組合作利用譜系示蹤和單細胞測序解析了骨折修復的全過程，發現骨膜尤其是纖維層的骨膜對骨修復至關重要（Liu. et al., Developmental Cell, 2024）。本研究利用單細胞RNA測序（scRNA-seq）技術對已報道作為骨修復細胞來源的Prrx1-Cre陽性的骨膜組織進行細胞類群解析。找到Prrx1-Cre陽性的骨相關細胞類群中特異的膜蛋白—整合膜蛋白2A（Integral Membrane Protein 2A ⛸，Itm2a）分子🧑🏻‍🦽。通過體外的幹細胞功能驗證實驗，發現Itm2a陽性的骨膜細胞相對於Itm2a陰性細胞具有更強的腎包膜下的體外成骨能力。將Itm2a陽性的骨膜細胞移植到小鼠骨缺損部位也發現這群細胞能夠促進缺損骨的修復。

隨後，為了追蹤這群細胞在骨損傷修復過程中的命運軌跡👬🏼，研究人員構建了Itm2a-CreER工具小鼠🔬，通過譜系示蹤實驗發現這群細胞在穩態時能夠標記骨外膜中的幹細胞類群，並且有更高比例的骨骼幹細胞的富集。對通過對Itm2a-CreER工具小鼠進行骨折損傷造模👩‍🍳，證明了Itm2a陽性骨膜細胞能夠在骨損傷過程產生成骨細胞🖥，軟骨細胞和骨髓基質細胞，可以作為參與骨折和骨缺損修復過程的祖細胞。通過構建Itm2a-DreER工具小鼠，和Prrx1-CreER工具小鼠以及Dre/Cre驅動的熒光報告工具小鼠結合🫳🏼，實現Itm2a譜系和Prrx1譜系同時的體內示蹤和比較。結果顯示Itm2a譜系和Prrx1譜系的骨膜細胞都能夠參與骨折損傷修復🧜‍♀️❌，但標記了不同的亞群🥷🏼，其中Itm2a譜系的細胞對骨折過程中的軟骨和成骨的貢獻更高。

Itm2a陽性細胞作為骨折損傷修復過程中的祖細胞

為了深入研究Itm2a細胞類群在骨折損傷修復中的作用，研究人員首先對Itm2a陰性和陽性的骨膜細胞進行轉錄組測序🧙🏼，發現BMP信號通路在Itm2a陽性細胞中有明顯的富集，通過和Bmp2 F/F小鼠的結合🧜🏽，實現在Itm2a譜系細胞中對Bmp2的基因敲除🪒，隨後對基因敲除小鼠的骨折損傷造模，發現BMP信號通路對Itm2a陽性細胞參與骨折損傷修復的重要性。同時對Lsd1在Itm2a譜系中的基因敲除或利用DTA小鼠清除Itm2a譜系細胞都會使得骨折愈合發生障礙。

此外，在人的骨骼樣本中能夠檢測到ITM2A的表達🕴🏼，並且這群細胞具有更強的幹細胞性質🙋。Itm2a的膜蛋白特性表明Itm2a陽性細胞在骨折的臨床治療中具有應用潛力🧑🏻‍🦱🧙🏻‍♂️，Itm2a-CreER小鼠的構建為骨膜的相關研究提供了良好的動物模型。

中國科學院分子細胞科學卓越創新中心邢文暉博士和馮恒博士為本文共同第一作者。鄒衛國研究員👩🏼‍🦲、周波研究員和馮恒博士為本文共同通訊作者🎐。該研究得到了分子細胞科學卓越創新中心曾藝研究員、周斌研究員、趙允研究員🧔‍♂️⛄️，上海交通大學李保界教授的大力支持。經費支持來自中國科學院👼、國家自然科學基金委🚣🏻💇🏼、科技部等。該研究得到分子細胞卓越中心公共技術服務中心動物實驗技術平臺、細胞分析技術平臺和分子生物學技術平臺的大力支持。