骨骼力學轉導與 Wnt 訊號：解碼骨骼對負重的反應（Mechanotransduction and Wnt Signaling in Bone: Decoding the Skeleton's Response to Load）

會議／場次： ENDO 2026／Signal Strength: Wnt Pathways Powering Bone Formation（SY39）
短講： SY39-03／官方 agenda presentation ID 3333165-2907651
講者： Alexander Robling, PhD

整理稿

從負重現象走進細胞訊號的「黑盒子」

運動或負重會改變骨骼組織，這個現象至少已被觀察兩百年；工程學也長期描述力與組織適應之間的關係。真正困難的是兩者之間的細胞訊號「黑盒子」：骨細胞如何感受形變，再把訊號傳給 osteoblast、osteoclast 與 lining cell，最終改變骨形成與骨吸收。近二十年的研究逐步拆解這個黑盒子，而講者認為，Wnt signaling 是骨骼力學轉導（mechanotransduction）中最重要的參與者之一。

本演講依序從人類遺傳疾病、機械負重鼠模與受體突變，說明 LRP5–Wnt–β-catenin 軸如何決定骨骼對負重的反應；再延伸到 sclerostin、LRP4、R-spondin 與其他胞外調節因子，討論未來是否可能藉由這些節點增強運動效果，或協助無法運動者產生類似的骨合成反應。

LRP5 與 Wnt/β-catenin：負重反應的核心軸線

約在 2000 年，基因連鎖研究發現 LRP5 loss-of-function mutation 會造成 osteoporosis-pseudoglioma syndrome（OPPG）。患者的骨量 Z-score 約比正常低 5 個標準差，骨骼極脆弱，甚至可能出生時已有骨折。在此之前，Wnt 主要與發育軸線、肢體定位與癌症相關；OPPG 的發現使 Wnt 正式進入骨骼生物學。

典範 Wnt 訊號的關鍵輸出是 β-catenin。沒有 Wnt 時，細胞質中的 degradation complex 會磷酸化 β-catenin，使其被標記並降解；Wnt 訊號出現後，這個複合體受抑制，β-catenin 得以累積、進入細胞核，並與 TCF/LEF 合作啟動骨形成相關基因的轉錄。

講者早期利用數量性狀基因座（quantitative trait loci, QTL）與 congenic mouse lines 研究 mechanotransduction。他們注意到，若某個基因對承受運動負重的四肢骨影響遠大於肋骨、脊椎或顱骨等軸向骨，常提示它可能參與力學感應。Lrp5 knockout 正呈現這種表型：在可精確控制應變的 ulna loading model 中，wild-type 小鼠會隨 strain 增加而增加新骨，Lrp5 knockout 雄鼠的反應則近乎消失；雌鼠的反應曲線更幾乎完全平坦。Lance Lanyon 團隊以另一個 Lrp5 knockout 與 tibia loading model 也得到相似結果。

β-catenin 位於此路徑下游。Linda Bonewald 團隊利用 Dmp1-Cre，使 osteocyte／晚期 osteoblast 只少一個 β-catenin copy，便已看到負重誘發的骨形成大幅受損。這些結果共同支持：LRP5 與下游 β-catenin 對正常的骨骼力學反應十分重要。

這並不代表所有骨合成刺激都必須經過 LRP5。Lrp5 knockout 小鼠接受 6 週 intermittent PTH 後仍可增加 bone mineral content，Urszula Iwaniec 團隊也得到相同方向的結果。相對地，Mei Wan 團隊的骨細胞 Lrp6 loss-of-function 模型接受 5 週 PTH 後沒有正常反應；講者另展示未發表的 inducible Dmp1-CreERT2 β-catenin loss-of-function 結果，同樣無法對 intermittent PTH 產生反應。因此，講者較保守的結論是：LRP5 似乎是 mechanical signaling 的關鍵受體，LRP6 則似乎對 PTH anabolic signaling 特別重要；兩者雖共享多種 ligand，不能因常被合稱為 LRP5/6 就視為功能完全相同。

LRP5 gain-of-function 與高骨量表型

與 OPPG 相反，另一些家族帶有 LRP5 gain-of-function mutation，骨骼外形大致正常，卻有高達 +3 至 +8 SD 的骨量。講者以高骨量家族成員在水池中下沉的影片，直觀呈現極高骨密度可能帶來的物理效果。後續發現約有 18 種、完整名單可能接近 20 種 missense 或小型 deletion，集中於 LRP5 第一個 β-propeller domain。

為測試這些 mutation 是否也改變 mechanotransduction，團隊建立兩個對應人類家族的 knock-in model：G171V（glycine→valine） 與 A214V（alanine→valine）。以 strain gauge 校正 tibia loading 後，相同應變可在兩種 high-bone-mass mouse 中引發比 wild type 更強的骨形成；另一個 G171V transgenic model 也得到相同方向的結果。也就是說，LRP5 不只關係到「能不能」回應負重，受體活性還可能影響同一機械刺激可形成多少骨。

Sclerostin／SOST：必須解除的力學煞車

LRP5 如何在負重時被啟動？講者先介紹幾種胞外抑制方式：DKK1 可同時抓住 LRP5 與 Kremen，使受體被內吞；sclerostin 則結合 LRP5/6，抑制 Wnt binding 與 signaling。Sclerostin 主要富集於 osteocyte，而 osteocyte 正是骨骼力學感應的重要細胞。缺乏 sclerostin 的 sclerosteosis 患者可有約 +8 至 +10 SD 的高骨量，這也提供後來發展 romosozumab 的生物學背景。

在 mouse ulna loading 後，osteocyte 的 sclerostin 染色明顯下降；而尺骨遠端較細、相同端點負重造成的 strain 較大，該處同時出現更明顯的 sclerostin 下降與更多新骨形成。講者因此把 sclerostin 形容為近似 strain 的「rheostat」：其變化可反映骨骼局部承受的形變程度。

為驗證這不是單純伴隨現象，團隊使用 Dmp1 promoter 驅動 human SOST 的 transgenic mouse。正常情況下，負重會使 endogenous mouse sclerostin 下降；但 DMP1 對負重呈正向反應，因此 transgenic human SOST 反而維持在高水準。這些小鼠失去正常的 strain dose-response，支持一項重要機制：骨骼要產生正常的負重誘發骨形成，必須先解除 sclerostin 對 LRP5/6 的抑制。

LRP4：協助 sclerostin 發揮抑制作用

另一些 sclerosteosis-like 高骨量家族的 LRP5、LRP6、β-catenin 與 sclerostin 均未發現預期異常，深度定序後才找到 LRP4 missense mutation。細胞研究提示，LRP4 很可能是協助 sclerostin 的 cofactor：它抓住 sclerostin，再把抑制訊號呈現給 LRP5/6。若 LRP4 與 SOST 的 interaction site 受 mutation 破壞，sclerostin 的抑制作用便會減弱。

講者團隊依其中一個家族建立 Lrp4 R1170W knock-in mouse。此模型具有高 BMD、厚 cortex、豐富 trabecular bone 與較高骨形成。將它與大量表達 SOST 的 Dmp1-SOST mouse 交配後，即使骨環境充滿 SOST，R1170W 模型仍維持明顯的高骨形成表型，支持該 mutation 會削弱 sclerostin signaling。

團隊再以 botulinum toxin 使單側肢體麻痺，建立 mechanical disuse model。Wild-type mouse 出現 cortical thickness 流失，R1170W knock-in mouse 則相對保留得較好。這是前臨床鼠模證據，顯示阻斷 LRP4–sclerostin interaction 可能減少廢用所致骨流失；它尚不能直接等同於人類治療效果。

Wnt 的其他胞外抑制網路

Wnt signaling 並非由單一煞車控制。Sclerostin 結合 LRP5 第一個 β-propeller，也可結合 LRP4 第三個 β-propeller；WISE／SOSTDC1 是 SOST 最接近的相關蛋白，也可藉由 LRP4 抑制 LRP5。DKK1 連結 LRP5 與 Kremen，促進受體內吞。WIF1 與四種 secreted Frizzled-related proteins（sFRPs）可在胞外結合 Wnt，降低其與受體 interaction。較新的調節因子 NOTUM 是 extracellular lipase，可移除 Wnt 的 palmitoleate tail，使 Wnt 無法正常活化 Frizzled。

這些節點說明，mechanotransduction 並不是單純把 Wnt 開或關，而是由 ligand availability、受體數量、受體內吞與多種 extracellular antagonist 共同調節訊號強度。

R-spondin、RNF43／ZNRF3 與 LGR4/5/6

在基礎狀態下，single-pass transmembrane E3 ubiquitin ligase RNF43／ZNRF3 會結合 Frizzled，促進其內吞，讓 Wnt signaling 維持在較低水準。四種 R-spondin 可一端結合 RNF43／ZNRF3，另一端連結 LGR4/5/6；形成複合體並被內吞後，細胞膜上的 RNF43／ZNRF3 減少，Frizzled 因而較能留在表面，Wnt signaling 隨之增強。

這條路徑也具有力學敏感性。在 MC3T3-E1 或由 mouse marrow cell 誘導的 osteoblast model 中，stretch 可增加 R-spondin 的 RNA、protein 與培養液分泌量；加入 R-spondin antibody 後，原本由 force 引發的 alkaline phosphatase（ALP）上升不再出現。Robert Pignolo 團隊讓受試者站在低強度 whole-body vibration plate 上 1 小時，之後循環中的 R-spondin 上升。Mouse whole-body vibration model 再加入 recombinant R-spondin，mineral apposition rate（MAR）可接近增加一倍；年輕的 senescence model 仍有反應，非常老的模型則明顯較弱。

這些資料跨越 cell、mouse 與小型 human physiology observation，但治療效益仍主要是機制與前臨床層級，不能直接推論成已證實的人體抗骨折療法。

治療展望：放大運動，或模擬負重訊號

講者的目標不是把 Wnt 當成單一開關，而是找出可以精準「輕推」的節點。理想情境之一，是在運動旁放大既有的骨合成訊號；另一個情境則是協助無法運動的人，讓骨細胞收到類似機械刺激的訊息。現有結果支持 LRP5、sclerostin、LRP4 與 R-spondin 等路徑具有調節潛力，但多數證據仍來自遺傳疾病、cell model 與 mouse loading／disuse experiment。

臨床轉譯的核心不是無限制增強 Wnt，而是先確認目標節點、作用細胞與生理情境，再以可控制的幅度模擬正常負重訊號。

現場問答：海牛如何在近似失重下維持高骨量？

聽眾從高骨量家族的水池影片延伸提問：大象可能因巨大體重而有高骨量，但海牛漂浮在水中，幾乎沒有典型負重，卻也具有很高骨量；這些動物是否存在 LRP5 mutation？講者沒有評論大象，也坦言尚不知道海牛的確切答案。

他提到前 postdoctoral fellow Whitney Bullock 現任職於佛羅里達海岸的 Eckerd College，兩人曾深入討論海牛。海牛在水中接近 weightless，卻需要足夠高的骨密度沉到水底覓食；至少肋骨缺乏 marrow cavity。Bullock 已取得採取海牛肋骨 core 的許可，計畫針對 osteocyte population 進行 RNA-seq，探索這些細胞如何在近似無負重的環境中維持大量骨組織。講者明確把這定位為正在研究、目前仍未知答案的問題，並未宣稱已找到 LRP5 或其他致病／保護 mutation。