摘要
胎儿的运动会产生机械力，这些力量会塑造正在发育中的骨骼。阻碍胎儿运动的状况可能导致骨骼缺陷，但可用的干预措施有限。在这里，我们发现母体进行轮式跑步锻炼可以调节小鼠的胎儿骨骼发育。在野生型胎儿中，母体锻炼促进了关节形态的形成和骨骼的发育。这些变化无法仅通过改变胎盘的运输功能来完全解释。因此，接下来我们评估了在Splotch-delayed（Spd）小鼠模型中的母体锻炼效果，该模型表现为胎儿运动障碍，但其母胎间的通信功能是正常的，只是纯合突变体缺乏可收缩的肢体骨骼肌。母体锻炼显著改善了胎儿运动障碍导致的关节和骨骼发育问题，并防止了三角肌粗隆因缺乏使用而发生的吸收。此外，对移植的Spd小鼠肢体进行生物反应器机械刺激（从而排除了系统因素的影响）也同样促进了关节形态的形成。这些发现表明，母体锻炼是调节胎儿骨骼发育的重要因素，为研究骨骼发育的机械生物学提供了平台，并暗示了母体锻炼在因胎儿运动障碍引起的骨骼疾病中的潜在治疗意义。
图形摘要
胎儿的自发运动会产生机械力，这些力量会塑造正在发育中的骨骼。临床上，阻碍胎儿运动的状况（即胎儿运动障碍）可能导致骨骼发育缺陷。Splotch-delayed（Spd）小鼠模型表现出有限的骨骼肌发育，这再现了胎儿运动障碍的表型。我们发现，妊娠期间的母体锻炼可以促进野生型（WT）胎儿的肢体发育，并改善Spd小鼠的肢体发育。我们的数据表明，这些益处是通过母体锻炼传递给发育中的骨骼而实现的。
1 引言
胎儿的自发运动会产生机械力，这些力量会塑造正在发育中的骨骼。最初的胎儿运动始于肌肉形成的开始，并与关节和骨骼的发育同时发生 [1, 2]。胎儿运动减少（即胎儿运动不足）可能导致先天性骨骼发育缺陷，包括髋关节发育不良、先天性脊柱侧弯、关节挛缩和骨骼形成延迟 [3, 4]。从病因学角度来看，胎儿运动不足相关的综合征具有广泛的表型谱，从轻微到围产期致命不等，其中胎儿运动完全缺失（即胎儿运动障碍）是最严重的 [5]。胎儿运动不足可能与宫内环境因素有关，例如胎儿臀位 [6, 7] 和羊水过少（即羊水过少） [8]；也可能与影响神经肌肉发育的基因突变有关（例如遗传性关节挛缩症） [9；或者与宫内运动异常的非遗传性因素有关（例如肌肉发育不良） [10, 11]。虽然某些导致胎儿运动不足的情况可以通过产前影像学检查和/或基因筛查检测出来，但目前对骨骼异常的治疗主要限于出生后的干预措施，包括手术、支具和物理治疗 [12-17]。这种治疗上的差距既源于对胎儿运动如何指导骨骼发育的机制理解不足，也源于产前干预手段的有限。在这里，我们利用小鼠模型证明，妊娠期间的母体锻炼可以改变胎儿的关节和骨骼形态，并在临床前模型中显著改善胎儿运动障碍导致的关节和骨骼发育问题。
胎儿运动受限的动物模型再现了胎儿运动障碍患者所观察到的骨骼缺陷。早期的实验使用了移植的鸡胚肢体芽（这些肢体芽缺乏神经支配），从而推断肌肉发育受损会导致关节腔形成和骨骼形状的缺陷 [18, 19。后续研究使用药物和运动神经元切除方法使鸡胚瘫痪，观察到了类似的关节和长骨发育缺陷 [20-28]。胎儿运动障碍的小鼠模型进一步揭示了肌肉收缩如何指导哺乳动物骨骼发育的机制。Muscle dysgenesis（mdg/mdg）和Splotch-delayed（Spd）小鼠模型是自发突变的结果。Mdg/mdg小鼠携带DHPɑR1受体突变，这会阻止兴奋-收缩耦合 [29-31），而Spd小鼠在Pax3基因上存在点突变，这会抑制肌肉前体细胞的迁移并限制骨骼肌的发育 [32-34Myf5?/?:MyoD?/?肌生成小鼠，由于缺乏肌生成调节因子Myf5和MyoD，因此缺乏横纹肌 [3536-43]。此外，胎儿肌肉收缩还调节肌腱附着部位（如肱骨的三角肌粗隆）的骨骼突起的生长和成熟，这一过程始于一个软骨雏形，在胎儿运动缺失的情况下该软骨雏形会被吸收 [44
体外生物反应器培养技术通过允许在胎儿骨骼发育过程中施加机械刺激，补充了体内动物模型的研究 [45-48。此前，我们通过培养鸡胚肢体移植物发现，关节屈曲的幅度、频率和持续时间可以调节体外的关节形态 [49, 50。我们还利用小鼠肢体移植物培养来研究特定分子机械传感器和机械转导因子在骨骼形态调节中的作用。通过药物抑制和条件性基因敲除方法，我们发现机械敏感离子通道Transient receptor potential cation channel subfamily V成员4（TRPV4）在肢体运动刺激下介导关节形态的形成 [51, 525353体外动态机械刺激可以恢复Spd小鼠的胶原细胞外基质的沉积和组织 [54。这些生物反应器研究使我们能够探究缺失和恢复的机械信号如何调节骨骼形态的分子基础，但受到从胎儿血管系统提取样本以及妊娠环境提供的系统因素的限制。因此，这些研究仅能提供有限的见解。
