Скелет человека обеспечивает опору, облегчает движение и защищает многие внутренние органы. Однако с возрастом кости становятся слабее и подвержены переломам, которые дольше заживают. Хотя эти возрастные изменения хорошо известны, молекулярные механизмы, опосредующие их, остаются малоизученными. В исследовании, опубликованном в журнале Bone Research, ученые сообщили, что сигнальный путь Notch играет ключевую роль в возрастной дегенерации костей у мышей.¹ Они также определили посредника, который находится ниже по течению этого пути и может быть задействован для уменьшения ослабления костей при старении.

"В биологии существует относительный недостаток понимания того, как стареют кости", - говорит Charles Chan, биолог развития из Стэнфордского университета, который не принимал участия в исследовании. "Это исследование важно, потому что оно рассматривает типы клеток, которые восстанавливают сломанные кости, скелетные стволовые клетки, и то, как на них, в свою очередь, влияет старение".

В ходе исследования группа ученых под руководством Philipp Leucht,, хирурга-ортопеда и исследователя биологии костей из Нью-Йоркского университета, сосредоточилась на скелетных стволовых и клетках предшественниках (SSPC), которые являются постоянными клетками костного мозга, играющими ключевую роль в развитии, поддержании и восстановлении костей.² SSPCs способны превращаться либо в кость-образующие клетки (остеобласты), либо в клетки, откладывающие жир (адипоциты). По мере старения скелетной ткани эти клетки чаще превращаются в адипоциты, что делает кости более восприимчивыми к переломам.^3,4

См. также "Mechanical Force on the Skull May Aid Bone Regeneration" .

Чтобы изучить молекулярные механизмы, определяющие судьбу SSPC по мере старения, исследователи собрали кости задних конечностей молодых и среднего возраста мышей и проанализировали профили экспрессии генов в скелетной ткани с помощью секвенирования РНК одночных клеток (scRNAseq). В соответствии с результатами предыдущих исследований, было обнаружено, что с возрастом в костях происходит повышение уровня генов, связанных с адипоцитами, и снижение уровня генов, связанных с остеобластами, в SSPCs. Данные также выявили связь между возрастной дегенерацией костей и значительным повышением уровня передачи сигналов генов Notch, это говорит о том, что этот путь становится аномально активным в SSPC по мере старения мышей.

Основываясь на этих данных, команда исследователей изучила, контролирует ли сигнальный путь Notch дифференцировку SSPCs, в результате чего эти клетки с возрастом могут превратиться в адипоциты. Для этого они использовали генетически модифицированных мышей, у которых был условно удален ген, кодирующий фермент nicastrin. Nicastrin активирует путь Notch, расщепляя рецепторы Notch, поэтому удаление кодирующего его гена предотвращает подачу сигнала Notch у этих мышей. "У этой мыши появился удивительный, интригующий фенотип увеличения минеральной плотности костной ткани с возрастом - противоположный тому, что обычно наблюдается", - пояснил Leucht.

Middle-aged mice with deficient Notch signaling showed increased bone mass compared to their middle-aged, wildtype counterparts. ADAPTED FROM REMARK ET AL., 2023, BONE RESEARCH (CC BY 4.0 DEED).

Изучив транскрипционный профиль Notch-дефицитных мышей, команда обнаружила повышенную регуляцию генов формирования костной ткани, которая может служить основой для превращения SSPCs в остеобласты. Микрокомпьютерная томография бедренных костей мышей среднего возраста с дефицитом Notch показала увеличение костной массы и уменьшение количества адипоцитов по сравнению с их собратьями дикого типа, что указывает на то, что потеря Notch-сигнализации в SSPCs предотвращает возрастную дегенерацию костей. Chan отметил, что эти результаты являются новыми, поскольку сигнальный путь Notch не был сильно связан с процессом старения скелетных стволовых клеток.

Хотя эти результаты позволяют предположить, что модулирование Notch-сигнализации сдерживает возрастную дегенерацию костей, Leucht пояснил, что воздействие на этот путь является сложной задачей, поскольку он взаимодействует со многими клеточными путями в различных типах клеток. Чтобы найти более специфичные и безопасные терапевтические мишени, исследователи искали молекулы, которые обеспечивают Notch-сигнализацию в SSPC, и проанализировали их транскрипционные профили в наборе данных scRNAseq. Они определили ранний В-клеточный фактор 3 (Ebf3), ДНК-связывающий транскрипционный фактор, в качестве перспективной мишени, поскольку Ebf3 экспрессируется почти исключительно в SSPC. У Notch-дефицитных мышей Ebf3 был снижен, а в SSPCs от мышей среднего возраста он показал аномальную повышенную регуляцию. Дополнительные исследования in vitro с использованием SSPC дикого типа показали, что воздействие лиганда Notch увеличивало экспрессию Ebf3, в то время как ингибитор Notch подавлял увеличение Ebf3, подтверждая, что эта молекула находится ниже по течению от Notch.

См. также "Vitamin D Pills Don’t Prevent Bone Fractures, Osteoporosis: Study"

"Это открывает совершенно новые возможности для лечения возрастных заболеваний костей", - говорит Leucht. "На рынке нет лекарств, которые бы воздействовали на пул стволовых и клеток предшественников скелета". Превращение этих результатов в терапию - важная цель для команды Leucht на будущее. Chan считает, что важным следующим шагом будет оценка того, изменяется ли этот путь во время старения скелетных стволовых клеток человека.

Leucht надеется, что его исследование побудит других также изучать скелетную ткань. "[Из] всех тканей, которые изучаются в фундаментальной науке, кость получает так мало внимания, а ведь это такая удивительная ткань", - сказал он. "Это самая важная ткань в нашем теле. Без костей мы были бы плоскими".

Remark LH, et al. Loss of Notch signaling in skeletal stem cells enhances bone formation with aging. Bone Res. 2023;11(1):50.

Matsushita Y, et al. Skeletal stem cells for bone development and repair: Diversity matters. Curr Osteoporos Rep. 2020;18(3):189-198.

Nishida S, et al. Number of osteoprogenitor cells in human bone marrow markedly decreases after skeletal maturation. J Bone Miner Metab. 1999;17(3):171-177.

Josephson AM, et al. Age-related inflammation triggers skeletal stem/progenitor cell dysfunction. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019;116(14):6995-7004.