Нанокристаллы управляют стволовыми клетками при восстановлении кости

Немецкие ученые из Фрайбургского университета имени Альберта-Людвига (Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) совместно с швейцарскими коллегами из Базельского университета (University of Basel) определили главный регулятор стволовых клеток при регенерации кости. Результаты международного исследования опубликованы 18 июня 2018 года в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Костная ткань представляет собой нанокомпозит: минеральная фаза зрелого костного матрикса состоит из кристаллов гидроксиапатита. Эти нанокристаллы, обеспечивающие прочность кости, рассредоточены в структуре из белкового коллагена.

Несмотря на то, что костная ткань обновляется на протяжении всей жизни, стимулирование регенерации повреждённой кости – сложный процесс. Необходимым условием в этой задаче является уничтожение повреждённой части костной ткани, при котором из органического матрикса высвобождаются молекулы, активирующие мезенхимальные стволовые клетки (МСК) костного мозга, формирующие новую кость.

Данный этап имеет два пути развития: МСК могут сначала формировать хрящ, который затем замещается костной тканью (эндохондральная оссификация); либо МСК дифференцируются в остеобласты, непосредственно восстанавливающие кость (эндесмальная оссификация). Как именно влияет сопутствующая деградация матрицы гидроксиапатита на выбор типа окостенения, до сих пор известно не было.

Международная группа учёных под руководством профессора Прасада Шастри (Prasad Shastri) разработала искусственный (биомиметический) минеральный наноматериал, имитирующий свойства настоящей кости. Дальнейшие эксперименты показали, что именно данная составляющая кости – ключевой фактор, влияющий на её формирование.

Учёные обнаружили, что минеральная фаза костной ткани стимулирует внеклеточный кальций-чувствительный рецептор (CaSR), белок, который играет главную роль в регуляции кальциевого гомеостаза и экспрессируется мезенхимальными стволовыми клетками.

Стимулирование производства CaSR побуждало МСК формировать кость, минуя стадию образования хряща. Учёные также обнаружили, что, нокаутируя CaSR, можно полностью блокировать образование костной ткани стволовыми клетками in vivo.

Также в ходе молекулярного исследования они обнаружили, что стимулирование рецептора к паратиреоидному гормону типа 1 (PTH1R), ключевого регулятора гомеостаза кальция, помогает мезенхимальным стволовым клеткам обойти влияние CaSR и активирует эндохондральную оссификацию с промежуточной стадией формирования хряща.

«Наше открытие предлагает новое понимание того, как минеральная фаза костной ткани может управлять образованием новой кости», — говорит профессор Шастри.

«Результаты нашего исследования имеют огромное значение для разработки новых поверхностей имплантов для регенерации костей», — добавляет соавтор работы доктор Мелика Сарем (Melika Sarem).

При таких заболеваниях как остеопороз, кость разрушается гораздо быстрее, чем восстанавливается. «Наше исследование ставит CaSR на вершину парадигмы регенерации кости. Теперь мы уверенно можем сказать, что это главный регулятор формирования костей, и это может объяснить, почему у пациентов с остеопорозом так трудно восстанавливаются переломы», — говорит Шастри.