О МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ НА СКЕЛЕТНУЮ СИСТЕМУ.

Китайские исследователи обнаружили, что белок Piezo1 выполняет роль механосенсора в костеобразующих клетках. Исследовательская группа трудилась на базе научно-тренировочного центра астронавтов Китая China Astronaut Research and Training Center совместно с представителями университета Tsinghua University и больницы Hospital of Soochow University.

Механическая нагрузка на скелетную систему имеет важное значение для развития, роста и поддержания костей. Тем не менее, молекулярный механизм, с помощью которого механические стимулы превращаются в остеогенез и образуют костную ткань, остается неясным. В работе, представленной в eLife летом 2019 года, авторы сообщают, что Piezo1, добросовестный механический преобразователь, который имеет решающее значение для различных биологических процессов, играет в том числе и решающую роль в формировании кости.

Китайские исследователи идентифицировали белок в костеобразующих клетках (остеобластах), который выполняет роль механосенсора, то есть он реагирует на физиологический стресс, увеличивая или уменьшая рост кости. У пациентов с остеопорозом или астронавтов в космическом полете рекомендуется увеличить активность этого белка.

Кость — жизненно важный орган, который постоянно реагирует на механические нагрузки, связанные с массой тела, движением и силой тяжести, и адаптируется к ним. Такой процесс ремоделирования, вызванный механической нагрузкой, зависит от функционального взаимодействия между остеобластами, образующими кости, и остеокластами, разрушающими кости.

Активность скелетных мышц и гравитационное напряжение обычно приводят к тому, что кости подвергаются механическому воздействию. Если кость менее эффективна в течение длительного времени из-за болезни, связанной с постельным режимом или пребыванием в невесомости, наблюдается быстрая деградация костной ткани, что ослабляет стабильность костей. Однако, свойства механического ответа и лежащие в основе молекулы механотрансдукции, которые активны во время формирования кости, остаются плохо изученными.

«Кости очень чувствительны к изменениям ежедневного механического напряжения и силы тяжести», — сообщают представители лаборатории космической медицины в Пекине (State Key Laboratory of Space Medicine Fundamentals and Application). «Потеря костной массы — одна из основных проблем, возникающих после длительных космических полетов и у лежачих пациентов».

Различные клетки организма имеют датчики, которые регистрируют механические воздействия. Один из таких датчиков — белок Piezo1 в мембране нервных клеток, который реагирует на прикосновения, давление и растяжение окружающей ткани и опосредует чувство осязания. Белок представляет собой так называемый «ионный канал», который регулирует поток ионов кальция через мембрану в клетку, что может вызвать цепочку последствий.

Что уже известно?:

• Piezo1 опосредует механические реакции в различных типах клеток, включая сосудистые и лимфатические эндотелиальные клетки.
• Piezo1 участвует в экструзии эпидермальных клеток, чтобы сохранить нормальный гомеостаз кожи — это предотвращает избыточную пролиферацию кожных тканей и развитие раковых заболеваний.
• Piezo1 также обнаружен в эритроцитах, и усиление функциональных мутаций в каналах связано с наследственным ксероцитозом или стоматоцитозом.
• Конститутивный нокаут Piezo1 приводит к эмбриональной летальности у мышей, главным образом из-за дефектов сосудистого развития.
• Piezo1 ощущает напряжение сдвига в эндотелиальных клетках сосудов и эритроцитах, способствуя регуляции артериального давления.
• И наконец, исследователи также обнаружили Piezo1-белки в костеобразующих клетках мышей. Когда клетки стимулировали под микроскопом с помощью микропипетки, ионы кальция все больше поглощались. Генно-инженерные мыши, лишенные гена Piezo1 в остеобластах, демонстрировали нарушенный рост костей и иногда развивали более короткие и менее стабильные кости ног.

Нормальные остеобласты, культивируемые в специальном аппарате при значительно пониженной гравитации, продуцируют меньше белка Piezo1, чем при выращивании в нормальных условиях. Аналогичным образом у мышей, которые не могли двигаться в течение длительного времени, подобно пациентам, прикованным к постели, отсутствие механического напряжения на кости приводило к снижению продукции Piezo1 в остеобластах.

«Наши результаты свидетельствуют о положительной обратной связи между механосенсором и механической нагрузкой клеток и тканей» — сообщают ученые. Исследователи ищут активный ингредиент, который увеличит производство Piezo1. Лекарственный препарат поможет лечить остеопороз или предотвращать потерю костной массы при длительном пребывании в невесомости. «Нокаут Piezo1 в клетках линии остеобластов нарушает остеогенез остеобластов и серьезно ухудшает структуру и прочность кости. Потеря кости, вызванная механической разгрузкой, притупляется у нокаутированных мышей. Интересно, что имитационная микрогравитационная обработка снижала функцию остеобластов, подавляя экспрессию Piezo1. Кроме того, у пациентов с остеопорозом наблюдается пониженная экспрессия Piezo1, которая тесно связана с дисфункцией остеобластов».

Работа, о которой мы рассказали, является важным шагом к пониманию того, как наши кости строятся и поддерживаются. О скелетогенезе и регенеративном лечении читайте на сайте Специализированного медицинского центра ЭВО.

Источники: eLIFE / The mechanosensitive Piezo1 channel is required for bone formation