Nanokrystaller påvirker stamcelleskæbnen under knogledannelse

Forskere fra University of Freiburg og University of Basel identificerede en masterregulator til knogleregenerering. Prasad Shastri, Professor i biofunktionel makromolekylær kemi ved Institut for makromolekylær kemi og professor i cellesignalmiljøer i Cluster of Excellence BIOSS Center for Biologiske Signalstudier ved Universitetet i Freiburg ledede undersøgelsen. Holdet offentliggjorde resultaterne i det prestigefyldte tidsskrift Proceedings of the National Academy of Sciences .

Knoglevæv er en nano-komposit:Den uorganiske mineralske fase, såkaldt hydroxyapatit, giver knoglestabilitet, og disse calciumholdige nanokrystaller er spredt i en organisk ramme bestående af proteinet kollagen. Selvom knoglevæv forynger sig selv gennem ens liv, at inducere beskadiget knogle til reparation har vist sig udfordrende. Ødelæggelsen af ​​usund knogle er et nødvendigt skridt i sagaen om ny knogledannelse.

Under denne ødelæggelse af knogle, mange biomolekyler, der er lagret i den organiske matrix, frigives, og de spiller en rolle i knoglegenopretningsprocessen ved at lokke mesenkymale stamceller (MSC'er), der findes i knoglemarven - til aktivt at danne knogle. Dette trin præsenterer en slags korsvej i processen med knogleregenerering, idet MSC'er kan blive til knogleceller og aflejre knogle eller blive til bruskceller og afsætte en bruskmatrix (callusen), som derefter omdannes til knogle. Hvordan den medfølgende nedbrydning af hydroxyapatitmatrixen påvirker denne korsvej, er forblevet et mysterium.

Ved at bruge en biomimetisk knoglelignende mineralfase udviklet i laboratoriet i Shastri, holdet af videnskabsmænd har afsløret, at knoglemineralfasen er en vigtig "beslutningstager" i knogledannelsen. I studiet post-doc associeret Dr. Melika Sarem fra gruppen af ​​Shastri, i samarbejde med forskergruppen af ​​prof. Ivan Martin ved Institut for Biomedicin (University Hospital Basel, Universitetet i Basel), har opdaget, at mineralfasen i knogler kan stimulere en receptor kaldet ekstracellulær calcium-sensing receptor (CaSR), et protein, der registrerer calcium uden for cellerne og udtrykkes af MSC'er. Overstimulering af CaSR tvinger MSC'er til direkte at danne knogle i modsætning til via et brusktrin. De rapporterer endvidere, at interferens med signalering via CaSR kan fuldstændig lukke ned for dannelsen af ​​knogle in vivo.

Imidlertid, i et twist til denne molekylære dans, de har fundet ud af, at stimulerende parathyroidhormon-1-receptor (PTH1R), nøgleregulatoren af ​​calciumion-homeostase, kan redde MSC'er fra CaSRs kløer og fremme dannelsen af ​​knogle via et bruskmellemprodukt. "Vores opdagelse giver ny indsigt i, hvordan knoglemineralfasen kan diktere ny knogledannelse" siger Prof. Shastri. Resultaterne af vores undersøgelse har stor betydning for design af ny implantatoverflade til knogleregenerering, " tilføjer Dr. Sarem.

Ved sygdomme som osteoporose, knogle nedbrydes med meget lidt fornyelse af den tabte knogle. "Vores undersøgelse placerer CaSR i midten af ​​knogleregenereringsparadigmet, og vi kan nu sige, at det er en mester i regulatoren af ​​knogledannelse, og det kan måske forklare, hvorfor osteoporotiske patienter har svært ved at hele deres frakturer, " siger Shastri.