В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, междисциплинарная группа исследователей из Медицинского центра Джона Хопкинса показала на мышах, что «болевые сигналы» организма — сенсорные нейроны — на самом деле выполняют двойную функцию. В случае перелома кости эти нервы не только сообщают о травме, но и превращаются в «командиров восстановления», активно направляя клеточный организм на восстановление скелета.
В этом исследовании впервые подробно описывается сеть периферических афферентных нейронов — нервов, передающих сигналы из всех областей тела в центральную нервную систему (головной и спинной мозг), — посредством которой нервы напрямую взаимодействуют с клетками, участвующими в формировании костной ткани после травмы скелета, используя специфические белковые сигналы для стимуляции образования, роста и распространения новой, заживающей костной ткани.
«Впервые мы картировали нейронные цепи этой нейронной сети, определили, какие именно сенсорные нейроны иннервируют кость, установили, как эти нейроны изменяются после травмы, и выявили, какие сигналы они вырабатывают, необходимые для стимуляции формирования и восстановления костной ткани», — говорит Чжао Ли из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса.
Для картирования нейронной сети, посредством которой происходит передача сигналов для восстановления костной ткани, Ли и его коллеги использовали созданный в лаборатории аденоассоциированный вирус с тропизмом к периферическим нервам — сильной склонностью к периферическим нервам, иннервирующим костную ткань, — чтобы пометить, какие именно нейроны дорсального корешкового ганглия (ДРГ) — нервы вдоль спинного мозга, играющие решающую роль в передаче сигналов от периферических нервов к центральной нервной системе — выполняют эту функцию.
«Этот метод, известный как ретроградное трассирование, сродни отслеживанию одного электрического провода от лампочки через стены, чтобы найти местоположение автоматического выключателя», — говорит ведущий автор исследования профессор Аарон Джеймс из Медицинской школе Университета Джонса Хопкинса.
«Мы объединили ретроградное отслеживание со второй методикой — выделением отдельных клеток путем секвенирования РНК, — чтобы изучить отдельные иннервирующие клетки дорсального ганглия у мышей — до и после переломов костей — а затем выделили их, чтобы определить белки, которые каждая из них производит», — говорит Джеймс. «Объединив данные по всем исследованным клеткам, мы создали первый всеобъемлющий атлас отдельных клеток иннервирующих кости сенсорных нейронов, карту нейронной сети и сигналов, необходимых для восстановления костей».
В исследовании 2019 года, опубликованном в журнале Journal of Clinical Investigation, исследователи из лаборатории Джеймса показали на мышах, что в месте перелома два белка — рецепторная киназа тропомиозина-А (TrkA) и фактор роста нервов (NGF) — связываются вместе, способствуя иннервации и процессу, ведущему к образованию новой костной ткани.
«Когда мы блокировали реакцию нейронов TrkA+, генетически или химически, мы наблюдали резкое снижение не только иннервации, но и трех последующих процессов, критически важных для успешного восстановления после перелома: образования кровеносных сосудов, производства клеток, синтезирующих костную ткань, и минерализации новой кости», — говорит Джеймс. «Это открытие показало, что заживление перелома действительно зависит от нейронной сигнализации, направляемой нервными волокнами, экспрессирующими TrkA, однако молекулярные механизмы этого процесса оставались неизвестными».
Впервые обнаруженный в 1950-х годах, NGF в настоящее время известен своей способностью направлять рост, поддержание, пролиферацию и сохранение нейронов по всему организму. Он также помогает нервным клеткам сообщать мозгу о том, какие ткани, включая кости, испытывают боль в результате травмы или заболевания.
В своем новом исследовании ученые еще глубже изучили процесс заживления костей, пытаясь выяснить, что превращает специфические для костей нейроны дорсального ганглия из нервных клеток, сообщающих о воспалении или травме центральной нервной системе, в клетки, запускающие локальное восстановление костной ткани.
«Мы обнаружили, что в реакции сенсорных нейронов на повреждение кости происходят динамические изменения, и эти изменения отражают поэтапный процесс восстановления кости», — говорит Ли. «Сразу после травмы нейроны дорсального корешкового ганглия являются ноцицепторами — нервами, которые вырабатывают сигналы, направленные на восприятие боли и воспалительные реакции, — но затем, на более поздних этапах, они переходят в другую фазу, в прорегенеративное состояние, где они вырабатывают и высвобождают белки, способствующие образованию новых нейронов, кровеносных сосудов и, конечно же, костной и хрящевой ткани».
Ли говорит, что команда обнаружила три морфогена, продуцируемых нервными клетками (сигнальные белки, которые направляют формирование и организацию тканей и органов, включая кости) — трансформирующий фактор роста бета 1 (TGFB1), фактор роста фибробластов 9 (FGF9) и Sonic Hedgehog (SHH) — представляющие особый интерес, поскольку они экспрессировались (производились) генами в нейронах на первых этапах восстановления костной ткани. Затем исследователи хирургическим путем удалили или генетически заблокировали нейроны, ответственные за эти белки, — процесс, называемый денервацией, — в сломанных костях группы мышей.
«У мышей с денервацией мы наблюдали дефекты в пролиферации клеток скелета, снижение дифференцировки стволовых клеток в клетки костной и хрящевой ткани, а также в целом плохое восстановление костной ткани», — объясняет Ли. «Благодаря более тщательному анализу нам удалось выделить один белок, FGF9, продуцируемый нейронами, как важный паракринный [межклеточный] сигнал, передающий информацию о необходимых этапах восстановления поврежденной кости».
Ли говорит, что исследователи подтвердили ключевую роль FGF9 в процессе восстановления костной ткани, используя метод, при котором у мышей были удалены нейроны, секретирующие этот белок.
Джеймс говорит, что проведенное в этом исследовании исследование показывает, что «объединив нейробиологию, биологию скелета и регенеративную медицину, мы теперь знаем, что ноцицептивные нервные клетки дорсального корешка спинного мозга — специализированные для передачи сильной боли после травмы кости — одновременно стимулируют регенерацию костной ткани».
«Разрешение парадокса двойной роли ноцицепторов и установление того, что сигнализация FGF9 является ключевым фактором восстановления костной ткани, дает нам потенциальную мишень для лекарств, которые в будущем могут улучшить заживление костей, особенно у людей, находящихся в неблагоприятных ситуациях, таких как старение, диабет или нейропатия», — говорит Джеймс.
