Анестетик препятствует патологическому окостенению зоны роста кости после травмы

Повреждение зоны роста кости, или эпифизарной пластинки, может привести к образованию так называемых костных физарных мостиков — участков окостенения, препятствующих дальнейшему росту кости. Зону роста кости затрагивают до 30% детских травм скелета, и в некоторых случаях это приводит к долгосрочным последствиям — например, одна нога будет длиннее другой, и ребенку понадобится хирургическое лечение. Исследование, опубликованное в Science Translational Medicine, посвящено роли соматосенсорных нейронов в реакции организма на травму эпифизарной пластинки. Оказалось, их разрастание в поврежденном участке способствует патологическому окостенению. 

Эксперимент проводили на мышиной модели. Животным просверливали центральную часть дистальной (ближе к колену) зоны роста бедренной кости. За заживлением следили с помощью микрокомпьютерной томографии, которая показала постепенное нарастание костной ткани в течение 42 дней. 

Через семь дней авторы обнаружили в области повреждения нервы, экспрессирующие тубулин 3 (TUBB3), который помогает задавать направление роста аксона. Иммуноокрашивание показало, что большинство нервных клеток представляли собой соматосенсорные нейроны, экспрессирующие кальцитонин-ген-связанный пептид (CGRP). Прорастание нервов в поврежденную эпифизарную пластинку продолжалось до 42 дней после травмы. 

Среда, в которой культивировали нейроны спинальных ганглиев, стимулировала остеогенную дифференцировку в поврежденной зоне роста кости. Транскриптомный анализ показал, что обработка такой средой повышала экспрессию 21 гена, связанного с остеогенезом. Возрастали уровни остеогенных и ангиогенных факторов, таких как Bmp2, Tgfb1, Ihh, Pdgfa и Vegfa, и маркеров остеохондрогенной дифференцировки, таких как Sp7, Runx2 и Sox9. 

Известно, что фактор роста нервов (NGF) индуцирует рост периферических нейронов через высокоаффинный рецептор TrkA. Ученые ингибировали его двумя различными способами — хемогенетически (с помощью мутантного рецептора, чувствительного к специфичному ингибитору 1NMPP1) либо фармакологически (инъекцией GW441756, селективного ингибитора TrkA). Оба подхода снижали патологическую иннервацию эпифизарной пластинки в области повреждения. К примеру, в первом случае 1NMPP1 снижал среднее количество TUBB3-положительных нервных волокон на 42,8%. А микроКТ показала, что у мышей, получавших GW441756, была значительно снижена минеральная плотность кости в поврежденном участке эпифизарной пластинки. 

Как показал транскриптомный анализ, ингибирование TrkA сказывалось в первую очередь на хондроцитах ростовой пластинки — они переходили от хондрогенеза к остеогенезу, то есть способствовали формированию костной ткани вместо хрящевой. 

Затем ученые отследили, какие именно нейроны спинального ганглия иннервируют этот участок, с помощью ретроградной маркировки. Для этого использовали модифицированный аденоассоциированный вирус с флуоресцентным белком tdTomato. Взаимодействие помеченных нейронов с хондроцитами ростовой пластинки проанализировали с помощью Cell-Chat. Они выявили четыре потенциальных лиганда, продуцируемых нейронами. Ключевым оказался фактор роста плейотрофин.

Обработка рекомбинантным плейотрофином в культуре воспроизводила изменения, наблюдаемые в эпифизарной пластинке после травмы. Данные подтвердились и в опытах на мышах, которым провели условный нокаут плейотрофина в сенсорных нейронах.

Наконец, ученые предложили медикаментозный способ предотвратить образование костных физарных мостиков. Они использовали бупивакаин — одобренный к применению неопиоидный анестетик длительного действия. Уже известно, что он препятствует росту периферических аксонов. Бупивакаин, загруженный в липосомы, вводили мышам в поврежденную лапу и, как и в изначальном эксперименте, наблюдали за состоянием кости в течение 42 дней. Лечение бупивакаином препятствовало прорастанию соматосенсорных нервов в эпифизарную пластинку и предотвращало патологическое окостенение после травмы. 

Таким образом, соматосенсорные нейроны, которые прорастают в поврежденную эпифизарную пластинку, приводят к ее окостенению через плейотрофин. Бупивакаин подавляет их прорастание и препятствует окостенению поврежденного участка. Авторы рассчитывают, что после дополнительных исследований этот анестетик найдет применение при лечении травм, затрагивающих зону роста кости. 

Риск перелома бедренной кости можно предсказать по протеому крови