Хондрогенные клетки заставили размножаться, чтобы восстановить сустав при остеоартрите

Остеоартрит характеризуется необратимой дегенерацией суставного хряща. Это заболевание встречается у 10% людей старше 60 лет и затрагивает все ткани сустава, приводя к нестабильности сустава, болям и инвалидности. Остеоартрит поражает в том числе ткань суставного хряща — это постоянная ткань, для поддержания которой нужна активность самообновляющихся клеток-предшественников. Регенеративная способность суставного хряща ограничена, однако авторы работы в Nature Comminucations предложили способ стимулировать ее, чтобы восстановить хрящ от повреждений, вызванных остеоартритом.

В пластинке роста (эпифизарная пластинка) присутствуют костно-хрящевые стромальные предшественники, которые экспрессируют белок гремлин 1 (Grem1). Этот же маркер, как показало исследование, присутствует и в другой популяции — хондрогенных прогениторных клеток. Они располагаются на суставной поверхности, где формируют ткань суставного хряща и субхондральную кость.

Исследование судьбы клеточных линий, экспрессирующих Grem1, ученые проводили на мышиных моделях. Они индуцировали остеоартрит хирургически, повреждая коленный сустав взрослых животных, или разрушали внутрисуставные стабилизирующие связки коллагеназой VII. Оказалось, что начальная стадия остеоартрита не связана с полной потерей хондроцитов, а скорее обусловлена потерей популяции хондрогенных прогениторных клеток, экспрессирующих Grem1.

Сами Grem1⁺ хондрогенные прогениторные клетки оказались особой популяцией, которая в нормальном развитии дает начало тканям суставного хряща и теряется с возрастом. Ученые обнаружили Grem1⁺-клетки в хрящевом эпифизе и мениске мышей на первой неделе жизни. Эти клетки сформировали 39,5% ткани суставного хряща. На более поздних стадиях развития (к концу первого месяца) Grem1⁺-клетки заселили всю структуру сустава, они также образовывали остеобласты в субхондральной кости. В стареющем коленном суставе количество этих клеток снижалось — в возрасте 29 недель их осталось менее 0,4% от общего числа клеток суставной поверхности. Они присутствовали в основном в субхондральном костномозговом пространстве и изредка — среди клеток сохранившейся, но уже не пролиферирующей пластинки роста.

Чтобы изучить роль Grem1 в развитии остеоартрита, авторы работы получили трансгенных мышей, в которых Grem1⁺-клетки экспрессировали рецептор дифтерийного токсина. В промежутке от 8 до 10 недель животные получали дифтерийный токсин, который им вводили внутрисуставно. Затем ученые анализировали суставы 26-недельных мышей. Они обнаружили, что у этих животных были выражены патологические процессы, характерные для остеоартрита, в том числе у них уменьшалась толщина суставного хряща. Таким образом, потеря Grem1⁺-клеток оказалась не только признаком, но и причиной развития остеоартрита.

Ученые также рассмотрели возможность того, что остеоартрит может быть частично вызван гибелью или дегенерацией зрелых хондроцитов, происходящих из Grem1⁺-клеток. Они провели транскриптомный анализ единичных клеток, изолированных из коленного сустава взрослых мышей. Хотя большинство (72%) клеток линии Grem1 экспрессировали Acan — маркер зрелых хондроцитов, в тканях сустава также присутствовали Grem1⁺-клетки, лишенные Acan. Потеря популяции Acan⁺-клеток, которую ученые смоделировали на мышах, коэкспрессирующих Acan и рецептор дифтерийного токсина, вызвала у животных слабые проявления остеоартрита. Патология была выражена сильнее при абляции Grem1⁺-клеток, и авторы заключили, что остеоартрит связан не только с потерей зрелых хондроцитов, но и, вероятно, с нарушением локальной регенерации за счет прогениторных клеток.

Затем ученые попытались имплантировать Grem1+-клетки здоровых животных мышам с остеоартритом. Клетки плохо приживались в суставе, поэтому исследователи выбрали другой подход — сохранение этой важной популяции в ходе старения.

Одним из важных регуляторов хондрогенеза служит сигнальный путь факторов роста фибробластов (FGF). Транскриптомный анализ показал, что рецептор 3 фактора роста фибробластов (Fgfr3) экспрессировался в клетках пластинки роста и хондрогенных прогениторных клетках линии Grem1. Ученые исследовали роль агониста этого рецептора — FGF18 — на Grem1⁺-клетки in vivo. Они показали на мышах, что внутрисуставное введение FGF18 значительно увеличивало количество пролиферирующих Grem1⁺-клеток у взрослых животных. Толщина ткани суставного хряща при этом также возрастала — это свидетельствует о том, что FGF18 индуцировал хондрогенез в коленном суставе взрослых мышей.

Эти данные подтвердились и на модели остеоартрита, индуцированного коллагеназой VII. Внутрисуставное введение FGF18 мышам с остеоартритом также вызывало увеличение количества хондрогенных прогениторных Grem1⁺-клеток, способствовало восстановлению толщины суставного хряща и ослабляло проявления патологии. Исследователи пришли к выводу, что экзогенный FGF18 облегчает течение остеоартрита, увеличивая пролиферацию прогениторных клеток хряща линии Grem1.

Данное исследование рассматривает остеоартрит на клеточном уровне — это заболевание может возникнуть из-за потери хондрогенных клеток-предшественников — и предлагает подход к его лечению. Введение FGF18 индуцировало пролиферацию прогениторных Grem1⁺-клеток сустава и уменьшало признаки патологии, и ученые считают его перспективным для профилактики и терапии остеоартрита.

Остеоартрит вызывается цитокинами жировой ткани

Белок GREM1 регулирует дифференцировку клеток опухоли поджелудочной железы