Das Schlüsselmolekül erklärt, warum Knochen mit zunehmendem Alter schwächer werden

Eine einzigartige Studie zeigt, dass mit zunehmendem Alter die Spiegel eines bestimmten Moleküls ansteigen, wodurch ein anderes Molekül zum Schweigen gebracht wird, das gesunden Knochen erzeugt. Es deutet auch darauf hin, dass die Korrektur dieses Ungleichgewichts die Knochengesundheit verbessern und möglicherweise neue Möglichkeiten für die Behandlung von Osteoporose bieten kann.

Ältere Frauen haben ein besonders hohes Osteoporoserisiko.

Osteoporose betrifft weltweit rund 200 Millionen Frauen.

Es wird angenommen, dass eine von drei Frauen und einer von fünf Männern ab 50 Jahren in ihrem Leben einen Knochenbruch infolge von Osteoporose erleidet.

Schätzungen zufolge leben in den USA 44 Millionen Menschen über 50 mit dieser Krankheit, was sie zu einem wichtigen Problem der öffentlichen Gesundheit macht.

Neue Forschungsergebnisse bringen uns näher an das Verständnis des Prozesses, der zum Knochenabbau bei Osteoporose führt, und an mögliche neue Wege, wie die Krankheit bekämpft werden könnte.

Die Ergebnisse erklären eine wichtige molekulare Dynamik, die für die fortschreitende Gebrechlichkeit unserer Knochen im Alter verantwortlich ist.

Dr. Sadanand Fulzele, ein Knochenbiologe, der in der Abteilung für orthopädische Chirurgie der Augusta University in Georgia arbeitet, ist ein mitkorrespondierender Forscher und der letzte Autor des neuen Papiers, das in der Zeitschrift für Gerontologie: Biologische Wissenschaften.

Vergrößern eines kleinen molekularen Täters

Dr. Fulzele und Kollegen erklären den Prozess der Knochenbildung - der mit mesenchymalen Stammzellen beginnt. Dies sind Stammzellen, die in unserem Knochenmark vorkommen und sich als Knorpel, Knochen oder Fett im Knochenmark bilden können.

Einer der Faktoren, die die Bildung dieser Zellen beeinflussen, ist ein Signalmolekül, das als von Stromazellen abgeleiteter Faktor (SDF-1) bezeichnet wird.

Frühere Untersuchungen desselben Teams hatten gezeigt, wie wichtig SDF-1 für die Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen in die verschiedenen Zellen ist, die für die Knochengesundheit entscheidend sind.

Sowohl In-vitro- als auch In-vivo-Studien der Forscher zeigten die Schlüsselrolle dieses Signalmoleküls für die Knochenbildung. SDF-1 ist auch wichtig für die Knochenreparatur und schützt Knochenzellen vor oxidativem Stress, dem Ungleichgewicht zwischen freien Radikalen und Antioxidantien im Körper, das schließlich zu DNA-Schäden und Krankheiten führt.

Auch frühere Studien hatten gezeigt, dass die SDF-1-Spiegel bei alternden Mäusen abnehmen; In dieser Studie wollten Dr. Fulzele und sein Team genau verstehen, wie die Spiegel dieses Moleküls reguliert werden.

In einigen seiner früheren Forschungen hatte Dr. Fulzele gezeigt, dass ein kleines Molekül namens microRNA-141-3p verhindert, dass Vitamin C, ein wichtiges Antioxidans, unsere Knochenzellen erreicht.

Das Team wusste bereits, dass das Molekül die Differenzierung mesenchymaler Stammzellen in andere Zellen verhindern kann, sowie die Tatsache, dass microRNA-141-3p mit dem Alter zunimmt. Dr. Fulzele und sein Team stellten die Hypothese auf, dass microRNA-141-3p SDF-1 senkt und dass dies eine der Hauptmethoden ist, mit denen dieses kleine Molekül die gesunde Knochenbildung stoppt.

Wiederherstellung der normalen Knochenfunktion trotz Alter

Um dies zu testen, analysierten Dr. Fulzele und Kollegen mesenchymale Zellen von Menschen und Mäusen. In jungen Zellen stellten sie fest, dass die Spiegel an microRNA-141-3p niedrig waren. In alten Zellen hatten sich die Spiegel dieses Moleküls jedoch verdreifacht. Das Gegenteil war bei SDF-1-Spiegeln der Fall.

Anschließend injizierten die Forscher microRNA-141-3p in mesenchymale Stammzellen, die von Erwachsenen im Alter von 18 bis 40 Jahren sowie von Senioren im Alter von 60 bis 85 Jahren, die sich einer orthopädischen Operation unterzogen hatten, erhalten wurden.

Durch die Injektion von microRNA-141-3p sanken die SDF-1-Spiegel und die Stammzellen bildeten mehr Fett als Knochenzellen. Mit zunehmendem Alter, erklären die Forscher, wird es einfacher, Fettzellen anstelle von Knochenzellen herzustellen.

Außerdem fügte das Team Knochenzellen microRNA-141-3p hinzu, was die Knochenfunktion verschlechterte. Die Anwendung eines microRNA-141-3p-Inhibitors verbesserte jedoch die Knochenfunktion.

Die Ergebnisse, erklärt Dr. Fulzele, legen nahe, dass die Verwendung eines microRNA-141-3p-Inhibitors eines Tages dazu beitragen könnte, dass Stammzellen trotz Alter und Bedingungen wie Osteoporose weiterhin in Knochenzellen differenzieren.

Der Inhibitor, so Dr. Fulzele, „normalisiert die Knochenfunktion. Wir glauben, dass [ein] Inhibitor von klinischer Qualität uns dabei helfen kann, dasselbe bei Menschen zu tun. “

„Wenn Sie 20 Jahre alt sind und großartigen Knochen produzieren“, fügt er hinzu, „hätten Sie immer noch microRNA-141-3p in Ihren mesenchymalen Stammzellen. Aber wenn du 81 bist und schwächeren Knochen machst, hast du viel mehr davon. “

"Sie wollen es irgendwie an diesem Sweet Spot", erklärt der mitkorrespondierende Studienautor Dr. William D. Hill, ein Stammzellforscher von der Augusta University. Die Forscher sagen, dass sie planen, ihre Ergebnisse in präklinische Modelle zu übertragen, in denen sie Wege finden wollen, um gesunde Spiegel von microRNA-141-3p und SDF-1 wiederherzustellen.

„Wir versuchen, es von der Stelle, an der [microRNA-141-3p] aufgrund von Faktoren wie Alterung und oxidativem Stress und Unterdrückung von Östrogen überexprimiert wird, wieder nach unten zu wählen und es wieder in einen Bereich zu bringen, der effektiv mehr Normalität ermöglicht Knochenbildung. "

Dr. William D. Hill

"Wir haben eine Reihe von microRNAs identifiziert, die sich in den Knochenmarkstammzellen mit zunehmendem Alter verändern, und wir werden jede einzelne davon untersuchen, um zu verstehen, wie sie funktionieren", fügt Dr. Hill hinzu.

„Wir beginnen mehr mit einem biologischen Systemansatz, bei dem wir nicht nur ein Zielmolekül verändern, sondern auch untersuchen, wie sich dieses Netzwerk von Molekülen mit dem Alter oder der Krankheit verändert und wie wir es erreichen und […] zurücksetzen können diese verschiedenen Wege. "

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