Ученые Исследовательского института Детского медицинского центра в Юго-Западном Юта (Юго-Западный штат Юта) определили специализированную среду, известную как ниша, в костном мозге, где вырабатываются новые костные и иммунные клетки. Исследование, опубликованное в Nature, также показывает, что стимуляция, вызванная движением, необходима для поддержания этой ниши, а также костных и иммунообразующих клеток, которые в ней содержатся. Вместе эти результаты указывают на новый способ, которым упражнения укрепляют кости и иммунную функцию.
Исследователи из лаборатории Моррисона обнаружили, что силы, возникающие при ходьбе или беге, передаются от поверхностей костей вдоль артериолярных кровеносных сосудов в костный мозг внутри костей. Костеобразующие клетки, выстилающие внешнюю часть артериол, ощущают эти силы и стимулируются к их пролиферации. Это не только позволяет формировать новые костные клетки, что способствует утолщению костей, но и костеобразующие клетки также выделяют фактор роста, который увеличивает частоту клеток, которые образуют лимфоциты вокруг артериол. Лимфоциты – это В- и Т-клетки, которые позволяют иммунной системе бороться с инфекциями.
Когда способность костно-образующих клеток ощущать давление, вызванное движением, также известное как механические силы, была инактивирована, это уменьшило образование новых костных клеток и лимфоцитов, в результате чего кости стали тоньше и уменьшилась способность мышей очищать бактериальная инфекция.
"С возрастом среда в нашем костном мозге меняется, и клетки, отвечающие за поддержание костной массы скелета и иммунную функцию, истощаются. Мы очень мало знаем о том, как меняется эта среда или почему эти клетки уменьшаются с возрастом," говорит Шон Моррисон, доктор философии.D., директор CRI и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. "Прошлые исследования показали, что упражнения могут улучшить прочность костей и иммунную функцию, и наше исследование обнаружило новый механизм, с помощью которого это происходит."
Предыдущая работа лаборатории Моррисона открыла скелетные стволовые клетки, которые дают начало большинству новых костных клеток, которые образуются во взрослом возрасте в костном мозге. Это клетки Leptin Receptor + (LepR +). Они выстилают кровеносные сосуды костного мозга и образуют критические факторы роста для поддержания кроветворных клеток. Лаборатория Моррисона также обнаружила, что подмножество клеток LepR + синтезирует ранее неизвестный фактор роста костей, называемый остеолектином. Остеолектин способствует поддержанию скелета взрослого человека, заставляя LepR + формировать новые костные клетки.
В текущем исследовании Бо Шен, доктор философии.D., научный сотрудник лаборатории Моррисона более внимательно изучил подмножество клеток LepR +, которые производят остеолектин. Он обнаружил, что эти клетки располагаются исключительно вокруг артериолярных кровеносных сосудов в костном мозге и что они поддерживают близлежащие лимфоидные предшественники, синтезируя фактор стволовых клеток (SCF) – фактор роста, от которого зависят эти клетки. Удаление SCF из остеолектин-положительных клеток истощило лимфоидные предшественники и подорвало способность мышей создавать иммунный ответ на бактериальную инфекцию.
"Вместе с нашей предыдущей работой результаты этого исследования показывают, что остеолектин-положительные клетки создают специализированную нишу для костеобразующих и лимфоидных предшественников вокруг артериол. Терапевтические вмешательства, которые увеличивают количество остеолектин-положительных клеток, могут увеличить образование костной ткани и иммунный ответ, особенно у пожилых людей," говорит Шен.
Шен обнаружил, что количество остеолектин-положительных клеток и лимфоидных предшественников уменьшается с возрастом. Интересно, сможет ли он изменить эту тенденцию, Шен поместил бегущие колеса в клетки, чтобы мыши могли тренироваться. Он обнаружил, что кости этих мышей стали более крепкими при физических нагрузках, в то время как количество остеолектин-положительных клеток и лимфоидных предшественников вокруг артериол увеличивалось. Это было первым признаком того, что механическая стимуляция регулирует нишу в костном мозге.
Шен обнаружил, что остеолектин-положительные клетки экспрессируют на своей поверхности рецептор, известный как Piezo1, который передает сигналы внутри клетки в ответ на механические силы. Когда Piezo1 был удален из остеолектин-положительных клеток мышей, эти клетки и лимфоидные предшественники, которые они поддерживают, истощились, что ослабило кости и ухудшило иммунные ответы.
"Мы думаем, что нашли важный механизм, с помощью которого упражнения повышают иммунитет и укрепляют кости, помимо других механизмов, ранее выявленных другими," говорит Моррисон.