Масштабированный и междисциплинарный анализ процессов старения костной ткани

npj Aging | (2024) 10:28 1

doi.org

Multiscale and multidisciplinary analysis of aging processes in bone

Linda Ravazzano, Graziana Colaianni, Anna Tarakanova, Yu-Bai Xiao, Maria Grano, Flavia Libonati

Согласно данным Организации Объединенных Наций за 2019 год, пожилое население увеличивается почти во всех странах. В настоящее время 9% населения мира старше 65 лет, и к 2050 году этот процент увеличится до 16%. Эта эволюция значимо влияет на наше общество, бросая вызов системам здравоохранения и вызывая необходимость перепроектирования медицинских услуг для удовлетворения потребностей растущего числа гериатрических пациентов и обеспечения им лучшего качества жизни. Среди нескольких дегенеративных и хронических патологий и состояний, связанных со старением, заметную роль играют заболевания костей и скелета. Остеопороз является широко распространенным патологическим состоянием, которое поражает более 200 миллионов человек во всем мире и связано со старением. Остеопороз и, в более общем плане, возрастная деградация костной ткани вызывают значительное увеличение риска переломов у пожилых людей. Действительно, возрастные показатели частоты переломов выше в самых старших возрастных группах и затрагивают более 15% людей в возрасте 95 лет и старше. С этой точки зрения более широкомасштабные усилия по профилактике травм и доступ к скринингу и лечению остеопороза для пожилых людей должны помочь снизить общую нагрузку и улучшить жизнь пациентов и их семей. Для того чтобы взглянуть на хрупкость костей шире и успешно бороться с возрастными заболеваниями костной ткани, крайне важно глубоко понять фундаментальные механизмы, ответственные за ее деградацию. Действительно, кость представляет собой сложный многомасштабный композитный материал, в котором органические и неорганические компоненты располагаются в соответствии с определенными «узорами» и структурами на разных масштабах длины. Кристаллы неорганического минерала гидроксиапатита (рис. 1 f, g и h) и органические молекулы коллагена (рис. 1 i, j) составляют основные строительные блоки кости. Эти фундаментальные «кирпичики» кости располагаются, образуя минерализованные коллагеновые фибриллы (рис. 1 d). Фибриллы образуют более сложные структуры, увеличивающиеся в масштабе (определенным образом напоминающие фрактальную геометрию), такие как волокна и пучки волокон. Последние организованы, следуя различным ориентациям, в зависимости от анатомической области, в массивы и пластинки. Во время ремоделирования пластинки образуют цилиндрические элементы, называемые остеонами (рис. 1 c), которые вкраплены в интерстициальные пластинки, образуя внеклеточный матрикс кости. Внутри сложной структуры костного матрикса живут и играют фундаментальную и активную роль в росте и ремоделировании костей различные костные клетки (рис. 1 k, l). Все эти элементы играют роль в определении особенностей и свойств костной ткани на мезо- и макроуровне (рис. 1 b и a соответственно). Очевидно, что систематическое изучение процессов старения в костях должно охватывать эту сложность и тщательно учитывать изменения, которые старение вызывает на каждом уровне иерархической структуры кости, следуя масштабированному подходу. Недавние работы охватывали различные аспекты старения костей, такие как изменения в наномасштабных компонентах кости, влияние на клеточные процессы в костях с последствиями для костной ткани и изменение механических свойств костей. В некоторых случаях был принят масштабированный подход, но при этом основное внимание уделялось конкретной теме, связанной со старением костей, или использованию определенной техники. Действительно, изучение старения костей довольно «фрагментировано» и исторически изучалось разными научными дисциплинами, такими как медицина, биология, химия, физика, инженерия и материаловедение. Каждая из них применяла различные экспериментальные и вычислительные методы (рис. 2), чтобы получить представление о свойствах костей и раскрыть фундаментальные механизмы, вовлеченные в возрастную деградацию костной ткани. При этом коммуникация между различными дисциплинами, каждая из которых говорит на своем языке, не всегда проста. Попытка добиться тщательного междисциплинарного подхода, объединяющего результаты, полученные в совершенно разных экспериментальных и теоретических исследованиях, в целом является инструментом для построения четкой картины старения костей и получения глубокого понимания изменений и заболеваний, связанных со старением. С этой целью в этой статье мы рассматриваем наиболее выдающиеся результаты, касающиеся всех аспектов старения костей, с масштабированным и междисциплинарным подходом, чтобы дать читателю широкий взгляд на тему. (В данной работе основное внимание уделяется костям человека. При этом приводятся результаты, полученные на моделях животных, когда это необходимо для прояснения некоторых аспектов старения костей. Большинство опубликованных исследований остеопороза с участием животных, особенно видов, характеризующихся короткой продолжительностью жизни (например, мышей), касаются особей с удаленными яичниками или субъектов, получавших малое количество кальция для имитации остеопоротических состояний у людей. Тем не менее, читатель должен иметь в виду, что кость можно считать универсальным природным материалом, с аналогичным составом среди позвоночных, где существенные различия между видами возникают в основном как архитектурные вариации в верхнем микро- и макромасштабе, как адаптация к конкретным структурам тела и требованиям к движению каждого животного. По этой причине несколько результатов о механизмах старения костей, полученных у животных, сохраняют общую достоверность). Каждый раздел посвящен точной шкале длины (нано-, микро- и макромасштаб соответственно), и каждый подраздел углубляется в заметные изменения, наблюдаемые в структуре костей с возрастом в этом масштабе. Вместе с результатами каждый подраздел содержит подробности о наиболее распространенных методах, используемых для их получения. Мы объединяем в каждом подразделе результаты, полученные с помощью разных методов, давая представление о том, как каждая проблема может быть решена междисциплинарным способом. Указываются открытые вопросы и нерешенные проблемы с некоторой перспективой возможных будущих исследований.

Рисунок 1. A Человеческая бедренная кость как пример кости; b Поперечное сечение бедренной кости, показывающее кортикальную ткань (внешний слой) и трабекулярную ткань, вмещающую костный мозг (внутренняя часть); c Увеличение предыдущей панели с акцентом на гаверсову структуру: основным строительным блоком является остеон, полый композитный цилиндр, состоящий из нескольких концентрических слоев, армированных волокнами, пластинок, каждая из которых показывает преимущественную ориентацию минерализованных коллагеновых волокон; d Коллагеновое волокно, представленное в виде пучка коллагеновых фибрилл (окружающий матрикс удален для ясности); e Минерализованная коллагеновая фибрилла, основная составляющая коллагенового волокна, которая включает как внутри-, так и внефибриллярные минеральные кристаллы гидроксиапатита (ГА); f Минеральный агрегат, включающий ГА в обеих формах: g) тромбоцитарной и h) игольчатой; i Молекулярный компонент коллагеновых волокон, также известный как тропоколлаген, состоящий из трех полипептидных цепей, скрученных друг вокруг друга; j Увеличение полипептидной цепи; k сосредоточиться на структуре остеона, чтобы выявить остеоциты, лежащие внутри лакун во внеклеточном матриксе костей. Лакуноканаликулярные сети, образованные дендритами, распространяющимися от остеоцитов, отчетливо видны; l сосредоточиться на костных клетках, ответственных за непрерывный процесс ремоделирования. В частности, остеокласты отвечают за резорбцию кости (слева), а остеобласты участвуют в формировании кости (справа). Весь рисунок адаптирован из Gabriele Grezzana et al. «Probing the Role of Bone Lamellar Patterns through Collagen Microarchitecture Mapping, Numerical Modeling, and 3D-Printing». Advanced Engineering Materials 22.10 (2020): 2000387. Авторские права 2020 г. с разрешения Elsevier. Подрисунки (k) и (l) созданы с помощью Servier Medical Art.

Рисунок 2. Обзор экспериментальных и вычислительных методов, подходящих для изучения различных аспектов процесса старения костной ткани. Каждый «пузырь» представляет собой определенный подход, а высота «пузыря» охватывает шкалу длины его применимости.