Nanoreaktor durchbricht einen Seneszenzzyklus in gealterten Knochenmarkzellen und stellt bei alten Mäusen die Knochensubstanz wieder her

Das Altern des Knochenmarks fördert Osteoporose, die Einlagerung von Fett im Knochenmark und den Verlust der Regenerationsfähigkeit. Leptinrezeptor-positive (LepR+) Zellen sind eine zentrale Population skelettaler Stamm-/Vorläuferzellen, die Knochen bildet und Faktoren absondert, die Blutgefäße, Lymphgefäße und Nerven unterstützen. Werden diese Zellen mit dem Alter seneszent, verschlechtert sich die gesamte Knochenmarknische. Was ihre Seneszenz tatsächlich auslöst, war bislang unklar, was gezielte Interventionen eingeschränkt hat.

Die Autoren werteten zunächst einen vorhandenen RNA-seq-Datensatz (CRA025008) aus, der junge und gealterte LepR+ Zellen der Maus vergleicht. Gealterte Zellen zeigten eine Anreicherung von Signalwegen der zellulären Seneszenz und des ROS-Stoffwechsels sowie eine Herunterregulierung der Stickstoffmonoxid-Biosynthese und eine beeinträchtigte Magnesiumionen-Homöostase. Knochenmarkschnitte zeigten bei gealterten Mäusen mehr P21+LepR+ und IL-6+LepR+ Zellen (n = 5). Daraus leiteten sie einen Teufelskreis ab: Das Altern senkt NO, dadurch sinkt der Mg2+-Einstrom, was die Elektronenleckage der Mitochondrien und die ROS-Bildung erhöht und wiederum mehr Seneszenz auslöst.

Um diesen Kreislauf zu unterbrechen, entwickelten sie einen Nanoreaktor. L-Arginin wurde mit Oleat gepaart, in mPEG-b-PPS-Polymernanopartikel geladen und anschließend mit Mg2+ vernetzt (LPM). Die Beschichtung mit Membranen seneszenter LepR+ Zellen ergab CLPM. Die TEM zeigte kugelförmige Partikel von 98,2 ± 6,8 nm (LPM) und 114,7 ± 3,7 nm (CLPM). Das Zetapotenzial verschob sich nach der Beschichtung von +4,3 mV auf −12,6 mV, und FTIR, XPS und Elementkartierung bestätigten die Mg2+-Koordination. Der PPS-Block ist oxidationsempfindlich: Bei hohen ROS-Werten wandelt er sich von hydrophob zu hydrophil, wodurch sich das Partikel auflöst, Mg2+ und L-Arginin freisetzt und ROS verbraucht.

In kultivierten gealterten LepR+ Zellen zeigte CLPM bei 50 μM über 72 Stunden keine Zytotoxizität und wurde stärker aufgenommen als unbeschichtetes LPM. Behandelte Zellen hatten mehr NO und Mg2+ und weniger ROS. Sie zeigten weniger SA-β-Gal+ Zellen, eine verringerte Expression von P21, PPARγ und FABP4, wiederhergestelltes OSX und OCN, eine stärkere ALP- und Alizarinrot-Färbung und weniger Lipidfärbung mit Oil Red O. CLPM war LPM überlegen, was den Nutzen des homologen Targetings stützt.

Bei gealterten Mäusen erhöhte die lokale Injektion von CLPM ins Knochenmark im Vergleich zu PBS den Knochenvolumenanteil, die Trabekelzahl und die Trabekeldicke und verringerte den Trabekelabstand (n = 5). Sie reduzierte LepR+P21+ Zellen und Adipozyten im Knochenmark und erhöhte CD31, VEGF-C, LYVE1, NGF und TUBB3, was auf eine Erholung der Blutgefäße, Lymphgefäße und Nerven hinweist. Die großen Organe zeigten keine histopathologischen Auffälligkeiten. Die RNA-seq (n = 3) zeigte unterdrückte Signalwege für Seneszenz, Zellzyklus und p53. In vivo stiegen NO und Mg2+, und die Signaturen der ROS-Antwort sanken. Die Zugabe von L-NAME (NO-Inhibitor), EDTA-OH (Mg2+-Depletion) oder Rotenon (ROS-Induktor) hob den Nutzen wieder auf, was die Abhängigkeit von allen drei Teilen des Kreislaufs stützt.

Die Arbeit ist präklinisch. Es wurde nur die lokale Injektion getestet, daher sind systemische Pharmakokinetik, Biodistribution, Immunogenität, Off-Target-Effekte und Langzeitsicherheit unbekannt. Eine Validierung in anderen Alterungsmodellen und an Großtieren ist erforderlich. Mehrere Experimente verwendeten n = 3, und der NO/Mg2+/ROS-Kreislauf wird teilweise aus Transkriptomdaten abgeleitet.