SIRT1-Aktivierung kehrt altersbedingten Knochenschwund um, indem sie die Funktion von Blutgefäßen und Stammzellen neu startet
SIRT1 fördert sowohl die Bildung von Blutgefäßen als auch die Knochenregeneration in gealtertem Gewebe und bietet damit eine gezielte Strategie gegen die Osteoporose im Alter.
Zusammenfassung
Knochen werden im Alter schwächer, und das gilt auch für die winzigen Blutgefäße, die knochenbildende Zellen versorgen. In dieser Studie an Mäusen und Zellkulturen zeigte sich, dass die Spiegel von SIRT1, einem Enzym, das mit der zellulären Stressresistenz zusammenhängt, im Knochen mit dem Alter sinken. Wurden alten männlichen Mäusen acht Wochen lang ein SIRT1-aktivierender Wirkstoff (SRT1720) verabreicht, nahm die Zahl spezialisierter Blutgefäße im Knochen zu, und die Knochenstruktur verbesserte sich. Eine Blockade von SIRT1 verschlechterte die Befunde. Der Wirkstoff beschleunigte außerdem die Heilung chirurgisch erzeugter Knochendefekte im Oberschenkelknochen und im Kiefer. Laborexperimente deuten darauf hin, dass SIRT1 wirkt, indem es β-Catenin chemisch modifiziert, ein Protein, das den Wnt-Signalweg einschaltet, der sowohl die Knochenbildung als auch das Wachstum von Blutgefäßen unterstützt. Die Ergebnisse sind präklinisch und müssen an weiblichen Tieren und am Menschen überprüft werden.
Detaillierte Zusammenfassung
Osteoporose und verzögerte Frakturheilung gehören zu den kostspieligsten Folgen des Alterns und erhöhen bei älteren Erwachsenen das Risiko für Knochenbrüche, Behinderung und Tod. Knochen ist stark durchblutet, und ein spezialisierter Kapillar-Subtyp, die sogenannten Typ-H-Gefäße (CD31-hoch, Endomucin-hoch), liegt in der Nähe knochenbildender Zonen und unterstützt Osteoprogenitorzellen. Diese Gefäße nehmen mit dem Alter ab, ebenso wie SIRT1, eine NAD+-abhängige Deacetylase, die mit Stressresistenz und der Kontrolle der Seneszenz in Verbindung gebracht wird. Diese Studie ging der Frage nach, ob die Wiederherstellung von SIRT1 sowohl die Gefäßseite als auch die knochenbildende Seite des gealterten Knochens reparieren kann.
Die Forschenden kartierten zunächst die Skelettalterung bei Mäusen. Die Mikro-CT zeigte, dass gealterte Mäuse Knochen im Femur verloren: mit geringerem Knochenvolumenanteil, weniger und dünneren Trabekeln sowie größerem Trabekelabstand als junge Kontrolltiere. Tibia und Unterkiefer zeigten ähnliche Muster. Die Färbung seneszenter Zellen nahm mit dem Alter zu, während die Dichte der Typ-H-Gefäße sowie die Spiegel von SIRT1 und β-Catenin fortschreitend sanken. Achtzehn Monate alten männlichen Mäusen (n=5 pro Gruppe) wurden anschließend acht Wochen lang per Injektion der SIRT1-Aktivator SRT1720 oder der Inhibitor EX527 verabreicht.
Bei den behandelten gealterten Mäusen erhöhte SRT1720 die Zahl der Typ-H-Gefäße und der sie umgebenden RUNX2-positiven Osteoprogenitoren. Es verbesserte zudem Trabekelzahl, Trabekeldicke und Knochenvolumenanteil und verringerte den Trabekelabstand. EX527 bewirkte das Gegenteil und verschlechterte sowohl den Knochenverlust als auch die Gefäßdichte. In der Zellkultur verloren durch Wasserstoffperoxid seneszent gemachte Stammzellen des Knochenmarks (BMSCs) und humane Nabelschnurvenen-Endothelzellen (HUVECs) ihre Mineralisierungs- und Röhrenbildungsfähigkeit. SRT1720 stellte die Aktivität der alkalischen Phosphatase, die Calciumablagerung, RUNX2, die Zellmigration und kapillarähnliche Netzwerke wieder her, während EX527 sie unterdrückte. Die Ergebnisse bestätigten sich in replikativ seneszenten BMSCs (Passage 8).
Experimente mit konditioniertem Medium deuteten auf eine wechselseitige Kommunikation zwischen den beiden Zelltypen hin. Mit SRT1720 behandelte seneszente Endothelzellen setzten mehr TGF-β frei, was die osteogene Differenzierung förderte. Behandelte BMSCs sezernierten mehr SLIT3, einen Förderer der Typ-H-Gefäße, wodurch Endothelzellmigration und Röhrenbildung verstärkt wurden. Die RNA-Sequenzierung wies auf eine Dysregulation des Wnt-Signalwegs in gealterten Endothelzellen hin. Die SIRT1-Aktivierung erhöhte β-Catenin-mRNA und -Protein, förderte dessen Anreicherung im Zellkern, band in der Co-Immunpräzipitation an β-Catenin und verringerte dessen Acetylierung. Das Herunterregulieren von Ctnnb1 mittels siRNA schwächte die Vorteile von SRT1720 ab, einschließlich der Sekretion von TGF-β und SLIT3.
Bei chirurgisch erzeugten Femurdefekten in gealterten Mäusen (n=5 pro Gruppe) verbesserte SRT1720 die Neubildung von Knochen nach zwei Wochen. Es führte außerdem zu einer besseren Kollagenorganisation und Mineralablagerung, mehr Typ-H-Gefäßen, mehr RUNX2+/ALP+-Osteoprogenitoren sowie höheren Spiegeln von Osteopontin und HIF-1α. EX527 beeinträchtigte die Heilung. Der Wnt-Aktivator CHIR-99021 milderte den durch EX527 verursachten Schaden teilweise, während der Wnt-Inhibitor XAV-939 den Nutzen von SRT1720 verringerte. Unterkieferdefekte sprachen ähnlich an, und die großen Organe zeigten keine histopathologischen Auffälligkeiten.
Dies sind präklinische Befunde, ein Nutzen beim Menschen ist daher nicht belegt. Es wurden nur männliche Mäuse verwendet, es erfolgte keine biomechanische Festigkeitsprüfung, und die systemische Dosierung lässt nicht erkennen, welcher Zelltyp den Effekt vermittelt. Assays mit konditioniertem Medium können direkten Zellkontakt nicht abbilden, und bei den Ctnnb1-Experimenten fehlte ein genetisches Rescue-Experiment. Dennoch verknüpft die Studie den Rückgang von SIRT1 mit einer koordinierten Verschlechterung von Gefäßen und Knochen und bietet einen überprüfbaren Ansatz, um gealterten Knochen gezielt zu behandeln.
Wichtigste Erkenntnisse
- Aged mice showed lower femoral bone volume fraction, fewer and thinner trabeculae and wider trabecular spacing than young mice, with similar patterns in tibia and mandible
- SIRT1, β-catenin and type H (CD31hi/EMCNhi) vessel density all declined progressively with age in bone
- Eight weeks of SRT1720 in 18-month-old male mice (n=5/group) raised type H vessels and RUNX2+ osteoprogenitors and improved bone volume fraction, trabecular number and thickness
- The SIRT1 inhibitor EX527 worsened bone loss and reduced type H vessel density in aged mice
- In senescent BMSCs and HUVECs, SRT1720 restored ALP activity, mineralization, migration and tube formation, and EX527 suppressed them
- SIRT1 bound β-catenin, reduced its acetylation and increased its nuclear translocation; Ctnnb1 knockdown blunted SRT1720's effects and TGF-β/SLIT3 secretion
- In femoral and mandibular defects, SRT1720 enhanced healing; CHIR-99021 partly rescued EX527's damage and XAV-939 reduced SRT1720's benefit
Methodik
Die Studie kombinierte natürlich gealterte Mäuse (18 Monate alte Männchen, n=5 pro Gruppe), Zellkulturmodelle der Seneszenz (H2O2-induzierte und replikative Seneszenz in BMSCs und HUVECs) sowie chirurgisch angelegte Knochendefekte am Femur und an der Mandibula. Als Interventionen dienten der SIRT1-Aktivator SRT1720, der Inhibitor EX527, der Wnt-Aktivator CHIR-99021 und der Wnt-Inhibitor XAV-939 sowie ein Knockdown von Ctnnb1 mittels siRNA. Zu den Auswertungsverfahren zählten Mikro-CT, Histologie, Immunfluoreszenz, qRT-PCR, Western Blot, ELISA, RNA-seq, Co-Immunpräzipitation und Acetylierungsassays. Die Daten wurden mittels einfaktorieller ANOVA mit Tukey-Post-hoc-Test analysiert, wobei pro Assay 3–4 unabhängige In-vitro-Experimente durchgeführt wurden.
Studienlimitierungen
Alle In-vivo-Experimente wurden ausschließlich an männlichen Mäusen durchgeführt, sodass die Übertragbarkeit auf die weibliche Physiologie unbekannt ist; zudem wurde die Knochenregeneration nicht biomechanisch getestet. Konditioniertes-Medium-Assays können den direkten Zellkontakt nicht abbilden, die systemische Gabe von SRT1720 erlaubt keine Aussage darüber, welcher Zelltyp den Effekt vermittelt, und beim Ctnnb1-Knockdown fehlte ein genetisches Rescue-Experiment. In-vitro-Seneszenzmodelle bilden das chronologische Altern nicht vollständig ab, und die spezifischen acetylierten Lysinreste wurden nicht kartiert.
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