Un nanoreattore interrompe il ciclo della senescenza nelle cellule del midollo osseo invecchiate e ripristina l'osso nei topi anziani

L'invecchiamento del midollo osseo favorisce l'osteoporosi, l'accumulo di grasso midollare e la perdita della capacità rigenerativa. Le cellule positive per il recettore della leptina (LepR+) sono una popolazione centrale di cellule staminali/progenitrici scheletriche che produce osso e secerne fattori a supporto di vasi sanguigni, vasi linfatici e nervi. Quando queste cellule diventano senescenti con l'età, l'intera nicchia midollare si deteriora. Ciò che determina realmente la loro senescenza non è ancora chiaro, e questo ha limitato lo sviluppo di interventi mirati.

Gli autori hanno prima analizzato un dataset di RNA-seq esistente (CRA025008) che confronta cellule LepR+ di topi giovani e anziani. Le cellule anziane mostravano un arricchimento dei pathway della senescenza cellulare e del metabolismo delle ROS, insieme a una downregolazione della biosintesi dell'ossido nitrico e a un'omeostasi alterata degli ioni magnesio. Le sezioni di midollo mostravano più cellule P21+LepR+ e IL-6+LepR+ nei topi anziani (n = 5). Da qui hanno ipotizzato un circolo vizioso: l'invecchiamento riduce l'NO, che diminuisce l'afflusso di Mg2+, che aumenta la fuga di elettroni mitocondriali e le ROS, che a sua volta favorisce ulteriore senescenza.

Per interrompere il circolo, hanno costruito un nanoreattore. La L-arginina è stata associata all'oleato e caricata in nanoparticelle polimeriche di mPEG-b-PPS, quindi reticolata con Mg2+ (LPM). Il rivestimento con membrane di cellule LepR+ senescenti ha prodotto CLPM. La TEM ha mostrato particelle sferiche di 98,2 ± 6,8 nm (LPM) e 114,7 ± 3,7 nm (CLPM). Il potenziale zeta è passato da +4,3 mV a −12,6 mV dopo il rivestimento, e FTIR, XPS e mappatura elementare hanno confermato la coordinazione dell'Mg2+. Il blocco PPS è sensibile all'ossidazione: in presenza di ROS elevate passa da idrofobico a idrofilico, provocando il disassemblaggio della particella, il rilascio di Mg2+ e L-arginina e il consumo di ROS.

In cellule LepR+ anziane in coltura, CLPM a 50 μM non ha mostrato citotossicità nell'arco di 72 ore ed è stato captato più dell'LPM non rivestito. Le cellule trattate avevano più NO e Mg2+ e meno ROS. Mostravano meno cellule SA-β-Gal+, un'espressione ridotta di P21, PPARγ e FABP4, un ripristino di OSX e OCN, una colorazione più intensa per ALP e alizarina rossa e una minore colorazione dei lipidi con Oil Red O. CLPM ha superato LPM, a sostegno del valore del targeting omologo.

Nei topi anziani, CLPM somministrato localmente nel midollo osseo ha aumentato la frazione di volume osseo, il numero e lo spessore delle trabecole e ha ridotto la separazione trabecolare rispetto al PBS (n = 5). Ha ridotto le cellule LepR+P21+ e gli adipociti midollari e ha aumentato CD31, VEGF-C, LYVE1, NGF e TUBB3, indicando un recupero vascolare, linfatico e neurale. Gli organi principali non hanno mostrato alterazioni istopatologiche. L'RNA-seq (n = 3) ha mostrato una soppressione dei pathway della senescenza, del ciclo cellulare e di p53. In vivo, NO e Mg2+ sono aumentati e le firme di risposta alle ROS sono diminuite. L'aggiunta di L-NAME (inibitore dell'NO), EDTA-OH (deplezione di Mg2+) o rotenone (induttore di ROS) ha annullato il beneficio, a sostegno della dipendenza da tutti e tre i bracci del circolo.

Lo studio è preclinico. È stata testata solo l'iniezione locale, quindi farmacocinetica sistemica, biodistribuzione, immunogenicità, effetti off-target e sicurezza a lungo termine sono sconosciuti. Servono validazioni in altri modelli di invecchiamento e in animali di grossa taglia. Diversi esperimenti hanno usato n = 3 e il circolo NO/Mg2+/ROS è in parte dedotto dai dati trascrittomici.