stringtranslate.com

Остеоцит

Остеоцит , костная клетка сплюснутой формы с дендритными отростками, является наиболее часто встречающейся клеткой в ​​зрелой кости. Он может жить столько же, сколько сам организм. [1] В организме взрослого человека их около 42 миллиардов. [2] Остеоциты не делятся и имеют средний период полураспада 25 лет. Они происходят из остеопрогениторных клеток, некоторые из которых дифференцируются в активные остеобласты (которые в дальнейшем могут дифференцироваться в остеоциты). [1] Остеобласты/остеоциты развиваются в мезенхиме .

В зрелых костях остеоциты и их отростки располагаются внутри пространств, называемых лакунами ( от латинского «ямка» ) и канальцами соответственно. [1] Остеоциты — это просто остеобласты, попавшие в матрикс, который они секретируют. Они связаны друг с другом длинными цитоплазматическими расширениями, которые занимают крошечные каналы, называемые канальцами, которые используются для обмена питательными веществами и отходами через щелевые соединения .

Хотя остеоциты обладают пониженной синтетической активностью и (как и остеобласты) не способны к митотическому делению, они активно участвуют в рутинном обмене костного матрикса посредством различных механосенсорных механизмов. Они разрушают кость посредством быстрого, преходящего (по отношению к остеокластам ) механизма, называемого остеоцитарным остеолизом . Гидроксиапатит , карбонат кальция и фосфат кальция откладываются вокруг клетки.

Состав

Остеоциты имеют звездчатую форму, примерно 7 микрометров в глубину, ширину и 15 микрометров в длину. [3] Размер тела клетки варьируется от 5–20 микрометров в диаметре и содержит 40–60 клеточных отростков на клетку, [4] с расстоянием между клетками 20–30 микрометров. [3] Зрелый остеоцит содержит одно ядро, расположенное с сосудистой стороны и имеющее одно или два ядрышка и мембрану. [5] Клетка также демонстрирует уменьшенный размер эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи и митохондрий, а также клеточные отростки, которые в основном расходятся к поверхности кости в окружных пластинках или к гаверсову каналу и внешней цементной линии, типичной для остеонов в концентрической пластинчатой ​​кости. [5] Остеоциты образуют обширную лакуноканаликулярную сеть внутри минерализованного матрикса коллагена I типа, с клеточными телами, расположенными внутри лакун, и клеточными/дендритными отростками внутри каналов, называемых канальцами. [6]

Остеоцит в кости крысы, обнаженный при травлении отливкой из смолы

Разработка

Летопись окаменелостей показывает, что остеоциты присутствовали в костях бесчелюстных рыб 400–250 миллионов лет назад. [7] Было показано, что размер остеоцитов зависит от размера генома; и эта связь использовалась в палеогеномных исследованиях. [8]

Во время формирования кости остеобласт остается и погружается в костный матрикс как «остеоидный остеоцит», который поддерживает контакт с другими остеобластами посредством расширенных клеточных процессов. [9] Процесс остеоцитогенеза в значительной степени неизвестен, но было показано, что следующие молекулы играют решающую роль в производстве здоровых остеоцитов, либо в правильном количестве, либо в определенном распределении: матриксные металлопротеиназы (MMP), белок матрикса дентина 1 (DMP). -1), фактор остеобластов/остеоцитов 45 (OF45), Klotho , фактор, индуцируемый TGF-бета (TIEG), лизофосфатидная кислота (LPA), антиген E11 и кислород. [6] 10–20% остеобластов дифференцируются в остеоциты. [6] Те остеобласты на поверхности кости, которые предназначены для захоронения в виде остеоцитов, замедляют выработку матрикса и хоронятся соседними остеобластами, которые продолжают активно производить матрикс. [10]

Электронное изображение HAADF-STEM созревающего остеоцита (преостеоцита или остеоидного остеоцита) на поверхности кости, появляющегося непосредственно над остеобластоподобными клетками-предшественниками (декальцинированный матрикс). Обратите внимание на удлиненные клеточные отростки, окруженные матриксом коллагена I типа и уже пересекающие границы пластинок, поскольку коллаген (и, в конечном итоге, минерал) продолжает погребать клетку.

Палумбо и др. (1990) различают три типа клеток от остеобласта до зрелого остеоцита: преостеоцит I типа (остеобластический остеоцит), преостеоцит типа II (остеоидный остеоцит) и преостеоцит типа III (частично окруженный минеральным матриксом). [10] Внедренный «остеоид-остеоцит» должен выполнять одновременно две функции: регулировать минерализацию и формировать соединительно-дендритные отростки, что требует расщепления коллагена и других молекул матрикса. [11] Трансформация подвижного остеобласта в захваченный остеоцит занимает около трех дней, и за это время клетка производит объем внеклеточного матрикса, в три раза превышающий собственный клеточный объем, что приводит к уменьшению объема тела зрелого остеоцита на 70% по сравнению с до исходного объема остеобластов. [12] Клетка претерпевает драматическую трансформацию от многоугольной формы к клетке, которая расширяет дендриты к фронту минерализации, за которыми следуют дендриты, которые распространяются либо на сосудистое пространство, либо на поверхность кости. [11] Когда остеобласт превращается в остеоцит, уровень щелочной фосфатазы снижается, а казеинкиназа II повышается, как и остеокальцин . [11]

Остеоциты, по-видимому, обогащены белками, устойчивыми к гипоксии, что, по-видимому, связано с их встроенным расположением и ограниченным снабжением кислородом. [13] Напряжение кислорода может регулировать дифференцировку остеобластов в остеоциты, а гипоксия остеоцитов может играть роль в резорбции кости, опосредованной неиспользованием. [13]

Функция

Хотя остеоциты являются относительно инертными клетками, они способны к молекулярному синтезу и модификации, а также к передаче сигналов на большие расстояния аналогично нервной системе. [6] Это наиболее распространенный тип клеток в костях (от 31 900 на кубический миллиметр в костях крупного рогатого скота до 93 200 на кубический миллиметр в костях крыс). [6] Большинство рецепторных активностей, которые играют важную роль в функционировании костей, присутствуют в зрелых остеоцитах. [6]

Остеоциты являются важным регулятором костной массы. [14] [15] Остеоциты содержат транспортеры глутамата, которые производят факторы роста нервов после перелома кости, что свидетельствует о наличии системы восприятия и передачи информации. [6] Когда остеоциты были экспериментально разрушены, в костях наблюдалось значительное увеличение резорбции кости, снижение костеобразования, потеря трабекулярной кости и потеря реакции на разгрузку. [6]

Остеоциты представляют собой механосенсорные клетки, которые контролируют активность остеобластов и остеокластов [15] в составе базовой многоклеточной единицы (БМЕ), временной анатомической структуры, в которой происходит ремоделирование кости. [16] Остеоциты генерируют ингибирующий сигнал, который передается через их клеточные отростки к остеобластам для рекрутирования, обеспечивающего формирование кости. [17]

Остеоциты также являются ключевым эндокринным регулятором метаболизма минералов, таких как фосфаты. [14] Было показано, что специфичные для остеоцитов белки, такие как склеростин, участвуют в минеральном обмене, а также другие молекулы, такие как PHEX , DMP-1 , MEPE и FGF-23 , которые высоко экспрессируются остеоцитами и регулируют фосфат и биоминерализацию. . [11] [15] Регуляция остеоцитов может быть связана с заболеванием. Например, Линда Боневальд определила, что остеоциты вырабатывают FGF23, который проходит через кровоток и запускает высвобождение фосфора почками. Без достаточного количества фосфора кости и зубы размягчаются, а мышцы становятся слабыми, как при Х-сцепленной гипофосфатемии . [14] [18] [15] [13]

Склеростин

Остеоциты синтезируют склеростин , секретируемый белок, который ингибирует образование кости путем связывания с корецепторами LRP5/LRP6 и притупления передачи сигналов Wnt. [15] [7] Склеростин, продукт гена SOST , является первым медиатором связи между остеоцитами, костеобразующими остеобластами и остеокластами, резорбирующими кость, что имеет решающее значение для ремоделирования кости. [19] Только остеоциты экспрессируют склеростин, который паракринным образом ингибирует образование кости. [19] Склеростин ингибируется паратиреоидным гормоном (ПТГ) и механической нагрузкой. [19] Склеростин противодействует активности BMP (костного морфогенетического белка), цитокина, который индуцирует образование костей и хрящей. [16]

Патофизиология

Остеонекроз относится к классической модели гибели клеток и сложным процессам остеогенеза и резорбции кости. Некроз остеоцитов (ОН) начинается с некроза гематопоэтических и адипоцитарных клеток наряду с интерстициальным отеком костного мозга. Включение происходит примерно через 2–3 часа аноксии; гистологические признаки остеоцитарного некроза появляются только через 24–72 часа после гипоксии. НА сначала характеризуется пикнозом ядер, за которым следуют полые лакуны остеоцитов. По периферии участка некроза незначительно происходит капиллярная реваскуляризация и реактивная гиперемия, после чего следует процесс репарации, сочетающий в себе как резорбцию, так и продукцию кости, не полностью заменяющую мертвую кость живой. Новая кость накладывается на мертвые трабекулы вместе с фрагментарной резорбцией мертвой кости. Резорбция кости превосходит образование, что приводит к полному удалению кости, нарушению структурной целостности субхондральных трабекул, неконгруэнтности суставов и субхондральным переломам. [20]

Клиническое значение

Описано клинически важное исследование 3D-модели на основе геля in vitro для оценки остеоцитарного потенциала стволовых клеток CD34 + человека. Результаты подтверждают, что стволовые клетки CD34+ человека обладают уникальным потенциалом остеогенной дифференцировки и могут использоваться для ранней регенерации поврежденной кости. [21] Остеоциты умирают в результате старения , дегенерации/некроза, апоптоза (запрограммированной гибели клеток) и/или остеокластического поглощения. [1] Процент мертвых остеоцитов в кости увеличивается с возрастом от менее 1% при рождении до 75% после 80 лет. [22] Считается, что апоптоз остеоцитов связан со снижением механотрансдукции, что, возможно, приводит к развитию остеопороза . [23] Апоптотические остеоциты высвобождают апоптотические тельца, экспрессирующие RANKL, для рекрутирования остеокластов. [11]

Механическая нагрузка увеличивает жизнеспособность остеоцитов in vitro и способствует транспорту растворенных веществ через лакуно-каналикулярную систему в кости, что улучшает обмен кислорода и питательных веществ и диффузию к остеоцитам. [23] Было показано, что разгрузка скелета вызывает гипоксию остеоцитов in vivo , когда остеоциты подвергаются апоптозу и рекрутируют остеокласты для резорбции кости. [23] Микроповреждения кости возникают в результате повторяющихся циклических нагрузок и, по-видимому, связаны с гибелью остеоцитов в результате апоптоза, который, по-видимому, секретирует сигнал остеокластам для выполнения ремоделирования в поврежденном участке. [23] В нормальных условиях остеоциты экспрессируют большое количество TGF-β и, таким образом, подавляют резорбцию кости, но когда кость стареет, уровни экспрессии TGF-β снижаются, а экспрессия факторов, стимулирующих остеокласты, таких как RANKL и M, снижается. - Увеличивается СМЖ , затем усиливается резорбция кости, что приводит к общей потере костной массы. [23]

Механическая стимуляция остеоцитов приводит к открытию полуканалов для высвобождения PGE2 и АТФ, среди других биохимических сигнальных молекул, которые играют решающую роль в поддержании баланса между образованием и резорбцией кости. [24] Гибель остеоцитов может происходить в связи с патологическими состояниями, такими как остеопороз и остеоартрит , что приводит к повышенной хрупкости скелета, связанной с потерей способности ощущать микроповреждения и/или восстанавливать сигналы. [11] [25] Было показано, что кислородное голодание, возникающее в результате иммобилизации (постельного режима), лечения глюкокортикоидами и прекращения поступления кислорода, способствует апоптозу остеоцитов. [11] В настоящее время признано, что остеоциты по-разному реагируют на присутствие биоматериалов имплантата. [26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcd Тейт, ML; Адамсон-младший; Тами, А.Е.; Бауэр, Т.В. (2004). «Клетки в фокусе, остеоциты». Международный журнал биохимии и клеточной биологии . 36 (1): 1–8. дои : 10.1016/S1357-2725(03)00241-3. ПМИД  14592527.
  2. ^ Буэнцли, Паскаль Р.; Симс, Натали А. (01 июня 2015 г.). «Количественная оценка сети остеоцитов в скелете человека». Кость . 75 : 144–150. дои : 10.1016/j.bone.2015.02.016. ISSN  1873-2763. ПМИД  25708054.
  3. ^ аб Сугавара, Ю; Камиока, Х; Хондзё, Т; Тезука, К; Такано-Ямамото, Т. (2005). «Трехмерная реконструкция остеоцитов черепа кур и их клеточных отростков с использованием конфокальной микроскопии». Кость . 36 (5): 877–83. дои : 10.1016/j.bone.2004.10.008. ПМИД  15820146.
  4. ^ Танака-амиока, К; Камиока, Х; Рис, Х; Лим, СС (1998). «Форма остеоцитов зависит от актиновых нитей, а отростки остеоцитов представляют собой уникальные богатые актином отростки». Дж. Боун Майнер. Рез . 13 (10): 1555–68. дои : 10.1359/jbmr.1998.13.10.1555 . PMID  9783544. S2CID  5972946.
  5. ^ Аб Дадли, HR; Спиро, Д. (1961). «Тонкая структура костных клеток». Журнал биофизической и биохимической цитологии . 11 (3): 627–649. дои : 10.1083/jcb.11.3.627. ПМК 2225143 . ПМИД  19866598. 
  6. ^ abcdefgh Ноубл, SN (2008). «Линия остеоцитов». Архив биохимии и биофизики . 473 (2): 106–111. дои : 10.1016/j.abb.2008.04.009. ПМИД  18424256.
  7. ^ аб Дивиети Паевич, П (2009). «Регуляция резорбции кости и минерального гомеостаза остеоцитами». IBMS BoneKey . 6 (2): 63–70. дои : 10.1138/20090363.
  8. ^ Орган, CL; Шедлок, AM; Мид, А.; Пейджел, М.; Эдвардс, С.В. (2007). «Происхождение размера и структуры птичьего генома у нептичьих динозавров». Природа . 446 (7132): 180–184. Бибкод : 2007Natur.446..180O. дои : 10.1038/nature05621. PMID  17344851. S2CID  3031794.
  9. ^ Палумбо, Карла; Палаццини, Сильвана; Заффе, Давиде; Маротти, Гастоне (1990). «Дифференцировка остеоцитов большеберцовой кости новорожденного кролика: ультраструктурное исследование формирования цитоплазматических процессов». Клетки Ткани Органы . 137 (4): 350–358. дои : 10.1159/000146907. ПМИД  2368590.
  10. ^ аб Франц-Одендал, Т; Холл, Б; Виттен, ЧП (2006). «Похороненные заживо: как остеобласты становятся остеоцитами». Динамика развития . 235 (1): 176–190. дои : 10.1002/dvdy.20603 . PMID  16258960. S2CID  42563087.
  11. ^ abcdefg Боневальд, Л. (2011). «Удивительный остеоцит». Журнал исследований костей и минералов . 26 (2): 229–238. дои : 10.1002/jbmr.320. ПМК 3179345 . ПМИД  21254230. 
  12. ^ Палумбо, К. (1986). «Трехмерное ультраструктурное исследование остеоид-остеоцитов большеберцовой кости куриных эмбрионов». Исследования клеток и тканей . 246 (1): 125–131. дои : 10.1007/bf00219008. PMID  3779795. S2CID  12594545.
  13. ^ abc Даллас, СЛ; Боневальд, Л. (2010). «Динамика перехода от остеобласта к остеоциту». Энн, Нью-Йоркская академия наук . 1192 (1): 437–443. Бибкод : 2010NYASA1192..437D. дои : 10.1111/j.1749-6632.2009.05246.x. ПМЦ 2981593 . ПМИД  20392270. 
  14. ↑ abc Dance, Эмбер (23 февраля 2022 г.). «Забавные факты о костях: больше, чем просто строительные леса». Знающий журнал . дои : 10.1146/knowable-022222-1 . Проверено 8 марта 2022 г.
  15. ^ abcde Роблинг, Александр Г.; Боневальд, Линда Ф. (10 февраля 2020 г.). «Остеоцит: новые идеи». Ежегодный обзор физиологии . 82 (1): 485–506. doi : 10.1146/annurev-psyol-021119-034332. hdl : 1805/30982. ISSN  0066-4278. ПМЦ 8274561 . ПМИД  32040934 . Проверено 8 марта 2022 г. 
  16. ^ аб побежал Безойен Рл, Ран; Папапулос, SE; Хамди, Северная Каролина; тен Дейке, П; Ловик, К. (2005). «Контроль костеобразования остеоцитами». BoneKEy-Остеовидение . 2 (12): 33–38.
  17. ^ Маротти, Дж; Ферретти, М; Маглия, Массачусетс; Палумбо, К; Палаццани, SA (1992). «Количественная оценка взаимоотношений остеобластов и остеоцитов на растущей эндостальной поверхности голеней кролика». Кость . 13 (5): 363–368. дои : 10.1016/8756-3282(92)90452-3. ПМИД  1419377.
  18. ^ «Мягкие и слабые кости? Слышали ли вы о Х-сцепленной гипофосфатемии (XLH)? Узнайте больше об этом заболевании и его симптомах» . XLHСсылка . Проверено 9 марта 2022 г.
  19. ^ abc Беллидо, Т (2007). «Апоптоз остеоцитов вызывает резорбцию кости и ухудшает реакцию скелета на невесомость». BoneKEy-Остеовидение . 4 (9): 252–256. дои : 10.1138/20070272.
  20. ^ Нахайан, Ахмед; АлЭсса, Ахмед М. (2021), «Гистология, остеоциты», StatPearls , Остров сокровищ (Флорида): StatPearls Publishing, PMID  32644416 , получено 24 июня 2021 г.
  21. ^ Шрикант, Локанатан; Сунита, Манне Мудху; Кумар, Пасупулети Сантош; Чандрасекхар, Чодимелла; Венгамма, Бхума; Сарма, Потукучи Венката Гурунадха Кришна (ноябрь 2016 г.). «3D-модель in vitro на основе геля, исследующая остеоцитарный потенциал стволовых клеток CD34 + человека». Отчеты по молекулярной биологии . 43 (11): 1233–1242. дои : 10.1007/s11033-016-4053-4. ISSN  1573-4978. PMID  27497820. S2CID  13230517.
  22. ^ Томкинсон, А; Рив, Дж; Шоу, RW; Благородный, Б.С. (1997). «Гибель остеоцитов в результате апоптоза сопровождает вывод эстрогена в костях человека». Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 82 (9): 3128–3135. дои : 10.1210/jcem.82.9.4200 . ПМИД  9284757.
  23. ^ abcde Хейно, Ти Джей; Курата, К; Хигаки, Х; Ваананен, К (2009). «Доказательства роли остеоцитов в инициировании целевого ремоделирования». Технологии и здравоохранение . 17 (1): 49–56. дои : 10.3233/THC-2009-0534. ПМИД  19478405.
  24. ^ Бурра, С; Николелла, ДП; Цзян, JX (2011). «Темная лошадка в биологии остеоцитов». Коммуникативная и интегративная биология . 4 (1): 48–50. дои : 10.4161/cib.13646. ПМК 3073269 . ПМИД  21509177. 
  25. ^ Карпентье, ВТ; Вонг, Дж; Да, Да; Ган, К; Саттон-Смит, П; Бадей, А; Фацзалари, Нидерланды; Куливаба, Дж. С. (2012). «Увеличенная доля гиперминерализованных лакун остеоцитов в трабекулярной кости человека при остеопорозе и остеоартрите: значение для ремоделирования кости». Кость . 50 (3): 688–694. дои : 10.1016/j.bone.2011.11.021. ПМИД  22173055.
  26. ^ Шах, ФА; Томсен, П.; Палмквист, А. (4 июня 2018 г.). «Обзор воздействия имплантационных биоматериалов на остеоциты». Журнал стоматологических исследований . 97 (9): 977–986. дои : 10.1177/0022034518778033. ПМК 6055115 . ПМИД  29863948. 

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме остеоцитов .