Остеобласты (от греческого сочетания форм « кость », ὀστέο-, остео- и βλαστάνω, blastanō «прорастать») представляют собой клетки с одним ядром , синтезирующие кость . Однако в процессе формирования кости остеобласты функционируют группами связанных клеток. Отдельные клетки не могут образовывать кость. Группа организованных остеобластов вместе с костью, состоящая из единицы клеток, обычно называется остеоном .
Остеобласты представляют собой специализированные, терминально дифференцированные продукты мезенхимальных стволовых клеток . [1] Они синтезируют плотный сшитый коллаген и специализированные белки в гораздо меньших количествах, включая остеокальцин и остеопонтин , которые составляют органический матрикс кости.
В организованных группах разрозненных клеток остеобласты производят гидроксиапатит , костный минерал , который строго регулируемым образом откладывается в органическом матриксе, образуя прочную и плотную минерализованную ткань , минерализованный матрикс. Минерализованный скелет — основная опора тела воздуходышащих позвоночных . Это также важный склад минералов для физиологического гомеостаза , включая кислотно-щелочной баланс и поддержание кальция или фосфата . [2] [3]
Скелет — крупный орган, который формируется и деградирует на протяжении всей жизни у дышащих воздухом позвоночных. Скелет, часто называемый скелетной системой, важен как в качестве опорной структуры, так и для поддержания уровня кальция, фосфатов и кислотно-щелочного состояния во всем организме. [4] Функциональная часть кости, костный матрикс , полностью внеклеточная. Костный матрикс состоит из белка и минералов . Белок образует органический матрикс. Его синтезируют, а затем добавляют минерал. Подавляющее большинство органической матрицы состоит из коллагена , который обеспечивает прочность на разрыв . Матрица минерализована за счет отложения гидроксиапатита (альтернативное название гидроксиапатит). Этот минерал твердый и обеспечивает прочность на сжатие . Таким образом, коллаген и минерал вместе представляют собой композитный материал с превосходной прочностью на растяжение и сжатие, который может сгибаться под нагрузкой и восстанавливать свою форму без повреждений. Это называется упругой деформацией . Силы, превышающие способность кости вести себя упруго, могут вызвать разрушение, обычно переломы костей . [ нужна цитата ]
Кость — это динамичная ткань, которая постоянно преобразуется под действием остеобластов , которые производят и секретируют матриксные белки и транспортируют минералы в матрикс, и остеокластов , которые разрушают ткани.
Остеобласты являются основным клеточным компонентом кости. Остеобласты возникают из мезенхимальных стволовых клеток (МСК). МСК дают начало остеобластам, адипоцитам и миоцитам среди других типов клеток. Считается, что количество остеобластов обратно пропорционально количеству адипоцитов костного мозга, которые составляют жировую ткань костного мозга (ЖТ) . Остеобласты обнаруживаются в большом количестве в надкостнице , тонком слое соединительной ткани на внешней поверхности костей, и в эндосте .
В норме почти весь костный матрикс у позвоночных , дышащих воздухом , минерализован остеобластами. До того, как органический матрикс минерализуется, он называется остеоидом . Остеобласты, погребенные в матриксе, называются остеоцитами . Во время формирования кости поверхностный слой остеобластов состоит из кубических клеток, называемых активными остеобластами . Когда костеобразующая единица не активно синтезирует кость, поверхностные остеобласты уплощаются и называются неактивными остеобластами . Остеоциты остаются живыми и соединяются клеточными отростками с поверхностным слоем остеобластов. Остеоциты выполняют важные функции по поддержанию скелета.
Остеокласты представляют собой многоядерные клетки, происходящие из гемопоэтических предшественников в костном мозге, которые также дают начало моноцитам в периферической крови. [5] Остеокласты разрушают костную ткань и вместе с остеобластами и остеоцитами образуют структурные компоненты кости. В полости внутри костей находится множество других типов клеток костного мозга . Компоненты, необходимые для формирования кости остеобластов, включают мезенхимальные стволовые клетки (предшественники остеобластов) и кровеносные сосуды , которые доставляют кислород и питательные вещества для формирования кости. Кость представляет собой ткань с большим количеством сосудов, и активное образование клеток кровеносных сосудов, в том числе из мезенхимальных стволовых клеток, необходимо для поддержания метаболической активности кости. Баланс костеобразования и резорбции кости с возрастом имеет тенденцию становиться отрицательным, особенно у женщин в постменопаузе, [6] часто приводя к достаточно серьезной потере костной ткани, вызывающей переломы, что называется остеопорозом .
Кость формируется в результате одного из двух процессов: эндохондрального окостенения или внутримембранозного окостенения . Эндохондральная оссификация — это процесс образования кости из хряща, и это обычный метод. Эта форма развития кости является более сложной: она следует за формированием первого скелета хряща, состоящего из хондроцитов , который затем удаляется и заменяется костью, состоящей из остеобластов. Внутримембранозное окостенение — это прямое окостенение мезенхимы , происходящее при образовании мембранных костей черепа и других. [7]
Во время дифференцировки остеобластов развивающиеся клетки-предшественники экспрессируют регуляторный фактор транскрипции Cbfa1/Runx2 . Вторым необходимым фактором транскрипции является фактор транскрипции Sp7 . [8] Остеохондрогениторные клетки дифференцируются под влиянием факторов роста , хотя изолированные мезенхимальные стволовые клетки в тканевой культуре могут также образовывать остеобласты в пермиссивных условиях, включающих витамин С и субстраты для щелочной фосфатазы , ключевого фермента , обеспечивающего высокие концентрации фосфата в минерале. место отложения. [1]
Ключевые факторы роста в эндохондральной дифференцировке скелета включают костные морфогенетические белки (BMP), которые в значительной степени определяют, где происходит дифференцировка хондроцитов и где остаются пространства между костями. Система замещения хряща костью имеет сложную регуляторную систему. BMP2 также регулирует раннее формирование скелетного паттерна. Трансформирующий фактор роста бета (TGF-β) является частью суперсемейства белков, включающих BMP, которые обладают общими сигнальными элементами в сигнальном пути TGF-бета . TGF-β особенно важен для дифференцировки хряща , которая обычно предшествует формированию кости для эндохондрального окостенения. Дополнительным семейством основных регуляторных факторов являются факторы роста фибробластов (FGF), которые определяют расположение скелетных элементов по отношению к коже.
Многие другие регуляторные системы участвуют в переходе хряща в кость и поддержании костей. Особенно важным гормональным регулятором, направленным на кости, является паратиреоидный гормон (ПТГ). Паратиреоидный гормон представляет собой белок, вырабатываемый паращитовидной железой под контролем активности кальция в сыворотке крови. [3] ПТГ также выполняет важные системные функции, в том числе поддерживает почти постоянную концентрацию кальция в сыворотке независимо от потребления кальция. Увеличение потребления кальция с пищей приводит к незначительному увеличению содержания кальция в крови. Однако это не является существенным механизмом, поддерживающим образование кости остеобластами, за исключением случаев низкого содержания кальция в пище; кроме того, аномально высокий уровень кальция в пище повышает риск серьезных последствий для здоровья, не связанных напрямую с костной массой, включая сердечный приступ и инсульт . [9] Периодическая стимуляция ПТГ увеличивает активность остеобластов, хотя ПТГ является бифункциональным и опосредует деградацию костного матрикса при более высоких концентрациях.
Скелет также модифицируется для размножения и в ответ на пищевой и другой гормональный стресс; он реагирует на стероиды , включая эстроген и глюкокортикоиды , которые играют важную роль в регуляции репродукции и энергетического обмена. Обмен костной ткани предполагает значительные затраты энергии на синтез и деградацию, включая множество дополнительных сигналов, включая гормоны гипофиза . Двумя из них являются адренокортикотропный гормон (АКТГ) [10] и фолликулостимулирующий гормон . [11] Физиологическая роль реакций на эти и некоторые другие гликопротеиновые гормоны не до конца понятна, хотя вполне вероятно, что АКТГ является бифункциональным, как и ПТГ, поддерживая костеобразование периодическими выбросами АКТГ, но вызывая разрушение костей в больших концентрациях. . У мышей мутации, которые снижают эффективность выработки АКТГ-индуцированных глюкокортикоидов в надпочечниках, приводят к уплотнению скелета ( остеосклеротическая кость). [12] [13]
В хорошо сохранившейся кости, изученной при большом увеличении с помощью электронной микроскопии , показано, что отдельные остеобласты соединены плотными соединениями , которые предотвращают проход внеклеточной жидкости и, таким образом, создают костный отсек, отдельный от общей внеклеточной жидкости. [14] Остеобласты также соединены щелевыми соединениями — небольшими порами, соединяющими остеобласты, что позволяет клеткам одной группы функционировать как единое целое. [15] Щелевые соединения также соединяют более глубокие слои клеток с поверхностным слоем ( остеоциты , окруженные костью). Это было продемонстрировано непосредственно путем инъекции низкомолекулярных флуоресцентных красителей в остеобласты и демонстрации того, что краситель диффундирует в окружающие и более глубокие клетки костеобразующей единицы. [16] Кость состоит из множества таких единиц, которые разделены непроницаемыми зонами без клеточных связей, называемыми цементными линиями.
Почти весь органический (неминеральный) компонент кости представляет собой плотный коллаген типа I [17] , который образует плотные сшитые канаты, придающие кости прочность на растяжение. Благодаря механизмам, которые до сих пор неясны, остеобласты секретируют слои ориентированного коллагена, причем слои, параллельные длинной оси кости, чередуются со слоями, расположенными под прямым углом к длинной оси кости каждые несколько микрометров . Дефекты коллагена I типа вызывают наиболее распространенное наследственное заболевание костей, называемое несовершенным остеогенезом . [18]
Незначительные, но важные количества небольших белков, включая остеокальцин и остеопонтин , секретируются в органическом матриксе кости. [19] Остеокальцин не экспрессируется в значительных концентрациях, за исключением костей, и, таким образом, остеокальцин является специфическим маркером синтеза костного матрикса. [20] Эти белки связывают органические и минеральные компоненты костного матрикса. [21] Белки необходимы для максимальной прочности матрикса из-за их промежуточной локализации между минералом и коллагеном.
Однако у мышей, у которых экспрессия остеокальцина или остеопонтина была устранена путем целенаправленного разрушения соответствующих генов ( нокаутные мыши ), накопление минералов не было заметно затронуто, что указывает на то, что организация матрикса не имеет существенного отношения к транспорту минералов. [22] [23]
Примитивный скелет представляет собой хрящ , твердую бессосудистую (без кровеносных сосудов) ткань, в которой встречаются отдельные клетки, секретирующие хрящевой матрикс, или хондроциты . Хондроциты не имеют межклеточных связей и не координированы в единицы. Хрящ состоит из сети коллагена типа II, удерживаемой в натяжении водопоглощающими белками, гидрофильными протеогликанами . [24] Это скелет взрослой особи хрящевых рыб , таких как акулы . У более развитых классов животных он развивается как начальный скелет .
У дышащих воздухом позвоночных хрящ заменен ячеистой костью. Переходная ткань — минерализованный хрящ . Минерализация хряща осуществляется за счет массовой экспрессии ферментов, продуцирующих фосфат, которые вызывают высокие локальные концентрации кальция и фосфатов, которые выпадают в осадок. [24] Этот минерализованный хрящ не является плотным или прочным. У дышащих воздухом позвоночных он используется в качестве каркаса для формирования клеточной кости, образованной остеобластами, а затем удаляется остеокластами , специализирующимися на деградации минерализованной ткани.
Остеобласты производят усовершенствованный тип костного матрикса, состоящий из плотных кристаллов гидроксиапатита неправильной формы , упакованных вокруг коллагеновых канатиков. [25] Это прочный композитный материал, который позволяет придавать каркасу форму в основном в виде полых трубок. Преобразование длинных костей в трубки снижает вес, сохраняя при этом прочность.
Механизмы минерализации до конца не изучены. Флуоресцентные низкомолекулярные соединения, такие как тетрациклин или кальцеин , прочно связываются с минералами кости при кратковременном введении. Затем они накапливаются узкими полосами в новой кости. [26] Эти полосы проходят через смежную группу костеобразующих остеобластов. Они залегают на узком (субмикрометровом ) фронте минерализации. На большинстве костных поверхностей не наблюдается образования новой кости, поглощения тетрациклина и образования минералов. Это убедительно свидетельствует о том, что облегченный или активный транспорт , скоординированный в группе костеобразователей, участвует в формировании кости и что происходит только клеточно-опосредованное минеральное образование. То есть диетический кальций не создает минерал массовым действием.
Механизм образования минералов в кости явно отличается от филогенетически более древнего процесса минерализации хряща: тетрациклин маркирует минерализованный хрящ не в узких полосах или в определенных участках, а диффузно, что соответствует механизму пассивной минерализации. [25]
Остеобласты отделяют кость от внеклеточной жидкости посредством плотных соединений [14] посредством регулируемого транспорта. В отличие от хряща, фосфат и кальций не могут перемещаться внутрь или наружу путем пассивной диффузии, поскольку плотные соединения остеобластов изолируют пространство костеобразования. Кальций транспортируется через остеобласты путем облегченного транспорта (то есть с помощью пассивных транспортеров, которые не перекачивают кальций против градиента). [25] Напротив, фосфат активно вырабатывается за счет сочетания секреции фосфатсодержащих соединений, включая АТФ , и фосфатаз , которые расщепляют фосфат, создавая высокую концентрацию фосфата на фронте минерализации. Щелочная фосфатаза представляет собой мембраносвязанный белок, который является характерным маркером, экспрессируемым в больших количествах на апикальной (секреторной) поверхности активных остеобластов.
Задействован как минимум еще один регулируемый транспортный процесс. Стехиометрия костного минерала в основном представляет собой стехиометрию гидроксиапатита, осаждающегося из фосфата, кальция и воды при слегка щелочном pH : [27]
В закрытой системе по мере осаждения минералов накапливается кислота, быстро снижающая pH и останавливающая дальнейшее осаждение. Хрящ не представляет собой барьера для диффузии, поэтому кислота диффундирует, позволяя осаждению продолжаться. В остеоне, где матрикс отделен от внеклеточной жидкости плотными соединениями, этого произойти не может. В контролируемом, герметичном отсеке удаление H + приводит к осаждению в самых разных внеклеточных условиях, пока кальций и фосфат доступны в матриксном отсеке. [28] Механизм прохождения кислоты через барьерный слой остается неясным. Остеобласты обладают способностью обменивать Na + /H + через резервные обменники Na/H, NHE1 и NHE6. [29] Этот обмен H + является основным элементом удаления кислоты, хотя механизм, с помощью которого H + транспортируется из пространства матрикса в барьерный остеобласт, неизвестен.
При удалении кости механизм обратного транспорта использует кислоту, доставляемую в минерализованный матрикс, для перевода гидроксиапатита в раствор. [30]
Обратная связь от физической активности поддерживает костную массу, тогда как обратная связь от остеоцитов ограничивает размер костеобразующей единицы. [31] [32] [33] Важным дополнительным механизмом является секреция остеоцитами, похороненными в матриксе, склеростина , белка, который ингибирует путь, поддерживающий активность остеобластов. Таким образом, когда остеон достигает предельных размеров, он деактивирует синтез кости. [34]
Окрашивание гематоксилином и эозином (H&E) показывает, что цитоплазма активных остеобластов слегка базофильна из-за значительного присутствия шероховатой эндоплазматической сети . Активный остеобласт вырабатывает значительное количество коллагена типа I. Около 10% костного матрикса составляет коллаген с балансом минералов. [27] Ядро остеобласта имеет сферическую форму и большое. Активный остеобласт морфологически характеризуется выступающим аппаратом Гольджи , который гистологически выглядит как прозрачная зона, прилегающая к ядру. Продукты жизнедеятельности клетки в основном предназначены для транспорта в остеоид, неминерализованный матрикс. Активные остеобласты можно пометить антителами к коллагену I типа или с помощью нафтолфосфата и диазониевого красителя быстрого синего, чтобы напрямую продемонстрировать активность фермента щелочной фосфатазы .
