Остеобласты (от греческого сочетания форм « кость », ὀστέο-, osteo- и βλαστάνω, blastanō «прорастать») — это клетки с одним ядром , которые синтезируют кость . Однако в процессе формирования кости остеобласты функционируют в группах связанных клеток. Отдельные клетки не могут образовывать кость. Группа организованных остеобластов вместе с костью, образованной единицей клеток, обычно называется остеоном .
Остеобласты — это специализированные, окончательно дифференцированные продукты мезенхимальных стволовых клеток . [1] Они синтезируют плотный, сшитый коллаген и специализированные белки в гораздо меньших количествах, включая остеокальцин и остеопонтин , которые составляют органическую матрицу кости.
В организованных группах разъединенных клеток остеобласты производят гидроксиапатит , костный минерал , который откладывается в строго регулируемой манере в неорганической матрице, образуя прочную и плотную минерализованную ткань , минерализованную матрицу. Минерализованный скелет является основной опорой для тел позвоночных, дышащих воздухом . Он также является важным хранилищем минералов для физиологического гомеостаза, включая как кислотно-щелочной баланс , так и поддержание кальция или фосфата . [2] [3]
Скелет — это большой орган, который формируется и разрушается на протяжении всей жизни у дышащих воздухом позвоночных. Скелет, часто называемый скелетной системой, важен как поддерживающая структура, так и для поддержания кальция, фосфата и кислотно -щелочного состояния во всем организме. [4] Функциональная часть кости, костный матрикс , полностью внеклеточная. Костный матрикс состоит из белка и минерала . Белок образует органический матрикс. Он синтезируется, а затем добавляется минерал. Подавляющее большинство органического матрикса — коллаген , который обеспечивает прочность на растяжение . Матрикс минерализуется путем 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 изгибаться под действием напряжения и восстанавливать свою форму без повреждений. Это называется упругой деформацией . Силы, которые превышают способность кости вести себя упруго, могут привести к разрушению, как правило, переломам костей . [ необходима цитата ]
Кость — это динамическая ткань, которая постоянно перестраивается остеобластами , которые вырабатывают и секретируют матричные белки и транспортируют минералы в матрикс, а также остеокластами , 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 (ЖКТ) . Остеобласты в большом количестве находятся в надкостнице , тонком слое соединительной ткани на внешней поверхности костей, и в эндосте .
Обычно почти весь костный матрикс у позвоночных , дышащих воздухом , минерализуется остеобластами. До того, как органический матрикс минерализуется, он называется остеоидом . Остеобласты, зарытые в матрикс, называются остеоцитами . Во время формирования кости поверхностный слой остеобластов состоит из кубовидных клеток, называемых активными остеобластами . Когда костеобразующая единица не синтезирует активно кость, поверхностные остеобласты уплощаются и называются неактивными остеобластами . Остеоциты остаются живыми и связаны клеточными отростками с поверхностным слоем остеобластов. Остеоциты выполняют важные функции в поддержании скелета.
Остеокласты — это многоядерные клетки, которые происходят от кроветворных предшественников в костном мозге, которые также дают начало моноцитам в периферической крови. [5] Остеокласты разрушают костную ткань и вместе с остеобластами и остеоцитами формируют структурные компоненты кости. В полости внутри костей находится много других типов клеток костного мозга . Компоненты, которые необходимы для формирования кости остеобластами, включают мезенхимальные стволовые клетки (предшественники остеобластов) и кровеносные сосуды , которые снабжают кислородом и питательными веществами для формирования кости. Кость — это высоковаскулярная ткань, и активное образование клеток кровеносных сосудов, также из мезенхимальных стволовых клеток, необходимо для поддержания метаболической активности кости. Баланс формирования кости и резорбции кости имеет тенденцию быть отрицательным с возрастом, особенно у женщин в постменопаузе, [6] часто приводя к потере костной ткани, достаточно серьезной, чтобы вызвать переломы, что называется остеопорозом .
Кость образуется одним из двух процессов: эндохондральное окостенение или интрамембранозное окостенение . Эндохондральное окостенение — это процесс формирования кости из хряща, и это обычный метод. Эта форма развития кости является более сложной: она следует за образованием первого скелета хряща, созданного хондроцитами , который затем удаляется и заменяется костью, созданной остеобластами. Интрамембранозное окостенение — это прямое окостенение мезенхимы , как это происходит при формировании мембранных костей черепа и других. [7]
Во время дифференциации остеобластов развивающиеся клетки-предшественники экспрессируют регуляторный фактор транскрипции Cbfa1/Runx2 . Вторым необходимым фактором транскрипции является фактор транскрипции Sp7 . [8] Остеохондропредшественники дифференцируются под влиянием факторов роста , хотя изолированные мезенхимальные стволовые клетки в культуре тканей также могут образовывать остеобласты в разрешающих условиях, которые включают витамин С и субстраты для щелочной фосфатазы , ключевого фермента , который обеспечивает высокие концентрации фосфата в месте отложения минералов. [1]
Ключевые факторы роста в эндохондральной скелетной дифференцировке включают костные морфогенетические белки (BMP), которые в значительной степени определяют, где происходит дифференцировка хондроцитов и где остаются промежутки между костями. Система замены хряща костью имеет сложную регуляторную систему. BMP2 также регулирует раннее скелетное паттернирование. Трансформирующий фактор роста бета (TGF-β) является частью суперсемейства белков, которые включают BMP, которые обладают общими сигнальными элементами в сигнальном пути TGF бета . TGF-β особенно важен в хрящевой дифференцировке, которая обычно предшествует формированию кости для эндохондральной оссификации. Дополнительное семейство основных регуляторных факторов — это факторы роста фибробластов (FGF), которые определяют, где скелетные элементы встречаются по отношению к коже.
Многие другие регуляторные системы участвуют в переходе хряща в кость и в поддержании костной ткани. Особенно важным гормональным регулятором, нацеленным на кости, является паратиреоидный гормон (ПТГ). Паратиреоидный гормон — это белок, вырабатываемый паращитовидной железой под контролем активности сывороточного кальция. [3] ПТГ также имеет важные системные функции, в том числе поддержание концентрации сывороточного кальция практически постоянной независимо от потребления кальция. Увеличение содержания кальция в пище приводит к незначительному повышению содержания кальция в крови. Однако это не является значимым механизмом, поддерживающим формирование костей остеобластами, за исключением состояния низкого содержания кальция в пище; кроме того, аномально высокое содержание кальция в пище повышает риск серьезных последствий для здоровья, напрямую не связанных с массой костей, 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 воспроизводства и в ответ на пищевые и другие гормональные стрессы; он реагирует на стероиды , включая эстроген и глюкокортикоиды , которые важны для воспроизводства и регуляции энергетического обмена. Костный обмен включает в себя основные затраты энергии на синтез и деградацию, включая множество дополнительных сигналов, включая гормоны гипофиза . Два из них - адренокортикотропный гормон (АКТГ) [10] и фолликулостимулирующий гормон [11] . Физиологическая роль ответов на эти и несколько других гликопротеиновых гормонов до конца не изучена, хотя вполне вероятно, что АКТГ является бифункциональным, как и ПТГ, поддерживая формирование костей периодическими всплесками АКТГ, но вызывая разрушение костей в больших концентрациях. У мышей мутации, которые снижают эффективность продукции глюкокортикоидов, вызванной АКТГ, в надпочечниках, приводят к тому, что скелет становится плотным ( 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 прохождение внеклеточной жидкости и, таким образом, создают костный отсек, отдельный от общей внеклеточной жидкости. [14] Остеобласты также соединены щелевыми соединениями , небольшими порами, которые соединяют остеобласты, позволяя клеткам в одной когорте функционировать как единое целое. [15] Щелевые соединения также соединяют более глубокие слои клеток с поверхностным слоем ( остеоциты, когда окружены костью). Это было продемонстрировано непосредственно путем инъекции низкомолекулярных флуоресцентных красителей в остеобласты и показа того, что краситель диффундировал в окружающие и более глубокие клетки в костеобразующей единице. [16] Кость состоит из множества таких единиц, которые разделены непроницаемыми зонами без клеточных соединений, называемыми цементными линиями.
Почти весь органический (не минеральный) компонент кости — это плотный коллаген типа I, [17] , который образует плотные сшитые канаты, которые придают кости прочность на разрыв. По механизмам, которые пока неясны, остеобласты секретируют слои ориентированного коллагена, причем слои, параллельные длинной оси кости, чередуются со слоями под прямым углом к длинной оси кости каждые несколько микрометров . Дефекты коллагена типа I вызывают самое распространенное наследственное заболевание костей, называемое несовершенным остеогенезом . [18]
Небольшие, 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 органический и минеральный 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 нарушения соответствующих генов ( нокаутированные мыши ), накопление минералов не было заметно затронуто, что указывает на то, что организация матрикса не имеет существенной связи с транспортом минералов. [22] [23]
Примитивный скелет — хрящ , твердая бессосудистая (без кровеносных сосудов) ткань, в которой встречаются отдельные секретирующие хрящевую матрицу клетки, или хондроциты . Хондроциты не имеют межклеточных связей и не координируются в единицы. Хрящ состоит из сети коллагена типа II, удерживаемого в напряжении поглощающими воду белками, гидрофильными протеогликанами . [24] Это взрослый скелет у хрящевых рыб, таких как акулы . Он развивается как начальный скелет у более продвинутых классов животных.
У позвоночных, дышащих воздухом, хрящ заменяется ячеистой костью. Переходной тканью является минерализованный хрящ . Хрящ минерализуется путем массивной экспрессии ферментов, вырабатывающих фосфат, что вызывает высокие локальные концентрации кальция и фосфата, которые выпадают в осадок. [24] Этот минерализованный хрящ не является плотным или прочным. У позвоночных, дышащих воздухом, он используется в качестве каркаса для формирования ячеистой кости, создаваемой остеобластами, а затем удаляется остеокластами , которые специализируются на деградации минерализованной ткани.
Остеобласты производят продвинутый тип костной матрицы, состоящий из плотных, нерегулярных кристаллов гидроксиапатита , упакованных вокруг коллагеновых канатов. [25] Это прочный композитный материал, который позволяет скелету принимать форму в основном полых трубок. Уменьшение длинных костей до трубок снижает вес, сохраняя при этом прочность.
Механизмы минерализации до конца не изучены. Флуоресцентные низкомолекулярные соединения, такие как тетрациклин или кальцеин, прочно связываются с костным минералом при введении в течение коротких периодов времени. Затем они накапливаются в узких полосах в новой кости. [26] Эти полосы проходят через смежную группу костеобразующих остеобластов. Они встречаются на узком (субмикрометровом ) фронте минерализации. Большинство костных поверхностей не выражают нового костного образования, не поглощают тетрациклин и не образуют минералов. Это убедительно свидетельствует о том, что облегченный или активный транспорт , координируемый через костеобразующую группу, участвует в формировании костей, и что происходит только опосредованное клетками образование минералов. То есть диетический кальций не создает минералы путем массового воздействия.
Механизм образования минералов в костях явно отличается от филогенетически более древнего процесса, посредством которого минерализуется хрящ: тетрациклин не маркирует минерализованный хрящ в узких полосах или в определенных местах, а диффузно, в соответствии с механизмом пассивной минерализации. [25]
Остеобласты отделяют кость от внеклеточной жидкости плотными соединениями [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 формирования кости. Кальций транспортируется через остеобласты посредством облегченного транспорта (то есть пассивными транспортерами, которые не перекачивают кальций против градиента). [25] Напротив, фосфат активно вырабатывается комбинацией секреции фосфатсодержащих соединений, включая АТФ , и фосфатазами, которые расщепляют фосфат для создания высокой концентрации фосфата на фронте минерализации. Щелочная фосфатаза — это закрепленный на мембране белок, который является характерным маркером, экспрессируемым в больших количествах на апикальной (секреторной) поверхности активных остеобластов.
По крайней мере, еще один регулируемый транспортный процесс вовлечен. Стехиометрия костного минерала в основном представляет собой гидроксиапатит, осаждающийся из фосфата, кальция и воды при слегка щелочном pH : [27]
В закрытой системе, когда минералы осаждаются, кислота накапливается, быстро понижая pH и останавливая дальнейшее осаждение. Хрящ не представляет собой препятствия для диффузии, и поэтому кислота диффундирует, позволяя осаждению продолжаться. В остеоне, где матрикс отделен от внеклеточной жидкости плотными соединениями, этого не может произойти. В контролируемом, герметичном отсеке удаление H + запускает осаждение в самых разных внеклеточных условиях, пока кальций и фосфат доступны в отсеке матрицы. [28] Механизм, посредством которого кислота проходит через барьерный слой, остается неопределенным. Остеобласты обладают способностью к обмену Na + /H + через избыточные обменники Na / H, NHE1 и NHE6. [29] Этот обмен H + является основным элементом в удалении кислоты, хотя механизм, посредством которого H + транспортируется из пространства матрицы в барьерный остеобласт, неизвестен.
При удалении кости механизм обратного транспорта использует кислоту, доставленную в минерализованную матрицу, для перевода гидроксиапатита в раствор. [30]
Обратная связь от физической активности поддерживает массу костей, в то время как обратная связь от остеоцитов ограничивает размер костеобразующей единицы. [31] [32] [33] Важным дополнительным механизмом является секреция остеоцитами, зарытыми в матрикс, склеростина , белка, который ингибирует путь, поддерживающий активность остеобластов. Таким образом, когда остеон достигает предельного размера, он дезактивирует синтез кости. [34]
Окрашивание гематоксилином и эозином (H&E) показывает, что цитоплазма активных остеобластов слегка базофильна из-за существенного присутствия шероховатого эндоплазматического ретикулума . Активный остеобласт продуцирует существенное количество коллагена типа I. Около 10% костного матрикса составляет коллаген с остаточным минералом. [27] Ядро остеобласта сферическое и большое. Активный остеобласт морфологически характеризуется выраженным аппаратом Гольджи , который гистологически выглядит как прозрачная зона, прилегающая к ядру. Продукты клетки в основном предназначены для транспортировки в остеоид, неминерализованный матрикс. Активные остеобласты можно пометить антителами к коллагену типа I или с помощью нафтолфосфата и диазониевого красителя прочного синего для непосредственной демонстрации активности фермента щелочной фосфатазы .