stringtranslate.com

остеокласт

Остеокласт (от древнегреческого ὀστέον (остеон)  «кость» и κλαστός (кластос) «  сломанный») — это тип костной клетки , которая разрушает костную ткань . Эта функция имеет решающее значение для поддержания, восстановления и ремоделирования костей позвоночного скелета . Остеокласты разбирают и переваривают смесь гидратированных белков и минералов на молекулярном уровне, секретируя кислоту и коллагеназу ; этот процесс известен как резорбция кости . Этот процесс также помогает регулировать уровень кальция в крови .

Остеокласты обнаруживаются на тех поверхностях кости, которые подвергаются резорбции. На таких поверхностях остеокласты располагаются в неглубоких углублениях, называемых резорбционными заливами (лакуны Хошипа) . Резорбционные заливы образуются в результате эрозивного действия остеокластов на подлежащую кость. Граница нижней части остеокласта имеет пальцеобразные отростки из-за наличия глубоких складок клеточной мембраны ; эта граница называется взъерошенной границей . Волнистая граница соприкасается с поверхностью кости в зоне резорбции. Периферия волнистой границы окружена кольцевидной зоной цитоплазмы , лишенной клеточных органелл , но богатой актиновыми нитями . Эта зона называется чистой зоной или зоной уплотнения . Актиновые нити позволяют клеточной мембране, окружающей зону уплотнения, прочно прикрепляться к костной стенке лакун Хошипа. Таким образом, между взъерошенной границей и резорбируемой костью создается закрытый субостеокластический отсек. Остеокласты секретируют в этот отсек ионы водорода , коллагеназу , катепсин К и гидролитические ферменты. Резорбция костного матрикса остеокластами включает два этапа: (1) растворение неорганических компонентов (минералов) и (2) переваривание органических компонентов костного матрикса. Остеокласты перекачивают ионы водорода в субостеокластический компартмент и, таким образом, создают кислую микросреду, которая увеличивает растворимость костных минералов, что приводит к высвобождению и повторному входу костных минералов в цитоплазму остеокластов для доставки в близлежащие капилляры. После удаления минералов в субостеокластический отсек секретируются коллагеназа и желатиназа. Эти ферменты переваривают и разрушают коллаген и другие органические компоненты декальцинированного костного матрикса. Продукты деградации фагоцитируются остеокластами на взъерошенной границе. Из-за своих фагоцитарных свойств остеокласты считаются компонентом системы мононуклеарных фагоцитов (МПС). Активность остеокластов контролируется гормонами и цитокинами. Кальцитонин, гормон щитовидной железы, подавляет остеокластическую активность. Остеокласты не имеют рецепторов паратиреоидного гормона (ПТГ). Однако ПТГ стимулирует остеобласты секретировать цитокин, называемый фактором, стимулирующим остеокласты, который является мощным стимулятором активности остеокластов. [1]

Одонтокласт (/odon·to·clast/; o-don´to-klast) — остеокласт, связанный с рассасыванием корней временных зубов . [2] [3] [4]

Состав

Тартрат-резистентный к кислой фосфатазе положительный остеокласт в клеточной культуре
Иллюстрированное поперечное сечение активированного остеокласта

Остеокласт представляет собой крупную многоядерную клетку , а остеокласты человека на кости обычно имеют четыре ядра [5] и имеют диаметр 150–200 мкм. Когда цитокины, индуцирующие остеокласты, используются для превращения макрофагов в остеокласты, возникают очень большие клетки, которые могут достигать 100 мкм в диаметре. Они могут иметь десятки ядер и обычно экспрессируют основные белки остеокластов, но имеют существенные отличия от клеток живой кости из-за неприродного субстрата. [6] [7] Размер многоядерного собранного остеокласта позволяет ему сосредоточить ионный транспорт, белковую секреторную и везикулярную транспортную способность многих макрофагов на локализованном участке кости.

Расположение

В кости остеокласты обнаруживаются в ямках на поверхности кости, которые называются резорбционными заливами или лакунами Хошипа . Остеокласты характеризуются цитоплазмой однородного, «пенистого» вида. Такой внешний вид обусловлен высокой концентрацией везикул и вакуолей . Эти вакуоли включают лизосомы , заполненные кислой фосфатазой . Это позволяет охарактеризовать остеокласты по их окрашиванию на высокую экспрессию тартрат - резистентной кислой фосфатазы (TRAP) и катепсина К. Шероховатая эндоплазматическая сеть остеокластов редкая, а комплекс Гольджи обширен. [8] [9] [10]

В месте активной резорбции кости остеокласт образует специализированную клеточную мембрану — «гофрированную кайму», противостоящую поверхности костной ткани. Эта сильно складчатая или волнистая граница облегчает удаление кости за счет значительного увеличения поверхности клеток для секреции и поглощения содержимого резорбционного отдела и является морфологической характеристикой остеокластов, которые активно резорбируют кость.

Разработка

С момента их открытия в 1873 году возникли серьезные споры об их происхождении. Доминировали три теории: с 1949 по 1970 годы была популярна соединительнотканная теория происхождения, утверждавшая, что остеокласты и остеобласты относятся к одной линии, а остеобласты сливаются вместе, образуя остеокласты. После многих лет споров теперь стало ясно, что эти клетки развиваются в результате самослияния макрофагов. [11] В начале 1980-х годов моноцитарная фагоцитарная система была признана предшественником остеокластов. [12] Для формирования остеокластов необходимо присутствие RANKL (рецептор-активатор лиганда ядерного фактора κβ) и M-CSF (макрофагальный колониестимулирующий фактор) . Эти мембраносвязанные белки продуцируются соседними стромальными клетками и остеобластами , что требует прямого контакта между этими клетками и предшественниками остеокластов .

M-CSF действует через свой рецептор на остеокластах, c-fms ( рецептор колониестимулирующего фактора 1 ), трансмембранный рецептор тирозинкиназы , что приводит к активации вторичного мессенджера тирозинкиназы Src. Обе эти молекулы необходимы для остеокластогенеза и широко участвуют в дифференцировке клеток, происходящих из моноцитов/макрофагов.

RANKL является членом семейства некрозов опухолей ( TNF ) и играет важную роль в остеокластогенезе. У мышей, нокаутных по RANKL, наблюдается фенотип остеопетроза и дефекты прорезывания зубов, а также отсутствие или недостаточность остеокластов. RANKL активирует NF-κβ (ядерный фактор-κβ) и NFATc1 (ядерный фактор активированных Т-клеток, цитоплазматический, кальциневрин-зависимый 1) посредством RANK . Активация NF-κβ стимулируется почти сразу после возникновения взаимодействия RANKL-RANK и не усиливается. Однако стимуляция NFATc1 начинается примерно через 24–48 часов после связывания, и было показано, что его экспрессия зависит от RANKL.

Дифференцировка остеокластов ингибируется остеопротегерином ( OPG), который продуцируется остеобластами и связывается с RANKL, тем самым предотвращая взаимодействие с RANK. В то время как остеокласты происходят из гемопоэтической линии, остеобласты происходят из мезенхимальных стволовых клеток. [13] [14]

Функция

После активации остеокласты перемещаются в области микропереломов кости посредством хемотаксиса . Остеокласты лежат в небольших полостях, называемых лакунами Хошипа, образующихся в результате переваривания подлежащей кости. Зона уплотнения представляет собой прикрепление плазматической мембраны остеокластов к подлежащей кости. Зоны уплотнения ограничены поясами специализированных адгезионных структур, называемых подосомами . Прикреплению к костному матриксу способствуют рецепторы интегрина, такие как αvβ3, через специфический аминокислотный мотив Arg-Gly-Asp в белках костного матрикса, таких как остеопонтин . Остеокласт высвобождает ионы водорода под действием карбоангидразы ( H 2 O + CO 2 → HCO 3 − + H + ) через взъерошенную границу в резорбтивную полость, подкисляя и способствуя растворению минерализованного костного матрикса до Ca 2+ , H. 3 PO 4 , H 2 CO 3 , вода и другие вещества. Установлено, что дисфункция карбоангидразы вызывает некоторые формы остеопетроза. Ионы водорода перекачиваются против высокого градиента концентрации с помощью протонных насосов , в частности уникальной вакуолярной АТФазы . Этот фермент был нацелен на профилактику остеопороза . Кроме того, для переваривания органических компонентов матрикса высвобождаются несколько гидролитических ферментов , таких как члены групп катепсина и матриксных металлопротеаз (ММП). Эти ферменты высвобождаются в компартмент лизосомами . Из этих гидролитических ферментов наибольшее значение имеет катепсин К.

Катепсин К и другие катепсины

Катепсин К представляет собой коллагенолитическую папаинподобную цистеиновую протеазу , которая в основном экспрессируется в остеокластах и ​​секретируется в резорбтивную ямку. Катепсин К — основная протеаза , участвующая в деградации коллагена I типа и других неколлагеновых белков. Мутации в гене катепсина К связаны с пикнодизостозом — наследственным остеопетрозным заболеванием, характеризующимся отсутствием функциональной экспрессии катепсина К. Исследования нокаута катепсина К на мышах приводят к остеопетротическому фенотипу, который частично компенсируется повышенной экспрессией протеаз, отличных от катепсина К, и усилением остеокластогенеза.

Катепсин К обладает оптимальной ферментативной активностью в кислых условиях. Он синтезируется в виде профермента с молекулярной массой 37 кДа и при активации путем автокаталитического расщепления трансформируется в зрелую активную форму с молекулярной массой ~27 кДа.

При поляризации остеокласта над местом резорбции катепсин К секретируется из взъерошенной границы в резорбтивную ямку. Катепсин К трансмигрирует через волнистую границу межклеточными везикулами и затем высвобождается функциональным секреторным доменом . Внутри этих межклеточных везикул катепсин К вместе с активными формами кислорода , генерируемыми TRAP , дополнительно разрушает костный внеклеточный матрикс.

Некоторые другие катепсины экспрессируются в остеокластах, включая катепсины B , C , D , E , G и L. Функция этих цистеиновых и аспарагиновых протеаз в костях обычно неизвестна, и они экспрессируются на гораздо более низких уровнях, чем катепсин К.

Исследования на мышах с нокаутом катепсина L были неоднозначными: сообщалось об уменьшении трабекулярной кости у гомозиготных и гетерозиготных мышей с нокаутом катепсина L по сравнению с мышами дикого типа, а в другом отчете не было обнаружено никаких скелетных аномалий.

Матриксные металлопротеиназы

Матриксные металлопротеиназы (ММП) включают семейство, состоящее из более чем 20 цинкзависимых эндопептидаз. Роль матриксных металлопротеиназ (ММП) в биологии остеокластов плохо определена, но в других тканях они связаны с активностью, способствующей развитию опухоли, такой как активация факторов роста , и необходимы для метастазирования опухоли и ангиогенеза.

MMP9 связан с микроокружением кости. Он экспрессируется остеокластами и, как известно, необходим для миграции остеокластов и является мощной желатиназой. У трансгенных мышей, лишенных MMP-9, развиваются дефекты развития костей, внутрикостного ангиогенеза и восстановления переломов.

Считается, что MMP-13 участвует в резорбции костей и дифференцировке остеокластов, поскольку у нокаутных мышей наблюдалось снижение количества остеокластов, остеопетроз и снижение резорбции костей.

ММП, экспрессируемые остеокластами, включают ММП-9, -10, -12 и -14. кроме MMP-9, мало что известно об их отношении к остеокластам, однако высокие уровни MMP-14 обнаруживаются в зоне уплотнения.

Физиология остеокластов

В 1980-х и 90-х годах была подробно изучена физиология типичных остеокластов. После выделения взъерошенной границы транспорт ионов через нее был изучен непосредственно в биохимических деталях. Был проверен энергозависимый транспорт кислоты и очищен постулируемый протонный насос. [15] [16] Благодаря успешному культивированию остеокластов стало очевидно, что они организованы для поддержки массивного транспорта протонов для подкисления резорбционного отсека и солюбилизации костных минералов. Это включает в себя взъерошенную границу Cl - проницаемости для контроля мембранного потенциала и базолатеральный обмен Cl - /HCO 3 - для поддержания цитозольного pH в физиологически приемлемых диапазонах. [17] [18] [19]

Эффективность секреции ионов зависит от остеокластов, образующих эффективное уплотнение вокруг отделения резорбции. Позиционирование этой «зоны запечатывания», по-видимому, опосредовано интегринами, экспрессируемыми на поверхности остеокластов. [20] При наличии зоны уплотнения многоядерный остеокласт реорганизуется. Развитие сильно инвагинированной взъерошенной мембраны, примыкающей к резорбционному отсеку, обеспечивает массивную секреторную активность. Кроме того, он обеспечивает везикулярный трансцитоз минерала и деградированного коллагена от взъерошенной границы к свободной мембране клетки и его высвобождение во внеклеточный отсек. [21] [22] Эта деятельность завершает резорбцию кости, и как минеральные компоненты, так и фрагменты коллагена высвобождаются в общий кровоток.

Регулирование

Остеокласты регулируются несколькими гормонами , включая паратироидный гормон (ПТГ) паращитовидной железы, кальцитонин щитовидной железы и фактор роста интерлейкин 6 (IL-6). Последний гормон, IL-6 , является одним из факторов заболевания остеопорозом . Остеопороз возникает, когда существует дисбаланс между активностью остеокластов по резорбции кости и деятельностью остеобластов по костеобразованию. [23]

Активность остеокластов также опосредуется взаимодействием двух молекул, продуцируемых остеобластами, а именно остеопротегерина и лиганда RANK . Эти молекулы также регулируют дифференцировку остеокластов. [24] [25]

одонтокласт

Одонтокласт (/odon·to·clast/; o-don´to-klast) — остеокласт, связанный с рассасыванием корней временных зубов . [2] [3] [4]

Альтернативное использование термина

Остеокласт также может быть инструментом, используемым для перелома и восстановления костей (происхождение греческого остеон — кость и кластос — сломанный). Во избежание путаницы клетку первоначально называли озотокластом. Когда хирургический инструмент вышел из употребления, клетка стала называться под своим нынешним названием.

Клиническое значение

Гигантские остеокласты могут возникать при некоторых заболеваниях, включая болезнь Педжета и токсичность бисфосфонатов .

У кошек аномальная активность одонтокластов может вызывать одонтокластические резорбтивные поражения , приводящие к необходимости удаления пораженных зубов.

Остеокласты играют важную роль в ортодонтическом перемещении зубов и патологической миграции зубов с нарушениями пародонта.

История

Остеокласты были открыты Кёлликером в 1873 году. [12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Медицинская гистология Лайка Хуссейна Сиддики (6-е издание)
  2. ^ ab "Одонтокласт". Фарлекс, Бесплатный словарь. 2007 . Проверено 6 ноября 2013 г.
  3. ^ Аб Ван З., МакКоли Л.К. (март 2011 г.). «Остеокласты и одонтокласты: сигнальные пути развития и болезней». Заболевания полости рта . 17 (2): 129–42. дои : 10.1111/j.1601-0825.2010.01718.x . ПМИД  20659257.
  4. ^ аб Чаттерджи К. (1 декабря 2006 г.). Основы оральной гистологии. Издательство Jaypee Brothers. п. 155. ИСБН 978-81-8061-865-9.[ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ Пайпер К., Бойд А., Джонс С.Дж. (1992). «Взаимосвязь между количеством ядер остеокласта и его резорбтивной способностью in vitro». Анатомия и эмбриология . 186 (4): 291–9. дои : 10.1007/BF00185977. PMID  1416078. S2CID  7570118.
  6. ^ Базель М.Ф., Мазо П., Малкани К., Кретьен М.Ф., Моро М.Ф., Ребел А (1988). «Выделение остеокластов из костной ткани Пейджета: морфометрия и цитохимия изолированных клеток». Кость . 9 (1): 1–6. дои : 10.1016/8756-3282(88)90020-8. ПМИД  2837260.
  7. ^ Джайн Н., Вайнштейн Р.С. (2009). «Гигантские остеокласты после длительной терапии бисфосфонатами: проблемы диагностики». Нат Рев Ревматол . 5 (6): 341–6. дои : 10.1038/nrheum.2009.87. ПМЦ 2860596 . ПМИД  19491914. 
  8. ^ Стэндринг С., изд. (2005). Анатомия Грея (39-е изд.). Эльзевир.
  9. ^ Холтроп М.Э., Кинг Г.Дж. (1977). «Ультраструктура остеокластов и ее функциональные последствия». Клиническая ортопедия и связанные с ней исследования . 123 (123): 177–96. дои : 10.1097/00003086-197703000-00062. PMID  856515. S2CID  30010574.
  10. ^ Вяэнянен Х.К., Чжао Х., Мулари М., Халлин Дж.М. (февраль 2000 г.). «Клеточная биология функции остеокластов». Журнал клеточной науки . 113 (3): 377–81. дои : 10.1242/jcs.113.3.377. ПМИД  10639325.
  11. ^ SL Teitelbaum (2000), «Резорбция кости остеокластами», Science , 289 (5484): 1504–1508, Bibcode : 2000Sci...289.1504T, doi : 10.1126/science.289.5484.1504, PMID  10968780
  12. ^ ab Nijweide PJ, Burger EH, Feyen JH (октябрь 1986 г.). «Клетки кости: пролиферация, дифференцировка и гормональная регуляция». Физиологические обзоры . 66 (4): 855–86. doi : 10.1152/physrev.1986.66.4.855. ПМИД  3532144.
  13. ^ Мишу, Летиция; Нуман, Мохамед; Дружелюбная, Натали; Браун, Жак П. (2015). «Болезнь Педжета костей: остеоиммунологическое заболевание?». Дизайн, разработка и терапия лекарств . 9 : 4695–707. дои : 10.2147/DDDT.S88845 . ПМЦ 4544727 . ПМИД  26316708. 
  14. ^ Нуман, Мохамед; Браун, Жак; Мишу, Летиция (2015). «Влияние загрязнителей воздуха на окислительный стресс при распространенных заболеваниях старения, опосредованных аутофагией». Международный журнал экологических исследований и общественного здравоохранения . 12 (2): 2289–2305. дои : 10.3390/ijerph120202289 . ПМЦ 4344726 . ПМИД  25690002. 
  15. ^ Блэр Х.К., Тейтельбаум С.Л., Гизелли Р., Глюк С. (август 1989 г.). «Остеокластическая резорбция кости с помощью поляризованного вакуолярного протонного насоса». Наука . 245 (4920): 855–7. Бибкод : 1989Sci...245..855B. дои : 10.1126/science.2528207. ПМИД  2528207.
  16. ^ Мэттссон Дж.П., Шлезингер П.Х., Килинг DJ, Тейтельбаум С.Л., Стоун Д.К., Се XS (октябрь 1994 г.). «Выделение и восстановление протонного насоса вакуолярного типа мембран остеокластов». Журнал биологической химии . 269 ​​(40): 24979–82. дои : 10.1016/S0021-9258(17)31485-0 . ПМИД  7929181.
  17. ^ Тети А., Блэр Х.К., Тейтельбаум С.Л., Кан А.Дж., Козиол С., Консек Дж., Замбонин-Заллоне А., Шлезингер П.Х. (январь 1989 г.). «Цитоплазматическая регуляция pH и обмен хлоридов / бикарбонатов в остеокластах птиц». Журнал клинических исследований . 83 (1): 227–33. дои : 10.1172/jci113863. ПМК 303666 . ПМИД  2910910. 
  18. ^ Блэр Х.К., Тейтельбаум С.Л., Тан Х.Л., Козиол С.М., Шлезингер П.Х. (июнь 1991 г.). «Заряд пассивной проницаемости хлоридов, связанный с H (+)-АТФазой взъерошенной мембраны остеокластов птиц». Американский журнал физиологии . 260 (6, ч. 1): C1315-24. doi : 10.1152/ajpcell.1991.260.6.C1315. ПМИД  1829326.
  19. ^ Шлезингер П.Х., Блэр Х.К., Тейтельбаум С.Л., Эдвардс Дж.К. (июль 1997 г.). «Характеристика хлоридного канала с взъерошенной границей остеокластов и его роль в резорбции кости». Журнал биологической химии . 272 (30): 18636–43. дои : 10.1074/jbc.272.30.18636 . ПМИД  9228032.
  20. ^ Вяэнянен Х.К., Чжао Х., Мулари М., Халлин Дж.М. (февраль 2000 г.). «Клеточная биология функции остеокластов». Журнал клеточной науки . 113 (Часть 3) (3): 377–81. дои : 10.1242/jcs.113.3.377. ПМИД  10639325.
  21. ^ Сало Дж., Лехенкари П., Мулари М., Метсиккё К., Вяэнянен Х.К. (апрель 1997 г.). «Удаление продуктов резорбции кости остеокластов путем трансцитоза». Наука . 276 (5310): 270–3. дои : 10.1126/science.276.5310.270. ПМИД  9092479.
  22. ^ Несбитт С.А., Хортон Массачусетс (апрель 1997 г.). «Торговля матриксными коллагенами через остеокласты, резорбирующие кость». Наука . 276 (5310): 266–9. дои : 10.1126/science.276.5310.266. ПМИД  9092478.
  23. ↑ Танец, 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.
  24. ^ Шоппет М., Прейсснер К.Т., Хофбауэр LC (апрель 2002 г.). «Лиганд RANK и остеопротегерин: паракринные регуляторы костного метаболизма и сосудистой функции». Атеросклероз, тромбоз и сосудистая биология . 22 (4): 549–53. дои : 10.1161/01.ATV.0000012303.37971.DA . ПМИД  11950689.
  25. ^ Ширази, Саджад; Равиндран, Шрирам; Купер, Линдон Ф. (2022). «Топографически-опосредованная иммуномодуляция при остеоинтеграции; союзник или враг». Биоматериалы . 291 : 121903. doi : 10.1016/j.bimaterials.2022.121903. ISSN  1878-5905. ПМЦ 10148651 . ПМИД  36410109. 

Внешние ссылки