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 и фосфат кальция откладываются вокруг клетки.
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 со стороны сосудов 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 телами клеток, расположенными внутри лакун, и клеточными/дендритными отростками внутри каналов, называемых канальцами. [6]
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 палеогеномических 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]
Палумбо и др. (1990) различают три типа клеток от остеобласта до зрелого остеоцита: преостеоцит I типа (остеобластный 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]
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]
Остеоциты синтезируют склеростин , секретируемый белок, который ингибирует образование костей 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]
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]
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 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]