stringtranslate.com

Остеокласт

Остеокласт (от древнегреческого ὀστέον (osteon)  «кость» и κλαστός (clastos)  «сломанный») — это тип костной клетки , которая разрушает костную ткань . Эта функция имеет решающее значение для поддержания, восстановления и ремоделирования костей позвоночного скелета . Остеокласт разбирает и переваривает композит гидратированного белка и минерала на молекулярном уровне, выделяя кислоту и коллагеназу , этот процесс известен как резорбция кости . Этот процесс также помогает регулировать уровень кальция в крови .

Остеокласты находятся на тех поверхностях кости, которые подвергаются резорбции. На таких поверхностях остеокласты располагаются в неглубоких углублениях, называемых заливами резорбции (лакуны Хаушипа) . Заливы резорбции создаются эрозионным действием остеокластов на лежащую под ними кость. Граница нижней части остеокласта демонстрирует пальцевидные отростки из-за наличия глубоких складок клеточной мембраны ; эта граница называется гофрированной границей . Гофрированная граница лежит в контакте с поверхностью кости в заливе резорбции. Периферия гофрированной границы окружена кольцевидной зоной цитоплазмы , которая лишена клеточных органелл , но богата актиновыми нитями . Эта зона называется чистой зоной или зоной уплотнения . Актиновые нити позволяют клеточной мембране, окружающей зону уплотнения, прочно прикрепляться к костной стенке лакун Хаушипа. Таким образом, между гофрированной границей и костью, которая подвергается резорбции, создается закрытый субостеокластический отсек. Остеокласты секретируют ионы водорода , коллагеназу , катепсин К и гидролитические ферменты в этот отсек. Резорбция костного матрикса остеокластами включает два этапа: (1) растворение неорганических компонентов (минералов) и (2) переваривание органического компонента костного матрикса. Остеокласты перекачивают ионы водорода в субостеокластический отсек и таким образом создают кислую микросреду, которая увеличивает растворимость костного минерала, что приводит к высвобождению и повторному поступлению костных минералов в цитоплазму остеокластов для доставки в близлежащие капилляры. После удаления минералов коллагеназа и желатиназа секретируются в субостеокластический отсек. Эти ферменты переваривают и разрушают коллаген и другие органические компоненты декальцинированного костного матрикса. Продукты деградации фагоцитируются остеокластами на гофрированной границе. Из-за своих фагоцитарных свойств остеокласты считаются компонентом системы мононуклеарных фагоцитов (MPS). Активность остеокластов контролируется гормонами и цитокинами. Кальцитонин, гормон щитовидной железы, подавляет активность остеокластов. Остеокласты не имеют рецепторов для паратиреоидного гормона (ПТГ). Однако ПТГ стимулирует остеобласты к секреции цитокина, называемого фактором, стимулирующим остеокласты, который является мощным стимулятором активности остеокластов. [1]

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

Структура

Тартрат-резистентный кислый фосфатазоположительный остеокласт в клеточной культуре
Иллюстрированное поперечное сечение активированного остеокласта

Остеокласт — это крупная многоядерная клетка , а человеческие остеокласты на кости обычно имеют четыре ядра [5] и диаметр 150–200 мкм. Когда цитокины, индуцирующие остеокласты, используются для преобразования макрофагов в остеокласты, возникают очень крупные клетки, которые могут достигать 100 мкм в диаметре. Они могут иметь десятки ядер и, как правило, экспрессируют основные белки остеокластов, но имеют значительные отличия от клеток в живой кости из-за неестественного субстрата. [6] [7] Размер многоядерного собранного остеокласта позволяет ему сосредоточить возможности транспорта ионов, секреции белков и везикулярного транспорта многих макрофагов на локализованной области кости.

Расположение

В костях остеокласты находятся в углублениях на поверхности кости, которые называются резорбционными заливами или лакунами Хоушипа . Остеокласты характеризуются цитоплазмой с гомогенным, «пенистым» видом. Этот вид обусловлен высокой концентрацией везикул и вакуолей . Эти вакуоли включают лизосомы, заполненные кислой фосфатазой . Это позволяет характеризовать остеокласты путем их окрашивания на высокую экспрессию тартрат -устойчивой кислой фосфатазы (TRAP) и катепсина К. Шероховатый эндоплазматический ретикулум остеокластов разрежен, а комплекс Гольджи обширен. [8] [9] [10]

В месте активной резорбции кости остеокласт образует специализированную клеточную мембрану , «гофрированную каёмку», которая противостоит поверхности костной ткани. Эта сильно складчатая или гофрированная каёмка облегчает удаление кости, резко увеличивая поверхность клетки для секреции и поглощения содержимого отсека резорбции и является морфологической характеристикой остеокласта, который активно резорбирует кость.

Разработка

С момента их открытия в 1873 году было много споров об их происхождении. Доминировали три теории: с 1949 по 1970 год была популярна теория происхождения из соединительной ткани, которая утверждала, что остеокласты и остеобласты имеют одно и то же происхождение, а остеобласты сливаются вместе, образуя остеокласты. После многих лет споров теперь ясно, что эти клетки развиваются из самослияния макрофагов. [11] Именно в начале 1980-х годов фагоцитарная система моноцитов была признана предшественником остеокластов. [12] Для образования остеокластов требуется присутствие RANKL (рецепторный активатор лиганда ядерного фактора κβ) и M-CSF (фактор стимуляции колоний макрофагов) . Эти связанные с мембраной белки продуцируются соседними стромальными клетками и остеобластами , поэтому требуется прямой контакт между этими клетками и предшественниками остеокластов .

M-CSF действует через свой рецептор на остеокласте, 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 вовлечены в дифференциацию клеток, полученных из моноцитов/макрофагов.

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

Дифференциация остеокластов ингибируется остеопротегерином (OPG), который вырабатывается 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 в кости посредством хемотаксиса . Остеокласты лежат в небольших полостях, называемых лакунами Хоушипа, которые образуются в результате переваривания подлежащей кости. Зона уплотнения представляет собой прикрепление плазматической мембраны остеокласта к подлежащей кости. Зоны уплотнения ограничены поясами специализированных адгезионных структур, называемых подосомами . Прикрепление к костному матриксу облегчается рецепторами интегрина, такими как αvβ3, через специфический аминокислотный мотив Arg-Gly-Asp в белках костного матрикса, таких как остеопонтин . Остеокласт высвобождает ионы водорода посредством действия карбоангидразы ( H2O + CO2 → HCO3 − + H + ) через гофрированную границу в резорбтивную полость, подкисляя и способствуя растворению минерализованного костного матрикса в Ca2 + , H3PO4 , H2CO3 , воду и другие вещества. Было задокументировано , что дисфункция карбоангидразы вызывает некоторые формы остеопетроза. Ионы водорода перекачиваются против градиента высокой концентрации протонными насосами , в частности уникальной вакуолярной АТФазой . Этот фермент был направлен на профилактику остеопороза . Кроме того, несколько гидролитических ферментов , таких как члены групп катепсина и матриксной металлопротеазы (ММП), высвобождаются для переваривания органических компонентов матрикса. Эти ферменты высвобождаются в отсек лизосомами . Из этих гидролитических ферментов наибольшее значение имеет катепсин К.

Катепсин К и другие катепсины

Катепсин К — коллагенолитическая папаиноподобная цистеиновая протеаза , 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 у мышей приводят к остеопетрозному фенотипу, который частично компенсируется повышенной экспрессией протеаз, отличных от катепсина К, и усиленным остеокластогенезом.

Катепсин К имеет оптимальную ферментативную активность в кислых условиях. Он синтезируется как профермент 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 гофрированной границы в резорбтивную ямку. Катепсин К трансмигрирует через гофрированную границу с помощью межклеточных пузырьков и затем высвобождается функциональным секреторным доменом . Внутри этих межклеточных пузырьков катепсин К вместе с активными формами кислорода , генерируемыми TRAP , дополнительно разрушает внеклеточный матрикс кости.

Несколько других катепсинов экспрессируются в остеокластах, включая катепсины B , C , D , E , G и L. Функция этих цистеиновых и аспарагиновых протеаз в костях, как правило, неизвестна, и они экспрессируются на гораздо более низких уровнях, чем катепсин K.

Исследования мышей с нокаутированным катепсином L дали неоднозначные результаты: в одном отчете сообщалось об уменьшении трабекулярной кости у гомозиготных и гетерозиготных мышей с нокаутированным катепсином L по сравнению с мышами дикого типа, а в другом отчете не было обнаружено никаких аномалий скелета.

Матриксные металлопротеиназы

Матриксные металлопротеиназы (ММП) представляют собой семейство из более чем 20 цинк-зависимых эндопептидаз. Роль матриксных металлопротеиназ (ММП) в биологии остеокластов плохо определена, но в других тканях они связаны с деятельностью, способствующей развитию опухолей, такой как активация факторов роста , и необходимы для метастазирования опухолей и ангиогенеза.

MMP9 связан с микросредой костей. Он экспрессируется остеокластами и, как известно, необходим для миграции остеокластов и является мощной желатиназой. У трансгенных мышей, у которых отсутствует MMP-9, развиваются дефекты развития костей, внутрикостного ангиогенеза и заживления переломов.

Считается, что ММП-13 участвует в резорбции костей и дифференцировке остеокластов, поскольку у мышей с нокаутированным геном наблюдалось снижение количества остеокластов, остеопетроз и снижение резорбции костей.

ММП, экспрессируемые остеокластом, включают ММП-9, -10, -12 и -14. За исключением ММП-9, мало что известно об их связи с остеокластом, однако высокие уровни ММП-14 обнаружены в зоне уплотнения.

Физиология остеокластов

В 1980-х и 90-х годах физиология типичных остеокластов была подробно изучена. С выделением гофрированной границы транспорт ионов через нее был изучен непосредственно в биохимических деталях. Энергозависимый транспорт кислоты был проверен, и постулированный протонный насос очищен. [15] [16] С успешным культивированием остеокластов стало очевидно, что они организованы для поддержки массивного транспорта протонов для подкисления отсека резорбции и солюбилизации костного минерала. Это включает проницаемость гофрированной границы Cl − для контроля мембранного потенциала и базолатеральный обмен Cl − /HCO 3 − для поддержания цитозольного pH в физиологически приемлемых диапазонах. [17] [18] [19]

Эффективность его ионной секреции зависит от того, образует ли остеокласт эффективное уплотнение вокруг отсека резорбции. Позиционирование этой «зоны уплотнения», по-видимому, опосредовано интегринами, экспрессируемыми на поверхности остеокласта. [20] При наличии зоны уплотнения многоядерный остеокласт реорганизуется. Развитие высоко инвагинированной гофрированной мембраны, противостоящей отсеку резорбции, обеспечивает массивную секреторную активность. Кроме того, это обеспечивает везикулярный трансцитоз минерала и деградированного коллагена из гофрированной границы в свободную мембрану клетки и его высвобождение во внеклеточный отсек. [21] [22] Эта активность завершает резорбцию кости, и как минеральные компоненты, так и фрагменты коллагена высвобождаются в общий кровоток.

Регулирование

Остеокласты регулируются несколькими гормонами , включая паратиреоидный гормон (ПТГ) из паращитовидной железы, кальцитонин из щитовидной железы и фактор роста интерлейкин 6 (ИЛ-6). Этот последний гормон, ИЛ-6 , является одним из факторов заболевания остеопорозом . Остеопороз возникает, когда существует дисбаланс между активностью резорбции костной ткани остеокластами и активностью формирования костной ткани остеобластами. [23]

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

Одонтокласт

Одонтокласт — это остеокласт , связанный с абсорбцией корней молочных зубов . [2] [3] [4]

Альтернативное использование термина

Остеокласт также может быть инструментом, используемым для перелома и вправления костей (происхождение от греческого osteon : кость и klastos : сломанный). Чтобы избежать путаницы, клетку изначально называли осотокластом. Когда хирургический инструмент вышел из употребления, клетка стала известна под своим нынешним названием.

Клиническое значение

Гигантские остеокласты могут возникать при некоторых заболеваниях, включая болезнь костей Педжета и отравление бисфосфонатами .

У кошек аномальная активность одонтокластов может вызвать одонтокластические резорбтивные поражения , требующие удаления пораженных зубов.

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

История

Остеокласты были открыты Кёлликером в 1873 году. [12]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Медицинская гистология Лаика Хуссейна Сиддики (6-е издание)
  2. ^ ab "Odontoclast". Farlex, Бесплатный словарь. 2007. Получено 06.11.2013 .
  3. ^ ab Wang Z, McCauley LK (март 2011 г.). «Остеокласты и одонтокласты: сигнальные пути развития и заболевания». Oral Diseases . 17 (2): 129–42. doi : 10.1111/j.1601-0825.2010.01718.x . PMID  20659257.
  4. ^ ab Chatterjee K (1 декабря 2006 г.). Основы гистологии полости рта. Jaypee Brothers Publishers. стр. 155. ISBN 978-81-8061-865-9.[ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ Piper K, Boyde A, Jones SJ (1992). «Взаимосвязь между числом ядер остеокласта и его резорбтивной способностью in vitro». Анатомия и эмбриология . 186 (4): 291–9. doi :10.1007/BF00185977. PMID  1416078. S2CID  7570118.
  6. ^ Basle MF, Mazaud P, Malkani K, Chretien MF, Moreau MF, Rebel A (1988). «Выделение остеокластов из костной ткани Педжета: морфометрия и цитохимия изолированных клеток». Bone . 9 (1): 1–6. doi :10.1016/8756-3282(88)90020-8. PMID  2837260.
  7. ^ Джейн Н., Вайнштейн РС (2009). «Гигантские остеокласты после длительной терапии бисфосфонатами: диагностические проблемы». Nat Rev Rheumatol . 5 (6): 341–6. doi :10.1038/nrrheum.2009.87. PMC 2860596. PMID 19491914  . 
  8. ^ Standring S, ред. (2005). Анатомия Грея (39-е изд.). Elsevier.
  9. ^ Holtrop ME, King GJ (1977). «Ультраструктура остеокласта и ее функциональные последствия». Клиническая ортопедия и смежные исследования . 123 (123): 177–96. doi : 10.1097/00003086-197703000-00062 . PMID  856515. S2CID  30010574. Архивировано (PDF) из оригинала 25 марта 2024 г.
  10. ^ Väänänen HK, Zhao H, Mulari M, Halleen JM (февраль 2000 г.). «Клеточная биология функции остеокластов». Journal of Cell Science . 113 (3): 377–81. doi : 10.1242/jcs.113.3.377 . PMID  10639325.
  11. ^ SL Teitelbaum (2000), «Резорбция костей 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, дифференциация и гормональная регуляция». Physiological Reviews . 66 (4): 855–86. doi :10.1152/physrev.1986.66.4.855. PMID  3532144.
  13. ^ Мишу, Летиция; Нуман, Мохамед; Эмиабль, Натали; Браун, Жак П. (2015). «Болезнь Педжета костей: остеоиммунологическое расстройство?». Drug Design, Development and Therapy . 9 : 4695–707. doi : 10.2147/DDDT.S88845 . PMC 4544727. PMID  26316708 . 
  14. ^ Нуман, Мохамед; Браун, Жак; Мишу, Летиция (2015). «Влияние загрязнителей воздуха на окислительный стресс при распространенных заболеваниях старения, опосредованных аутофагией». Международный журнал исследований окружающей среды и общественного здравоохранения . 12 (2): 2289–2305. doi : 10.3390/ijerph120202289 . PMC 4344726. PMID  25690002 . 
  15. ^ Blair HC, Teitelbaum SL, Ghiselli R, Gluck S (август 1989). «Остеокластическая резорбция кости поляризованным вакуолярным протонным насосом». Science . 245 (4920): 855–7. Bibcode :1989Sci...245..855B. doi :10.1126/science.2528207. PMID  2528207.
  16. ^ Mattsson JP, Schlesinger PH, Keeling DJ, Teitelbaum SL, Stone DK, Xie XS (октябрь 1994 г.). «Выделение и восстановление протонного насоса вакуолярного типа мембран остеокластов». Журнал биологической химии . 269 (40): 24979–82. doi : 10.1016/S0021-9258(17)31485-0 . PMID  7929181.
  17. ^ Teti A, Blair HC, Teitelbaum SL, Kahn AJ, Koziol C, Konsek J, Zambonin-Zallone A, Schlesinger PH (январь 1989). «Регулирование цитоплазматического pH и обмен хлорида/бикарбоната в остеокластах птиц». Журнал клинических исследований . 83 (1): 227–33. doi :10.1172/jci113863. PMC 303666. PMID  2910910 . 
  18. ^ Blair HC, Teitelbaum SL, Tan HL, Koziol CM, Schlesinger PH (июнь 1991 г.). "Пассивный заряд проницаемости хлорида, связанный с H(+)-АТФазой мембраны остеокласта птиц с гофрированной поверхностью". The American Journal of Physiology . 260 (6 Pt 1): C1315-24. doi :10.1152/ajpcell.1991.260.6.C1315. PMID  1829326.
  19. ^ Schlesinger PH, Blair HC, Teitelbaum SL, Edwards JC (июль 1997 г.). «Характеристика хлоридного канала остеокластной гофрированной границы и его роль в резорбции костей». Журнал биологической химии . 272 ​​(30): 18636–43. doi : 10.1074/jbc.272.30.18636 . PMID  9228032.
  20. ^ Väänänen HK, Zhao H, Mulari M, Halleen JM (февраль 2000 г.). «Клеточная биология функции остеокластов». Journal of Cell Science . 113 (Pt 3) (3): 377–81. doi :10.1242/jcs.113.3.377. PMID  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. ^ Nesbitt SA, Horton MA (апрель 1997 г.). «Транспортировка матричных коллагенов через остеокласты, резорбирующие кость». Science . 276 (5310): 266–9. doi :10.1126/science.276.5310.266. PMID  9092478.
  23. ^ Дэнс, Эмбер (23 февраля 2022 г.). «Забавные факты о костях: больше, чем просто строительные леса». Knowable Magazine . doi : 10.1146/knowable-022222-1 . Получено 8 марта 2022 г. .
  24. ^ Schoppet M, Preissner KT, Hofbauer LC (апрель 2002 г.). «Лиганд RANK и остеопротегерин: паракринные регуляторы метаболизма костей и сосудистой функции». Артериосклероз, тромбоз и сосудистая биология . 22 (4): 549–53. doi : 10.1161/01.ATV.0000012303.37971.DA . PMID  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.biomaterials.2022.121903. ISSN  1878-5905. PMC 10148651. PMID 36410109  . 

Внешние ссылки