stringtranslate.com

Остеоцит

Остеоцит , сплющенный тип костной клетки с дендритными отростками, является наиболее часто встречающейся клеткой в ​​зрелой кости. Он может жить столько же, сколько и 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 могут далее дифференцироваться в остеоциты). [1] Остеобласты/остеоциты развиваются в мезенхиме .

В зрелых костях остеоциты и их отростки находятся внутри пространств, называемых лакунами (лат. ямка ) и канальцами , соответственно . [ 1] Остеоциты — это просто остеобласты, заключенные в матрицу, которую они секретируют. Они соединены друг с другом посредством длинных цитоплазматических отростков, которые занимают крошечные каналы, называемые канальцами, которые используются для обмена питательными веществами и отходами через щелевые соединения .

Хотя остеоциты имеют сниженную синтетическую активность и (как и остеобласты) не способны к митотическому делению, они активно участвуют в рутинном обороте костного матрикса посредством различных механосенсорных механизмов. Они разрушают кость посредством быстрого, кратковременного (относительно остеокластов ) механизма, называемого остеоцитарным остеолизом . Гидроксиапатит , карбонат кальция и фосфат кальция откладываются вокруг клетки.

Структура

Остеоциты имеют звездчатую форму, приблизительно 7 микрометров в глубину и ширину и 15 микрометров в длину. [3] Тело клетки варьируется по размеру от 5 до 20 микрометров в диаметре и содержит 40–60 клеточных отростков на клетку, [4] с расстоянием между клетками от 20 до 30 микрометров. [3] Зрелый остеоцит содержит одно ядро, которое расположено по направлению к сосудистой стороне и имеет 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 по направлению к поверхностям костей в окружных пластинках или по направлению к гаверсову каналу и внешней цементной линии, типичной для остеонов в концентрической пластинчатой ​​кости. [5] Остеоциты образуют обширную лакуноканаликулярную сеть внутри минерализованного коллагенового матрикса I типа, при этом тела клеток располагаются внутри лакун, а клеточные/дендритные отростки — внутри каналов, называемых канальцами. [6]

Остеоцит в кости крысы, обнаруженный путем травления смоляной заливки

Разработка

Ископаемые останки показывают, что остеоциты присутствовали в костях бесчелюстных рыб 400–250 миллионов лет назад. [7] Было показано, что размер остеоцитов коррелирует с размером генома; и эта связь использовалась в палеогеномных исследованиях. [8]

Во время формирования кости остеобласт остается позади и закапывается в костную матрицу 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: матричные металлопротеиназы (ММП), белок дентинного матрикса 1 (DMP-1), фактор остеобластов/остеоцитов 45 (OF45), Klotho , индуцируемый фактор 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, поскольку остеоциты замедляют производство матрикса, и закапываются соседними остеобластами, которые продолжают активно производить матрикс. [10]

Электронное изображение HAADF-STEM созревающего остеоцита (преостеоцита или остеоидного остеоцита) на поверхности кости, появляющегося прямо над остеобластоподобными клетками-предшественниками (декальцинированный матрикс). Обратите внимание на удлиненные клеточные отростки, окруженные матриксом коллагена I типа и уже пересекающие пластинчатые границы, поскольку коллаген (и в конечном итоге минерал) продолжает погребать клетку.

Палумбо и др. (1990) различают три типа клеток от остеобласта до зрелого остеоцита: преостеоцит типа I (остеобластический остеоцит), преостеоцит типа II (остеоидный остеоцит) и преостеоцит типа III (частично окруженный минеральным матриксом). [10] Встроенный «остеоид-остеоцит» должен выполнять две функции одновременно: регулировать минерализацию и формировать соединительные дендритные отростки, что требует расщепления коллагена и других молекул матрикса. [11] Трансформация из подвижного остеобласта в захваченный остеоцит занимает около трех дней, и за это время клетка производит объем внеклеточного матрикса, в три раза превышающий ее собственный клеточный объем, что приводит к 70%-ному уменьшению объема тела клетки зрелого остеоцита по сравнению с исходным объемом остеобласта. [12] Клетка претерпевает драматическую трансформацию из многоугольной формы в клетку, которая расширяет дендриты в направлении фронта минерализации, за которым следуют дендриты, которые расширяются либо в сосудистое пространство, либо в поверхность кости. [11] Когда остеобласт переходит в остеоцит, щелочная фосфатаза 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 дифференциацию остеобластов в остеоциты, а гипоксия остеоцитов может играть роль в резорбции кости, вызванной неиспользованием. [13]

Функция

Хотя остеоциты являются относительно инертными клетками, они способны к молекулярному синтезу и модификации, а также к передаче сигналов на большие расстояния, подобно нервной системе. [6] Они являются наиболее распространенным типом клеток в костях (31 900 на кубический миллиметр в бычьей кости и 93 200 на кубический миллиметр в крысиной кости). [6] Большинство рецепторных активностей, которые играют важную роль в функционировании костей, присутствуют в зрелом остеоците. [6]

Остеоциты являются важным регулятором костной массы. [14] [15] Остеоциты содержат транспортеры глутамата, которые производят факторы роста нервов после перелома кости, что свидетельствует о системе восприятия и передачи информации. [6] Когда остеоциты были экспериментально разрушены, кости показали значительное увеличение резорбции кости, снижение костеобразования, потерю трабекулярной кости и потерю реакции на разгрузку. [6]

Остеоциты — это механосенсорные клетки, которые контролируют активность остеобластов и остеокластов [15] в пределах базовой многоклеточной единицы (БМЕ), временной анатомической структуры, где происходит ремоделирование кости. [16] Остеоциты генерируют ингибирующий сигнал, который передается через их клеточные отростки остеобластам для привлечения и обеспечения формирования кости. [17]

Остеоциты также являются ключевым эндокринным регулятором метаболизма минералов, таких как фосфаты. [14] Было показано, что специфические для остеоцитов белки, такие как склеростин, функционируют в минеральном метаболизме, 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 перемещается по кровотоку, чтобы вызвать высвобождение фосфора почками. Без достаточного количества фосфора кости и зубы размягчаются, а мышцы становятся слабыми, как при Х-сцепленной гипофосфатемии . [14] [18] [15] [13]

Склеростин

Остеоциты синтезируют склеростин , секретируемый белок, который ингибирует формирование костей путем связывания с корецепторами LRP5/LRP6 и притупления сигнала Wnt. [15] [7] Склеростин, продукт гена SOST , является первым посредником связи между остеоцитами, остеобластами, формирующими кость, и остеокластами, резорбирующими кость, что имеет решающее значение для ремоделирования костей. [19] Только остеоциты экспрессируют склеростин, который действует паракринным образом, ингибируя формирование костей. [19] Склеростин ингибируется паратиреоидным гормоном (ПТГ) и механической нагрузкой. [19] Склеростин противодействует активности BMP (костного морфогенетического белка), цитокина, который индуцирует формирование костей и хрящей. [16]

Патофизиология

Остеонекроз относится к классической модели гибели клеток и сложным процессам остеогенеза и резорбции кости. Некроз остеоцитов (ОН) начинается с некроза кроветворных и адипоцитарных клеток вместе с интерстициальным отеком костного мозга. ОН происходит примерно через 2–3 часа аноксии; гистологические признаки остеоцитарного некроза не проявляются примерно через 24–72 часа после гипоксии. ОН сначала характеризуется пикнозом ядер, за которым следуют полые лакуны остеоцитов. Капиллярная реваскуляризация и реактивная гиперемия в незначительной степени происходят на периферии участка некроза, за которыми следует процесс восстановления, сочетающий как резорбцию кости, так и ее производство, который не полностью заменяет мертвую кость живой. Новая кость накладывается на мертвые трабекулы вместе с фрагментарной резорбцией мертвой кости. Резорбция кости превосходит ее формирование, что приводит к чистому удалению кости, нарушению структурной целостности субхондральных трабекул, несоответствию суставов и субхондральному перелому. [20]

Клиническое значение

Было описано клинически важное исследование гелевой in vitro 3D-модели остеоцитарного потенциала человеческих стволовых клеток CD34 +. Результаты подтверждают, что человеческие стволовые клетки CD34+ обладают уникальным остеогенным потенциалом дифференциации и могут использоваться для ранней регенерации поврежденной кости. [21] Остеоциты погибают 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 выделяют апоптотические тельца, экспрессирующие RANKL, для привлечения остеокластов. [11]

Механическая нагрузка увеличивает жизнеспособность остеоцитов in vitro и способствует транспорту растворенных веществ через лакуно-каналикулярную систему в кости, что усиливает обмен кислородом и питательными веществами и диффузию к остеоцитам. [23] Было показано, что разгрузка скелета вызывает гипоксию остеоцитов in vivo , когда остеоциты подвергаются апоптозу и привлекают остеокласты для резорбции кости. [23] Микроповреждения в кости возникают в результате повторяющихся событий циклической нагрузки и, по-видимому, связаны с гибелью остеоцитов в результате апоптоза, который, по-видимому, секретирует сигнал, направляемый остеокластам для выполнения ремоделирования в поврежденном месте. [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-CSF, увеличивается, резорбция кости затем усиливается, что приводит к общей потере костной массы. [23]

Механическая стимуляция остеоцитов приводит к открытию полуканалов для высвобождения ПГЕ2 и АТФ, среди других биохимических сигнальных молекул, которые играют решающую роль в поддержании баланса между образованием и резорбцией костей. [24] Гибель клеток 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 сигнализировать о восстановлении. [11] [25] Было показано, что кислородное голодание, которое происходит в результате иммобилизации (постельного режима), лечения глюкокортикоидами и прекращения подачи кислорода, способствует апоптозу остеоцитов. [11] В настоящее время признано, что остеоциты по-разному реагируют на присутствие имплантированных биоматериалов. [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Tate, ML; Adamson, JR; Tami, AE; Bauer, TW (2004). «Клетки в фокусе, остеоцит». Международный журнал биохимии и клеточной биологии . 36 (1): 1–8. doi :10.1016/S1357-2725(03)00241-3. PMID  14592527.
  2. ^ Буэнцли, Паскаль Р.; Симс, Натали А. (2015-06-01). «Количественная оценка сети остеоцитов в скелете человека». Bone . 75 : 144–150. doi :10.1016/j.bone.2015.02.016. ISSN  1873-2763. PMID  25708054.
  3. ^ ab Sugawara, Y; Kamioka, H; Honjo, T; Tezuka, K; Takano-Yamamoto, T (2005). «Трехмерная реконструкция остеоцитов свода черепа цыпленка и их клеточных процессов с использованием конфокальной микроскопии». Bone . 36 (5): 877–83. doi :10.1016/j.bone.2004.10.008. PMID  15820146.
  4. ^ Танака-амиока, К; Камиока, Х; Рис, Х; Лим, СС (1998). «Форма остеоцитов зависит от актиновых нитей, а отростки остеоцитов — это уникальные богатые актином выступы». J. Bone Miner. Res . 13 (10): 1555–68. doi : 10.1359/jbmr.1998.13.10.1555 . PMID  9783544. S2CID  5972946.
  5. ^ ab Dudley, HR; Spiro, D (1961). «Тонкая структура костных клеток». Журнал биофизической и биохимической цитологии . 11 (3): 627–649. doi :10.1083/jcb.11.3.627. PMC 2225143. PMID  19866598 . 
  6. ^ abcdefgh Noble, SN (2008). «Линия остеоцитов». Архив биохимии и биофизики . 473 (2): 106–111. doi :10.1016/j.abb.2008.04.009. PMID  18424256.
  7. ^ ab Divieti Pajevic, P (2009). «Регуляция резорбции костей и минерального гомеостаза остеоцитами». IBMS BoneKEy . 6 (2): 63–70. doi :10.1138/20090363.
  8. ^ Орган, CL; Шедлок, AM; Мид, A.; Пейджел, M.; Эдвардс, SV (2007). «Происхождение размера и структуры генома птиц у нептичьих динозавров». Nature . 446 (7132): 180–184. Bibcode :2007Natur.446..180O. doi :10.1038/nature05621. PMID  17344851. S2CID  3031794.
  9. ^ Палумбо, Карла; Палаццини, Сильвана; Заффе, Давиде; Маротти, Гастоне (1990). «Дифференциация остеоцитов в большеберцовой кости новорожденного кролика: ультраструктурное исследование формирования цитоплазматических отростков». Клетки Ткани Органы . 137 (4): 350–358. doi :10.1159/000146907. PMID  2368590.
  10. ^ ab Франц-Одендаль, Т; Холл, Б; Виттен, П.Е. (2006). «Похороненные заживо: как остеобласты становятся остеоцитами». Динамика развития . 235 (1): 176–190. doi : 10.1002/dvdy.20603 . PMID  16258960. S2CID  42563087.
  11. ^ abcdefg Боневальд, Л (2011). «Удивительный остеоцит». Журнал исследований костей и минералов . 26 (2): 229–238. doi :10.1002/jbmr.320. PMC 3179345. PMID 21254230  . 
  12. ^ Палумбо, К (1986). «Трехмерное ультраструктурное исследование остеоид-остеоцитов в большеберцовой кости куриных эмбрионов». Cell and Tissue Research . 246 (1): 125–131. doi :10.1007/bf00219008. PMID  3779795. S2CID  12594545.
  13. ^ abc Даллас, SL; Боневальд, L (2010). «Динамика перехода от остеобласта к остеоциту». Ann NY Acad Sci . 1192 (1): 437–443. Bibcode : 2010NYASA1192..437D. doi : 10.1111/j.1749-6632.2009.05246.x. PMC 2981593. PMID  20392270 . 
  14. ^ abc Dance, Amber (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. .
  15. ^ abcde Роблинг, Александр Г.; Боневальд, Линда Ф. (10 февраля 2020 г.). «Остеоцит: новые идеи». Annual Review of Physiology . 82 (1): 485–506. doi : 10.1146/annurev-physiol-021119-034332. hdl : 1805/30982. ISSN  0066-4278. PMC 8274561. PMID  32040934. Получено 8 марта 2022 г. 
  16. ^ аб побежал Безойен Рл, Ран; Папапулос, SE; Хамди, Северная Каролина; тен Дейке, П; Ловик, К. (2005). «Контроль костеобразования остеоцитами». BoneKEy-Остеовидение . 2 (12): 33–38.
  17. ^ Marotti, G; Ferretti, M; Muglia, MA; Palumbo, C; Palazzani, SA (1992). «Количественная оценка взаимоотношений остеобластов и остеоцитов на растущей эндостальной поверхности большеберцовых костей кролика». Bone . 13 (5): 363–368. doi :10.1016/8756-3282(92)90452-3. PMID  1419377.
  18. ^ "Мягкие и слабые кости? Вы слышали о Х-сцепленной гипофосфатемии (XLH)? Узнайте больше об этом заболевании и его симптомах". XLHLink . Получено 9 марта 2022 г. .
  19. ^ abc Bellido, T (2007). «Апоптоз остеоцитов вызывает резорбцию костей и ухудшает реакцию скелета на невесомость». BoneKEy-Osteovision . 4 (9): 252–256. doi :10.1138/20070272.
  20. ^ Нахайан, Ахмед; АльЭсса, Ахмед М. (2021), «Гистология, остеоциты», StatPearls , Treasure Island (FL): StatPearls Publishing, PMID  32644416 , получено 24.06.2021
  21. ^ Шрикант, Локанатан; Сунита, Манне Мудху; Кумар, Пасупулети Сантош; Чандрасекхар, Чодимелла; Венгамма, Бхума; Сарма, Потукучи Венката Гурунадха Кришна (ноябрь 2016 г.). «3D-модель in vitro на основе геля, исследующая остеоцитарный потенциал стволовых клеток CD34 + человека». Отчеты по молекулярной биологии . 43 (11): 1233–1242. дои : 10.1007/s11033-016-4053-4. ISSN  1573-4978. PMID  27497820. S2CID  13230517.
  22. ^ Томкинсон, А.; Рив, Дж.; Шоу, Р.В.; Нобл, Б.С. (1997). «Смерть остеоцитов через апоптоз сопровождает отмену эстрогена в костях человека». Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 82 (9): 3128–3135. doi : 10.1210/jcem.82.9.4200 . PMID  9284757.
  23. ^ abcde Heino, TJ; Kurata, K; Higaki, H; Vaananen, K (2009). «Доказательства роли остеоцитов в инициировании целенаправленного ремоделирования». Технологии и здравоохранение . 17 (1): 49–56. doi :10.3233/THC-2009-0534. PMID  19478405.
  24. ^ Burra, S; Nicolella, DP; Jiang, JX (2011). «Темная лошадка в биологии остеоцитов». Коммуникативная и интегративная биология . 4 (1): 48–50. doi :10.4161/cib.13646. PMC 3073269. PMID  21509177 . 
  25. ^ Карпентье, VT; Вонг, J; Йип, Y; Ган, C; Саттон-Смит, P; Бадией, A; Фаззалари, NL; Куливаба, JS (2012). «Увеличение доли гиперминерализованных лакун остеоцитов в остеопоротической и остеоартритической трабекулярной кости человека: последствия для ремоделирования кости». Bone . 50 (3): 688–694. doi :10.1016/j.bone.2011.11.021. PMID  22173055.
  26. ^ Шах, ФА; Томсен, П.; Палмквист, А. (4 июня 2018 г.). «Обзор воздействия имплантационных биоматериалов на остеоциты». Журнал стоматологических исследований . 97 (9): 977–986. doi :10.1177/0022034518778033. PMC 6055115. PMID  29863948 . 

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Остеоциты .