Химический состав кости человека таблица: Строение и состав кости

Содержание

Строение и состав кости — урок. Биология, Человек (8 класс).

Кость — основная структурная единица скелета.

В образовании кости основная роль принадлежит соединительной костной ткани.

Костная ткань включает:

клетки — остеоциты;
и межклеточное вещество.

Межклеточное вещество очень плотное, что придаёт костной ткани механическую прочность.

Остеоциты окружены мельчайшими «канальцами» с межклеточной жидкостью, через которую происходит питание и дыхание костных клеток. В костных каналах проходят нервы и кровеносные сосуды.

Твёрдость костям придаёт наличие в их составе неорганических веществ: минеральных солей фосфора, кальция, магния.

Гибкость и упругость придают органические вещества.

Прочность кости обеспечивается сочетанием твёрдости и упругости.

Большей гибкостью обладают кости растущего организма, большей прочностью — кости взрослого (но не старого) человека.

Состав кости и свойства веществ, входящих в её состав, можно экспериментально доказать.

Сжиганием:

при длительном прокаливании кости органические соединения сгорают. Кость становится хрупкой, рассыпается при прикосновении на множество мелких частиц. Остатки состоят из неорганических соединений. Значит, в отсутствие органических веществ кость теряет гибкость и упругость.
Погружением в раствор соляной кислоты на несколько дней:

неорганические соли растворяются в соляной кислоте и вымываются из кости. Кость становится гибкой, её можно завязать в узел. Значит, при отсутствии неорганических солей кость теряет твёрдость.

Каждая кость — сложный орган.

По форме кости разделяют на:

трубчатые;

губчатые;

плоские;

смешанные.

Рассмотрим строение трубчатых костей на примере бедренной кости.
Во внешнем строении длинной трубчатой кости можно выделить тело кости (диафиз) и две концевые суставные головки (эпифизы).

Эпифизы трубчатой кости покрыты хрящом.

Между телом и головками расположен эпифизарный хрящ, обеспечивающий рост кости в длину.

Внутри кости находится полость (канал) с жёлтым костным мозгом (жировой тканью), что и дало название таким костям — трубчатые.

Эпифизы бедренной кости представлены губчатым веществом.

Тело кости (диафиз) внутри образовано губчатым веществом, снаружи — толстой пластинкой компактного вещества и покрыто оболочкой — надкостницей.

В надкостнице расположены кровеносные сосуды и нервные окончания, благодаря чему она обеспечивает рост кости в толщину, питание, срастание костей после переломов. На суставных головках (эпифизах) надкостница отсутствует.

Химическое строение кости

Опорно-двигательная система обеспечивает передвижение тела или его частей в пространстве. Она состоит из скелета и скелетных мышц. С помощью скелета тело сохраняет определённую форму. Он обеспечивает опору всей массе тела. К нему прикреплены внутренние органы. Скелет защищает их от механических и других повреждений: например, в черепе размещаются головной мозг и органы чувств, в позвоночнике — спинной мозг.

Кости имеют сложное строение и химический состав. В живом организме они содержат 50% воды, 28% органических веществ (в том числе 15% белков и 10% жиров) и 22% неорганических — минеральных веществ, представленных соединениями Кальция (99% всех минеральных веществ), Фосфора, Магния и других элементов. Обезжиренная и высушенная кость на 30% состоит из органических, на 60% — из неорганических веществ и на 10% — из воды.

Кости на треть состоят из клеток, а на две трети — из межклеточного вещества. Они очень крепкие. Например, бедренная кость может выдержать нагрузку до 1500 кг. Кости не только твёрдые, но и упругие благодаря волокнистым белкам межклеточного вещества. Существует определённая возрастная взаимосвязь между количеством белков и минеральных веществ в костях. Например, у детей кости более эластичны, потому что в них содержится больше белка оссеина (с латин. кость), чем минеральных веществ. У пожилых людей, напротив, содержание минеральных веществ больше. Из-за этого их кости имеют меньшую упругость и чаще ломаются при травмах.

Клетки кости (рис.), называемые остеоцитами (с гр. кость и клетка), принимают участие в построении костной ткани. Остеоциты располагаются концентрически, образовывая круговые системы (остеоны).

Микроскопическое строение кости: 1 — надкостница; 2 — кольцевые системы; 3 — костные клетки; 4 — компактная костная ткань; 5 — губчатая костная ткань; 6 — кровеносные сосуды и нервы; 7 — суставные поверхности, покрытые хрящом; 8 — головки трубчатой кости; 9 — тело трубчатой кости

Химический состав костей человека. Каков химический состав костей?

Со школьных уроков по химии каждому известно, что человеческий организм содержит в себе практически все элементы из периодической таблицы Д. И. Менделеева. Процентное содержание некоторых весьма значительно, а другие присутствуют лишь в следовых количествах. Но каждый из химических элементов, находящихся в организме, выполняет свою важную роль. В человеческом теле минеральные вещества содержатся в виде солей, органические представлены как углеводы, белки и прочие. Дефицит или избыток какого-либо из них приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности.

В химический состав костей входит ряд элементов и их веществ, в больше степени это соли кальция и коллаген, а также другие, процентное содержание которых значительно меньше, но роль их не менее значима. Прочность и здоровье скелета зависит от сбалансированности состава, который, в свою очередь, определяется множеством факторов, начиная от здорового питания и заканчивая экологической обстановкой окружающей среды.

Соединения, формирующие скелет

В химический состав костей входят вещества органического и неорганического происхождения. Ровно половина массы – это вода, остальные 50% делят оссеин, жир и известковые, фосфорные соли кальция и магния, а также хлористый натрий. На минеральную часть приходится порядка 22%, а органическая, представленная белками, полисахаридами, лимонной кислотой и ферментами, заполняет примерно 28%. В костях содержится 99% кальция, который есть в человеческом теле. Схожий компонентный состав имеют зубы, ногти и волосы.

Превращения в различных средах

В анатомической лаборатории можно провести следующий анализ, чтобы подтвердить химический состав костей. Для определения органической части ткань подвергают действию раствора кислоты средней силы, например, соляной, концентрации порядка 15%. В образовавшейся среде происходит растворение солей кальция, а оссеиновый «скелет» остаётся нетронутым. Такая кость приобретает максимальное свойство эластичности, её в прямом смысле можно завязать в узел.

Неорганическую компоненту, входящую в химический состав костей человека, можно выделить путём выжигания органической части, она легко окисляется до углекислого газа и воды. Минеральный остов характеризуется прежней формой, но крайней хрупкостью. Малейшее механическое воздействие — и он просто рассыплется.

При попадании костей в почву бактерии перерабатывают органическое вещество, а минеральная часть полностью пропитывается кальцием и превращается в камень. В местах, где нет доступа влаги и микроорганизмов, ткани со временем подвергаются естественной мумификации.

Через микроскоп

Любой учебник по анатомии расскажет про химический состав и строение костей. На клеточном уровне ткань определяется как особый тип соединительной. В основе лежат коллагеновые волокна, окруженные пластинками, составленными из кристаллического вещества – минерала кальция – гидроксилаппатита (основного фосфата). Параллельно располагаются звёздоподобные пустоты, содержащие костные клетки и кровеносные сосуды. Благодаря своему уникальному микроскопическому строению такая ткань отличается удивительной легкостью.

Основные функции соединений разной природы

Нормальная работа опорно-двигательной системы зависит от того, каков химический состав костей, в достаточном ли количестве содержатся органические и минеральные вещества. Известковые и фосфорные соли кальция, которые составляют 95% неорганической части скелета, и некоторые другие минеральные соединения определяют свойство твёрдости и прочности кости. Благодаря им ткань устойчива к серьёзным нагрузкам.

Коллагеновая компонента и её нормальное содержание отвечают за такую функцию, как упругость, устойчивость к сжатию, растяжению, перегибу и прочим механическим воздействиям. Но только в согласованном «союзе» органика и минеральная составляющая обеспечивают костной ткани те уникальные свойства, которыми она обладает.

Состав костей в детском возрасте

Процентное соотношение веществ, говорящее о том, каков химический состав костей человека, может варьироваться у одного и того же представителя. В зависимости от возраста, образа жизни и других факторов влияния, количество тех или иных соединений может меняться. В частности, у детей костная ткань только формируется и состоит в большей степени из органической компоненты — коллагена. Поэтому скелет ребёнка более гибкий и эластичный.

Для правильного формирования тканей ребёнка крайне важно потребление витаминов. В частности, такого, как Д₃. Только в его присутствии химический состав костей в полной мере пополняется кальцием. Дефицит этого витамина может привести к развитию хронических заболеваний и излишней хрупкости скелета из-за того, что ткань вовремя не наполнилась солями Са²⁺.

Скелет взрослого

Химический состав костей человека, прошедшего подростковый возраст, значительно отличается от детского. Теперь соотношение минеральной и оссеиновой частей примерно сравниваются. Исчезает особая гибкость костной ткани, зато прочность скелета за счёт неорганической составляющей увеличивается в разы. Физические свойства её сравнимы с железобетонной конструкцией или чугуном, а упругость даже больше, чем у древесины дуба.

В полном объёме обеспечить сбалансированный химический состав костей человека (таблица, приведённая ниже, содержит данные о нормальном процентном содержании всех веществ, составляющих скелет) можно благодаря правильному образу жизни, рациональному питанию и заботе о здоровье.

Название или тип соединения	Процентное содержание	Название минерального соединения	Процентное содержание
Вода	50%	Фосфорнокислый кальций	85%
Жир	16%	Фосфористый кальций	9%
Органические 3вещества (оссеин)	12%	Углекислый кальций	3%
Неорганичекие вещества	22%	Фосфорнокислый магний	1,5%
		Хлористый натрий	0,25%
		Хлористый калий	0,25%
		Другие неорганические вещества	1%
Всего	100%		100%

Изменения химического состава костей у пожилых людей

Химический состав костей человека нарушается к старости, что приводит к серьёзным последствиям. Люди преклонного возраста жалуются на проблемы с опорно-двигательной системой, у них чаще случаются переломы, которые заживают дольше, чем у ребенка или взрослого. Это следствие увеличения содержания неорганических солей в составе скелета, их количество доходит до 80%. Нехватка коллагена, следовательно, уменьшение такого свойства, как упругость, приводит к тому, что кости становятся крайне хрупкими. Восстановление баланса возможно с помощью специальных медицинских препаратов, но всё равно этот процесс невозможно остановить или повернуть вспять. Такова физиологическая особенность организма.

Для здоровья и нормальной работы скелета необходимо с детства следить за правильным наполнением костной ткани всеми химическими элементами и соединениями, только в этом случае представляется возможность вести полноценный и активный образ жизни.

Состав костей человека — биология, уроки

Тема: Химический состав костей, внутреннее строение костей

Цель: формирование у учащихся понятия о составе, строении и свойствах кости.

Задачи:

Образовательная: формирование у учащихся понятий об особенностях строения, а так же о свойствах

Воспитательная: способствование формированию положительного отношения к знаниям, интереса и любознательности, формирования межличностных отношений через работу в группах.

Развивающая: развитие навыков и умений самостоятельной работы учащихся, умения анализировать, сравнивать, обобщать

Методы работы: объяснительно – иллюстративные, частично – поисковые,

словесные, наглядные, работа в группах,

ХОД УРОКА

Вводно-эмоциональный момент

Каждый из нас знает о существовании костей в нашем теле. В художественной литературе тоже часто встречается описание черепов и скелетов. Чаще всего они вносят в повествование атмосферу таинственности.

Старославянское слово «кощь» («кошть») означает «сухой». От него произошло слово «кость» и название персонажа русских сказок — Кощей Бессмертный. Такое имя ему отведено не случайно – кости надолго «переживают» человека и порой сохраняются в земле тысячелетиями, почти не изменяясь.

У женщин и мужчин неодинаковое процентное соотношение между тканями, слагающими их тела. Костная ткань — мужчины 15,1%; женщины 15,9%. В скелете человека из 206 костей 85 парных, 36 непарных. Кость тверже кирпича в 30 раз, гранита – в 2,5 раза.

Сегодня на уроке мы с вами попробуем ответить на вопросы:

— От чего зависит прочность кости?

— Костная ткань – живая или нет?

2. Активизация знаний учащихся

Фронтальный опрос

— Ребята, что такое опора? (Поддержка)

— Что поддерживает опорно-двигательная система? (Тело человека)

— Назовите отделы скелета. (Головной отдел, позвоночник, грудная клетка, плечевой пояс, верхние конечности, тазовый пояс, нижние конечности)

— Какие изгибы имеет позвоночник и какие функции он выполняет. (Шейный и поясничный лордозы — вперед, грудной и крестцовый кифозы – назад. Связано с вертикальным положением тела и выполняет функцию в ослаблении различных ударов, сотрясений и т.д.).

3. Изучение новой темы урока

1) «Химический состав кости»

а) значение органических веществ

б) значение неорганических веществ

2) Внутреннее строение костей

1. Организационный момент (приветствие учителя)

1 слайд

Вопрос к классу:

– Скажите, что нам помогает двигаться, прыгать, бегать, танцевать? (Опорно-двигательная система)
– Из чего же состоит опорно-двигательный аппарат? (Скелет и мышцы)

Записываем тему урока:

«Опорно-двигательная система. Строение костей».

Попробуйте ответить на вопрос: какую функцию выполняет скелет? Формулируем с учащимися функции скелета и записываем в тетрадь.

1. Опора тела и скелета

Опорная функция – проявляется в том, что кости скелета и мышцы образуют прочный каркас, определяющий положение внутренних органов и не дающий им возможности смещаться.

2. Двигательная

Осуществляет перемещение тела и его частей в пространстве.

2. Защитная

Кости скелета защищают органы от травм

4. Обмен веществ

В костях находится основной запас минеральных солей: кальция, фосфора. Они используются организмом по мере необходимости, поэтому костная система принимает самое непосредственное участие в минеральном обмене. В костях находится красный костный мозг, участвующий в процессах кроветворения.

2 слайд

Рассмотрите на слайде разные по форме кости. Попытайтесь самостоятельно классифицировать кости по форме. На основании полученных ответов в тетради заполняем таблицу:

Форма костей

	Трубчатые длинные	Короткие трубчатые	Плоские	Смешанные
Примеры	Плечевая, бедренная	Кости пясти, плюсны, фаланги пальцев	Кости мозгового отдела черепа, кости таза, ребра, грудина	Позвонки, кости основания черепа

3 слайд

Строение трубчатой кости

– Рассмотрите строение трубчатой кости и назовите основные части? (Диафиз – удлиненная средняя часть, эпифиз – два утолщенных конца)

Учащиеся зарисовывают кость и подписывают основные части.

4 слайд

– Посмотрите фрагмент фильма и попробуйте ответить на вопрос: Какое значение имеет химический состав клетки?

(Придает костям прочность, упругость и эластичность)
– За счет, каких веществ это достигается? (Неорганические веществ – соли кальция и фосфора, органические вещества – белки, жиры, углеводы)
Неорганические вещества придают костям прочность, органические вещества – эластичность и упругость.

5 слайд

Подтвердить, что неорганические вещества придают прочность, а органические вещества придают упругость и эластичность поможет опыт.

Демонстрация опыта.

При прокаливании кости органические вещества обугливаются.
Обугливание – верный признак того, что органические вещества сгорели. Кость твердая, но хрупкая. Крошится в руках.
После обработки кости раствором соляной кислоты она способна гнуться во все стороны.

– Скажите, у кого быстрее ломаются кости у детей или стариков? И почему? (У стариков)

– С возрастом увеличивается содержание в кости неорганических веществ и уменьшается содержание органических.

У детей в костях содержится больше органических веществ. Их кости более упругие и эластичные. С возрастом в костях увеличивается содержание солей. В старости кости становятся хрупкими, из-за того, что в них содержание неорганических солей значительно превышает содержание эластичного компонента.

6 слайд

Внутреннее строение костей

– Рассмотрите рисунки на слайдах и скажите, какое внутреннее строение имеют кости?
Кости покрыты плотной соединительной тканью – надкостницей.
У каждой кости выделяют компактное (плотное) и губчатое вещество. Их количественное соотношение и распределение зависит от места кости в скелете и от ее функции.

– Посмотрите фрагмент фильма.

7 слайд

– Могут ли кости расти? Если могут, то в каком направлении?
– При переломах за счет чего происходит восстановление костей?

Учащиеся высказывают свои предположения.

Из высказанных предположений формулируем правильный ответ, и записывает в тетрадь.

4. Закрепление

а) прием горячий стул

б) задания на критическое мышление (работа в парах)

Задание №1

Определите, какие существуют типы костей.

Типы костей

По строению По длине

Плоские Трубчатые Короткие Длинные

Лопатка Кости конечностей Позвонки Ребро

Грудина Фаланги пальцев Берцовая кость

Задание №2

. Определите, что показано на рисунке, что можно сказать о структуре кости молодого организма и пожилого организма?

Задание №3

— Рассмотрите рисунок «Возрастные изменения состава кости»

Младенческий возраст Зрелый возраст Пожилой возраст

Органические Вода Минеральные соли

соединения

— Какой вывод можно сделать по возрастному составу кости?

в) прием «верные и неверные утверждения»

У человека примерно 220 костей?
У новорожденного костей гораздо больше?
Все кости покрыты надкостницей?
Грудная клетка образует тазовые кости, кости предплечья?
Костная ткань — это живая ткань?
В черепе могут быть соединения суставы?
Надкостница содержит кровеносные сосуды?
Позвонки относятся к трубчатым костям?
Органические вещества – это минеральные соли?
Вода входит в состав костей?
У ребенка больше неорганических веществ?
Позвонки, кости основания черепа – это смешанные кости?
Костная ткань это – разновидность мышечной ткани?
Кости защищают внутренние органы от травм?
С возрастом уменьшается содержание неорганических веществ?

Рефлексия

Ученикам даны карточки сигнальные карточки

Домашнее задание

№ 22,23

Разработка открытого урока по биологии

на школьном семинаре: «Использование эффективных методов и приемов в работе со слабоуспевающими учащимися».

в 8-Д классе

учитель: Бурнашева З.Ш.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОСТНОЙ ТКАНИ. «БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ», Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.

Изучение химического состава костной ткани сопряжено со значительными трудностями, поскольку для выделения органического матрикса требуется провести деминерализацию кости. Кроме того, содержание и состав органического матрикса подвержены значительным изменениям в зависимости от степени минерализации костной ткани.

Известно, что при продолжительной обработке кости в разведенных растворах кислот ее минеральные компоненты растворяются и остается гибкий мягкий органический остаток (органический матрикс), сохраняющий форму интактной кости. Межклеточный органический матрикс компактной кости составляет около 20%, неорганические вещества – 70% и вода – 10%. В губчатой кости преобладают органические компоненты, которые составляют более 50%, на долю неорганических соединений приходится 33–40%. Количество воды сохраняется в тех же пределах, что и в компактной кости (Ю.С. Касавина, В.П. Торбенко).

По данным А. Уайта и соавт., неорганические компоненты составляют около ¹/₄ объема кости; остальную часть занимает органический матрикс. Вследствие различий в относительной удельной массе органических и неорганических компонентов на долю нерастворимых минералов приходится половина массы кости.

Неорганический состав костной ткани. Более 100 лет назад было высказано предположение, что кристаллы костной ткани имеют структуру апатита. В дальнейшем это в значительной мере подтвердилось. Действительно, кристаллы кости относятся к гидроксилапатитам, имеют форму пластин или палочек и следующий химический состав – Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂. Кристаллы гидроксилапатита составляют лишь часть минеральной фазы костной ткани, другая часть представлена аморфным фосфатом кальция Са₃(РО₄)₂. Содержание аморфного фосфата кальция подвержено значительным колебаниям в зависимости от возраста. Аморфный фосфат кальция преобладает в раннем возрасте, в зрелой кости преобладающим становится кристаллический гидроксилапатит. Обычно аморфный фосфат кальция рассматривают как лабильный резерв ионов Са²⁺ и фосфата.

В организме взрослого человека содержится более 1 кг кальция, который почти целиком находится в костях и зубах, образуя вместе с фосфатом нерастворимый гидроксилапатит. Большая часть кальция в костях постоянно обновляется. Ежедневно кости скелета теряют и вновь восстанавливают примерно 700–800 мг кальция.

В состав минеральной фазы кости входит значительное количество ионов, которые обычно не содержатся в чистом гидроксилапатите, например ионы натрия, магния, калия, хлора и др. Высказано предположение, что в кристаллической решетке гидроксилапатита ионы Са²⁺ могут замещаться другими двухвалентными катионами, тогда как анионы, отличные от фосфата и гидроксила, либо адсорбируются на поверхности кристаллов, либо растворяются в гидратной оболочке кристаллической решетки.

Кости: строение, состав, типы костей, типы соединений и их характеристика | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

1. Охарактеризуйте строение и состав костей.

В состав костей входят минеральные и органические вещества. Минеральные вещества (в костях содержится весь фосфор и кальций организма, 0,5% магния и натрия) придают кости твердость, составляют 70% от массы костей. Кости способны отдавать минеральные вещества в кровь. Органические вещества придают кости эластичность и упругость, составляют 30% от массы костей. Кость состоит из всех видов тканей, но костная преобладает. Костная ткань — соединительная ткань, состоит из клеток (остеоциты, остеобласты, остеокласты) и межклеточного вещества (коллагеновые и осеиновые волокна). Кость покрыта надкостницей (соединительно-тканной оболочкой). Наружный слой состоит из коллагеновых волокон (придают прочность), здесь проходят нервы и кровеносные сосуды. Внутренний слой — костная ткань. В нем находятся клетки костной ткани, за счет которых происходит развитие, рост в толщину и регенерация костей после повреждения.

Функции надкостницы:

а) защитная;

б) трофическая;

в) костеобразующая.

Рост костей в толщину происходит за счет деления клеток внутренней поверхности надкостницы, в длину — за счет деления клеток хрящевых пластинок, расположенных вблизи концов костей.

На рост костей влияют гормоны роста, например гормоны, выделяемые гипофизом. Рост костей происходит до 22-25 лет. Замена старого костного вещества новым продолжается в течение всей жизни человека.

Чем больше нагрузка на скелет, тем активнее происходят процессы обновления костей и тем прочнее становится костное вещество.

2. Какие типы костей различают?

В зависимости от формы, строения, функции и развития выделяют 4 группы костей:

а) Трубчатые кости располагаются в отделах скелета, где совершаются движения с большой амплитудой (конечности). Делятся на длинные (плечо, предплечье, бедро, голень) и короткие (дистальная часть фаланги пальцев). Трубчатая кость состоит из диафиза (тело кости) и эпифиза. Внутри диафиза — полость, заполненная желтым костным мозгом. В эпифизе — красный костный мозг — орган кроветворения.

Трубчатые кости — основа скелета конечностей. Они очень прочны и способны выдерживать большую физическую нагрузку. Полость внутри костей, не снижая прочности, значительно уменьшает их массу.

б) Губчатые кости состоят из губчатого вещества, покрыты тонким слоем компактного. Длинные (ребра, грудина) и короткие (позвонки).

в) Плоские кости представляют собой 2 пластинки компактного костного вещества, между которыми — губчатое вещество (грудина, крыша черепа). Основная функция защитная.

г) Смешанные кости состоят из нескольких частей, имеющих разную функцию и развитие (кости основания черепа).

3. Какие типы соединения костей различают в скелете человека? Дайте характеристику каждому из них. Приведите примеры.

В скелете человека различают три типа соединения костей:

а) Неподвижные соединения образуются путем срастания костей (позвонки копчика). Кости черепа соединяются благодаря многочисленым выступам одной кости, входящим в углубления соответствующей формы и размера другой. Такое соединение носит название костного шва. Он обеспечивает большую прочность соединения костей черепа, защищающих мозг.

б) Полуподвижные соединения. Многие кости соединены между собой хрящевыми прокладками, обладающими упругостью и эластичностью. Например, хрящевые прокладки между позвонками обеспечивают гибкость позвоночника. Материал с сайта //iEssay.ru

в) Подвижные соединения — суставы. Наиболее типичный план строения сустава таков: на одной из сочленяющихся костей находится суставная впадина, куда входит головка другой кости. Суставная впадина и головка соответствуют друг другу по форме и размеру, а их поверхность покрыта слоем гладкого хряща. Суставные поверхности костей тесно соприкасаются друг с другом. Это обеспечивается наличием внутрисуставных связок — прочных тяжей из соединительной ткани. Сочленяющиеся поверхности костей окружены суставной сумкой. В ней находится небольшое количество слизистой жидкости, выполняющей роль смазки, которая уменьшает трение и обеспечивает скольжение головки одной кости в суставной впадине другой кости при движениях в суставе. Примеры: плечевой, тазобедренный суставы.

На этой странице материал по темам:

типы костей
4 группы костей
типы сочлинение костей
виды костей (примеры)
строение костей краткое содержание

Строение и состав костей, их форма и функции — Институт развития образования Еврейской автономной области

Автор: Галина Николаевна Сергушева, учитель биологии и химии МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 2 п. Николаевка»

Цель: изучить строение костей их химический состав и свойства.

Ход урока

Организационный момент
Опрос домашнего задания: работа по карточкам, устный опрос

1. Установите соответствие между типами соединения костей и примерами

Пример соединения костей	Тип соединения костей
А) Позвонки копчика	1) неподвижное
Б) тазобедренный сустав	2) подвижное
В) коленный сустав	3) полуподвижное
Г) кости мозгового отдела черепа
Д) позвонки шейного отдела позвоночника
Е) локтевой сустав

А	Б	В	Г	Д	Е

Функции опорно-двигательной системы:

1. Защитная 2. Двигательная 3. Выделительная 4. Регуляторная

В состав опорно-двигательной системы входят:

1. Кожа 2. Мышцы 3. Связки 4. Кости

Суставная головка и суставная впадина покрыты _________________ хрящом, сам сустав находится в суставной _____________ и укреплен
________________________
Подвижность сустава обеспечивается:

1. Формой суставной поверхности 2. Суставной жидкостью

3. Суставными связками 4. Суставной сумкой

3. Перечислите основные типы соединения костей

III. Изучение новой темы

1. Форма кости. О существовании костей в нашем теле знает каждый. Действует скелет и в сказках. Старославянское слово «кощь» («кошть») означает «сухой». От него произошло слово «кость» и название персонажа русских сказок — Кощей Бессмертный. Такое имя ему отведено не случайно – кости надолго «переживают» человека и порой сохраняются в земле тысячелетиями, почти не изменяясь.

Форма костей

	Трубчатые длинные	Короткие трубчатые	Плоские	Воздухоносные	Смешанные
Примеры	Плечевая, бедренная	Кости пясти, плюсны, фаланги пальцев	Кости мозгового отдела черепа, кости таза, ребра, грудина	Некоторые кости черепалобная, клиновидная, решетчатая, верхняя челюсть.	Позвонки, кости основания черепа

Воздухоносные кости, имеют в теле полость, выстланную слизистой оболочкой и заполненную воздухом

Ненормальные (смешанные) кости, построены сложно, форма их разнообразна. Например, тело позвонка по форме (и по строению) относится к губчатым костям, дуга, отростки — к плоским.

Внимательно посмотрите на скелет — где в скелете расположены каждый из данных видов костей?

2. Строение кости. Изучите данные и сделайте вывод о прочности костной ткани «как строительного материала» скелета человека

Материал	Прочность на сжатие	Прочность на растяжение
Сталь	552	827
Фарфор	250	55
КОСТЬ	170	120
Гранит	145	5
Дуб	59	117
Бетон	21	2

как это ни удивительно, но кость по прочности уступает только твёрдым сортам стали и оказывается гораздо прочнее, ставших образцами прочности, гранита и бетона.

Давайте шаг за шагом выясним, какие особенности химического состава и строения придают костям такие уникальные свойства.

– Рассмотрите строение трубчатой кости и назовите основные части? (Диафиз – удлиненная средняя часть, эпифиз – два утолщенных конца). Учащиеся зарисовывают кость и подписывают основные части.

Давайте посмотрим, какие свойства придают кости неорганические вещества, а какие органические. Мы поместили куриную кость в 10% раствор соляной кислоты. Итак, давайте проверим свойства кости. Она способна гнуться во все стороны.

? К какому же выводу подводят нас результаты эксперимента? Органические вещества сообщают кости упругость и эластичность.

Теперь давайте решим проблему, как удалить из кости органические вещества? Их можно сжечь. Верно, органика прекрасно горит. Кость обуглилась. Обугливание – верный признак того, что органические вещества сгорели. Кость твердая, но хрупкая. Крошится в руках.

К какому же выводу подводят нас результаты эксперимента? Неорганические (нерастворимые соли кальция и магния) придают кости твердость.

Итак, органические вещества (белки) придают кости упругость, а неорганические (нерастворимые соли кальция и магния) придают кости твердость. Сочетание же твердости и эластичности сообщает кости прочность.

Сделайте следующую запись в тетради:

Органические вещества придают кости_____

Неорганические вещества придают кости______________

Сочетание этих веществ обеспечивает______

Кость содержит 30% органических веществ (белки, углеводы), 60% минеральных веществ (кальций, магний, фосфаты) и 10 % воды.

Состав костной ткани человека меняется в течение всей жизни человека. Прочитайте текст учебника и ответьте на вопрос: у кого быстрее ломаются кости у детей или стариков? И почему? . (С возрастом увеличивается содержание в кости неорганических веществ и уменьшается содержание органических). Почему в вашем возрасте нужно постоянно следить за осанкой?

Внутреннее строение костей

– Рассмотрите рисунки на слайдах и скажите, какое внутреннее строение имеют кости?
Кости покрыты плотной соединительной тканью – надкостницей. Она богата кровеносными сосудами и нервами. За счёт кровеносных сосудов происходит питание клеток кости. Внутренний слой надкостницы состоит из клеток, которые растут, размножаются, что обеспечивает рост кости в толщину и ее регенерацию при переломах. Надкостница плотно примыкает к компактному веществу кости. Компактное вещество образовано костной тканью. Кости взрослого человека в большинстве построены из пластинчатой костной ткани, которая образует остеоны, или гаверсовы системы. Они являются структурной единицей кости.

Клетки кости – остеоциты и остеобласты – участвуют в построении костной ткани. Остеобласты – созидатели костной ткани, а остеоциты обеспечивают форму кости. . У каждой кости выделяют компактное (плотное) и губчатое вещество. Их количественное соотношение и распределение зависит от места кости в скелете и от ее функции.

Плотное (компактное) вещество особенно хорошо развито в тех костях и их частях, которые выполняют функции опоры и движения. Например, из компактного вещества построено тело длинных трубчатых костей. Костные пластинки имеют цилиндрическую форму и как бы вставлены одна в другую. Такое трубчатое строение компактного вещества придает костям большую прочность и легкость.

Губчатое вещество образовано множеством костных пластинок, которые располагаются по направлениям максимальной нагрузки. Им образованы утолщения головок длинных трубчатых костей, а также короткие плоские кости. Губчатое вещество состоит из костных перемычек и балок, которые образуют многочисленные ячейки. А для чего же в губчатом веществе кости столько много ячеек? (Найдите ответ в учебнике) — в них находится красный костный мозг, являющийся органом кроветворения – в нем образуются клетки крови. Полости длинных трубчатых костей взрослых людей заполнены желтым костным мозгом, в котором содержатся жировые клетки. Желтый костный мозг состоит из клеток соединительной ткани. Это клетки жировой и кроветворной соединительной ткани. Желтый костный мозг играет роль резерва на случай, когда красный мозг не справляется с работой. Красный костный мозг с возрастом заменяется желтым костным мозгом

В течение жизни человека соотношение плотного и губчатого вещества кости меняется. Эти изменения зависят от образа жизни, который ведет человек, от его питания, состояния здоровья. Количество плотного вещества у спортсменов значительно выше, чем у людей, ведущих сидячий образ жизни.

Кости могут расти в длину и толщину. В длину они растут за счет деления клеток хряща, расположенных на ее концах. За счет деления клеток внутреннего слоя надкостницы, кости растут в толщину и зарастают при переломах. Несмотря на то, что рост кости в толщину осуществляется непрерывно за счёт надкостницы, кость взрослого человека не становится массивнее. Масса длинных трубчатых костей человека увеличивается незначительно, потому что стенки костномозговой полости содержат клетки, растворяющие кость. Благодаря сложной и согласованной работе тех и других клеток достигается оптимальная прочность кости при наименьших массе и затрате материала.

IV. Закрепление

1. Подумайте, почему компактное вещество состоит из многочисленных трубочек с прочными стенками. Как это способствует прочности кости при наименьшем расходе материала и массы костного вещества? Почему корпус самолета делают из прочных дюралюминиевых трубчатых конструкций, а не из листового проката?

2. Объясните, почему искривления костей чаще бывают у детей, а переломы – у пожилых людей.

V. Домашнее задание §6

DoITPoMS — Библиотека TLP Структура костных материалов и материалов имплантатов

Длинные кости, такие как бедренная кость, содержат два различных морфологических типа костей:

Кортикальная (компактная) кость
Губчатая или губчатая кость

Они показаны на рисунке ниже.

Схема различных морфологических типов кости

Кортикальная кость образует плотный цилиндр вниз по стержню кости, окружающий центральную полость костного мозга.Хотя кортикальная кость составляет 80% массы кости в человеческом теле, она имеет гораздо меньшую площадь поверхности, чем губчатая кость, из-за ее меньшей пористости.

Губчатая (или губчатая) кость расположена на концах длинных костей, составляет примерно 20% от общей массы скелета и имеет открытую сотовую структуру. Он имеет гораздо более низкий модуль Юнга, чем кортикальная кость, и этот градиентный модуль постепенно соответствует свойствам кортикальной кости и хряща, образующего сочленяющуюся поверхность на головке бедренной кости.

Композиция

Сама кость состоит в основном из коллагеновых волокон и неорганического костного минерала в виде мелких кристаллов. In vivo кость (живая кость в организме) содержит от 10% до 20% воды. Примерно 60-70% его сухой массы составляет костный минерал. Большая часть остального — коллаген, но кость также содержит небольшое количество других веществ, таких как белки и неорганические соли.

Коллаген — это основной волокнистый белок в организме. Он имеет тройную спиральную структуру, а определенные точки вдоль волокон коллагена служат местами зарождения кристаллов костных минералов.Это показано на анимации ниже.

Состав минерального компонента можно приблизительно представить как гидроксиапатит (ГА) с химической формулой Ca ₁₀ (PO ₄) ₆ (OH) ₂. Однако, в то время как HA as имеет соотношение Ca: P 5: 3 (1,67), сам костный минерал имеет соотношение Ca: P в пределах 1,37 — 1,87. Это связано с тем, что состав костного минерала намного сложнее и содержит дополнительные ионы, такие как кремний, карбонат и цинк.

Хрящ — это ткань на основе коллагена, содержащая очень большие молекулы полисахарида белка, которые образуют гель, в котором запутаны волокна коллагена.Суставной, или гиалиновый, хрящ образует опорные поверхности подвижных суставов тела. С механической точки зрения суставной хрящ ведет себя как линейное вязкоупругое твердое тело. Он также имеет очень низкий коэффициент трения (<0,01), в значительной степени связанный с наличием синовиальной жидкости, которая может выдавливаться при сжимающей нагрузке.

Анимация ниже позволяет исследовать микроструктуру кортикальной кости.

Напряжения

Кости, такие как бедренная кость, подвергаются действию изгибающего момента, и напряжения (как растягивающие, так и сжимающие), создаваемые этим изгибающим моментом, определяют структуру и распределение губчатого вещества и кортикального слоя кости.

В верхнем отделе бедренной кости губчатая кость состоит из двух различных систем трабекул. Одна система следует изогнутым траекториям от внутренней стороны стержня и излучается наружу к противоположной стороне костей, следуя линиям максимального сжимающего напряжения. Вторая система образует изогнутые траектории с внешней стороны вала и пересекает первую систему под прямым углом. Эти трабекулы следуют по линиям максимального растягивающего напряжения и в целом имеют более легкую структуру, чем у сжимающей системы.

Толщина трабекул изменяется в зависимости от величины напряжений в любой точке, и, следуя траекториям основных напряжений сжатия и растяжения, они экономично переносят эти напряжения. Таким образом, максимальная прочность достигается при минимальном использовании материала.

Распределение компактной кости в диафизе также связано с необходимостью противостоять напряжениям изгибающего момента. Чтобы противостоять этим напряжениям, материал должен располагаться как можно дальше от нейтральной оси.Полый цилиндр — наиболее эффективная конструкция, обеспечивающая максимальную прочность при минимальном использовании материала.

Диаграмма, показывающая рассчитанные линии постоянного напряжения по результатам анализа различных поперечных сечений

предыдущая | следующий

Костный минерал: новое понимание его химического состава

Резников, Н., Билтон, М., Лари, Л., Стивенс, М.М., Крегер, Р. Фрактальная иерархическая организация кости начинается на наномасштабе. . Наука 360 , eaao2189 (2018).

Артикул Google Scholar

Грандфилд, К., Вуонг, В. и Шварц, Х. П. Ультраструктура кости: иерархические характеристики от нанометров до микрометровых масштабов, выявленные в сечениях сфокусированного ионного пучка на ПЭМ. Calcif. Tissue Int. 103 , 606–616 (2018).

CAS Статья Google Scholar

Глимчер, М. Дж. Боун: Природа кристаллов фосфата кальция и клеточные, структурные и физико-химические механизмы их образования. Ред. Минеральное. Геохим. 64 , 223–282 (2006).

CAS Статья Google Scholar

Дельмас, П. Д., Трейси, Р. П., Риггс, Б. Л. и Манн, К. Г. Идентификация неколлагеновых белков бычьей кости с помощью двумерного гель-электрофореза. Calcif.Tissue Int. 36 , 308–316 (1984).

CAS Статья Google Scholar

Боски, А. Л. Неколлагеновые матричные белки и их роль в минерализации. Костяной шахтер. 6 , 111–123 (1989).

ADS CAS Статья Google Scholar

Боски, А. Л. и Роби, П. Г. Состав костей. В Primer on the Metabolic Bone Diseases and Disorders of Mineral Metabolism (ed.Розен, К. Дж.) 49–58 (John Wiley & Sons, Inc., 2013).

Вопенка Б. и Пастерис Дж. Д. Минералогический взгляд на апатит в кости. Mater. Sci. Англ. С 25 , 131–143 (2005).

Артикул Google Scholar

Wu, Y. et al. . Спин-спиновая релаксация кристаллов кости, зубной эмали и синтетических гидроксиапатитов с помощью ядерного магнитного резонанса. Дж.Костяной шахтер. Res. Выключенный. Варенье. Soc. Костяной шахтер. Res. 17 , 472–480 (2002).

CAS Статья Google Scholar

Хуанг, С.-Дж., Цай, Ю.-Л., Ли, Ю.-Л., Лин, К.-П. И Чан, Дж. С. С. Повторение структурной модели дентина крысы. Chem. Матер. 21 , 2583–2585 (2009).

CAS Статья Google Scholar

10.

Ван, Ю. и др. . Преобладающая роль коллагена в зарождении, росте, структуре и ориентации костного апатита. Nat. Матер. 11 , 724–733 (2012).

ADS CAS Статья Google Scholar

11.

Фон Эйв, С. и др. . Аморфный поверхностный слой в сравнении с переходной аморфной фазой-предшественником в кости — тематическое исследование, исследованное методом твердотельной ЯМР-спектроскопии. Acta Biomater. 59 , 351–360 (2017).

Артикул Google Scholar

12.

Рей К., Комбес К., Друэ К., Сфихи Х. и Барроуг А. Физико-химические свойства нанокристаллических апатитов: значение для биоминералов и биоматериалов. Mater. Sci. Англ. С 27 , 198–205 (2007).

CAS Статья Google Scholar

13.

Jäger, C., Welzel, T., Meyer-Zaika, W. & Epple, M. Исследование структуры нанокристаллического гидроксиапатита методом ЯМР в твердом состоянии. Magn. Резон. Chem. MRC 44 , 573–580 (2006).

Артикул Google Scholar

14.

Нассиф, Н. и др. . In vivo Условия для синтеза биомиметического гидроксиапатита. Chem. Матер. 22 , 3653–3663 (2010).

CAS Статья Google Scholar

15.

Vandecandelaere, N., Rey, C. & Drouet, C. Биомиметические биоматериалы на основе апатита: критическое влияние параметров синтеза и пост-синтеза. J. Mater. Sci. Матер. Med. 23 , 2593–2606 (2012).

CAS Статья Google Scholar

16.

Фон Эйв, С. и др. . Организация костного минерала: роль взаимодействия минерала и воды. Науки о Земле 8 , 466 (2018).

ADS Статья Google Scholar

17.

Браун, У. Э. Рост кристаллов костного минерала. Clin. Ортоп. 44 , 205–220 (1966).

CAS Статья Google Scholar

18.

Крейн, Н. Дж., Попеску, В., Моррис, М. Д., Стинхуис, П. и Игнелзи, М. А. Рамановские спектроскопические доказательства октакальцийфосфата и других временных минеральных видов, отложившихся во время внутримембранной минерализации. Кость 39 , 434–442 (2006).

CAS Статья Google Scholar

19.

Вялих, А., Эльшнер, К., Шульц, М., Май, Р. и Шелер, У. Ранние стадии биоминерального образования — твердотельное ЯМР-исследование нижней челюсти мини-свиней. Магнитохимия 3 , 39 (2017).

Артикул Google Scholar

20.

Саймон П. и др. . Первое свидетельство нанокомплекса октакальцийфосфат @ остеокальцин в качестве компонента скелетной кости, управляющего тройной спиральной минерализацией нанофибрилл коллагена. Sci. Отчетность 8 , 13696 (2018).

ADS Статья Google Scholar

21.

Синь Р., Ленг Ю. и Ван Н. Исследование минеральных фаз в кортикальной кости человека с помощью HRTEM. Adv. Англ. Матер. 12 , B552 – B557 (2010).

Артикул Google Scholar

22.

Дэвис, Э. и др. . Цитратные мостики между минеральными тромбоцитами в кости. Proc. Natl. Акад. Sci. 111 , E1354 – E1363 (2014).

CAS Статья Google Scholar

23.

Арендс, Дж. и др. . Гидроксиапатит кальция осаждается из водного раствора. J. Cryst.Рост 84 , 515–532 (1987).

ADS CAS Статья Google Scholar

24.

Джи, А. и Дейтц, В. Р. Образование пирофосфата при воспламенении осажденных основных фосфатов кальция 1. J. Am. Chem. Soc. 77 , 2961–2965 (1955).

CAS Статья Google Scholar

25.

Пеллегрино, Э. Д. и Билтц, Р.М. Минерализация куриного эмбриона. Calcif. Tissue Res. 10 , 128–135 (1972).

CAS Статья Google Scholar

26.

Термин, Дж. Д., Эанес, Э. Д., Гринфилд, Д. Дж., Найлен, М. У. и Харпер, Р. А. Гидразин-депротеиновый минерал кости. Calcif. Tissue Res. 12 , 73–90 (1973).

CAS Статья Google Scholar

27.

Легрос Р., Балмейн Н. и Бонель Г. Возрастные изменения минералов кортикальной кости крысы и крупного рогатого скота. Calcif. Tissue Int. 41 , 137–144 (1987).

CAS Статья Google Scholar

28.

Rey, C., Shimizu, M., Collins, B. & Glimcher, MJ Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье с повышенным разрешением, исследование окружающей среды фосфат-ионов в ранних отложениях твердой фазы фосфата кальция. в кости и эмали и их эволюции с возрастом.I: Исследования в области v ₄ PO ₄. Calcif. Tissue Int. 46 , 384–394 (1990).

CAS Статья Google Scholar

29.

Rey, C., Shimizu, M., Collins, B. & Glimcher, MJ Исследование инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье с улучшенным разрешением для изучения окружающей среды фосфат-иона в ранних отложениях твердой фазы фосфата кальция в кость и эмаль и их эволюция с возрастом: 2.Исследования в области v ₃ PO ₄. Calcif. Tissue Int. 49 , 383–388 (1991).

CAS Статья Google Scholar

30.

Колодзейски, В. Исследования кости с помощью ЯМР твердого тела. Верх. Curr. Chem. 246 , 235–270 (2005).

CAS Статья Google Scholar

31.

Xu, J. et al. .Твердотельная ЯМР-спектроскопия кости с естественным изобилием 43Ca. J. Am. Chem. Soc. 132 , 11504–11509 (2010).

CAS Статья Google Scholar

32.

Wang, Y. et al. . Водно-опосредованное структурирование костного апатита. Nat. Матер. 12 , 1144–1153 (2013).

ADS CAS Статья Google Scholar

33.

Jaeger, C. et al. . Исследование природы границы раздела белок-минерал в кости методом твердотельного ЯМР. Chem. Матер. 17 , 3059–3061 (2005).

CAS Статья Google Scholar

34.

Hu, Y.-Y., Rawal, A. & Schmidt-Rohr, K. Прочно связанный цитрат стабилизирует нанокристаллы апатита в кости. Proc. Natl. Акад. Sci. 107 , 22425–22429 (2010).

ADS CAS Статья Google Scholar

35.

Рай, Р. К. и Синха, Н. Структурные изменения, вызванные дегидратацией на границе раздела коллаген-гидроксиапатит в кости, с помощью твердотельной ЯМР-спектроскопии высокого разрешения. J. Phys. Chem. С 115 , 14219–14227 (2011).

CAS Статья Google Scholar

36.

Никель, О. и др. . Твердотельное ЯМР-исследование качества интактной кости человека: вопросы баланса и понимание структуры на границе раздела органических и минеральных веществ. J. Phys. Chem. С 116 , 6320–6331 (2012).

CAS Статья Google Scholar

37.

Chow, W. Y. et al., . ЯМР-спектроскопия нативных тканей и тканей in vitro и влияет на биоминерализацию полиАДФ-рибозы. Наука 344 , 742–746 (2014).

ADS CAS Статья Google Scholar

38.

Roufosse, A.H., Aue, W.P., Roberts, J.E., Glimcher, M.J. и Griffin, R.G. Исследование минеральных фаз кости с помощью твердотельного образца с фосфором-31 под магическим углом, вращающего ядерный магнитный резонанс. Биохимия 23 , 6115–6120 (1984).

CAS Статья Google Scholar

39.

Ву, Ю., Глимчер, М. Дж., Рей, К. и Акерман, Дж. Л. Уникальная протонированная фосфатная группа в костном минерале, не присутствующая в синтетических фосфатах кальция: идентификация с помощью твердотельной ЯМР-спектроскопии фосфора-31. J. Mol. Биол. 244 , 423–435 (1994).

CAS Статья Google Scholar

40.

Kaflak-Hachulska, A., Samoson, A. & Kolodziejski, W. ¹ H MAS и ¹ H-> 31P CP / MAS ЯМР-исследование минералов кости человека. Calcif. Tissue Int. 73 , 476–486 (2003).

CAS Статья Google Scholar

41.

Сантос, Р. А., Винд, Р. А., Бронниманн, К. Э. Эксперименты с 1H CRAMPS и 1H-31P HetCor на костной, костной минеральной и модельной фазах фосфата кальция. J. Magn. Резон. B 105 , 183–187 (1994).

CAS Статья Google Scholar

42.

Чо, Г., Ву, Ю. и Акерман, Дж. Л. Обнаружение гидроксильных ионов в костном минерале с помощью твердотельной ЯМР-спектроскопии. Наука 300 , 1123–1127 (2003).

ADS CAS Статья Google Scholar

43.

Мальцев, С., Дуэр, М. Дж., Мюррей, Р. К. и Джегер, С. Сравнение твердотельного ЯМР минеральной структуры в костях больных суставов лошади. J. Mater. Sci. 42 , 8804–8810 (2007).

ADS CAS Статья Google Scholar

44.

Yesinowski, J. P. & Eckert, H.Водородная среда в фосфатах кальция: протонный MAS ЯМР при высоких скоростях прядения. J. Am. Chem. Soc. 109 , 6274–6282 (1987).

CAS Статья Google Scholar

45.

Рей, К., Комб, К., Друэ, К. и Глимчер, М. Дж. Костный минерал: обновленная информация о химическом составе и структуре. Остеопорос. Int. 20 , 1013–1021 (2009).

Google Scholar

46.

Bigi, A. и др. . Морфологические и структурные модификации октакальцийфосфата, индуцированные поли-1-аспартатом. Cryst. Рост Des. 4 , 141–146 (2004).

CAS Статья Google Scholar

47.

Rhee, S.-H. И Танака, Дж. Образование гидроксиапатита на целлюлозной ткани под действием лимонной кислоты. J. Mater. Sci. Матер. Med. 11 , 449–452 (2000).

CAS Статья Google Scholar

48.

Rey, C., Combes, C., Drouet, C. & Somrani, S. 15 — Керамика на основе трикальцийфосфата. В Биокерамика и их клиническое применение (изд. Кокубо, Т.) 326–366 (Woodhead Publishing 2008).

49.

Grunenwald, A. et al. . Пересмотр количественного определения карбонатов в апатитовых (био) минералах: проверенная методология FTIR. J. Archaeol. Sci. 49 , 134–141 (2014).

CAS Статья Google Scholar

50.

Нильсен, Н. К., Билдсо / е, Х., Якобсен, Х. Дж. И Левитт, М. Х. Двухквантовый гомоядерный вращательный резонанс: эффективное диполярное восстановление в ядерном магнитном резонансе с вращением под магическим углом. J. Chem. Phys. 101 , 1805–1812 (1994).

ADS CAS Статья Google Scholar

51.

Яннони, С.С. ЯМР высокого разрешения в твердых телах: эксперимент CPMAS. В соотв. Chem. Res. 15 , 201–208 (1982).

CAS Статья Google Scholar

52.

Hediger, S., Meier, B.H., Kurur, N.D., Bodenhausen, G. & Ernst, R.R. Кросс-поляризация ЯМР адиабатическим прохождением через условие Хартмана-Хана (APHH). Chem. Phys. Lett. 223 , 283–288 (1994).

ADS CAS Статья Google Scholar

53.

Feike, M. et al. .Широкополосная многоквантовая ЯМР-спектроскопия. J. Magn. Резон. А 122 , 214–221 (1996).

ADS CAS Статья Google Scholar

54.

Рей, К., Микель, Дж. Л., Факкини, Л., Легран, А. П. и Глимчер, М. Дж. Гидроксильные группы в костном минерале. Кость 16 , 583–586 (1995).

CAS Статья Google Scholar

55.

Мюллер Л., Кумар А., Бауманн Т. и Эрнст Р. Р. Переходные колебания в экспериментах с перекрестной поляризацией ЯМР в твердых телах. Phys. Rev. Lett. 32 , 1402–1406 (1974).

ADS Статья Google Scholar

56.

Хестер, Р. К., Акерман, Дж. Л., Кросс, В. Р. и Во, Дж. С. Разрешенные спектры диполярной связи разбавленных ядерных спинов в твердых телах. Phys. Rev. Lett. 34 , 993–995 (1975).

ADS CAS Статья Google Scholar

57.

Колодзейски В. и Клиновски Дж. Кинетика кросс-поляризации в твердотельном ЯМР: Руководство для химиков. Chem. Ред. 102 , 613–628 (2002).

CAS Статья Google Scholar

58.

Катти М., Феррарис Г. и Филхол А. Водородная связь в кристаллическом состоянии.CaHPO4 (монетит), P 1 или P1? Новое исследование дифракции нейтронов. Acta Crystallogr. B 33 , 1223–1229 (1977).

Артикул Google Scholar

59.

Карри, Н. А. и Джонс, Д. У. Кристаллическая структура брушита, дигидрата ортофосфата водорода кальция: нейтронографические исследования. J. Chem. Soc. Неорг. Phys. Теор. 0 , 3725–3729 (1971).

CAS Статья Google Scholar

60.

Дэвис, Э., Дуэр, М. Дж., Эшбрук, С. Э. и Гриффин, Дж. М. Применение ЯМР-кристаллографии для решения проблем биоминерализации: уточнение кристаллической структуры и ³¹ P Твердотельное ЯМР-спектральное распределение октакальцийфосфата. J. Am. Chem. Soc. 134 , 12508–12515 (2012).

CAS Статья Google Scholar

61.

Эппелл, С. Дж., Тонг, В., Кац, Дж. Л., Кун, Л. и Глимчер, М.J. Форма и размер изолированных костных минералов, измеренные с помощью атомно-силовой микроскопии. J. Orthop. Res. 19 , 1027–1034 (2001).

CAS Статья Google Scholar

62.

Ким, Х.-М., Рей, С. и Глимчер, М. Дж. Выделение кристаллов фосфата кальция из кости неводными методами при низкой температуре. J. Bone Miner. Res. 10 , 1589–1601 (1995).

CAS Статья Google Scholar

63.

Bocciarelli, D. S. Морфология кристаллитов в кости. Calcif. Tissue Res. 5 , 261–269 (1970).

CAS Статья Google Scholar

64.

Кей М.И., Янг Р.А. и Познер А.С. Кристаллическая структура гидроксиапатита. Природа 204 , 1050–1052 (1964).

ADS CAS Статья Google Scholar

65.

Кун, Л. Т. и др. . Сравнение физических и химических различий между раковыми и корковыми минералами бычьей кости в двух возрастах. Calcif. Tissue Int. 83 , 146–154 (2008).

CAS Статья Google Scholar

66.

Вялих А. и др. . ЯМР-исследование биомиметических фторапатит-желатиновых мезокристаллов. Sci . Репутация . 5 , (2015).

67.

Nakayama, M. et al. . Чувствительный к стимулам жидкий кристалл гидроксиапатита с макроскопически управляемым упорядочением и магнитооптическими функциями. Нат . Коммуна . 9 , (2018).

68.

Bertinetti, L. et al. . Структура поверхности, гидратация и катионные участки наногидроксиапатита: UHR-TEM, ИК и микрогравиметрические исследования. J. Phys. Chem. С 111 , 4027–4035 (2007).

CAS Статья Google Scholar

69.

Нунамакер Д. М. Экспериментальные модели восстановления трещин. Клин . Ортоп . S56–65 (1998).

70.

Kaflak, A., Chmielewski, D. & Kolodziejski, W. Исследование методом твердотельного ЯМР дискретного окружения костных минеральных наночастиц с использованием релаксации фосфора-31. J. Appl. Биомед. 14 , 321–330 (2016).

Артикул Google Scholar

71.

Shaw, W. J. Исследования твердотельного ЯМР белков, иммобилизованных на неорганических поверхностях. Solid State Nucl. Magn. Резон. 70 , 1–14 (2015).

ADS CAS Статья Google Scholar

72.

Гилберт П. У. П. А., Абрехт М. и Фрейзер Б. Х. Органико-минеральный интерфейс в биоминералах. Ред. Минеральное. Геохим. 59 , 157–185 (2005).

CAS Статья Google Scholar

73.

Фон Эйв, С. и др. . Биологический контроль образования арагонита в каменистых кораллах. Наука 356 , 933–938 (2017).

ADS Статья Google Scholar

74.

Бен Шир, И., Кабабья, С., Кац, И., Покрой, Б. и Шмидт, А. Открытые и скрытые биоминеральные границы раздела в арагонитовой оболочке Perna canaliculus, выявленные с помощью твердотельного ЯМР. Chem. Матер. 25 , 4595–4602 (2013).

Артикул Google Scholar

Границы | Костный внеклеточный матрикс в формировании и регенерации костей

Введение

Травмы, переломы, врожденные заболевания или опухоли могут вызвать дефекты костей, которые сложно зажить. Это особенно верно для больших костей, где недостающая ткань больше, чем способность к спонтанному заживлению остеобластов (El-Rashidy et al., 2017; Fabris et al., 2018). При небольших дефектах аутологичные костные трансплантаты остаются золотым стандартом.Этот подход основан на использовании костной ткани, взятой из собственного донорского участка пациента, который трансплантируется в поврежденный участок того же пациента. Поскольку трансплантаты содержат природный костный матрикс, остеобласты и факторы роста, они по своей сути обладают остеоиндуктивностью и остеокондуктивностью (Garcia-Gareta et al., 2015). Однако этот подход ограничен доступными источниками трансплантатов и вторичным повреждением донорского участка. Напротив, имея аналогичные биологические характеристики и механические свойства с аутогенной костью, аллогенная кость несет в себе риск передачи инфекционных заболеваний и возможность иммунного отторжения (Hinsenkamp et al., 2012).

В последние годы технология тканевой инженерии позволила производить искусственные кости в больших количествах. Полученные материалы обладают потенциальными преимуществами превосходной биосовместимости, остеоиндуктивности и остеокондуктивности, обеспечивая новый многообещающий метод восстановления костей. Производство превосходных тканеинженерных конструкций зависит от трех основных элементов: соответствующих каркасов для поддержки регенерации тканевых клеток, цитокинов и соответствующих семенных клеток. В качестве физической основы искусственных трансплантатов материалы каркасов играют ключевую роль в создании искусственной кости (Noori et al., 2017). В идеале материал каркаса должен имитировать характеристики естественной кости, обеспечивая подходящую биохимическую среду и биомеханическую поддержку для адгезии, миграции, пролиферации, остеогенной дифференцировки и ангиогенеза семенных клеток на каркасе. Наконец, он должен обеспечивать постепенную интеграцию в ткань хозяина во время процесса заживления, позволяя ему нести нормальные нагрузки (Mishra et al., 2016; Roseti et al., 2017). Во время костной регенерации важную роль в формировании кости играют возвращение мезенхимальных стволовых клеток (МСК), образование остеобластов, внеклеточного матрикса (ВКМ) и минерализация остеоидов, а также образование терминально дифференцированных остеоцитов (Wang et al., 2013).

ЕСМ представляет собой неклеточную трехмерную структуру, секретируемую клетками во внеклеточное пространство. Он состоит из определенных белков и полисахаридов. ECM каждого типа ткани имеет уникальный состав и топологию во время развития (Frantz et al., 2010). ЕСМ обеспечивает ткани целостность и эластичность, и он постоянно реформируется из-за изменений в изобилии рецепторов, факторов роста и pH окружающей среды, чтобы контролировать развитие, функцию и гомеостаз тканей и органов (Боннанс и другие., 2014; Mouw et al., 2014). ECM считается четвертым элементом в развитии инженерии костной ткани (Ravindran et al., 2012). Костный матрикс состоит из органических (40%) и неорганических соединений (60%). Более того, его точный состав зависит от пола, возраста и состояния здоровья. Основными неорганическими компонентами ЕСМ являются кальций-дефицитный апатит и микроэлементы. Напротив, органический ЕСМ значительно более сложен и состоит в основном из коллагена I типа (90%) и неколлагеновых белков (10%).Он в основном синтезируется остеобластами до процесса минерализации (Mansour et al., 2017). Неколлагеновые белки можно разделить на четыре группы: γ-карбоксиглутамат-содержащие белки, протеогликаны, гликопротеины и малые интегрин-связывающие лиганды, N-связанные гликопротеины (SIBLIN) (Paiva and Granjeiro, 2017). Костный ЕСМ динамически взаимодействует с клетками линии остеобластов и остеокластами, чтобы регулировать образование новой кости во время регенерации.

В этом обзоре мы кратко представляем неорганические и органические ECM костной ткани (таблица 1), включая коллагеновые и неколлагеновые белки, и суммируем эффекты ECM на клетки линии остеобластов, включая МСК, остеобласты и остеоциты. , и остеокласты.Наконец, рассматривается применение каркаса на основе ECM для регенерации кости в инженерии костной ткани.

Таблица 1 Список компонентов костного ВКМ и их роль в формировании кости.

Основные компоненты костного ЕСМ

Органический ЕСМ

Коллагеновые белки

Коллаген типа I, III и V являются наиболее распространенными компонентами органических ЕСМ в костях. Основная функция коллагенов — это механическая поддержка и роль каркаса для костных клеток (Saito and Marumo, 2015).Коллаген I типа составляет 90% всего коллагена в костной ткани и образует тройные спирали полипептидов, которые образуют фибриллы коллагена. Эти фибриллы взаимодействуют с другими коллагеновыми и неколлагеновыми белками, чтобы собрать пучки фибрилл и волокна более высокого порядка (Varma et al., 2016). Коллаген типа III и V регулирует диаметр волокон и фибриллогенез коллагена типа I и присутствует в меньших количествах (Garnero, 2015). Межцепочечные и внутрицепочечные сшивки коллагена являются ключевыми для его механических свойств, которые поддерживают полипептидные цепи в плотно организованной фибриллярной структуре.Коллаген играет важную роль в определении прочности костей. Отсутствие коллагена I типа или мутация структуры коллагена приводит к изменениям в ECM и, таким образом, значительно увеличивает риск перелома (Fonseca et al., 2014).

Неколлагеновые белки

Протеогликаны

Протеогликаны характеризуются наличием остатков гликозаминогликанов (ГАГ), ковалентно связанных с ядром белка. Шесть типов остатков ГАГ, обнаруженных в протеогликанах, включают кератансульфат, хондроитинсульфат, гепарансульфат, гиалуроновую кислоту и дерматансульфат (Kjellen and Lindahl, 1991).Небольшие протеогликаны, богатые лейцином (SLRP), такие как бигликан, декорин, кератокан и аспорин, являются важным семейством протеогликанов в кости. SLRP — это секретируемые внеклеточные белки, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной поверхности и цитокинами, чтобы регулировать как нормальное, так и патологическое поведение клеток. Во время формирования кости SLRP участвуют во всех стадиях, включая пролиферацию клеток, остеогенез, отложение минералов и ремоделирование кости (Kirby and Young, 2018). Кроме того, SLRP регулируют процесс фибриллогенеза коллагена, нарушение регуляции которого приводит к дефектам в организации и выработке коллагена, что приводит к фиброзу из-за ортопедических травм или генетических недостатков (Moorehead et al., 2019). Бигликан и декорин представляют собой SLRP класса I, которые содержат GAG-цепи дерматана или хондроитинсульфата. Бигликан экспрессируется в процессе пролиферации и минерализации клеток, в то время как Декорин непрерывно экспрессируется, начиная с отложений костного матрикса. Кератокан в основном экспрессируется в остеобластах и участвует в регулировании образования кости и скорости отложения минералов (Coulson-Thomas et al., 2015). Было показано, что аспорин, другой член SLRP, связывается с коллагеном I типа, способствуя минерализации коллагена (Kalamajski et al., 2009). Следовательно, SLRP играют важную роль в поддержании гомеостаза кости.

Белки, содержащие γ-карбоксиглутаминовую кислоту

Одна важная группа белков костного ЕСМ содержит γ-карбоксиглутаминовую кислоту (Gla), специфическую модифицированную глутаминовую кислоту, продуцируемую зависимой от витамина К посттрансляционной модификацией. Эти белки в основном присутствуют в сыворотке, костном матриксе, дентине и других кальцифицированных тканях (Finkelman and Butler, 1985). Основными Gla-содержащими белками в кости являются остеокальцин (OCN), матричный Gla-белок (MGP) и периостин (Wen et al., 2018). OCN специфически экспрессируется костеобразующими остеобластами и содержит три остатка Gla, которые придают OCN способность связывать кальций и модулировать метаболизм кальция, опосредуя его связь с гидроксиапатитом. Процесс резорбции кости снижает сродство OCN к гидроксиапатиту, тем самым увеличивая выпуск OCN в кровоток. Циркулирующий OCN не только действует как гормон, регулирующий метаболизм глюкозы и энергии, но его концентрация в сыворотке может использоваться как биохимический индикатор образования кости (Mizokami et al., 2017). MGP представляет собой внеклеточный белок массой 14 кДа, который синтезируется остеобластами, остеоцитами и хондроцитами в кости. Сообщается, что у мышей с дефицитом MGP обнаруживается преждевременная минерализация костей, тогда как у мышей со сверхэкспрессией MGP в остеобластах обнаруживается сниженная минерализация внутримембранозной кости и гипоминерализованный дентин и цемент зубов (Luo et al., 1997; Kaipatur et al., 2008). Очевидно, MGP отвечает за нарушение формирования костей и ингибирование минерализации.

За исключением OCN и MGP, периостин является еще одним широко экспрессируемым Gla-содержащим белком в кости.Периостин в основном секретируется остеобластами и их клетками-предшественниками в длинных костях, а также обнаруживается в других органах, таких как сердце (Wen et al., 2018). Структурно периостин включает четыре домена, сигнальную последовательность, богатый цистеином эмилиноподобный (EMI) домен, четыре повторяющихся и консервативных домена FAS-1 и вариабельный гидрофильный C-концевой домен, каждый из которых обеспечивает различные функции, такие как FAS-1 обеспечивает способность к адгезии клеток (Merle, Garnero, 2012). Как молекула адгезии периостин способствует агрегации, адгезии, пролиферации и дифференцировке остеобластов за счет связывания с рецепторами клеточной поверхности.Более того, периостин участвует в сворачивании коллагена и фибриллогенезе, что важно для сборки матрикса и дополнительно поддерживает прочность костей (Wen et al., 2018).

Гликопротеины

Гликопротеины содержат ковалентно связанные молекулы углеводов на белковой цепи в различных комбинациях и положениях. Наиболее распространенным представителем гликопротеина в костном матриксе является остеонектин, также известный как секретируемый кислый белок, богатый цистеином (SPARC). Он присутствует в минерализованных тканях и сильно экспрессируется в костных остеобластах.Остеонектин является жизненно важным регулятором высвобождения кальция, связывая коллаген и кристаллы HA, тем самым влияя на минерализацию коллагена во время формирования кости (Rosset and Bradshaw, 2016). В экспериментах in vivo Delany et al. (2000) демонстрируют, что у мышей, лишенных остеонектина, было более низкое содержание общего коллагена I, минеральная плотность костной ткани и количество остеобластов и остеокластов в кости, а также сниженные биомеханические свойства. Таким образом, остеонектин участвует в регулировании ремоделирования кости и поддержании костной массы.Тромбоспондины (TSP), которые классифицируются как TSP1 — TSP5, присутствуют в развивающемся скелете и кости и экспрессируются остеобластами. У мышей глобальный нокаут TSP-1, -3 и -5 может вызывать серьезные нарушения в развитии скелета (Delany and Hankenson, 2009). Более того, TSP1-нулевые мыши обнаруживают увеличенную костную массу и размер кортикальных костей, и стимулируется дифференцировка остеобластов, что частично происходит за счет активации латентного TGF-β (Amend et al., 2015). TSP2-нулевые мыши имеют повышенную плотность кортикальной кости и количество остеопрогениторов в сочетании с аномалией фибриллогенеза коллагена (Hankenson et al., 2000). Это указывает на то, что TSP играют критическую роль в дифференцировке костных клеток и поддержании костной массы. R-спондины (спондин, специфичный для верхней пластинки) представляют собой группу из четырех секретируемых гомологичных гликопротеинов (Rspo1-4), которые принадлежат к семейству матрицеклеточных белков, содержащих повторение тромбоспондина. Они широко экспрессируются на разных стадиях скелетной ткани и действуют как усилитель пути передачи сигналов Wnt / β-катенин через рецепторы 4, 5 и 6, связанные с G-белком, содержащие богатые лейцином повторы (Lgr4 / 5/6). .В костной ткани R-спондины идентифицированы как регуляторы скелета, которые контролируют развитие эмбриональной кости и ремоделирование взрослой кости (Shi et al., 2017).

Малый интегрин-связывающий лиганд N-связанные гликопротеины / SIBLINGs

SIBLINGs представляют собой семейство гликофосфопротеинов, которое включает сиалопротеин кости (BSP), остеопонтин (OPN), белок-1 матрикса дентина (DMP1), дентинпросиалофосфат матриксный внеклеточный фосфогликопротеин (MEPE). Эти белки преимущественно обнаруживаются в зрелых минерализованных тканях, таких как дентин и кости (Bellahcene et al., 2008).

BSP представляет собой высокогликозилированный неколлагеновый фосфопротеин, который экспрессируется в начале минерализации твердой соединительной ткани. В результате делеции BSP у мышей отложение цемента значительно снижается, а длина длинных костей и толщина кортикального слоя также уменьшаются. Таким образом, BSP жизненно важен для регуляции дифференцировки остеобластов и инициации минерализации матрикса в костной ткани (Marinovich et al., 2016). Как и BSP, OPN является основным регулятором костеобразования, минерализации, особенно метаболизма костной ткани.Он высоко экспрессируется остеобластами, одонтобластами и остеоцитами. OPN изобилует серином, кислотным мотивом и мотивом, богатым аспартатом, которые являются потенциальными сайтами фосфорилирования, участвующими в ингибировании минерализации. При ремоделировании кости OPN регулирует остеокластогенез и активность остеокластов, что способствует образованию и резорбции кости (Singh et al., 2018).

DMP1 и MEPE в основном продуцируются полностью дифференцированными остеобластами в кости, а также экспрессируются клетками пульпы и одонтобластами.DSPP важен для минерализации дентина зуба и, следовательно, присутствует в тканях дентина в изобилии (Bouleftour et al., 2019). У мышей, лишенных DMP1, наблюдаются серьезные дефекты костей, повышенный уровень сывороточного фактора роста фибробластов 23 (FGF23) и пониженный уровень фосфора в сыворотке, а также деформированная и низко минерализованная кость (Jani et al., 2016). Нокаут MEPE у мышей увеличивает костную массу и трабекулярную плотность и показывает аномальное губчатое вещество кости. Более того, MEPE взаимодействует с DMP1 и PHEX, влияя на экспрессию FGF23, тем самым регулируя фосфат, минерализацию и метаболизм костей (Зеленчук и др., 2015). Таким образом, DMP1 и MEPE выступают в качестве ключевых регуляторов минерализации матрикса и метаболизма фосфатов.

Неорганический ECM

Основным неорганическим компонентом твердых тканей, таких как кость и дентин, является гидроксиапатит (HA, Ca ₅ (PO ₄) ₃ OH) (Ramesh et al., 2018). Отложение ГК происходит в процессе биоминерализации. Взаимодействие между минералами и матриксом в зубах и костях, такими как аминокислоты, присутствующие в неколлагеновых белках, контролируют образование HA.Коллаген вырабатывается во время минерализации ткани и действует как матрица для отложения ГК (Tavafoghi and Cerruti, 2016). Благодаря значительному химическому и физическому сходству ГК с минеральными составляющими человеческих костей и зубов, он является как биосовместимым, так и остеокондуктивным. Следовательно, ГК широко используется для покрытий металлических имплантатов, костных пломб и инъекционных заменителей кости (Ramesh et al., 2018).

Функция костного ECM в биологии линии остеобластов

Клетки линии остеобластов являются костеобразующими клетками при ремоделировании кости.Остеобласты развиваются из мультипотентных мезенхимальных стволовых клеток (МСК), которые можно выделить из костного мозга или других тканей. Остеогенная дифференцировка МСК может быть разделена на четыре этапа: (i) на этапе коммитирования продуцируются клетки-предшественники, специфичные для клонов; (ii) пролиферативная фаза остеопрогениторов, в которой экспрессируются гены, связанные с клеточным циклом и гистоновыми сигналами; (iii) фаза секреции ВКМ и морфологических изменений незрелых остеобластов; (iv) минерализация остеоидов, инициированная зрелыми остеобластами, которые становятся терминально дифференцированными остеоцитами (Paiva and Granjeiro, 2017).МСК, остеобласты и остеоциты воспринимают механические и биохимические сигналы от ЕСМ и реагируют на эти сигналы, регулируя их судьбу (Assis-Ribas et al., 2018).

Регулирование BMSC с помощью ECM

BMSC способны к миграции, пролиферации, дифференцировке и межклеточной коммуникации. Более того, они могут синтезировать обильные количества белков внеклеточного матрикса, таких как цепи интегринов коллагена IIIα1 и Vα1, α5 и β5 типа, фибронектин, фактор роста соединительной ткани и трансформирующий фактор роста бета I (TGFβI) (Ren et al., 2011). Они считаются важными для определения местонахождения и судьбы МСК, таких как адгезия, экспансия и распространение, через рецепторы интегрина.

Как остеобластический агент, TGFβ связан с костными ECM и умеренно регулирует дифференцировку ранних BMSC в продуцирующие матрикс остеобласты и остеоциты. Бигликан может регулировать биологическую активность TGF-β, а также организацию матрикса путем связывания с коллагеном типа I. Сообщалось, что BMSC, выделенные из мышей бигликан-KO, продуцировали низкие количества коллагена типа I и показали пониженный ответ на TGF- β.Более того, дефицит бигликана нарушает способность продуцировать BMSC, а также ослабляет его нормальную метаболическую активность. Кроме того, мыши biglycan-KO демонстрируют низкую активность МСК, положительных по щелочной фосфатазе (ЩФ), возможно, из-за апоптоза, что приводит к снижению пролиферации (Chen et al., 2002). У мышей, лишенных бигликана и декорина (другого члена семейства SLRP), высокие концентрации TGF-β активируют нижестоящие сигнальные пути, которые останавливают пролиферацию и вызывают апоптоз BMSC.Следовательно, декорин и бигликан обеспечивают надлежащую секвестрацию TGF-β и играют жизненно важную роль в регулировании выживания и роста BMSCs (Bi et al., 2005).

Помимо протеогликанов, гликопротеин TSP1 также является основным регулятором активации TGF-β и имеет решающее значение для регуляции поведения МСК внутри микросреды ниши взрослого костного мозга. В МСК TSP1 ингибирует остеогенез МСК со снижением экспрессии Runx2 и экспрессии ALP. Это ингибирование связано с латентной активацией TGF-β в МСК, поскольку антитело против TGF-β увеличивало активность ALP в присутствии TSP1 (Bailey Dubose et al., 2012). Кроме того, сообщалось, что действие TSP1 на пролиферацию MSC опосредуется активацией эндогенного TGFβ дозозависимым образом. Напротив, на пролиферацию MSC не влияет TSP2, который не может активировать TGFβ (Belotti et al., 2016). Следовательно, TGFβ действует как посредник активности TSP1 на МСК.

Коллагеновые фибриллы типа I в костном ВКМ также модулируют остеогенез путем связывания с интегринами предшественников остеобластов, что приводит к инициированному каскаду дифференцировки остеобластов через активацию транскрипции Runx2 (Elango et al., 2019). Фибриллогенез начинается с взаимодействия между коллагеном типа I и типа V, а затем образует линейные фибриллы. SLRP и тромбоспондины могут регулировать сборку коллагена, взаимодействуя с фибриллами коллагена. У мышей делеция TSP2 приводит к увеличению количества и способности к пролиферации MSC, а также к замедленному остеогенезу и увеличению адипогенеза (Hankenson et al., 2000). Дефицит TSP2 подавляет дифференцировку первичных МСК в остеобласты, что сопровождается снижением содержания коллагена в матриксе и нарушением процесса сборки коллагена I типа (Alford et al., 2013). Эти результаты предполагают, что, в отличие от TSP1, TSP2 может действовать как ингибитор пролиферации МСК и промотор дифференцировки, регулируя механизм фибриллогенеза коллагена.

Другие молекулы ЕСМ, такие как OPN, OCN и DMP1, могут регулировать пролиферацию МСК и остеогенез. OPN увеличивает способность МСК к пролиферации дозозависимым образом. С другой стороны, OCN способствует дифференцировке МСК в остеобласты с увеличением уровней внеклеточного кальция, активности ALP и экспрессии мРНК OPN и OCN (Carvalho et al., 2019а). Многочисленные исследования показывают, что организация цитоскелета и хроматина может влиять на миграцию клеток. Лю и его коллеги указывают, что F-актиновый цитоскелет и структура хроматина, организованная EZh3-опосредованным h4K27me3, включает OPN-индуцированную миграцию МСК (Liu et al., 2018; Liu et al., 2019). Помимо стимуляции созревания остеобластов и остеоцитов, DMP1 также может влиять на плюрипотентность МСК. Когда DMP1 удаляется, МСК все больше дифференцируются в остеогенные клетки и костную массу, что позволяет предположить, что он является негативным регулятором дифференцировки МСК (Zhang S.F. et al., 2018). Взятые вместе, ECM, который участвует в формировании и минерализации костей, также вносит значительный вклад в рост, выживание и дифференцировку MSC (Таблица 2).

Таблица 2 Функция костного ECM в МСК.

Регулирование остеобластов с помощью ЕСМ

Незрелые и зрелые остеобласты являются промежуточными клетками во время остеогенеза МСК. Он продолжает процесс дифференцировки, наряду с секрецией ECM и минерализацией остеоидов.Остеобластам требуется поверхность для синтеза нового матрикса, который обеспечивается коллагеном. Если субстрата нет, остеобласты синтезируют матрикс, который организован только в коротком диапазоне. Таким образом, эта организованная поверхность используется остеобластами для депонирования механически стабильной и правильно структурированной костной ткани (Kerschnitzki et al., 2011). Различные структуры, состоящие из коллагена I типа, по-разному влияют на поведение остеобластов. В отличие от растворимых и фибриллярных форм, денатурированные формы коллагена I типа подавляют пролиферацию остеобластоподобных клеток и могут стимулировать дифференцировку остеобластов (Tsai et al., 2010). Небольшое количество коллагена типа III также содержится в коллагеновых фибриллах костей. У мышей с нулевым коллагеном типа III обнаруживается нарушенная дифференцировка остеобластов, что согласуется со сниженной активностью ALP, сниженными остеогенными маркерами (OCN и BSP) и минерализационной способностью (Volk et al., 2014). Следовательно, коллаген действует как тканевый каркас, обеспечивая матрицу для закрепления клеток и регулируя рост и остеогенные свойства остеобластов.

Часть белка ЕСМ не только регулирует фибриллогенез коллагена, но и необходима для развития клонов остеобластов, что в конечном итоге влияет на минерализацию.О вкладе остеонектина, кератокана, TSP1 и TSP2 в фибриллогенез коллагена широко сообщалось. Что касается влияния на созревание и функцию остеобластов, остеонектин и кератокан-нулевые мыши показывают меньшее количество остеобластов и уменьшение минерализованных узелков в мутантных клетках (Igwe et al., 2011; Rosset and Bradshaw, 2016). TSP1 ингибирует минерализацию остеобластов in vitro и in vivo (Ueno et al., 2006). Однако TSP2 способствует минерализации остеобластов, способствуя организации ECM, происходящих из остеобластов (Alford et al., 2010). В совокупности эти белки опосредуют минерализацию остеобластов, в некоторой степени регулируя фибриллогенез коллагена.

Молекулы ЕСМ BSP и OPN — это два SIBLING, которые вносят вклад в регуляцию остеобластов. BSP имеет решающее значение для синтеза активности нуклеации ECM и HA. Он может способствовать дифференцировке остеобластов и усиливать раннюю минерализацию кости с образованием новой кости in vivo . В частности, последовательность RGD BSP, которая опосредует поведение остеобластов посредством FAK и других внеклеточных киназ (Holm et al., 2015). Напротив, OPN может ингибировать процесс остеогенеза остеобластов посредством ингибирования BMP-2 и действовать как ингибитор минерализации остеобластов фосфат-зависимым образом (Huang et al., 2004; Singh et al., 2018). Как и OPN, OCN, который продуцируется остеобластами, считается ингибитором минерализации костей. Мыши с нулевым содержанием остеокальцина демонстрируют больший размер кристаллов ГК, что позволяет предположить, что остеокальцин может регулировать скорость созревания минералов (Zoch et al., 2016).

Путь Wnt является важным регулятором формирования кости.Три молекулы ECM, MGP, R-spondin2 и periostin, были идентифицированы как модулирующие минерализацию остеобластов посредством передачи сигналов Wnt. Нокдаун MGP ингибирует дифференцировку и минерализацию остеобластов посредством активации сигнального пути Wnt / β-catenin. В соответствии с результатами эксперимента in vivo , что сверхэкспрессия MGP ингибирует снижение минеральной плотности костной ткани, вызванное овариэктомией (Zhang J. et al., 2019). Как агонист wnt, R-спондин2 обильно экспрессируется в преостеобластах, стимулированных Wnt.R-spondin2 способствует остеобластогенезу in vitro и костной массе in vivo , поддерживая его жизненно важную роль в остеобластогенезе и развитии костей (Knight et al., 2018). Склеростин является важным ингибитором передачи сигналов WNT / β-катенин и регулирует образование матрикса остеобластов. Сообщалось, что периостин может напрямую взаимодействовать со склеростином и способствует передаче сигналов Wnt, ингибируемой склеростином (Bonnet et al., 2016). Более того, периостин также может влиять на дифференцировку остеобластов и формирование костей, это указывает на то, что периостин участвует в анаболизме костей, регулируя передачу сигналов Wnt / β-catenin (Merle and Garnero, 2012) (Table 3).

Таблица 3 Функция костного ВКМ в остеобластах.

Регулирование остеоцитов с помощью ЕСМ

Остеоциты представляют собой окончательно дифференцированные иммобилизованные клетки в костном матриксе. Хотя остеоциты встроены в костный матрикс, они контактируют друг с другом и с клетками выстилки кости, что способствует росту и восстановлению костей.

Костный матрикс, присутствующий вокруг сложной лакуно-канальцевой сети остеоцитов, постоянно резорбируется и откладывается в процессе, называемом перилакунарным / канальцевым ремоделированием (Dole et al., 2017). Изменения в общей скорости формирования канальцевой сети увеличивают активность остеобластов и костеобразование. Недавно было продемонстрировано, что процесс, с помощью которого остеоциты выталкивают волокна коллагена I типа наружу от центра сформированной лакуны, опосредует образование лакуны остеоцитов, которое сопровождается повышенным отложением коллагена и уплотнением сети коллагеновых волокон, окружающих лакуны. Следовательно, динамическая сборка костного коллагена в значительной степени способствует инкапсуляции и минерализации остеоцитов в костном матриксе (Shiflett et al., 2019).

Остеоциты могут воспринимать внешние механические сигналы и реагировать на них. Жесткость окружающей матрицы является одним из наиболее важных сигналов, регулирующих поведение остеоцитов, а изменения жесткости ВКМ вызывают изменения цитоскелета и морфологии клеток, а также фибронектина, что приводит к изменениям паксиллина и, в свою очередь, влияет на удлинение щелевых контактов остеоцитов (Zhang DM et al., 2018). По мере того как остеоциты начинают расширять отростки и начинают минерализовать соседний матрикс, экспрессия DMP1 и MEPE повышается.Жесткость ECM, и особенно субстратов на основе коллагена, влияет на экспрессию DMP1. Уровни DMP1 и Sclerostin значительно увеличиваются на субстратах на основе коллагена с низкой жесткостью, что указывает на усиление дифференцировки остеоцитов по сравнению с субстратами ECM с высокой жесткостью (Mullen et al., 2013). Изменения уровней DMP1 опосредуют восприятие остеоцитами механических стимулов, что может увеличивать прикрепление остеоцитов и ремоделирование матрикса, присутствующего в локальном микроокружении (Gluhak-Heinrich et al., 2003). Кроме того, DMP1 также подавляет апоптоз остеоцитов, усиливает минерализацию костей и предотвращает распад сети остеоцитов (Dussold et al., 2019). MEPE синхронизирован с DMP1 и по-разному регулирует ремоделирование кости за счет механической нагрузки. Мыши с нокаутом MEPE обнаруживают повышенную костную массу, сопровождаемую подавленной минерализацией, это указывает на то, что и DMP1, и MEPE могут регулировать минерализацию в остеоцитах и лакунарной стенке (Gluhak-Heinrich et al., 2007) (Table 4).

Таблица 4 Функция костного ECM в остеоцитах.

Функция костного ECM в остеокластах

Остеокласты — это многоядерные клетки, образованные в результате слияния и дифференцировки предшественников моноцитов / макрофагов, участвующие в резорбции кости. Образование и активность остеокластов, активируемых колониестимулирующим фактором макрофагов (M-CSF) и рецептором для активации лиганда ядерного фактора κB (NF-κB) (RANKL), которые происходят из остеобластов (Lin et al., 2019).

При образовании остеокластов TSP1, TSP2, MGP и biglycan регулируют дифференцировку и активность резорбции остеокластов с помощью различных регуляторных механизмов. И TSP1, и TSP2 являются ключевыми позитивными регуляторами дифференцировки остеокластов. TSP1 функционирует на ранней стадии остеокластогенеза, а у мышей с дефицитом TSP1 наблюдается снижение дифференцировки и активности остеокластов. Это вызвано повышенной индуцибельной синтазой оксида азота (iNOS) (Amend et al., 2015). Однако TSP2 индуцирует остеокластогенез через NFATc1, который является RANKL-зависимым путем, сопровождающимся повышенным соотношением RANKL / OPG (Wang et al., 2019). Напротив, MGP подавляет ядерную транслокацию NFATc1 и внутриклеточный поток Ca ²⁺ в остеокластах, что, в свою очередь, ослабляет дифференцировку и резорбцию кости. MGP также подавляет образование костей, а MGP-нулевые мыши проявляют остеопенический фенотип, что позволяет предположить, что MGP играет более сильную роль в абсорбции костей, чем в формировании костей (Zhang Y. et al., 2019). Обладая тем же механизмом регуляции, что и MGP, коллаген I типа также может действовать как ингибитор развития костей остеокластами.Формирование остеокластов может подавляться полноразмерными фрагментами коллагена типа I или фрагментами 30–75 кДа, которые связываются с рецептором коллагена LAIR-1 и тем самым поддерживают прочность костей (Boraschi-Diaz et al., 2018). Было показано, что TNFα регулирует дифференцировку и выживание остеокластов независимым от RANKL образом. У мышей с двойным нокаутом по бигликану и фибромодулину остеокласты обладают более высоким потенциалом дифференцировки и окружены повышенным цитокином TNFα и RANKL. Экзогенный бигликан или фибромодулин ослабляют способность предшественников остеокластов образовывать TRAP-положительные многоядерные клетки.Следовательно, бигликан сам по себе или в сочетании с фибромодулином регулирует остекластогенез с помощью TNFα и / или RANKL для контроля костной массы (Kram et al., 2017).

RGD-последовательность OPN и BSP взаимодействует с интегрином αvβ3, инициируя адгезию остеокластов к костному матриксу и образование актинового кольца поляризованных остеокластов, что имеет решающее значение для развития костей. Комбинация интегрин-матрица жизненно важна для образования подосом на остеокластах. Таким образом, OPN играет важную роль в активности остеокластов и формировании зоны герметизации остеокластов (Singh et al., 2018). Более того, OPN может секретироваться остеокластами человека в дополнение к остеобластам во время резорбции кости, что может использоваться в качестве хемокина для последующего образования и резорбции кости (Luukkonen et al., 2019). Кроме того, поверхность остеокластов и количество остеокластов уменьшаются у мышей с нокаутом BSP. BSP может способствовать резорбции костей, а миграция преостеокластов и зрелых остеокластов нарушается в отсутствие BSP (Boudiffa et al., 2010). OPN и BSP могут действовать как сеть для координации функции остеокластов.Остеокласты, полученные от мышей с двойным нокаутом OPN и BSP, проявляют большее количество и резорбционную активность. Взаимодействие между OPN / BSP и интегрином αVβ3 может участвовать в определении адгезии остеокластов к поверхности костного матрикса и последующей резорбции (Bouleftour et al., 2019) (Таблица 5).

Таблица 5 Функция костного ECM в остеокластах.

Применение ECM для инженерии костной ткани

В тканевой инженерии используются основные принципы и методы наук о жизни и инженерии для создания функциональных заменителей тканей in vitro , которые могут использоваться для восстановления дефектов ткани и замены частичной или полной потери функции органов (Shafiee, Atala, 2017).Стратегии тканевой инженерии основаны на трех основных элементах — семенных клетках, каркасах и цитокинах, которые взаимодействуют с образованием сконструированных тканевых конструкций (Hu, 1992). Большинство подходов к тканевой инженерии полагаются на возобновляемые семенные клетки, такие как стволовые клетки, для восстановления поврежденных участков. Производство большого количества факторов роста и компонентов ЕСМ во время пролиферации посевных клеток увеличивает гибкость каркаса и способствует пролиферации и дифференцировке аутологичных клеток-предшественников, тем самым дополнительно усиливая восстановление тканей.Кроме того, цитокины связываются с рецепторами на поверхности клетки, которые передают внеклеточные сигналы внутрь клетки, чтобы регулировать пролиферацию и дифференцировку клеток или усиливать образование ECM (Zhang et al., 2016). Каркас обеспечивает соответствующую трехмерную (3D) структуру, которая направляет рост семенных клеток для достижения правильного ремоделирования тканей. Идеальные каркасы должны обладать хорошей биосовместимостью, биоразлагаемостью, биомеханическими свойствами, проницаемостью, характеристиками поверхности и не должны способствовать иммунному отторжению (Yi et al., 2017).

В последние годы инженерия костной ткани быстро развивается, обеспечивая новый многообещающий подход к восстановлению кости. Однако из-за сложной анатомической структуры кости и высокого механического напряжения, которое инженерная ткань должна выдерживать in vivo , регенерация костной ткани остается одной из основных проблем тканевой инженерии (Vieira et al., 2017). Костные трансплантаты можно использовать для стимуляции или увеличения образования новой кости вокруг переломов или хирургических имплантатов, а также для регенерации или замещения кости, утраченной из-за инфекции, травмы или заболевания (Polo-Corrales et al., 2014). Идеальный каркас также должен способствовать прикреплению, увеличивать жизнеспособность и пролиферацию, а также вызывать остеогенную дифференцировку и ангиогенез. Наконец, материал должен иметь возможность постепенно интегрироваться с тканью хозяина и нести ту же нагрузку (Roseti et al., 2017). Костные каркасы обычно изготавливаются из биоразлагаемых материалов, которые являются пористыми и эффективно интегрируют семенные клетки, факторы роста и лекарственные препараты, а также обеспечивают механическую поддержку во время восстановления и регенерации поврежденной кости (Bose et al., 2012).

С быстрым развитием регенеративной медицины ECM привлек внимание как четвертый элемент в развитии инженерии костной ткани (Ravindran et al., 2012) (Рисунок 1). ЕСМ действует как физический каркас и субстрат для клеточной адгезии, доставляя биохимические и биомеханические сигналы клеткам, чтобы инициировать миграцию, дифференцировку, морфогенез и гомеостаз (Yi et al., 2017).

Рисунок 1 Схема приготовления каркаса на основе ECM при регенерации кости. (A) Каркас из биоматериалов, модифицированных ЕСМ. Различные компоненты и содержимое ECM модифицированы каркасом на основе биоматериалов, а затем модифицированы стволовыми клетками и структурной обработкой для имитации природных биоматериалов. (B) децеллюляризованный каркас ЕСМ, полученный либо из ткани in vivo , либо из культивируемых клеток in vitro путем децеллюляризации, которая является многообещающей стратегией для индукции регенерации кости и имеет хорошие клинические характеристики.

ECM-Modified Biomaterial Scaffold

Компоненты внеклеточного матрикса, такие как коллаген, HA и фибронектин, обычно используются в качестве природных биоматериалов для изготовления каркасов.Сам ECM или модифицированный каркасом на основе биоматериала используется в биологических каркасах для имитации природных биоматериалов. Поскольку отдельный костный компонент внеклеточного матрикса, как правило, не может имитировать сложное остеогенное микроокружение, для создания композита, который может производить синергетический эффект, используются два или более материала.

ECM действует как материал покрытия поверхности на абсорбируемых полимерах и все чаще используется для производства биоразлагаемых каркасов для материалов для восстановления кости. Rentsch et al.сконструированы поликапролактон-лактидные (PCL) каркасы, покрытые 3D-коллагеном I / хондроитинсульфатом (Coll I / CS) для восстановления дефектов костей свода черепа кроликов. По сравнению с каркасами PCL, больше новой кости образовалось в центральном дефекте группы PCL, покрытой Coll / CS, и она была более равномерно распределена в каркасах через 6 месяцев после имплантации (Rentsch et al., 2014). Кроме того, титан (Ti) был покрыт Col1 и имплантирован в мыщелки бедренной кости крыс с остеопенией для оценки остеоинтеграции, общее врастание материала TiColl в костную ткань после овариэктомии значительно увеличилось с 4 до 12 недель после имплантации по сравнению с одним Ti ( Sartori et al., 2015). Интересно, что остеогенный потенциал гидроксиапатита / β-трикальцийфосфата (HA / β-TCP) был улучшен путем иммобилизации на поверхности пептида MEPE. HA / β-TCP с пептидом MEPE стимулировал регенерацию кости на модели дефекта свода черепа у мышей по сравнению с немодифицированным HA / β-TCP. Новообразованные кости подвергаются физиологическому ремоделированию, опосредованному остеокластами (Acharya et al., 2012). Следовательно, из-за особой структуры и функции ECM, для биополимерного каркаса может быть полезно выполнять сигнальную связь и проводимость с клетками, улучшать остеокондукцию и остеоинтеграцию, а также направлять рост клеток и ремоделирование тканей.

Как важный компонент внеклеточного матрикса естественной костной ткани, ГК также использовался в материалах для регенерации и восстановления костей, таких как костные пломбы и инъекционные заменители кости. Композит PCL / HA, модифицированный НА, обладал лучшей биосовместимостью с клетками hMSC с более высоким пролиферативным и остеогенным потенциалом по сравнению с чистым PCL. Таким образом, эффективность прикрепления между hMSC и каркасом PCL / HA была улучшена при более высоком содержании HA от 5% до 10% и в зависимости от концентрации HA (Kumar et al., 2017). Это означает, что в дополнение к различным компонентам модифицированного ECM, влияющим на поведение клеток при регенерации кости, различное содержимое ECM также играет разные роли.

В инженерии костной ткани биологические каркасы должны иметь не только компоненты, аналогичные натуральной кости, но и аналогичные структурные свойства. Нанокомпозит коллаген-апатит (Col-Ap), который имитирует субфибриллярные наноструктуры костного типа, был создан для имитации естественной кости. Каркас из нанокомпозитов Col-Ap был способен активировать костеобразующие клетки, способствовать внутренней васкуляризации, а также индуцировать синтез ECM, опосредованный повышенным TGFβ1.(Лю и др., 2016). Кроме того, Haj et al. продемонстрировали, что нановолокнистые каркасы HA / хитозана (nHAp / CTS), засеянные MSC, превосходят мембранный HAp / CTS в модели регенерации дефектов черепной кости на крысах. МСК в нановолоконном каркасе активируют передачу сигналов интегрин-BMP / Smad, что приводит к более высокой пролиферации и активности ALP (Liu et al., 2013). Подобно нановолоконному каркасу НА, Shamaz et al. получили микроволокнистые листы электропрядения путем объединения слоев микроволоконного мата, состоящего из электропряденого поли (L-молочной кислоты) (PLLA), матрицы желатин-наноНА (GHA) и 1-этил-3- (3-диметиламинопропил) карбодиимида, называемого GHA-MF _Е.Когда полученные из жировой ткани МСК человека (hADMSC) выращивали на этом каркасе GHA-MF _E, они проявляли более высокую активность ЩФ in vitro . Более того, волокнистые каркасы GHA-MF _E значительно увеличили скорость образования новой кости в дефекте кортикальной кости бедренной кости кролика после 4 недель имплантации по сравнению с коммерческим Surgiwear ™ (Shamaz et al., 2015). Очевидно, морфология поверхности и общая топология ECM в каркасах в значительной степени вовлечены в определение их способности к загрузке и росту клеток в инженерии костной ткани.

Стволовым клеткам уделяется все большее внимание в регенеративной медицине, включая регенерацию костей. Из-за их хорошей способности к пролиферации и способности к остеогенной дифференцировке. С другой стороны, стволовые клетки способны синтезировать ECM, который может ускорять кальцификацию и восстановление, тем самым восстанавливая функцию поврежденных костей (Clough et al., 2015; Gao et al., 2017). Chamieh et al. лечили дефекты свода черепа критического размера у крыс, используя стволовые клетки пульпы зуба человека (DPSC), высеянные на скалы из коллагенового геля.По сравнению с необработанными дефектами каркасы, содержащие DPSC, значительно способствовали формированию правильно структурированной новой кости и увеличивали объем волокнистой соединительной ткани и минерализованной ткани, что сопровождалось повышенной экспрессией остеогенной ЩФ и коллагена I типа (Chamieh et al., 2016). Когда МСК на ламинированных наночастицах НА (nHA) / поли-гидроксибутират (PHB) (nHA / PHB) были имплантированы совместно, это привело к улучшенному ускоренному формированию остеоидной ткани и внеклеточного матрикса с прорастанием кровеносных сосудов в трансплантат через два месяца после подкожная имплантация на спинной части модели мышей (Chen et al., 2017). Более того, МСК, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК-МСК) в сочетании с нановолокнами HAp / Col / CTS, также обладали хорошей способностью к регенерации костей при дефектах черепа у мышей с почти в 2 раза более высокой плотностью костей, чем TCP, CTS или HAp / Строительные леса CTS. Это может быть связано с повышенной секрецией Alp и Col (Xie et al., 2016). Благодаря синергическому эффекту стволовых клеток и ECM, композитные каркасы стволовые клетки / ECM более способствуют ремоделированию кости, чем каркасы, модифицированные ECM.Помимо стволовых клеток, эндотелиальные клетки (ЭК), которые способствуют васкуляризации, могут обеспечить адекватную питательную поддержку каркаса. Остеогенно дифференцированные МСК (OMSC) и ЭК были засеяны в каркас нано-ГА / полиуретан (н-ГА / ПУ) в соотношении 0,5 / 1,5, были более эффективны для восстановления кости в мыщелковых дефектах бедренной кости крыс, чем каркас и каркас только OMSC . Следовательно, ECs в OMSC / EC-scaffold играют важную роль в формировании кости и васкуляризации (Li et al., 2019).

В клиническом исследовании абсорбируемый коллагеновый губчатый каркас содержит костностимулирующие агенты, такие как rhBMP-2, rhBMP-7 и PRP, для лечения дефектов длинных костей и переломов пациента.У пациентов отмечалось заживление кости и образование новой кости в месте дефекта (Govender et al., 2002; Calori et al., 2008). За исключением коллагена, контролируемые пропорции ГК вместе с модифицированным фосфатом кальция, TCP и ионными соединениями образуют Bonelike ^®, который можно использовать для лечения некритических дефектов костей. Bonelike ^® имеет аналогичный химический и структурный состав человеческой кости. Bonelike ^® сам по себе или в сочетании с МСК улучшал регенерацию кости, способствуя росту кости и васкуляризации у пациентов с дефектом кости (Campos et al., 2019). Кроме того, наногидроксиапатит, полученный из яичной скорлупы, для трансплантации кости обладает высокой безопасностью и может обеспечить хорошие показатели регенерации кости. На третьем месяце после имплантации пациентам костный трансплантат показал повышенную плотность кости и полное заживление (Kattimani et al., 2019). Следовательно, использование каркаса, модифицированного ECM, для регенерации кости значительно лучше, чем стандартное лечение, за счет уменьшения частоты вторичного вмешательства при одновременном снижении частоты инфицирования у пациентов с открытым костным дефектом.

Прежде всего, различные типы, пропорции, структуры ECM и даже разные имплантированные клетки могут все влиять на характеристики регенерации кости каркаса из биоматериала, модифицированного ECM, предполагая, что может существовать набор элементов ECM, которые работают согласованно для направлять регенерацию кости. Более того, остается неизвестным, насколько каждый из этих факторов или комбинация этих факторов вносит вклад в ECM в каркасе. Дальнейшие исследования все еще необходимы, чтобы полностью выявить множественные функции ECM в каркасе из биоматериала, модифицированного ECM, во время восстановления кости.

Децеллюляризованный каркас ECM

Хотя каркас из биоматериала, модифицированный ECM, основанный на различных композициях и соотношениях костного ECM, может улучшить заживление костных дефектов, сложные компоненты матрикса и активность не могут быть полностью стимулированы в биомиметической костной ткани. Кроме того, эти искусственные каркасы лишены специфической клеточной ниши и анатомических структур тканей-мишеней и не могут гарантировать хорошую интеграцию клеточных и молекулярных сигналов (Zhang et al., 2016). Следовательно, децеллюляризованный каркас ЕСМ, полученный либо из ткани in vivo , либо из культивируемых клеток in vitro , является многообещающей стратегией для индукции регенерации кости и имеет хорошие клинические характеристики.Он имеет то преимущество, что поддерживает компоненты ECM, обеспечивая исходную геометрию и гибкость ткани, а также предлагает низкую иммуногенность (Hoshiba et al., 2016). Децеллюляризованный ЕСМ обеспечивает механическую поддержку регенерирующих клеток и влияет как на их миграцию, так и на решение клеточной судьбы (Gallie et al., 1989).

Децеллюляризованный ECM, полученный из ткани. Каркас

Костный децеллюляризованный ECM (dECM) может обеспечивать естественное микроокружение, содержащее белки ECM, коллаген I типа и факторы роста, включая морфогенетические белки кости.Kim et al. использовали dECM из свиной кости для формирования 3D-печатных каркасов PCL / β-TCP / bone dECM, которые способствовали более новой регенерации кости через 6 недель после восстановления дефекта свода черепа кролика in vivo . Важно отметить, что внутри каркаса развивалась костная ткань. Напротив, костная ткань формировалась только на краю каркаса без dECM (Kim et al., 2018). ДЭЦМ, полученный из пористой пластинки роста (GP), был изготовлен для восстановления критических размеров черепных дефектов крыс. Более высокие уровни минерализованной ткани и увеличенный объем сосудов наблюдались через 8 недель после имплантации, что могло быть вызвано снижением продукции IL-1β и IL-8 и более высокой остеогенной способностью по сравнению с нативным GP (Cunniffe et al., 2017). Кроме того, 3D-каркас внеклеточного матрикса, полученный из децеллюляризованной надкостницы, способствовал минерализации костей, контролируя размер и направление минеральных кристаллов при регенерации дефекта костной ткани кролика, что свидетельствует о решающей роли внеклеточного матрикса надкостницы в эффективном заживлении переломов и регенерации кости (Lin et al., 2018 ). В клинических условиях децеллюляризованная костная внеклетка из дисков трабекулярной кости крупного рогатого скота с аутогенными МСК пациента может лечить перелом дистального отдела большеберцовой кости. Через 6 месяцев можно обнаружить активное костеобразование как в костной мозоли, так и в трансплантате пациента (Hesse et al., 2010). Это означает, что трансплантация нативной децеллюляризованной кости имеет широкую перспективу применения в ортопедической хирургии.

ДЭКМ, полученная из некостной ткани, также может использоваться для регенерации кости. Mohiuddin et al. продемонстрировали, что комбинация децеллюляризованной жировой ткани (DAT) со стромальными / стволовыми клетками (ASC), полученными из жировой ткани, эффективна в регенеративном восстановлении костей дефектов бедренной кости критического размера у мышей. Группа, обработанная гидрогелем DAT, показала более высокое отложение OPN и коллагена I, а также более высокую площадь кости, чем необработанная группа (Mohiuddin et al., 2019). Кроме того, подслизистая оболочка тонкого кишечника свиньи (SIS) была объединена с истинной костной керамикой (TBC) и минерализована для изготовления тканевого каркаса ECM mSIS / TBC. Этот каркас способствует жизнеспособности, пролиферации и остеогенезу MSCs крыс посредством ERK1 / 2 и Smad1 / 5/8 сигнальных путей in vitro . Что наиболее важно, костеобразование в модели краниального дефекта критического размера на крысах было значительно улучшено с помощью каркаса mSIS / TBC по сравнению с чистым каркасом TBC (Sun et al., 2018). Взятые вместе, обилие множества компонентов ECM в dECM из ткани является идеальным биоматериалом для инженерии костной ткани.

Каркас децеллюляризованного ЕСМ, полученный из клеток

Аутологичные клетки, выращенные в асептических условиях in vitro , могут быть использованы для получения децеллюляризованного ЕСМ клеточного происхождения, что позволяет избежать недостатков децеллюляризованного ЕСМ, происходящего из ткани. Каркасы ЕСМ, полученные из стволовых и костных клеток, потенциально могут лучше имитировать естественное костное микроокружение, тем самым вызывая регенерацию кости (Sun et al., 2018). In vitro стволовые клетки, полученные из жировой ткани (ASC) на децеллюляризованных ECM, происходящих из hMSC, обнаруживают больше остеогенных колоний, что сопровождается повышенной экспрессией остеогенных маркеров (Zhang et al., 2015). dECM, полученный из совместно культивируемых MSC и HUVEC, способствовал остеогенному и ангиогенному потенциалу BMSC. Более того, соотношение MSC / HUVEC 1/3 имеет лучший ангиогенный эффект на MSC (Carvalho et al., 2019b). ДЭКМ клеточного происхождения, богатый коллагеном, макромолекулами матрикса и факторами роста, обладает хорошей биосовместимостью и биоразлагаемостью, что делает его полезным для пролиферации и остеогенной дифференцировки МСК и может использоваться в качестве матрицы культуры клеток для медицины регенерации костей.

При восстановлении костей ДЭКМ клеточного происхождения в сочетании с неорганическим материалом создает гибридные каркасы, обеспечивающие более сильные остеоиндуктивные свойства и механическую поддержку. Имплантация остеогенных листов ECM (OECMS), которые сохраняют нативный коллаген I и факторы роста вместе с HA, улучшила регенерацию кости в модели несращения бедренной кости на крысах через 5 и 8 недель. OECMS содержал TGF-β и BMP2, что приводило к усилению остеоиндукции и остеокондукции (Onishi et al., 2018). Когда dECM, полученный из клеток MG63, депонировали на каркас CS / PCL, hMSC проявляли усиленное прикрепление, пролиферацию и остеогенную дифференцировку, а каркас обнаруживал противовоспалительные свойства in vitro . Более того, CS / PCL, покрытый dECM, продемонстрировал хорошую способность к регенерации кости после имплантации in vivo при дефектах свода черепа крыс, что было связано с увеличением минерализованной ткани (Wu et al., 2019). В соответствии с характеристиками различных биоматериалов и хорошей остеоиндукцией внеклеточного матрикса тканевые трансплантаты могут быть адаптированы для преодоления ограничений аутотрансплантата и аллотрансплантата.

Кроме того, каркасы dECM для восстановления кости также могут быть получены из других, не костных клеток. Каркас PLGA / PLA был покрыт dECM из фибробластов легких человека (hFDM) для восстановления костных дефектов путем доставки BMP-2. Каркас dECM / PLGA / PLA значительно способствовал образованию новой кости в модели дефекта кости свода черепа у крыс. Примечательно, что добавление BMP-2 привело к почти полному заживлению костных дефектов (Kim et al., 2015). Мезенхимальные стромальные клетки, полученные из ткани нижней носовой раковины человека (hTMSC), были объединены с напечатанным на 3D-принтере каркасом PCL / поли (молочно-гликолевая кислота) (PLGA) / β-TCP, чтобы сформировать минерализованный каркас ECM.Соответствующие имплантаты улучшили формирование кости у эктопических и ортотопических моделей крыс по сравнению с голым каркасом в соответствии с повышенной остеогенной дифференцировкой hTMSC на 3D-печатных гибридных каркасах in vitro (Pati et al., 2015). Дальнейшее развитие технологии 3D-печати в каркасах на основе ECM полезно для инженерии костной ткани и регенеративной медицины.

Выводы и перспективы

Хотя естественные костные трансплантаты из аутологичных или аллогенных источников являются лучшим выбором для восстановления костных дефектов, их клиническое применение ограничено из-за осложнений во время операции, связанных с их источником.С развитием технологии тканевой инженерии биоматериалы, изготовленные с использованием материаловедения, нанотехнологий и 3D-печати, использовались для разработки новых имплантатов для регенерации костей. Однако многие такие новые материалы страдают недостатками, такими как плохая биосовместимость, низкая остеоиндуктивность и высокая иммуногенность. Строительные леса ECM обладают уникальными преимуществами во всех этих областях. Поскольку они могут лучше моделировать состав, распределение и биохимические сигналы различных компонентов матрикса в нативной костной ткани, они могут имитировать естественное микроокружение кости.Следовательно, такие материалы могут эффективно поддерживать регенерацию кости и направлять реконструкцию тканей. В обычных конструкциях каркасов, модифицированных ECM, используется один или комбинация компонентов ECM или применяется покрытие в сочетании с биоматериалами для производства каркасов. Даже при использовании децеллюляризованных препаратов аутологичной или аллогенной ткани или клеток, культивируемых in vitro , целостность и механические свойства компонентов матрикса сохраняются, при этом достигается низкая иммуногенность за счет удаления связанных с клетками антигенов.Было продемонстрировано, что костный ECM улучшает регенерацию костей. Таким образом, применение каркаса из биоматериала, модифицированного ЕСМ, и децеллюляризованного каркаса из ЕСМ стало новым рубежом в тканевой инженерии и регенеративной медицине.

Тем не менее, клиническое применение каркаса из биоматериала, модифицированного ECM, или децеллюляризованного каркаса ECM для восстановления кости по-прежнему сталкивается со многими проблемами, такими как сохранение факторов роста и биохимических сигналов в ECM во время децеллюляризации, модификация ECM, дизайн и обработка каркасов ECM, а также стандартизация и массовое производство для клинических исследований.Существуют методы децеллюляризации, которые сохраняют характеристики и функции ECM. Однако из-за сложности и динамики его компонентов не проводился систематический анализ компонентов ECM, секретируемых клетками или тканями, и неясно, может ли децеллюляризованный ECM полностью соответствовать биохимическому отпечатку нативного костного ECM. Следовательно, компоненты и состав децеллюляризованных каркасов ЕСМ, а также динамические изменения ЕСМ в различных условиях культивирования должны быть дополнительно изучены, чтобы сделать его более похожим на естественный состав ЕСМ.Кроме того, сложно точно контролировать компоненты ЕСМ, секретируемые клетками, чтобы их можно было стандартизировать и унифицировать в массовом производстве. Клетки можно генетически модифицировать для своевременной и количественной экспрессии определенных продуктов, и можно использовать соответствующие биореакторы для мониторинга роста клеток и секреции продуктов. Следовательно, стандарты выпуска ECM могут быть установлены для улучшения качества трансплантата. Наконец, ECM можно модифицировать, добавляя факторы роста и биоактивные молекулы во время подготовки каркасов ECM для повышения эффективности восстановления костных дефектов.Следовательно, типы и количества биоактивных молекул требуют дальнейшего изучения. Хотя добавки могут повысить способность к регенерации кости в месте дефекта, они не должны влиять на рост других прилегающих тканей в месте трансплантата, что позволяет избежать воспаления и гиперплазии. Кроме того, каркасы ЕСМ можно комбинировать с аутологичными плюрипотентными стволовыми клетками или органоспецифическими клетками-предшественниками для лучшего терапевтического эффекта. Наконец, конструкция и обработка каркасов ECM могут заставить их более точно заполнять место дефекта, предлагая лучшую механическую поддержку и функциональную бионику.С развитием технологии 3D-печати в последние годы, ECM можно обрабатывать с помощью биологической печати для получения каркасов с различной топологией, таких как пористые и ламеллярные, или даже каркасов с формой, которая точно соответствует месту дефекта. Таким образом, имплант может быть сконструирован с улучшенными бионическими механическими свойствами и более сильной способностью к регенерации кости.

В заключение следует отметить, что применение ECM в формировании кости и регенерации костей полно возможностей и проблем.В будущем дальнейшие исследования клеточных и молекулярных механизмов, опосредующих эффекты ECM на костные клетки и восстановление кости, будут способствовать дальнейшему развитию основанных на ECM каркасов в инженерии костной ткани.

Вклад авторов

XL и SP подготовили рукопись. AQ и Y-GG разработали проект.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Это исследование было поддержано Национальным фондом естественных наук Китая (81700784, 81601913), Планом фундаментальных исследований естественных наук провинции Шэньси, Китай (2018JQ3049), Фондом фундаментальных исследований для центральных университетов (3102019ghxm012).

Ссылки

Ачарья, Б., Чун, С. Ю., Ким, С. Ю., Мун, К., Шин, Х. И., Парк, Э. К. (2012). Поверхностная иммобилизация пептида MEPE на керамических частицах HA / ss-TCP улучшает регенерацию и ремоделирование кости. J. BioMed. Матер. Res. B. 100b, 841–849. doi: 10.1002 / jbm.b.32648

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Элфорд, А. И., Теркхорн, С. П., Редди, А. Б., Ханкенсон, К. Д. (2010). Тромбоспондин-2 регулирует минерализацию матрикса в преостеобластах MC3T3-E1. Кость 46, 464–471. doi: 10.1016 / j.bone.2009.08.058

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Элфорд, А. И., Голич, А. З., Кэти, А. Л., Редди, А. Б. (2013).Тромбоспондин-2 способствует сборке богатого коллагеном матрикса I типа в стромальных клетках костного мозга, подвергающихся остеобластной дифференцировке. Connect Tissue Res. 54, 275–282. DOI: 10.3109 / 03008207.2013.811236

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Amend, S. R., Uluckan, O., Hurchla, M., Leib, D., Novack, D. V., Silva, M., et al. (2015). Тромбоспондин-1 регулирует гомеостаз кости посредством воздействия на целостность костного матрикса и передачу сигналов оксида азота в остеокластах. J. Bone Miner. Res. 30, 106–115. doi: 10.1002 / jbmr.2308

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ассис-Рибас, Т., Форни, М. Ф., Виннишофер, С. М. Б., Согаяр, М. К., Тромбетта-Лима, М. (2018). Динамика внеклеточного матрикса при дифференцировке мезенхимальных стволовых клеток. Dev. Биол. 437, 63–74. doi: 10.1016 / j.ydbio.2018.03.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bailey Dubose, K., Zayzafoon, M., Мерфи-Ульрих, Дж. Э. (2012). Тромбоспондин-1 подавляет остеогенную дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток человека посредством скрытой активации TGF-бета. Biochem. Биофиз. Res. Commun. 422, 488–493. doi: 10.1016 / j.bbrc.2012.05.020

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bellahcene, A., Castronovo, V., Ogbureke, K. U., Fisher, L. W., Fedarko, N. S. (2008). Малый интегрин-связывающий лиганд N-связанные гликопротеины (SIBLING): многофункциональные белки при раке. Nat. Rev. Cancer 8, 212–226. doi: 10.1038 / nrc2345

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Belotti, D., Capelli, C., Resovi, A., Introna, M., Taraboletti, G. (2016). Тромбоспондин-1 способствует функциям мезенхимальных стромальных клеток через TGFbeta и в сотрудничестве с PDGF. Matrix Biol. 55, 106–116. doi: 10.1016 / j.matbio.2016.03.003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bi, Y. M., Stuelten, C.Х., Килтс, Т., Вадхва, С., Иоззо, Р. В., Роби, П. Г. и др. (2005). Протеогликаны внеклеточного матрикса контролируют судьбу стромальных клеток костного мозга. J. Biol. Chem. 280, 30481–30489. doi: 10.1074 / jbc.M500573200

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bonnans, C., Chou, J., Werb, Z. (2014). Ремоделирование внеклеточного матрикса в процессе развития и болезни. Nat. Rev. Mol. Cell Bio 15, 786–801. doi: 10.1038 / nrm3904

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Boraschi-Diaz, I., Морт, Дж. С., Бромм, Д., Сенис, Ю. А., Мажарян, А., Комарова, С. В. (2018). Фрагменты деградации коллагена I типа действуют через рецептор коллагена LAIR-1, обеспечивая отрицательную обратную связь для образования остеокластов. Кость 117, 23–30. doi: 10.1016 / j.bone.2018.09.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Boudiffa, M., Wade-Gueye, N. M., Guignandon, A., Vanden-Bossche, A., Sabido, O., Aubin, J. E., et al. (2010). Дефицит костного сиалопротеина нарушает остеокластогенез и резорбцию минералов in vitro. J. Bone Miner. Res. 25, 2669–2679. doi: 10.1002 / jbmr.245

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bouleftour, W., Juignet, L., Verdiere, L., Machuca-Gayet, I., Thomas, M., Laroche, N., et al. (2019). Удаление OPN у мышей с нокаутом BSP не корректирует гипоминерализацию кости, но приводит к высокому метаболизму костной ткани. Кость 120, 411–422. doi: 10.1016 / j.bone.2018.12.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Калори, Г.М., Тальябу, Л., Гала, Л., д’Импорзано, М., Перетти, Г., Альбисетти, В. (2008). Применение rhBMP-7 и богатой тромбоцитами плазмы в лечении несращений длинных костей: проспективное рандомизированное клиническое исследование с участием 120 пациентов. Травма 39, 1391–1402. doi: 10.1016 / j.injury.2008.08.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кампос, Дж. М., Соуза, А. К., Касейро, А. Р., Педроса, С. С., Пинто, П. О., Бранкиньо, М. В. и др. (2019). Стволовые клетки пульпы зуба и Bonelike ((R)) для регенерации кости на модели овцы. Regener. Биоматер. 6, 49–59. doi: 10.1093 / rb / rby025

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карвалью, М. С., Кабрал, Дж. М. С., да Силва, К. Л., Вашишт, Д. (2019a). Синергетический эффект внеклеточных добавок остеопонтина и остеокальцина на пролиферацию стволовых клеток, остеогенную дифференцировку и ангиогенные свойства. J. Cell Biochem. 120, 6555–6569. doi: 10.1002 / jcb.27948

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карвалью, М.С., Сильва, Дж. К., Кабрал, Дж. М. С., да Сильва, К. Л., Вашишт, Д. (2019b). Культивируемые клеточные внеклеточные матрицы для усиления остеогенной дифференцировки и ангиогенных свойств мезенхимальных стволовых / стромальных клеток человека. J. Tissue Eng. Регенер. Med. 13, 1544–1558. doi: 10.1002 / term.2907

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chamieh, F., Collignon, A.M, Coyac, B.R., Lesieur, J., Ribes, S., Sadoine, J., et al. (2016). Ускоренная регенерация черепно-лицевой кости благодаря плотным каркасам из коллагенового геля, засеянным стволовыми клетками пульпы зуба. Sci. Rep-Uk 6, 38814. doi: 10.1038 / srep38814

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, X. D., Shi, S., Xu, T., Robey, P. G., Young, M. F. (2002). Возрастной остеопороз у мышей с дефицитом бигликана связан с дефектами стромальных клеток костного мозга. J. Bone Miner. Res. 17, 331–340. doi: 10.1359 / jbmr.2002.17.2.331

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, Z. Y., Song, Y., Zhang, J., Liu, W., Cui, J.Х., Ли, Х. М. и др. (2017). Ламинированные электросварные каркасы из композита нГА / ПГБ, имитирующие костный внеклеточный матрикс для инженерии костной ткани. Мат. Sci. Англ. C-Mater. 72, 341–351. doi: 10.1016 / j.msec.2016.11.070

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Clough, B.H., McCarley, M.R., Krause, U., Zeitouni, S., Froese, J.J., McNeill, E.P. и др. (2015). Регенерация костей с помощью остеогенно-усиленных мезенхимальных стволовых клеток и их белков внеклеточного матрикса. J. Bone Miner. Res. 30, 83–94. doi: 10.1002 / jbmr.2320

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Колсон-Томас, Ю. М., Колсон-Томас, В. Дж., Нортон, А. Л., Гестейра, Т. Ф., Кавальейро, Р. П., Менегетти, М. К. и др. (2015). Идентификация протеогликанов и гликозаминогликанов в археологических костях и зубах человека. PloS One 10, e0131105. doi: 10.1371 / journal.pone.0131105

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каннифф, Г.М., Диас-Пэйно, П. Дж., Рэми, Дж. С., Махон, О. Р., Данн, А., Томпсон, Э. М. и др. (2017). Каркасы на основе внеклеточного матрикса пластинки роста для заживления крупных костных дефектов. Eur. Cell Mater. 33, 130–142. doi: 10.22203 / eCM.v033a10

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Делани, А. М., Ханкенсон, К. Д. (2009). Тромбоспондин-2 и SPARC / остеонектин являются критическими регуляторами ремоделирования кости. J. Cell Commun. Сигнал 3, 227–238. DOI: 10.1007 / s12079-009-0076-0

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Делани, А.М., Амлинг, М., Приемель, М., Хоу, К., Барон, Р., Каналис, Э. (2000). Остеопения и снижение костеобразования у мышей с дефицитом остеонектина. J. Clin. Вкладывать деньги. 105, 915–923. doi: 10.1172 / JCI7039

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Доул, Н. С., Мазур, К. М., Асеведо, К., Лопес, Дж. П., Монтейро, Д. А., Фаулер, Т. В. и др. (2017).Внутренняя передача сигналов TGF-бета остеоцитам регулирует качество костей посредством перилакунарного / канальцевого ремоделирования. Cell Rep. 21, 2585–2596. doi: 10.1016 / j.celrep.2017.10.115

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Dussold, C., Gerber, C., White, S., Wang, X.Y., Qi, L.X., Francis, C., et al. (2019). DMP1 предотвращает изменения остеоцитов, повышение уровня FGF23 и гипертрофию левого желудочка у мышей с хроническим заболеванием почек. Bone Res. 7, 12.DOI: 10.1038 / s41413-019-0051-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Elango, J., Robinson, J., Zhang, J., Bao, B., Ma, N., de Val, J., et al. (2019). Пептид коллагена усиливает остеобластогенез мезенхимальных стволовых клеток костного мозга посредством MAPK-Runx2. Ячейки 8, 446. doi: 10.3390 / Cell8050446

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эль-Рашиди, А.А., Ротер, Дж. А., Хархаус, Л., Кнезер, У., Боккаччини, А. Р. (2017).Регенерация кости с помощью каркасов из биоактивного стекла: обзор исследований in vivo на моделях костных дефектов. Acta Biomater. 62, 1–28. doi: 10.1016 / j.actbio.2017.08.030

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Fabris, A. L. D., Faverani, L. P., Gomes-Ferreira, P. H. S., Polo, T. O. B., Santiago-Junior, J. F., Okamoto, R. (2018). Доступ для восстановления кости с помощью BoneCeramic (TM) в дефектах 5 мм: исследование свода черепа крысы. J. Appl. Устный. Sci. 26, e20160531.doi: 10.1590 / 1678-7757-2016-0531

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Финкельман, Р. Д., Батлер, В. Т. (1985). Появление белков дентина, содержащих гамма-карбоксиглутаминовую кислоту, в развивающихся молярах крысы in vitro. J. Dent. Res. 64, 1008–1015. doi: 10.1177 / 00220345850640070301

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фонсека, Х., Морейра-Гонсалвес, Д., Кориолано, Х. Дж., Дуарте, Дж. А. (2014). Качество костей: определяющие факторы прочности и хрупкости костей. Sports Med. 44, 37–53. doi: 10.1007 / s40279-013-0100-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Галли, Д. Р., Лукас, В. Дж., Уолбот, В. (1989). Визуализация экспрессии мРНК в протопластах растений: факторы, влияющие на эффективное поглощение и трансляцию мРНК. Растительная клетка 1, 301–311 doi: 10.1105 / tpc.1.3.301

PubMed Abstract | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гарсия-Гарета, Э., Коутуп, М. Дж., Бланн, Г. В. (2015).Остеоиндукция костно-пластических материалов для восстановления и регенерации костей. Кость 81, 112–121. doi: 10.1016 / j.bone.2015.07.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gluhak-Heinrich, J., Ye, L., Bonewald, L.F., Feng, J.Q., MacDougall, M., Harris, S.E., et al. (2003). Механическая нагрузка стимулирует экспрессию протеина 1 матрикса дентина (DMP1) в остеоцитах in vivo. J. Bone Miner. Res. 18, 807–817. doi: 10.1359 / jbmr.2003.18.5.807

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gluhak-Heinrich, J., Павлин, Д., Янг, В., МакДугалл, М., Харрис, С. Э. (2007). Экспрессия MEPE в остеоцитах при ортодонтическом перемещении зубов. Arch. Устный. Биол. 52, 684–690. doi: 10.1016 / j.archoralbio.2006.12.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Govender, S., Csimma, C., Genant, H.K., Valentin-Opran, A., Amit, Y., Arbel, R., et al. (2002). Рекомбинантный костный морфогенетический белок-2 человека для лечения открытых переломов большеберцовой кости: проспективное контролируемое рандомизированное исследование с участием четырехсот пятидесяти пациентов. J. Bone Joint Surg. Являюсь. 84, 2123–2134. DOI: 10.2106 / 00004623-200212000-00001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hankenson, K. D., Bain, S. D., Kyriakides, T. R., Smith, E. A., Goldstein, S. A., Bornstein, P. (2000). Увеличение количества остеопрогениторных клеток костного мозга и образование костной ткани в костном мозге у мышей, лишенных тромбоспондина 2. J. Bone Miner. Res. 15, 851–862. doi: 10.1359 / jbmr.2000.15.5.851

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hesse, E., Клюге, Г., Атфи, А., Корреа, Д., Хааспер, К., Бердинг, Г. и др. (2010). Ремонт сегментарного дефекта длинных костей у человека путем имплантации нового многодискового трансплантата. Кость 46, 1457–1463. doi: 10.1016 / j.bone.2010.02.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hinsenkamp, M., Muylle, L., Eastlund, T., Fehily, D., Noel, L., Strong, D. M. (2012). Побочные реакции и события, связанные с аллотрансплантатами опорно-двигательного аппарата: рассмотрено проектом Всемирной организации здравоохранения NOTIFY. Внутр. Ортоп. 36, 633–641. doi: 10.1007 / s00264-011-1391-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Холм, Э., Обен, Дж. Э., Хантер, Г. К., Байер, Ф., Голдберг, Х. А. (2015). Потеря костного сиалопротеина приводит к нарушению развития и минерализации эндохондральной кости. Кость 71, 145–154. doi: 10.1016 / j.bone.2014.10.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hoshiba, T., Chen, G. P., Endo, C., Maruyama, H., Wakui, M., Nemoto, E., et al. (2016). Децеллюляризованная внеклеточная матрица как модель in vitro для изучения всесторонней роли внеклеточного матрикса в дифференцировке стволовых клеток. Стволовые клетки Инт . 2016, 6397820. doi: 10.1155 / 2016/6397820

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Huang, W. B., Carlsen, B., Rudkin, G., Berry, M., Ishida, K., Yamaguchi, D. T., et al. (2004). Остеопонтин является негативным регулятором пролиферации и дифференцировки преостеобластических клеток MC3T3-E1. Кость 34, 799–808. doi: 10.1016 / j.bone.2003.11.027

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Игве, Дж. К., Гао, К., Кизиват, Т., Као, В. В., Калайзич, И. (2011). Кератокан экспрессируется остеобластами и может модулировать остеогенную дифференцировку. Connect Tissue Res. 52, 401–407. doi: 10.3109 / 03008207.2010.546536

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Яни, П. Х., Гибсон, М. П., Лю, К., Чжан, Х., Ван Х., Лу Й. и др. (2016). Трансгенная экспрессия Dspp частично устраняет дефекты длинных костей у Dmp1-нулевых мышей. Matrix Biol. 52-54, 95–112. doi: 10.1016 / j.matbio.2015.12.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каламайски, С., Аспберг, А., Линдблом, К., Хейнегард, Д., Олдберг, А. (2009). Аспорин конкурирует с декорином за связывание коллагена, связывает кальций и способствует минерализации коллагена остеобластов. Biochem. J. 423, 53–59.doi: 10.1042 / BJ200

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каттимани, В., Лингаманени, К. П., Яламанчили, С., Муппарапу, М. (2019). Использование наногидроксиапатита, полученного из яичной скорлупы, в качестве нового заменителя костного трансплантата — рандомизированное контролируемое клиническое исследование. J. Biomater. Прил. 34, 597–614. doi: 10.1177 / 0885328219863311

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kerschnitzki, M., Wagermaier, W., Roschger, P., Seto, J., Шахар Р., Дуда Г. Н. и др. (2011). Организация сети остеоцитов отражает ориентацию внеклеточного матрикса в кости. J. Struct. Биол. 173, 303–311. doi: 10.1016 / j.jsb.2010.11.014

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kim, I.G., Hwang, M.P., Du, P., Ko, J., Ha, C.W., Do, S.H., et al. (2015). Матрицы, полученные из биоактивных клеток, в сочетании с полимерным сетчатым каркасом для остеогенеза и заживления костей. Биоматериалы 50, 75–86.doi: 10.1016 / j.biomaterials.2015.01.054

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kim, J. Y., Ahn, G., Kim, C., Lee, J. S., Lee, I. G., An, S. H., et al. (2018). Синергетические эффекты бета-трикальцийфосфата и децеллюляризованной костной внеклеточной матрицы свиного происхождения в поликапролактоновом каркасе, напечатанном на 3D-принтере, на регенерацию кости. Macromol. Biosci. 18, e1800025. doi: 10.1002 / mabi.201800025

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кирби, Д.Дж., Янг, М. Ф. (2018). Выделение, производство и анализ небольших протеогликанов, богатых лейцином, в костях. Methods Cell Biol. 143, 281–296. doi: 10.1016 / bs.mcb.2017.08.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Knight, M. N., Karuppaiah, K., Lowe, M., Mohanty, S., Zondervan, R.L., Bell, S., et al. (2018). R-спондин-2 является агонистом Wnt, который регулирует активность остеобластов и костную массу. Bone Res. 6, 24. doi: 10.1038 / s41413-018-0026-7

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крам, В., Килтс, Т. М., Бхаттачарья, Н., Ли, Л., Янг, М. Ф. (2017). Небольшие протеогликаны, богатые лейцином, новое звено в остеокластогенезе. Sci. Rep-Uk 7, 12627. doi: 10.1038 / s41598-017-12651-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kumar, S., Stokes, J.A. III, Дин, Д., Роджерс, К., Ньяиро, Э., Томас, В. и др. (2017). Двухфазный органо-биокерамический волокнистый композит как биомиметический внеклеточный матрикс для регенерации костной ткани. Перед. Biosci. (Elite Ed) 9, 192–203.doi: 10.2741 / e795

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Л. М., Ли, Дж. Д., Цзоу, К., Цзо, Ю., Цай, Б., Ли, Ю. Б. (2019). Усиленная регенерация костной ткани биомиметического клеточного каркаса с совместно культивированными остеогенными и ангиогенными клетками, полученными из МСК. Cell Proliferat. 52, e12658. doi: 10.1111 / cpr.12658

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lin, X., Zhao, C., Zhu, P., Chen, J., Yu, H., Cai, Y., et al. (2018). Бесклеточная минерализация надкостницы, опосредованная внеклеточным матриксом, во время формирования кости. Adv. Здоровьеc. Матер. 7, 1700660. doi: 10.1002 / adhm.201700660

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lin, X., Xiao, Y., Chen, Z., Ma, J., Qiu, W., Zhang, K., et al. (2019). Нокдаун фактора 1 поперечного сшивания актина микротрубочек (MACF1) ингибирует RANKL-индуцированный остеокластогенез через сигнальный путь Akt / GSK3beta / NFATc1. Мол. Клеточный эндокринол. 494, 110494. doi: 10.1016 / j.mce.2019.110494

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, Х.H., Peng, H.J., Wu, Y., Zhang, C., Cai, Y.Z., Xu, G.W. и др. (2013). Содействие регенерации кости нановолоконными каркасами из гидроксиапатита / хитозана за счет воздействия на сигнальный путь интегрин-BMP / Smad в BMSC. Биоматериалы 34, 4404–4417. doi: 10.1016 / j.biomaterials.2013.02.048

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Liu, S., Sun, Y., Fu, Y., Chang, D. T., Fu, C. C., Wang, G. N., et al. (2016). Коллаген-апатитовые нанокомпозиты Bioinspired для регенерации костей. J. Endodont. 42, 1226–1232. doi: 10.1016 / j.joen.2016.04.027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, Л., Луо, К., Сан, Дж., Джу, Ю., Морита, Ю., Сонг, Г. (2018). Организация хроматина, регулируемая EZh3-опосредованным h4K27me3, необходима для OPN-индуцированной миграции мезенхимальных стволовых клеток костного мозга. Внутр. J. Biochem. Cell Biol. 96, 29–39. doi: 10.1016 / j.biocel.2018.01.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, Л., Луо, К., Сан, Дж., Сон, Г. (2019). Цитоскелетный контроль ядерной морфологии и жесткости необходим для OPN-индуцированной миграции мезенхимальных стволовых клеток костного мозга. Biochem. Cell Biol. 97, 463–470. doi: 10.1139 / bcb-2018-0263

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Luo, G. B., Ducy, P., McKee, M. D., Pinero, G. J., Loyer, E., Behringer, R. R., et al. (1997). Спонтанная кальцификация артерий и хрящей у мышей, лишенных матричного белка GLA. Природа 386, 78–81. doi: 10.1038 / 386078a0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Luukkonen, J., Hilli, M., Nakamura, M., Ritamo, I., Valmu, L., Kauppinen, K., et al. (2019). Остеокласты секретируют остеопонтин в лакуны резорбции во время резорбции кости. Histochem. Cell Biol. 151, 475–487. doi: 10.1007 / s00418-019-01770-y

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mansour, A., Mezour, M. A., Badran, Z., Тамими, Ф. (2017). Внеклеточные матрицы для регенерации костей: обзор литературы. Tissue Eng. Pt A 23, 1436–1451. doi: 10.1089 / ten.tea.2017.0026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Marinovich, R., Soenjaya, Y., Wallace, G.Q., Zuskov, A., Dunkman, A., Foster, B.L. и др. (2016). Роль костного сиалопротеина в прикреплении к сухожилию. Matrix Biol. 52-54, 325–338. doi: 10.1016 / j.matbio.2016.01.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мишра, Р., Бишоп Т., Валерио И. Л., Фишер Дж. П., Дин Д. (2016). Возможное влияние инженерии костной ткани в клинике. Regener. Med. 11, 571–587. doi: 10.2217 / rme-2016-0042

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mohiuddin, O.A., Campbell, B., Poche, J. N., Ma, M., Rogers, E., Gaupp, D., et al. (2019). Децеллюляризованный гидрогель жировой ткани способствует регенерации костной ткани в модели бедренного дефекта мыши критического размера. Перед. Bioeng. Biotechnol. 7, 211.doi: 10.3389 / fbioe.2019.00211

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мурхед, К., Прудникова, К., Марколонго, М. (2019). Регуляторные эффекты протеогликанов на фибриллогенез и морфологию коллагена исследованы с использованием биомиметических протеогликанов. J. Struct. Биол. 206, 204–215. doi: 10.1016 / j.jsb.2019.03.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Моув, Дж. К., Оу, Г. К., Уивер, В. М. (2014). Сборка внеклеточного матрикса: многомасштабная деконструкция. Nat. Rev. Mol. Cell Bio 15, 771–785. doi: 10.1038 / nrm3902

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mullen, C.A., Haugh, M.G., Schaffler, M.B., Majeska, R.J., McNamara, L.M. (2013). Дифференцировка остеоцитов регулируется жесткостью внеклеточного матрикса и межклеточным разделением. J. Mech. Behav. БиоМед. 28, 183–194. doi: 10.1016 / j.jmbbm.2013.06.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Noori, A., Ashrafi, S.J., Vaez-Ghaemi, R., Хатамян-Зареми, А., Вебстер, Т. Дж. (2017). Обзор композитов фибрина и фибрина для инженерии костной ткани. Внутр. J. Nanomed. 12, 4937–4961. doi: 10.2147 / IJN.S124671

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Onishi, T., Shimizu, T., Akahane, M., Omokawa, S., Okuda, A., Kira, T., et al. (2018). Лист остеогенного внеклеточного матрикса для регенерации костной ткани. Eur. Cells Mater. 36, 69–80. doi: 10.22203 / eCM.v036a06

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пайва, К.Б. С., Гранжейро, Дж. М. (2017). Матричные металлопротеиназы в резорбции, ремоделировании и восстановлении костей. Прог. Мол. Биол. Пер. 148, 203–303. doi: 10.1016 / bs.pmbts.2017.05.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пати, Ф., Сонг, Т. Х., Риджал, Г., Джанг, Дж., Ким, С. В., Чо, Д. В. (2015). Орнамент 3D-печатных каркасов внеклеточным матриксом, уложенным клетками, для регенерации костной ткани. Биоматериалы 37, 230–241. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2014.10.012

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рамеш, Н., Моратти, С. К., Диас, Г. Дж. (2018). Биокомпозиты гидроксиапатит-полимер для регенерации костей: обзор современных тенденций. J. BioMed. Матер. Res. Б. Прил. Биоматер. 106, 2046–2057. doi: 10.1002 / jbm.b.33950

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ravindran, S., Gao, Q., Kotecha, M., Magin, R.L., Karol, S., Bedran-Russo, A., et al. (2012). Биомиметический каркас, содержащий внеклеточный матрикс, индуцирует экспрессию остеогенных генов в стромальных клетках костного мозга человека. Tissue Eng. Часть A 18, 295–309. doi: 10.1089 / ten.tea.2011.0136

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ren, J. Q., Jin, P., Sabatino, M., Balakumaran, A., Feng, J., Kuznetsov, S.A., et al. (2011). Глобальный анализ транскриптома стромальных клеток костного мозга человека (BMSC) выявляет пролиферативные, мобильные и интерактивные клетки, которые продуцируют большое количество белков внеклеточного матрикса, некоторые из которых могут влиять на активность BMSC. Цитотерапия 13, 661–674.doi: 10.3109 / 14653249.2010.548379

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Rentsch, C., Rentsch, B., Heinemann, S., Bernhardt, R., Bischoff, B., Forster, Y., et al. (2014). Покрытие, вдохновленное ECM, вышитых 3D каркасов усиливает регенерацию костей черепа. BioMed. Res. Int 2014, 217078. doi: 10.1155 / 2014/217078

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Roseti, L., Parisi, V., Petretta, M., Cavallo, C., Desando, G., Bartolotti, I., et al. (2017). Каркасы для инженерии костной ткани: современное состояние и новые перспективы. Мат. Sci. Англ. C-Mater. 78, 1246–1262. doi: 10.1016 / j.msec.2017.05.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sartori, M., Giavaresi, G., Parrilli, A., Ferrari, A., Aldini, N. N., Morra, M., et al. (2015). Коллагеновое покрытие I типа стимулирует регенерацию кости и остеоинтеграцию титановых имплантатов у крыс с остеопенией. Внутр. Ортоп. 39, 2041–2052.doi: 10.1007 / s00264-015-2926-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шамаз, Б. Х., Анита, А., Виджаямохан, М., Куттаппан, С., Наир, С., Наир, М. Б. (2015). Актуальность волоконно-интегрированного композитного каркаса желатин-наногидроксиапатит для регенерации костной ткани. Нанотехнологии 26, 405101. doi: 10.1088 / 0957-4484 / 26/40/405101

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Shi, G. X., Zheng, X. F., Zhu, C., Li, B., Ван Ю. Р., Цзян С. Д. и др. (2017). Доказательства роли R-спондина 1 и его рецептора Lgr4 в передаче механических стимулов биологическим сигналам для образования кости. Внутр. J. Mol. Sci. 18, 564. doi: 10.3390 / ijms18030564

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шифлетт, Л. А., Тид-Льюис, Л. М., Се, Ю., Лу, Ю., Рэй, Е. К., Даллас, С. Л. (2019). Динамика коллагена в процессе встраивания и минерализации остеоцитов. Перед. Cell Dev.Биол. 7, 178. doi: 10.3389 / fcell.2019.00178

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Singh, A., Gill, G., Kaur, H., Amhmed, M., Jakhu, H. (2018). Роль остеопонтина в ремоделировании кости и ортодонтическом движении зубов: обзор. Прог. Ортод. 19, 18. doi: 10.1186 / s40510-018-0216-2

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sun, T., Yao, S., Liu, M., Yang, Y., Ji, Y., Cui, W., et al. (2018). Композитные каркасы минерализованного природного внеклеточного матрикса на истинной костной керамике индуцируют регенерацию костей посредством путей Smad1 / 5/8 и ERK1 / 2 (том 24, стр. 502, 2018). Tissue Eng. Pt A 24, 1034–1034. doi: 10.1089 / ten.tea.2017.0179

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цай, С. В., Ченг, Ю. Х., Чанг, Ю., Лю, Х. Л., Цай, В. Б. (2010). Структура коллагена I типа модулирует поведение остеобластоподобных клеток. J. Taiwan Inst. Chem. E. 41, 247–251. doi: 10.1016 / j.jtice.2009.10.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ueno, A., Miwa, Y., Miyoshi, K., Horiguchi, T., Inoue, H., Ruspita, I., и другие. (2006). Конститутивная экспрессия тромбоспондина 1 в остеобластических клетках MC3T3-E1 подавляет минерализацию. J. Cell Physiol. 209, 322–332. doi: 10.1002 / jcp.20735

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Volk, S. W., Shah, S. R., Cohen, A. J., Wang, Y., Brisson, B. K., Vogel, L. K., et al. (2014). Коллаген III типа регулирует остеобластогенез и количество губчатой кости. Calcif. Tissue Int. 94, 621–631. doi: 10.1007 / s00223-014-9843-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, X., Ван, Ю., Гоу, В. Л., Лу, К., Пэн, Дж., Лу, С. Б. (2013). Роль мезенхимальных стволовых клеток в регенерации костей и восстановлении переломов: обзор. Внутр. Ортоп. 37, 2491–2498. doi: 10.1007 / s00264-013-2059-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, M., Chao, C. C., Chen, P. C., Liu, P. I., Yang, Y. C., Su, C. M., et al. (2019). Тромбоспондин усиливает RANKL-зависимый остеокластогенез и способствует метастазированию в кости рака легких. Biochem.Pharmacol. 166, 23–32. doi: 10.1016 / j.bcp.2019.05.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вен, Л. П., Чен, Дж. П., Дуань, Л. Л., Ли, С. З. (2018). Витамин К-зависимые белки, участвующие в здоровье костей и сердечно-сосудистой системы. Мол. Med. Реп. 18, 3–15. doi: 10.3892 / mmr.2018.8940

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, Y. A., Chiu, Y. C., Lin, Y. H., Ho, C. C., Shie, M. Y., Chen, Y. W. (2019). Напечатанные на 3D-принтере биокаффолды из биоактивного силиката кальция / поли-эпсилон-капролактона, модифицированные биомиметическими внеклеточными матрицами для регенерации костей. Внутр. J. Mol. Sci. 20, 942. doi: 10.3390 / ijms20040942

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xie, J., Peng, C., Zhao, Q.H., Wang, X. L., Yuan, H.H., Yang, L.L. и др. (2016). Остеогенная дифференцировка и костная регенерация ИПСК-МСК, поддерживаемая биомиметическим нановолоконным каркасом. Acta Biomater. 29, 365–379. doi: 10.1016 / j.actbio.2015.10.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yi, S., Ding, F., Gong, L.И., Гу, X.С. (2017). Каркасы внеклеточного матрикса для тканевой инженерии и регенеративной медицины. Curr. Stem Cell Res. Т. 12, 233–246. doi: 10.2174 / 1574888X11666160

2513

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зеленчук, Л. В., Хедж, А. М., Роу, П. С. (2015). Возрастная регуляция костной массы и функции почек с помощью мотива MEPE ASARM. Кость 79, 131–142. doi: 10.1016 / j.bone.2015.05.030

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, Z., Луо, X., Xu, H., Wang, L., Jin, X., Chen, R., et al. (2015). Внеклеточный матрикс, полученный из стромальных клеток костного мозга, способствует остеогенезу стволовых клеток, полученных из жировой ткани. Cell Biol. Int. 39, 291–299. doi: 10.1002 / cbin.10385

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, W., Zhu, Y., Li, J., Guo, Q., Peng, J., Liu, S., et al. (2016). Внеклеточный матрикс, полученный из клеток: основные характеристики и современные приложения в инженерии ортопедических тканей. Tissue Eng. Часть B. Rev. 22, 193–207. doi: 10.1089 / ten.teb.2015.0290

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, D. M., Zhou, C. C., Wang, Q. X., Cai, L. Y., Du, W., Li, X. B., et al. (2018). Эластичность внеклеточного матрикса регулирует удлинение щелевого соединения остеоцитов: участие паксиллина во внутриклеточной передаче сигнала. Cell Physiol. Biochem. 51, 1013–1026. doi: 10.1159 / 000495482

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, S.F., Wan, H.X., Wang, P., Liu, M.M., Li, G.C., Zhang, C.X., et al. (2018). Белок внеклеточного матрикса DMP1 подавляет остеогенную дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток. Biochem. Биоф. Res. Co 501, 968–973. doi: 10.1016 / j.bbrc.2018.05.092

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, J., Ma, Z., Yan, K., Wang, Y., Yang, Y., Wu, X. (2019). Протеин Matrix Gla способствует формированию костей, регулируя сигнальный путь Wnt / бета-катенин. Перед.Эндокринол. (Лозанна) 10, 891. doi: 10.3389 / fendo.2019.00891

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, Y., Zhao, L., Wang, N., Li, J., He, F., Li, X., et al. (2019). Неожиданная роль матричного белка Gla в остеокластах: ингибирование дифференциации остеокластов и резорбции костей. Мол. Cell Biol. 39, e00012–19. doi: 10.1128 / MCB.00012-19

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Структура, функции и факторы, влияющие на костные клетки

Костная ткань постоянно реконструируется посредством согласованных действий костных клеток, которые включают резорбцию кости остеокластами и формирование кости остеобластами, тогда как остеоциты действуют как механосенсоры и оркестраторы костный процесс ремоделирования.Этот процесс находится под контролем местных (например, факторы роста и цитокины) и системных (например, кальцитонин и эстрогены) факторов, которые все вместе способствуют гомеостазу костей. Дисбаланс между резорбцией и формированием кости может привести к заболеваниям костей, включая остеопороз. Недавно было обнаружено, что во время ремоделирования кости между костными клетками существует сложная связь. Например, связь резорбции кости с образованием кости достигается за счет взаимодействия между остеокластами и остеобластами.Более того, остеоциты продуцируют факторы, которые влияют на активность остеобластов и остеокластов, тогда как за апоптозом остеоцитов следует резорбция остеокластов кости. Растущие знания о структуре и функциях костных клеток способствовали лучшему пониманию биологии костей. Было высказано предположение, что существует сложная связь между костными клетками и другими органами, что указывает на динамический характер костной ткани. В этом обзоре мы обсуждаем текущие данные о структуре и функциях костных клеток и факторах, влияющих на ремоделирование кости.

1. Введение

Кость — это минерализованная соединительная ткань, в которой представлены четыре типа клеток: остеобласты, клетки выстилки кости, остеоциты и остеокласты [1, 2]. Кость выполняет важные функции в организме, такие как движение, поддержка и защита мягких тканей, хранение кальция и фосфата и укрытие костного мозга [3, 4]. Несмотря на свой инертный вид, кость представляет собой очень динамичный орган, который постоянно резорбируется остеокластами и вновь формируется остеобластами. Есть данные, что остеоциты действуют как механосенсоры и организаторы этого процесса ремоделирования кости [5–8].Функция клеток выстилки кости не совсем ясна, но эти клетки, по-видимому, играют важную роль в соединении резорбции кости с формированием кости [9].

Ремоделирование кости — это очень сложный процесс, посредством которого старая кость заменяется новой, в цикле, состоящем из трех фаз: (1) инициирование резорбции кости остеокластами, (2) переход (или период обращения) от резорбции к образование новой кости и (3) образование кости остеобластами [10, 11]. Этот процесс происходит из-за скоординированных действий остеокластов, остеобластов, остеоцитов и клеток выстилки кости, которые вместе образуют временную анатомическую структуру, называемую базовой многоклеточной единицей (BMU) [12–14].

Нормальное ремоделирование кости необходимо для заживления переломов и адаптации скелета к механическому использованию, а также для гомеостаза кальция [15]. С другой стороны, дисбаланс резорбции и образования кости приводит к нескольким заболеваниям костей. Например, чрезмерная резорбция остеокластами без соответствующего количества нервно-сформированной кости остеобластами способствует потере костной массы и остеопорозу [16], тогда как наоборот может привести к остеопетрозу [17]. Таким образом, равновесие между образованием и резорбцией кости необходимо и зависит от действия нескольких местных и системных факторов, включая гормоны, цитокины, хемокины и биомеханическую стимуляцию [18–20].

Недавние исследования показали, что кость влияет на деятельность других органов, а на кость также влияют другие органы и системы тела [21], что дает новые представления и свидетельствует о сложности и динамической природе костной ткани.

В этом обзоре мы обратимся к текущим данным о биологии костных клеток, костном матриксе и факторах, влияющих на процесс ремоделирования кости. Кроме того, мы кратко обсудим роль эстрогена в костной ткани при физиологических и патологических условиях.

2. Костные клетки

2.1. Остеобласты

Остеобласты — это клетки кубовидной формы, расположенные вдоль поверхности кости, составляющие 4–6% от общего количества резидентных костных клеток, и широко известны своей функцией формирования кости [22]. Эти клетки демонстрируют морфологические характеристики клеток, синтезирующих белок, включая обильный грубый эндоплазматический ретикулум и выдающийся аппарат Гольджи, а также различные секреторные везикулы [22, 23]. Как поляризованные клетки, остеобласты секретируют остеоид в направлении костного матрикса [24] (Рисунки 1 (a), 1 (b) и 2 (a)).

Остеобласты происходят из мезенхимальных стволовых клеток (МСК). Обязательство MSC по отношению к клону остеопрогениторов требует экспрессии специфических генов после своевременных запрограммированных шагов, включая синтез костных морфогенетических белков (BMPs) и членов путей Wingless (Wnt) [25]. Экспрессия связанных с Runt факторов транскрипции 2, Distal-less homeobox 5 (Dlx5) и osterix (Osx) является критическим для дифференцировки остеобластов [22, 26]. Кроме того, Runx2 является главным геном дифференцировки остеобластов, о чем свидетельствует тот факт, что Runx2-нулевые мыши лишены остеобластов [26, 27]. Runx2 продемонстрировал активную регуляцию генов, связанных с остеобластами, таких как ColIA1 , ALP , BSP , BGLAP и OCN [28].

Когда во время дифференцировки остеобластов образуется пул предшественников остеобластов, экспрессирующих Runx2 и ColIA1 , наступает фаза пролиферации. На этой фазе предшественники остеобластов проявляют активность щелочной фосфатазы (ЩФ) и считаются преостеобластами [22].Переход преостеобластов в зрелые остеобласты характеризуется увеличением экспрессии Osx и секреции белков костного матрикса, таких как остеокальцин (OCN), костный сиалопротеин (BSP) I / II и коллаген I типа. претерпевают морфологические изменения, становясь крупными и кубовидными клетками [26, 29–31].

Имеются доказательства, что др. Факторы, такие как фактор роста фибробластов (FGF), микроРНК и коннексин 43, играют важную роль в дифференцировке остеобластов [32–35].Мыши с нокаутом FGF-2 показали снижение костной массы, связанное с увеличением адипоцитов в костном мозге, что указывает на участие FGF в дифференцировке остеобластов [34]. Также было продемонстрировано, что FGF-18 активирует дифференцировку остеобластов по аутокринному механизму [36]. МикроРНК участвуют в регуляции экспрессии генов во многих типах клеток, включая остеобласты, в которых одни микроРНК стимулируют, а другие ингибируют дифференцировку остеобластов [37, 38]. Коннексин 43, как известно, является основным коннексином в кости [35].Мутация в гене, кодирующем коннексин 43, нарушает дифференцировку остеобластов и вызывает пороки развития скелета у мышей [39].

Синтез костного матрикса остеобластами происходит в два основных этапа: отложение органического матрикса и его последующая минерализация (Рисунки 1 (b) –1 (d)). На первом этапе остеобласты секретируют белки коллагена, в основном коллаген I типа, неколлагеновые белки (OCN, остеонектин, BSP II и остеопонтин) и протеогликан, включая декорин и бигликан, которые образуют органический матрикс.После этого минерализация костного матрикса проходит в две фазы: везикулярную и фибриллярную фазы [40, 41]. Везикулярная фаза возникает, когда части с переменным диаметром в диапазоне от 30 до 200 нм, называемые везикулами матрикса, высвобождаются из домена апикальной мембраны остеобластов во вновь образованный костный матрикс, в котором они связываются с протеогликанами и другими органическими компонентами. Из-за своего отрицательного заряда сульфатированные протеогликаны иммобилизуют ионы кальция, которые хранятся в везикулах матрикса [41, 42].Когда остеобласты секретируют ферменты, разрушающие протеогликаны, ионы кальция высвобождаются из протеогликанов и пересекают кальциевые каналы, представленные в мембране матричных везикул. Эти каналы образованы белками, называемыми аннексинами [40].

С другой стороны, фосфатсодержащие соединения расщепляются ALP, секретируемой остеобластами, высвобождая ионы фосфата внутри везикул матрикса. Затем ионы фосфата и кальция внутри пузырьков зарождаются, образуя кристаллы гидроксиапатита [43].Фибриллярная фаза возникает, когда перенасыщение ионов кальция и фосфата внутри матричных везикул приводит к разрыву этих структур и кристаллы гидроксиапатита распространяются на окружающую матрицу [44, 45].

Зрелые остеобласты выглядят как единственный слой кубовидных клеток, содержащих обильный грубый эндоплазматический ретикулум и большой комплекс Гольджи (Рисунки 2 (а) и 3 (а)). Некоторые из этих остеобластов демонстрируют цитоплазматические отростки в направлении костного матрикса и достигают отростков остеоцитов [46].На этой стадии зрелые остеобласты могут подвергнуться апоптозу или стать остеоцитами или клетками выстилки кости [47, 48]. Интересно, что внутри вакуолей остеобластов наблюдались круглые / яйцевидные структуры, содержащие плотные тела и TUNEL-положительные структуры. Эти данные предполагают, что помимо профессиональных фагоцитов, остеобласты также способны поглощать и разрушать апоптотические тела во время формирования альвеолярной кости [49].

2.2. Клетки выстилки костей

Клетки выстилки костей представляют собой покоящиеся остеобласты плоской формы, которые покрывают костные поверхности, где не происходит ни резорбции кости, ни образования кости [50].Эти клетки имеют тонкий и плоский профиль ядра; его цитоплазма простирается вдоль поверхности кости и отображает несколько цитоплазматических органелл, таких как профили шероховатого эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи [50] (Рисунок 2 (b)). Некоторые из этих клеток обнаруживают отростки, простирающиеся в канальцы, а также наблюдаются щелевые соединения между соседними клетками выстилки кости и между этими клетками и остеоцитами [50, 51].

Секреторная активность клеток выстилки костей зависит от физиологического статуса костей, в результате чего эти клетки могут повторно приобретать свою секреторную активность, увеличивая свой размер и принимая кубовидную форму [52].Функции клеток выстилки костной ткани до конца не изучены, но было показано, что эти клетки предотвращают прямое взаимодействие между остеокластами и костным матриксом, когда резорбция кости не должна происходить, а также участвуют в дифференцировке остеокластов, продуцируя остеопротегерин (OPG) и активатор рецептора. лиганда ядерного фактора каппа-B (RANKL) [14, 53]. Более того, клетки выстилки кости вместе с другими костными клетками являются важным компонентом BMU, анатомической структуры, которая присутствует во время цикла ремоделирования кости [9].

2.3. Остеоциты

Остеоциты, которые составляют 90–95% всех костных клеток, являются наиболее многочисленными и долгоживущими клетками с продолжительностью жизни до 25 лет [54]. В отличие от остеобластов и остеокластов, которые были определены их соответствующими функциями во время образования кости и резорбции кости, остеоциты ранее определялись по их морфологии и расположению. В течение десятилетий из-за трудностей с выделением остеоцитов из костного матрикса приводилось ошибочное представление о том, что эти клетки будут пассивными клетками, а их функции неверно интерпретировались [55].Развитие новых технологий, таких как идентификация маркеров, специфичных для остеоцитов, новых моделей на животных, разработка методов выделения и культивирования костных клеток, а также создание фенотипически стабильных клеточных линий привело к улучшению понимания биологии остеоцитов. Фактически, было признано, что эти клетки выполняют множество важных функций в кости [8].

Остеоциты расположены в лакунах, окруженных минерализованным костным матриксом, при этом они имеют дендритную морфологию [15, 55, 56] (Рисунки 3 (a) –3 (d)).Морфология внедренных остеоцитов различается в зависимости от типа кости. Например, остеоциты губчатой кости более округлые, чем остеоциты кортикальной кости, которые имеют удлиненную морфологию [57].

Остеоциты происходят от линии МСК посредством дифференцировки остеобластов. В этом процессе были предложены четыре распознаваемых стадии: остеоид-остеоцит, преостеоцит, молодой остеоцит и зрелый остеоцит [54]. В конце цикла формирования кости субпопуляция остеобластов становится остеоцитами, включенными в костный матрикс.Этот процесс сопровождается заметными морфологическими и ультраструктурными изменениями, включая уменьшение размеров круглых остеобластов. Количество органелл, таких как шероховатый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, уменьшается, а соотношение ядра и цитоплазмы увеличивается, что соответствует снижению синтеза и секреции белка [58].

Во время перехода остеобласт / остеоцит цитоплазматический процесс начинает проявляться до того, как остеоциты будут заключены в костный матрикс [22].Механизмы, участвующие в развитии цитоплазматических процессов остеоцитов, до конца не изучены. Однако белок E11 / gp38, также называемый подопланином, может играть важную роль. E11 / gp38 высоко экспрессируется во встроенных или недавно встроенных остеоцитах, подобно другим типам клеток с дендритной морфологией, таким как подоциты, альвеолярные клетки легких типа II и клетки сосудистого сплетения [59]. Было высказано предположение, что E11 / gp38 использует энергию активности GTPase для взаимодействия с компонентами цитоскелета и молекулами, участвующими в подвижности клеток, посредством чего регулирует динамику актинового цитоскелета [60, 61].Соответственно, ингибирование экспрессии E11 / gp38 в остеоцитоподобных клетках MLO-Y4, как было показано, блокирует удлинение дендритов, подтверждая, что E11 / gp38 участвует в образовании дендритов в остеоцитах [59].

По завершении стадии зрелого остеоцита, полностью заключенного в минерализованный костный матрикс, происходит подавление экспрессии некоторых ранее экспрессированных маркеров остеобластов, таких как OCN, BSPII, коллаген типа I и ЩФ. С другой стороны, маркеры остеоцитов, включая белок 1 дентинового матрикса (DMP1) и склеростин, высоко экспрессируются [8, 62–64].

В то время как тело клетки остеоцита расположено внутри лакуны, его цитоплазматические отростки (до 50 на каждую клетку) пересекают крошечные туннели, берущие начало в пространстве лакуны, называемые canaliculi, образуя лакуноканаликулярную систему остеоцитов [65] (Рисунки 3 (b)) –3 (г)). Эти цитоплазматические процессы связаны с другими процессами соседних остеоцитов щелевыми соединениями, а также с цитоплазматическими процессами остеобластов и выстилающих костную ткань клеток на поверхности кости, облегчая межклеточный транспорт малых сигнальных молекул, таких как простагландины и оксид азота, между этими клетками [66 ].Кроме того, лакуно-каналическая система остеоцитов находится в непосредственной близости от сосудов, через которые кислород и питательные вещества попадают в остеоциты [15].

Было подсчитано, что поверхность остеоцитов в 400 раз больше, чем у всех систем Гаверса и Фолькмана, и более чем в 100 раз больше, чем поверхность губчатой кости [67, 68]. Связь между клетками также обеспечивается интерстициальной жидкостью, которая течет между отростками остеоцитов и канальцами [68]. С помощью лакуно-канальцевой системы (Рис. 3 (b)) остеоциты действуют как механосенсоры, поскольку их взаимосвязанная сеть обладает способностью обнаруживать механическое давление и нагрузки, тем самым помогая адаптации кости к ежедневным механическим силам [55].Таким образом, остеоциты, по-видимому, действуют как организаторы ремоделирования кости, регулируя активность остеобластов и остеокластов [15, 69]. Более того, апоптоз остеоцитов был признан хемотаксическим сигналом к резорбции остеокластической кости [70–73]. В соответствии с этим было показано, что во время резорбции кости апоптотические остеоциты поглощаются остеокластами [74–76].

Механическая чувствительность остеоцитов достигается благодаря стратегическому расположению этих клеток в костном матриксе.Таким образом, форма и пространственное расположение остеоцитов согласуются с их функциями восприятия и передачи сигналов, способствуя преобразованию механических стимулов в биохимические сигналы, явление, которое называется пьезоэлектрическим эффектом [77]. Механизмы и компоненты, с помощью которых остеоциты преобразуют механические стимулы в биохимические сигналы, не очень хорошо известны. Однако было предложено два механизма. Одним из них является то, что существует белковый комплекс, образованный ресничками и ассоциированными с ней белками PolyCystins 1 и 2, который, как предполагается, является критическим для механочувствительности остеоцитов и для опосредованного остеобластами / остеоцитами образования кости [78].Второй механизм включает компоненты цитоскелета остеоцитов, включая белковый комплекс фокальной адгезии и его множественные актин-ассоциированные белки, такие как паксиллин, винкулин, талин и циксин [79]. При механической стимуляции остеоциты продуцируют несколько вторичных мессенджеров, например, АТФ, оксид азота (NO), Ca ²⁺ и простагландины (PGE ₂ и PGI ₂), которые влияют на физиологию костей [8, 80] . Независимо от задействованного механизма, важно отметить, что механочувствительная функция остеоцитов возможна благодаря сложной канальцевой сети, которая обеспечивает связь между костными клетками.

2.4. Остеокласты

Остеокласты — это терминально дифференцированные многоядерные клетки (Рисунки 4 (a) –4 (d)), которые происходят из мононуклеарных клеток линии гемопоэтических стволовых клеток под влиянием нескольких факторов. В число этих факторов входят макрофагальный колониестимулирующий фактор (M-CSF), секретируемый мезенхимальными клетками и остеобластами остеопрогениторов [81], и лиганд RANK, секретируемый остеобластами, остеоцитами и стромальными клетками [20]. Вместе эти факторы способствуют активации факторов транскрипции [81, 82] и экспрессии генов в остеокластах [83, 84].

M-CSF связывается со своим рецептором (cFMS), присутствующим в предшественниках остеокластов, что стимулирует их пролиферацию и ингибирует их апоптоз [82, 85]. RANKL является решающим фактором остеокластогенеза и экспрессируется остеобластами, остеоцитами и стромальными клетками. Когда он связывается со своим рецептором RANK в предшественниках остеокластов, индуцируется образование остеокластов [86]. С другой стороны, другой фактор, называемый остеопротегерином (OPG), который продуцируется широким спектром клеток, включая остеобласты, стромальные клетки, фибробласты десен и пародонта [87–89], связывается с RANKL, предотвращая взаимодействие RANK / RANKL и , следовательно, ингибирование остеокластогенеза [87] (Рисунок 5).Таким образом, система RANKL / RANK / OPG является ключевым медиатором остеокластогенеза [19, 86, 89].

Взаимодействие RANKL / RANK также способствует экспрессии других остеокластогенных факторов, таких как NFATc1 и DC-STAMP. Взаимодействуя с факторами транскрипции PU.1, cFos и MITF, NFATc1 регулирует гены, специфичные для остеокластов, включая TRAP и катепсин K , которые имеют решающее значение для активности остеокластов [90]. Под влиянием взаимодействия RANKL / RANK NFATc1 также индуцирует экспрессию DC-STAMP, которая имеет решающее значение для слияния предшественников остеокластов [91, 92].
Несмотря на то, что эти остеокластогенные факторы были хорошо определены, недавно было продемонстрировано, что остеокластогенный потенциал может различаться в зависимости от рассматриваемого участка кости. Сообщалось, что остеокласты из длинного костного мозга формируются быстрее, чем в челюсти. Эта другая динамика остеокластогенеза, возможно, может быть связана с клеточным составом костного мозга, специфичным для костной ткани [93].
Во время ремоделирования кости остеокласты поляризуются; затем можно наблюдать четыре типа мембранных доменов остеокластов: зону уплотнения и волнистую границу, которые находятся в контакте с костным матриксом (рис. 4 (b) и 4 (d)), а также базолатеральный и функциональный секреторные домены, которые не контактируют с костным матриксом [94, 95].Поляризация остеокластов во время резорбции кости включает перестройку актинового цитоскелета, в которой образуется кольцо F-актина, которое включает плотную непрерывную зону высокодинамичных подосом, и, следовательно, область мембраны, которая развивается в взъерошенную границу, изолирована. Важно отметить, что эти домены образуются только тогда, когда остеокласты находятся в контакте с внеклеточным минерализованным матриксом, в процессе, в котором -интегрин, а также CD44, опосредуют прикрепление подосом остеокластов к поверхности кости [96–99] .Ультраструктурно волнистая граница представляет собой мембранный домен, образованный микроворсинками, который изолирован от окружающей ткани прозрачной зоной, также известной как зона уплотнения. Светлая зона — это область, лишенная органелл, расположенная на периферии остеокласта рядом с костным матриксом [98]. Эта запечатывающая зона образована актиновым кольцом и несколькими другими белками, включая актин, талин, винкулин, паксиллин, тензин и связанные с актином белки, такие как α -актинин, фимбрин, гельсолин и динамин [95].-Интегрин связывается с неколлагеновым костным матриксом, содержащим -RGD-последовательность, такую как костный сиалопротеин, остеопонтин и витронектин, создавая периферическое уплотнение, ограничивающее центральную область, где расположена взъерошенная граница [98] (рисунки 4 (b) -4 ( г)).
Поддержание взъерошенной границы также важно для активности остеокластов; эта структура формируется за счет интенсивного движения лизосомальных и эндосомных компонентов. В волнистой кайме находится H ⁺ -АТФаза вакуолярного типа (V-АТФаза), которая помогает подкислять лакуну резорбции и, следовательно, способствует растворению кристаллов гидроксиапатита [20, 100, 101].В этой области протоны и ферменты, такие как устойчивая к тартрату кислотная фосфатаза (TRAP), катепсин K и матриксная металлопротеиназа-9 (MMP-9), транспортируются в отсек, называемый лакуной Howship, что приводит к деградации кости [94, 101–104 ] (Рисунок 5). Продукты этой деградации затем подвергаются эндоцитозу через взъерошенную границу и трансцитозируются в функциональный секреторный домен на плазматической мембране [7, 95].
Аномальное увеличение образования и активности остеокластов приводит к некоторым заболеваниям костей, таким как остеопороз, когда резорбция превышает образование, вызывая снижение плотности костей и увеличение числа переломов костей [105].При некоторых патологических состояниях, включая метастазы в кости и воспалительный артрит, аномальная активация остеокластов приводит к околосуставным эрозиям и болезненным остеолитическим повреждениям соответственно [83, 105, 106]. При пародонтите заболевание пародонта, вызванное размножением бактерий [107, 108], вызывает миграцию воспалительных клеток. Эти клетки продуцируют химические медиаторы, такие как IL-6 и RANKL, которые стимулируют миграцию остеокластов [89, 109, 110]. В результате в альвеолярной кости происходит аномальное усиление резорбции костной ткани, что способствует потере прикрепления зубов и прогрессированию пародонтита [89, 111].
С другой стороны, при остеопетрозе, который является редким заболеванием костей, генетические мутации, влияющие на функции образования и резорбции остеокластов, приводят к снижению резорбции кости, что приводит к непропорциональному накоплению костной массы [17]. Эти заболевания демонстрируют важность нормального процесса ремоделирования кости для поддержания гомеостаза кости.
Кроме того, есть свидетельства того, что остеокласты выполняют несколько других функций. Например, было показано, что остеокласты продуцируют факторы, называемые кластокинами, которые контролируют остеобласты во время цикла ремоделирования кости, который будет обсуждаться ниже.Другие недавние данные свидетельствуют о том, что остеокласты также могут напрямую регулировать нишу гемопоэтических стволовых клеток [112]. Эти данные указывают на то, что остеокласты являются не только клетками, резорбирующими кости, но также источником цитокинов, влияющих на активность других клеток.
2,5. Внеклеточный костный матрикс
Кость состоит из неорганических солей и органического матрикса [113]. Органический матрикс содержит коллагеновые белки (90%), преимущественно коллаген I типа и неколлагеновые белки, включая остеокальцин, остеонектин, остеопонтин, фибронектин и костный сиалопротеин II, костные морфогенетические белки (BMP) и факторы роста [114].Существуют также небольшие протеогликаны, богатые лейцином, включая декорин, бигликан, люмикан, остеоадерин и сериновые белки [114–116].
Неорганический костный материал состоит преимущественно из ионов фосфата и кальция; однако также присутствуют значительные количества бикарбоната, натрия, калия, цитрата, магния, карбоната, флюорита, цинка, бария и стронция [1, 2]. Ионы кальция и фосфата образуют зародыши с образованием кристаллов гидроксиапатита, которые представлены химической формулой Ca ₁₀ (PO ₄) ₆ (OH) ₂.Вместе с коллагеном неколлагеновые матричные белки образуют каркас для отложения гидроксиапатита, и такая ассоциация отвечает за типичную жесткость и сопротивление костной ткани [4].
Костный матрикс представляет собой сложный и организованный каркас, который обеспечивает механическую поддержку и играет важную роль в гомеостазе кости. Костный матрикс может высвобождать несколько молекул, которые мешают активности костных клеток и, следовательно, участвует в ремоделировании кости [117].Поскольку одной только потери костной массы недостаточно, чтобы вызвать переломы костей [118], предполагается, что другие факторы, включая изменения белков костного матрикса и их модификации, имеют решающее значение для понимания и прогнозирования переломов костей [119]. Фактически, известно, что коллаген играет решающую роль в структуре и функции костной ткани [120].
Соответственно, было продемонстрировано, что существует вариация в концентрации белков костного матрикса с возрастом, питанием, заболеванием и антиостеопоротическим лечением [119, 121, 122], что может способствовать деформации после растяжения и переломам кости [119] .Например, исследования in vivo, и in vitro, показали, что увеличение синтеза гиалуроновой кислоты после лечения паратироидным гормоном (ПТГ) было связано с последующей резорбцией кости [123–127], что указывает на возможную связь между синтезом гиалуроновой кислоты и повышение активности остеокластов.
2.6. Взаимодействия между костными клетками и костным матриксом
Как обсуждалось ранее, костный матрикс не только обеспечивает поддержку костных клеток, но также играет ключевую роль в регулировании активности костных клеток посредством нескольких молекул адгезии [117, 128].Интегрины являются наиболее распространенными молекулами адгезии, участвующими во взаимодействии между костными клетками и костным матриксом [129]. Остеобласты взаимодействуют с костным матриксом с помощью интегринов, которые распознают и связываются с RGD и другими последовательностями, присутствующими в белках костного матрикса, включая остеопонтин, фибронектин, коллаген, остеопонтин и костный сиалопротеин [130, 131]. Наиболее частыми интегринами, присутствующими в остеобластах, являются, и [132]. Эти белки также играют важную роль в организации остеобластов на поверхности кости во время синтеза остеоидов [129].
С другой стороны, взаимодействие между остеокластами и костным матриксом важно для функции остеокластов, поскольку, как упоминалось ранее, резорбция кости происходит только тогда, когда остеокласты связываются с минерализованной поверхностью кости [97]. Таким образом, во время резорбции кости остеокласты экспрессируют интегрины и взаимодействуют с внеклеточным матриксом, в котором первые связываются с обогащенными костями RGD-содержащими белками, такими как костный сиалопротеин и остеопонтин, тогда как интегрины связываются с фибриллами коллагена [133, 134].Несмотря на эти связывания, остеокласты обладают высокой подвижностью, даже при активной резорбции, и, как мигрирующие клетки, остеокласты не экспрессируют кадгерины. Однако было продемонстрировано, что кадгерины обеспечивают тесный контакт между предшественниками остеокластов и стромальными клетками, которые экспрессируют важные факторы роста для дифференцировки остеокластов [135].
Интегрины играют посредническую роль во взаимодействиях остеоцитов с костным матриксом. Эти взаимодействия важны для механочувствительной функции этих клеток, посредством чего сигналы, индуцированные деформацией ткани, генерируются и усиливаются [136].До сих пор неясно, какие интегрины участвуют, но было высказано предположение, что интегрины и интегрины участвуют во взаимодействии остеоцитов с костным матриксом [137, 138]. Эти взаимодействия происходят между телом остеоцитов и костным матриксом стенки лакуны, а также между стенкой канальца с отростками остеоцитов [137].
Только узкое перицеллюлярное пространство, заполненное жидкостью, отделяет тело клетки остеоцита и отростки от минерализованного костного матрикса [58]. Расстояние между телом клетки остеоцита и лакунарной стенкой составляет примерно 0.5–1,0 мкм м шириной, тогда как расстояние между мембранами отростков остеоцитов и стенкой канальцев колеблется от 50 до 100 нм [139]. Химический состав перицеллюлярной жидкости точно не определен. Однако присутствует разнообразный набор макромолекул, продуцируемых остеоцитами, таких как остеопонтин, остеокальцин, белок матрикса дентина, протеогликаны и гиалуроновая кислота [136, 140, 141].
Остеоциты и их отростки окружены неорганизованным перицеллюлярным матриксом; внутри канальцевой сети наблюдались тонкие фиброзные связи, названные «тросами» [139].Было высказано предположение, что одним из возможных соединений этих связок является перлекан [141]. Отростки остеоцитов также могут прикрепляться непосредственно к «бугоркам», которые представляют собой выступающие структуры, исходящие из стенок канальцев. Эти структуры образуют тесные контакты, возможно, посредством -интегринов, с мембраной отростков остеоцитов [137, 142]. Таким образом, эти структуры, по-видимому, играют ключевую роль в механочувствительной функции остеоцитов, воспринимая движения потока жидкости вместе с перицеллюлярным пространством, вызванные силами механической нагрузки [143].Кроме того, движение потока жидкости также важно для двунаправленного транспорта растворенных веществ в перицеллюлярном пространстве, что влияет на сигнальные пути остеоцитов и связь между костными клетками [144, 145].
2.7. Местные и системные факторы, регулирующие гомеостаз кости
Ремоделирование кости — это очень сложный цикл, который достигается согласованными действиями остеобластов, остеоцитов, остеокластов и клеток выстилки кости [3]. Формирование, пролиферация, дифференцировка и активность этих клеток контролируются местными и системными факторами [18, 19].К местным факторам относятся аутокринные и паракринные молекулы, такие как факторы роста, цитокины и простагландины, продуцируемые костными клетками, помимо факторов костного матрикса, которые высвобождаются во время резорбции кости [46, 146]. Системные факторы, которые важны для поддержания гомеостаза костей, включают паратироидный гормон (ПТГ), кальцитонин, 1,25-дигидроксивитамин D ₃ (кальцитриол), глюкокортикоиды, андрогены и эстрогены [16, 147–150]. Сообщалось, что, как и PTH, родственный PTH белок (PTHrP), который также связывается с рецептором PTH, влияет на ремоделирование кости [147].
Эстроген играет решающую роль в гомеостазе костной ткани; снижение уровня эстрогенов в период менопаузы является основной причиной потери костной массы и остеопороза [16]. Механизмы действия эстрогена на костную ткань до конца не изучены. Тем не менее, несколько исследований показали, что эстроген поддерживает гомеостаз костей, ингибируя апоптоз остеобластов и остеоцитов [151–153] и предотвращая чрезмерную резорбцию кости. Эстроген подавляет образование и активность остеокластов, а также вызывает апоптоз остеокластов [16, 76, 104, 154].Было высказано предположение, что эстроген снижает образование остеокластов, ингибируя синтез остеокластогенного цитокина RANKL остеобластами и остеоцитами. Более того, эстроген стимулирует эти костные клетки продуцировать остеопротегерин (OPG), рецептор-ловушку RANK в остеокласте, тем самым подавляя остеокластогенез [19, 155–159]. Кроме того, эстроген подавляет образование остеокластов за счет снижения уровней других остеокластогенных цитокинов, таких как IL-1, IL-6, IL-11, TNF- α , TNF- β и M-CSF [160, 161] .
Эстроген действует непосредственно на костные клетки посредством своих рецепторов эстрогена α и β , присутствующих на этих клетках [162]. Более того, было показано, что остеокласт является прямой мишенью для эстрогена [163, 164]. Соответственно, иммуноэкспрессия рецептора эстрогена β была продемонстрирована в клетках альвеолярной кости самок крыс, получавших эстрадиол. Более того, усиленная иммуноэкспрессия, наблюдаемая в TUNEL-положительных остеокластах, указывает на то, что эстроген участвует в контроле продолжительности жизни остеокластов непосредственно с помощью рецепторов эстрогена [163].Эти данные демонстрируют важность эстрогена для поддержания гомеостаза костей.
2,8. Процесс ремоделирования кости
Цикл ремоделирования кости происходит в костных полостях, которые необходимо реконструировать [165]. В этих полостях образуются временные анатомические структуры, называемые базовыми многоклеточными единицами (BMU), которые состоят из группы остеокластов впереди, образующих режущий конус, и группы остеобластов позади, образующих замыкающий конус, связанных с кровеносными сосудами и кровеносными сосудами. периферическая иннервация [11, 166].Было высказано предположение, что BMU покрыт покровом клеток (возможно, выстилающими костными клетками), которые формируют компартмент ремоделирования кости (BRC) [13]. BRC, по-видимому, связан с клетками выстилки кости на поверхности кости, которые, в свою очередь, сообщаются с остеоцитами, заключенными в костном матриксе [13, 14].
Цикл ремоделирования кости начинается с фазы инициации, которая состоит из резорбции кости остеокластами, за которой следует фаза образования кости остеобластами, но между этими двумя фазами существует переходная (или обратная) фаза.Цикл завершается скоординированными действиями остеоцитов и клеток выстилки кости [10, 11]. В фазе инициации под действием остеокластогенных факторов, включая RANKL и M-CSF, гемопоэтические стволовые клетки рекрутируются в определенные участки поверхности кости и дифференцируются в зрелые остеокласты, которые инициируют резорбцию кости [167, 168].
Известно, что во время цикла ремоделирования кости существуют прямые и непрямые связи между костными клетками в процессе, называемом механизмом сцепления, который включает растворимые факторы сцепления, хранящиеся в костном матриксе, которые будут высвобождаться после резорбции кости остеокластами [169].Например, такие факторы, как инсулиноподобные факторы роста (IGF), трансформирующий фактор роста β (TGF- β ), BMP, FGF и фактор роста тромбоцитов (PDGF), по-видимому, действуют как факторы связывания, поскольку они хранятся в костном матриксе и высвобождаются во время резорбции кости [170]. Эта идея подтверждается генетическими исследованиями на людях и мышах, а также фармакологическими исследованиями [105, 171].
Недавно было высказано предположение, что другая категория молекул, называемых семафоринами, участвует в коммуникации костных клеток во время ремоделирования кости [146].На начальном этапе необходимо подавить дифференцировку и активность остеобластов, чтобы полностью удалить поврежденную или старую кость. Остеокласты экспрессируют фактор, называемый семафорин4D (Sema4D), который ингибирует образование кости во время резорбции кости [172]. Семафорины включают большое семейство гликопротеинов, которые не только связаны с мембраной, но также существуют в виде растворимых форм, которые обнаруживаются в широком диапазоне тканей и, как было показано, участвуют в различных биологических процессах, таких как иммунный ответ, органогенез, развитие сердечно-сосудистой системы и опухоли. прогрессия [172, 173].В костях было высказано предположение, что семафорины также участвуют в межклеточной коммуникации между остеокластами и остеобластами во время цикла ремоделирования кости [174–176].
Sema4D, экспрессируемый в остеокластах, связывается со своим рецептором (Plexin-B1), присутствующим в остеобластах, и ингибирует путь IGF-1, необходимый для дифференцировки остеобластов [172], что позволяет предположить, что остеокласты подавляют образование костей, экспрессируя Sema4D. Напротив, другой член семейства семафоринов (Sema3A) был обнаружен в остеобластах и считается ингибитором остеокластогенеза [177].Таким образом, во время цикла ремоделирования кости остеокласты ингибируют образование кости, экспрессируя Sema4D, чтобы инициировать резорбцию кости, тогда как остеобласты экспрессируют Sema3A, который подавляет резорбцию кости, до образования кости [146] (Рис. 5).
Недавние исследования также предполагают существование других факторов, участвующих в механизме сцепления во время цикла ремоделирования кости. Одним из этих факторов является эфринB2, мембраносвязанная молекула, экспрессирующаяся в зрелых остеокластах, которая связывается с ephrinB4, обнаруженным в плазматической мембране остеобластов.Связывание ephrinB2 / ephrinB4 передает двунаправленные сигналы, которые способствуют дифференцировке остеобластов, тогда как обратная передача сигналов (ephrinB4 / ephrinB2) ингибирует остеокластогенез [178] (Рисунок 5). Эти находки предполагают, что путь ephrinB2 / ephrinB4 может быть вовлечен в прекращение резорбции кости и индуцирует дифференцировку остеобластов в переходной фазе [178].
Кроме того, было показано, что эфринB2 также экспрессируется в остеобластах [179]. Более того, зрелые остеокласты секретируют ряд факторов, которые стимулируют дифференцировку остеобластов, таких как секретируемые сигнальные молекулы Wnt10b, BMP6 и сигнальный сфинголипид, сфингозин-1-фосфат [180].Эти находки указывают на очень сложный механизм эфринов и участие других факторов в коммуникации остеокластов / остеобластов во время цикла ремоделирования кости. С другой стороны, несмотря на исследования, в которых сообщается об участии семафоринов и эфринов в коммуникации остеокластов / остеобластов, прямой контакт между зрелыми остеобластами и остеокластами не был продемонстрирован in vivo и до сих пор остается спорным.
Помимо остеокластов и остеобластов, было продемонстрировано, что остеоциты играют ключевую роль во время цикла ремоделирования кости [8].Фактически, под влиянием нескольких факторов остеоциты действуют как организаторы процесса ремоделирования кости, производя факторы, которые влияют на активность остеобластов и остеокластов [55] (Рисунок 5). Например, механическая нагрузка стимулирует остеоциты продуцировать факторы, оказывающие анаболическое действие на кость, такие как PGE ₂, простациклин (PGI ₂), NO и IGF-1 [181–184]. С другой стороны, механическая разгрузка подавляет анаболические факторы и стимулирует остеоциты продуцировать склеростин и DKK-1, которые являются ингибиторами активности остеобластов [185–188], а также специфических факторов, стимулирующих местный остеокластогенез [189].Склеростин является продуктом гена SOST и, как известно, является негативным регулятором образования кости, подавляя в остеобластах действие Lrp5, ключевого рецептора сигнального пути Wnt / β -катенин [63].
Апоптоз остеоцитов, как было показано, действует как хемотаксический сигнал для локального рекрутирования остеокластов [70, 150, 152, 190, 191]. Соответственно, сообщалось, что остеокласты поглощают апоптотические остеоциты [74, 75, 192], предполагая, что остеокласты способны удалять умирающие остеоциты и / или остеобласты из сайта ремоделирования (Рисунки 4 (c) и 4 (d)).Более того, сообщается, что остеокластогенные факторы также продуцируются жизнеспособными остеоцитами рядом с умирающими остеоцитами [193]. Имеются данные о том, что остеоциты действуют как основной источник RANKL, способствуя остеокластогенезу [167, 168], хотя было продемонстрировано, что этот фактор также продуцируется другими типами клеток, такими как стромальные клетки [194], остеобласты и фибробласты [88, 89].
Таким образом, все еще остается неясным, какие именно факторы, стимулирующие остеокластогенез, продуцируются остеоцитами.Недавние обзоры сосредоточены на некоторых молекулах, которые могут быть кандидатами на передачу сигналов между апоптозом остеоцитов и остеокластогенезом [72, 73]. Например, в костях, подвергнутых усталостной нагрузке, жизнеспособные остеоциты вблизи апоптотических, помимо высокого отношения RANKL / OPG, экспрессируют повышенные уровни фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и хемоаттрактантного протеина-1 моноцитов (CCL2), способствуя усилению местного остеокластогенеза. [194, 195]. Было высказано предположение, что остеоциты действуют как основной источник RANKL, способствуя остеокластогенезу [166, 167].Кроме того, увеличение отношения RANKL / OPG, экспрессируемого остеоцитами, также наблюдалось у крыс с дефицитом коннексина 43, что позволяет предположить, что нарушение межклеточной коммуникации между остеоцитами может индуцировать высвобождение местных проостеокластогенных цитокинов [33, 196, 197] . Белок-бокс группы с высокой подвижностью 1 (HMGB1) [198–200] и M-CSF [201], как предполагается, также продуцируются остеоцитами, которые стимулируют рекрутирование остеокластов во время ремоделирования кости [72, 73]. Таким образом, для решения этой проблемы необходимы дальнейшие исследования.
2.9. Эндокринные функции костной ткани
Классические функции костной ткани, помимо передвижения, включают поддержку и защиту мягких тканей, хранение кальция и фосфатов и укрытие костного мозга. Кроме того, недавние исследования были сосредоточены на эндокринных функциях костей, которые могут влиять на другие органы [202]. Например, было показано, что остеокальцин, продуцируемый остеобластами, действует на другие органы [203]. Остеокальцин можно найти в двух различных формах: карбоксилированном и недкарбоксилированном.Карбоксилированная форма имеет высокое сродство к кристаллам гидроксиапатита, оставаясь в костном матриксе во время его минерализации. Андеркарбоксилированная форма проявляет более низкое сродство к минералам из-за подкисления костного матрикса во время резорбции костной ткани остеокластами, а затем она транспортируется кровотоком, достигая других органов [204, 205]. Было показано, что недокарбоксилированный остеокальцин оказывает некоторое действие на поджелудочную железу, жировую ткань, яички и нервную систему. В поджелудочной железе остеокальцин действует как положительный регулятор секреции и чувствительности инсулина поджелудочной железы, а также пролиферации β -клеток поджелудочной железы [110].В жировой ткани остеокальцин стимулирует экспрессию гена адипонектина, что, в свою очередь, увеличивает чувствительность к инсулину [204]. В яичках остеокальцин может связываться со специфическим рецептором в клетках Лейдига и усиливать синтез тестостерона и, следовательно, увеличивать фертильность [206]. Остеокальцин также стимулирует синтез моноаминовых нейромедиаторов в гиппокампе и ингибирует синтез гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), улучшая обучаемость и навыки памяти [207].
Остеоциты обеспечивают еще одну эндокринную функцию костной ткани.Эти клетки способны регулировать метаболизм фосфатов за счет продукции FGF23, который действует на другие органы, включая паращитовидную железу и почки, снижая уровень циркулирующих фосфатов [208, 209]. Остеоциты также действуют на иммунную систему, изменяя микроокружение в первичных лимфоидных органах и тем самым влияя на лимфопоэз [210]. Известно, что активность не только остеоцитов, но также остеобластов и остеокластов влияет на иммунную систему, главным образом при воспалительном разрушении костей.Действительно, открытие коммуникативного взаимодействия между скелетной и иммунной системами привело к появлению новой области исследований, называемой остеоиммунологией [211].
3. Выводы
Знание структурной, молекулярной и функциональной биологии кости имеет важное значение для лучшего понимания этой ткани как многоклеточной единицы и динамической структуры, которая также может действовать как эндокринная ткань, функция все еще плохо понял. In vitro и in vivo Исследования продемонстрировали, что костные клетки реагируют на различные факторы и молекулы, что способствует лучшему пониманию пластичности костных клеток.Кроме того, взаимодействия костных клеток, зависимые от интегринов матрикса, необходимы для образования и резорбции кости. Исследования обращали внимание на важность лакуноканаликулярной системы и перицеллюлярной жидкости, с помощью которой остеоциты действуют как механосенсоры, для адаптации кости к механическим силам. Гормоны, цитокины и факторы, регулирующие активность костных клеток, такие как склеростин, эфринB2 и семафоринг, играют значительную роль в гистофизиологии кости в нормальных и патологических условиях.Таким образом, такое более глубокое понимание динамической природы костной ткани, безусловно, поможет управлять новыми терапевтическими подходами к заболеваниям костей.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.
Благодарности
Это исследование было поддержано Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP-2010 / 10391-9; 2012 / 19428-8 и 2012 / 22666-8), Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientnífico ecientnífico ecientnífico (CNPq) и Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Бразилия.
На май в ваших костях: кальций и фосфор
Международный год Периодической таблицы Менделеева отмечает 150-летие периодической системы Дмитрия Менделеева. Американское общество биохимии и молекулярной биологии присоединяется к празднованию с серией статей о биохимических элементах. С января подарили водород; железо; натрий, калий и хлор; и медь.
Электрический импульс, идущий от двигательного нейрона, приводит к высвобождению кальция из внутриклеточных запасов мышц.Са + 2 связывается с ингибирующим комплексом тропонин-тропомиозин, позволяя миозиновым и актиновым филаментам скользить друг мимо друга, вызывая сокращение мышц. При этом гидролизуется аденозинтрифосфат. Расслабление наступает, когда удаляется цитоплазматический кальций.
Май — месяц осведомленности об артрите, поэтому мы выбрали кальций и фосфор, два компонента минеральной соли гидроксиапатита, которая составляет около 65 процентов костной массы взрослого человека.
С химическим символом Ca и атомным номером 20 кальций классифицируется в периодической таблице как щелочноземельный металл.В химических реакциях кальций легко теряет два валентных электрона на своей внешней орбитали с образованием ионных соединений, содержащих дипозитивный Ca + 2.
Кальций, составляющий 3 процента от массы земной коры, является пятым по распространенности элементом и третьим по распространенности металлом после железа и алюминия. Большая часть кальция на Земле содержится в карбонатном минерале в известняке — осадочной породе, содержащей окаменелые морские существа. Карбонат кальция образует кораллы, морские раковины и жемчуг, когда Са + 2, высвобождаемый в результате выветривания, вступает в реакцию с бикарбонатом морской воды.
Кальций необходим в биологии. И прокариоты, и эукариоты поддерживают низкий уровень свободного внутриклеточного Ca + 2 через ионные каналы, переносчики и связывающие кальций белки. В ответ на изменения окружающей среды внутриклеточный Ca + 2 быстро повышается, передавая внешнюю информацию внутрь клетки. У бактерий эта сигнальная система кальция регулирует хемотаксис — или движение к химическому раздражителю — и вращение жгутиков.
У млекопитающих клетки реагируют на гормоны, активируя сигнальный путь фосфоинозитид-3-киназы, который приводит к высокому внутриклеточному Ca + 2 и экспрессии кальций-зависимых генов.Возбужденные нейроны высвобождают нейромедиатор ацетилхолин, который связывается со своим рецептором на принимающей клетке, открывая ионные каналы и обеспечивая приток внеклеточного Ca + 2. В синапсах приток кальция передает электрический сигнал принимающему нейрону, а в нервно-мышечных соединениях он вызывает сокращение мышц в принимающем волокне.
Фосфор — с химическим символом P и атомным номером 15 — представляет собой реактивный неметалл, который соединяется с другими элементами в основном за счет обмена электронами посредством ковалентных связей.Свободный фосфор встречается редко; этот элемент обычно находится в соединениях со степенями окисления +3, +5 и -3.
Фосфор — 11-й по распространенности элемент на Земле. На каждый килограмм земной коры приходится около одного грамма фосфата, в основном в виде окисленных неорганических горных пород, образовавшихся за миллионы лет.
Фосфор необходим для всей жизни. Некоторые бактерии получают энергию для роста, окисляя h3PO3– или фосфит до неорганического фосфата. Фосфатные группы являются основными структурными компонентами нуклеотидов, которые являются строительными блоками для нуклеиновых кислот, таких как ДНК и РНК.Фосфолипиды, которые содержат гидрофобный «хвост» жирных кислот и гидрофильную фосфатную «голову», образуют липидные бислои, которые составляют клеточные мембраны.
Большинство клеточных метаболических реакций происходит за счет химической энергии, получаемой при расщеплении аденозинтрифосфата, молекулы, содержащей сахар, азотистое основание и три фосфатные группы. Добавление фосфорильных групп к белкам во время фосфорилирования изменяет активность белка и / или клеточную локализацию, регулируя множество событий передачи сигналов клетками.
Год (био) химических элементов
Прочитать всю серию:
На январь это атомный № 1
На февраль это железо — атомная №26
В марте это почечный трифер: натрий, калий и хлор
На апрель это медь — атомный № 29
На май в ваших костях: кальций и фосфор
В июне и июле это атомные номера 6 и 7
.
Дыши глубже — для августа это кислород
Марганец редко путешествует один
В октябре магний помогает листьям оставаться зелеными
Для ноября это запах серы
Завершение года никелем и цинком
Распределение микроэлементов в микроструктуре кортикальной кости человека: потенциал для разрушения диеты и социального статуса в археологических костях | Heritage Science
Diagenesis
Большая часть критики в 1980-х годах в отношении использования элементарных данных для вывода о прошлых диетах была основана на анализе образцов измельченных костей, которые варьировались от граммов до десятков миллиграммов.Анатомическая специфика анализируемого материала варьировалась от довольно общей, такой как просто «кость», до четко определенной с точки зрения конкретной отобранной кости и даже расположения и глубины образцов. Конкретные процедуры, используемые для получения этих образцов, часто были неясными, хотя Lambert et al. [47, 48] обнаружили, что загрязнение несколькими элементами, включая Cu и Ba, которые являются частью настоящего исследования, не проникало глубже 400 мкм в кортикальную кость бедренной кости. Эти данные побудили Lambert et al.[47], чтобы предложить исследователям удалить внешнюю поверхность кости перед взятием образца для анализа. Что касается поверхностного загрязнения кортикального слоя кости рядом элементов, результаты Lambert et al. [47, 48] были дублированы и уточнены в более поздних исследованиях [1, 2, 49, 50]. Более того, наблюдаются довольно большие различия в химическом составе микроэлементов разных костей даже у отдельных людей [8, 29, 51, 52]. Таким образом, игнорирование Sr или Ba как имеющих значение для определения состава рациона можно понять в контексте того, что было известно несколько десятилетий назад.
В течение десятилетий считалось, что на концентрацию Fe и Mn в давно захороненной кости сильно влияют диагенетические процессы, поэтому их исследование не дает информации о жизнях людей в прошлом. Тем не менее, концентрации Fe и Mn могут нам кое-что сказать, если они должны попадать в диапазон, совместимый с отсутствием диагенетического эффекта, хотя то, что это может быть, остается неясным. В качестве шага к более тщательному изучению этих элементов мы представляем для непогребенных костей концентрации Fe для микроструктурных категорий от 14.От 1 до 77,5 мкг г ^-1 и для Mn от 2,04 до 6,62 мкг г ^-1 (таблица 1). Возможно, что старые кости, которые никогда не были захоронены, могут дать недиагенетические результаты для этих двух элементов. Необходимо проделать гораздо больше работы, прежде чем можно будет установить любую возможную полезность Fe и Mn в ограниченном контексте.
Для четырех элементов, представляющих основной интерес в этой статье — Sr, Ba, Cu и Pb — вероятно, что посмертные изменения химического состава кости были незначительными. Отобранные участки были расположены на нескольких сотнях микрон внутри кости, далеко за пределами зон возможного поверхностного загрязнения, ранее идентифицированных в некогда захороненных средневековых датских останках скелетов [1].То есть исследованные микроструктурные особенности не были расположены вблизи поверхностей костей, которые непосредственно подвергались воздействию окружающей среды; археологически извлеченные кости — окружающая почва. Кроме того, в местах отбора проб не допускались участки с ухудшенным зрением или участки с посмертными трещинами, что соответствует стандартной практике нашей лаборатории. Что касается оценки химического состава, то для отбора проб были взяты отдельные микроструктурные элементы, в основном целые или фрагментарные остеоны. Отверстия в кости, особенно в гаверсовских каналах, где мог быть обнаружен инородный материал, также не использовались в настоящем наборе данных.Было показано, что инородный материал в таких отверстиях является загрязняющим веществом в одном археологическом скелете, о котором сообщалось в Rasmussen et al. [1]. Наконец, изображения поперечного сечения, полученные в этом исследовании, такие как показанные на рис. 1 и в более ранней работе, которые включают современную (никогда не захороненную) кость вместе с археологическими образцами [1], показывают неравномерное распределение элементов по остеонам. Примечательно, что это включает в себя контраст между ламелями остеона и цементными линиями в скелетах, которые никогда не были захоронены в земле, а также археологическими костями, захороненными в почве на протяжении веков.Неравномерное распределение микроэлементов в старых и недавних костях в этом исследовании согласуется с тем, что сообщили другие исследователи для современных костей [5, 6]. Взятые вместе, эти результаты повышают уверенность в том, что результаты, в значительной степени свободные от эффектов диагенеза, возможны с археологическими образцами, если соблюдаются надлежащие меры предосторожности, изложенные в исследовании, которое специально посвящено этой проблеме [1].
Предыдущая работа показала, что существует объяснимая закономерность в концентрациях Cu и Pb в объемных образцах костей от средневековых до пост-средневековых скелетов, захороненных на кладбищах в Дании и северной Германии [37, 52].Распределение этих элементов среди различных микроструктурных элементов кости, пожалуй, самая веская причина полагать, что сохраняется биогенетический сигнал, который не маскируется диагенетическими процессами [1]. То есть, концентрации Cu и Pb варьируются в разных областях, где взяты образцы, с различиями в содержании микроэлементов, точно соответствующими микроструктурным особенностям, особенно неповрежденным или фрагментарным остеонам. Более того, в четырех средневековых скелетах ковариация концентраций Cu и Pb в микроструктурных особенностях согласуется с гораздо большим и разнообразным массивом образцов костной ткани, которые демонстрируют сходные паттерны у людей из разных мест и социально-экономических слоев средневековой Дании [37].Другими словами, значения концентрации Cu и Pb варьировались между отдельными остеонами, как это было предсказано на основе анализа образцов кости, которые не имели специфичности вплоть до микроструктурного уровня.
Сильная положительная корреляция между Sr и Ba также является аргументом против того, чтобы диагенез оказал большое влияние на концентрации этих двух элементов. Из этих двух элементов Ва более подвержен диагенезу [1, 37, 48]. Однако отбор образцов микроструктуры показывает тесную связь между Sr и Ba как в давно захороненных скелетах с разных кладбищ, так и в останках людей, которые никогда не были захоронены.Если бы Ba имел диагенетическое происхождение — точнее, если бы эффекты диагенеза маскировали биогенный сигнал — маловероятно, что такая четкая и последовательная картина была бы очевидна независимо от посмертных историй скелетного материала.
Изучение химического состава микроструктуры кости, вплоть до уровня особенностей, сформировавшихся в разное время в течение жизни человека, приближает нас на шаг ближе к тому, чтобы результаты представляли истинный сигнал, а не посмертное изменение исходного состава кости.Это имеет практическое значение для использования химии костей для решения вопросов археологических исследований. Фактически, результаты настоящей работы в целом согласуются с результатами Шарлотты и его коллег [53], которые также указывают на преимущества исследования отдельных остеонов вместо того, чтобы полагаться на объемные образцы костей.
Процедуры массового отбора проб, конечно, могут избежать деградации поверхности, сосредоточив внимание на внутренней части кортикального слоя кости. Но более позднее заполнение отверстий, образовавшихся при жизни, таких как гаверсовы каналы, или тех, которые образовались после смерти в результате растрескивания или микробной инвазии, остается проблемой.Тем не менее, у массового отбора проб есть одно явное преимущество перед процедурой, описанной в этой статье. Это намного проще и дешевле, чем подробные характеристики микроструктуры кортикальной кости, видимые в поперечных срезах. Таким образом, важно определить, что можно, а что нельзя извлечь из массовой выборки. Результаты настоящей работы обнадеживают в этом отношении, по крайней мере, для северных европейских скелетов, возраст которых составляет всего до тысячи лет, как обсуждалось выше для Cu и Pb, где анализ микроструктурных деталей согласуется с предыдущими результатами, полученными на массивных образцах.
Стронций и Ва в качестве индикаторов питания
Стронций и Ва широко используются в качестве индикаторов питания и происхождения [8, 25, 33, 35,36,37, 54,55,56,57]. От использования концентраций Sr и Ba для выводов о питании в конце 1980-х годов в основном отказались, заменив их почти полностью анализом изотопов Sr. Однако в последнее время наблюдается возрождение интереса к элементному анализу после признания того факта, что они предоставляют информацию о жизни в прошлом, которая отличается, но дополняет то, что можно узнать из изотопных данных [1, 25, 33,34,35, 36,37, 53, 57].
Концентрации Sr и Ba в костях могут меняться в течение жизни человека по двум причинам, вызывающим беспокойство. Во-первых, человек мог мигрировать из одного географического местоположения в другое, что было бы видно, если бы в двух местах были разные уровни биодоступности Sr и Ba в поверхностных водах и пище, что было связано с геологическим контекстом. Во-вторых, могло произойти серьезное изменение в том, что человек ел, например, переход от преимущественно мясной диеты к преимущественно растительной диете.Различия в Sr и Ba между различными типами современной пищи хорошо задокументированы [58, 59]. Однако то, как именно концентрации Sr и Ba в пище переводятся в концентрации Sr и Ba в скелете, до сих пор не совсем понятно [60].
Можно ожидать изменений в химии микроэлементов в скелете, когда состав рациона резко изменился. Например, если потребляемая пища переместится с преимущественно мяса на зерновые продукты, количество потребляемых Sr и Ba значительно увеличится.Такое изменение диеты, возможно, приведет к увеличению содержания Ba в несколько раз и Sr в несколько десятков раз [58, 59].
Изменения концентраций Sr и Ba в костях могли произойти из-за миграции человека из одного места в другое. Хотя наличие различных видов пищи могло быть неодинаковым до и после переезда, в большинстве случаев изменение геологической обстановки с большей вероятностью оказало ощутимое влияние на элементный состав скелета мигранта.Это потому, что столетия или тысячелетия назад потребляемая пища в основном, если не полностью, производилась на месте. Гомогенизирующий эффект продуктов питания, регулярно получаемых из отдаленных мест, в той мере, в какой это происходит на самом деле, должен был подождать до разработки регулярных и эффективных систем транспортировки и распределения для насыпных товаров.
Акцент, сделанный здесь на геологических условиях, не предназначен для минимизации диетических вариаций, существовавших в сообществах. Состав рациона питания мог изменяться, особенно в социально стратифицированных обществах, таких как общества средневековой Европы, по мере того, как индивид приобретал или терял богатство и социальный статус.Это произойдет, даже если человек продолжит проживать в том же сообществе. Некоторых вариаций можно также ожидать внутри определенных социально-экономических групп в стратифицированных обществах. Это могло произойти из-за личных предпочтений, повлиявших на выбор питания, а также из-за различий в доступе домохозяйств к продуктам питания из-за местных, в том числе сезонных, обстоятельств. Различия в диетах также могли возникнуть из-за культурных предписаний относительно того, что следует есть людям разного возраста и пола, а также того, что кормят заболевшим.По этим, а также по другим причинам, концентрации Sr и Ba лучше всего интерпретировать с использованием больших и разнообразных образцов скелетов из хорошо задокументированных археологических контекстов [37]. Анализ имеющихся скелетов и их общая характеристика вместо того, чтобы углубляться в конкретную природу сообществ, из которых они были взяты, не даст значимых с культурной точки зрения результатов.
Медь и Pb как социально-экономические индикаторы
Медь использовалась в качестве палеодиетического индикатора [8, 61, 62], но взаимосвязь между ее присутствием в пище, поглощением в желудочно-кишечном тракте и последующим отложением в костях неясна [63 , 64,65].Высокие концентрации Cu были обнаружены в археологических останках людей, которые, как считается, участвовали в добыче Cu или производстве из него предметов [51, 66, 67]. В средневековых и постсредневековых датских популяциях большая часть вариаций воздействия меди, вероятно, была связана с предметами из этого элемента или его сплавов, встречающимися в повседневной жизни, возможно, в первую очередь с кухонной утварью [37]. Фактически, концентрация Cu в датских скелетных останках довольно точно указывает на местонахождение проживания, особенно в сельских деревнях, а не в городах.Местоположение проживания было связано с доступом к металлическим контейнерам, используемым при приготовлении и хранении пищи, которые, в свою очередь, были связаны с торговыми сетями, сосредоточенными в региональных рыночных городах. Для некоторых горожан высокий социально-экономический статус означал, что они обладали средствами для приобретения относительно редких и ценных предметов, включая утилитарные предметы домашнего обихода. Хотя воздействие меди может указывать на высокий социальный статус, картина может быть омрачена особыми обстоятельствами, такими как работа в мастерской медника или проживание рядом с ней.Слуги, работающие в богатых семьях, также подвергались воздействию Ку, как и их хозяева. Как всегда, выводы скелетов о прошлом образе жизни невозможно сделать без детального знания местного культурного контекста. Именно здесь выводы на уровне населения должны учитывать детали индивидуальных историй жизни.
Значение Pb в человеческих и нечеловеческих скелетных останках из археологического контекста хорошо установлено [39, 40, 52, 70,71,72,73,74]. Свинец привлек внимание в основном из-за его известных токсических эффектов и концентрации в костях [68, 69].Исследования археологических костей выявили загрязнение окружающей среды, связанное с урбанизацией, и выявили его связь с социальным положением. В средневековой и ранней современной Северной Европе на концентрацию Pb, вероятно, сильно повлияло воздействие керамики, глазурованной свинцом, а также водопроводных труб, крыш и предметов, таких как домашняя утварь, частично или полностью сделанных из Pb.
В предыдущем исследовании объемных образцов, взятых из скелетов, раскопанных на нескольких датских и северных немецких средневековых кладбищах, была обнаружена объяснимая закономерность, когда концентрации Cu и Pb были сопоставлены друг с другом [37].Большая выборка, различные археологические контексты и последовательные результаты указывают на то, что эти два элемента связаны друг с другом. Настоящая работа по химии костей на микроскопическом уровне представляет собой сильную поддержку этих более ранних результатов и повышает доверие к ним.
Мобильность и диета
Как упоминалось выше, мобильность и диета неразрывно связаны друг с другом в прошлых популяциях, в том числе в средневековье и раннее Новое время. Для отдельных людей, таких как исследованные здесь, вероятно, что основные изменения в составе микроэлементов костей в течение жизни часто были связаны с перемещением из одного места в другое.Это связано с тем, что потребляемая еда и жидкость в основном поступали бы из местных источников, даже если бы диапазон и количество того, что было проглочено, оставались неизменными до и после переезда человека.
Если обратиться к средневековым датчанам со всеми четырьмя категориями микроструктуры, то, вероятно, они перемещались при жизни. Концентрации Sr и Ba в ламинарной кости человека из Выборгского собора, X27 / KLR-7292, отличались от таковых в остеонах 1-го, 2-го и 3-го поколений, которые были выше (рис.5, 6). В молодости этот человек, возможно, жил в одном месте, но большую часть своей жизни провел в другом. Если бы он действительно жил в одном и том же месте, предположительно в Виборге, большую часть своей жизни, то общее увеличение содержания Pb и Cu в трех категориях остеонов могло указывать на повышение социального статуса с течением времени. Это имело бы смысл, если бы он стал более зажиточным, когда стал старше. Если такая интерпретация верна, то следует, что женщина из Выборга Св. На кладбище Мортен, X1050 / KLR-11500, произошло по крайней мере одно такое изменение в своей жизни, о чем свидетельствуют значения Sr и Ba в остеонах 2-го и 3-го поколений (рис.5, 6). Здесь также значения Pb и Cu говорят о том же. Образец пластинчатой кости и остеонов 1-го поколения слишком мал, чтобы сделать больше, чем предполагать, что она испытала целых два элементарных изменения в своей жизни. Двух человек, конечно, слишком мало, чтобы служить основанием для каких-либо окончательных выводов о жизни в прошлом. Тем не менее, обследование большего числа людей из контекстов с хорошим контекстным контролем может установить, были ли серьезные сдвиги в воздействии микроэлементов в течение жизни обычным явлением или нет, и было ли повышение социального положения в течение наиболее продуктивных лет жизни характерным для некоторых времен и мест. , но не другие.
Образец скелета слишком мал и потенциально необъективен, чтобы делать какие-либо твердые выводы о датской жизни полтысячелетия назад. Однако результаты интригуют, потому что средневековые скелеты Выборга указывают на то, что случайное перемещение из одного места в другое могло быть больше, чем принято думать, по крайней мере, для жителей важных в регионе городов. Для оценки мобильности различных сегментов средневекового общества необходима гораздо большая и более репрезентативная выборка датских общин того времени и социальных различий внутри них.
Обращаясь к бедренной кости Апостола / KLR-11251, оказывается, что Святой Иаков Малый (если это действительно он) перемещался с одного места на другое в течение той части своей жизни, которая была зафиксирована выборкой полных и фрагментарных остеонов (рис. 3). Это верно в отношении всех четырех рассмотренных здесь основных элементов. Эта находка интересна тем, что о его жизни мало что известно. Из лиц, исследованных в этом исследовании, у Апостола была самая слабая корреляция между Cu и Pb. Какими бы ни были источники воздействия Cu и Pb, они не были так тесно связаны при его жизни, как для людей от средневековья до пост-средневековья.И снова, чтобы сделать какие-либо выводы, необходимы образцы большего размера, хотя микроструктуры кости достаточно, чтобы подчеркнуть потенциал для этого направления работы.
Микроструктура по сравнению с групповым отбором образцов
Как и следовало ожидать, исходя из неравномерного распределения микроэлементов в кортикальном слое кости, элементный состав отдельных остеонов часто не соответствует результатам, полученным при большом количестве образцов. Последние состоят из множества разных остеонов, каждый с разной химической сигнатурой.Результаты массового отбора проб полезны, поскольку они указывают на воздействие микроэлементов на протяжении многих лет жизни, продолжительность которого неизвестна ни у одного из отобранных индивидуумов. Обмен костной ткани у взрослых, скорость которого зависит от возраста, в неорганической фракции кости достаточно медленный, чтобы улавливать биогенетический сигнал, который может охватывать более десяти лет [75,76,77]. Химические сигналы от массивных образцов и множества отдельно взятых остеонов не обязательно одинаковы, как показало изотопное исследование органической фракции вековых костей [7].Хотя многое еще предстоит узнать о том, что можно получить при взятии образцов отдельных микроструктурных особенностей, это может дать более подробные и информативные истории химической жизни [7].
Улучшение нашей способности документировать химические истории жизни особенно примечательно в ситуациях, когда есть причина интересоваться тем, что случилось с конкретным человеком. Одним из примеров является апостол святой Иаков Меньший. Также существует вполне реальная возможность того, что истории индивидуальной жизни в совокупности могут пролить свет на то, что происходило во всех сообществах.Хотя потенциал для такой работы существует [1, 53], остается проблема увеличения его масштабов, чтобы можно было определить общие тенденции в формировании и составе сообществ.
Одним из компонентов будущей работы будет оценка представленной здесь схемы классификации микроструктуры с другими элементами и изотопами. Что касается последнего, можно продолжить, следуя примеру Кунса и Туросса [7] в отношении органической фракции кости. Что, вероятно, будет особенно полезно, так это комбинация микроэлементов и легких стабильных изотопов.
Другой проблемой является установление надлежащего культурного контекста для исследуемых скелетов. Это особенно важно, потому что время и затраты, связанные с химической характеристикой микроструктуры кости, означают, что количество людей, отобранных для исследования, по большей части, вероятно, будет небольшим. Средневековые датчане в этом экспериментальном исследовании подчеркивают эту проблему. Периодические изменения в жизни людей, подразумеваемые нашими выводами, могли быть, а могли и не быть характерными для общества в целом.Возможно, такая мобильность была характерна только для узкой части датского общества: жителей городов и, возможно, даже определенных сегментов этих сообществ. К счастью, в данном случае эту проблему можно решить, изучив скелеты из нескольких археологически хорошо изученных кладбищ в городах и кладбищах, связанных с отдаленными деревнями. Короче говоря, процесс реконструкции жизненного опыта по археологическим скелетам может начаться с химии костей, но для того, чтобы сделать разумные выводы о прошлом, требуется гораздо больше.
Данные о химическом составе минерала бычьей кости
Для лечения тяжелых переломов и повреждений костей широко используются синтетические костные трансплантаты в качестве замены естественной костной ткани. Гидроксиапатит (ГА) широко используется во многих биомедицинских приложениях, особенно в ортопедии и замене костей, из-за его сходства с неорганической частью натуральной кости. Эта работа была направлена на разработку новых материалов на основе замещенного гидроксиапатита, обладающих антибактериальными свойствами, в качестве потенциального подхода к решению инфекционных проблем в ортопедических операциях.В этой диссертации представлен ряд новых порошков одиночной и совместно замещенной ГК, синтезированных методами мокрого осаждения и твердотельным методом; После этого была проведена характеристика новых материалов с использованием нескольких методов для определения кристаллографической структуры, физико-химических свойств, элементного состава, антибактериальных и клеточных свойств новых порошков замещенной ГК. Новые составы характеризуются замещением различных ионов металлов в ГА, а именно: селенит / селенат (SeO3 2- или SeO4 2-), церий (Ce3 + или Ce4 +), медь (Cu + или Cu2 +) и стронций (Sr2 +) в различных концентрации для улучшения антибактериальной активности и, таким образом, предотвращения необходимости использования антибиотиков.Кристаллографические исследования с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и уточнения по методу Ритвельда были выполнены для объяснения влияния ионного замещения на структуру решетки ГА. Композиционный и морфологический анализ проводили с использованием порошковой рентгеновской флуоресценции (XRF) и сканирующей электронной микроскопии (SEM) соответственно. Полное химическое распознавание было выполнено с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) и рамановской спектроскопии для выявления функциональных групп, присутствующих в замещенном HA. Биологические исследования замещенного HA с использованием как прямого, так и непрямого способов культивирования клеток показали положительный клеточный ответ с клеточными линиями MG-63 и MC3T3-E1.Метод дисковой диффузии и измерения мутности использовались для оценки антибактериальных свойств образцов в отношении грамположительных бактерий Staphylococcus carnosus (S. carnosus) и грамотрицательных бактерий Escherichia coli (E. coli). Кристаллографические результаты подтвердили замещение ионов металлов в кристаллической структуре ГА, поскольку было подтверждено изменение параметров решетки, кристалличности и размера кристаллитов, что показывает влияние ионного замещения в структуре решетки ГА. Замещенные ионы показали небольшое отклонение достигнутой концентрации от прогнозируемой стехиометрии реакции.Более того, было обнаружено, что поверхностный заряд (оцененный измерениями дзета-потенциала) зависит от типа замещения. Порошки HA, погруженные в имитирующую жидкость тела (SBF), демонстрировали умеренное высвобождение ионов, которое было измерено с помощью оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP-OES). Уровни высвобожденных ионов были прямо пропорциональны концентрации замещенных ионов в HA. Тип и концентрация замещенных ионов оказывают значительное влияние на клеточную активность.ГК, замещенный ионами SeO3 2- / SeO4 2-, Ce3 + / Ce4 + и Cu + / Cu2 +, проявлял разные уровни антибактериальных свойств в отношении обоих бактериальных штаммов, что было приписано типу и концентрации замещенных ионов, а также профилям высвобождения ионов. Для покрытий на металлических имплантатах были выбраны успешно замещенные ГК материалы, показавшие лучшие результаты с точки зрения значительных антибактериальных и биологических свойств. Методы электрофоретического осаждения (EPD) (AC и DC) были использованы для изготовления биоактивных и антибактериальных композиционных покрытий на основе хитозана и замещенного HA (чистый HA, селензамещенный HA (Se-HA), стронцийзамещенный HA (Sr-HA) и селен -стронциевый совместно замещенный HA (Se-Sr-HA)) в качестве перспективного подхода к решению внутренних ограничений металлических имплантатов, например отсутствия биоактивности и антибактериальных эффектов.В этом подходе замещенные частицы ГА действовали как переносчики ионов металлов для антибактериальной активности, в то время как хитозан действовал как матрица для улучшения механических свойств и содействия остеоинтеграции металлических имплантатов. Параметры обработки методов EPD (переменного и постоянного тока) были оптимизированы для получения желаемых свойств покрытий. Композитные покрытия показали значительную адгезионную прочность, смачиваемость и биологическую активность in vitro. Высвобождение ионов SeO3 2- / SeO4 2- придает антибактериальную активность как в отношении S.carnosus и штаммы бактерий E. coli. Более того, композитные покрытия на основе хитозана / Se-Sr-HA показали значительную жизнеспособность клеток, составляющую 75% (определенную с помощью анализа WST-8). Кроме того, было показано, что совместное замещение Sr2 + улучшает жизнеспособность клеток покрытий. Аналогичным образом, адгезия клеток MC3T3-E1 к поверхности покрытия была значительной, что свидетельствовало о сильной адгезии клеточного матрикса и морфологии распространения клеток.

Строение и состав кости — урок. Биология, Человек (8 класс).

Химическое строение кости

Химический состав костей человека. Каков химический состав костей?

Соединения, формирующие скелет

Превращения в различных средах

Через микроскоп

Основные функции соединений разной природы

Состав костей в детском возрасте

Скелет взрослого

Изменения химического состава костей у пожилых людей

Состав костей человека — биология, уроки

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОСТНОЙ ТКАНИ. «БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ», Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.

Строение и состав костей, их форма и функции — Институт развития образования Еврейской автономной области

DoITPoMS — Библиотека TLP Структура костных материалов и материалов имплантатов

Композиция

Напряжения

Костный минерал: новое понимание его химического состава

Границы | Костный внеклеточный матрикс в формировании и регенерации костей

Введение

Основные компоненты костного ЕСМ

Органический ЕСМ

Коллагеновые белки

Неколлагеновые белки

Протеогликаны

Белки, содержащие γ-карбоксиглутаминовую кислоту

Гликопротеины

Малый интегрин-связывающий лиганд N-связанные гликопротеины / SIBLINGs

Неорганический ECM

Функция костного ECM в биологии линии остеобластов

Регулирование BMSC с помощью ECM

Регулирование остеобластов с помощью ЕСМ

Регулирование остеоцитов с помощью ЕСМ

Функция костного ECM в остеокластах

Применение ECM для инженерии костной ткани

ECM-Modified Biomaterial Scaffold

Децеллюляризованный каркас ECM

Децеллюляризованный ECM, полученный из ткани. Каркас

Каркас децеллюляризованного ЕСМ, полученный из клеток

Выводы и перспективы

Вклад авторов

Конфликт интересов

Благодарности

Ссылки

Структура, функции и факторы, влияющие на костные клетки

1. Введение

2. Костные клетки

2.1. Остеобласты

2.2. Клетки выстилки костей

2.3. Остеоциты

2.4. Остеокласты

2,5. Внеклеточный костный матрикс

2.6. Взаимодействия между костными клетками и костным матриксом

2.7. Местные и системные факторы, регулирующие гомеостаз кости

2,8. Процесс ремоделирования кости

2.9. Эндокринные функции костной ткани

3. Выводы

Конфликт интересов

Благодарности

На май в ваших костях: кальций и фосфор

Год (био) химических элементов

Diagenesis

Стронций и Ва в качестве индикаторов питания

Медь и Pb как социально-экономические индикаторы

Мобильность и диета

Микроструктура по сравнению с групповым отбором образцов

Данные о химическом составе минерала бычьей кости

Related Post

Добавить комментарий Отменить ответ