Остеобласт это: Остеобласт — это… Что такое Остеобласт?

Содержание

Остеобласт — это… Что такое Остеобласт?

остеобласт — остеобласт … Орфографический словарь-справочник

остеобласт — сущ., кол во синонимов: 1 • клетка (126) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Остеобласт — Остеобласты молодые остеобразующие клетки кости (Диаметр 15 20 мкм), которые синтезируют межклеточное вещество матрикс. По мере накопления межклеточного ве … Википедия

остеобласт — (osteoblastus, LNH; остео + греч. blastos росток, зародыш) клетка костной ткани, участвующая в образовании ее межклеточного вещества и превращающаяся в остеоцит … Большой медицинский словарь

остеобласт — остеобласт, остеобласты, остеобласта, остеобластов, остеобласту, остеобластам, остеобласт, остеобласты, остеобластом, остеобластами, остеобласте, остеобластах (Источник: «Полная акцентуированная парадигма по А. А. Зализняку») … Формы слов

ОСТЕОБЛАСТ — (osteoblast) клетка мезодермы эмбриона, из которой начинается образование кости. См. также Оссификация. Остеобласты молодые клетки костной ткани, которые синтезируют компоненты межклеточного вещества и выделяют их через всю поверхность, что и… … Толковый словарь по медицине

остеобласт — іменник чоловічого роду … Орфографічний словник української мови

Остеобласт (Osteoblast) — клетка мезодермы эмбриона, из которой начинается образование кости. См. также Оссификация. Остеобласты молодые клетки костной ткани, которые синтезируют компоненты межклеточного вещества и выделяют их через всю поверхность, что и приводит к… … Медицинские термины

КОСТЬ — (os, ossis), основной элемент скелета позвоночных. Костная ткань разновидность соединит, ткани, состоит из клеток и минерализованного межклеточного вещества. Клетки: остеоциты, полностью замурованы в межклеточном веществе, контактируют отростками … Биологический энциклопедический словарь

остеобластокластома — (osteoblastoclastoma; остеобласт + (остео) класт + ома; син.: гигантома, опухоль бурая, опухоль гигантоклеточная кости, опухоль миелоидная, опухоль из миелоплаксов, остеокластом ) опухоль кости, содержащая большое количество гигантских… … Большой медицинский словарь

остеобластома — (osteoblastoma; остеобласт + ома) см. Остеоидостеома гигантская … Большой медицинский словарь

Дифференциация и активация остеокластов

Авторы: W.J. Boyle, W. S. Simonet, D. L. Lacey, США

Статья в формате PDF

Остеокласты – это специализированные клетки, образующиеся из гематопоэтической линии моноцитов/макрофагов, которые развиваются и прикрепляются к матрице кости, выделяя далее кислоты и литические ферменты, разрушающие кость. Открытие в системе остеокластов сигнального пути RANK обеспечило понимание механизмов остеокластогенеза и активации резорбции кости, а также путей гормонального влияния на структуру и массу костной ткани. Дальнейшее изучение этого сигнального пути способно создать молекулярную основу с целью разработки медикаментов для лечения остеопороза и других заболеваний, сопровождающихся потерей костной массы.

Кость является ригидным, однако динамичным органом, который постоянно формируется, обновляется и восстанавливается. Микроструктура кости построена таким образом, чтобы обеспечить максимальную прочность на фоне минимальной массы соответственно физиологическим потребностям организма. Как же поддерживаются структура кости и ее функции? Как индуцируются изменения в метаболизме костной ткани? После формирования кость подлежит процессу под названием ремоделирование, который включает разрушение (резорбцию) и образование (синтез) костной ткани. Эти процессы в микромасштабе происходят во всем скелете. Ремоделирование кости – основной метаболический процесс, регулирующий ее структуру и функции на протяжении взрослой жизни. Ключевыми участниками ремоделирования являются остеокласты [1, 2]. Дисбаланс в ремоделировании способен привести к значительным нарушениям структуры и функции скелета, а потенциально – к увеличению смертности и сокращению длительности жизни.

Большинство заболеваний скелета у взрослых являются следствием чрезмерной активности остеокластов, ведущей к дисбалансу ремоделирования с преобладанием резорбции [3]. Подобные болезни включают остеопороз, заболевания периодонта, ревматоидный артрит, множественную миелому, метастазы раковых опухолей. Для лиц с остеопорозом переломы костей непосредственно угрожают жизни. На данный момент в группе риска подобных переломов находятся более 70 млн людей во всем мире. Недавние открытия, касающиеся понимания дифференциации и активации остеокластов, основываются на анализе семейства биологически связанных протеинов, подобных фактору некроза опухолей (ФНО) и его рецепторам (ФНОР): остеопротегерина (OPG), рецептораактиватора ядерного фактора кB (RANK) и его лиганда (RANKL), которые регулируют функцию остеокластов [4]. Исследование этих сигнальных путей обеспечивает глубокое понимание того, как различные физиологические и патофизиологические сигналы осуществляют свое действие, индуцируя остеокластогенез, рассасывание кости и ремоделирование скелета, таким образом контролируя массу костной ткани.

Остеокластогенез

Остеокласт является тканеспецифической макрофагальной многоядерной клеткой (поликарионом), образующейся в процессе дифференциации клетокпредшественников моноцитов/макрофагов на поверхности кости или поблизости от нее (рис. 1). Существенный прогресс в понимании остеокластогенеза произошел тогда, когда в клеточных системах на основе клеток костного мозга или селезенки и стромальных клеток были получены остеокласты [5]. Тогда был сделан вывод, что для остеокластогенеза требуется тесный контакт между стромальными клетками и клетками костного мозга. Для остеокластогенеза необходимы два гемопоэтических фактора: ФНОродственный цитокин RANKL и полипептидный фактор роста CSF‑1 (колониестимулирующий фактор‑1) [6, 7], а далее происходит активация RANK на поверхности клетокпредшественников [8, 9]. Для экспрессии генов, типизирующих линию остеокластов, необходимо присутствие и CSF‑1, и RANKL.

Рис. 1. Остеокластогенез
Схема развития и дифференциации гемопоэтической клетки-предшественника в зрелые остеокласты – поликарионы (многоядерные клетки), образовавшиеся в результате слияния 10-20 отдельных клеток. Созревание происходит в костной ткани из одноядерных клеток с некоторыми чертами макрофагов, роисходящих из периферической крови. Для остеокластогенеза необходимы колониестимулирующий фактор-1 (CSF-1) и RANKL, действие которых также показано на рисунке. OPG способен связывать и нейтрализовать RANKL, что негативно влияет и на остеокластогенез, и на активацию зрелых остеокластов. В нижней части рисунка показаны одногенные мутации, блокирующие остеокластогенез и активацию остеокластов. Курсивом выделены естественные мутации грызунов и человека, обычным шрифтом представлены результаты прицельного мутагенеза. В верхней части показаны одногенные мутантные аллели, усиливающие остеокластогенез, активирующие функции остеокластов и увеличивающие их выживаемость, что приводит к остеопорозу. Все эти мутации являются нулевыми, кроме OPG [22] и sRANKL [77], представленных в моделях чрезмерной экспрессии у трансгенных мышей (выделены голубыми рамками).

Зрелый многоядерный остеокласт активируется специфическими сигналами, ведущими к инициации ремоделирования кости (рис. 2). Вследствие этого тело остеокласта поляризируется, и в ответ на активацию RANK его лигандом [10] подлежит внутренним структурным изменениям. Эти изменения – перестройка актинового цитоскелета и образование тесной связи между поверхностью кости и базальной мембраной остеокласта – подготавливают условия для резорбции костной ткани, создавая своеобразный герметично закрытый отсек. Далее эта внешняя вакуоль закисляется путем экспорта ионов водорода [11], в нее поступают литические ферменты (тартратрезистентная кислая фосфатаза, прокатепсин К) и формируется т. н. резорбционная впадина (лакуна Хоушипа). Так остеокласт приводит к рассасыванию прилежащей костной ткани. Продукты деградации (фрагменты коллагена, растворенные кальций и фосфаты) попадают в циркуляторное русло. RANKL активирует зрелые остеокласты in vitro и ведет к быстрому рассасыванию кости in vivo [10, 12]. Жизнедеятельность остеокластов и их участие в последующих циклах резорбции костной ткани частично регулируется гормонами и цитокинами [13]. RANKL и интерлейкин (ИЛ) 1 увеличивают продолжительность жизни зрелого остеокласта in vitro и in vivo [14, 15].

Рис. 2. Активация резорбции костной ткани
Поликарионы под воздействием CSF-1 и RANKL прикрепляются к кости и дифференциируются в зрелый остеокласт (a). RANKL стимулирует активацию остеокластов, индуцируя секрецию протонов и литических ферментов в закрытую резорбционную вакуоль между базальной поверхностью остеокласта и поверхностью кости. Секреция протонов приводит к повышению кислотности в этом закрытом пространстве, что, в свою очередь, вызывает активацию ферментов TRAP и CATK, ответственных за деградацию минеральной и коллагеновой составляющих кости (b). Фотография трансмиссионной электронной микроскопии активированного остеокласта мыши с видимой неровной границей лакуны резорбции на поверхности бедренной кости (красный «пропеллер» – остеокласт, черная стрелка – резорбционное углубление) (c). Фотография сканирующей электронной микроскопии человеческих остеокластов, полученных in vitro на срезах кортикальной кости из мононуклеаров периферической крови, подвергавшихся действию CSF-1 и RANKL (красный «пропеллер» – остеокласт; черная стрелка – впадина резорбции, в которой обычно ровная поверхность кости рассосалась, обнажив коллагеновые пучки; желтые звездочки – нерезорбированная поверхность кости; голубые треугольники – мононуклеары (потенциальные предшественники остеокластов) (d).

Остеокластогенез и активацию остеокластов регулируют как минимум 24 гена или генных локуса [16, 17]. Нарушение функции этих генов блокирует развитие и/или функции остеокластов, приводя к аномально высоким уровням минерализации кости и хряща (т. н. остеопетроз), или, наоборот, к усиленному остеокластогенезу и активации этих клеток, ассоциируемых с остеопенией [17, 18, 19, 20]. Такие гены осуществляют свое действие на разных стадиях жизни остеокласта, влияя на образование и выживание клетокпредшественников, их способность к дифференциации, прикрепление к кости и выделение литических ферментов (рис. 1).

Регуляторная ось RANKL/RANK/OPG

Важным моментом в изучении регуляции остеокластогенеза стало обнаружение OPG – растворимого белка, блокирующего образование остеокластов in vitro и резорбцию кости in vivo [22, 23, 24]. Поскольку OPG – это ФНОродственный протеин, неудивительно, что другой ФНОродственный поверхностный белок RANKL является ключевым цитокином, регулирующим остеокластогенез и резорбцию костной ткани [6, 7, 25, 26]. RANKL связывает и активирует белок RANK – трансмембранный сигнальный рецептор [26]. Экспрессия RANK на гемопоэтических клеткахпредшественниках является необходимым условием дифференциации и активации остеокластов, а также рассасывания кости и гормональной регуляции гомеостаза кальция [27, 28].

Полипептид RANKL – трансмембранный протеин типа II, размещенный на поверхности клеток в виде растворимой формы [7, 25, 26]. Гормоны и другие стимуляторы резорбции костной ткани in vivo индуцируют экспрессию RANKL на остеогенных стромальных клетках [30, 31]. Экспрессия RANKL остеобластами координирует ремоделирование кости путем стимуляции ее рассасывания остеокластами, что, в свою очередь, активирует остеосинтез прилежащими остеобластами. Это сочетание противоположных процессов носит название «сопряжение» (coupling) [32]. В таком случае OPG действует в качестве рецептораловушки, блокируя связывание RANKL с RANK. OPG также вырабатывается остеобластами в ответ на действие анаболических агентов (эстрогены, некоторые костные морфогенетические белки) [32, 33]. Чрезмерная экспрессия OPG блокирует продукцию остеокластов, что вызывает остеопетроз у мышей, в то время как его делеция сопровождается усиленным ремоделированием и остеопорозом [21, 22]. Таким образом, координация экспрессии RANKL и OPG необходима как для позитивной, так и для негативной регуляции костной плотности путем контроля активности RANK в остеокластах.

Активация RANK его лигандом ведет к экспрессии остеокластспецифических генов во время дифференциации, активации резорбции кости и дальнейшего жизненного цикла остеокластов. Сигнальная система RANK опосредована разнообразными цитоплазматическими факторами. Во время остеокластогенеза и активации остеокластов «включаются» как минимум пять отдельных сигнальных каскадов, опосредованных протеинкиназами – ингибитором киназы ядерного фактора кВ, cJunNтерминальной киназой, стрессактивируемой протеинкиназой p38, внеклеточной сигналрегулируемой киназой и протеинами Src (рис. 3).

Рис. 3. Сигнальный путь RANK в остеокластах
Белки с установленными эффектами, задействованные в передаче сигналов RANK во время развития и активации остеокластов, составляют сигнальный каскад от цитоплазматической мембраны до ядерных эффекторов. RANK и OPG являются ФНОР-опосредованными белками, а RANKL – ФНО-опосредованным цитокином, специфически взаимодействующим с RANK или OPG. Представленные на рисунке белки связаны стрелками или линиями, демонстрирующими их взаимодействие и функциональные ассоциации согласно данным литературы. Красные прямоугольники показывают точки приложения известных ингибиторов малых молекул.

Ключевым предварительным шагом RANKсигнализации является связывание ФНОРассоциированных цитоплазматических факторов (ФАЦФ) со специфическими доменами RANK [9, 34, 35]. Показано, что ФАЦФ‑2, 5 и 6 связываются с RANK, а мутации ФАЦФ‑6 ведут к остеопетрозу вследствие деактивации остеокластов [36, 37].

Модуляция RANKиндуцированного остеокластогенеза

Существует несколько уровней контроля сигнального пути RANK, способных усилить или затормозить остеокластогенез и активацию этих клеток. Активация находящихся на поверхности остеокластов рецепторов к ИЛ‑1, колониестимулирующему фактору‑1, простагландину Е₂, ФНО потенцирует остеокластогенез in vitro и стимулирует резорбцию кости in vivo.

Сигнальный путь RANK негативно контролируется OPG in vitro и in vivo [22, 23]. Есть также доказательства существования механизмов обратной связи, которые прекращают функционирование сигнального пути RANK после его активации. Индукция остеокластогенеза RANKL ведет к усилению секреции интерферона (ИФ) β, который снижает экспрессию белка c-Fos – важного фактора развития остеокластов [63, 64]. ИФ-γ также обладает негативным действием на этот сигнальный путь. Связывание ИФ-γ с его рецепторами ведет к разрушению ФАЦФ‑6 и угнетению остеокластогенеза in vitro [65]. Эти данные являются противоречивыми, поскольку ИФ-γ применяется в лечении остеопетроза, увеличивая резорбцию кости. ИЛ‑4 также продемонстрировал негативное влияние на остеокластогенез [60]. Наконец, давно известно, что связывание кальцитонина с его рецепторами угнетает активацию остеокластов, что обусловливает его терапевтическое использование.

Гормональный контроль резорбции кости

Некоторые гормоны, цитокины и гуморальные факторы также влияют на плотность костной ткани и гомеостаз кальция путем индукции экспрессии RANKL в клетках кости (рис. 4). Большинство гормонов, регулирующих обмен кальция, и пререзорбтивных цитокинов усиливают экспрессию матричной РНК RANKL в клеточных линиях и культурах остеобластов [32, 33]. OPG, блокирующий RANKLиндуцированный остеокластогенез, способен угнетать образование остеокластов и рассасывание кости, возникающие в ответ на действие кальцитропных факторов. Данное явление свидетельствует о том, что сигнальный путь RANK интегрирует различные гуморальные сигналы, регулирующие гомеостаз кальция и резорбцию кости. Вышесказанное подтверждает тот факт, что мыши с отсутствием RANK резистентны к индукции рассасывания костной ткани вследствие действия ФНО, ИЛ‑1β и паратгормонродственного пептида [27].

Важным источником RANKL в кости выступают также Tклетки [29]. Их активация in vitro и in vivo сопровождается усилением остеокластогенеза и резорбции кости. Это позволяет предположить, что воспалительные состояния и некоторые лейкемии стимулируют патологическую потерю костной массы [66].

Гуморальные факторы, снижающие резорбцию кости и увеличивающие ее плотность, например эстрогены, обладают противоположным действием на систему остеобласт/остеокласт: экспрессия OPG усиливается, а экспрессия RANKL снижается, что ведет к сниженной активации RANK и меньшему количеству активных остеокластов в кости соответственно. Были также отмечены экспрессия OPG и аномальное возрастание плотности кости под действием тромбопоэтина [67] (рис. 4).

Рис. 4. Гормональная регуляция резорбции кости
Схематическое представление механизма действия прорезорбтивных и кальцитропных факторов (a), анаболических и антиостеокластических факторов (b). RANKL экспрессируется в остеобластах, активированных Т-клетках, синовиальных фибробластах, стромальных клетках костного мозга и далее связывается со специфическим мембранным рецептором RANK, запуская каскад ФАЦФ-опосредованных киназных реакций, стимулирующих дифференциацию, активацию и выживание остеокластов. Напротив, экспрессия OPG вызывается факторами, блокирующими катаболизм кости и обеспечивающими анаболические реакции. OPG связывает и нейтрализует RANKL, что ведет к блокаде остеокластогенеза и снижению выживаемости уже существующих остеокластов.

От исследований к клинике

Существующие методы лечения остеопороза в основном замедляют снижение минеральной плотности кости, уменьшая риск переломов. Рекомендуемые препараты должны быть направлены на остеокластопосредованную резорбцию кости и включают эстрогены, бифосфонаты и селективные модуляторы эстрогеновых рецепторов. Другими потенциальными мишенями противоостеопоротических препаратов являются остеокластспецифическая протеаза CATK, интегрин αvβ3, и c-Src-тирозинкиназа [7, 9].

Ключевая роль сигнального пути RANKL/RANK/OPG в регуляции костного метаболизма подтверждается открытием, что генетические мутации, сопровождающиеся активацией RANK или угнетением RANKL-связывающих свойств OPG, ассоциируются с семейной гиперфосфатазией и аномалиями костей [6872]. Некоторые мутации гена, кодирующего OPG, ассоциируются с идиопатической гиперфосфатазией (т. н. ювенильная болезнь Педжета) – аутосомным рецессивным заболеванием, характеризующимся деформациями длинных костей и кифозом [6971].

Данные, что мутации генов, кодирующих RANK и OPG, ведут к тяжелым заболеваниям костей у человека, свидетельствуют о том, что угнетение сигнальной системы RANKL может выступать действенной терапевтической стратегией при болезнях, сопровождающихся чрезмерной резорбцией кости. Считается, что блокада RANKL способна предупредить потерю костной массы вследствие менопаузы, рака, воспаления и др. Полностью человеческие моноклональные антитела, направленные против RANKL, являются возможным решением проблемы остеопороза (Bekker P. J. et al., неопубликованная информация). Привлекательным аспектом применения антител является избежание перекрестных реакций нейтрализации OPG и RANKактивирующих эндогенных антител. Клинические преимущества блокады RANKL требуют дальнейших исследований.

Список литературы находится в редакции.

Boyle W. J., Simonet W. S., Lacey W. S. Osteoclast differentiation and activation. Nature. Vol. 423. 15 May 2003. P. 337342.

Перевела с англ. Лариса Стрильчук

Медична газета «Здоров’я України 21 сторіччя» № 22 (419), листопад 2017 р.

СТАТТІ ЗА ТЕМОЮ Терапія та сімейна медицина

15.08.2021 Терапія та сімейна медицина Вакцинація проти COVID‑19: клініка та наука

30 березня відбулася міжнародна відеоконференція, організована Берлінським медичним товариством (BMG) за підтримки фармацевтичної компанії «Байєр». Під час заходу спікери з Німеччини й інших країн обговорювали підходи до вакцинації проти нової коронавірусної хвороби (COVID‑19), ділилися досягненнями вакцинальних кампаній у своїх країнах і відповідали на запитання аудиторії, яку представляли науковці та клініцисти з усіх регіонів світу….

15.08.2021 Пульмонологія та оториноларингологія Терапія та сімейна медицина Наслідки застосування продуктів для нагрівання тютюну в курців з ХОЗЛ: результати трирічного спостереження

З огляду на те, що багато пацієнтів із хронічним обструктивним захворюванням легень (ХОЗЛ) продовжують курити важливо розуміти довгостроковий вплив заміни сигарет на системи нагрівання тютюну (СНТ) на здоров’я таких пацієнтів. Протягом 3 років ми здійснювали моніторинг показників стану здоров’я в хворих на ХОЗЛ, які істотно зменшили чи припинили споживання сигарет після переходу на користування СНТ. З періодичністю 12, 24 та 36 міс ми проводили аналіз зміни кількості щоденного куріння сигарет, щорічної частоти загострень ХОЗЛ, показників функції легень, кількості балів згідно з опитувальником CAT, а також подолану відстань у тесті на 6-хвилинну ходьбу (вимірювали від вихідного рівня в пацієнтів з ХОЗЛ, які почали користуватися СНТ). Отримані показники порівняли із групою пацієнтів з ХОЗЛ, які продовжували курити звичайні сигарети. Результати виявилися досить обнадійливими….

15.08.2021 Терапія та сімейна медицина Вітамін D і магній у веденні остеопорозу: сильні разом

Остеопороз (ОП) – найпоширеніше метаболічне захворювання кісток, яке характеризується зменшенням маси й порушенням структури кісткової тканини, що призводить до зниження її міцності та зростання ризику переломів. На клітинному рівні ОП виникає, коли резорбція кістки остеокластами не компенсується її утворенням остеобластами. Одним із найважливіших факторів розвитку й прогресування ОП є дефіцит вітаміну D, присутній у понад 80% дорослих українців. Ефективним і безпечним способом підтримання адекватних рівнів вітаміну D і попередження проявів ОП є застосування комбінованих засобів, які містять вітамін D3 і магній….

15.08.2021 Педіатрія Терапія та сімейна медицина Сучасні можливості ведення пелюшкового дерматиту в дітей

Пелюшковий дерматит – одне з найчастіших дерматологічних захворювань у період новонародженості та раннього дитинства, розповсюдженість якого, за даними різних авторів, становить від 35 до 50%, а в деяких країнах сягає 75-87%. На його частку припадає близько 25% звернень до лікарів первинної ланки у зв’язку з дерматологічними скаргами в перший рік життя [4, 8]. Найчастіше на пелюшковий дерматит страждають діти віком від 1 міс до 2 років. Пік захворюваності припадає на період 6-12 міс [7, 16]….

Костные поражения, костные метастазы

Что вызывает костные боли?
Как диагностируют костные метастазы?
Как лечат костные боли?

Костные боли у онкологических больных обычно вызывают клетки злокачественной опухоли, которые проникли в кость – их называют костными метастазами. Костные боли часто являются первым признаком метастазов в кости, поэтому проводят проверки, подтверждающие этот диагноз. Лечение костных повреждений направлено на уменьшение болей, снижение риска переломов, лечение переломов и предупреждение или замедление развития дополнительных костных осложнений.

Что вызывает костные боли?

Часто встречаемая причина костных болей – метастатический рак. Распространение рака из его первоначального расположения в другую часть тела называют метастазами. Костные метастазы – это не новый или другой рак – он состоит из раковых клеток первичного рака, например, клетки рака груди, простаты, лёгких, почек или щитовидной железы, которые распространились в кости.

Раковые клетки могут распространяться, т.е. метастазировать по всему организму и в лимфатическую систему. Кости являются одним из наиболе часто встречаемых мест в организме, в которые метастазирует рак. Метастазы в кости обычно попадают с кровотоком. Раковые клетки отделяются от своего начального местарасположения и перемещаются по кровеносным сосудам, пока не прикрепятся к стенке сосуда малой капиллярной сети в костных тканях. Рак может также проникнуть в кость путём прямого врастания из близко расположенной опухоли, хотя это происходит гораздо реже, чем распространение через кровеносную сеть.

Боли в случае костного рака возникают вследствие того, что рак нарушает нормальное равновесие работы клеток в костях, вызывая изменение структуры костной ткани. В здоровой кости происходит постоянный процесс ремоделирования, т.е. происходит разрушение и восстановление костной ткани. Раковые клетки, распространившиеся в кость, нарушают это равновесие между работой остеокластов (клеток, которые разрушают кость) и остеобластов (клеток, которые образуют новую кость), вызывая либо ослабление, либо усиление образования кости. Эти нарушения могут затрагивать либо периост (плотная мембрана, покрывающая кость, называемая также костной плёнкой), либо стимулировать нервы в кости, вызывая боли.

Как диагностируют костные метастазы?

Как лечат костные боли?

Целью лечения болей, вызванных костными метастазами, является уменьшение болей, лечение переломов, уменьшение риска переломов, или замедление возникновения других осложнений. Методы лечения костных метастазов включают обезболивающие лекарства, бисфосфонаты, лучевую терапию и/или хирургическое лечение.

Обезболивающие медикаменты

Костные боли, вызванные костными метастазами, можно лечить различными лекарствами. Несмотря на то, что у 90% онкологических пациентов боли удаётся уменьшить, неконтролируемые, с опухолью связанные боли по-прежнему являются проблемой.

Рекомендации Всемирной Организации Здоровья (ВОЗ) по уменьшению болей, вызванных опухолью, указывают, что интенсивность болей у пациента, которая оценивается по шкале от 1 до 10 пунктов, определяет, какой вид обезболивающего препарата выбрать:

Лёгкие или средней тяжести боли (1-3 пункта): неопиоиды являются препаратами первого выбора в случае лёгких или средней тяжести болей. К этой группе лекарств принадлежит, например, парацетамол и нестероидные противовоспалительные средства (НПС), например, ибупрофен.
Средней тяжести или сильные боли (4-6 пунктов): пациентам с болями средней тяжести или сильными, которым не помогло лечение первого уровня, нужно принимать обезболивающие средства, принадлежащие к классу опиоидов, т.е., наркотические аналгетические средства. Медикаменты этого класса можно приобрести только по рецепту врача. Можно добавлять ацетаминофен или НПС.
Сильные боли (7-10 пунктов): пациентам с сильными болями, а также пациентам, которым предыдущее лечение боль не уменьшило, нужно назначать более сильное опиоидное средство (для его приобретения необходим рецепт особой учётности). В некоторых случаях может быть необходимо добавить медикаменты неопиоидного класса, например, аспирин, парацетамол, ибупрофен и другие средства, усиливающие обезболивание.

У обезболивающих лекарств могут быть побочные эффекты — сонливость, запоры, головокружение, тошнота и рвота. Облегчение от применения обезболивающих лекарств является кратковременным, и боли через короткое время могут возобновляться, поэтому их лучше всего принимать, когда боли только начинаются, или регулярно.

Бисфосфонаты

Группа медикаментов – бисфосфонаты – может эффективно уменьшать потерю костной ткани, которая возникает от метастатических поражений, уменьшать риск переломов и уменьшать боль. Бифосфонаты действуют, подавляя резорбцию или разрушение кости. На костную ткань непрерывно воздействуют два типа клеток: остеокласты, разрушающие старые клетки кости и остеобласты, которые её восстанавливают. В свою очередь, раковые клетки выделяют различные факторы, которые стимулируют активность остеокластов. Хотя точный механизм действия бифосфонатов до конца не ясен, считают, что они подавляют и уничтожают разрушающие клетки остеокласты, таким образом уменьшая распад костной ткани. Данные более 30 клинических исследований свидетельствуют, что у пациентов с костными метастазами, которые получали лечение бифосфонатами, меньше вероятность переломов, меньше потребность в лучевой терапии, меньше вероятность гиперкальцемии (повышенный уровень кальция в крови). В клинических исследованиях доказано, что бисфосфонаты предотвращают или замедляют изменение в кости и связанные с этим боли у пациентов. Чаще всего костные метастазы встречаются при:

Рак груди
Рак простаты
Рак лёгких
Миелома
Карцинома почки

Лучевая терапия

Лучевая терапия эффективно уменьшает костные боли и распространение рака в кости Лучевая терапия особенно эффективна, когда метастатические поражения локализованы только в какой-то одной области.

Один из видов лучевой терапии называется радио –медикаментозной терапией. Она включает инъекцию радиоактивного вещества, например стронция – 89, в вену. Это вещество прикрепляется к тем областям кости, где есть рак. Таким образом, направляя облучение непосредственно на поражённые участки кости, происходит уничтожение активных раковых клеток в кости и уменьшаются симптомы (боли). Возможными побочными эффектами радио-медикаментозной терапии являются уменьшение количества клеток крови (увеличенный риск кровотечения) и, в редких случаях, риск лейкоза.

Хирургическое лечение

Хирургическая операция необходима для стабилизации ослабленной кости, если существует риск перелома. Поражённуюметастазами кость можно укрепить металлическим стержнем, пластинами или шурупами.

Drug Treatment and In Vivo Imaging of Osteoblast-Osteoclast Interactions in a Medaka Fish Osteoporosis Model

Позвоночный каркас обеспечивает структурную поддержку и защиту органов, обеспечивающие мобильность, и служит в качестве источника кальция. На протяжении всей жизни, внеклеточный матрикс кости непрерывно перевернулась, чтобы поддерживать стабильность костной ткани и жесткость. Этот процесс требует сильно скоординированную деятельность и взаимодействие формирования костной остеобластов и костной резорбции остеокластов. Остеобласты получены из мезенхимальных стволовых клеток — предшественников и производят коллаген , чтобы сформировать остеоид белковый часть костной матрицы ^10. Остеобласты взаимодействуют с остеокластов для обеспечения сбалансированного активность обоих типов клеток, который необходим для контроля гомеостаза кости ^7. Из — за этих запутанных регуляторных взаимодействий, реакция на медикаментозное лечение и поддержании гомеостаза кости не может быть полностью изучены с помощью в пробирке исследования. Следовательно, существует большой спрос на животных моделях. По сравнению с установками для культивирования клеток, в естественных условиях модели могут обеспечитьценную информацию в многоклеточных сети в пределах окружающей среды кости.

Существует множество мышиные модели для различных заболеваний костей человека , включая остеопороз ^16. Тем не менее, размер и доступность эмбрионов мыши представляют собой существенные ограничения для живого изображения скелетных процессов. Малый костистых рыб, с другой стороны, служит в качестве привлекательной альтернативы для визуализации в естественных условиях. Рерио (Danio rerio) и оризии (Oryzias latipes) стали популярными моделями на животных для исследования скелета в течение последних двух десятилетий ^{17, 19, 22, 24.} Кости в костистых рыб и у млекопитающих очень похожи, как по структурным и на физиологическом уровне, и многие из ключевых регуляторных генов и сигнальных путей сохраняется ^3. Как и у млекопитающих, костистых рыб тщательно регулируют активность остеобластов и остеокластов , чтобы сбалансировать образование костной ткани и резорбции ^26. Самое главное, что оптическая прозрачность фиш Личинки позволяет использовать флуоресцентные репортеры маркировать костные клетки и кальцинированный скелетную матрицу ^{8, 9, 12, 21, 23,} что облегчает наблюдение клеточных процессов в живом организме животного. Кроме того, ряд генетических инструментов сгенерирована для облегчения биомедицины соответствующих исследований в рыбе. Для оризии , в частности, методов направленной мутации генов с помощью CrispR / cas9 ^2, клеточной линии прослеживания ⁶ и сайт-специфической трансгенез ¹⁴ были недавно созданы и в настоящее время широко используется ^15.

Малые личинки костистых были успешно использованы для химических экранов, которые привели к открытию нескольких фармакологически соответствующих препаратов ^{1, 18.}

Личинки рыб терпимы к низкой концентрации ДМСО и способны поглощать соединений из их водной среды, либо через кожу или через желудочно — кишечный тракт ^{1, 5.} Наша лаборатория ранее представительorted трансгенные линии оризии, которые выражают флуоресцентных репортерам в костных клеток под контролем различных osteoblast- и остеокластов конкретных промоутеров. К ним относятся преждевременные остеобласты (коллаген 10À1, col10a1; Osterix, OSX) ^{20, 21,} зрелые остеобласты (остеокальцина, OSC) ²⁷ и остеокластов (катепсина K, ctsk) ^24. Мы также генерироваться трансгенной линии, выражающую остеокластов индуцирующие рецептор фактора активатором ядерного фактора кВ лиганд (RANKL) под контролем теплового шока-индуцируемого промотора ^24.

Индукция RANKL в этой системе приводит к внематочной образованию активных остеокластов. Это приводит к увеличению костной резорбции и тяжелой остеопорозом, как фенотипа, с резко сниженной минерализацией в телах позвонков. Недавно мы показали, что активность остеокластов в этой модели может быть блокирован этидронатом и алендроната бисфосфонаты, ТВтO препараты , обычно используемые в терапии остеопороза человека, что подтверждает Оризии в качестве подходящей модельной системы для лечения остеопороза ^27.

Из — за их большого размера выводка, быстрое развитие, и небольшого размера эмбрионов, трансгенная личинки оризия уникально подходят для крупномасштабного скрининга остеопороза препаратов и для анализа в естественных условиях поведения костных клеток. Исследования, проведенные в оризии, таким образом, могут эффективно дополнять эксперименты на клеточных культурах и у мышей, которые направлены на выявление новых терапевтических целей и новых методов лечения для костных заболеваний человека.

В настоящем исследовании мы опишем протокол для лечения Оризии личинок костного репортера с общим остеопорозом препарата, алендроната. Мы также подробно описывают, как личинки очищенная смонтированы и подготовлены для живого изображения костной матрицы и костных клеток. Эти протоколы могут быть легко адаптированы к другим небольших химических соединений, которые либо работают в качестве костного анаболического или антирезорбтивными препаратами. </ Р>

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

РОЛЬ ПАРАТИРОИДНОГО ГОРМОНА

Роль паратироидного гормона (PTH) в формировании и резорбции (рассасывании) костей

Простагландин E2 (PGE2) активирует остеогенный отклика на механическую нагрузку кости. Один и тот же остеогенный ответ инициируется импульсной секрецией PTH (Jilka, 2007) в ответ на физическую нагрузку. И механические нагрузки, и прерывистый выброс PTH увеличивают число остеобластов в губчатой кости и подавляют их апоптоз, тем самым ускоряя формирование и минерализацию костной ткани. Действие PTH может быть опосредовано как через малый гуаназинтрифосфат связывающий белок (Gs), так и через Gq сигналинг, но только активация ц-АМФ Gs создает остеогенный эффект. Этот эффект является результатом временного повышения в экспрессии связанных с коротким (?) транскрипционным фактором TF-2 (Runx2) и временного подавления циклина Dl, протеина, который контролирует клеточный цикл, но также направляет Runx2 на протеосомальную деградацию (рис. 8.4).

Рисунок 8.4 Стимуляция формирования костей под воздействием пульсирующей секреции паратгормона (PTH) и резорбции кости при неизменной концентрации PTH. Пульсирующего секреция PTH (внизу слева) активирует сигнализацию цАМФ PKA и увеличивает концентрацию транскрипционного фактора Runx2 (слева вверху). Это активирует экспрессию антиапоптотических генов в остеобластах, включая Bcl-2, в течении примерно 6 часов (слева вверху). Отсутствие последующих изменений в концентрации PTH (внизу справа) приводит к протеосомальной деградации Runx2 и экспрессии проапоптотических генов, в том числе Bad.

Reprinted, by permission, from R.L. Jilka, 2007, «Molecular and cellular mechanisms of the anabolic effect of intermittent PTH,» Bone 40:1434-1446.

Короткоцепочечный транскрипционный фактор 2 (Runx2) активирует импульсный сигналинг выживания клетки через экспрессию таких генов выживания, как, например, белок клеточной лимфомы (Бел-2) (см. рис. 2.16). Уменьшая экспрессию циклина D и повышая экспрессию ингибиторов циклинзависмой киназы (CDK), импульсный выброс PTH облегчает остеогенные дифференцировки остеобластов, при содействии местных факторов роста и цитокинов, в том числе IGF-I, фактора роста фибробластов 2 (FGF-2) и сигналинга пути Wnt. Одновременно, это действие PTH уменьшает адипогенную дифференцировку мезенхимных предшественников остеобластов в костном мозге путем ослабления адипогенного действия гена ядерных рецепторов активируемых пролифераторами пероксисом (PPARy). При постепенном росте PTH или при прекращении его циркуляции в крови, Runx2 возвращается к исходному нижепороговому уровню, необходимому для сигналинга гена выживания с последующим протеосомальной деградацией. Этот антиапоптотический эффект пульсации PTH длится лишь около 6 ч. вследствие протеосомальной деградации Runx2 через убиквитин протеин лигазу Smurfl. Снижение Runx2 открывает возможность экспрессии апоптических генов таких как ассоциированный с клеточными лимфомами протеин Х (bax) и Бад и, следовательно, для апоптоза остеобластов.

Медицинская академия имени С.И. Георгиевского ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского». Костная ткань.

Костная ткань.

К.Т. состоит из: 1. КЛЕТОК и 2. КАЛЬЦИФИЦИРОВАННОГО МЕЖКЛЕТОЧНОГО вещества.

Межклеточное вещество = МКВ.

МКВ состоит из кальцифицированных коллагеновых волокон (т.е. волокон, пропитанных кристалами гидроксиапатитов =(ГА) Са10 (РО4)6(ОН)2. Кристаллы составляют 70% и придают костной ткани ПРОЧНОСТЬ.
КЛЕТКИ в К.Т.:1) преостеобласты (полустволовые остеогенные клетки), 2) остеоБласты, 3) остеоциты. ВСЕ они развиваются из СКЛЕРОТОМА СОМИТА. 4) остеоКласты ( развив. из МОНОЦИТОВ крови).
ОстеоБласты – это клетки, к-рые формируют КАЛЬЦИФИЦИРОВАННОЕ МКВ.Для этого они: 1) секретируют белок коллаген, из к-рого формируются коллагеновые волокна. Волокна составляют органическую матрицу в К.Т., или ОССЕОИД., 2) Затем проводят кальцификацию коллагеновых волокон, т.е. пропитывают их кристаллами ГА-тов. ОСТЕОЦИТ имеет ОТРОСЧАТУЮ форму. Сост.из:а)тела, б)ОТРОСТКОВ.Тело лежит в ЛАКУНЕ.Отростки лежат в КАНАЛЬЦАХ. Лакуна и каналец –это полости в МКВ-ве. Полустволовые остеогенные клетки находятся во внутреннем слое НАДКОСТНИЦЫ. Функц.:а)обеспечивают аппозиционный рост кости( рост в толщину),б)при переломе обесп. РЕГЕНЕРАЦИЮ диафиза. ОстеоКласты. Имеют 4-10 ядер, впячивания плазмолеммы=ГОФРИРОВАННАЯ КАЕМКА, много ЛИЗОСОМ. Функц.:проводят РЕЗОРБЦИЮ межклет. вещ-ва. Для этого секретируют литические ферменты и ионы Н+ через гофрированную каемку. Резорбция-это частичное разрушение МКВ-ва. Оно сопровождается ДЕКАЛЬЦИФИКАЦИЕЙ и ионы Са++ уходят в кровь.

2 ВИДА костной ткани:

1. Грубоволокнистая К.Т. Из этой ткани:а) состоит костная мозоль в зоне перелома, б)состоит скелет плода 2. Пластинчатая К.Т. Она состоит из КОСТНЫХ ПЛАСТИНОК. Одна ПЛАСТИНКА состоит из клеток и ориентированных параллельно кальцифицированных коллагеновых волокон.Эта ткань находится в компактном веществе. Это вещ-во нах. в ДИАФИЗЕ трубчатых костей.

Слои ДИАФИЗА на поперечном разреза снаружи внутрь:

1) НАДКОСТНИЦА. 2) КОМПАКТНОЕ вещество. 3) ЭНДОСТ.
1) Надкостница имеет 2 слоя:а) наружный, или волокнистый и б) внутренний, или остеогенный.В обоих слоях проходят сосуды. Во внутреннем лежат преостеобласты(полустволовые остеогенные кл). Функц. надкостницы: 1) трофическая,2) аппозиционный рост кости, 3) регенерация в зоне перелома.
2) КОМПАКТНОЕ вещ-во состоит из ПЛАСТИНЧАТОЙ костной ткани, которая формирует ОСТЕОНЫ. Остеон – это структурно-функциональная единица компактного вещ-ва. Остеон (или ГАВЕРСОВА система) состоит из костных пластинок, расположенных концентрически (по кругу) вокруг канала остеона. КАНАЛ остеона (или гаверсов канал) содержит кровеносный СОСУД и остеогенные клетки.
3) Эндост- тонкий слой соединительной ткани.
От рождения и до 18 лет между диафизом и эпифизом находится ГИАЛИНОВАЯ ХРЯЩЕВАЯ ткань. Она называется МЕТАЭПИФИЗАРНАЯ ПЛАСТИНКА. Функц.:обеспечивает РОСТ трубчатой кости В ДЛИНУ.
Развитие трубчатых костей у зародыша назыв. непрямой остеогистогенез. Из СКЛЕРОТОМА СОМИТА выселяется мезенхима и формирует ХРЯЩЕВУЮ МОДЕЛЬ будущей кости (это гиалиновый хрящ). Затем в нее внедряются остеокласты и остеобласты. Остеокласты разрушают модель с помощью литических ферментов, а остеобласты формируют кальцифицированное МКВ. В результате хрящевая модель к рождению замещается костной тканью. И только МЕТАЭПИФИЗАРНАЯ пластинка (гиалиновый хрящ) замещается костной тканью (т.е. КАЛЬЦИФИЦИРУЕТСЯ) после рождения между 18-20 годами.

Составитель – доцент В.В. Бондаренко.

Метаболизм костной ткани и остеопороз | #10/15

Остеопороз (ОП) — прогрессирующее системное заболевание скелета, характеризующееся снижением костной массы и нарушением микроархитектоники (качества) костной ткани, что приводит к хрупкости костей и повышению риска переломов. ОП — самое распространенное заболевание костной ткани: остеопоротические переломы отмечается у половины всех женщин, находящихся в периоде постменопаузы, а также у мужчин старших возрастных групп [1]. Очевидно, что рано начатые активные профилактические мероприятия у значительной части населения могут существенно повлиять на распространенность, прогрессирование и исходы заболевания, а также снизить риск переломов. В связи с этим изучение различных лекарственных препаратов и методов, применяемых для профилактики ОП, приобретает особый смысл.

Кость — специализированная разновидность соединительной ткани, состоящая из клеток и межклеточного вещества. В течение всей жизни основные функции костной ткани, такие как жесткость и гибкость, снижаются, поскольку с возрастом наблюдаются повреждение матрикса и потеря минералов. В противовес указанным проявлениям, в кости осуществляется ремоделирование — процесс, направленный на самостоятельное обновление и сохранение скелета как структурного и функционального органа.

Основными клетками костной ткани, функциями которой регулируется гомеостаз кости, являются остеобласты, остеокласты и остеоциты. Основной функцией остеобластов является создание органического межклеточного матрикса кости, остеоида. Остеобласты синтезируют и выделяют в окружающую среду фибриллы коллагена, протеогликаны и гликозаминогликаны. Наряду с этим остеобласты активно синтезируют и выделяют во внеклеточное пространство значительное количество глицерофосфолипидов, способствующих связыванию Ca²⁺ и участвующих в процессах минерализации. Клетки сообщаются между собой через десмосомы, которые позволяют проходить Ca²⁺ и цАМФ. Они также обеспечивают непрерывный рост кристаллов гидроксиапатитов и выступают в качестве посредников при связывании минеральных кристаллов с белковой матрицей.

В ходе формирования кости некоторые остеобласты оказываются замурованными в толщу матрикса и становятся остеоцитами. Остеоциты контактируют друг с другом через отростки, являются основными компонентами в сформировавшейся костной ткани. Основная функция остеоцитов — поддержание нормального состояния костного матрикса и баланса кальция и фосфора в организме.

Остеокласты — клетки, выполняющие функцию разрушения кости; развиваются из стволовой кроветворной клетки и являются специализированными макрофагами. В процессе ремоделирования кости резорбтивный стимул запускает процесс привлечения остеокластов к участку кости. Прикрепившись к кости, остеокласты продуцируют множество протеолитических ферментов и формируют полость в кальцинированном матриксе. Таким образом, они осуществляют непрерывный процесс резорбции и обновления костной ткани, обеспечивая необходимый рост и развитие скелета, структуру, прочность и упругость.

Важнейшим компонентом костной ткани является межклеточное вещество — уникальный комплекс органических и неорганических компонентов, заполняющих пространство между клетками. Минерализованный матрикс костной ткани поддерживает структуру скелета и под координирующим влиянием остеобластов и остеокластов обеспечивает резервуар как ионов, так и факторов роста, которые высвобождаются в процессе метаболизма.

Органический межклеточный матрикс костной ткани представлен семейством коллагеновых белков. Состав кости необычен тем, что фактически в ней представлен только коллаген I типа (90%), хотя наряду с коллагеном I типа в кости все же присутствуют следы других типов коллагена, таких как V, XI, XII. Скорее всего, что эти типы коллагена принадлежат другим тканям, которые и находятся в костной ткани, но не входят в состав костного матрикса. Например, коллаген V типа обычно обнаруживается в сосудах, которые пронизывают кость. Коллаген XI типа находится в хрящевой ткани и может соответствовать остаткам кальцифицированного хряща. Коллагеновые фибриллы в кости строго ориентированы в соответствии с распределенной функциональной нагрузкой на кость, что обеспечивает упругость и эластичность кости. Веретенообразные и пластинчатые кристаллы гидроксиапатита находятся на коллагеновых волокнах, в их пределах и в окружающем пространстве. Как правило, они ориентированы в том же направлении, что и коллагеновые волокна.

Неколлагеновая часть матрикса (10%) представлена основным веществом (витамин К-зависимыми глютамилпротеинами (остеокальцином), матричными протеинами, остеопонтином, остеонектином, фибронектином, фосфопротеидами, сиалопротеидами, а также протеогликанами).

Минеральные вещества, которыми пропитан органический матрикс, представлены главным образом кристаллами гидроксиапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Кроме того, в кости обнаружены ионы Mg²⁺, Na⁺, K⁺, SO₄^2-, HCO^3-, гидроксильные и другие ионы, которые могут принимать участие в образовании кристаллов.

Важно подчеркнуть, что ОП является результатом уменьшения органического матрикса кости, а вовсе не плохой кальцификацией костной ткани. При ОП существенно снижается скорость образования остеоида, необходимого для формирования кости. Поэтому при планировании профилактических мероприятий чрезвычайно важно учитывать потенциальную возможность препаратов, наряду с адекватной минерализацией, оказывать влияние на синтез органического матрикса.

Разумеется, качественная структура и прочность кости, ее эффективное функционирование и своевременное самообновление возможны лишь при адекватной обеспеченности макро- и микроэлементами, которые, подобно кальцию и витамину D, принимают непосредственное участие в биохимических процессах костной ткани [2–5]. Магний, медь, цинк, марганец, бор, являясь кофакторами ферментов, регулируют синтез костного матрикса, его минерализацию, а также равномерный рост, гибкость и прочность костной ткани. Известно, что дефицит этих веществ замедляет формирование костной массы в детстве и подростковом возрасте, способствует ее ускоренной потере в пожилом возрасте. Соответственно, дефицит любого из известных минеральных веществ в организме препятствует успешной терапии и профилактике нарушений структуры кости [6, 7].

Одним из основных минералов, играющих важную роль в формировании и поддержании структуры костной ткани, является кальций. Поскольку кальций не производится в организме, то для поддержания оптимальной концентрации он должен регулярно поступать извне. Причем желательно, чтобы его поступление в организм обеспечивалось за счет натуральных молочных продуктов, молока и его производных (кефира, простокваши, ряженки, йогурта, творога, сыра). Вместе с тем биодоступность кальция из пищи составляет порядка 30%, причем с высокой индивидуальной вариабельностью. Более того, у лиц пожилого возраста нередко имеет место непереносимость молочных продуктов, связанная со снижением концентрации лактазы в желудочном соке, что приводит к низкому потреблению кальция.

Согласно эпидемиологическим исследованиям, среди женщин в возрасте старше 45 лет, проживающих в мегаполисах, непереносимость молока встречается с частотой 25,0–34,0%. При этом достаточное потребление кальция с продуктами питания имеет место менее чем у 5% женщин [8]. Фактически содержание кальция в пищевом рационе постменопаузальных женщин не соответствует рекомендованным нормам. Очевидно, что обеспечение должного уровня потребления кальция возможно лишь при условии дополнительного регулярного назначения медикаментозных препаратов.

Витамин D — основной регулятор активной абсорбции кальция в организме. Витамин D относят к группе жирорастворимых витаминов. Хотя в отличие от всех других витаминов он биологически не активен. В активную, гормональную, форму он превращается за счет двухступенчатой метаболизации в организме и оказывает многообразные биологические эффекты за счет взаимодействия со специфическими рецепторами, локализованными в ядрах клеток тканей и органов. Другое дело — активный метаболит витамина D. Он действует как истинный гормон, хотя в научной литературе его традиционно называют витамином D [9, 10].

Природная форма витамина D — витамин D₂ (эргокальциферол) поступает в организм человека в относительно небольших количествах — не более 20–30% от потребности. В основном из злаковых растений, рыбьего жира, сливочного масла, маргарина, молока, яичного желтка и др. В организме витамин D₂ метаболизируется с образованием производных, обладающих сходным с метаболитами витамина D₃ действием.

Еще одна природная форма витамина D — витамин D₃, или холекальциферол, является ближайшим аналогом витамина D₂, но его синтез мало зависит от поступления извне. Холекальциферол образуется в организме позвоночных животных, в том числе амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих, в связи с чем играет значительно бóльшую роль в процессах жизнедеятельности человека, чем поступающий в небольших количествах с пищей витамин D₂. В организме витамин D₃ образуется из находящегося в дермальном слое кожи предшественника (7-дегидрохолестерина) под влиянием коротковолнового ультрафиолетового облучения спектра В (УФ–В/солнечного света, длина волны 290–315 нм) при температуре тела в результате фотохимической реакции раскрытия В-кольца стероидного ядра и термоизомеризации, характерной для секостероидов [9, 10].

В последующем поступивший с пищей и/или образовавшийся в организме в процессе эндогенного синтеза витамин D подвергается реакции 25-гидроксилирования в печени. Важно, что гидроксилирование витамина D₃ в печени представляет собой полностью субстратзависимый процесс, который протекает весьма быстро и ведет к повышению уровня 25(ОН)D в сыворотке крови. Уровень этого вещества отражает как образование витамина D в коже, так и его поступление с пищей, в связи с чем может использоваться как маркер статуса витамина D [9, 10].

Вторая реакция гидроксилирования 25(ОН)D, с образованием наиболее важной, качественно и количественно значимой активной гормональной формы — 1a,25-дигидроксивитамина D₃ (1α,25(ОН)₂D₃), называемой также D-гормоном, кальцитриолом, протекает уже в основном в почках, в клетках проксимальных отделов канальцев коры почек при участии фермента 1α-гидроксилазы (CYP27В1). Этот процесс строго регулируется рядом эндогенных и экзогенных факторов. Во-первых, регуляция синтеза 1a,25(ОН)₂D₃ в почках является непосредственной функцией паратиреоидного гормона (ПТГ), на концентрацию которого в крови, в свою очередь, по механизму обратной связи оказывают влияние как уровень самого активного метаболита витамина D₃, так и концентрация кальция и фосфора в плазме крови. Во-вторых, активация синтеза 1a-гидроксилазы и реакции 1a-гидроксилирования зависит от половых гормонов (эстрогенов и андрогенов), кальцитонина, пролактина, гормона роста (через ИПФР-1) и др. В-третьих, ингибирующее влияние на активность 1a-гидроксилазы оказывают глюкокортикостероидные гормоны, 1α,25(ОН)₂D₃ и ряд его синтетических аналогов. Фактор роста из фибробластов (FGF23), секретируемый в клетках кости, вызывает образование натрий-фосфат-котранспортера, который действует в клетках почек и тонкого кишечника, оказывает тормозящее влияние на синтез 1,25-дигидроксивитамина D₃. На метаболизм витамина D оказывают влияние и некоторые лекарственные средства, например, противоэпилептические препараты.

Основными реакциями, в которых участвует D-гормон, являются абсорбция кальция в желудочно-кишечном тракте и его реабсорбция в почках. D-гормон усиливает кишечную абсорбцию кальция в тонком кишечнике за счет взаимодействия со специфическими РВD. Об эффективности данного механизма свидетельствует тот факт, что без участия витамина D лишь 10–15% пищевого кальция и 60% фосфора абсорбируются в кишечнике. Взаимодействие между 1a,25-дигидроксивитамином D₃ и РВD повышает эффективность кишечной абсорбции Са²⁺ до 30–40%, т. е. в 2–4 раза, а фосфора — до 80%. Сходные механизмы действия D-гормона лежат в основе осуществляемой под его влиянием реабсорбции Са²⁺ в почках.

В костях 1α,25(ОН)₂D₃ связывается с рецепторами на кость-формирующих клетках — остеобластах, вызывая повышение экспрессии ими лиганда рецептора активатора ядерного фактора кВ (RANKL). Рецептор-активатор ядерного фактора кВ (RANK), являющийся рецептором для RANKL, локализованным на преостеокластах, связывает RANKL, что вызывает быстрое созревание преостеокластов и их превращение в зрелые остеокласты. В процессах костного ремоделирования зрелые остеокласты резорбируют кость, что сопровождается выделением кальция и фосфора из минерального компонента (гидроксиапатита) и обеспечивает поддержание уровня кальция и фосфора в крови. В свою очередь, адекватный уровень кальция (Са²⁺) и фосфора необходим для нормальной минерализации скелета [11–13].

Многочисленные исследования показали, что назначение препаратов кальция и/или витамина D способствует уменьшению потери костной ткани [14–19]. У женщин в поздней постменопаузе с низким употреблением пищевого кальция прием кальция предотвращает потерю костной ткани в позвоночнике [20, 21]. В свою очередь, назначение добавок кальция лицам старше 60 лет приводит к снижению потери костной массы в области бедра среди белых мужчин и женщин в возрасте моложе 72 лет [22]. Эффект назначения цитрата кальция на минеральную плотность кости (МПК) у женщин в раннем (до 5 лет) и среднем (от 5 до 10 лет) постменопаузальном периоде в течение двух лет проявлялся в виде прироста МПК в поясничном отделе на 1%, наряду со значимым снижением МПК на 2,4% в группе, получавшей плацебо [23]. Метаанализ 9 рандомизированных клинических исследований с общей выборкой более 50 тыс. человек, в 6 из которых сравнивалось комбинированное лечение витамином D (400 или 700–800 МЕ/сут) и кальцием с группами плацебо или без лечения, продемонстрировал достоверное снижение риска перелома бедра на 18% (RR 0,82 [95% ДИ 0,71–0,94], р = 0,0005) и риска внепозвоночных переломов на 12% (RR 0,88 [95% ДИ 0,78–0,99], р = 0,036) в группах, получавших комбинированную терапию, по сравнению с группами без добавок [24]. В исследованиях, где применялся витамин D в дозе 700–800 МЕ/сут, эффект на риск перелома бедра был выше, чем при приеме 400 МЕ (21% и 18% соответственно). Соответственно, в исследованиях, в которых пациенты получали только витамин D или плацебо (4 РКИ с общей численностью 9083 пациента), не было получено снижения риска внепозвоночных переломов как при применении дозы 400 МЕ (RR 1,14 [95% ДИ 0,87–1,49]), так при использовании 700–800 МЕ (RR 1,04 [95% ДИ 0,75–1,46]), что подтверждает ранее представленные данные о том, что витамин D без добавления кальция не снижает риск переломов [24].

Магний

Известно, что 60–65% магния находится именно в скелете и от обеспеченности костей магнием зависит обмен кальция и витамина D. Являясь структурным компонентом значительного числа ферментов, магний образует кристаллы с фосфатами, принимает участие в росте и стабилизации кристалла гидроксиапатита — структурной единицы минерального компонента костной ткани [25, 26]. Магний регулирует секрецию паратгормона (ПГ), повышает чувствительность клеток-мишеней к ПГ и витамину D, стимулирует действие кальцитонина. Длительное во времени нарушение соотношения Mg/Ca в сторону дефицита магния сопровождается замедлением обменных процессов в кости. Специальные магний-дефицитные диеты, сопровождающиеся уменьшением сывороточной концентрации магния, способствуют системной потере костной массы, снижению толщины надкостницы, характерным изменениям провоспалительных маркеров и маркеров резорбции кости. Уже по истечении достаточно короткого срока (4 недели), магний-дефицитная диета приводит к значимому снижению содержания минеральных веществ кости (р < 0,001). Даже слабо выраженный диетарный дефицит магния (например, 50% от рекомендованного суточного потребления магния) в течение нескольких месяцев приводит к формированию начальных стадий ОП. Более высокое значение отношения Mg/Ca в питании, соответственно, сопровождается замедлением возрастных потерь костной массы у пожилых женщин [27], меньшей частотой ОП [28]. У женщин в постменопаузе дополнительный прием магния в течение 12 месяцев способствует как минимум стабилизации или даже некоторому увеличению МПК, чего не наблюдается у лиц, не компенсирующих диетарный дефицит магния [29]. Обогащение пищевого рациона магнием сопряжено с повышенной МПК не только у женщин, но и у мужчин. Так, при исследовании когорты из 2038 человек после поправок на возраст, калорийность диеты, потребление кальция и витамина D, индекс массы тела, курение, алкоголь, физическую активность, использование тиазидных диуретиков и эстроген-содержащих препаратов, потребление магния с пищей положительно ассоциировалась с более высокой МПК [30]. Несомненным достоинством магния является профилактика депонирования металлов, оказывающих токсическое воздействие на кость (кадмия, свинца).

Медь

Являясь кофактором лизилоксидазы — ключевого фермента, ответственного за образование внутри- и межмолекулярных поперечных связей (сшивок) в волокнах костного коллагена, медь обеспечивает механическую прочность кости. Соответственно, именно дефицит меди и связанное с этим нарушение формирования сшивок коллагена способствует нарушению роста, остеогистогенеза и хрупкости костей [31], а также тяжелой патологии легких и сердечно-сосудистой системы [32]. Дефицит меди способствует нарушению такого механического свойства кости, как устойчивость к скручиванию и угловой деформации [31–33]. Сниженная концентрация меди в сыворотке крови у пожилых женщин коррелирует с низкой МПК [33].

Марганец

К эффектам долгосрочного дефицита марганца в рационе питания относят увеличение резорбции, снижение плотности и массы костей. Марганец активирует многие ферменты, в том числе марганец-зависимые гликозилтрансферазы и костную щелочную фосфатазу, что служит указанием на его участие в оссификации. Восстановление марганца в диете способствует восстановлению нормальной структуры кости и увеличению МПК [34].

Бор

Основными эффектами бора являются экскреция кальция с мочой, повышение уровня витамина D в крови, улучшение ассимиляции кальция костной тканью посредством нормализации гормонального фона [35, 36]. Известно, что бор дозозависимо влияет на процессы дифференцировки стромальных клеток костного мозга, способствует синтезу коллагена и костного матрикса, белков остеогенеза — остеокальцина (р < 0,05) [37–39], остеопонтина, сиалопротеина кости (ген BSP), белка Runx2 и других [40].

Цинк

Цинк — непосредственный участник синтеза органического матрикса. Являясь структурным компонентом значительного числа ферментов (более 400), участвует в дифференцировке остеобластов, контролирует синтез инсулиноподобного фактора роста (ИФР-1), коллагена [41–44]. Соответственно, длительный дефицит Zn приводит к нарушению синтеза ДНК и метаболизма белка, что ведет к нарушению синтеза органического матрикса.

Связь между обеспеченностью остеотропными микроэлементами, характеристикой костной ткани и возможностью коррекции дефицита потребления с помощью лекарственных средств, в состав которых входят соли кальция и микроэлементы, продемонстрирована в многочисленных исследованиях последних лет, выполненных в разных возрастных группах. Одним из наиболее изученных препаратов, рекомендованных для профилактики метаболических нарушений костной ткани, связанных с дефицитом микроэлементов, является Кальцемин Адванс [45–49].

Так, при обследовании подростков недостаточное содержание бора, меди, марганца и цинка в волосах положительно ассоциировалось со снижением МПК. При этом назначение подросткам препарата Кальцемин Адванс по 1 таблетке 2 раза в сут (соответственно 1000 мг кальция, 400 МЕ холекальциферола, 80 мг магния, 15 мг цинка, 2 мг меди, 3,6 мг марганца и 500 мкг бората натрия в сутки) на протяжении 8–12 мес привело к существенной динамике не только концентрации микроэлементов, но и МПК [45].

В исследовании продолжительностью 24 месяца показано повышение МПК в постменопаузе у женщин, принимавших Са в сочетании с цинком, медью и марганцем, в то время как у женщин, принимавших только Са, или только микроэлементы, или только плацебо, показано уменьшение МПК, при этом уменьшения риска переломов выявлено не было [46].

Применение Кальцемина Адванс у постменопаузальных женщин с остеопенией (Т-критерий в Л1–Л4 и/или шейке бедра от –1,5 до –2,5 SD) в дозировке по 1 таблетке 2 раза в сут (соответственно 1000 мг кальция, 400 МЕ холекальциферола, 80 мг магния, 15 мг цинка, 2 мг меди, 3,6 мг марганца и 500 мкг бората натрия в сутки) по сравнению с группой, получившей только рекомендации по питанию, обнаружило отсутствие снижения МПК в течение года, тогда как в контрольной группе она уменьшилась во всех исследуемых зонах [47].

Применение Кальцемина Адванс постменопаузальными женщинами, имеющими два и более факторов риска развития ОП на протяжении 52 недель, сопровождалось сохранением исходной МПК или ее повышением (прирост костной массы составил в среднем 3,55%) [48].

Эффективность препарата Кальцемин Адванс сравнивалась с различными видами лечебно-профилактических вмешательств у женщин с остеопенией в проспективном 3-летнем многоцентровом клиническом исследовании, выполненном в трех российских центрах профилактики ОП из Москвы, Ярославля, Иркутска. В группе пациенток, получавших Кальцемин Адванс (по 1 таблетке 2 раза в сут), по сравнению с группой, получившей только рекомендации по коррекции питания, уже через 12 мес наблюдалось уменьшение болевых ощущений и улучшение ежедневной активности. Наряду с этим МПК в основной группе оставалась стабильной [49].

Таким образом, при выборе средств для профилактики и лечения потерь костной ткани, восстановления ее структуры и качества необходимо использовать препараты, которые наряду с восполнением дефицита потребления остеотропных микроэлементов, участвующих в жизненно важных метаболических процессах организма, способствуют синтезу коллагена, формированию костного матрикса, его минерализации и, соответственно, увеличению плотности и прочности кости.

Литература

Institute for Clinical Systems Improvement (ICSI) Health Care Guideline: Diagnosis and Treatment of Osteoporosis. 3 rd edition, July 2004. www.icsi.org.
De Francisco A. L., Rodriguez M. Magnesium — its role in CKD // Nefrologia. 2013; 33 (3): 389–399 doi.
Swaminathan R. Nutritional factors in osteoporosis // Int J Clin Pract. 1999; 53 (7): 540.
Parlier R., Hioco D., Leblanc R. Metabolism of magnesium and its relation to that of calcium. I. Apropos of a study of magnesium balance in the normal man, in osteopathies and nephropathies // Rev Fr Endocrinol Clin. 1963; 4: 93–135.
Ryder K. M., Shorr R. I., Bush A. J., Kritchevsky S. B., Harris T., Stone K., Cauley J., Tylavsky F. A. Magnesium intake from food and supplements is associated with bone mineral density in healthy older white subjects // J Am Geriatr Soc. 2005, 53: 1875–1880.
Schaafsma A., de Vries P. J, Saris W. H. Delay of natural bone loss by higher intakes of specific minerals and vitamins // Crit Rev Food Sci Nutr. 2001. Vol. 41 (4). Р. 225–249.
Lakhkar N. J., Lee I. H., Kim H. W., Salih V., Wall I. B., Knowles J. C. Bone formation controlled by biologically relevant inorganic ions: role and controlled delivery from phosphate-based glasses // Adv Drug Deliv Rev. 2013. Vol. 65 (4). Р. 405–420.
Торопцова Н. В., Никитинская О. А., Беневоленская Л. И. Профилактика первичного остеопороза с помощью различных препаратов кальция // Научно-практическая ревматология. 2005; 1: 36–39.
Дамбахер М. А., Шахт Е. Остеопороз и активные метаболиты витамина D: мысли, которые приходят в голову. Basel: Eular Publishers, 1996. 139 p.
Шварц Г. Я. Витамин D, D-гормон и альфакальцидол: молекулярно-биологические и фармакологические аспекты // Остеопороз и остеопатии. 1998. № 3. С. 2–7.
Holik M. F. Vitamin D deficiency // New. Engl. J. Med. 2007. Vol. 357. P. 266–281.
Forman J. P., Giovannucci E., Holmes M. D. et al. Plasma 25-hydroxyvitamin D level and risk of incidents hypertension // Hypertension. 2007. Vol. 49. P. 1063–1069.
Vervloet M. G., Twisk J. W. Mortality reduction by vitamin D receptor activation in end–stage renal disease: a commentary on the robustness of current data // Nephrol. Dial. Transplant. 2009. Vol. 24. № 3. P. 703–706.
Shea B., Wells G. et al. Calcium supplementation on bone loss in postmenopausal women (Cochrane review) // Cochrane Library, 2004.
Cumming R. G., Nevitt M. C. Calcium for prevention of osteoporotic fractures in postmenopausal women // J. Bone Mineral. Res. 1997, V. 12: 1321–1329.
Nordin B. E. C. Calcium and Osteoporosis // Nutrition. 1997, V. 13: 664–686.
Baksgaard L., Andersen K. P., Hyldstrup L. Calcium and vitamin D supplementation increases spinal BMD in healthy, postmenopausal women // Osteoporosis Int. 1998, 8, 225–260.
Devine A., Prince R. L., Dhalival S. S. et al. Results of a 5 Yaer Doudle Blinde, Placebo Controlled Trial of Calcium Supplementation (CAIFOS): Bone Density Outcomes // J. Bone Miner. Res. 2004, SA 416.
Gillespie W. J., Avenell A., Henry D. A. et al. Vitamin D and vitamin D analogues for preventing fractures associated with involutional and postmenopausal osteoporosis (Cochrane Review). The Cochrane Library, Issue I, 2004.
Dauson-Hughes B., Dallal G. E., Krall E. A. et al. A controlled trial of the effect of calcium supplementation on bone density in postmenopausal women // N. Engl. J. Med. 1990; 323 (13): 878–883.
Dauson-Hughes B., Harris S. S., Krall E. A. et al. Effect of calcium and vitamin D supplementation on bone density in men and women 65 years of age or older // N. Engl. J. Med. 1997; 337 (10): 670–676.
McCabe L. D., Martin B. R., McCabe G. P. et al. Dairy intakes affect bone density in the elderly // Am. J. Clin. Nutr. 2004; 80 (4): 1066–1074.
Ruml L. A., Sakhaee K., Peterson R. et al. The effect of calcium citrate on bone density in the early and mid–postmenopausal period: a randomized placebo-controlled study // Am J Ther. 1999. V. 6. P. 303–311.
Boonen S., Lips P., Bouillon R. et al. Need for additional calcium to reduce the risk of hip fracture with Vitamin D supplementation: evidence from a comparative meta–analysis of randomized controlled trials // J Clin Endocrinol Metab. 2007; 92: 1415–1423.
Lakhkar N. J., Lee I. H., Kim H. W., Salih V., Wall I. B., Knowles J. C. Bone formation controlled by biologically relevant inorganic ions: role and controlled delivery from phosphate-based glasses // Adv Drug Deliv Rev. 2013; 65 (4): 405–420 doi.
Baksgaard L., Andersen K. P., Hyldstrup L. Calcium and vitamin D supplementation increases spinal BMD in healthy, postmenopausal women // Osteoporosis Int. 1998, 8, 225–260.
Rude R. R. Magnesium deficiency; a possible risk factors for osteoporosis. In: Burckhard P., Dowson-Hughes B., Heaney R. P., eds. Nutritional aspects of osteoporosis. San Diego: Academic Press, 2001. 263–271.
Swaminathan R. Nutritional factors in osteoporosis // Int J Clin Pract. 1999; 53 (7): 540.
Sojka J. E., Weaver C. M. Magnesium supplementation and osteoporosis // Nutr. Rev. 1995; 53: 71–74.
Ryder K. M., Shorr R. I., Bush A. J., Kritchevsky S. B., Harris T., Stone K., Cauley J., Tylavsky F. A. Magnesium intake from food and supplements is associated with bone mineral density in healthy older white subjects // J Am Geriatr Soc. 2005, 53: 1875–1880.
Jorgensen L., Skjelbakken T., Lochen M. L., Ahmed L., Bjornerem A., Joakimsen R., Jacobsen B. K. Anemia and the risk of non-vertebral fractures: the Tromso Study // Osteoporos Int. 2010; 21 (10): 1761–1768.
Smoliar V. I., Biniashevskii E. V. Effect of copper deficiency on growth and bone tissue formation // Vopr Pitan. 1988; (6): 28–32.
Opsahl W., Zeronian H., Ellison M., Lewis D., Rucker R. B., Riggins R. S. Role of copper in collagen cross-linking and its influence on selected mechanical properties of chick bone and tendon // J Nutr. 1982; 112 (4): 708–771.
Lowe N. M., Fraser W. D., Jackson M. J. Is there a potential therapeutic value of cooper and zinc for osteoporosis? // Proceedings of the Nutrition Siciety. 2002; 61: 181–185.
Strause L. G., Hegenauer J., Saltman P., Cone R., Resnick D. Effects of long-term dietary manganese and copper deficiency on rat skeleton // J Nutr. 1986; 116 (1): 135–141.
Sheng M. H., Taper L. J., Veit H., Qian H., Ritchey S. J., Lau K. H. Dietary boron supplementation enhanced the action of estrogen, but not that of parathyroid hormone, to improve trabecular bone quality in ovariectomized rats // Biol Trace Elem Res. 2001; 82 (1–3): 109–123.
Liao S. F., Monegue J. S., Lindemann M. D., Cromwell G. L., Matthews J. C. Dietary supplementation of boron differentially alters expression of borate transporter (NaBCl) mRNA by jejunum and kidney of growing pigs // Biol Trace Elem Res. 2011; 143 (2): 901–912.
Tasli P. N., Dogan A., Demirci S., Sahin F. Boron enhances odontogenic and osteogenic differentiation of human tooth germ stem cells (hTGSCs) in vitro // Biol Trace Elem Res. 2013; 153 (1–3): 419–427 doi.
Ying X., Cheng S., Wang W., Lin Z., Chen Q., Zhang W., Kou D., Shen Y., Cheng X., Rompis F. A., Peng L., Zhu Lu C. Effect of boron on osteogenic differentiation of human bone marrow stromal cells // Biol Trace Elem Res. 2011; 144 (1–3): 306–315.
Hakki S. S., Bozkurt B. S., Hakki E. E. Boron regulates mineralized tissue-associated proteins in osteoblasts (MC3 T3-E1) // J Trace Elem Med Biol. 2010; 24 (4): 243–250 doi.
Yamaguchi M., Fukagawa M. Role of zinc in regulation of protein tyrosine phosphatase activity in osteoblastic MC3 T3-E1. 2005.
Lai Y. L., Yamaguchi M. Effects of copper on bone component in the femoral tissues of rats: anabolic effect of zinc is weakened by copper // Biol Pharm Bull. 2005; 28: 2296–2301.
Yamaguchi M., Osishi H., Suketa Y. Stimulatory effect of zinc on bone formation in tissue culture // Biochem Pharmacol. 1987; 36: 4007–4012.
Yamaguchi M., Oishi H., Suketa Y. Zinc stimulation of bone protein synthesis in tissue culture. Activation of aminoacyl-tRNA synthetase // Biochem Pharmacol. 1988; 37: 4075–4080.
Захарова И. Н., Творогова Т. М., Воробьева А. С., Кузнецова О. А. Микроэлементоз как фактор формирования остеопении у подростков // Педиатрия. 2012. Т. 91. № 1. С. 68–75.
Saltman P. D., Strause L. G. The role of trace minerals in osteoporosis // J. Am. Coll. Nutr. 1993. Vol. 12. № 4. P. 384–389.
Никитинская О. А., Торопцова Н. В., Беневоленская О. А. Фармакологическая профилактика первичного остеопороза // РМЖ. 2008. Т. 16. № 6. С. 3–8.
Лила А. М., Мазуров В. И. Роль Кальцемина адванс в профилактике постменопаузального остеопороза (результаты 12-месячного клинического исследования) // РМЖ. 2007. Т. 15. № 26. С. 1991–1996.

М. И. Шупина, кандидат медицинских наук
Г. И. Нечаева¹, доктор медицинских наук, профессор
Д. В. Шупин
Е. В. Надей
А. А. Семенкин, доктор медицинских наук, профессор

ГБОУ ВПО ОмГМУ МЗ РФ, Омск

¹ Контактная информация: [email protected]

Что такое остеобласты?

Остеобласты — это клетки, необходимые для синтеза и минерализации кости, как во время начального формирования кости, так и во время ремоделирования кости.

Эти клетки присутствуют на поверхности кости в виде плотно упакованного слоя, от которого от тела остеобласта отходят отростки через развивающуюся кость.

Остеобласты и остеокласты. Процесс ремоделирования кости. В здоровом организме остеокласты и остеобласты работают вместе, чтобы поддерживать баланс между потерей костной массы и формированием костной ткани.Кредит изображения: Designua / Shutterstock

Эти костеобразующие клетки образуются, когда остеогенные клетки дифференцируются в ткани, покрывающей внешнюю поверхность кости, называемую надкостницей. Они также возникают в результате дифференцировки остеогенных клеток, происходящей в эндосте, структуре, обнаруженной в середине кости и в костном мозге.

Остеобласты продуцируют множество веществ, включая факторы роста, коллагеназу, остеокальцин, щелочную фосфатазу и коллаген.

Костный матрикс со временем разрастается и окружает остеобласты, и костный материал кальцинируется.После окружения и захвата остеобласт становится зрелой костной клеткой, называемой остеоцитом.

Остеобласты и остеокласты Играть

Образование кости

Развитие и рост кости называют остеогенезом или окостенением. Некоторые скелетные кости начинают формироваться в течение первых нескольких недель после зачатия, а через восемь недель в хрящах и соединительной ткани формируется скелетный узор, после чего начинается окостенение.

Кость продолжает развиваться на протяжении всей взрослой жизни, восстанавливая переломы и реконструируя кость.

Существует два типа костеобразования или окостенения, а именно внутримембранозное окостенение и эндохондральное окостенение.

Внутримембранозное окостенение

В этом процессе мембраны соединительной ткани заменяются костной тканью с образованием костей, называемых внутримембранозными костями. Примерами образованной таким образом кости являются череп, нижняя челюсть и ключицы.

Остеобласты мигрируют к мембранам соединительной ткани, где откладывают костный матрикс, который затем их окружает, после чего они становятся остеоцитами.

Здесь гиалиновый хрящ заменяется костной тканью, из которой формируется большинство костей скелета. Кости, образующиеся таким образом, называются эндохондральными костями.

В конце первого триместра остеобласты и кровеносные сосуды инфильтрируют надхрящницу, окружающую гиалиновый хрящ, после чего надхрящница становится надкостницей.

Остеобласты образуют полосу компактной кости, которая окружает среднюю часть кости, называемую диафизом, в то время как хрящ в середине этой структуры начинает разрушаться, и через него проникают остеобласты, которые заменяют хрящ губчатой костью, чтобы создать первичный центр окостенения.

Это окостенение распространяется наружу от центра и продолжается до концов костей, называемых эпифизами.

Внутри концевых костей хрящ продолжает расти, что увеличивает длину кости по мере ее развития. После рождения на этих костных концах начинают формироваться вторичные центры окостенения.

После формирования центров кость заменяет гиалиновый хрящ во всех областях, кроме двух — поверхность конца кости остается покрытой гиалиновым хрящом и суставным хрящом и остается на месте между концом кости и диафизом.

В эпифизарной пластинке роста кости увеличиваются в длину аналогично тому, как происходит эндохондральная оссификация.

Хрящ в части пластинки, прилегающей к концу кости, подвергается митозу и продолжает расти. В области, прилегающей к диафизу, клетки хряща, называемые хондроцитами, начинают стареть и разрушаться.

Остеобласты мигрируют в эту область, и матрикс окостеняет, образуя кость. Это постоянный процесс в детстве и в раннем взрослом возрасте, когда рост хряща замедляется и в конечном итоге прекращается.

Обычно это происходит в начале двадцатых годов, когда эпифизарная пластинка роста подвергается полной оссификации и дальнейшего роста кости не происходит.

Хотя кости перестают увеличиваться в длине в раннем взрослом возрасте, кость все же может утолщаться в ответ на такие факторы, как увеличение веса или повышенная мышечная активность, процесс, называемый аппозиционным ростом.

Диаметр кости увеличивается, так как остеобласты создают компактную кость, которая окружает внешнюю поверхность кости, а остеокласты разрушают кость на внутренней поверхности.Это позволяет кости утолщаться, не становясь слишком большой и тяжелой.

Дополнительная литература

Кость | Безграничная биология

Кость

Кости состоят из комбинации плотной костной ткани для прочности и губчатой костной ткани для сжатия в ответ на нагрузки.

Цели обучения

Различают плотную и губчатую костные ткани

Ключевые выводы

Ключевые моменты

Компактная кость — это твердый внешний слой всех костей, который защищает, укрепляет и окружает костномозговую полость, заполненную костным мозгом.
Цилиндрические структуры, называемые остеонами, выровнены по линиям наибольшего напряжения костей, чтобы противостоять изгибу или перелому.
Губчатая или губчатая костная ткань состоит из трабекул, расположенных в виде стержней или пластинок с красным костным мозгом между ними.
Губчатая кость выступает в областях, где кость менее плотная, и на концах длинных костей, где кость должна быть более сжимаемой из-за нагрузок, поступающих со многих сторон.

Ключевые термины

trabecula : небольшая минерализованная спикула, которая образует сеть в губчатой кости
эпифиз : закругленный конец любой длинной кости
остеоцит : зрелая костная клетка, участвующая в поддержании костей
остеон : любой из центральных каналов и окружающих костных слоев в компактной кости

Костная ткань

Кости считаются органами, потому что они содержат различные типы тканей, такие как кровь, соединительная ткань, нервы и костная ткань.Остеоциты, живые клетки костной ткани, образуют минеральную матрицу костей. Костная ткань бывает двух типов: плотная и губчатая.

Компактная костная ткань

Компактная кость (или кортикальная кость), образующая твердый внешний слой всех костей, окружает костномозговую полость (внутреннюю часть или костный мозг). Он обеспечивает защиту и прочность костей. Компактная костная ткань состоит из единиц, называемых остеонами или гаверсовскими системами. Остеоны — это цилиндрические структуры, которые содержат минеральный матрикс и живые остеоциты, соединенные канальцами, по которым кровь транспортируется.Они расположены параллельно длинной оси кости. Каждый остеон состоит из пластинок, слоев компактного матрикса, которые окружают центральный канал (гаверсовский или остеонический канал), который содержит кровеносные сосуды и нервные волокна кости. Остеоны в компактной костной ткани выровнены в одном направлении по линиям напряжения, помогая кости сопротивляться изгибу или перелому. Следовательно, компактная костная ткань является заметной в тех областях кости, к которым нагрузки прилагаются только в нескольких направлениях.

Компоненты компактной костной ткани : Компактная костная ткань состоит из остеонов, расположенных параллельно длинной оси кости и гаверсовского канала, который содержит кровеносные сосуды и нервные волокна кости.Внутренний слой костей состоит из губчатой костной ткани. Маленькие темные овалы в остеоне представляют живые остеоциты.

Губчатая костная ткань

Компактная костная ткань образует внешний слой всех костей, в то время как губчатая или губчатая кость образует внутренний слой всех костей. Губчатая костная ткань не содержит остеонов. Вместо этого он состоит из трабекул, которые представляют собой ламели, расположенные в виде стержней или пластин. Между трабукулами находится красный костный мозг. Кровеносные сосуды в этой ткани доставляют питательные вещества к остеоцитам и удаляют отходы.Красный костный мозг бедренной кости и внутренние части других крупных костей, таких как подвздошная кишка, образуют клетки крови.

Расположение трабекул в губчатой кости : Трабекулы в губчатой кости расположены так, что одна сторона кости выдерживает напряжение, а другая — сжатие.

Губчатая кость снижает плотность кости, позволяя концам длинных костей сжиматься в результате нагрузки, прикладываемой к кости. Губчатая кость является заметной в областях костей, которые не подвергаются сильному стрессу или к которым стрессы поступают со многих сторон.Эпифиз кости, например шейка бедренной кости, подвергается нагрузке со многих сторон. Представьте, что вы кладете на пол картину в тяжелой раме. Вы могли бы придерживать одну сторону картины зубочисткой, если бы зубочистка была перпендикулярна полу и картине. Теперь просверлите отверстие и воткните зубочистку в стену, чтобы повесить картину. В этом случае функция зубочистки заключается в передаче направленного вниз давления картины на стену. Сила, действующая на картину, направлена прямо к полу, но сила, действующая на зубочистку, — это одновременно и проволока, тянущая вниз, и дно отверстия в стене, толкающее вверх.Зубочистка отломится прямо у стены.

Шейка бедра расположена горизонтально, как зубочистка в стене. Вес тела толкает его вниз около сустава, но вертикальный диафиз бедренной кости толкает его вверх на другом конце. Шейка бедра должна быть достаточно сильной, чтобы передавать нисходящую силу веса тела по горизонтали на вертикальный стержень бедренной кости.

Типы клеток в костях

Остеобласты, остеокласты, остеоциты и костные клетки-остеопрогениторы отвечают за рост, формирование и поддержание костей.

Цели обучения

Различать четыре типа клеток в кости

Ключевые выводы

Ключевые моменты

Остеогенные клетки — единственные костные клетки, которые делятся.
Остеогенные клетки дифференцируются и развиваются в остеобласты, которые, в свою очередь, отвечают за формирование новых костей.
Остеобласты синтезируют и секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция.
Когда область, окружающая остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке и трансформируется в остеоцит, наиболее распространенный и зрелый тип костной клетки.
Остеокласты, клетки, которые разрушают и реабсорбируют кость, происходят из моноцитов и макрофагов, а не из остеогенных клеток.
Существует постоянный баланс между остеобластами, образующими новую кость, и остеокластами, разрушающими кость.

Ключевые термины

остеокласт : большая многоядерная клетка, связанная с резорбцией кости
остеоцит : зрелая костная клетка, участвующая в поддержании костей
osteoprogenitor : стволовая клетка, которая является предшественником остеобласта
canaliculus : любой из множества небольших каналов или протоков в кости или в некоторых растениях
надкостница : мембрана, окружающая кость
эндост : мембранный сосудистый слой клеток, выстилающий костномозговую полость кости
лакуна : небольшое отверстие; небольшая ямка или углубление; небольшое пустое пространство; пробел или вакансия; перерыв
остеобласт : одноядерная клетка, из которой развивается кость

Типы клеток в костях

Кость состоит из четырех типов клеток: остеобластов, остеокластов, остеоцитов и остеопрогениторных (или остеогенных) клеток.Каждый тип клеток имеет уникальную функцию и находится в разных местах в костях. Остеобласт, костная клетка, отвечающая за формирование новой кости, находится в растущих частях кости, включая надкостницу и эндост. Остеобласты, которые не делятся, не синтезируют и не секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция. Когда секретируемый матрикс, окружающий остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке внутри него. В результате он меняет структуру, становясь остеоцитом, первичной клеткой зрелой кости и наиболее распространенным типом костной клетки.Каждый остеоцит расположен в пространстве (лакуне), окруженном костной тканью. Остеоциты поддерживают минеральную концентрацию матрикса за счет секреции ферментов. Как и в случае с остеобластами, остеоциты не обладают митотической активностью. Они могут общаться друг с другом и получать питательные вещества через длинные цитоплазматические отростки, которые проходят через canaliculi (единичный = canaliculus), каналы внутри костного матрикса.

Типы костных клеток : Таблица, в которой перечислены функции и расположение четырех типов костных клеток.

Четыре типа костных клеток : Четыре типа клеток обнаруживаются в костной ткани. Остеогенные клетки недифференцированы и развиваются в остеобласты. Когда остеобласты попадают в кальцифицированный матрикс, их структура и функция изменяются; они становятся остеоцитами. Остеокласты развиваются из моноцитов и макрофагов и отличаются по внешнему виду от других костных клеток.

Если остеобласты и остеоциты неспособны к митозу, то как они пополняются, когда умирают старые? Ответ кроется в свойствах третьей категории костных клеток: остеогенных клеток.Эти остеогенные клетки недифференцированы с высокой митотической активностью; они единственные костные клетки, которые делятся. Незрелые остеогенные клетки находятся в глубоких слоях надкостницы и костного мозга. Когда они дифференцируются, они превращаются в остеобласты. Динамический характер кости означает, что новая ткань постоянно образуется, в то время как старая, поврежденная или ненужная кость растворяется для восстановления или высвобождения кальция. Клеткой, ответственной за резорбцию или разрушение кости, является остеокласт, который находится на поверхности кости, является многоядерным и происходит из моноцитов и макрофагов (два типа лейкоцитов), а не из остеогенных клеток.Остеокласты постоянно разрушают старую кость, в то время как остеобласты постоянно образуют новую кость. Постоянный баланс между остеобластами и остеокластами отвечает за постоянное, но тонкое изменение формы кости.

Развитие костей

Внутрирамембранозное окостенение происходит от фиброзных мембран в плоских костях, в то время как эндохондральное окостенение происходит от хряща длинных костей.

Цели обучения

Различают внутримембранозное и эндохондральное окостенение

Ключевые выводы

Ключевые моменты

Окостенение плоских костей черепа, нижней челюсти и ключиц начинается с мезенхимальных клеток, которые затем дифференцируются в секретирующие кальций и секретирующие костный матрикс остеобласты.
Остеоиды образуют губчатую кость вокруг кровеносных сосудов, которая позже трансформируется в тонкий слой компактной кости.
Во время энхондральной оссификации хрящевой шаблон длинных костей кальцинируется; умирающие хондроциты предоставляют пространство для развития губчатой кости и полости костного мозга внутри длинных костей.
Надкостница, соединительная ткань неправильной формы вокруг костей, способствует прикреплению тканей, сухожилий и связок к кости.
До подросткового возраста рост длинных костей в продольном направлении происходит во вторичных центрах окостенения на эпифизарных пластинах (пластинах роста) около концов костей.

Ключевые термины

остеоид : органический матрикс белка и полисахаридов, секретируемый остеобластами, который становится костью после минерализации
эндохондрально : внутри хряща
хондроцит : клетка, составляющая ткань хряща
диафиз : центральный стержень любой длинной кости

Развитие костей

Оссификация или остеогенез — это процесс образования кости остеобластами.Оссификация отличается от процесса кальцификации; в то время как кальцификация происходит во время окостенения костей, она также может возникать в других тканях. Оссификация зародыша начинается примерно через шесть недель после оплодотворения. До этого времени скелет эмбриона полностью состоял из фиброзных оболочек и гиалинового хряща. Развитие кости из фиброзных оболочек называется внутримембранозным окостенением; развитие из гиалинового хряща называется эндохондральным окостенением.Рост костей продолжается примерно до 25 лет. Кости могут увеличиваться в толщине на протяжении всей жизни, но после 25 лет окостенение в основном связано с ремоделированием и восстановлением костей.

Внутримембранозное окостенение

Внутримембранозная оссификация — это процесс развития кости из фиброзных оболочек. Он участвует в формировании плоских костей черепа, нижней челюсти и ключиц. Оссификация начинается с того, что мезенхимальные клетки образуют шаблон будущей кости. Затем они дифференцируются в остеобласты в центре окостенения.Остеобласты секретируют внеклеточный матрикс и откладывают кальций, который укрепляет матрикс. Неминерализованная часть кости или остеоида продолжает формироваться вокруг кровеносных сосудов, образуя губчатую кость. Соединительная ткань матрикса у плода дифференцируется в красный костный мозг. Губчатая кость трансформируется в тонкий слой компактной кости на поверхности губчатой кости.

Эндохондральное окостенение

Эндохондральная оссификация — это процесс развития кости из гиалинового хряща.Все кости тела, за исключением плоских костей черепа, нижней челюсти и ключиц, образуются в результате эндохондральной оссификации.

Процесс эндохондрального окостенения : Эндохондральное окостенение — это процесс развития кости из гиалинового хряща. Надкостница — это соединительная ткань на внешней стороне кости, которая действует как интерфейс между костью, кровеносными сосудами, сухожилиями и связками.

В длинных костях хондроциты образуют матрицу диафиза гиалинового хряща.Отвечая на сложные сигналы развития, матрица начинает кальцифицироваться. Эта кальцификация предотвращает диффузию питательных веществ в матрицу, что приводит к отмиранию хондроцитов и открытию полостей в хряще диафиза. Кровеносные сосуды проникают в полости, в то время как остеобласты и остеокласты превращают кальцинированный хрящевой матрикс в губчатую кость. Затем остеокласты разрушают часть губчатой кости, образуя костный мозг или мозговую полость в центре диафиза. Плотная соединительная ткань неправильной формы образует оболочку (надкостницу) вокруг костей.Надкостница помогает прикрепить кость к окружающим тканям, сухожилиям и связкам. Кость продолжает расти и удлиняться по мере деления хрящевых клеток эпифизов.

На последней стадии пренатального развития костей центры эпифизов начинают кальцифицироваться. Вторичные центры окостенения образуются в эпифизах, когда кровеносные сосуды и остеобласты входят в эти области и превращают гиалиновый хрящ в губчатую кость. До подросткового возраста гиалиновый хрящ сохраняется на эпифизарной пластине (пластине роста), которая является областью между диафизом и эпифизом, которая отвечает за продольный рост длинных костей.

Рост костей

Длинные кости удлиняются у эпифизарной пластинки за счет добавления костной ткани и увеличиваются в ширину за счет процесса, называемого аппозиционным ростом.

Цели обучения

Описать процессы постфетального роста и утолщения костей

Ключевые выводы

Ключевые моменты

Эпифизарная пластинка, область роста, состоящая из четырех зон, — это место, где хрящ образуется на эпифизарной стороне, в то время как хрящ окостеняет на диафизарной стороне, тем самым удлиняя кость.
Каждая из четырех зон играет роль в пролиферации, созревании и кальцификации костных клеток, которые добавляются к диафизу.
Продольный рост длинных костей продолжается до раннего взросления, когда хондроциты в эпифизарной пластинке перестают пролиферировать, и эпифизарная пластинка трансформируется в эпифизарную линию по мере того, как кость заменяет хрящ.
Кости могут увеличиваться в диаметре даже после остановки продольного роста.
Аппозиционный рост — это процесс, при котором старая кость, выстилающая костномозговую полость, реабсорбируется, а новая костная ткань растет под надкостницей, увеличивая диаметр кости.

Ключевые термины

метафиз : часть длинной кости, которая растет в процессе развития
надкостница : мембрана, окружающая кость
окостенение : нормальный процесс формирования кости
хондроцит : клетка, составляющая ткань хряща
гипертрофия : увеличить в размере
диафиз : центральный стержень любой длинной кости
эпифиз : закругленный конец любой длинной кости
Медуллярный : относящиеся к костному или мозговому веществу, состоящие из них или похожие на них

Рост костей

Длинные кости продолжают удлиняться (потенциально в подростковом возрасте) за счет добавления костной ткани в эпифизарной пластинке.Они также увеличиваются в ширине за счет аппозиционного роста.

Удлинение длинных костей

Эпифизарная пластинка — это область роста длинной кости. Это слой гиалинового хряща, в котором окостенение происходит в незрелых костях. На эпифизарной стороне эпифизарной пластинки образуется хрящ. На диафизарной стороне хрящ окостенел, что позволяет диафизу увеличиваться в длину. Метафиз — это широкая часть длинной кости между эпифизом и узким диафизом.Он считается частью пластинки роста: часть кости, которая растет в детстве, которая по мере роста окостеняет около диафиза и эпифизов.

Эпифизарная пластинка состоит из четырех зон клеток и активности.

Резервная зона, область, ближайшая к эпифизарному концу пластины, содержит небольшие хондроциты внутри матрикса. Эти хондроциты не участвуют в росте костей; вместо этого они прикрепляют эпифизарную пластину к костной ткани эпифиза.
Зона пролиферации, следующий слой к диафизу, содержит стопки немного более крупных хондроцитов. Он постоянно производит новые хондроциты через митоз.
Зона созревания и гипертрофии содержит хондроциты, которые старше и крупнее, чем в зоне пролиферации. Более зрелые клетки располагаются ближе к диафизарному концу пластинки. В этой зоне накапливаются липиды, гликоген и щелочная фосфатаза, вызывая кальцификацию хрящевого матрикса.Продольный рост кости является результатом деления клеток в зоне пролиферации наряду с созреванием клеток в зоне созревания и гипертрофии.
Зона кальцинированного матрикса, зона, ближайшая к диафизу, содержит хондроциты, которые мертвы, потому что матрица вокруг них кальцинировалась. В эту зону проникают капилляры и остеобласты из диафиза. Остеобласты секретируют костную ткань на оставшемся кальцинированном хряще. Таким образом, зона кальцинированного матрикса соединяет эпифизарную пластинку с диафизом.Кость увеличивается в длину, когда к диафизу добавляется костная ткань.

После зоны кальцинированного матрикса идет зона окостенения, которая фактически является частью метафиза. Артерии от метафиза ответвляются через новообразованные трабекулы в этой зоне. Новообразованная костная ткань в верхней части зоны окостенения называется первичной спонгиозой. Более старая кость в нижней части зоны окостенения называется вторичной губкой.

Продольный рост кости : Эпифизарная пластинка отвечает за продольный рост кости.На этом рисунке показаны зоны, граничащие с эпифизарной пластинкой эпифиза. Самый верхний слой эпифиза — резервная зона. Во второй зоне, зоне пролиферации, хондроциты постоянно подвергаются митозу. Следующая зона — это зона созревания и гипертрофии, где накапливаются липиды, гликоген и щелочная фосфатаза, вызывая кальцификацию хрящевого матрикса. Следующая зона представляет собой кальцинированный матрикс, где хондроциты затвердевают и умирают, поскольку матрица вокруг них кальцинировалась.Самый нижний ряд — это зона окостенения, которая является частью метафиза. Недавно отложившаяся костная ткань в верхней части зоны окостенения называется первичной губкой, а более старая кость — вторичной губкой.

Кости продолжают расти в длину до раннего взросления, причем скорость роста контролируется гормонами. Когда хондроциты в эпифизарной пластинке прекращают свою пролиферацию и кость замещает хрящ, продольный рост прекращается. Все, что осталось от эпифизарной пластинки, — это эпифизарная линия.

От эпифизарной пластинки до эпифизарной линии : По мере созревания кости эпифизарная пластинка переходит в эпифизарную линию. (а) Эпифизарные пластинки видны в растущей кости. (б) Эпифизарные линии — это остатки эпифизарных пластинок в зрелой кости.

Утолщение длинных костей

Хотя кости увеличиваются в длину, они также увеличиваются в диаметре; рост в диаметре может продолжаться даже после прекращения продольного роста. Это называется аппозиционным ростом.Остеокласты, клетки, которые разрушают кость, рассасывают старую кость, выстилающую мозговую полость. В то же время остеобласты посредством внутримембранного окостенения образуют новую костную ткань под надкостницей. Эрозия старой кости вдоль костномозговой полости и отложение новой кости под надкостницей не только увеличивают диаметр диафиза, но и увеличивают диаметр костномозговой полости. Этот процесс называется моделированием.

Ремоделирование и восстановление костей

Кость реконструируется путем постоянного замещения старой костной ткани, а также восстанавливается при переломах.

Цели обучения

Краткое описание процесса ремоделирования и восстановления костей

Ключевые выводы

Ключевые моменты

Замещение кости включает остеокласты, разрушающие кость, и остеобласты, образующие новую кость.
Скорость обновления костной ткани различается в зависимости от кости и области внутри кости.
Восстановление сломанной кости состоит из четырех этапов: 1) образование гематомы в месте разрыва, 2) образование фиброзно-хрящевой мозоли, 3) формирование костной мозоли и 4) ремоделирование и добавление компактной кости. .
Для правильного роста и поддержания костей требуется много витаминов (D, C и A), минералов (кальций, фосфор и магний) и гормонов (паратиреоидный гормон, гормон роста и кальцитонин).

Ключевые термины

мозоль : материал для восстановления при переломах кости, который сначала имеет мягкую или хрящевую консистенцию, но в конечном итоге превращается в настоящую кость и объединяет фрагменты в единый кусок
спикула : острый игольчатый кусок
фибробласт : клетка, обнаруженная в соединительной ткани, которая производит волокна, такие как коллаген

Ремоделирование и восстановление костей

Обновление костей продолжается после рождения и во взрослом возрасте.Ремоделирование кости — это замена старой костной ткани новой костной тканью. Он включает в себя процессы отложения или образования кости, осуществляемые остеобластами, и резорбцию кости, осуществляемую остеокластами, которые разрушают старую кость. Для нормального роста костей необходимы витамины D, C и A, а также такие минералы, как кальций, фосфор и магний. Гормоны, такие как паратиреоидный гормон, гормон роста и кальцитонин, также необходимы для правильного роста и поддержания костей.

Скорость обновления костной ткани, скорость, с которой старая кость заменяется новой, довольно высока: от пяти до семи процентов костной массы повторно используется каждую неделю.Различия в скорости обновления существуют в разных областях скелета и в разных областях кости. Например, кость в головке бедренной кости может полностью заменяться каждые шесть месяцев, тогда как кость вдоль диафиза изменяется гораздо медленнее.

Ремоделирование костей позволяет костям адаптироваться к нагрузкам, становясь толще и прочнее, когда они подвергаются нагрузкам. Кости, которые не подвергаются нормальным повседневным нагрузкам (например, когда на конечность наложена гипсовая повязка), начнут терять массу.

Этапы заживления перелома : Заживление перелома кости происходит в несколько последовательных этапов: (a) Формируется гематома из-за перелома.(б) Форма внутреннего и внешнего каллусов. (c) Хрящ каллусов заменяется губчатой костью. (d) Происходит ремоделирование.

Сломанная или сломанная кость восстанавливается в четыре этапа:

Образование гематомы: кровеносные сосуды в сломанной кости разрываются и кровоизлияния, в результате чего на месте разрыва образуется свернувшаяся кровь или гематома. Разорванные кровеносные сосуды на сломанных концах кости закрываются процессом свертывания. Костные клетки, лишенные питательных веществ, начинают умирать.
Костеобразование: через несколько дней после перелома капилляры прорастают в гематому, а фагоцитарные клетки начинают удалять мертвые клетки. Хотя фрагменты сгустка крови могут оставаться, фибробласты и остеобласты попадают в эту область и начинают восстанавливать кость. Фибробласты производят коллагеновые волокна, которые соединяют сломанные концы костей, а остеобласты начинают формировать губчатую кость. Ремонтирующая ткань между концами сломанной кости, фиброзно-хрящевой каллус, состоит как из гиалина, так и из фиброзного хряща.В этот момент также могут появиться костные спикулы.
Костная мозоль: фиброзно-хрящевая мозоль превращается в костную мозоль губчатой кости. На то, чтобы концы сломанной кости после перелома прочно соединились вместе, требуется около двух месяцев. Это похоже на эндохондральное образование кости, когда хрящ становится окостеневшим; присутствуют остеобласты, остеокласты и костный матрикс.
Ремоделирование кости: костная мозоль затем реконструируется остеокластами и остеобластами, при этом удаляется излишек материала на внешней стороне кости и внутри костномозговой полости.Добавляется компактная кость, чтобы создать костную ткань, похожую на исходную целую кость. Эта реконструкция может занять много месяцев; кость может годами оставаться неровной.

Культура клеток остеобластов | PromoCell

Культура клеток остеобластов | PromoCell
Первичные остеобласты человека, выделенные из взрослых тканей отдельных доноров.Наши оптимизированные среды для роста и минерализации обеспечивают стабильную производительность клеточных культур. От среды до культивируемых клеток — мы предоставляем все необходимое для применения культуры клеток остеобластов.
НОВИНКА: Узнайте больше о наших HLA-типированных клетках.
Управление настройками
Принять все
Предпочтение конфиденциальности
Здесь вы найдете обзор всех используемых файлов cookie.Вы можете дать свое согласие на использование целых категорий или отобразить дополнительную информацию и выбрать определенные файлы cookie.
Имя Borlabs Cookie
Провайдер Владелец этого сайта
Назначение Сохраняет предпочтения посетителей, выбранные в поле cookie файла cookie Borlabs.
Имя файла cookie borlabs-cookie
Срок действия куки 1 год
Имя WooCommerce
Провайдер Владелец этого сайта
Назначение Помогает WooCommerce определять, когда изменяется содержимое / данные корзины.Содержит уникальный код для каждого покупателя, чтобы он знал, где найти данные корзины в базе данных для каждого покупателя. Позволяет покупателям отклонять уведомления магазина.
Имя файла cookie woocommerce_cart_hash, woocommerce_items_in_cart, wp_woocommerce_session_, woocommerce_recently_viewed, store_notice [идентификатор уведомления]
Срок действия куки сеанс / 2 дня
Имя HubSpot
Провайдер HubSpot Inc.
Назначение HubSpot — это служба управления базами данных пользователей, предоставляемая HubSpot, Inc. Мы используем HubSpot на этом веб-сайте для нашей маркетинговой деятельности в Интернете.
Политика конфиденциальности https: // legal.hubspot.com/privacy-policy
Хост (и) * .hubspot.com, hubspot-avatars.s3.amazonaws.com, hubspot-realtime.ably.io, hubspot-rest.ably.io, js.hs-scripts.com
Имя файла cookie __hs_opt_out, __hs_d_not_track, hs_ab_test, hs-messages-is-open, hs-messages-hide-welcome-message, __hstc, hubspotutk, __hssc, __hssrc, messagesUtk
Срок действия куки сеанс / 30 минут / 1 день / 1 год / 13 месяцев
Повышение остеобластической активности и экспрессии рецепторного активатора лиганда NF-κB при неуремическом нефротическом синдроме
Реферат
Пациенты с нефротическим синдромом (NS), даже с нормальной СКФ, часто демонстрируют измененный минеральный гомеостаз и аномальную гистологию кости.Однако последнее, в основном остеомаляция и повышенная резорбция костей, нельзя легко объяснить преобладающими концентрациями гормона паращитовидной железы и метаболитов витамина D. Активатор трансмембранного рецептора лиганда NF-κB (RANKL) остеобластов необходим для образования и дифференцировки остеокластов. Активность остеобластов и экспрессия RANKL тестировали на культурах нормальных остеобластов человека с сыворотками, полученными от пациентов с NS и нормальной СКФ (129 ± 26 мл / мин на 1,73 м ²) во время рецидива и ремиссии их NS.Остеобласты, которые были культивированы in vitro с сывороткой во время рецидива, показали повышенные концентрации щелочной фосфатазы (ЩФ) и повышенную экспрессию RANKL. Напротив, во время ремиссии концентрации AP были значительно ниже ( P <0,05), а экспрессия RANKL заметно ослаблялась или отсутствовала. AP коррелировал с протеинурией ( r = 0,5, P <0,05) и не подвергался значительному влиянию терапевтического введения кортикостероидов.В то время как уровни паратироидного гормона были нормальными (35 ± 21 пг / мл), сывороточные маркеры костеобразования (остеокальцин и костно-специфическая щелочная фосфатаза) были ниже во время рецидива по сравнению с ремиссией. Таким образом, сыворотка пациентов с NS и нормальной СКФ стимулирует активность остеобластов и усиливает экспрессию RANKL. Эти изменения, более заметные при клинически активном НП, временные и обратимые при ремиссии. Эти нарушения биологии кости могут играть важную патогенную роль в аномальной гистологии кости, наблюдаемой у пациентов с NS, даже до того, как произойдет снижение СКФ.
Хотя у большинства пациентов с идиопатическим нефротическим синдромом (NS) наблюдается нормальная СКФ, часто выявляются изменения минерального гомеостаза, аналогичные тем, которые встречаются при хронической почечной недостаточности, включая гипокальциемию, снижение уровня метаболитов витамина D в сыворотке и повышенные уровни иммунореактивного паратиреоидного гормона (ПТГ). ) (1–6). Исследования метаболического баланса продемонстрировали нарушение всасывания кальция в кишечнике (5), а также чрезмерную потерю с мочой различных метаболитов витамина D и их связывающих белков (2,7).Кроме того, были задокументированы важные биологические последствия, такие как снижение минеральной плотности костной ткани (МПК) (3,8) и аномальная гистология кости (9,10). К последним относятся остеомаляция различной степени (10), а также чрезмерная резорбция кости, напоминающая вторичный гиперпаратиреоз (9). Раннее выявление и лечение этих нарушений, даже до снижения СКФ, может облегчить задержку роста и почечную остеодистрофию, которая неизменно поражает детей с более поздними стадиями хронической болезни почек (ХБП) (11).Это особенно актуально для пациентов с НС, поскольку растущая частота резистентных к кортикостероидам НС вторичных по отношению к фокально-сегментарному гломерулосклерозу (12,13) является ведущей причиной ХБП 4–5 стадий у детей (14).
Тем не менее, гистологические изменения костей, которые выявляются у пациентов с NS, не коррелируют последовательно с преобладающими сывороточными концентрациями двухвалентных ионов или кальциотропных гормонов. Концентрация фосфора в сыворотке обычно нормальная (1,3,5), кальцитриол остается нормальным у большинства пациентов (3,15), и, несмотря на низкие уровни ионизированного кальция в сыворотке, уровни ПТГ не всегда повышаются (1,3,5,6, 15).Таким образом, механизмы, которые приводят к изменению МПК и гистологии костей у пациентов с НС до снижения СКФ, все еще неясны.
Другие циркулирующие и местные факторы, в частности цитокины и факторы роста, входящие в суперсемейство TNF, были идентифицированы как важные модуляторы ремоделирования кости (16,17). Взаимодействие активатора рецептора лиганда NF-κB (RANKL), продуцируемого клетками линии остеобластов, с его специфическим рецептором RANK запускает сигнальный путь в остеокластах, вызывая образование, слияние, активацию и выживание остеокластов, что приводит к резорбции кости и потере костной массы. (18).Цитокины, такие как TNF-α и некоторые интерлейкины (IL-2, IL-4 и IFN-γ), повышены в сыворотке пациентов с активными NS, тогда как ремиссии характеризуются подавлением этих цитокинов (19–21). Следовательно, другие факторы, присутствующие в сыворотке крови пациентов с НС, помимо витамина D и ПТГ, могут влиять на активность остеобластов и вносить свой вклад в аномалии, наблюдаемые в гистологии костей. Чтобы проверить эту гипотезу, мы решили оценить способность сывороток пациентов с NS активировать in vitro остеобластов и определить возможную роль RANKL в активации остеобластов у пациентов с нормальной СКФ на разных клинических стадиях NS.
Материалы и методы
Пациенты
Обследовано 29 пациентов (17 мальчиков, 12 девочек) в среднем возрасте 8,5 ± 4,7 года. У всех пациентов была нормальная СКФ (129 ± 26 мл / мин на 1,73 м ²), нормальные концентрации ПТГ (35 ± 21 пг / мл) и отсутствие признаков метаболического ацидоза (сывороточные концентрации CO ₂ 22,5 ± 2,0 мэкв / L). Первоначальный диагноз НС был основан на наличии протеинурии нефротического диапазона, гипоальбуминемии, отека и гиперхолестеринемии (22).Протеинурия нефротического диапазона определялась экскрецией белка, превышающей 40 мг / м ² в день и / или соотношением белок / креатинин в моче (UP / C)> 1,0 мг / мг (нормальное значение <0,2 мг / мг) на случайные образцы мочи, полученные во время обычных клинических посещений (23). Пациенты, получавшие добавки витамина D или петлевые диуретики в течение предшествующих 3 месяцев, были исключены из исследования. Диагностическая биопсия почек была проведена у 20 пациентов, и гистопатология включала заболевание с минимальными изменениями ( n = 16) или очаговый сегментарный гломерулосклероз ( n = 4).Остальным девяти пациентам биопсия почек не проводилась, и на основании их клинического течения предполагалось, что у них заболевание с минимальными изменениями. После информированного согласия родителей забор мочи и крови проводился на обеих стадиях клинической активности НС (рецидив и ремиссия). Рецидив определялся UP / C> 0,2 и концентрацией сывороточного альбумина <3,0 г / дл. Ремиссия определялась показателем UP / C <0,2, концентрацией сывороточного альбумина> 3,0 г / дл и отсутствием отека.
Образцы крови и мочи во время эпизодов рецидива были получены до начала кортикостероидной или любой другой терапии у большинства пациентов, тогда как только несколько пациентов были проанализированы во время глюкокортикоидной терапии ( n = 3) или другой иммуносупрессивной терапии ( n = 3). ).Во время ремиссии было получено пять образцов, когда пациенты получали терапию циклоспорином, и три образца были получены, когда пациенты получали глюкокортикоиды; большинство образцов было получено от всех лекарств, включая терапию глюкокортикоидами, в течение как минимум 6 недель. У четырех пациентов забор крови был взят в двух разных случаях во время ремиссии, и представленные результаты представляют собой средние значения.
Лабораторные методы
Биохимические определения.
Концентрации протеина, сывороточного креатинина, альбумина и холестерина в моче определялись обычным химическим анализом. Концентрации костной специфической щелочной фосфатазы (BSAP) в сыворотке крови измеряли с помощью иммунорадиометрического анализа, а остеокальцина — с помощью иммунохемилюминометрического анализа (24,25). Сшивки сывороточного N-телопептида коллагена типа I (NTx) определяли с помощью иммуноферментного анализа (26), и результаты сравнивали с нормальными детьми контрольной группы, которые посещали местную педиатрическую клинику по причинам, не влияющим на функцию почек или костный минерал. метаболизм ( n = 52; возраст 8 ± 3 года; диапазон от 3 до 17 лет).Из них образцы от шести пациентов использовались в качестве контроля для анализов, проведенных на культурах остеобластов, описанных в следующем разделе. ПТГ в сыворотке измеряли с помощью двухсайтового иммунорадиометрического анализа, который выявляет интактный ПТГ (1–84) и фрагменты ПТГ, укороченные на амино-конце (7–84) (27).
In vitro Культуры остеобластов.
Нормальные остеобласты человека (NHOst, номер партии 1 F2254; BioWhittaker, San Diego, CA) были получены от одного 16-летнего белого донора-мужчины.Клетки были получены в третьем пассаже, подверглись криоконсервации и хранили в жидком азоте до их использования. Эти прилипшие фибробластоподобные клетки растут как монослой. Стандартная характеристика NHOst включает иммунофлуоресцентное окрашивание, положительное на щелочную фосфатазу и минерализацию костей (окраска по фон Коссу) в среде дифференциации с аскорбиновой кислотой и b-глицерофосфатом через 10-20 дней. Жизнеспособность клеток оценивали с использованием трипанового синего, и общее количество жизнеспособных клеток определяли по следующему уравнению: общее количество клеток ×% жизнеспособности / 100.Клетки выращивали при 37 ° C, 5% CO ₂ в среде DMEM-F12 (Sigma, St. Louis, MO), которая содержала 10% FBS (Life Technologies, Inc., Gaithersburg, MD) с добавлением 2 мМ l- глутамин (40 мМ) и 1% пенициллин / стрептомицин. Клетки культивировали в течение 24 и 48 часов в присутствии возрастающих концентраций сывороток (0, 10 и 20%), полученных от пациентов на разных стадиях NS и здоровых контрольных субъектов. Активацию остеобластов определяли путем измерения уровней щелочной фосфатазы (ЩФ) в клеточных лизатах с использованием p -нитрофенилфосфата в качестве субстрата.Вкратце, клетки культивировали в 12-луночных чашках и инкубировали с различными сыворотками в течение 24 и 48 часов, дважды промывали ледяным PBS, соскребали и лизировали в буфере RIPA (1 × PBS, 1% Igepal CA-630, 0,5% дезоксихолат натрия и 0,1% SDS) без ингибиторов фосфатазы и инкубировали на льду в течение 30 мин. Экстракты клеток центрифугировали при 14000 × g в течение 15 минут при 4 ° C, супернатант повторно собирали, 50 мкл экстрактов клеток анализировали с 200 мкл буфера для анализа, который содержал 10 мМ p -нитрофенилфосфат в 0 ° C. .1 М карбонат натрия буфер с pH 10, с добавлением 6 мМ MgCl ₂ и 4 мМ маннита с последующей инкубацией и считыванием показаний при 37 ° C в течение 1 и 5 минут при 410 нм. Общий белок в клеточных лизатах измеряли по методу Брэдфорда. Активность АР рассчитывалась как абсорбция в минуту × 2,5 × 10 ⁵ и выражалась в МЕ / л на мг белка (28).
Анализ экспрессии RANKL.
Экспрессию
RANKL определяли иммуноблоттингом в клеточных лизатах из культивируемых стимулированных остеобластов человека с использованием кроличьих поликлональных антител (анти-RANKL; Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA) в соответствии с инструкциями производителя.Вкратце, NHOst инкубировали в течение 24 и 48 часов с сыворотками пациентов с NS и нормальных контрольных субъектов; промывают ледяным PBS; лизированный в 100 мкл буфера RIPA (1 × PBS, 1% Igepal, 0,5% дезоксихолат натрия и 0,1% SDS) с 0,10 мг / мл PMSF, 10 мМ апротинина и 1 мМ ортованадата натрия; и инкубировали на льду 30 мин. Лизаты клеток разрушали и гомогенизировали с помощью иглы 21-G, а экстракты клеток центрифугировали при 10,000 × g в течение 20 мин при 4 ° C. Собирали клеточный лизат супернатанта и измеряли его общую концентрацию белка по методу Брэдфорда.От 40 до 60 мкг (приблизительно 40 мкл) лизата цельных клеток переносили на нитроцеллюлозную мембрану в системе слот-блоттинга с помощью вакуума. Фильтры блокировали для неспецифического связывания с Blotto (TBS, 5% обезжиренное молоко и 0,05% Tween-20) в течение 1 часа. Затем фильтры инкубировали с антителом против кроличьего RANKL (SBC) 1 мкг / мл в Blotto в течение 1 ч при комнатной температуре путем перемешивания. После трехкратной промывки мембран в течение 5 мин каждый TBS и 0,05% твин-20 их инкубировали в течение 1 ч при комнатной температуре с вторичными антителами, конъюгированными с пероксидазой хрена, и разбавляли до 1: 5000 в Blotto.Мембраны промывали трижды по 5 минут каждый TBS и 0,05% Tween-20 и один раз в течение 5 минут TBS. После этого их инкубировали в хемилюминесцентном реагенте (Pierce Chemical Co., Rockport, IL) в соответствии с таблицей данных и экспонировали на рентгеновской пленке K-Omat (Kodak, New Haven, CT) в течение 15 минут. Плотность полос определяли с помощью программного обеспечения Quality One на денситометре G-800 (Bio-Rad, Hercules, CA).
Статистический анализ
Результаты представлены как среднее ± стандартное отклонение, если не указано иное.Сравнение между группами проводилось с помощью теста t для непарных наблюдений и теста Манна-Уитни, в зависимости от ситуации. Для пациентов, которые были оценены проспективно, были применены парные тесты t . Корреляции между двумя переменными были получены с помощью линейного регрессионного анализа Пирсона или коэффициента ранговой корреляции Спирмена. P <0,05 считалось значимым.
Результаты
Биохимические данные по моче и сыворотке пациентов, полученные на обоих этапах активности НП, представлены в таблице 1.Как и ожидалось, во время рецидива по сравнению с ремиссией соотношение UP / C (11,4 ± 8,3 против 0,05 ± 0,05 мг / мг), сывороточный альбумин (2,38 ± 0,6 против 4,0 ± 0,36 г / дл) и концентрации холестерина в сыворотке (310 ± 100 против 192 ± 83 мг / дл) значительно различались (все различия, P <0,0005). По сравнению с рецидивом, в период ремиссии концентрации маркеров остеокальцина костеобразования (54 ± 22 против 85 ± 32 нг / мл; P <0.05) и BSAP (60 ± 17 против 70 ± 30 мкг / л) и NTx резорбции кости (47 ± 23 против 70 ± 41 нмоль эквивалента костного коллагена / л; P <0,05) все были выше. Концентрации остеокальцина и BSAP во время ремиссии достоверно не различались у пациентов с терапией циклоспорином или без нее (95 ± 26 против 79 ± 34 нг / мл и 86 ± 38 против 62 ± 23 мкг / л соответственно). Тем не менее, пациенты, получавшие циклоспорин ( n = 5), имели значительно более высокие концентрации NTx, чем те, кто не получал препарат (104 ± 58 против 55 ± 18 нмоль эквивалента костного коллагена / л; P <0.05). Кроме того, уровни BSAP во время ремиссии были значительно выше у пациентов, которые не принимали кортикостероиды, по сравнению с теми, кто все еще находился на терапии глюкокортикоидами (69 ± 19 против 48 ± 15 мкг / л соответственно; P <0,05). Активность AP, полученная из культур NHOst, которые инкубировали с сыворотками пациентов с NS, была аналогичной при концентрациях в сыворотке 10 или 20%. Таким образом, все представленные результаты представляют собой инкубации с 10% сывороткой. Активность AP из лизатов клеток остеобластов в присутствии сывороток пациентов с NS на обоих этапах клинической активности изображена на рисунке 1.Активность АП была заметно увеличена во время рецидива по сравнению с ремиссией (13 978 ± 16 323 против 4033 ± 5183 МЕ / л на мг белка, соответственно; P <0,05) и у нормальных контрольных субъектов (218 ± 132 МЕ / л на мг белка. ; P <0,05). Ни в рецидиве, ни в стадии ремиссии активность АД не демонстрировала значительных различий, пока пациенты получали или прекращали терапию кортикостероидами.
Рисунок 1.
Активность щелочной фосфатазы (ЩФ) нормальных культур остеобластов человека, которые инкубировали с сыворотками от пациентов с нефротическим синдромом (НС).Активность AP (МЕ / л на мг белка) клеточных лизатов заметно проявляется во время рецидива и значительно снижается во время ремиссии. Значения во время ремиссии и из контрольных образцов значительно ниже по сравнению с рецидивом (* P <0,05).
Таблица 1.
Биохимические показатели пациентов с нефротическим синдромом ^а
Как показано на рисунке 2, на котором изображены четыре репрезентативных пациента, экспрессия RANKL из лизатов клеток NHOst на обеих стадиях клинической активности заметно различалась.В присутствии сывороток от пациентов во время клинического рецидива экспрессия RANKL заметно проявлялась, тогда как во время ремиссии она отсутствовала или едва определялась. Повышенная экспрессия RANKL во время рецидива была аналогичной в образцах, полученных от пациентов, которые получали или прекращали терапию кортикостероидами. Экспрессия RANKL во время ремиссии была аналогичным образом ослаблена в образцах от пациентов, которые получали или не получали терапию циклоспорином.
Рисунок 2.
Активатор рецептора экспрессии лиганда NF-κB (RANKL) из культур остеобластов, которые инкубировали с сыворотками пациентов с NS.Культуры клеток через 24 часа инкубации с сыворотками четырех репрезентативных пациентов (P) во время рецидива (вверху) демонстрируют выраженную экспрессию RANKL. Во время ремиссии (внизу) экспрессия RANKL существенно ослаблена или отсутствует и аналогична контролю.
Специфичность связывания RANKL была продемонстрирована с использованием 10 мкг рекомбинантного белка RANKL в качестве положительного контроля и нерелевантного антитела в качестве отрицательного контроля (рецептор ЕРО кролика; данные не показаны).
Степень протеинурии коррелировала с активностью АП ( r = 0.5, P <0,05), но его корреляция с сывороточной концентрацией остеокальцина ( r = -0,3) не достигла статистической значимости. UP / C не коррелировал ни с одним другим маркером ремоделирования кости.
Обсуждение
Это исследование демонстрирует, что сыворотки пациентов с клинически активными неазотемическими НП повышают активность in vitro нормальных остеобластов человека. Эта усиленная остеобластическая активность во время клинического рецидива подтверждается повышенной концентрацией АР и повышенной экспрессией RANKL.Напротив, активность AP была значительно снижена, а экспрессия RANKL была заметно снижена во время клинической ремиссии. Эти изменения клеточной и молекулярной активности костей происходили без одновременного снижения СКФ и в отсутствие других явных биохимических нарушений минерального гомеостаза.
Нарушения минерального обмена, потенциально влияющие на целостность костей, были обнаружены у пациентов с НС до развития почечной недостаточности и включают гипокальциемию, снижение всасывания кальция в кишечнике (5,6), низкие уровни циркулирующих метаболитов витамина D (2,3,6 , 7), а иногда и повышение уровня ПТГ (6,9).Кроме того, измененная МПК (3,8) и аномальная гистология кости (9,10) также были зарегистрированы у пациентов с NS и нормальной СКФ. Однако отклонения в МПК и гистологии костей не коррелируют с преобладающими концентрациями ПТГ или метаболитов витамина D (3,9,10). Точно так же сообщения о степени и типе гистологических аномалий костей все еще остаются спорными (9,10,29,30).
Большинство исследований, в которых доступна гистология костей, сообщают об увеличении резорбции кости (9,10) и снижении минерализации (9,29), как у пациентов с хронической болезнью почек с 1 по 3 стадии (10).Однако при неазотемических НП, в отличие от пациентов со сниженной СКФ, сывороточные концентрации фосфора повышаются редко (9,15,30), метаболический ацидоз не наблюдается, а ПТГ в основном нормален (15,29,30). В то время как сывороточные уровни 25OH витамина D3 часто снижаются во время активного НП в результате потери мочи (2), уровни кальцитриола часто остаются нормальными даже у пациентов с остеомаляцией (3,10,29,30). Кроме того, несмотря на гистологические доказательства вторичного гиперпаратиреоза у некоторых пациентов, сывороточные концентрации ПТГ часто нормальны (10,29).Напротив, у некоторых пациентов с повышенным уровнем ПТГ и / или сниженным уровнем метаболитов витамина D гистология костей может быть нормальной или почти нормальной (10,29,30). Следовательно, необходимо учитывать роль других факторов, которые влияют на клеточную активность костной ткани и, следовательно, на гистологию кости.
RANKL, секретируемый в основном остеобластами, необходим для образования остеокластов из его коммитированного предшественника, несущего его рецептор, RANK (16-18). Таким образом, активность остеобластов является важным условием образования остеокластов и резорбции кости.В этом исследовании активность остеобластов первоначально оценивалась путем измерения его фенотипического маркера AP (16). Концентрации AP достигли самых высоких концентраций в лизатах остеобластов, которые инкубировали с сыворотками пациентов с NS во время рецидива, и выдержали значительное снижение (71 ± 68%) во время клинической ремиссии. Экспрессия AP связана со стабилизацией костного матрикса и происходит в фазе созревания дифференцировки остеобластов (31), а их повышенные концентрации в культурах указывают на то, что линии клеток остеобластов, использованные в этих экспериментах, были разработаны надлежащим образом и способны реагировать на условия, использованные в наших исследованиях.
Одновременно с повышенной активностью AP были измеряемые сывороточные концентрации маркеров образования кости (остеокальцин и BSAP) и резорбции кости (NTx), что указывает на активное ремоделирование кости (32). Значительно более низкие концентрации остеокальцина во время рецидива по сравнению с таковыми во время ремиссии и обратная корреляция уровней остеокальцина со степенью протеинурии предполагают относительное снижение костеобразования во время рецидива.
Чтобы оценить дальнейшую активность остеобластов и способность остеобластов поддерживать образование остеокластов, мы исследовали способность клеток остеобластов человека экспрессировать RANKL при инкубации с сыворотками пациентов на различных клинических стадиях активности NS.Повышенная экспрессия RANKL во время рецидива, наряду с более высокой активностью AP и ее существенным ослаблением или отсутствием во время ремиссии, предполагает, что усиление активности остеобластов во время клинической стадии рецидива NS является временным и обратимым. Уровни RANKL в основном стимулируются несколькими гормонами, включая кальцитриол и ПТГ, и регулируются различными цитокинами (33). Из последних IL-1, -6, -11, -15 и -17, а также TNF-α, в основном проостеокластогены, тогда как TGF-β и IL-4, -10, -12, — 13, -18 и кальцитонин являются ингибиторами остеокластогенеза (34).Большинство этих про- и антиостеокластогенных цитокинов действуют главным образом через остеобласты, изменяя уровни RANKL и остеопротегерина, баланс которых определяет общее образование остеокластов. Некоторые цитокины, особенно IL-6, также имеют прямое остеокластическое действие (35). Повышенная активность различных цитокинов в сыворотке и моче, включая IL-1 и IL-6 (19,36), IL-2 и IL-4 (20) и TNF-α (21), была выявлена у пациентов с NS, особенно во время клинической активности их болезни.Хотя это и не оценивалось в этом исследовании, повышенные уровни цитокинов в сыворотке у этих пациентов, особенно во время рецидива их NS, могли быть ответственны за повышенную экспрессию RANKL остеобластами. Стимулирующее действие этих цитокинов на остеобласты, независимо от ПТГ и витамина D, может приводить к ПТГ-подобному резорбтивному эффекту на костные клетки (16,17) и, таким образом, служить объяснением повышенной резорбции кости, наблюдаемой в образцах костной биопсии. пациенты с НС и нормальным уровнем ПТГ (37).Будущие исследования должны включать одновременное определение сывороточных цитокинов, особенно тех, которые способствуют остеокластогенезу. Это исследование не было разработано для оценки механизмов, помимо активации RANKL, которые происходят в остеокласте. Однако повышенная активность внутриклеточного регулирующего сигнального пути NF-κB была продемонстрирована в периферических мононуклеарных клетках пациентов с активными НС (38). Могут ли подобные аномалии иметь место во время активных НС в других популяциях клеток, включая остеокласты, и могут ли повышенные сывороточные концентрации цитокинов влиять на ремоделирование кости через прямые системные механизмы или путем нарушения местных регулирующих сигналов, потребует дальнейшего исследования.
Метаболический ацидоз, еще один фактор, способный стимулировать активность остеобластов за счет активации рецепторов PTH / PTHrP (39) и увеличения экспрессии RANKL (40), не присутствовал у наших пациентов, судя по нормальным концентрациям CO ₂ в сыворотке.
Также необходимо учитывать возможное влияние терапии кортикостероидами на функцию остеобластов. Глюкокортикоиды уменьшают общее количество остеобластов за счет ингибирования остеобластогенеза и увеличения апоптоза зрелых остеобластов (41), что было продемонстрировано в образцах биопсии кости, полученных вскоре после трансплантации почки у пациентов, получавших высокие дозы стероидов (42) и при длительной трансплантации. получатели (43).Значительно сниженные уровни BSAP у наших пациентов, у которых были NS во время ремиссии, но все еще находились на терапии глюкокортикоидами, по сравнению с теми, кто не принимал стероиды, может отражать снижение остеобластогенеза и может привести к уменьшению минеральной массы кости (8,44,45). Исследования продемонстрировали дефектную минерализацию костей и обратную корреляцию между введенной дозой кортикостероидной терапии и скоростью образования кости в биоптатах костей у взрослых (29) и, в последнее время, у детей с NS (37).Однако у детей может наблюдаться сохраненная минеральная масса костной ткани даже вскоре после прекращения периодической терапии высокими дозами глюкокортикоидов для клинически активных НП, что свидетельствует о способности молодого скелета быстро восстанавливать потерю костной массы, вызванную стероидами (46). Глюкокортикоиды могут также увеличивать резорбцию кости, стимулируя остеокластогенез за счет повышенной экспрессии RANKL (47). В нашем исследовании несколько пациентов, получавших стероиды во время ремиссии, демонстрировали ослабленную экспрессию RANKL, как у пациентов, которые не принимали кортикостероиды.Таким образом, у ограниченного числа исследованных пациентов глюкокортикоиды, по-видимому, не играли роли в повышенной экспрессии RANKL.
Наконец, необходимо учитывать роль циклоспорина, поскольку некоторые пациенты, обследованные во время ремиссии, получали этот препарат. Лечение циклоспорином увеличивает метаболизм костной ткани и связано с повышением плазменной концентрации маркеров образования и резорбции костной ткани (48,49). Действительно, во время ремиссии концентрации остеокальцина и NTx были значительно выше, чем в период рецидива.Сначала более высокие значения NTx были неожиданными, потому что они совпадали со снижением уровней AP и экспрессии RANKL. Однако одна треть образцов ремиссии была получена у пациентов, которые принимали циклоспорин, агент, который способен оказывать резорбирующий эффект на кости независимо от активации RANKL, при этом IL-6 является возможным медиатором этого действия (35).
Таким образом, наше исследование демонстрирует, что сыворотка пациентов с NS и нормальной СКФ демонстрирует способность вызывать повышенную активацию остеобластов, которая пропорциональна степени протеинурии.Повышенная активность остеобластов во время рецидива, на что указывает высокая ферментативная концентрация АР и повышенная экспрессия RANKL в культурах нормальных остеобластов человека, заметно ослабляется или отсутствует во время ремиссии. Эти нарушения могут представлять собой важные факторы, способствующие гистологическим аномалиям костей, присутствующим у пациентов с затяжным НС до любого снижения СКФ. Необходимы дальнейшие исследования для выявления возможных факторов, ответственных за повышенную активность остеобластов во время НП.
Благодарности
Это исследование было частично поддержано грантом G-97-008808 Национального фонда Сиенсии, Технологических инноваций Венесуэлы и Фондовой больницы Университарио де Каракас.
Эти данные были частично представлены на ежегодном научном собрании Американского общества нефрологов, Филадельфия, 2 ноября 2002 г.
Мэрилин Э. Фрейндлих оказывала экспертную административную поддержку.
© 2005 Американское общество нефрологии
Ссылки
↵
Goldstein DA, Haldiman B, Shermann D, Norman AW, Massry SG: метаболиты витамина D и метаболизм кальция у пациентов с нефротическим синдромом и нормальной функцией почек.J Clin Endocrinol Metab 52: 116 –121, 1981
↵
Lambert PW, Deoreo PB, Fu IY, Kaetzel DM, Vonahn K, Hollis BW, Roos BA: Метаболиты витамина D3 в моче и плазме при нефротическом синдроме. Metab Bone Dis Relat Res 4: 7–15, 1982
↵
Freundlich M, Bourgoignie JJ, Zilleruelo G, Jacob AI, Canterbury JM, Strauss J: Факторы модуляции костной ткани у нефротических детей с нормальной скоростью клубочковой фильтрации.Педиатрия 76: 280–285, 1985
Alon U, Chan JCM: Гомеостаз кальция и витамина D при нефротическом синдроме: Текущее состояние. Нефрон 36: 1–4, 1984
↵
Лим П., Джейкоб Э., Ток EPC, Пви Х.С.: метаболизм кальция и фосфора при нефротическом синдроме. Q J Med 183: 327–338, 1977
↵
Goldstein DA, Oda Y, Korokawa K, Massry SG: Уровни 25-гидроксивитамина D в крови при нефротическом синдроме.Ann Intern Med 87: 664–667, 1977
↵
Schmidt-Gayk H, Grawunder C, Tschöpe W, Schmitt W, Ritz E, Pietsch V, Andrassy K, Bouillon R: 25-гидроксивитамин D при нефротическом синдроме. Ланцет 2: 105–108, 1977
↵
Lettgen B, Jeken C, Reiners C: Влияние стероидных препаратов на минеральную плотность костей у детей с нефротическим синдромом. Педиатр Нефрол 8: 667–670, 1994
↵
Malluche HH, Goldstein DA, Massry SG: Остеомаляция и гиперпаратироидная болезнь костей у пациентов с нефротическим синдромом.J Clin Invest 63: 494–500, 1979
↵
Tessitore N, Bonucci E, D’Angelo A, Lund B, Corgnati A, Lund B, Valvo E, Lupo A, Loschiavo C, Fabris A, Maschio G: гистология костей и метаболизм кальция у пациентов с нефротическим синдромом и нормальными или снижение функции почек. Нефрон 37: 153–159, 1984
↵
Kuizon BD, Goodman WG, Jüppner H, Boechat I, Nelson P, Gales B, Salusky I. Снижение линейного роста во время прерывистой терапии кальцитриолом у детей, перенесших CCPD.Почки Int 53: 205–211, 1998
↵
Шривастава Т., Саймон С.Д., Алон США: Высокая частота очагового сегментарного гломерулосклероза при нефротическом синдроме у детей. Педиатр Нефрол 13: 13–18, 1999
↵
Бонилла-Феликс М., Парра С., Даджани Т., Феррис М., Суинфорд Р.Д., Портман Р.Дж.: Изменение паттернов гистопатологии идиопатического нефротического синдрома у детей. Почки Инт 55: 1885–1890, 1999
↵
Баум М.А., Стаблин Д.М., Панзарино В.М., Теджани А., Хармон В.Е., Александр С.Р .: Потеря преимущества выживаемости почечного аллотрансплантата от живого донора у детей с фокальным сегментарным гломерулосклерозом.Почки Int 59: 328–333, 2001
↵
Freundlich M, Bourgoignie JJ, Zilleruelo G, Abitbol C, Canterbury JM, Strauss J: метаболизм кальция и витамина D у детей с нефротическим синдромом. J Pediatr 108: 383–387, 1986
↵
Manolagas SC, Jilka RL: Костный мозг, цитокины и ремоделирование кости. Новые сведения о патофизиологии остеопороза. N Engl J Med 332: 305–311, 1995
↵
Хруска К.А., Тейтельбаум С.Л.: Почечная остеодистрофия.N Engl J Med 333: 166–174, 1995
↵
Hofbauer LC, Heufelder AE: Роль активатора рецептора ядерного фактора — лиганда kappaB и остеопротегерина в биологии костных клеток. J Mol Med 79: 243–253, 2001
↵
Saxena S, Mittal A, Andal A: Структура интерлейкинов при нефротическом синдроме с минимальными изменениями в детском возрасте. Нефрон 65: 56–61, 1993
↵
Neuhaus TJ, Wadhwa M, Callard R, Barrat M: Повышенный уровень IL-2, IL-4 и гамма-интерферона (IFN-гамма) при стероид-чувствительном нефротическом синдроме.Clin Exp Immunol 100: 475–479, 1995
↵
Bustos C, Gonzalez E, Muley R, Alonso JL, Egido J: Увеличение синтеза фактора некроза опухоли альфа и экспрессии генов в мононуклеарных клетках периферической крови детей с идиопатическим нефротическим синдромом. Eur J Clin Invest 24: 799–805, 1994
↵
Barnett HL, Schoeneman M, Bernstein J, Edelman CM Jr: нефротический синдром. В: Детская болезнь почек, под редакцией Эдельмана К.М. Младшего, Бостон, Литтл, Браун и Ко., 1978, стр 679–695
↵
Abitbol C, Zilleruelo G, Freundlich M, Strauss J: Количественное определение протеинурии с помощью соотношений протеин / креатинин в моче и случайное тестирование с помощью тест-полосок у нефротических детей. J Pediatr 116: 243–247, 1990
↵
Tommasi M, Bacciottini L, Benucci A, Brocchi A, Passeri A, Saracini D, D’Agata A, Cappelli G: Сывороточные биохимические маркеры обновления костной ткани у здоровых младенцев и детей.Int J Biol Markers 11: 159–164, 1996
↵
Mora S, Pitukcheewanont P, Kaufman FR, Nelson JC, Gilsanz V: Биохимические маркеры обновления костной ткани и объем плотности кости у детей на разных этапах полового развития. J Bone Miner Res 14: 1664–1671, 1999
↵
Герц Б.Дж., Клеменс Д.Д., Голландия С.Д., Юань В., Гринспен С.: Применение нового анализа сыворотки на сшитые коллагеном N-телопептиды типа I: Оценка суточных изменений метаболизма костей с лечением алендронатом и без него.Calcif Tissue Int 63: 102 –106, 1998
↵
Nussbaum SR, Zaradnick RJ, Lavigne JR, Brennan GL, Nozawaung C, Kim LY, Keutman T., Wang CA, Potts JT Jr, Segre GV: высокочувствительный двухцентровый иммунорадиометрический анализ паращитовидных желез и его клиническое применение при оценке пациентов при гиперкальциемии. Clin Chem 33: 1364–1367, 1987
↵
Sabokbar A, Millett PJ, Myer B, Rushton N: быстрый количественный анализ для измерения активности щелочной фосфатазы в остеобластических клетках in vitro.Костяной шахтер 27: 57–67, 1994
↵
Mittal SK, Dash SC, Tiwari SC, Agarwal SK, Saxena S, Fishbane S: гистология костей у пациентов с нефротическим синдромом и нормальной функцией почек. Почки Инт 55: 1912–1919, 1999
↵
Коркор А., Шварц Дж., Бергфельд М., Тейтельбаум С., Авиоли Л., Клар С., Слатопольски Э.: Отсутствие метаболических заболеваний костей у взрослых пациентов с нефротическим синдромом и нормальной функцией почек.J Clin Endocrinol Metab 56: 496–500, 1983
↵
Хуанг Дж. К., Саката Т., Пфлегер Л.Л., Бенчик М., Халлоран Б.П., Бикл Д.Д., Ниссенсон Р.А.: ПТГ по-разному регулирует экспрессию RANKL и OPG. J Bone Miner Res 19: 235–244, 2004
↵
Calvo MS, Eyre DR, Gundberg CM: Молекулярные основы и клиническое применение биологических маркеров метаболизма костной ткани. Endocr Ред. 17: 333–368, 1996
↵
Hofbauer LC, Dunstan CR, Spelsberg TC, Riggs BL, Khosla S. Производство остеопротегерина клетками линии остеобластов человека стимулируется витамином D, костным морфогенетическим белком-2 и цитокинами.Biochem Biophys Res Commun 250: 776–781, 1998
↵
Kurokouchi K, Kambe F, Yasukawa K, Izumi R, Ishiguro N, Iwata H, Seo H: TNF-alpha увеличивает экспрессию генов IL-6 и ICAM-1 за счет активации NF-kappaB в остеобластоподобных ROS17 / 2,8 клетки. J Bone Miner Res 13: 1290–1299, 1998
↵
Adebanjo OA, Moonga BS, Yamate T, Sun L, Minkin C, Abe E, Zaidi M: механизм действия интерлейкина-6 на зрелые остеокласты.Новое взаимодействие с внеклеточной чувствительностью к Ca2 + в регуляции резорбции остеокластической кости. J Cell Biol 142: 1347–1356, 1998
↵
Daniel V, Trautman Y, Konrad M, Nayir A, Scharer K: популяции Т-лимфоцитов, цитокины и другие факторы роста в сыворотке и моче детей с идиопатическим нефротическим синдромом. Clin Nephrol 47: 289–297, 1997
↵
Freundlich M, Joffe M, Goodman WW, Salusky I: Гистология костей у детей, получавших стероиды, с неазотемическим нефротическим синдромом.Педиатр Нефрол 19: 400–407, 2004
↵
Sahali D, Pawlak A, Gouvello SL, Lang P, Valanciute A, Remy P, Loirat C, Niaudet P, Bensman A, Guellaen G: Транскрипционные и посттранскрипционные изменения IkappaBalpha при активном нефротическом синдроме с минимальными изменениями. J Am Soc Nephrol 12: 1648–1658, 2001
↵
Disthabanchong S, Martin KJ, McConkey CL, Gonzalez EA: Метаболический ацидоз активирует рецепторы PTH / PTHrP в UMR 106–01 остеобластоподобных клетках.Почки Int 62: 1171–1177, 2002
↵
Фрик К.К., Бушинский Д.А.: Метаболический ацидоз стимулирует экспрессию РНК лиганда RANK в кости посредством механизма, зависимого от циклооксигеназы. J Bone Miner Res 18: 1317–1325, 2003
↵
Weinstein RS, Jilka RL, Parfitt AM, Manolagas SC: ингибирование остеобластогенеза и стимулирование апоптоза остеобластов и остеоцитов глюкокортикоидами.J Clin Invest 102: 274–282, 1998
↵
Rojas E, Carlini RG, Clesca P, Arminio A, Zuniaga O, Elquezabal K, Weisinger JR, Hruska KA, Bellorin-Font E: Патогенез остеодистрофии после трансплантации почки, обнаруженный по ранним изменениям в ремоделировании кости. Почки Инт 63: 1915–1923, 2003
↵
Monier-Faugere MC, Mawad H, Quanle Q, Friedler RM, Malluche HH: высокая распространенность низкого метаболизма костной ткани и возникновения остеомаляции после трансплантации почки.J Am Soc Nephrol 11: 1093 –1099, 2000
↵
Ольгаард К., Сторм Т., Воверн Н.В., Даугаард Х., Эгфьорд М., Левин Э., Брэнди Л.: вызванный глюкокортикоидами остеопороз поясничного отдела позвоночника, предплечья и нижней челюсти у нефротических пациентов: двойное слепое исследование высоких доз , долгосрочные эффекты преднизона по сравнению с дефлазакортом. Calcif Tissue Int 50: 490–497, 1992
↵
Chesney RW, Mazess RB, Rose P, Jax DK: Влияние преднизона на рост и содержание минералов в костях при заболевании клубочков у детей.Ам Дж. Дис Чайлд 132: 768–772, 1978
↵
Леонард М.Б., Фельдман Х.И., Шульц Дж., Земель Б.С., Фостер Б.Дж., Столлингс В.А.: Долгосрочные, высокие дозы глюкокортикоидов и содержание минералов в костях при детском глюкокортикоид-чувствительном нефротическом синдроме. N Engl J Med 351: 868–875, 2004
↵
Hofbauer LC, Gori F, Riggs BL, Lacey DL, Dunstan CR, Spelsberg TC, Khosla S: Стимуляция лиганда остеопротегерина и ингибирование продукции остеопротегерина глюкокортикоидами в клетках остеобластной линии человека: потенциальные паракринные механизмы глюкокортикостероидного индуцирования.Эндокринология 140: 4382–4389, 1999
↵
Sprague SM: Механизмы потери костной массы, связанной с трансплантацией. Педиатр Нефрол 14: 650–653, 2000
↵
Westeel FP, Mazouz H, Ezaitouni F, Hottelart C, Ivan C, Fardelone P, Brazier M, El Esper I, Petit J, Achard JM, Pruna A, Fournier A: Эффект ремоделирования костной ткани циклоспорином предотвращает стероидную остеопению после трансплантации почки.Почки Инт 58: 1788 –1796, 2000
Гематопоэтические клетки и остеобласты происходят из общего предшественника костного мозга после трансплантации костного мозга
Абстрактные
Кость и костный мозг — это близко расположенные физиологические компартменты, что позволяет предположить, что эти ткани могут представлять собой единую функциональную единицу с общим предшественником костного мозга, который дает начало как остеобластам, так и кроветворным клеткам. Хотя сообщения о многолинейном приживлении стволовыми клетками, происходящими из одного костного мозга, подтверждают эту идею, более свежие данные оспаривают утверждения о трансдифференцировке стволовых клеток и, следовательно, о существовании мультипотентных гематопоэтических / остеогенных клеток-предшественников.Используя анализ репопуляции на мышах, мы показываем здесь, что меченные генами трансплантируемые клетки костного мозга из не прикрепленной к пластику популяции могут генерировать как функциональные остеобласты / остеоциты, так и гемопоэтические клетки. Флуоресцентная гибридизация in situ для X- и Y-хромосом и анализ кариотипа культивируемых остеобластов подтвердили донорское происхождение этих клеток и исключили их образование в процессе слияния. Молекулярный анализ продемонстрировал общий сайт интеграции ретровируса в клоногенных гематопоэтических клетках и остеопрогениторах от каждого из семи исследованных животных, установив общее клональное происхождение этих якобы независимых типов клеток.Наши результаты показывают, что костный мозг содержит примитивные клетки, способные генерировать как гемопоэтические, так и остеоцитарные клоны. Его выделение и характеристика могут предложить новые методы лечения генетических заболеваний костей и травм костей.
Клетки костного мозга вносят вклад во многие различные ткани после системной трансплантации как у мышей, так и у людей (1, 2). Эта способность может отражать только деятельность нескольких дискретных стволовых клеток с ограниченными генетическими программами, таких как гемопоэтические стволовые клетки, способные дифференцироваться в лейкоциты, эритроциты или мегакариоциты и мезенхимальные стволовые клетки, которые могут дифференцироваться в кости, хрящи или жировую ткань (3). .В качестве альтернативы костный мозг может содержать редкие «стволовые клетки костного мозга», способные дифференцироваться в различные ткани, возможно, в ответ на определенные сигналы окружающей среды. Эта парадигма подтверждается выводами Krause et al. (4), что указывает на то, что одна стволовая клетка костного мозга может генерировать как гематопоэтические, так и негематопоэтические клоны. Однако в этом исследовании отсутствовал уникальный молекулярный маркер для подтверждения мультипотентности одиночных трансплантированных стволовых клеток; кроме того, недавние данные показывают, что многие примеры так называемой пластичности развития стволовых клеток могут представлять слияния гемопоэтических стволовых клеток с коммитированными предшественниками негематопоэтических тканей, генерируя клеточные гибриды, которые обладают генетической информацией как донора, так и хозяина (5-8).
Костный мозг и кость представляют собой анатомически смежные ткани, которые демонстрируют параллельные возрастные изменения и имеют несколько общих генетических особенностей (9–11), что указывает на тесную взаимосвязь в развитии. Таким образом, разумная гипотеза состоит в том, что кроветворный костный мозг содержит стволовые клетки с остеогенным потенциалом. С этой идеей согласуется наблюдение, сделанное более десяти лет назад, что неприлипающие клетки костного мозга CD34 могут дифференцироваться в остеобласты (12), а также недавнее сообщение о том, что клетки боковой популяции костного мозга мыши (SP) могут приживаться в кости после трансплантации (13 ).Более того, в наших испытаниях клеточной терапии на людях приживление донорского остеобласта было продемонстрировано после трансплантации неманипулированного костного мозга (14), но процент такого приживления не мог быть улучшен путем трансплантации целых 5 × 10 ⁶ изолированного пластикового прикрепленного костного мозга стромальных клеток на кг массы тела, количество клеток, которое намного превышает содержание стромальных клеток костного мозга необработанного костного мозга (15). Одна из интерпретаций этих наблюдений заключается в том, что клетки, отличные от тех, которые принадлежат к прилипшей популяции, где, как считается, находятся мезенхимальные стволовые клетки (3), являются мощными трансплантируемыми предшественниками остеобластов, что согласуется с лабораторными исследованиями, показывающими, что неприлипающие клетки могут давать начало костей (12). , 13, 16).Мы проверили это предсказание на мышиной модели трансплантации с использованием меченых генами клеток костного мозга и ретровирусного сайт-специфичного ПЦР-анализа.
Методы
Трансдукция и трансплантация клеток костного мозга. Костный мозг промывали из рассеченных бедренных и большеберцовых костей мышей FVB / N (Лаборатория Джексона), и изолированные прилипшие клетки костного мозга трансдуцировали ретровирусным вектором, экспрессирующим GFP (множественность инфекции, ≈5), как описано (17) .В отдельных исследованиях неприлипающие клетки костного мозга, выделенные из 5-дневной культуры ex vivo , в которой прикрепленные клетки прилипли к пластиковой чашке, трансдуцировали тем же ретровирусным вектором, экспрессирующим GFP (эффективность 70–80%), и трансплантировали в 4 клетки. — летально облученным (1100 сГр) мышам FVB / N в возрасте 6 недель (18). На этом этапе исследования 10 ⁶ неприлипающих клеток в 500 мкл PBS вводили в хвостовые вены мышей-реципиентов через ≈4 ч после облучения.
Саузерн-блот-анализ. Геномная ДНК была выделена (набор PureGene, Gentra Systems) из костных фрагментов, которые были тщательно промыты для удаления клеток костного мозга, многократно измельчены и промыты и обработаны коллагеназой для удаления любых остатков клеток крови с использованием той же процедуры, что и при приготовлении. остеобластов (14). ДНК также выделяли из колоний мышиной гемопоэтических колониеобразующих единиц селезенки (CFU-S) и из выращенных в культуре остеобластов и стромальных клеток. Полученные Саузерн-блоты гибридизовали с GFP-специфическим зондом и визуализировали с помощью Storm 860 PhosphorImager (Molecular Dynamics).
Провирусный интеграционный анализ. Обратная ПЦР была выполнена, как подробно описано в другом месте (19), за исключением того, что праймеры B и C были модифицированы для полной комплементарности последовательности вируса стволовых клеток мыши (MSCV), а геномная ДНК была расщеплена нечувствительной к метилированию CpG Taq I эндонуклеаза рестрикции. Последовательности праймеров были следующими: VirA, 5′-TCCATGCCTTGCAAAATGGC-3 ‘; VirB-MSCV, 5’-AGGACCTGAAAATGACCCTGTGCCTTATT-3 ‘; VirC-MSCV, 5’-TTACTTAAGCTAGCTTGCCAAACCTACAGGT-3 ‘; и VirD, 5’-CAACCCCTCACTCGGCGCGCCAGTC-3 ‘.Для анализа сайта интеграции 100 нг ДНК амплифицировали с сайт-специфическими праймерами (прямой, VirB-MSCV, как указано выше; обратный, 5’-AAAGCAAAAACAAAAATGGTTCCCTTTC-3 ‘) в течение 25 циклов при 94 ° C в течение 1 мин, 55 ° C для 1 мин и 72 ° C в течение 1 мин. Продукты ПЦР, содержащие ³² Р-меченых нуклеотидов, анализировали электрофорезом в полиакриламидном геле и визуализировали с помощью Storm 860 PhosphorImager.
ОТ-ПЦР. RT-PCR выполняли с помощью системы Titan One Tube RT-PCR (Roche Applied Sciences) в соответствии с инструкциями производителя.Последовательности праймеров были следующими: -актин, 5′-CATTGTGATGGACTCCGGAGACGG-3 ‘и 5′-CATCTCCTGCTCGAAGTCTAGAGC-3′; CD45, 5’-CTTCGACGGAGAGTTAATGC-3 ‘и 5′-GTCGCCTTAGCTTGACAACA-3′; коллаген I, 5’-GCAATCGGGATCAGTACGAA-3 ‘и 5′-CTTTCACGCCTTTGAAGCCA-3′; остеопонтин, 5’-TCACCATTCGGATGAGTCTG-3 ‘и 5′-ACTTGTGGCTCTGATGTTCC-3′; и остеокальцин 5’-CTCTGTCTCTCTGACCTCACAG-3 ‘и 5′-GGAGCTGCTGTGACATCCATAC-3’. Условия для амплификации: 27 циклов при 94 ° C в течение 1 минуты, 55 ° C в течение 1 минуты и 72 ° C в течение 1 минуты. Продукты, содержащие ³² Р-меченых нуклеотидов, анализировали и визуализировали, как указано выше.
Иммуногистологическое окрашивание. Иммуногистохимическое окрашивание клеток проводили согласно стандартным протоколам. Вкратце, экспрессию GFP в срезах костей и хрящей идентифицировали путем инкубации фиксированных формалином декальцинированных, залитых парафином срезов в течение ночи при 4 ° C с кроличьими антителами против GFP (1: 300) (Molecular Probes). Первичное антитело визуализировали с помощью биотинилированного козьего вторичного антитела против кролика (1-часовая инкубация, комнатная температура, разведение 1: 200) и конъюгированного с пероксидазой авидина (набор ABC, Vector Laboratories) с использованием NovaRED (Vector Laboratories) в качестве субстрат; контрастное окрашивание — гематоксилином Harris (Surgipath Medical Industries, Ричмонд, Иллинойс).Иммуногистохимическое окрашивание коллагена I и коллагена II выполняли с использованием первичных кроличьих антиколлагеновых антител (Chemicon) и визуализировали с использованием биотинилированного козьего вторичного антитела против кролика с последующим введением конъюгированного с пероксидазой авидина с NovaRED в качестве субстрата. Окрашивание остеокальцином проводили с помощью козьего первичного антитела против остеокальцина мыши (Biomedical Technologies, Stoughton, MA) и визуализировали с помощью биотинилированного вторичного антитела осла против козьего вторичного антитела, как указано выше. Для двойного иммуногистохимического окрашивания GFP визуализировали с никелевым DAB (Vector Laboratories) в качестве субстрата.Образцы отрицательного контроля представляли собой серийные срезы костей и хрящей, инкубированные с изотипическими первичными антителами кроличьего IgG (Vector Laboratories) и визуализированные таким же образом, как и экспериментальные образцы. В качестве дополнительного отрицательного контроля срезы костей от животных, которым трансплантировали свежесобранные (нетрансдуцированные) неприлипающие клетки костного мозга, исследовали с первичным антителом кролика против GFP и визуализировали, как указано выше. Фоновое окрашивание не было очевидным.
Изоляция остеобластов. Остеобласты выделяли из кости мыши, как описано для остеобластов человека (14).
Изоляция стромальных клеток. Стромальные клетки были выделены и размножены в культуре, как описано для стромальных клеток человека (14). Были проанализированы адгезивные фибробластные клетки, которые были CD45 ^— / CD11b ^— по данным проточной цитометрии.
Результаты
Трансплантация адгезивных клеток костного мозга. Для разработки подходящего метода анализа трансплантируемых остеопрогениторных клеток и оценки остеопрогениторной способности мезенхимальных стволовых клеток мы выделили прикрепленные к пластику стромальные клетки костного мозга от мышей FVB / N и трансдуцировали их (эффективность 82–93%) вирусом стволовых клеток мыши. (MSCV) ретровирусный вектор, кодирующий GFP (17, 18). Затем клетки (10 ⁶ на мышь) инфузировали смертельно облученным (1100 сГр, n = 3) или сублетально облученным (400 сГр, n = 3) мышам.Проточная цитометрия и ПЦР-анализы периферической крови продемонстрировали отсутствие клеток, трансдуцированных GFP (данные не показаны), что указывает на то, что эти трансплантированные прикрепленные клетки не способствовали восстановлению кроветворения. Доля GFP-положительных остеобластов и остеоцитов, идентифицированная иммуногистохимическим окрашиванием через 3 месяца после трансплантации, варьировалась от 0% до 2% (в среднем 1,5%; нет различий между группами; данные не показаны), что указывает на то, что в системно инфузируемых прикрепленных стромальных клетках костного мозга отсутствуют сильная репопуляционная активность в этой мышиной системе.
Пересаженные неприлипающие клетки костного мозга приживаются в кости. Чтобы проверить гипотезу о том, что трансплантируемые стволовые клетки, способные генерировать коммитированные клетки-остеопрогениторы после системной инфузии, находятся в популяции неприлипающих клеток костного мозга, мы выделили неприлипающие клетки костного мозга и трансдуцировали их ретровирусным вектором, кодирующим GFP (20). Трансдуцированные клетки, экспрессирующие GFP, выделяли путем сортировки клеток с активацией флуоресценции (FACS; чистота> 98%) и трансплантировали смертельно облученным мышам-реципиентам.Через 2-6 месяцев после трансплантации проточно-цитометрический анализ экспрессии GFP показал, что мононуклеарные клетки костного мозга (средний процент с флуоресцентным маркером> 99%), лейкоциты крови (среднее 96%), эритроциты (среднее 92%) и тромбоциты (в среднем 95%) от семи мышей были преимущественно получены из трансдуцированных клеток костного мозга.
Микроскопическая оценка срезов костей этих мышей продемонстрировала GFP-экспрессирующие остеоциты и хондроциты в метафизе / эпифизе и суставном хряще соответственно (рис.1 A — F ). Двойное окрашивание на GFP и коллаген I, остеокальцин или коллаген II (рис. 1 G — I ) указывает на остеогенную и хондрогенную дифференцировку и функцию, а также на приживление трансплантированных клеток костного мозга. Остеокласты, большие многоядерные клетки, полученные из гемопоэтических стволовых клеток, не наблюдались в представленных образцах, но их можно было идентифицировать путем изучения многочисленных срезов [<1% всех костных клеток были остеокластами, что согласуется с опубликованными данными (21)].Сканирование нескольких гистологических срезов выявило в среднем 18% генно-маркированных клеток на 20 полей (диапазон 0–50%; n = 60 полей). Примечательно, что меченные геном клетки наблюдались в кластерах, составляющих до 50% от общего клеточного содержания некоторых участков кости и хряща.
Рисунок 1.
Приживление и дифференцировка трансплантированных неприлипающих клеток к остеоцитам и хондроцитам. Иммуногистохимическое окрашивание пероксидазой хрена демонстрирует экспрессию GFP в костях, хрящах и строме костного мозга. ( A и B ) Эпифиз и суставной хрящ бедренной кости, полученные через 6 месяцев после трансплантации ( A ), и образец отрицательного контроля ( B ). Оригинальное увеличение, × 100. ( C и D ) Увеличенный вид, демонстрирующий экспрессирующие GFP клетки в хряще и кости ( C ) по сравнению с отрицательным контролем ( D ).БМ, костный мозг. Оригинальное увеличение, × 400. ( E и F ) Изображения в высоком разрешении, демонстрирующие отдельные GFP-экспрессирующие остеоциты ( E ) и хондроциты ( F ). Стрелки указывают положительные клетки. Оригинальное увеличение, × 1000. ( G – I ) Двойное иммуногистохимическое окрашивание для демонстрации коэкспрессии GFP (черный) и коллагена I (оранжевый) в остеоцитах ( G ), остеокальцина (оранжевый) в метафизарных остеобластах ( H ) и коллагена II (оранжевый ) в хондроцитах ( I ).Оригинальное увеличение, × 1000.
Уникальная клетка костного мозга способствует росту и крови, и костей. Чтобы выяснить, являются ли те же меченые геном неприлипающие клетки костного мозга, которые восстановили гемопоэз, также предшественниками дифференцированных мезенхимальных тканей, мы выделили 47 вторичных клонов CFU-S, полученных из костного мозга первичного реципиента трансплантата и убитых через 6 месяцев после трансплантации. Саузерн-блот-анализ ДНК, выделенной из этих клонов после переваривания рестрикционными ферментами, выявил три уникальных паттерна, обозначенных типом 1 (3 из 47 клонов; рис.2 А ), тип 2 (43 из 47 клонов; рис.2 A ) и тип 3 (1 из 47 клонов; данные не показаны). Подобный анализ ДНК, выделенной из кости у той же мыши, выявил паттерн рестрикции, который представлял собой композицию паттернов двух колоний CFU-S (рис. 2 A ), что свидетельствует об общем предшественнике остеобластических и гематопоэтических клонов. Сложный паттерн рестрикции в ДНК стромальных клеток предполагает, что многие трансдуцированные, непривязанные предшественники способствовали восстановлению стромы в течение первых 6 месяцев после трансплантации.Хотя кажется, что ни одна из клеток не была произведена конкретными колониями CFU-S, которые мы идентифицировали, нельзя исключить возможность их происхождения из клетки-предшественника, обладающей как гематопоэтическим, так и остеогенным потенциалом.
Рис. 2.
Анализ сайта ретровирусной интеграции клеток CFU-S и негематопоэтической ткани.( A ) ДНК, выделенную из репрезентативных колоний клонов CFU-S типов 1 и 2, сравнивали с ДНК из кости и стромы. Выделенную ДНК (10 мкг) расщепляли указанными рестрикционными ферментами, и полученные блоты гибридизовали с GFP-специфическим зондом. ( B ) ПЦР-анализ с использованием сайт-специфичных праймеров ДНК, выделенных из двух колоний клона CFU-S типа 2, кости и стромы, как указано выше. Звездочкой обозначен клон CFU-S, из которого был выделен сайт интеграции.Никакая ДНК и нормальная ДНК не являются отрицательными контролями. ПЦР-амплификацию β-мажорных последовательностей глобина использовали в качестве контроля качества и количества ДНК. ( Верхний ) Целевая последовательность ПЦР, специфичная для сайта интеграции, изображена схематично. ( C ) Интеграция сайт-специфичной ПЦР, как в B , для двух дополнительных животных. Как указано выше, звездочка указывает клон CFU-S, из которого был выделен сайт интеграции; также показан другой клон CFU-S того же происхождения (по Саузерн-блоттингу).Анализ ДНК из костного мозга, периферической крови и спленоцитов обеспечивает сравнение с другими гемопоэтическими клетками.
Для подтверждения Саузерн-блоттинга, указывающего на общего предшественника гемопоэтических клеток и костных клеток (рис. 2 A ), мы использовали обратную ПЦР для выделения провирусного сайта интеграции на хромосоме 3 в клоне 16, члене преобладающей группы клонов CFU-S (тип 2). Используя сайт-специфические праймеры (рис.2 В ), мы обнаружили предсказанный продукт ПЦР длиной 616 пар оснований из этого клона, а затем подтвердили его присутствие в другом клоне CFU-S с паттерном типа 2 (клон 17). По данным ПЦР-анализа сайт клональной интеграции в гематопоэтических колониях CFU-S также присутствовал в кости.
Эти результаты были расширены путем выделения сайта интеграции из преобладающих клонов CFU-S, идентифицированных с помощью саузерн-блоттинга, у двух дополнительных мышей (рис. 2 C , животные 2 и 3).У животного 2 сайт-специфическая ПЦР амплифицировала ожидаемый продукт длиной 361 п.н. хромосомы 9 в ДНК кости, спленоцитов, костного мозга и периферической крови. У животного 3 продукт длиной 578 п.н. был амплифицирован с хромосомы 1 в спленоцитах, кости и периферической крови. Каждое из четырех дополнительных трансплантированных животных также имело общий сайт гематопоэтической / остеобластной интеграции, как продемонстрировал Саузерн-блот-анализ (Фиг.3 и 4 и данные не показаны)
Инжир.3.
Клональный анализ культивированных остеобластов с помощью сайт-специфической ПЦР. ( A и B ) Графики клеток, отсортированные с помощью FACS, демонстрирующие отсутствие кроветворных (CD45 ⁺ / CD11b ⁺) клеток ( A ) и клеток-предшественников костного мозга (CD34 ⁺) клеток ( B). ). Прямые линии представляют собой культивированные остеобласты; пунктирные линии представляют собой контроль изотипа. ( C ) Окрашивание ализарином красным, выявляющее отложение минералов во внеклеточном матриксе, секретируемого культивированными остеобластами.( D ) Иммунофлуоресцентное окрашивание культивируемых остеобластов на коллаген I. ( E ) График клеток CD45 ^— / CD11b ^— / CD34 ^—, показывающий ≈2% флуоресценции GFP. ( F ) Анализ RT-PCR РНК, выделенной из культивированных остеобластов. ( G ) ПЦР-анализ культивированных остеобластов с сайт-специфическими праймерами.
Инжир.4.
Клональный анализ остеобластов, обогащенных GFP, с помощью сайт-специфической ПЦР и саузерн-блоттинга. ( A ) График клеток CD45 ^— / CD11b ^— / CD34 ^—, проанализированных на флуоресценцию GFP после FACS для обогащения популяции для экспрессии GFP, демонстрирующий гомогенность экспрессии GFP. ( B ) График клеток, отсортированный с помощью FACS, демонстрирующий отсутствие клеток CD45 ⁺ / CD11b ⁺ (кроветворных). ( C ) Анализ RT-PCR на экспрессию остеокальцина чистыми GFP-положительными культивированными остеобластами.( D ) ПЦР-анализ с сайт-специфическими праймерами ДНК из тех же отсортированных остеобластов в C , демонстрирующий общий уникальный сайт интеграции. ( E ) Анализ сайта интеграции CFU-S и остеобластов методом Саузерн-блоттинга после расщепления указанными рестрикционными ферментами и гибридизации с GFP-специфическим зондом. ДНК (5 мкг) выделяли из клона 18 CFU-S, колонии, из которой был первоначально идентифицирован общий сайт интеграции; Клон 21 CFU-S, другая колония от того же животного; и остеобласты, отсортированные с помощью FACS.Общий паттерн интеграции между клоном 18 CFU-S и остеобластами подтверждает, что эти клетки произошли от одного гематопоэтического / остеобластного предшественника.
Отсутствие гемопоэтического загрязнения. Чтобы дополнительно исключить гематопоэтическое заражение как основной источник систематической ошибки в этих анализах, мы получили культивированные митотически активные остеобласты из кости мыши, убитой через 2 месяца после трансплантации, и отсортировали их с помощью FACS, чтобы исключить возможное заражение CD45 ⁺ / CD11b ⁺ (кроветворных) клеток.Последующий проточный цитометрический анализ показал отсутствие CD45 ⁺ / CD11b ⁺ (рис. 3 A ) и клеток CD34 ⁺ (рис. 3 B ). Популяция клеток секретировала внеклеточный матрикс с минерализующей способностью, как показано окрашиванием ализарином красным (рис. 3 C ) и экспрессировал коллаген I, как показано иммуноцитохимическим окрашиванием (фиг. 3 D ). От 1 до 2% отсортированных клеток экспрессировали GFP (донорский маркер; рис.3 E ), что согласуется с нашими результатами предыдущих клинических исследований (14, 22). Анализ ОТ-ПЦР показал, что клетки экспрессировали коллаген I, остеопонтин и остеокальцин, но не CD45 (фиг. 3 F ), что свидетельствует о фенотипе остеобластов без контаминации кровяными клетками. Сайт-специфический ПЦР-анализ продемонстрировал общий сайт интеграции ретровируса в гемопоэтической ДНК и ДНК остеобластов этой мыши (рис. 3 G ).
Для обогащения донорскими клетками мы затем отсортировали остеобласты с помощью FACS на экспрессию GFP, получив популяцию, которая была> 99% GFP-положительной (рис.4 А ). Дальнейший анализ клеток подтвердил отсутствие экспрессии CD45 и CD11b (фиг. 4 B ). Когда CD45 ^— / CD11b ^— / CD34 ^— GFP-положительные клетки были размножены в культуре и проанализированы с помощью ОТ-ПЦР на экспрессию остеокальцина, результаты подтвердили фенотип остеобластов высокообогащенных клеток (рис. 4 ). C ). Сайт-специфический ПЦР-анализ снова продемонстрировал общий сайт интеграции ретровируса в ДНК как из гематопоэтических, так и из остеобластных клеток (рис.4 Д ). Наконец, Саузерн-блот-анализ после расщепления тремя разными рестрикционными ферментами показал общий образец провирусной интеграции (четыре интегранта на клетку) для клона 18 CFU-S и GFP-положительных остеобластов (рис. 4 E ). ), что подтверждает общее клональное происхождение и исключает контаминацию на низком уровне.
Отсутствие сотового слияния. Наконец, чтобы исключить возможность того, что слияние гемопоэтических стволовых клеток с остеопрогениторами могло быть ответственным за эти наблюдения, мы выполнили флуоресцентную гибридизацию in situ для X- и Y-хромосом на культивируемых остеобластах трех мышей, убитых через 2-6 месяцев после трансплантации. (Инжир.5). Все остеобласты ( n = 200 на мышь), включая все донорские клетки (обозначенные Y-хромосомой), содержали 40 хромосом (нормальные мыши), что указывает на то, что слияние клеток не было источником клональной билинейной дифференцировки, наблюдаемой после трансплантации костного мозга. .
Рис. 5.
Репрезентативный цитогенетический анализ культивированных остеобластов.40 хромосом (нормальная мышь) были окрашены в синий цвет 4 ‘, 6-диамидино-2-фенилиндолом (DAPI). Х (красные) и Y (зеленые) хромосомы были идентифицированы флуоресцентной гибридизацией in situ с использованием хромосом-специфичных зондов.
Обсуждение
Наши результаты предоставляют убедительные доказательства того, что уникальная клетка-предшественник, обладающая как гемопоэтическим, так и остеоцитарным потенциалом дифференцировки, находится в непривязанной субпопуляции клеток костного мозга.Этот вывод подтверждается предыдущими исследованиями, показавшими, что как гемопоэтические, так и остеогенные клетки экспрессируют семейство транскрипционных факторов AML / Cbfa / Runx (11), данными in vitro , свидетельствующими о существовании трансформирующего фактора роста β1 (TGF-β1 ). -реагирующий предмезенхимальный / прегематопоэтический предшественник костного мозга (23), а также доказательства того, что эндоглин (CD105), рецептор TGF-β, может служить маркером как мезенхимальных стволовых клеток (24), так и долгосрочных репопулирующих гемопоэтических стволовых клеток (25). , 26).Кроме того, недавно сообщалось, что у мышей sca-1 и -null есть возрастной остеопороз, а также недостаточность кроветворения (9, 10).
Основным преимуществом нашего анализа является использование генной маркировки нормальных клеточных компонентов костного мозга. Анализ сайта ретровирусной интеграции однозначно идентифицирует одну трансдуцированную клетку и все последующее потомство, позволяя отслеживать судьбу отдельных клеток в популяции трансплантированных клеток (27–29).Эта стратегия позволяет критически оценить дифференцировку in vivo по сравнению с результатами, полученными in vitro , которые часто не отражают нормальную клеточную функцию. Более того, использование изолированных клеток костного мозга в наших экспериментах позволило понять биологию нормальной трансплантации клеток костного мозга, что было бы невозможно, если бы клетки подвергались обширной обработке или культивированию ex vivo . Теоретическая возможность того, что интеграция провирусной последовательности в геном могла изменить нормальную биологию клеток-предшественников, весьма маловероятна, поскольку животные с> 99% трансдуцированных мононуклеарных клеток костного мозга сохраняли функциональное приживление как в костном, так и в костном мозге с нормальной клеточностью крови и костного мозга.Кроме того, у животных не было оппортунистических инфекций и гематологических или негематологических злокачественных новообразований. Короче говоря, наши результаты ясно указывают на то, что определенные физиологические клетки-предшественники костного мозга являются источником как гематопоэтических, так и остеоцитарных клонов после трансплантации цельного костного мозга.
Наши иммуногистохимические данные показали равномерное приживление трансплантированных адгезивных клеток во всех гистологических полях, что составляет лишь 1,5% остеоцитов и остеобластов.Трансплантация неприлипающих клеток костного мозга, напротив, дала кластеры донорских клеток, на долю которых приходилось 18% таких костных клеток. Эти данные показывают, что неприлипающие клетки костного мозга обладают более устойчивой (на 1 log больше) активностью по репопуляции костей, чем прикрепленные клетки после системной инфузии, и, что очень важно, существуют две, предположительно разные популяции клеток костного мозга, способные генерировать остеопрогениторы. Один источник может быть более важным для гомеостаза кости, тогда как другой может вносить вклад в остеогенный компартмент в ответ на физиологический стресс или потребность в восстановлении поврежденной кости.
Экспериментальные данные, указывающие на дифференциацию клеток-предшественников костного мозга в гематопоэтические и негематопоэтические клетки, следует интерпретировать с осторожностью. Слияние клеток костного мозга со зрелыми клетками негематопоэтической ткани могло привести к появлению дифференциации стволовых / предшественников, во многом так же, как было показано, что клетки KTLS, высокоочищенные гемопоэтические стволовые клетки мыши (30), сливаются с гепатоцитами (7, 8, 31), а не дифференцировать их, как впервые сообщалось (32).Точно так же трансплантированные клетки костного мозга могут сливаться с нервными элементами с образованием клеток Пуркинье (31), в отличие от трансдифференцировки (33). В нашем анализе мы исключили слияние гематопоэтических и остеоцитарных предшественников, продемонстрировав присутствие донорских (Y-хромосома) остеобластов с диплоидным геномом (рис.5), что подтверждает наше утверждение, что одна клетка-предшественник костного мозга дала начало зрелым клеткам в крови. и кость.
Хотя анализ сайта интеграции ретровируса предоставляет чрезвычайно специфические средства оценки клональности (27–29), низкий уровень загрязнения посторонними клетками может затруднить анализ.Несколько линий доказательств указывают на то, что такое вмешательство не было фактором в настоящем исследовании. Прежде всего, у животного 3 (рис. 2 C ), ДНК, выделенная из стромы и кроветворного мозга, обоих потенциальных источников заражения клеток, не содержала ретровирусных последовательностей с помощью ПЦР-анализа и, следовательно, не могла вносить вклад в сигналы костной ДНК. Во-вторых, два экспериментальных подхода продемонстрировали, что очищенная с помощью FACS популяция остеобластов, экспрессирующих GFP (рис.4 А — С ) содержали клетки, происходящие от предшественника, который также продуцировал кроветворные клетки. ПЦР-анализ продемонстрировал очень сильный сайт-специфический сигнал, указывающий на то, что целевая последовательность представлена в подавляющем большинстве остеобластов (Фиг.4 D ), тогда как Саузерн-блот-анализ выявил единственный GFP-положительный клон, наиболее распространенный в предположительно поликлональной популяции GFP-экспрессирующих остеобластов, который произошел от того же предшественника костного мозга, что и гематопоэтический клон 18 CFU-S (рис.4 E ).
Олмстед-Дэвис и др. . (13) недавно описали приживление длинных костей мыши популяцией трансплантированных SP-клеток костного мозга, которые содержат репопулирующие кроветворные клетки (34). Однако примитивные клетки-предшественники с SP-подобным фенотипом (способность выводить флуоресцентный ДНК-связывающий краситель) были идентифицированы во многих тканях (35), а популяция SP-клеток костного мозга довольно неоднородна в отношении способности исключать краситель. , активность предшественников и экспрессия поверхностных антигенов (34, 36).Это повышает вероятность того, что множественные, разрозненные SP-клетки, которые могут включать ранее описанные CD34-неприлипающие клетки костного мозга (12), способствовали приживлению кости, о чем сообщалось Olmsted-Davis et al . Наши данные, напротив, демонстрируют, что одна маркированная геном клетка костного мозга может приживаться и дифференцироваться как в кровь, так и в кости. Хотя идентифицированные нами клетки-предшественники костного мозга вполне могут находиться в популяции клеток SP, она также может представлять другие популяции гематопоэтических клеток-предшественников (26, 30) или, возможно, является редким и ранее нераспознанным компонентом костного мозга.
Хотя это доказывает принцип, что общий предшественник гематопоэтических и остеоцитарных клонов находится в костном мозге, мы не смогли установить частоту или потенциальную клиническую применимость этой общей клетки-предшественника. Однако надежная регенерация как функциональных гемопоэтических, так и остеоцитарных тканей-мишеней (до 50% костных клеток на некоторых участках) предполагает физиологически важный ответ клеток-предшественников, а не редкое случайное событие, которое типично для большинства случаев «пластичности стволовых клеток» (37 ).Это поразительное приживление меченых клеток-предшественников можно объяснить наблюдениями, что мышиные остеобласты могут рекрутироваться из клеток-предшественников всего за несколько дней в ответ на изменения стрессовых стимулов (38), таких как химиотерапия или облучение. Действительно, наблюдаемое нами устойчивое остеопоэтическое приживление может зависеть от абляционных эффектов радиации на костный мозг (39), хотя эту взаимосвязь необходимо будет оценить в тщательно контролируемых экспериментах по конкурентной репопуляции. Однако мы хотели бы подчеркнуть, что приживление клеток костного мозга у пациентов с генетическими нарушениями костей может быть адекватным без использования препаративного режима (15).
Насколько долговечен регенеративный вклад этой гематопоэтической / остеоцитарной клетки-предшественника? В настоящем исследовании значительная часть остеобластов мышей, убитых через 2-6 месяцев после трансплантации, имела донорское происхождение, как и образцы остеобластов, взятые у пациентов через 3 месяца после трансплантации (14, 22). Однако в долгосрочных исследованиях пациентов с трансплантатами образцы остеобластов были исключительно хозяина (40). Таким образом, восстановление и регенерация кости в ранний посттрансплантационный период, по-видимому, обеспечивается трансплантированными донорскими клетками-предшественниками костного мозга, которые либо приживаются непосредственно в кости, либо привлекаются из костного мозга в кость.Для обычного гомеостаза целостность кости, по-видимому, поддерживается за счет репопуляции клеток, обычно присутствующих в костном микроокружении. Это различие между восстановлением / регенерацией кости и поддержанием будет важным при разработке широко применяемых клеточных методов лечения поврежденной или генетически поврежденной кости.
Благодарности
Мы благодарим доктора Ричарда Ашмуна за проточный цитометрический анализ, Вирджинию Валентайн за цитогенетический анализ, Джона Гилберта за редакционный обзор и г-жуЭнджи Уильямс за помощь в подготовке рукописи. Эта работа была поддержана Благотворительным фондом Дорис Дьюк наградой за развитие ученых-клиницистов T99102B; Награда K08-HL0420 для ученых-клиницистов Национального института сердца, легких и крови; Онкологический центр Национального института рака поддерживает грант CORE P30-CA-21765; и Американско-ливанская сирийская ассоциация благотворительных организаций.
Сноски
↵ § Кому обращаться в: Отделение трансплантации стволовых клеток и экспериментальной гематологии, Санкт-Петербург.Детский исследовательский госпиталь Джуда, Mail Stop 321, 332 North Lauderdale Street, Memphis, TN 38105. Электронная почта: edwin.horwitz {at} stjude.org.
Сокращения: SP — боковая заселенность; КОЕ-С, кроветворная колониеобразующая единица-селезенка; FACS, сортировка клеток с активацией флуоресценции.
Copyright © 2004, Национальная академия наук
38.2B: Типы клеток в костях
Последнее обновление
Сохранить как PDF
Ключевые моменты
Ключевые термины
Остеобласты, остеокласты, остеоциты и костные клетки-остеопрогениторы отвечают за рост, формирование и поддержание костей.
Цели обучения
Различать четыре типа клеток в кости
Кость состоит из четырех типов клеток: остеобластов, остеокластов, остеоцитов и остеопрогениторных (или остеогенных) клеток. Каждый тип клеток имеет уникальную функцию и находится в разных местах в костях. Остеобласт, костная клетка, отвечающая за формирование новой кости, находится в растущих частях кости, включая надкостницу и эндост. Остеобласты, которые не делятся, не синтезируют и не секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция.Когда секретируемый матрикс, окружающий остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке внутри него. В результате он меняет структуру, становясь остеоцитом, первичной клеткой зрелой кости и наиболее распространенным типом костной клетки. Каждый остеоцит расположен в пространстве (лакуне), окруженном костной тканью. Остеоциты поддерживают минеральную концентрацию матрикса за счет секреции ферментов. Как и в случае с остеобластами, остеоциты не обладают митотической активностью. Они могут общаться друг с другом и получать питательные вещества через длинные цитоплазматические отростки, которые проходят через canaliculi (единичный = canaliculus), каналы внутри костного матрикса.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Типы костных клеток : Таблица, в которой перечислены функции и расположение четырех типов костных клеток. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Четыре типа костных клеток : В костной ткани обнаружены четыре типа клеток. Остеогенные клетки недифференцированы и развиваются в остеобласты. Когда остеобласты попадают в кальцифицированный матрикс, их структура и функция изменяются; они становятся остеоцитами. Остеокласты развиваются из моноцитов и макрофагов и отличаются по внешнему виду от других костных клеток.
Если остеобласты и остеоциты неспособны к митозу, то как они пополняются, когда умирают старые? Ответ кроется в свойствах третьей категории костных клеток: остеогенных клеток. Эти остеогенные клетки недифференцированы с высокой митотической активностью; они единственные костные клетки, которые делятся. Незрелые остеогенные клетки находятся в глубоких слоях надкостницы и костного мозга. Когда они дифференцируются, они превращаются в остеобласты. Динамический характер кости означает, что новая ткань постоянно образуется, в то время как старая, поврежденная или ненужная кость растворяется для восстановления или высвобождения кальция.Клеткой, ответственной за резорбцию или разрушение кости, является остеокласт, который находится на поверхности кости, является многоядерным и происходит из моноцитов и макрофагов (два типа лейкоцитов), а не из остеогенных клеток. Остеокласты постоянно разрушают старую кость, в то время как остеобласты постоянно образуют новую кость. Постоянный баланс между остеобластами и остеокластами отвечает за постоянное, но тонкое изменение формы кости.
Ключевые моменты
Остеогенные клетки — единственные костные клетки, которые делятся.
Остеогенные клетки дифференцируются и развиваются в остеобласты, которые, в свою очередь, отвечают за формирование новых костей.
Остеобласты синтезируют и секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция.
Когда область, окружающая остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке и трансформируется в остеоцит, наиболее распространенный и зрелый тип костной клетки.
Остеокласты, клетки, которые разрушают и реабсорбируют кость, происходят из моноцитов и макрофагов, а не из остеогенных клеток..
Существует постоянный баланс между остеобластами, образующими новую кость, и остеокластами, разрушающими кость.
Ключевые термины
остеокласт : большая многоядерная клетка, связанная с резорбцией кости
остеоцит : зрелая костная клетка, участвующая в поддержании костей
osteoprogenitor : стволовая клетка, которая является предшественником остеобласта
canaliculus : любой из множества небольших каналов или протоков в кости или в некоторых растениях
надкостница : мембрана, окружающая кость
эндост : мембранный сосудистый слой клеток, выстилающий костномозговую полость кости
лакуна : небольшое отверстие; небольшая ямка или углубление; небольшое пустое пространство; пробел или вакансия; перерыв
остеобласт : одноядерная клетка, из которой развивается кость
Экспрессия йодтиронин дейодиназы 2 типа в остеобластах человека стимулируется тиротропином
Ссылки
11 ноября 1977 г. · Наука · Дж. Э. Сильва, PR Ларсен
1 июля 1979 г. · Эндокринология · HH SamuelsJ Casanova
Май
1976 · Аналитическая биохимия · М.М. Брэдфорд
29 декабря 1989 г. · Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях · Y NagayamaB Rapoport
29 декабря 1989 г. · Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях · F LibertG Vassart
1 апреля 1989 г. · Journal of Bone and Минеральные исследования: Официальный журнал Американского общества исследований костей и минералов · BA LeBronJ M Hershman
1 сентября 1988 г. · Эндокринология · M MurakamiM Mori
1 мая 1988 г. · Эндокринология · DL St Germain
1 января 1987 г. · Журнал клинических исследований · AC Bianco, JE Silva
1 марта 1984 г. · Эндокринология · JL LeonardP R Larsen
1 ноября 1980 г. · Эндокринология · JL Leonard, IN Rosenberg 900 03
10 ноября, 1995 · Журнал биологической химии · Дж. К. Дэви В. А. Гальтон
1 июля 1995 г. · Европейский журнал эндокринологии · М. Мураками М. Мори
1 февраля 1995 г. · Журнал исследований костей и минералов: Официальный журнал Американское общество исследований костей и минералов · SA HarrisT C. Spelsberg
1 июля 1994 г. · Журнал клеточной биохимии · NC PartridgeA T Pearman
1 октября 1993 г. · Журнал эндокринологии · TJ Allain, AM McGregor
1 января , 1994 · Эндокринология · JM BrittoG C Nicholson
1 апреля 1993 г. · Американский медицинский журнал · MT McDermott, EC Ridgway
1 августа 1996 г. · Эндокринология · D SalvatoreP R Larsen
15 июля 1996 г. · The Journal of Клинические исследования · W CroteauD L St Germain
15 августа 1996 г. · Журнал клинических исследований · D SalvatoreP R Larsen
1 мая 1996 г. · Европейский журнал клинических исследований · TJ AllainA M McGregor
15 ноября 1996 г. · The Журнал Клини Cal Investigation · M MurakamiM Mori
18 июля 1997 г. · Журнал биологической химии · S PalludD L St Germain
3 декабря 1998 г. · Журнал клинических исследований · J SteinsapirP R Larsen
6 марта 1999 г. · Эндокринология · Y KamiyaM Mori
30 декабря, 1999 · Эндокринология · Т БартаП Р. Ларсен
6 апреля 2000 · Журнал исследований костей и минералов: Официальный журнал Американского общества исследований костей и минералов · GS Belinsky, AH Tashjian
17 февраля 2001 г. · Исследование кровообращения · H MizumaM Mori
22 февраля 2001 г. · Эндокринология · M MurakamiM Mori
21 июня 2001 г. · Эндокринология · M MurakamiM Mori
27 июня 2001 г. · Журнал биологической химии · C CurcioA C Bianco
28 июня 2001 г. · Физиологические обзоры · PM Yen
10 июля 2001 г. · Щитовидная железа: Официальный журнал Американской ассоциации щитовидной железы · T NagashimaA Morikawa
5 февраля 2002 г. · Молекулярная генетика и метаболизм · Clare B HarveyGraham R Уильямс
15 февраля 2002 г. · Обзоры эндокринной системы · Антонио К. БьянкоП Рид Ларсен
5 сентября 2002 г. · Журнал исследований биомедицинских материалов · CH LohmannZ Schwartz
22 января 2003 г. · Пептиды · H HamadaN Tajima
10 сентября 2003 г. · Эндокринология · Осаму АракиМасами Мураками
22 октября 2003 г. · Камера · Дебора Вейс Новак
22 октября 2003 г. · Камера · Эцуко Абемоне Заиди
1 января 2000 г. 8 апреля 2006 г. · Osteoporosis International: журнал, созданный в результате сотрудничества между Европейским фондом остеопороза и Национальным фондом остеопороза США · T MajimaK Nakao
8 июня 2012 г. · Молекулярная и клеточная биохимия · G RamajayamN Srinivasan
7 апреля 2010 г. · Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки · Дж. Х. Дункан Бассетт Грэм Р. Уильямс
15 июля 2006 г. · Щитовидная железа: Официальный вестник Америки rican Thyroid Association · KA HeemstraJ WA Smit
29 июня 2010 г. · Thyroid: Official Journal of the American Thyroid Association · Терри Ф. Дэвис-Рауф Латиф
3 сентября 2010 г. · Питание и обмен веществ · Тина З БелсингУлла Фельдт-Расмуссен
, 2013 · Исследования щитовидной железы · Моника А Эрколано Алисия Т Гауна
28 июля 2012 г. · Индийский журнал эндокринологии и метаболизма · Раман К. Марваха Кунтал Бхадра
20 июня 2013 г. · Международный журнал медицинских наук · Кок-Йонг Чинван Зурина Ван Нга
24 августа 2013 г. · Международный журнал эндокринологии · Jagoda GorkaTerra Arnason
20 сентября 2012 г. · Европейский журнал эндокринологии · Marloes LouwerensOlaf M Dekkers
7 августа 2012 г. · Североамериканский журнал медицинских наук · Ren-De LiuHeng Zhang
9 апреля 2008 г. · Европейский журнал эндокринологии · Карен А. Хемстра Йоханнес В. Смит
16 декабря 2011 г. · Тенденции в эндокринологии и метаболизме: ТЕА · Джулиан А. Вонг-Грэм Р. Уильямс
90 002 23 августа 2011 г. · Медицинские гипотезы · Цзян СунШемин Лу
3 июня 2008 г. · Молекулярная и клеточная эндокринология · Эрика Л. Соуза МейерАна Луиза Майя
10 июля 2007 г. · Ветеринарные клиники Северной Америки.Практика мелких животных · Патрисия А. Шенк
5 декабря 2015 г. · Границы эндокринологии · Рудольф Хурманн, Йоханнес В. Дитрих
4 августа 2007 г. · Клиники эндокринологии и метаболизма Северной Америки · Джейсон А. Векслер, Джон Шарретс
2 августа 2007 г. · Клиническая эндокринология · S SusperreguyC G Pellizas
7 сентября 2007 г. · Клиническая эндокринология · Wendy M van der DeureTheo J Visser
5 марта 2010 г. · Журнал исследований костей и минералов: Официальный журнал Американского общества исследований костей и минералов · Карен А. Хемстра, Йоханнес В. Смит,
, 6 сентября 2005 г. · Атеросклероз · Такаюки Касахара, Масами Мураками,
,
, 7 ноября 2009 г. · Международный журнал исследований окружающей среды и общественного здравоохранения · Кок-Йонг ЧинСоэлайман Има-Нирвана
19 декабря 2015 г. · PloS One · Тэ Хёк КимСон Ук Ким
6 апреля 2007 г. · Клинический эндокринол ogy · Робин П.