Остеобласт - Osteoblast
| Остеобласт | |
|---|---|
Остеобласты (фиолетовые), окаймляющие костную спикулу (розовые - по диагонали изображения). В этой обычно фиксированной и декальцинированной (без костного минерала) ткани остеобласты втянуты и отделены друг от друга и от подлежащего матрикса. В живой кости клетки связаны плотными контактами и щелевыми контактами и интегрированы с нижележащими остеоцитами и окрашиванием H&E матрикса . | |
 Иллюстрация, показывающая одиночный остеобласт
| |
| Подробности | |
| Место нахождения | Кость |
| Функция | Формирование костной ткани |
| Идентификаторы | |
| Греческий | остеобласт |
| MeSH | D010006 |
| TH | H2.00.03.7.00002 |
| FMA | 66780 |
|
Анатомические термины микроанатомии | |
Остеобласты (от греческого сочетания форм « кость », ὀστέο-, остео- и βλαστάνω, blastanō «прорастают») - это клетки с одним ядром, которые синтезируют кость . Однако в процессе костеобразования остеобласты функционируют группами связанных клеток. Отдельные клетки не могут образовывать кость. Группа организованных остеобластов вместе с костью, образованной единицей клеток, обычно называется остеоном .
Остеобласты - это специализированные, терминально дифференцированные продукты мезенхимальных стволовых клеток . Они синтезируют плотный, сшитый коллаген и специализированные белки в гораздо меньших количествах, включая остеокальцин и остеопонтин , которые составляют органический матрикс кости.
В организованных группах связанных клеток остеобласты продуцируют гидроксилапатит - костный минерал , который откладывается строго регулируемым образом в органический матрикс, образуя прочную и плотную минерализованную ткань - минерализованный матрикс. Минерализованный скелет - основная опора для тел позвоночных, дышащих воздухом . Это важный запас минералов для физиологического гомеостаза, включая кислотно-щелочной баланс и поддержание кальция или фосфата .
Костная структура
Скелет является большой орган , который формируется и разрушается в течение всей жизни в дышащих воздухом позвоночных. Скелет, часто называемый скелетной системой, важен как в качестве опорной структуры, так и для поддержания уровня кальция, фосфата и кислотно-основного статуса во всем организме. Функциональная часть кости, костный матрикс , полностью внеклеточная. Костный матрикс состоит из белков и минералов . Белок образует органическую матрицу. Он синтезируется, а затем добавляется минерал. Подавляющее большинство органического матрикса - это коллаген , который обеспечивает прочность на разрыв . Матрица минерализована отложением гидроксиапатита (альтернативное название гидроксилапатит). Этот минерал твердый и обеспечивает прочность на сжатие . Таким образом, коллаген и минерал вместе представляют собой композитный материал с превосходной прочностью на растяжение и сжатие, который может сгибаться под действием напряжения и восстанавливать свою форму без повреждений. Это называется упругой деформацией . Силы, превышающие способность кости вести себя эластично, могут вызвать отказ, как правило, переломы костей .
Ремоделирование костей
Кость - это динамическая ткань, которая постоянно изменяется остеобластами , которые производят и секретируют матричные белки и транспортируют минералы в матрицу, а также остеокласты , которые разрушают ткани.
Остеобласты
Остеобласты являются основным клеточным компонентом кости. Остеобласты возникают из мезенхимальных стволовых клеток (МСК). МСК дают начало остеобластам, адипоцитам и миоцитам среди других типов клеток. Подразумевается, что количество остеобластов обратно пропорционально количеству адипоцитов костного мозга, которые составляют жировую ткань костного мозга (ЖТК) . Остеобласты в большом количестве обнаруживаются в надкостнице , тонком слое соединительной ткани на внешней поверхности костей и в эндосте .
Обычно почти весь костный матрикс у дышащих воздухом позвоночных минерализуется остеобластами. Прежде чем органический матрикс минерализован, он называется остеоидом . Остеобласты, похороненные в матриксе, называются остеоцитами . Во время формирования кости поверхностный слой остеобластов состоит из кубовидных клеток, называемых активными остеобластами . Когда костеобразующая единица не синтезирует кость активно, поверхностные остеобласты уплощаются и называются неактивными остеобластами . Остеоциты остаются живыми и связаны клеточными отростками с поверхностным слоем остеобластов. Остеоциты играют важную роль в поддержании скелета.
Остеокласты
Остеокласты - это многоядерные клетки, которые происходят от гематопоэтических клеток-предшественников в костном мозге, которые также дают начало моноцитам периферической крови. Остеокласты разрушают костную ткань и вместе с остеобластами и остеоцитами образуют структурные компоненты кости. В полости внутри костей находится множество других типов клеток костного мозга . Компоненты, которые необходимы для образования костной ткани остеобластов, включают мезенхимальные стволовые клетки (предшественники остеобластов) и кровеносные сосуды, которые поставляют кислород и питательные вещества для образования кости. Кость - это ткань с большим количеством сосудов, и активное образование клеток кровеносных сосудов, в том числе из мезенхимальных стволовых клеток, необходимо для поддержания метаболической активности кости. Баланс между образованием костной ткани и резорбцией кости с возрастом имеет тенденцию быть отрицательным, особенно у женщин в постменопаузе, что часто приводит к потере костной ткани, достаточно серьезной, чтобы вызвать переломы, что называется остеопорозом .
Остеогенез
Кость образуется в результате одного из двух процессов: эндохондрального окостенения или внутримембранозного окостенения . Эндохондральная оссификация - это обычный процесс образования кости из хряща. Эта форма развития костей является более сложной формой: она следует за образованием первого хрящевого скелета, состоящего из хондроцитов , который затем удаляется и заменяется костью, образованной остеобластами. Внутримембранозное окостенение - это прямое окостенение мезенхимы, которое происходит во время образования перепончатых костей черепа и других.
Во время остеобластов дифференциации , развивающиеся клетки - предшественники экспрессируют регуляторной фактор транскрипции Cbfa1 / Runx2 . Второй необходимый фактор транскрипции - фактор транскрипции Sp7 . Остеохондропрогениторные клетки дифференцируются под влиянием факторов роста , хотя изолированные мезенхимальные стволовые клетки в культуре ткани могут также образовывать остеобласты в разрешающих условиях, которые включают витамин С и субстраты для щелочной фосфатазы , ключевого фермента , обеспечивающего высокие концентрации фосфата в месте отложения минералов.
Костные морфогенетические белки
Ключевые факторы роста в эндохондральной дифференцировке скелета включают морфогенетические белки кости (BMP), которые в значительной степени определяют, где происходит дифференцировка хондроцитов и где остаются промежутки между костями. Система замещения хряща костью имеет сложную регуляторную систему. BMP2 также регулирует формирование раннего скелетного паттерна. трансформирующий фактор роста бета (TGF-β) является частью суперсемейства белков, которые включают BMP, которые обладают общими сигнальными элементами в сигнальном пути TGF β . TGF-β особенно важен для дифференцировки хряща , которая обычно предшествует образованию кости для эндохондральной оссификации. Дополнительным семейством важных регуляторных факторов являются факторы роста фибробластов (FGF), которые определяют, где скелетные элементы располагаются по отношению к коже.
Стероидные и белковые гормоны
Многие другие регуляторные системы участвуют в переходе хряща в кость и в поддержании костей. Особенно важным гормональным регулятором, нацеленным на кости, является паратиреоидный гормон (ПТГ). Гормон паращитовидной железы - это белок, вырабатываемый паращитовидной железой под контролем активности кальция в сыворотке крови. ПТГ также выполняет важные системные функции, в том числе поддерживает почти постоянную концентрацию кальция в сыворотке крови независимо от потребления кальция. Повышение содержания кальция в пище приводит к незначительному увеличению кальция в крови. Однако это не значительный механизм, поддерживающий образование костной ткани остеобластов, за исключением состояния с низким содержанием кальция в пище; Кроме того, чрезмерно высокий уровень кальция в рационе повышает риск серьезных последствий для здоровья, не связанных напрямую с костной массой, включая сердечный приступ и инсульт . Прерывистая стимуляция ПТГ увеличивает активность остеобластов, хотя ПТГ является бифункциональным и опосредует деградацию костного матрикса при более высоких концентрациях.
Скелет также модифицируется для размножения и в ответ на стрессы, связанные с питанием и другими гормонами ; он реагирует на стероиды , включая эстроген и глюкокортикоиды , которые важны для репродукции и регуляции энергетического обмена. Обмен костной ткани включает значительные затраты энергии на синтез и разложение, включая множество дополнительных сигналов, включая гормоны гипофиза . Два из них - адренокортикотропный гормон (АКТГ) и фолликулостимулирующий гормон . Физиологическая роль ответов на эти и некоторые другие гликопротеиновые гормоны до конца не изучена, хотя вполне вероятно, что АКТГ является бифункциональным, как ПТГ, поддерживая формирование кости с периодическими выбросами АКТГ, но вызывая разрушение кости в больших концентрациях. У мышей мутации, снижающие эффективность индуцированной АКТГ продукции глюкокортикоидов в надпочечниках, вызывают уплотнение скелета ( остеосклеротическая кость).
Организация и ультраструктура
В хорошо сохранившейся кости, изученной при большом увеличении с помощью электронной микроскопии , показано, что отдельные остеобласты связаны плотными соединениями , которые предотвращают прохождение внеклеточной жидкости и, таким образом, создают костный компартмент, отдельный от общей внеклеточной жидкости. Остеобласты также связаны щелевыми соединениями , небольшими порами, которые соединяют остеобласты, позволяя клеткам одной когорты функционировать как единое целое. Щелевые соединения также соединяют более глубокие слои клеток с поверхностным слоем ( остеоциты, когда они окружены костью). Это было продемонстрировано непосредственно путем инъекции флуоресцентных красителей с низким молекулярным весом в остеобласты и демонстрации того, что краситель диффундировал к окружающим и более глубоким клеткам в костеобразующей единице. Кость состоит из многих таких единиц, которые разделены непроницаемыми зонами без клеточных связей, называемыми цементными линиями.
Коллаген и вспомогательные белки
Почти весь органический (неминеральный) компонент кости состоит из плотного коллагена I типа, который образует плотные сшитые веревки, придающие кости прочность на разрыв. По механизмам, до сих пор не выясненным, остеобласты секретируют слои ориентированного коллагена, причем слои, параллельные длинной оси кости, чередуются со слоями, расположенными под прямым углом к длинной оси кости через каждые несколько микрометров . Дефекты коллагена I типа вызывают наиболее частое наследственное заболевание костей, называемое несовершенным остеогенезом .
Незначительные, но важные количества мелких белков, включая остеокальцин и остеопонтин , секретируются в органический матрикс кости. Остеокальцин не экспрессируется в значительных концентрациях, за исключением кости, и, таким образом, остеокальцин является специфическим маркером синтеза костного матрикса. Эти белки связывают органический и минеральный компоненты костного матрикса. Белки необходимы для максимальной прочности матрикса из-за их промежуточного расположения между минералом и коллагеном.
Однако у мышей, у которых экспрессия остеокальцина или остеопонтина была устранена путем целенаправленного нарушения соответствующих генов ( нокаутные мыши ), накопление минералов не было заметно затронуто, что указывает на то, что организация матрикса не имеет существенного отношения к транспорту минералов.
Кость против хряща
Примитивный скелет - это хрящ , твердая бессосудистая (без кровеносных сосудов) ткань, в которой встречаются отдельные клетки, секретирующие хрящевой матрикс, или хондроциты . Хондроциты не имеют межклеточных связей и не скоординированы в единицах. Хрящ состоит из сети коллагена типа II, удерживаемого в напряжении водопоглощающими белками, гидрофильными протеогликанами . Это скелет взрослой особи хрящевых рыб, например акул . Он развивается как начальный скелет у более продвинутых классов животных.
У дышащих воздухом позвоночных хрящ заменяется клетчатой костью. Переходная ткань - это минерализованный хрящ . Хрящ минерализуется за счет массовой экспрессии ферментов, продуцирующих фосфаты, которые вызывают высокие локальные концентрации кальция и фосфата, которые выпадают в осадок. Этот минерализованный хрящ не является плотным или прочным. У дышащих воздухом позвоночных он используется в качестве основы для образования клеточной кости, образованной остеобластами, а затем удаляется остеокластами , которые специализируются на разложении минерализованной ткани.
Остеобласты образуют костный матрикс усовершенствованного типа, состоящий из плотных кристаллов неправильной формы гидроксиапатита , окружающих коллагеновые нити. Это прочный композитный материал, позволяющий формировать каркас в основном в виде полых труб. Превращение длинных костей в трубы снижает вес, сохраняя при этом силу.
Минерализация кости
Механизмы минерализации до конца не изучены. Флуоресцентные низкомолекулярные соединения, такие как тетрациклин или кальцеин, прочно связываются с минералами кости при введении в течение коротких периодов времени. Затем они накапливаются узкими полосками в новой кости. Эти полосы проходят через непрерывную группу костеобразующих остеобластов. Они залегают на узком ( субмикрометровом ) фронте минерализации. На большинстве поверхностей костей не происходит образования новой кости, поглощения тетрациклина и образования минералов. Это убедительно свидетельствует о том, что облегченный или активный транспорт , координируемый через костеобразующую группу, участвует в формировании кости, и что происходит только клеточно-опосредованное образование минералов. То есть диетический кальций не создает минералы массовым действием.
Механизм минералообразования в кости четко отличается от филогенетически более древнего процесса минерализации хряща: тетрациклин не маркирует минерализованный хрящ на узких участках или в определенных местах, а диффузно, в соответствии с механизмом пассивной минерализации.
Остеобласты отделяют кость от внеклеточной жидкости плотными контактами за счет регулируемого транспорта. В отличие от хряща, фосфат и кальций не могут перемещаться внутрь или наружу путем пассивной диффузии, потому что плотные соединения остеобластов изолируют пространство для образования кости. Кальций транспортируется через остеобласты с помощью облегченного транспорта (то есть с помощью пассивных транспортеров, которые не перекачивают кальций против градиента). Напротив, фосфат активно продуцируется комбинацией секреции фосфатсодержащих соединений, включая АТФ , и фосфатаз, которые расщепляют фосфат для создания высокой концентрации фосфата на фронте минерализации. Щелочная фосфатаза - это заякоренный в мембране белок, который является характерным маркером, экспрессирующимся в больших количествах на апикальной (секреторной) стороне активных остеобластов.
Задействован как минимум еще один регулируемый транспортный процесс. Стехиометрия костного минерала в основном в том , что из гидроксиапатита осаждая из фосфата, кальция и воды при слегка щелочной рН :
6 HPO42− + 2 H2O + 10 Ca2+ ⇌ Ca10(PO4)6(OH)2 + 8 H+
В закрытой системе по мере осаждения минералов кислота накапливается, быстро понижая pH и останавливая дальнейшее осаждение. Хрящ не представляет собой барьера для диффузии, поэтому кислота диффундирует прочь, позволяя продолжаться осаждению. В остеоне, где матрикс отделен от внеклеточной жидкости плотными контактами, этого не может произойти. В контролируемом герметичном отделении удаление H + приводит к осаждению в самых разнообразных внеклеточных условиях, пока кальций и фосфат доступны в матриксном отделении. Механизм прохождения кислоты через барьерный слой остается неясным. Остеобласты обладают способностью к обмену Na + / H + через резервные обменники Na / H, NHE1 и NHE6. Этот обмен H + является основным элементом удаления кислоты, хотя механизм, с помощью которого H + транспортируется из матричного пространства в барьерный остеобласт, неизвестен.
При удалении кости обратный транспортный механизм использует кислоту, доставленную в минерализованный матрикс, чтобы перевести гидроксиапатит в раствор.
Обратная связь остеоцитов
Обратная связь от физической активности поддерживает костную массу, а обратная связь от остеоцитов ограничивает размер костеобразующей единицы. Важным дополнительным механизмом является секреция скрытыми в матриксе остеоцитами склеростина , белка, который ингибирует путь, поддерживающий активность остеобластов. Таким образом, когда остеон достигает предельного размера, он деактивирует синтез кости.
Морфология и гистологическое окрашивание
Окрашивание гематоксилином и эозином (H&E) показывает, что цитоплазма активных остеобластов является слегка базофильной из-за значительного присутствия грубого эндоплазматического ретикулума . Активный остеобласт производит значительное количество коллагена типа I. Около 10% костного матрикса составляет коллаген с остаточным минералом. Ядро остеобласта сферическое и крупное. Активный остеобласт морфологически характеризуется выраженным аппаратом Гольджи, который гистологически проявляется как прозрачная зона, прилегающая к ядру. Продукты клетки в основном предназначены для транспортировки в остеоид, неминерализованный матрикс. Активные остеобласты могут быть помечены антителами к коллагену I типа или с использованием нафтолфосфата и диазониевого красителя Fast Blue для непосредственной демонстрации активности фермента щелочной фосфатазы .
Остеобласт (окраска Райта Гимзы, 100x)
Свет микрофотография из декальцированной губчатой кости отображения остеобластов активно синтезируя остеоид, содержащий два остеоцитов.
Световая микрофотография некальцинированной ткани, на которой видны остеобласты, активно синтезирующие остеоид (в центре).
Световая микрофотография некальцинированной ткани, на которой видны остеобласты, активно синтезирующие рудиментарную костную ткань (в центре).
Остеобласты, выстилающие кость (окраска H&E).
Выделение остеобластов
- Первый метод выделения методом микродиссекции был первоначально описан Fell et al. с использованием костей конечностей цыпленка, которые были разделены на надкостницу и оставшиеся части. Она получила клетки, обладающие остеогенными характеристиками, из культивированной ткани с использованием костей конечностей цыпленка, которые были разделены на надкостницу и оставшиеся части. Она получила клетки, обладающие остеогенными характеристиками, из культивированной ткани.
- Ферментативное расщепление - один из самых передовых методов выделения популяций костных клеток и получения остеобластов. Peck et al. (1964) описали оригинальный метод, который сейчас часто используется многими исследователями.
- В 1974 г. Джонс и др. обнаружили, что остеобласты перемещаются латерально in vivo и in vitro в различных экспериментальных условиях, и подробно описали метод миграции. Однако остеобласты были загрязнены клетками, мигрирующими из сосудистых отверстий, которые могли включать эндотелиальные клетки и фибробласты.
Смотрите также
использованная литература
дальнейшее чтение
- Уильям Ф. Нойман и Маргарет В. Нойман. (1958). Химическая динамика костного минерала. Чикаго: Издательство Чикагского университета. ISBN 0-226-57512-8 .
- Неттер, Фрэнк Х. (1987). Костно-мышечная система: анатомия, физиология и метаболические нарушения . Саммит, Нью-Джерси: Ciba-Geigy Corporation ISBN 0-914168-88-6 .