Клітинні елементи кісткових тканин

Згідно з існуючими уявленнями, вихідної клітинної формою для клітин як кісткових, так і хрящових тканин є плюрипотентні мезенхимальная стовбурова клітина (МСК).

Походження остеокластів пов'язують зі стовбурної гемопоетичної кліткою і походить від неї кліткою-попередницею мієлопоез. Остання визначає кілька ліній клітинної диференціювання і, зокрема, моноцитарна лінію.

Морфологія основних типів клітин кісткових тканин

Остеогенні клітини-попередники-преостеобласти. Остеогенні клітини-попередники - похідні мезенхімальних стовбурових стромальних клітин (МСК) кісткового мозку. Вони є родоначальниками декількох типів клітин-попередників преостеобластов. Такі клітини вже коммітірованних тільки для освіти остеобластів. На процес подальшої трансформації преостеобластов в остеобласти впливають багато факторів, серед яких: лужна фосфатаза, кістковий морфогенетичний білок (BMP) і ін. Зберігаючи здатність до проліферації, преостеобласти починають синтезувати компоненти кісткового матриксу.

В організмі дорослої людини преостеобласти знаходяться в кісткових каналах, у внутрішньому шарі окістя (періості), а також серед клітин ендоста (ендостальна клітини). Вважають, що ще одним джерелом преостеобластов є васкулярній перицитам. Особливо велика кількість преостеобластов виявляється в процесі розвитку кісток скелета плода.

Остеобласти. Остеобласти - це клітини, що формують, що будують кісткову тканину і підтримують її в нормальному стані.

СМ дає уявлення про остеобластів як про великих (20- 40 мкм) кубічних або циліндричних клітинах з ексцентрично розташованим ядром, базофильной цитоплазмой, яке свідчить про при гістохімічних реакціях велику кількість РНК. Найбільш характерними структурами, які виявляються при ТЕМ, є ГЕС (канали і цистерни з тонкофібріллярной субстанцією всередині), а також розвинений комплекс Гольджі з вакуолями, заповненими дрібногранулярна аморфним речовиною. У остеобластів також описані великі мітохондрії, численні везикули поблизу клітинної мембрани, лізосоми (первинні і вторинні) і мікрофіламенти.

Остеобласти - неоднорідна популяція. Вони відрізняються по ультраструктурі, биосинтетической активності, локалізації в розвивається кістки і по стосункам з матриксом кісткової тканини. Використовуючи ці показники, Н.В. Родіонова виділила чотири основні типи клітин, між якими є перехідні форми.

Остеобласти I типу - молоді клітини, за структурою близькі до преостеобластам. Гистохимические показники свідчать про високу активність в них лужноїфосфатази, а так же здатності включати мічені Н3-уридин, Н3 - гліцин, S35. Останнє вказує на інтенсивну продукцію остеобластами колагену і сульфатованих ГАГ.

Остеобласти III типу - гіпертрофовані клітини, які мають великі розміри і містять грудочки гетерохроматину в ядрах. Для таких клітин характерно, що розширені канали ГЕС складають основний обсяг цитоплазми. ГЕС у таких остеобластів являє собою систему великих цистерн, заповнених продуктом синтезу - колагеном (звідси одна з їхніх назв - «депо колагену»). Остеобласти III типу - остання стадія розвитку остеобластичного ряду клітин з результатом в деструкцію і загибель. Деструкції клітин передує викид вмісту цистерн ГЕС в екстрацелюлярне простір. Вважають, що остеобласти III типу зайняті не стільки біосинтезу органічного матеріалу, скільки евакуацією вже накопиченого продукту за межі клітини.

Зазначаються в окремих ділянках кістки, де йде згасання остеогенетіческіх процесів, остеобласти IV типу (покояться клітини). Для них характерна витягнута форма, менш розвинена ГЕС, велика кількість лізосом. Остеобласти цього типу розташовуються в безпосередній близькості від фронту кальцифікації. Гистохимические показники також свідчать про нижчий рівень секреторних процесів в остеобластів IV типу в порівнянні з остеобластами I, II, III типів.

Остеоцити. Остеоцити - це високодиференційовані клітини - основний тип клітин кісткової тканини. Структура ГЕС і рибосом вказує на функціональну активність клітин.

Головна роль остеоцитів полягає в забезпеченні нормального функціонування кісткової тканини.

Між мембраною остеоцитів і стінкою лакуни є простір, зване періостеоцітарним. Це простір заповнений інтерстиціальної рідиною. Загальна площа періостеоцітарних просторів у людини оцінюється від 1000 до 50 000 кв. м, а загальний обсяг інтерстиціальної рідини становить 1-1,5 л.

Остеокласти. Остеокласти - дуже великі рухомі багатоядерні клітини розміром до 20-100 мкм.

Наявність на мембранах цих клітин специфічних макрофагальні рецепторів вказує на походження їх від клітин макрофагальної лінії диференціювання. Утворюються остеокласти при злитті декількох клітин моноцитарного ряду. Вважають, що при утворенні остеокластів кількість ядер у них збільшується, в тому числі за рахунок малодиференційовані одноядерних клітин того ж генезу. Механізм, в результаті якого відбувається утворення гігантського многоядерного остеокластів, залишається поки невідомим.

При збільшенні числа і / або активності остеокластів під впливом різноманітних факторів виникає ряд захворювань, обумовлених посиленням загальної або місцевої резорбції кісткової тканини. Серед цих захворювань найбільш часто зустрічається остеопороз.

Деякі біохімічні параметри кісткових клітин

Остеобласти. Остеобласти називають вдосконаленим, або ускладненим, фібробластів. «Ускладнення» чітко виявляється на молекулярному рівні. При зіставленні (за допомогою мікронабір комплементарної ДНК) експресії генів культивованими остеобластами і фібробластами людини встановлено, що з 7,5 тис. Досліджених генів 95% експресуються з приблизно однаковою інтенсивністю, проте для 5% генів виявлені відмінності. У остеобластів виявлена ​​значно більш інтенсивна, ніж у фібробластів, експресія 15 білків екстрацелюлярного матриксу; тільки один білок з цієї групи більш активно експресуватися фибробластами. Остеобласти відрізняються також більш високою активністю генів, що кодують білки цитоскелету, які необхідні для упаковки і транспорту секретується макромолекул матриксу, а також білків, які беруть участь у апоптозу (запрограмованої загибелі клітин).

Найсуттєвішим генетичним регулятором диференціації остеобластів є ген CBFal, що кодує специфічний для остеобластів фактор транскрипції Cbfal (інша назва - Runx2). Cbfal необхідний і зрілим остеобласти для підтримки їх фенотипу.

Відомий ще один ген, необхідний для подальшої нормальної биосинтетической діяльності остеобластів - це ген LRP5. Нульова мутація цього гена викликає у мишей зменшення кісткової маси внаслідок пригнічення проліферації та активності остеобластів; цей ефект проявляється незалежно від експресії Cbfal. Крім того, в регуляції биосинтетической активності зрілого остеобласта беруть участь, зокрема, ген c-Src і фактор транскрипції Mitf.

Основні функції остеобластів можна, в самій загальній формулюванні, визначити як секреторні: диференційований остеобласт, втративши здатність до мітотичного поділу, зосереджується на синтезі і секреції макромолекулярних компонентів екстрацелюлярного матриксу кісткової тканини. Особливості біохімічного фенотипу остеобластів полягають в експресії специфічних макромолекул. Перелік зазначених макромолекулярних компонентів включає головний колаген кісткової тканини - великий фібрилярний колаген I типу, який в мінералізованих тканинах відрізняється деякими структурними особливостями, дуже важливими в функціональному відношенні. До цього переліку входять неколагенові білки (глікопротеїни) остеокальцин, остеонектін, остеопонтин, матричний Gla-білок, кістковий сіалоглікопротеін, специфічні цитокіни та фактори росту і пов'язаний з мембраною остеобласта фермент лужна фосфатаза. Всі ці компоненти в сукупності розглядаються як маркери фенотипу остеобластів.

Формування даного фенотипу (або диференціація остеобластів) - процес, що вимагає певного часу. Експресія окремих маркерів починається до завершення остеобластической диференціації клітин. Остеокальцин є маркером, що вказує на завершення процесу остеобластической диференціації клітин, коли відбувається остаточне перетворення остеобласта в остеоціт.

На більш ранній стадії диференціації остеобластів, коли експресія специфічного для цієї клітини фактора транскрипції Cbfal вже чітко виражена, а реакція на остеокальцин ще негативна, специфічним маркером остеобласта є секреторний білок остеокрін. Цей невеликий білок мовляв. м. 11,4 кДа виявляється виключно в кістковій тканині, де його експресія досягає максимуму незабаром після народження, а потім поступово знижується з віком. У культивованих остеобластів експресія остеокріна збігається за часом з інтенсивним формуванням екстрацелюлярного матриксу.

Головна функція остеобластів - продукування і секреція органічного екстрацелюлярного матриксу кісткової тканини. Крім того, остеобласти, цілком ймовірно, також залучений в процес мінералізації і регулює побудову супрамолекулярної архітектоніки матриксу, так що у визначенні остеобласта як Кісткоутворюючі клітини, або «архітектора скелета», немає перебільшення. Остеобласти, і саме вони, створюють кісткову тканину.

З екстрацелюлярний матриксом остеобласт взаємодіє за допомогою трансмембранних глікопротеїнів - интегринов. Набір интегринов, експрессіруемих остеобластів, своєрідний. У регуляції експресії генів має значення вплив матриксу на остеобласти.

У взаємодії остеобластів з матриксом бере участь також розташований на мембрані цитоплазми (але позбавлений на відміну від интегринов трансмембранного домену) специфічний для остеобластів білок - специфічний фактор остеобластів-2 (OSF-2), або періостіном. Функція цього білка, що складається з 811 амінокислотних залишків, розглядається як адгезивная.

Остеоцити. Остеоцити - це завершили цикл свого розвитку остеобласти, замуровані в товщі мінералізованою кісткового матриксу, не є абсолютно пасивними в метаболічному відношенні. Вони мають рецептори до гормонів (паратиреоїдного гормон, андрогенні та естрогенні гормони) і, отже, здатні реагувати на гормональні імпульси. Остеоцити, як і остеобласти (і навіть більше у реальному часі), експресують білок (фосфоглікопротеін) екстрацелюлярного матриксу, відомий під назвою остеобластичного / остеоцитарного фактора 45 (OF 45) або МІРІ. Можливо, що цей фактор тотожний іншому фактору - склеростіну, який кодується геном SOST, активність якого висока у остеоцитів; його роль, очевидно, полягає в обмеженні активності остеобластів і зростання кісток.

Особливістю остеоцитів є наявність відростків (в середньому кожна клітина має близько 60 відростків), що з'єднують клітини між собою через мережу канальців, які пронизують мінералізований матрикс. У складі структурних компонентів цих відростків містяться спеціалізовані білки міжклітинних зв'язків - коннексіни. Таким чином, остеоцитів не є ізольованими клітинами, а організовані в мережу остеоцитів, що сполучається також з розташованими на поверхні кістки остеобластами. Цю мережу розглядають як інформаційну систему, в якій остеоцитам, здатним сприймати механічні імпульси, належить сенсорна роль. Механічна деформація кістки при навантаженні викликає деформацію і зміни конформації сенсорних білкових рецепторів клітинної мембрани остеоцитів. Припускають також, що при цьому посилюється надходження іонів кальцію в клітини. Ці зміни на рівні трансмембранних рецепторів впливають на пов'язані з рецепторами білки, що в свою чергу змінює конформацію білків цитоскелету, в тому числі актініна, і далі - білків нуклеоскелета остеоцитів. Так здійснюється передача механічних імпульсів до генетичного апарату остеоцитів. Цю ланцюг сигналів називають механотрансдукціей.

На збільшення механічного навантаження остеоцитів реагують певними функціонально-біохімічними проявами. Вони виконують не тільки сенсорну, але і ефекторних функцію. Механічний вплив на кістку конвертується в серію біохімічних реакцій. Встановлено деякі гени, експресія яких посилюється при такому впливі. Ці гени названі генами, чутливими до механічних навантажень. При механічному навантаженні на кістку наголошується посилена експресія остеоцитами одного з глікопротеїнів екстрацелюлярного матриксу - тенасціна С. Таким чином стимулюється ремоделирование кісткової тканини, що забезпечує биомеханическую адаптацію структури кісток до падаючих на них механічних навантажень. Такий в сучасному розумінні механізм дії закону Вольфа про відповідність макроструктури кістки біомеханічних умов її функціонування.

Остеокласти. Що стосується остеокластів, то для іхдіфференціаціі з моноцитів крові необхідні, щонайменше, 2 фактора. По-перше, це один з циркулюючих білкових факторів росту-фактор, що стимулює утворення колоній макрофагів (M-CSF). По-друге, це секретується фактор білкової природи, присутній на цитоплазматичної мембрані остеобластів, а також клітин строми кісткового мозку та активованих Т-лімфоцитів. Вихідний від нього сигнал стимулює диференціацію остеокластів і підвищує їх функціональну активність.

Далі процес диференціації остеокластів контролюється генами c-Fms і M-CSF, які особливо активні на початковій стадії диференціації. Пізніше активно експресуються гени, що кодують фактори транскрипції C-fos, PU-1, NF-кВ, RANK, Fra-1.

Місцеві фактори стимуляції активності остеокластів вивчені недостатньо. На процес утворення остеокластів і їх активність впливають також інтерлейкіни.

Функція остеокластів прямо протилежна функції остеобластів: вони резорбують кісткову тканину. Починаючи резорбцію, остеокласт поляризується; його мембрана, звернена до поверхні кістки, набуває Ворсинчасті будова. У мембрані ворсинок збільшується кількість каналів для іонів хлору і підвищується активність транспортує водневі іони аденозінтріфосфатази V типу. Ця мембрана утворює замкнутий простір у поверхні кістки, в яке клітина виділяє іони хлору, Подкисляющие середу до рН 4,5. В такому середовищі розчиняються кристали гідроксиапатиту, і органічний матрикс кісткової тканини, зокрема колагенові білки, стає доступним для дії протеолітичних ферментів; активізується великий комплекс лізосомальних гідролаз остеокластів; найважливішою з цих гідролаз є катепсини К.

В здійснюється остеокластами деструкції кісткової тканини бере участь і фермент тартратрезістентная кисла фосфатаза (TRAP), член сімейства лізосомальних кислих фосфатаз. TRAP потрапляє в сироватку крові. Визначення рівня активності її в сироватці використовують в клінічній практиці для кількісної оцінки деструкції кісток. Кислу фосфатазу використовують також в якості чутливої ​​мітки для гистохимической ідентифікації остеокластів.

Продукти деструкції кісткової тканини поглинаються остеокластів шляхом ендоцитозу і транспортуються внутрішньоклітинними везикулами (бульбашками) до протилежної (вільної) поверхні клітини. На цьому шляху звільняються амінокислоти утилізуються для синтезу нових білкових макромолекул, але специфічні для кісткового колагену I типу фрагменти макромолекул, в яких локалізовані утворюються на посттрансляционной стадії фибриллогенеза поперечні зв'язку, не можуть бути утилізовані повторно. Вони потрапляють в циркулює кров і виводяться з сечею. Їх екскреція відображає інтенсивність метаболізму кісткової тканини.

У регулюванні функції остеокластів істотна роль належить, крім перерахованих вище, ще двом факторам - фосфорильованій сіалоглікопротеіну остеопонтін і іншому глікопротеїну - остеопротегеріна. Остеопонтін синтезується головним чином остеобластами і сприяє закріпленню остеокластів до поверхні кістки. Експерименти з вимиканням гена остеопонтіна у мишей показали, що дефіцит остеопонтіна викликає зміни цитоскелета остеокластів і порушення експресії трансмембранних рецепторів, що супроводжуються порушеннями рухливості клітини. Протилежно спрямованим впливом на функцію остеокластів володіє остеопротегеріна. Він діє в ролі помилкового рецептора для RANKL. Пов'язуючи RANKL, остеопротегеріна блокує остеокластогенез, що призводить до уповільнення резорбції кісток.