Остеобласт

редактировать
Остеобласт
Гиперкальциемия кости - обрезано - очень высокое mag.jpg Остеобласты (фиолетовый), обрамляющие костную спикулу (розовый - по диагонали изображения). В этой обычно фиксированной и декальцинированной (удаленной костным минералом) ткани остеобласты втянуты и отделены друг от друга и от подлежащего матрикса. В живой кости клетки связаны плотными соединениями и щелевыми соединениями и интегрированы с нижележащими остеоцитами и матрицей окрашивание HE.
Клетки, образующие костную ткань - Остеобласты 3 - Smart-Servier.png Иллюстрация, показывающая один остеобласт
Подробности
МестоположениеКость
ФункцияФормирование костной ткани
Идентификаторы
Греческий остеобласт
MeSH D010006
TH H2.00.03.7.00002
FMA 66780
Анатомические термины микроанатомии. [редактировать в Викиданных ]

Остеобласты (от греческого объединяющие формы для «кости ", ὀστέο-, остео- и βλαστάνω, blastanō" прорастают ") - это клетки с одним ядром, которые синтезируют кость. Однако в процессе формирования кости 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 прочный и прочный плотная минерализованная ткань - минерализованный матрикс. Минерализованный скелет является основной опорой тел дышащих воздухом позвоночных. Это важный запас минералов для физиологического гомеостаза, включая кислотно-щелочной баланс и кальций или фосфат для поддержания.

Содержание

  • 1 Структура кости
  • 2 Ремоделирование кости
    • 2.1 Остеобласты
    • 2.2 Остеокласты
  • 3 Остеогенез
    • 3.1 Костные морфогенетические белки
    • 3.2 Стероидные и белковые гормоны
  • 4 Организация и ультраструктура
  • 5 Коллаген и дополнительные белки
  • 6 Кость по сравнению с хрящом
  • 7 Минерализация кости
  • 8 Обратная связь остеоцитов
  • 9 Морфология и гистологическое окрашивание
  • 10 Выделение остеобластов
  • 11 См. Также
  • 12 Ссылки
  • 13 Дополнительная литература
  • 14 Внешние ссылки

Структура кости

Скелет - это большой орган, который сформирован и разрушен на всем протяжении жизнь у дышащих воздухом позвоночных. Скелет, часто называемый скелетной системой, важен как опорная структура, 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 белка и минерала. Белок образует органическую матрицу. Он синтезируется, а затем добавляется минерал. Подавляющее большинство органического матрикса состоит из коллагена, который обеспечивает предел прочности. 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, обычно переломы костей.

Ремоделирование кости

Кость - это динамическая ткань, которая постоянно преобразуется остеобластами, которые производят и секретируют матричные белки и транспортируют минералы в матрикс, и 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 находится в воздухе. дыхание позвоночных минерализовано остеобластами. Прежде чем органический матрикс минерализован, он называется остеоидом. Остеобласты, скрытые 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 представляют собой многоядерные клетки, которые происходят из гемопоэтических предшественников в костном мозге, которые также дают начало моноцитам в 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 (предшественник 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 костеобразования и резорбции 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: эндохондральная оссификация или внутримембранозная оссификация. Эндохондральная оссификация - это процесс образования кости из хряща, и это обычный метод. Эта форма развития костей является более сложной формой: она следует за образованием первого скелета из хряща, состоящего из хондроцитов, который затем удаляется и заменяется кость, образованная остеобластами. Внутримембранозное окостенение - это прямое окостенение мезенхимы, которое происходит при формировании мембранных костей черепа и др.

Во время дифференцировки остеобластов , развивающиеся клетки-предшественники экспрессируют регуляторный фактор транскрипции Cbfa1 / Runx2. Вторым необходимым фактором транскрипции является фактор транскрипции Sp7. Остеохондропрогениторные клетки дифференцируются под влиянием факторов роста, хотя изолированные мезенхимальные стволовые клетки в культуре ткани также могут образовывать остеобласты в благоприятных условиях, которые включают витамин C и субстраты для щелочной фосфатазы, ключевого фермента, который обеспечивает высокие концентрации фосфата в месте отложения минералов.

Костные морфогенетические белки

Ключевые факторы роста в эндохондральной дифференцировке скелета включают костные морфогенетические белки (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 пути передачи сигналов TGF beta. TGF-β особенно важен в дифференцировке хряща, которая обычно предшествует образованию кости для эндохондральной оссификации. Дополнительным семейством важных регуляторных факторов является факторы роста фибробластов (FGF), которые определяют, где скелетные элементы встречаются по отношению к коже

Стероидные и белковые гормоны

Многие другие регуляторные системы участвуют в переходе от хряща к кости и поддержании костей. Особенно важным гормональным регулятором, нацеленным на кости, является паратироидный гормон (ПТГ). Гормон паращитовидной железы - это белок, вырабатываемый паращитовидной железой под контролем активности кальция в сыворотке. 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 рационе 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 воспроизводства и в ответ на пищевые и другие гормональные стрессы; он реагирует на стероиды, включая эстроген и глюкокортикоиды, которые важны для воспроизводства и регуляции энергетического обмена. Обмен костной ткани включает большие затраты энергии на синтез и разложение, включая множество дополнительных сигналов, включая гормоны гипофиза. Двумя из них являются адренокортикотропный гормон (АКТГ) и фолликулостимулирующий гормон. Физиологическая роль ответов на эти и несколько других гликопротеиновых гормонов до конца не изучена, хотя вполне вероятно, что АКТГ является бифункциональным, как ПТГ, поддерживая формирование кости с периодическими всплесками 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 сохранившаяся кость, изученная при большом увеличении с помощью электронной микроскопии, показано, что отдельные остеобласты соединены плотными контактами, которые предотвращают прохождение внеклеточной жидкости и тем самым создают костный компартмент отделен 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, окруженные костью). Это было продемонстрировано непосредственно путем введения флуоресцентных красителей с низкой молекулярной массой в остеобласты и демонстрации того, что краситель диффундировал к окружающим и более глубоким клеткам в костеобразующей единице. Кость состоит из множества таких единиц, которые разделены непроницаемыми зонами без клеточных связей, называемыми цементными линиями.

Коллаген и вспомогательные белки

Практически весь органический (неминеральный) компонент кости представляет собой плотный коллаген типа I, который образует плотные сшитые нити, придающие кости ее предел прочности. По механизмам, которые до сих пор неясны, 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 несовершенный остеогенез.

Незначительное, но важное количество небольших белков, включая остеокальцин и остеопонтин, секретируется в органическом матриксе 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 промежуточной локализации между минералом и коллагеном.

Однако у мышей, у которых экспрессия остеокальцина или остеопонтина была устранена путем целенаправленного нарушения работы соответствующих генов (нокаутные мыши ), накопление минералов не было заметно затронуто, что указывает на то, что организация матрикса нарушена. не имеет существенного отношения к транспорту минералов.

Кость по сравнению с хрящом

Примитивный скелет - это хрящ, твердая бессосудистая (без кровеносных сосудов) ткань, в которой секретируется отдельный хрящ клетки или хондроциты. Хондроциты не имеют межклеточных связей и не скоординированы в единицах. Хрящ состоит из сети коллагена типа II, удерживаемой в напряжении водопоглощающими белками, гидрофильными протеогликанами. Это скелет взрослой особи хрящевых рыб, таких как акулы. Он развивается как начальный скелет у более продвинутых классов животных.

У дышащих воздухом позвоночных хрящ заменен 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 производят костный матрикс усовершенствованного типа, состоящий из плотных кристаллов неправильной формы гидроксиапатита, упакованных вокруг коллагеновых нитей. 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 полосами в новой кости. Эти полосы проходят через смежную группу остеобластов, образующих кость. Они встречаются на узком (микрометра ) фронте минерализации. На большинстве поверхностей костей не происходит нового костного образования, поглощения тетрациклина и образования минералов. Это убедительно свидетельствует о том, что облегченный или активный транспорт, скоординированный в группе формирования кости, 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 в узких полосах или в определенных местах, а диффузно, в соответствии с механизмом пассивной минерализации.

Остеобласты отделяют кость от внеклеточной жидкости плотными контактами с помощью регулируемого транспорта. В отличие от хряща, фосфат и кальций не могут перемещаться внутрь или наружу посредством пассивной диффузии, потому что плотные стыки 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 представляет собой заякоренный в мембране белок, который является характерным маркером, экспрессирующимся в больших количествах на апикальной (секреторной) поверхности активных остеобластов.

Основные особенности костеобразующего комплекса, остеона, состоящего из остеобластов и остеоцитов.

Вовлечен по крайней мере еще один регулируемый транспортный процесс. стехиометрия костного минерала в основном соответствует стехиометрии гидроксиапатита, осаждаемого из фосфата, кальция и воды в слабощелочной pH :

6 HPO 4 + 2 H 2 O + 10 Ca ⇌ Ca 10 (PO 4)6(OH) 2 + 8 H

В закрытой системе в виде минеральных осадков скапливается кислота, быстро понижая pH и останавливая дальнейшее осаждение. Хрящ не представляет собой барьера для диффузии, и поэтому кислота диффундирует прочь, позволяя продолжить осаждение. В остеоне, где матрикс отделен от внеклеточной жидкости плотными контактами, это не может В контролируемом герметичном отсеке удаление H вызывает преципитацию в самых разных внеклеточных условиях, пока в матриксном отсеке доступны кальций и фосфат. Механизм, с помощью которого кислота проходит через барьерный слой, остается неопределенным. Остеобласты обладают способностью к Обмен Na / H через резервные обменники Na / H, NHE1 и NHE6. Этот обмен H является основным элементом i n удаление кислоты, хотя механизм, с помощью которого H транспортируется из матричного пространства в барьерный остеобласт, не известен.

При удалении кости обратный транспортный механизм использует кислоту, доставляемую в минерализованный матрикс для перевода гидроксиапатита в раствор.

Обратная связь остеоцитов

Обратная связь от физической активности поддерживает костную массу, в то время как 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 (HE) показывает, что цитоплазма активных остеобластов немного базофильный 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 округлое 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 диазония красителя Fast Blue для непосредственной демонстрации активности фермента щелочной фосфатазы .

Выделение остеобластов

  1. 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 цыплят, которые были разделены на надкостницу и оставшиеся части. Она получила клетки, которые обладали остеогенными характеристиками, из культивированной ткани.
  2. Ферментативное расщепление - один из самых передовых методов выделения популяций костных клеток и получения остеобластов. Peck et al. (1964) описал оригинальный метод, который сейчас часто используется многими исследователями.
  3. В 1974 году Jones et al. 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.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

  • 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, нарушения обмена веществ. Саммит, Нью-Джерси: Ciba-Geigy Corporation ISBN 0-914168-88-6.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-01 03:56:39
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте