Кіріспе
Остеобластар (грек тілінен аударғанда "сүйек", ὀστέο, osteo және βλαστάνω, blastanō "өсіру") – сүйекті синтездейтін, бір ядролы жасушалар. Дегенмен, сүйек қалыптасу процесінде остеобластар байланысқан жасушалар тобы ретінде жұмыс істейді. Жеке жасушалар сүйек жасай алмайды. Ұйымдастырылған остеобластар тобы, жасушалар бірлігімен жасалған сүйекпен бірге, әдетте остеон деп аталады. Остеобластар – мезенхималық дің жасушаларының арнайы, толық дифференциацияланған түрі. Олар тығыз, байланысқан коллагенді және арнайы белоктарды, соның ішінде сүйектің органикалық матрицасын құрайтын остеокальцин мен остеопонтинді, анағұрлым аз мөлшерде синтездейді. Ұйымдастырылған, байланысы жоқ жасушалар тобында остеобластар гидроксиапатит – сүйек минералын, өте реттелген түрде органикалық матрицаға енгізеді, нәтижесінде берік және тығыз минералдық тінді, минералды матрицаны құрайды. Минералды скелет – ауамен тыныс алатын омыртқалы жануарлардың негізгі тірегі. Бұдан бөлек, ол физиологиялық гомеостаз үшін маңызды минералдар қоры болып табылады, оның ішінде қышқылдық-негіздік тепе-теңдікті және кальций немесе фосфатты сақтауды қамтамасыз етеді.
Osteoblasts (from the Greek combining forms for "bone", ὀστέο , osteo and βλαστάνω, blastanō "germinate") are cells with a single nucleus that synthesize bone. However, in the process of bone formation, osteoblasts function in groups of connected cells. Individual cells cannot make bone. A group of organized osteoblasts together with the bone made by a unit of cells is usually called the osteon. Osteoblasts are specialized, terminally differentiated products of mesenchymal stem cells. They synthesize dense, crosslinked collagen and specialized proteins in much smaller quantities, including osteocalcin and osteopontin, which compose the organic matrix of bone. In organized groups of disconnected cells, osteoblasts produce hydroxyapatite, the bone mineral, that is deposited in a highly regulated manner, into the organic matrix forming a strong and dense mineralized tissue, the mineralized matrix. The mineralized skeleton is the main support for the bodies of air breathing vertebrates. It is also an important store of minerals for physiological homeostasis including both acid base balance and calcium or phosphate maintenance.
Сүйек құрылысы
Скелет – ауамен тыныс алатын омыртқалы жануарларда өмір бойы қалыптасып, ыдырайтын үлкен ағза. Скелет, көбінесе скелет жүйесі деп аталады, организмнің тірегі ретінде және кальций, фосфат және қышқылдық-негіздік тепе-теңдікті сақтауда маңызды рөл атқарады. Сүйектің функционалдық бөлігі – сүйек матрицасы – толығымен жасушадан тыс кеңістікте орналасқан. Сүйек матрицасы ақуыз бен минералдан тұрады. Ақуыз органикалық матрицаны құрайды. Ол синтезделеді, содан кейін минерал қосылады. Органикалық матрицаның көп бөлігі – коллаген, ол созылуға төзімділікті қамтамасыз етеді. Матрица гидроксиапатит (немесе гидроксилапатит) шөгуі арқылы минералданады. Бұл минералдың қаттылығы қысымға төзімділікті береді. Осылайша, коллаген мен минералдың бірігуі өте жақсы созылу және қысымға төзімділік қасиеттеріне ие композиттік материалды құрайды, ол деформацияға ұшырағанда иіліп, зақымданбастан бастапқы пішініне орала алады. Бұл – серпімді деформация. Сүйектің серпімділік шегінен асып түсетін күштер жарылуға, әдетте сүйек сынуына әкелуі мүмкін.
Сүйектерді қайта құру
Сүйек – динамикалық тінді, остеобластар мен остеокластар үнемі өзгертіп отырады. Остеобластар матрицалық ақуыздарды өндіріп, секрециялайды және минералды матрицаға жеткізеді, ал остеокластар тінді ыдыратады.
Остеобластар
Остеобластар сүйектің негізгі жасушалық құрауышы болып табылады. Остеобластар мезенхималық (MSC) дің жасушаларынан пайда болады. MSC остеобластар, адипоциттер және миоциттер сияқты басқа жасуша түрлерін де тудырады. Остеобластар саны, сүйек майысты тінін (MAT) құрайтын майлы жасушалар санымен кері пропорционал болады. Остеобластар сүйектің сыртқы бетіндегі жұқа дәнекер тінді қабатында, яғни периостеумда және эндостеумда көптеп табылады. Көбінесе, ауамен тыныс алатын омыртқалы жануарлардың сүйек матрицасының барлық бөлігі остеобластармен минералданады. Органикалық матрица минералдану алдында остеоид деп аталады. Матрицаның ішіне кіріккен остеобластар остеоциттер деп аталады. Сүйек қалыптасу кезінде остеобластардың беткі қабаты кубоидты жасушалардан тұрады, олар белсенді остеобластар деп аталады. Сүйек құрастыру бірлігі белсенді түрде сүйекті синтездемеген кезде, беткі остеобластар жалпақтанып, белсенді емес остеобластар деп аталады. Остеоциттер тірі күйінде қалады және жасушалық өскіндер арқылы остеобластардың беткі қабатымен байланысады. Остеоциттердің қаңқаны сақтауда маңызды функциялары бар.
Остеокластар
Остеокластар - бұл сүйек кемігіндегі гематопоэтикалық алғашқы жасушалардан пайда болатын, сонымен қатар шеттік қандағы моноциттердің де пайда болуына себеп болатын көп ядролы жасушалар. Остеокластар сүйек тінін ыдыратады және остеобластар мен остеоциттермен бірге сүйектің құрылымдық элементтерін құрайды. Сүйектің ішкі қуысында сүйек миының көптеген басқа жасушалары орналасқан. Остеобласттардың сүйек қалыптастыруы үшін маңызды компоненттерге мезенхималық дің жасушалары (остеобласт алдындағы жасушалар) және сүйек қалыптасуына қажетті оттегі мен қоректік заттарды жеткізетін қан тамырлары кіреді. Сүйек - жоғары тамырланған тіндердің бірі, және сүйектің метаболизміне қолдау көрсету үшін мезенхималық дің жасушаларынан қан тамырлары жасушаларының белсенді түзілуі маңызды. Сүйек қалыптасуы мен сүйек сіңіру арасындағы тепе-теңдік жас өскен сайын теріс болып келеді, әсіресе менопаузадан кейінгі әйелдерде, бұл көбінесе сүйектердің сынуына алып келеді, бұл остеопороз деп аталады.
Остеогенез
Сүйек екі процестің бірі арқылы қалыптасады: эндохондральдық оссификация немесе мембраналық оссификация. Эндохондральдық оссификация – бұл шеміршектерден сүйектің пайда болу процесі және бұл әдеттегі әдіс. Бұл сүйек дамуының күрделі түрі: ол хондроциттер жасаған алғашқы шеміршек қаңқасының пайда болуын қамтиды, содан кейін ол алынып тасталып, остеобластар жасаған сүйекпен алмастырылады. Мембраналық оссификация – бұл бас сүйектерінің және басқаларының мембраналық сүйектерінің қалыптасуы кезінде болатын мезенхиманың тікелей оссификациясы. Остеобласттардың дифференциациясы кезінде дамитын алғашқы жасушалар Cbfa1/Runx2 реттегіш транскрипция факторын өрнектейді. Екінші қажетті транскрипция факторы – Sp7 транскрипция факторы. Остеохондропрогентор жасушалары өсу факторларының ықпалымен дифференциацияланады, бірақ тіндік культурада оқшауланған мезенхималық сабақты жасушалар да витамин С және сілкілі фосфатазаның субстраттары сияқты қолайлы жағдайларда остеобласттар құрай алады, бұл минералдық шоғырлану орнында жоғары фосфат концентрациясын қамтамасыз ететін маңызды фермент. Үзілісті PTH стимуляциясы остеобласттардың белсенділігін арттырады, бірақ PTH екі функциялы және жоғары концентрацияларда сүйек матрицасының ыдырауын қамтамасыз етеді. Скелет көбею үшін де, сондай-ақ тамақтану және басқа гормоналдық стрестерге жауап ретінде де өзгертіледі; ол эстроген және глюкокортикоидтар сияқты стероидтарға жауап береді, олар көбею және энергия метаболизмін реттеуде маңызды. Сүйек айналымы синтез және ыдырау үшін көп энергия жұмсайды, бұл гипофиз гормондарының арасында көптеген қосымша сигналдарды қамтиды. Олардың екеуі – адренокортикотроптық гормон (АКТГ) және фолликулға ынталандыратын гормон. Осы және басқа да бірнеше гликопротеин гормондарына жауап берудің физиологиялық рөлі толыққанды түсініксіз, бірақ ACTH-ның PTH сияқты екі функциялы болуы мүмкін, ACTH-ның мерзімдік өрбулерімен сүйек қалыптасуын қолдайды, бірақ жоғары концентрацияларда сүйек жойылуына себеп болады. Егешқұйрықтарда ACTH-мен шақырылған глюкокортикоидтар өндірісінің тиімділігін төмендететін мутациялар скелеттің тығыздығына (остеосклеротикалық сүйек) әкеледі.
Ұйымдастыру және ультрақұрылым
Жоғары үлкейту арқылы электрондық микроскопияда зерттелген жақсы сақталған сүйекте жеке остеобластар тығыз байланыстармен (tight junctions) қосылған, бұл клеткадан тыс сұйықтықтың өтуіне кедергі келтіріп, осылайша жалпы клеткадан тыс сұйықтықтан бөлек сүйек бөлімін құрайды. Остеобластар аралық байланыстармен (gap junctions) да жалғасады, олар остеобластарды байланыстыратын кішкентай тесіктер болып табылады, бұл бір топтағы жасушалардың біртұтас жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Аралық байланыстар жасушалардың терең қабатын беткі қабатымен (сүйекпен қоршалған остеоциттер) де байланыстырады. Бұл төмен молекулалық салмақты флуоресцентті бояуларды остеобластарға тікелей енгізу арқылы және бояудың сүйек құрау бірлігіндегі айналадағы және терең жасушаларға тарағанын көрсету арқылы нақтыланды. Сүйек мұндай бірліктердің көптеген бөліктерінен тұрады, олар жасушалық байланыстар жоқ, өткізбейтін аймақтармен – цементтік сызықтармен (cement lines) бөлінеді.
Коллаген және қосымша ақуыздар
Сүйектің барлық органикалық (минералды емес) компоненті – I типті тығыз коллаген, ол сүйекке оның кернеуге төзімділігін беретін тығыз байланысқан жіптерді құрайды. Остеобластар әлі түсініксіз механизмдер арқылы сүйектің ұзын осіне параллель қабаттармен, ал одан кейін бірнеше микрометр сайын сүйектің ұзын осіне тік бұрышта орналасқан қабаттармен ауысып келетін бағытталған коллаген қабаттарын бөліп шығарады. I типті коллагеннің кемшіліктері сүйектің остеогенез имперфекта деп аталатын ең көп кездесетін тұқым қуалайтын ауруына себеп болады. Шағын, бірақ маңызды мөлшердегі кішкентай ақуыздар, оның ішінде остеокальцин және остеопонтин, сүйектің органикалық матрицасында бөлінеді. Остеокальцин сүйекте ғана айтарлықтай концентрацияда экспрессияланады, сондықтан остеокальцин сүйек матрицасының синтезіне арналған нақты маркер болып табылады. Бұл ақуыздар сүйек матрицасының органикалық және минералды компоненттерін байланыстырады. Ақуыздар минерал мен коллаген арасындағы орталық орналасуының арқасында матрицаның максималды беріктігіне қажет. Дегенмен, остеокальцин немесе остеопонтин экспрессиясы тиісті гендерді жою арқылы (нокаут тышқандары) бұзылған тышқандарда минералдың жиналуы айтарлықтай өспеді, бұл матрицаның құрылымы минералдың тасымалдануымен тығыз байланысты емес екенін көрсетеді.
Сүйек пен кеміршек
Бастапқы қаңқа – бұл шеміршек, қан тамырлары жоқ қатты ұлпа, онда жеке шеміршек матрицасын бөліп шығаратын жасушалар, яғни хондроциттер кездеседі. Хондроциттерде жасушааралық байланыстар болмайды және олар бірліктерде үйлестірілмейді. Шеміршек II типті коллаген желісінен тұрады, оны суды сіңіретін ақуыздар, суға жақын протеогликандар кернеулі ұстайды. Бұл акулалар сияқты шеміршекті балықтардың ересек қаңқасы. Ол жануарлардың дамыған жоғары кластарының бастапқы қаңқасы ретінде дамиды. Ауамен тыныс алатын омыртқалыларда шеміршек жасушалық сүйекпен алмастырылады. Көшімді ұлпа – минералды шеміршек. Шеміршек фосфатты өндіретін ферменттердің көп мөлшерде экспрессиясы арқылы минералданады, бұл кальций мен фосфаттың жоғары жергілікті концентрациясын тудырады, соның нәтижесінде олар шөкпеленеді. Бұл – қаңқаның негізінен қуыс түтікшелер түрінде қалыптасуына мүмкіндік беретін берік композиттік материал. Ұзын сүйектерді түтікшеге айналдыру салмақты азайтуға мүмкіндік береді, ал күшін сақтайды.
Остеоциттердің кері байланысы
Физикалық белсенділіктен түсетін кері байланыс сүйек массасын сақтайды, ал остеоциттерден түсетін кері байланыс сүйек құрастырушы бірліктің мөлшерін шектейді. Маңызды қосымша механизм – матрицаның ішінде жасырылған остеоциттердің склеростин секрециялауы, бұл остеобласттардың белсенділігін сақтайтын жолды тежейтін белок. Осылайша, остеон шекті өлшемге жеткенде, сүйек синтезін тоқтатады.
Морфология және гистологиялық бояу
Гематоксилин және эозин бояуы (H&E) белсенді остеобластардың цитоплазмасының қатаң эндоплазмалық тордың көп болуына байланысты сәл базофильді екенін көрсетеді. Белсенді остеобласт І типті коллагенді көп мөлшерде өндіреді. Сүйек матрицасының шамамен 10% коллаген, ал қалғаны минералдардан тұрады. Балапан аяқ сүйектерін периостеумға және қалған бөліктерге бөліп, мәдени ортада өсірілген тіндерден остеогендік қасиеттері бар жасушалар алынды. Ол мәдени ортада өсірілген тіндерден остеогендік қасиеттері бар жасушаларды алды. Ферменттік қорыту – сүйек жасушаларының популяциясын оқшаулау және остеобласттарды алудың ең жетілген әдістерінің бірі. Пек және авторлар (1964) қазір көптеген зерттеушілер жиі қолданатын бастапқы әдісті сипаттады. 1974 жылы Джонс және авторлар остеобластардың in vivo және in vitro жағдайларда әртүрлі тәжірибелік жағдайларда бүйірлеме қозғалатынын анықтады және осы қозғалыс әдісін егжей-тегжейлі сипаттады. Дегенмен, остеобластар қан тамырларының ашылуларынан көшіп келген жасушалармен, олардың ішінде эндотелий жасушалары мен фибробластар болуы мүмкін, ластанған.