Введение

Остеобласты (от греческих корней "кость" – ὀστέο, osteo и "прорастать" – βλαστάνω, blastanō) – это клетки с одним ядром, которые синтезируют костную ткань. Однако в процессе формирования кости остеобласты функционируют группами связанных клеток. Отдельные клетки не способны создавать кость. Группа организованных остеобластов вместе с произведенной ими костной тканью обычно называется остеоном. Остеобласты являются специализированными, терминально дифференцированными продуктами мезенхимальных стволовых клеток. Они синтезируют плотный, сшитый коллаген и специализированные белки в меньших количествах, включая остеокальцин и остеопонтин, которые составляют органический матрикс кости. В организованных группах несвязанных клеток остеобласты производят гидроксиапатит – минеральный компонент кости, который откладывается в органическом матриксе строго регулируемым образом, формируя прочную и плотную минерализованную ткань – минерализованный матрикс. Минерализованный скелет является основной опорой тела у воздушно-дышащих позвоночных. Он также служит важным хранилищем минералов для поддержания физиологического гомеостаза, включая кислотно-щелочной баланс и поддержание уровня кальция или фосфатов.

Структура костей

Скелет — это крупный орган, который формируется и разрушается на протяжении всей жизни у наземных позвоночных. Скелет, часто называемый скелетной системой, важен как опорная структура и для поддержания гомеостаза кальция, фосфатов и кислотно-щелочного баланса во всем организме. Функциональная часть кости, костный матрикс, полностью внеклеточная. Костный матрикс состоит из белка и минералов. Белок формирует органический матрикс, который синтезируется, после чего в него добавляются минералы. Подавляющее большинство органического матрикса составляет коллаген, обеспечивающий прочность на разрыв. Матрикс минерализуется путем отложения гидроксиапатита (также известный как гидроксилапатит). Этот минерал тверд и обеспечивает прочность на сжатие. Таким образом, коллаген и минералы вместе образуют композитный материал с отличной прочностью на разрыв и сжатие, способный изгибаться под нагрузкой и восстанавливать свою форму без повреждений. Это называется упругой деформацией. Силы, превышающие упругие свойства кости, могут привести к разрушению, обычно в виде переломов.

Ремоделирование костей

Кость — это динамичная ткань, которая постоянно ремоделируется остеобластами, производящими и секретирующими белки матрикса и осуществляющими транспорт минералов в матрицу, и остеокластами, разрушающими ткани.

Остеобласты

Остеобласты являются основным клеточным компонентом кости. Остеобласты происходят из мезенхимальных стволовых клеток (МСК). МСК дают начало остеобластам, адипоцитам и миоцитам, среди других типов клеток. Считается, что количество остеобластов обратно пропорционально количеству адипоцитов костного мозга, составляющих жировую ткань костного мозга (MAT). Остеобласты в большом количестве обнаруживаются в периосте – тонком слое соединительной ткани на внешней поверхности костей, – и в эндосте. В норме почти вся костная матрица у наземных позвоночных минерализуется остеобластами. До минерализации органическая матрица называется остеоидом. Остеобласты, заключенные в матрикс, называются остеоцитами. В процессе формирования кости поверхностный слой остеобластов состоит из кубовидных клеток, называемых активными остеобластами. Когда костеобразующий комплекс не активно синтезирует кость, поверхностные остеобласты уплощаются и называются неактивными остеобластами. Остеоциты остаются жизнеспособными и соединены с поверхностным слоем остеобластов посредством клеточных отростков. Остеоциты выполняют важные функции в поддержании скелета.

Остеокласты

Остеокласты – это многоядерные клетки, происходящие из гематопоэтических предшественников в костном мозге, которые также дают начало моноцитам в периферической крови. Остеокласты разрушают костную ткань, а вместе с остеобластами и остеоцитами формируют структурные компоненты кости. В полости костей находится множество других типов клеток костного мозга. К компонентам, необходимым для формирования костной ткани остеобластами, относятся мезенхимальные стволовые клетки (предшественники остеобластов) и кровеносные сосуды, обеспечивающие кислородом и питательными веществами для формирования кости. Костная ткань обладает высокой васкуляризацией, и активное образование клеток кровеносных сосудов, также из мезенхимальных стволовых клеток, необходимо для поддержания метаболической активности кости. С возрастом баланс между формированием и резорбцией костной ткани, как правило, смещается в сторону резорбции, особенно у женщин в постменопаузе, что часто приводит к потере костной массы, достаточной для возникновения переломов, состояние, известное как остеопороз.

Остеогенез

Кость формируется одним из двух процессов: эндохондральной оссификацией или внутримембранозной оссификацией. Эндохондральная оссификация – это процесс формирования кости из хряща, и это наиболее распространенный метод. Эта форма развития кости более сложна: она следует за формированием первичного хрящевого скелета, созданного хондроцитами, который затем удаляется и заменяется костью, формируемой остеобластами. Внутримембранозная оссификация – это прямое окостенение мезенхимы, происходящее при формировании мембранных костей черепа и других. В процессе 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 тканей также могут формировать остеобласты в благоприятных условиях, включающих витамин С и субстраты для щелочной фосфатазы – ключевого фермента, обеспечивающего высокую концентрацию фосфата в месте отложения минералов. Периодическая стимуляция ПТГ повышает активность остеобластов, хотя ПТГ обладает двойственной функцией и опосредует деградацию костного матрикса при более высоких концентрациях. Скелет также модифицируется в связи с репродукцией 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 метаболизма. Оборот кости требует значительных затрат энергии на синтез и деградацию, включая множество дополнительных сигналов, в том числе гормоны гипофиза. Два из них – адренокортикотропный гормон (АКТГ) и фолликулостимулирующий гормон. Физиологическая роль реакции на эти и несколько других гликопротеиновых гормонов полностью не выяснена, однако, вероятно, что АКТГ, как и ПТГ, обладает двойственной функцией, поддерживая образование кости при периодических всплесках АКТГ, но вызывая ее разрушение в высоких концентрациях. У мышей мутации, снижающие эффективность продукции глюкокортикоидов в надпочечниках, приводят к увеличению плотности скелета (остеосклеротической кости).

Организация и ультраструктура

В хорошо сохранившейся кости, изученной под высоким увеличением с помощью электронной микроскопии, отдельные остеобласты соединены плотными соединениями, которые препятствуют прохождению внеклеточной жидкости и тем самым создают костное пространство, отделенное от общей внеклеточной жидкости. Остеобласты также соединены щелевыми контактами – небольшими порами, соединяющими остеобласты и позволяющими клеткам в одной группе функционировать как единое целое. Щелевые контакты также соединяют более глубокие слои клеток с поверхностным слоем (остеоциты, когда они окружены костью). Это было продемонстрировано непосредственно путем введения в остеобласты флуоресцентных красителей с низкой молекулярной массой и показано, что краситель диффундировал в окружающие и более глубокие клетки в костной формирующей единице. Кость состоит из множества таких единиц, разделенных непроницаемыми зонами, лишенными клеточных связей, называемыми цементными линиями.

Коллаген и вспомогательные белки

Почти все органические (не минеральные) компоненты кости составляют плотные коллаген I типа, формирующие плотные сшитые волокна, которые обеспечивают кости прочность на растяжение. Остеобласты, посредством пока неясных механизмов, секретируют слои ориентированного коллагена, при этом слои, параллельные длинной оси кости, чередуются со слоями, расположенными под прямым углом к ней, каждые несколько микрометров. Дефекты коллагена I типа являются причиной наиболее распространенного наследственного заболевания костей – остеогенеза несовершенного. Незначительные, но важные количества малых белков, включая остеокальцин и остеопонтин, секретируются в органический матрикс кости. Остеокальцин не экспрессируется в значительных концентрациях, за исключением костной ткани, и, следовательно, является специфическим маркером синтеза костного матрикса. Эти белки связывают органическую и минеральную составляющие костного матрикса. Белки необходимы для достижения максимальной прочности матрикса благодаря их промежуточному расположению между минералом и коллагеном. Однако у мышей, у которых экспрессия остеокальцина или остеопонтина была устранена путем направленного нарушения соответствующих генов (нокаутных мышей), накопление минералов существенно не изменилось, что указывает на то, что организация матрикса не имеет значительной связи с транспортом минералов.

Кость против хряща

Первобытный скелет представляет собой хрящ – твердую аваскулярную (без кровеносных сосудов) ткань, в которой расположены отдельные клетки, секретирующие хрящевую матрицу, называемые хондроцитами. Хондроциты не имеют межклеточных соединений и не организованы в единые структуры. Хрящ состоит из сети коллагена II типа, находящейся под напряжением благодаря водопоглощающим белкам – гидрофильным протеогликанам. Это взрослый скелет хрящевых рыб, таких как акулы. Он развивается как первичный скелет у более высокоразвитых классов животных. У наземных позвоночных хрящ замещается клеточной костью. Минерализованный хрящ является переходной тканью. Минерализация хряща происходит за счет массивной экспрессии ферментов, производящих фосфаты, что приводит к высокой локальной концентрации кальция и фосфатов, которые выпадают в осадок. Это прочный композитный материал, позволяющий скелету формироваться преимущественно в виде полых трубок. Преобразование длинных костей в трубчатые уменьшает вес при сохранении прочности.

Обратная связь остеоцитов

Обратная связь от физической активности поддерживает костную массу, а обратная связь от остеоцитов ограничивает размер костной формирующей единицы. Важным дополнительным механизмом является секреция склеростина – белка, ингибирующего сигнальный путь, поддерживающий активность остеобластов – остеоцитами, находящимися внутри костного матрикса. Таким образом, когда остеон достигает предельного размера, он прекращает синтез кости.

Морфология и гистологическое окрашивание

Гематоксилиновое и эозиновое окрашивание (H&E) показывает, что цитоплазма активных остеобластов слегка базофильна из-за значительного содержания шероховатого эндоплазматического ретикулума. Активный остеобласт производит значительное количество коллагена I типа. Около 10% костного матрикса составляет коллаген, а остальное – минералы. Для исследования использовались кости конечностей цыплят, разделенные на периост и оставшуюся часть. Из культивированной ткани, полученной из этих костей, были выделены клетки, обладающие остеогенными свойствами. Она получила клетки, обладающие остеогенными характеристиками, из культивированной ткани. Ферментативное расщепление является одним из наиболее современных методов выделения популяций костных клеток и получения остеобластов. Пек и соавторы (1964) описали оригинальный метод, который в настоящее время широко используется многими исследователями. В 1974 году Джонс и соавторы обнаружили, что остеобласты перемещаются латерально как in vivo, так и in vitro в различных экспериментальных условиях, и подробно описали метод их миграции. Однако популяция остеобластов была загрязнена клетками, мигрирующими из сосудистых отверстий, среди которых могли быть эндотелиальные клетки и фибробласты.