Советуем для ознакомления:

Физиология:

Популярные разделы сайта:

Строение и физиология костей

Воспетая поэтом («О! Бедный Йорик!») за длительную сохранность после смерти костная система имеет большое значение для живого организма: играет важную роль в минеральном обмене и гемопоэзе, определяет размер и форму тела, обеспечивает механическую опору при движении и защищает внутренние органы от повреждения. Кости состоят преимущественно из органического матрикса (остеоида) и гидроксиапатита кальция, придающего им прочность и твердость.

Однако костная система — это динамичная система, в которой постоянно идут процессы резорбции, обновления и ремоделирования при участии нескольких типов клеток костной ткани, соотношение которых регулируют факторы транскрипции, цитокины и факторы роста.

Основными типами клеток костной ткани являются:

- остеогенные клетки-предшественники. Это плюрипотентные мезенхимальные стволовые клетки, которые располагаются под всей костной поверхностью. При стимуляции факторами роста они дифференцируются в остеобласты. Этот процесс регулируют фактор транскрипции RUNX2/CBFA1 и сигнальный путь WNT/P-катенина;

- остеобласты и выстилающие клетки кости. Эти клетки находятся на поверхности кости, синтезируют, транспортируют и упорядочивают многие белки матрикса и инициируют процессы минерализации. Остеобласты имеют рецепторы, связывающиеся с гормонамирегуляторами (РТН, лептином и эстрогеном), витамином D, цитокинами, факторами роста, белками внеклеточного матрикса, и экспрессируют факторы, которые регулируют дифференцировку и функции остеокластов.
При формировании вокруг остеобластов органического матрикса они трансформируются в остеоциты. Остеобласты также могут дифференцироваться в неактивные выстилающие клетки кости;

- остеоциты. Эти клетки взаимодействуют друг с другом и с выстилающими клетками кости посредством сложной сети цитоплазматических отростков и перекрестных туннелей в матриксе, которые называют канальцами. Остеоциты участвуют в контроле уровня кальция и фосфатов в костной ткани, воспринимают механические нагрузки и переводят их в биологические процессы (механотрансдукция);

- остеокласты. Эти клетки регулируют резорбцию костной ткани. Они развиваются из тех же гемопоэтических клеток-предшественников, что и моноциты и макрофаги. Факторами регуляции созревания и дифференцировки остеокластов являются цитокины и факторы роста: макрофагальный колониестимулирующий фактор (М-КСФ), IL-1 и TNF. Зрелые многоядерные остеокласты (содержат 6-12 ядер) формируются путем слияния циркулирующих мононуклеарных остеогенных клеток-предшественников и имеют ограниченный срок жизни (около 2 нед).

Остеокласты фиксируются к поверхности кости с помощью интегринов и образуют очаг резорбции — независимый участок внеклеточного пространства, аналогичный вторичным лизосомам. Клеточные мембраны, ограничивающие очаг резорбции, формируют множественные складки (гофрированную каемку), тем самым увеличивая площадь его поверхности, в то время как прилегающие к очагу резорбции клетки создают плотный контакт с костью, что предотвращает утечку продуктов резорбции. Остеокласты удаляют минеральные вещества путем создания кислой среды, используя протонный насос, и потребляют органический компонент, расщепляя его протеазами.

Остеокласты продуцируют ряд факторов, регулирующих гомеостаз кости. Механизмы контроля гомеостаза полностью не изучены, но известно несколько наиболее существенных сигнальных путей.

Один из сигнальных путей включает три фактора: (1) трансмембранный рецептор RANK, который экспрессируется клетками-предшественниками остеокластов; (2) RANKL, экспрессируемый остеобластами и стромальными клетками костного мозга; (3) остеопротегерин (OPG) — «приманку» для RANKL, которую секретируют остеобласты и некоторые другие клетки.

OPG конкурентно связывается с RANKL, препятствуя его взаимодействию с рецептором RANK. При стимуляции RANKL RANK активирует фактор транскрипции NF-кВ, который обеспечивает формирование и выживание остеокластов.

Остеоциты и их взаимодействия
Остеоциты и их взаимодействия.
Гормоны, цитокины, факторы роста, молекулы трансдукции сигнала играют важнейшую роль в формировании и созревании костной ткани,
обеспечивают взаимодействие остеобластов и остеокластов.
Синтез и резорбция костной ткани при ремоделировании — взаимосвязанные процессы,
которые контролируют системные факторы и цитокины, некоторые из которых накапливаются в костной ткани.
BMP — костный морфогенетический белок; LRP5/6 — рецептор липопротеинов низкой плотности, родственный белкам 5 и 6.

Второй сигнальный путь вовлекает в процесс М-КСФ, продуцируемый остеобластами, и его рецептор, расположенный на клетках-предшественниках остеокластов. Активация рецептора М-КСФ приводит к стимуляции активности тирозинкиназы, что крайне важно для дифференцировки остеокластов.

Третий сигнальный путь реализуется через WNT/b-катенин. Клетки стромы костного мозга синтезируют белки WNT. Они, в свою очередь, связываются с рецепторами остеобластов LRP5 и LRP6, через которые активируют b-катенин и синтез OPG.

Значение этих сигнальных путей подтверждается тем, что редкие зародышевые мутации генов OPG, RANK, RANKL и LRP5 приводят к тяжелым нарушениям метаболизма костной ткани (см. далее).

Синтез и резорбция костной ткани — тесно связанные процессы с тонкой регуляцией на нескольких уровнях. В связи с тем что OPG и RANKL являются антагонистами, интенсивность синтеза или резорбции костной ткани можно регулировать, меняя баланс RANKL и OPG в ту или иную сторону.

Белки костного матрикса

К системным факторам, влияющим на экспрессию RANKL и OPG, относятся гормоны (РТН, эстроген, тестостерон и глюкокортикоиды), витамин D, воспалительные цитокины (например, IL-1) и факторы роста (например, костный морфогенетический белок). Каждый из них, вероятно, оказывает воздействие на уровень сигнала посредством NF-кВ и WNT/P-катенина в остеобластах.

Другой уровень контроля — паракринная регуляция остеобластов и остеокластов, а возможно — и остеоцитов. Остеобласты могут ускорять или тормозить развитие и функцию остеокластов, экспрессируя OPG и RANKL в разных пропорциях. Остеокласты разрушают белки костного матрикса, накопленные посредством взаимодействия остеобластов, факторов роста, цитокинов и ферментов (в частности, коллагеназы), которые связаны с матриксом путями высвобождения и активации, в т.ч. и тех, которые стимулируют функцию остеобластов. Таким образом, при повреждении костной ткани активные вещества попадают в микроокружение и инициируют процесс восстановления ткани.

К белкам костной ткани относятся коллаген типа I и множество неколлагеновых белков, синтезируемых преимущественно остеобластами. Остеобласты депонируют коллаген либо беспорядочно, формируя незрелую костную ткань, либо упорядоченно, образуя зрелую пластинчатую костную ткань.

В норме незрелая костная ткань встречается в очагах формирования костей, например в скелете плода и в основании ростовой пластинки. Незрелая костная ткань формируется быстро и равномерно распределяет нагрузку во всех направлениях. Присутствие такой ткани во взрослом организме всегда ассоциируется с какой-либо патологией, хотя само по себе не является признаком конкретной болезни.

Пластинчатая костная ткань, которая постепенно замещает незрелую костную ткань, растет значительно медленнее и является более прочной.

Неколлагеновые белки костной ткани, связанные с костным матриксом, подразделяют на несколько групп в зависимости от их функций. Среди них уникальным для кости является только остеокальцин, по его уровню в сыворотке оценивают активность остеобластов. Цитокины и факторы роста регулируют пролиферацию остеоцитов, их созревание и участвуют в передаче сигнала, играя решающую роль в местной активации остеоцитов и в целом в скелетной адаптации к нагрузке. Скелет является уникальной системой, способной менять свою структуру в зависимости от внешних воздействий. Примером служит репозиция зубов при ношении брекетов.

Кость
Активная ростовая пластинка с энхондральной оссификацией:
1 — резервная зона; 2 — зона пролиферации; 3 — зона гипертрофии;
4 — зона минерализации; 5 — первичное губчатое вещество.
Регуляция функции остеокластов
Молекулярные механизмы паракринной регуляции формирования и функционирования остеокластов.
Остеокласты развиваются из тех же стволовых клеток, что и макрофаги.
Лиганд рецептора-активатора NF-кВ (RANKL), ассоциированный с мембраной клеток-предшественников остеокластов, связывается с рецептором-активатором NF-кВ (RANK),
расположенным на поверхности клеток-предшественников остеокластов.
Такое взаимодействие на фоне влияния макрофагального колониестимулирующего фактора (М-КСФ) обусловливает развитие остеокластов из клеток-предшественников.
Клетки стромы синтезируютостеопротегерин, который препятствует взаимодействию RANKL с RANK клетки-предшественника остеокласта.
Таким образом, остеопротегрин ингибирует дифференцировку остеокластов и предотвращает резорбцию костной ткани.
NF-kB — ядерный фактор каппа В.
Остеобласты и остеокласты кости
(А) Активированные остеобласты синтезируют костный матрикс, окружающий веретенообразные клетки — остеогенные клетки-предшественники.
(Б) Два остеокласта резорбируют кость.
Незрелая костная ткань
Незрелая костная ткань (вверху),
расположенная на поверхности энхондральной пластинчатой костной ткани (внизу).

- Читать "Механизмы роста и развития кости"

Оглавление темы "Патогенез заболеваний":
  1. Причины и механизмы развития розацеа
  2. Причины и механизмы развития панникулита
  3. Причины и механизмы развития бородавок
  4. Причины и механизмы развития контагиозного моллюска
  5. Причины и механизмы развития импетиго
  6. Причины и механизмы развития грибковых инфекций кожи
  7. Строение и физиология костей
  8. Механизмы роста и развития кости
  9. Классификация врожденных нарушений развития костей
  10. Причины и механизмы развития нарушения роста костей из-за проблем с коллагеном

Популярное среди пользователей:

Если остались вопросы - смело задавайте: