Остеогенные клетки: Остеогенные клетки

Содержание

Остеогенные клетки

Остеобла́сты (от др.-греч. ὀστέον — «кость» + др.-греч. βλάστη — «росток, отпрыск, побег») — молодые клетки костной ткани (диаметром 15-20 мкм), которые синтезируют межклеточное вещество — матрикс. По мере накопления межклеточного вещества остеобласты замуровываются в нём и становятся остеоцитами. Остеобласты богаты элементами зернистой эндоплазматической сети, рибосомами, имеют хорошо развитый комплекс Гольджи. Их многочисленные отростки контактируют между собой и с отростками остеоцитов. Вспомогательной функцией остеобластов является участие в процессе отложения солей кальция в межклеточном веществе (кальцификации матрикса) благодаря высокому содержанию щелочной фосфатазы, что свидетельствует о высокой синтетической активности остеобластов. При этом происходит образование полостей (лакун), в которых они и залегают, превращаясь в остеоциты.

Остеобласты возникают из мезенхимальных стволовых клеток^[1]. По форме остеобласты делятся на три группы: кубические, пирамидальные и угловатые (многоугольные).

В сформировавшейся кости остеобласты встречаются только в местах разрушения и восстановления костной ткани, тогда как в развивающейся кости они непрерывным слоем покрывают почти всю поверхность формирующейся костной балки. Остеобласты располагаются вокруг первичных костных перекладин, образованных коллагеновыми волокнами. Оказавшись между ними, многие остеобласты замуровываются в межклеточном веществе и становятся остеоцитами. Так возникает костная ткань.

Остеобласты также в большом количестве находятся в надкостнице и в эндосте.

Остеобласты отделяют кость от внеклеточной жидкости. Фосфат и кальций из костной ткани и в нее не могут перемещаться пассивной диффузией, потому что плотные остеобластные соединения изолируют внутреннее пространство кости. Кальций транспортируется через остеобласты пассивным транспортом (то есть транспортерами, которые не нагнетают кальций против градиента). Напротив, фосфат активно перемещается сочетанием секреции фосфатсодержащих соединений, включая АТФ расщепления фосфата фосфатазами на фронте минерализации. Щелочная фосфатаза — это мембранный белок, который является характерным маркером остеобластов, он находится в больших количествах на апикальной (секреторной) поверхности активных остеобластов.

В замкнутой системе при минерализации накапливается фосфорная кислота, быстро понижая рН и останавливая дальнейшее выпадение осадка. Хрящ не препятствует диффузии, поэтому кислота рассеивается, что позволяет осадку выпадать. В остеоне, где матрикс отделен от внеклеточной жидкости плотными соединениями, этого не происходит. В контролируемом закрытом отсеке удаление H⁺ приводит к выпадению осадка в широком диапазоне внеклеточных условий, если кальций и фосфат доступны в отсеке матрикса^[2]. Остеобласты обладают способностью к обмену Na⁺ / H⁺ через обменники Na/H, NHE1 и NHE6^[3]. Этот обмен Н⁺ является основным способом удаления кислоты, хотя механизм, с помощью которого Н⁺ переносится из матричного пространства в барьерный остеобласт, неизвестен.

Остеобласты также соединены щелевыми контактами, что позволяет клеткам в одной когорте функционировать совместно. Это было продемонстрировано путем введения флуоресцентных красителей с низким молекулярным весом в остеобласты; показано, что краситель диффундирует в окружающие и более глубокие клетки в костных блоках^[4]. Десмосомы также соединяют более глубокие слои клеток с поверхностным слоем. Кость состоит из многих таких блоков, которые разделены непроницаемыми зонами без клеточных соединений, называемых цементными линиями.

Примечания

↑ M. F. Pittenger, A. M. Mackay, S. C. Beck, R. K. Jaiswal, R. Douglas. Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells // Science (New York, N.Y.). — 1999-04-02. — Т. 284, вып. 5411. — С. 143–147. — ISSN 0036-8075.
↑ S. Schartum, G. Nichols. Concerning pH gradients between the extracellular compartment and fluids bathing the bone mineral surface and their relation to calcium ion distribution // The Journal of Clinical Investigation. — May 1962. — Т. 41. — С. 1163–1168. — ISSN 0021-9738. — doi:10.1172/JCI104569.
↑ Li Liu, Paul H. Schlesinger, Nicole M. Slack, Peter A. Friedman, Harry C. Blair. High capacity Na⁺/H⁺ exchange activity in mineralizing osteoblasts // Journal of Cellular Physiology. — June 2011. — Т. 226, вып. 6. — С. 1702–1712. — ISSN 1097-4652. — doi:10.1002/jcp.22501.
↑ C. E. Yellowley, Z. Li, Z. Zhou, C. R. Jacobs, H. J. Donahue. Functional gap junctions between osteocytic and osteoblastic cells // Journal of Bone and Mineral Research: The Official Journal of the American Society for Bone and Mineral Research. — February 2000. — Т. 15, вып. 2. — С. 209–217. — ISSN 0884-0431. — doi:10.1359/jbmr.2000.15.2.209.

Имплант для регенерации костной ткани i-Factor™

i-Factor™ — биологический костнозамещающий материал, сочетающий уникальную натуральную кальций-фосфатную матрицу (АВМ) и синтетический короткий пептид Р-15™, стимулирующий остеогенные клетки к выделению факторов роста, в том числе и натуральных костных морфогенных протеинов (ВМР). Данный механизм ускоряет процесс естественной регенерации кости и позволяет безопасно и предсказуемо влиять на ее формирование.

Костнозамещающий материал с остеогенными свойствами i-Factor™

Несмотря на большой выбор существующих костнозамещающих материалов, врачи продолжают искать альтернативу аутокости, которая долгое время считалась «золотым стандартом» костного трансплантата.
Желание создать идентичный по структуре и свойствам материал привело к появлению новых биологических материалов с выраженными остеогенными свойствами.
Уникальная структура материала i-Factor™
обуславливает его свойства, и делает его максимально близким к аутокости, по сравнению с остальными материалами, представленными на рынке.

Уникальная комбинация компонентов обуславливает уникальные свойства

Синтетический короткий пептид Р-15™ — активный ингредиент материала i-Factor™. Он активизирует прикрепление остеогенных клеток и выделение ими факторов роста и биологически активных молекул, вызывающих клеточный рост, миграцию и пролифирацию остеобластов. Пептид Р-15™ — состоит из 15 аминокислот, входящих в состав человеческого коллагена 1 типа, который является составной частью костных аутотрансплантатов.

Натуральная кальций-фосфатная матрица (АВМ), изготавливается путем термической обработки костного материала крупного рогатого скота. Структура поверхности матрицы оптимальна для возникновения электростатического притяжения, удерживающего пептид Р-15™. Натуральный пористый материал АВМ обладает физиологической скоростью резорбации, что делает его субстратом для прикрепления остеогенных клеток и дальнейшего физиологического остеообразования.

Безопасность i-Factor™

i-Factor™ не только обладает всеми необходимыми качествами костного трансплантата (остеокондуктивностью, остеоиндуктивностью, резорбируемостью, биосовместимостью) и прост в использовании, но также лишен недостатков прочих остеогенных костнозамещающих материалов, в том числе и с синтетическими факторами роста. В отличии от этих материалов i-Factor™ стимулирует естественный процесс регенерации кости на этапе прикрепления остеогенных клеток, и не влияет на процессы клеточной дифференцировки и пролиферации, что исключает такие осложнения, как злокачественные новообразования костной ткани, остеолиз, эктопическое разрастание костной ткани и др.

По данным исследования Dr. Mobbs, (Новый Южный Уэльс, Австралия), опубликованного в журнале «Австаралийское общество травматологов-ортопедов» в апреле 2011 года, i-Factor™ и BMP2 (синтетический фактор роста костной ткани 2 поколения) показали лучшие результаты по сравнению с аутотрансплантатом, при этом профиль безопасности i-Factor™ по сравнению с BMP2 оказался значительно выше.

i-Factor™ оптимальный костнозамещающий материал

i-Factor™ благодаря уникальной комбинации своих компонентов усиливает миграцию, прикрепление и дифференцировку остеогенных клеток. В результате происходит стимуляция роста кости естественным, безопасным путем, что делает его оптимальным костнозамещающим материалом для использования хирургом. Большой клинический опыт применения материала для лечения 500 000 пациентов во всем мире подтверждает его высокую эффективность.

Для удобства хирургов материал выпускается в двух, готовых к употреблению формах: паста и пластинки. Материал не требует специального приготовления перед введением и смешивания с костным мозгом, хотя в случае необходимости такая процедура возможна.

Паста в шприцах-дозаторах объемом:

1,0 см.&sup3
2,5 см.&sup3
5,0 см.&sup3
10,0 см.&sup3

Стерильные пластинки размером:

25*25*4 мм
50*25*4 мм
100*25*4 мм

Ознакомительное видео

Медицинская академия имени С.И. Георгиевского ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского». Костная ткань.

Костная ткань.

К.Т. состоит из: 1. КЛЕТОК и 2. КАЛЬЦИФИЦИРОВАННОГО МЕЖКЛЕТОЧНОГО вещества.

Межклеточное вещество = МКВ.

МКВ состоит из кальцифицированных коллагеновых волокон (т.е. волокон, пропитанных кристалами гидроксиапатитов =(ГА) Са10 (РО4)6(ОН)2. Кристаллы составляют 70% и придают костной ткани ПРОЧНОСТЬ.
КЛЕТКИ в К.Т.:1) преостеобласты (полустволовые остеогенные клетки), 2) остеоБласты, 3) остеоциты. ВСЕ они развиваются из СКЛЕРОТОМА СОМИТА. 4) остеоКласты ( развив. из МОНОЦИТОВ крови).
ОстеоБласты – это клетки, к-рые формируют КАЛЬЦИФИЦИРОВАННОЕ МКВ.Для этого они: 1) секретируют белок коллаген, из к-рого формируются коллагеновые волокна. Волокна составляют органическую матрицу в К.Т., или ОССЕОИД., 2) Затем проводят кальцификацию коллагеновых волокон, т.е. пропитывают их кристаллами ГА-тов. ОСТЕОЦИТ имеет ОТРОСЧАТУЮ форму. Сост.из:а)тела, б)ОТРОСТКОВ.Тело лежит в ЛАКУНЕ.Отростки лежат в КАНАЛЬЦАХ. Лакуна и каналец –это полости в МКВ-ве. Полустволовые остеогенные клетки находятся во внутреннем слое НАДКОСТНИЦЫ. Функц.:а)обеспечивают аппозиционный рост кости( рост в толщину),б)при переломе обесп. РЕГЕНЕРАЦИЮ диафиза. ОстеоКласты. Имеют 4-10 ядер, впячивания плазмолеммы=ГОФРИРОВАННАЯ КАЕМКА, много ЛИЗОСОМ. Функц.:проводят РЕЗОРБЦИЮ межклет. вещ-ва. Для этого секретируют литические ферменты и ионы Н+ через гофрированную каемку. Резорбция-это частичное разрушение МКВ-ва. Оно сопровождается ДЕКАЛЬЦИФИКАЦИЕЙ и ионы Са++ уходят в кровь.

2 ВИДА костной ткани:

1. Грубоволокнистая К.Т. Из этой ткани:а) состоит костная мозоль в зоне перелома, б)состоит скелет плода 2. Пластинчатая К.Т. Она состоит из КОСТНЫХ ПЛАСТИНОК. Одна ПЛАСТИНКА состоит из клеток и ориентированных параллельно кальцифицированных коллагеновых волокон.Эта ткань находится в компактном веществе. Это вещ-во нах. в ДИАФИЗЕ трубчатых костей.

Слои ДИАФИЗА на поперечном разреза снаружи внутрь:

1) НАДКОСТНИЦА. 2) КОМПАКТНОЕ вещество. 3) ЭНДОСТ.
1) Надкостница имеет 2 слоя:а) наружный, или волокнистый и б) внутренний, или остеогенный.В обоих слоях проходят сосуды. Во внутреннем лежат преостеобласты(полустволовые остеогенные кл). Функц. надкостницы: 1) трофическая,2) аппозиционный рост кости, 3) регенерация в зоне перелома.
2) КОМПАКТНОЕ вещ-во состоит из ПЛАСТИНЧАТОЙ костной ткани, которая формирует ОСТЕОНЫ. Остеон – это структурно-функциональная единица компактного вещ-ва. Остеон (или ГАВЕРСОВА система) состоит из костных пластинок, расположенных концентрически (по кругу) вокруг канала остеона. КАНАЛ остеона (или гаверсов канал) содержит кровеносный СОСУД и остеогенные клетки.
3) Эндост- тонкий слой соединительной ткани.
От рождения и до 18 лет между диафизом и эпифизом находится ГИАЛИНОВАЯ ХРЯЩЕВАЯ ткань. Она называется МЕТАЭПИФИЗАРНАЯ ПЛАСТИНКА. Функц.:обеспечивает РОСТ трубчатой кости В ДЛИНУ.
Развитие трубчатых костей у зародыша назыв. непрямой остеогистогенез. Из СКЛЕРОТОМА СОМИТА выселяется мезенхима и формирует ХРЯЩЕВУЮ МОДЕЛЬ будущей кости (это гиалиновый хрящ). Затем в нее внедряются остеокласты и остеобласты. Остеокласты разрушают модель с помощью литических ферментов, а остеобласты формируют кальцифицированное МКВ. В результате хрящевая модель к рождению замещается костной тканью. И только МЕТАЭПИФИЗАРНАЯ пластинка (гиалиновый хрящ) замещается костной тканью (т.е. КАЛЬЦИФИЦИРУЕТСЯ) после рождения между 18-20 годами.

Составитель – доцент В.В. Бондаренко.

Как вылечить перелом в 4 раза быстрее

Российский ученый Арнольд Попков, главный научный сотрудник научного центра «Восстановительная травматология и ортопедия» им. Академика Г.А. Илизарова, опубликовал в немецком издательстве Palmarium Academic Publishing монографию, посвященную новым имплантатам с биоактивным покрытием, ускоряющим заживление переломов. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

Клетки и дороги, которые они выбирают

Кость срастается благодаря делению живых и активных стволовых клеток, «не определивших свою судьбу» окончательно еще со времен зародышевого развития. Как клетка кости проходит путь до этого состояния? Ее развитие похоже на то, как мы выбираем профессию: сначала гуманитарный или математический класс, потом факультет, потом отделение или кафедра, получение специальности и так далее.
Первоначально, на протяжении нескольких первых циклов деления после оплодотворения, ни одна клетка нашего будущего тела «не знает», какой путь ей предстоит совершить, и ей «открыты все дороги».

По мере того как зародыш развивается, из простых и одинаковых клеток формируется более сложная структура — три зародышевых листка, энтодерма, эктодерма и мезодерма, которые в будущем дадут начало системам органов. Из мезодермы формируется мезенхима. Клетки мезенхимы уже отличаются от остальных, но очень похожи между собой, и пока не известно, кто из них выберет «профессию» кровяных телец, кто станет клеткой мышцы, а кто — кости. Из мезенхимы выделяется группа клеток, которые еще не хотят принимать решение, ограничивая свой будущий выбор. Дальше организм проходит еще много ступеней развития, на каждой из которых клетки определяются все больше и больше, пока не выберут свою «профессию» окончательно.

Стволовые же клетки, как в том числе и эта группа «нерешительных» клеток мезенхимы, остаются в застывшем состоянии «вечного детства», чтобы в случае гибели в организме дифференцированных клеток наконец сделать свой выбор и занять их место.

Сначала такие клетки называются остеогенными (буквально — производящими кость). Они могут вырабатывать ростовые факторы, стимулируя образование костного мозга. Потом они дифференцируются снова, становясь остеобластами, клетками на внутренней поверхности надкостницы. Угловатые и активно делящиеся остеобласты вырабатывают коллагеновые белки и компоненты рыхлого межклеточного вещества. Затем остеобласты утрачивают способность к делению, «выходят на пенсию», затвердевают и становятся остеоцитами. В заживлении перелома главную роль играют именно эти мезенхимальные остеогенные клетки.

ByRobert M. HuntФормирование костной ткани остеобластами

«Перелом, потерял сознание, очнулся — гипс»

В России более 13 млн человек в год получают травмы, последствия которых — самая частая причина инвалидности у граждан трудоспособного возраста. Дополнительный фактор риска — врожденные заболевания костно-мышечной системы. В России на каждые 10 тыс. новорожденных приходится 219 человек с такими нарушениями.

Для лечения переломов и посттравматических осложнений используются специальные имплантаты — вставки из металлов, помогающие соединять сломанные кости, закреплять и поддерживать их в таком состоянии, пока они не срастутся. Сам материал имплантатов может влиять на заживление (консолидацию) по-разному, но ни один из металлов, известных современным медикам, ускорять его не может.

Поэтому за последние 100 лет при всем развитии медицины сроки срастания переломов не изменились.

Курганские ученые предложили совместить металлическую основу имплантата с покрытием из гидроксиапатита — вещества на основе кальция и фосфора, присутствующего в кости в виде наноразмерных кристаллов. Гидроксиапатит способствует остеогенезу и побуждает к действию остеогенные клетки, но сам по себе он слишком хрупкий материал для имплантации (гибкость костям придают органические компоненты, которые с возрастом замещаются соединениями кальция все больше, что и делает кости более хрупкими в старости).

Поэтому было решено объединить биотолерантный (то есть не вредящий остеносинтезу, но и не улучшающий его) титановый сплав и шероховатое биоактивное (побуждающее кость восстанавливаться) наногидроксиапатитное покрытие.

Разработанная технология математического 3D-моделирования позволяет формировать имплантат индивидуально для каждого больного, учитывая общую плотность кости, количество каналов, пор и сосудов, и вживлять его во внутреннюю полость кости (интрамедуллярно). «Мимикрировать» под индивидуальные шероховатости кости позволяет контролируемое расположение нанокристаллов гидроксиапатита. Материалы изготавливаются после томографии с помощью технологии селективного лазерного спекания, а затем на них наносят слой гидроксиапатита.

«Использование методов стимуляции, основанных на интрамедуллярном внедрении имплантатов с керамическим наногидроксиапатитовым покрытием, позволяет гарантировать положительный результат лечения и реальное сокращение сроков остеосинтеза при переломах костей в 2–4 раза, — сообщает автор монографии, доктор медицинских наук Арнольд Попков.

— Простота, доступность и экономическая целесообразность использования на самых ранних этапах медицинской эвакуации (районная больница) особенно важны в период перехода Российской Федерации на систему обязательного медицинского страхования. Новые технологии легко вписываются в объем базовой травматологической помощи и помощи, осуществляемой по срочным показаниям и в плановом порядке при восстановительном лечении последствий и осложнений травмы, финансируемой из фондов ОМС».

Автор добавляет, что его работа может стать вкладом в импортозамещение и позволяет производить в России имплантаты, не просто сопоставимые с западными аналогами, но и даже превосходящие их по характеристикам скорости заживления.

Использование остеотропных материалов при лечении заболеваний пародонта хирургическими методами

О.О.ЯНУШЕВИЧ, д.м.н., профессор,

Г.С.РУНОВА, к.м.н., доцент, Е.И.ВЫБОРНАЯ, МГМСУ, Москва

Замещение костных дефектов является одной из актуальных проблем современной стоматологии. Нарушение структуры и функции кости альвеолярных отростков крайне негативно отражается на состоянии пародонта. С целью воссоздания утраченного объема костной тканью широко применяются различные материалы – синтетические и биологические, от выбора в конечном итоге зависит успех восстановления костного дефекта и дальнейшего остеогенеза.

В настоящее время, несмотря на очевидные успехи науки и несомненное повышение в целом качества лечения пародонтита, распространенность данного заболевания неуклонно растет (ВОЗ, 1980, 1990; D.Barmes, 1993; Хармия Маркетта, 1997). Таким образом, проблема лечения заболеваний пародонта является одной из актуальнейших задач современной стоматологии.

Проблема лечения заболеваний пародонта является одной из актуальнейших задач современной стоматологии.

Отсутствие ощутимых жалоб и неудобств на ранних стадиях заболевания приводит к тому, что значительная часть пациентов обращается за помощью в тот момент, когда деструкция тканей достигла значительных размеров. Тяжесть течения пародонтита и выраженные деструктивные явления диктуют необходимость применения средств, усиливающих эффективность хирургического лечения. К сожалению, многие из применяемых материалов имеют отдельные недостатки, что диктует необходимость поиска новых, более совершенных материалов. Постоянное развитие науки также способствует этому, т.к. создание подобных материалов в настоящее время невозможно без четкой теоретической основы и использования последних достижений медицины.

Одной из основных задач тканевой инженерии в области лечения костных патологий является создание искусственных композитов, состоящих из алло- и/или ксеноматериалов в сочетании с биоактивными молекулами (костные морфогенетические белки, факторы роста и т.д.) и способных индуцировать остеогенез.

Костная ткань – живая ткань, выполняющая ряд ключевых функций в организме. Кроме опорной и защитной функций, кость также участвует в регуляции минерального гомеостаза. Костная ткань депонирует кроветворные и мезенхимальные стволовые клетки, обеспечивая обновление различных тканей организма на протяжении всей жизни. Кроме того, костная ткань способна ремоделироваться на протяжении всей жизни, адаптируясь к изменениям нагрузки, и поддерживать оптимальный баланс между формой и функцией. Развитие костной ткани – остеогенез или оссификация начинается в мезенхимальной эмбриональной ткани, содержащей капилляры.

Макроскопически в кости можно выделить внешнюю часть, которая называется кортикальной, или компактной костью, составляющую приблизительно 70% от общего скелета, и внутреннюю часть, названную сетчатой, трабекулярной, или губчатой костью. Структура из защитного кортикального слоя и трехмерной трабекулярной сетки обеспечивает оптимальную механическую функцию при минимальной костной массе.

Между компактной и трабекулярной костью существуют качественные и структурные различия: компактная кость минерализована на 80–90%, а трабекулярная – лишь на 15–20%. Функциональные же различия между ними состоят в том, что первая выполняет в основном опорную функцию, а вторая – метаболическую. Плотность кортикальной кости является показателем качества кости, геометрические параметры – показателем массы кости (в частности, площадь кортикальной кости) и распределения костного материала (толщина кортикальной пластинки).

Оба типа костной ткани (компактная и трабекулярная) содержат одинаковые клеточные элементы и межклеточное вещество, составляющее органическую основу ткани, а также минеральные вещества. Собственно костными клетками следует считать остеобласты, остеоциты и остеокласты, а также продукты различных стадий их возможной дифференцировки, выстилающие и остеогенные клетки.

Мезенхимальные клетки кости – недифференцированные клетки кости (контурные клетки кости, выстилающие клетки кости, остеогенные клетки кости) находятся главным образом в составе внутреннего слоя надкостницы, покрывающей поверхность кости снаружи, – периоста, а также в составе эндоста, выстилающего контуры всех внутренних полостей кости, внутренние поверхности кости. Поэтому их называют выстилающими или контурными клетками (bone-lining cells). Из этих клеток могут образовываться новые клетки кости – остеобласты и остеокласты. В соответствии с этой их функцией их также называют остеогенными клетками (osteogenic cells). Остеогенные клетки находятся также в составе костного мозга.

Различают два типа остеогенных клеток. Одни из них имеют веретенообразную форму, не проявляют признаков активного развития и потому их называют покоящимися остеогенными клетками. Другие остеогенные клетки имеют округлую форму. В их ядрах и цитоплазме обнаруживают высокое содержание РНК. Это является признаком активного развития, роста и дифференцирования. Поэтому такой тип остеогенных клеток называют активированными.

Контурные клетки представляют собой трансформированные остеобласты, которые возмещают слой покоящихся клеток на поверхностях кости, вместо клеток, умирающих в результате апоптоза. Контурные клетки являются постпролиферативными клетками, покрывающими те поверхности кости, которые не находятся ни в стадии резорбции, ни в стадии воссоздания. Исследования показали, что эти клетки могут синтезировать и выделять цитокины и другие вещества, управляющие сигналами, активирующими остеокласты. Таким образом, контурные клетки участвуют в управлении перестройкой костной ткани.

Клеточный синцитий кости, образованный остеоцитами костной ткани, вырабатывает и реализует управляющие сигналы пропорционально механической нагрузке. Показано, что остеоциты могут посылать к остеобластам тормозные управляющие сигналы, которые уменьшают скорость образования ими кости. Также показано, что тормозные управляющие сигналы, сформированные остеоцитами в ответ на увеличение механической нагрузки на кость, могут уменьшать активирующее влияние контурных клеток на перестройку кости.

Недифференцированные мезенхимальные клетки могут находиться в любых тканях организма и при определенных условиях способны продуцировать костную ткань. И хотя не обнаружено их отчетливых морфологических отличий от мезенхимальных клеток кости, функциональные различия очевидны.

Костное моделирование осуществляется, во-первых, с участием остеокластов, которые подвергают эрозии костные поверхности, и, во-вторых, с участием остеобластов, капилляров и опорных клеток, которые создают новые поверхности. Оба эти процесса стереоскопически повторяют друг друга.

Нарушение структуры и функции кости альвеолярных отростков крайне негативно отражается на состоянии пародонта. Возникающий в тканях пародонта патологический процесс затрагивает все его структуры, включая альвеолярные отростки челюстей и альвеолярную кость. При этом наиболее часто выявляются следующие патологические изменения костной ткани – остеопороз, деструкция, атрофия или остеосклероз. В комплексе с другими неблагоприятными факторами это ведет к ускоренной потере зубов и быстро прогрессирующей атрофии альвеолярных отростков, что в дальнейшем существенно усложняет ортопедическое лечение с применением внутрикостных дентальных имплантатов.

С целью восстановления структуры и функции тех или иных костей требуется проведение реконструктивных операций с применением различных остеозамещающих материалов.

С целью восстановления структуры и функции тех или иных костей требуется проведение реконструктивных операций с применением различных остеозамещающих материалов. Все существующие костнопластические материалы можно разделить на следующие большие группы: аутокость, аллокость, ксенокость, синтетические материалы и комбинация вышеуказанных материалов.

Были разработаны общие критерии, которым должны отвечать современные материалы, имплантируемые в костный дефект.

Во-первых, они должны выполнять и поддерживать объем дефекта. Во-вторых, обладать остеоиндуктивностью, т.е. активно побуждать остеобласты к формированию кости. В-третьих, быть биодеградируемыми и не вызывать у реципиента воспалительных реакций, т.е. обладать биосовместимостью. Биосовместимость – способность материала, изделия или устройства выполнять свои функции и не вызывать отрицательных реакций в организме «хозяина» – является важнейшим критерием при выборе того или иного пособия при пластике или реконструкции.

Время биорезорбции имеют решающие значение для материалов, имплантируемых в костные дефекты, т.к. они должны выполнять функцию временного матрикса (остеокондуктивную), необходимого для выполнения роли каркаса для врастания клеток и сосудов в структуру материала, для чего необходимо определенное время.

Другим важным свойством материалов, используемых при замещении костных дефектов, является биоинтеграция или способность материала постепенно без резкого фиброзообразования замещаться той тканью, в которую он помещен.

Известно, что поддерживающий эффект любого материала обеспечивается, как правило, его структурными особенностями. Для биоматериалов этот показатель обычно связан с архитектоникой нативной ткани, из которой он получен. Для материалов на основе костной ткани, параметрами ее структурной прочности являются твердо-эластические характеристики костного матрикса и величина пор в нем.

Определенные дефекты костной ткани, особенно при патологических состояниях, не могут быть устранены путем ее физиологической регенерации или благодаря простому хирургическому вмешательству. В таких случаях для восстановления ткани, как правило, применяются материалы, способные либо механически выполнять опорные функции кости (остеокондуктивные), либо оказывать индуцирующее влияние на процессы регенерации в костном дефекте или остеоиндуктивные.

Важнейшим аспектом использования биоматериалов является их безопасность. Биоматериалы, получаемые из тканей и органов животных, имеют определенную степень контаминированности или бактериальной загрязненности. Наиболее адекватным способом снижения и нейтрализации бактериальной контаминации является стерилизация.

Ксенокость является самым доступным материалом в связи с наличием большого наличия источников. Минусами ксенокости является более высокая иммуногенность из-за видоспецифичности и возможность передачи инфекции. Установлена проблема, связанная с вирулентностью прионов – носителей заболевания Крейтцфельдта – Якоба. В США и странах Евросоюза запрещены все препараты, получаемые из костного мозга, губчатой кости, гипофиза и эпифиза крупного рогатого скота. Американская организация FDA выступила с инициативой, что те лица, которым применялся остеотропный материал ксеногенного происхождения, не могут быть донорами крови либо органов.

В настоящее время для замещения костных дефектов в хирургической стоматологии используются много различных форм гидроксиапатита (ГА), отличающихся по форме и величине частиц. Считается, что искусственно полученный ГА по химическому составу и кристаллографическим показателям практически идентичен ГА нативной кости.

В настоящее время для замещения костных дефектов в хирургической стоматологии используются много различных форм гидроксиапатита.

В процессе замещения костного дефекта в присутствии ГА под влиянием биологических жидкостей и тканевых ферментов ГА может частично или полностью резорбироваться. Положительный эффект ГА после его имплантации в костную полость объясняется, по-видимому, не только остеокондуктивными свойствами материала, но и его способностью сорбировать на своей поверхности белки, индуцирующие остеогенез.

Из синтетических материалов в качестве носителей для трансплантации клеток в настоящее время широко применяют керамику, которая представляет из себя искусственный ГА, полученный при обработке трикальций фосфата высокими температурами.

Остеокондуктивный материал Easy Graft – это биорезорбируемый, полностью синтетический остеотропный материал.

Благодаря новаторской концепции, биоматериал обладает высочайшими клиническими преимуществами:

— чистая фаза бета-трикальций фосфата обеспечивает полную резорбцию и регенерацию костной ткани;

— высокая пористость обеспечивает прорастание костных клеток в промежутки между гранулами;

— покрытие гранул оболочкой полилактоидной кислоты препятствует образованию колоний бактерий и инфицированию лунки;

— пропитывание кровью придает гемостатический эффект;

— высокая биосовместимость демонстрируется при анализе гистологических исследований;

— непосредственный контакт с костью улучшает процесс регенерации;

— формирование новой кости идет параллельно с процессом резорбции.

Литература

1. Быков В.Л. Цитология и общая гистология.// СОТИС. Санкт-Петербург, 2001.

2. Григорьев А.И. Минеральный обмен у человека в условиях измененной гравитации / А.И.Григорьев, А.И.Воложин, Г.П.Ступаков // Пробл. косм. биол. Т. 74. – М.: Наука, 1994. – 214 с.

3. Иванов В.С. Заболевания пародонта. – М.: Медицинское информационное агентство, 1998. – 296 с.

4. Иванов С.Ю., Кузнецов Р.К., Чайлахян Р.К., Ларионов Е.В., Панасюк А.Ф., Гиллер Л.И., Бизяев А.Ф., Ларионов Е.В. Новое поколение биокомпозиционных материалов для замещения дефектов костной ткани // Новое в стоматологии. — 1999. — №5. — С. 47–51.

5. Мухамеджанова Л.Р. Особенности диагностики, клинического течения и лечения генерализованного пародонтита у больных системным остеопорозом: Автореф. дис. …д-ра мед. наук. Казань, 2005.

6. Орехова Л.Ю. Заболевания пародонта / Под общей редакцией профессора Л.Ю.Ореховой. — М.: Поли Медиа Пресс, 2004. – 432 с.: илл.

7. Параскевич В.А. Диагностика регионарного остеопороза челюстей при планировании дентальной имплантации // Российский стоматологический журнал. – 2000. — №2. – С. 33–36.

8. Поворознюк В.В. Остеопороз и заболевания пародонта. / В.В.Поворознюк, И.П.Мазур // Пародонтология. – 2005. — №3(36). – С. 14–19.

9. Ревелл П.А. Патология кости: Пер. с англ. – М.: Медицина, 1993. – 386 с.

10. Регирер С.А. Свойства и функции костных клеток: биомеханические аспекты / С.А.Регирер, А.А.Штейн, С.А.Логвенков // Современные проблемы биомеханики: Вып. 10. Механика роста и морфогенеза. – М.: Изд-во МГУ, 2000. — С. 174–224.

11. Салеева Г.Т. Ультразвуковая денситометрия в клинике ортопедической стоматологии / Г.Т.Салеева // VII Научно-практическая конференция молодых ученых, Казань, 2002 г.: Тез. – Казань, 2002. – С. 258–260.

12. Федотова М.В. Состояние тканей пародонта у больных бруксизмом: Дис. … канд. мед. наук. – Иркутск, 2006. – 123 с.

13. Baron R. Anatomy and ultrastructure of bone. In: Primer on the Metabolic Bone Diseases and Disorders of Mineral Metabolism / Baron R., Favus M. J. ed. // Am Soc. for Bone and Mineral Res. – 1990. – P. 3–7.

14. Bruck, S.D., Mueller E.P. (1989) Reference standards for implantable materials: problems and needs. Med. Prog. Technol. 15: 5–20.

15. Klein A.A. 1983. Biodegradation behavior of various calcium phosphates. J. Biomaterials Res.17(5), 769–784.

16. Leo I. Kupp Implant surfaces and bone formation / Leo I. Kupp // Insight/ — Vol. 3. – Issue 2/ 2000. – P. 35–36.

17. Parsons J. (1988) Bioceramics: Materials Characteristics Versus. Ann. N Y Acad. Sciences v.523 Jun.10. p.190.Osteoconductive Composite Grouts for Ortopedic Use.

18. Reddi A.H. (1985) Implant-stimulated interface reactions during collageous bone matrix-induced bone formation. Biomed.Mater.Res. Mar; 19 (3) 233–9.

19. Reddi A.H., Weintroub S., Muthukumaran N. (1987) Biological principles of bone induction. Orthop Clin N Amer 18:207–212.

20. Ripamonti U., Reddi A.H. (1992) Growth and morphogenetic factors in bone induction: role of osteogenin and related bone morphogenetic proteins in craniofacial and periodontal bone repair. Crit Rev Oral Biol Med 3: 1–14.

21. Russo C.R. Volumetric bone density and geometry assessed by peripheral quantitative computed tomography in uremic patients on maintenance hemodialysis / C.R. Russo, G. Tacetti, P. Caneva et al. // Osteoporos. Int. — 1998. — Vol.8. — P.443–448.

22. Sindet-Pedersen S., Enemark H. Mandibular bone grafts for reconstruction of alveolar clefts. J Oral Maxillofac Surg 1988; 46: 533–537.

23. Owen M.: The origin of bone cells, Int. Rev. Cytol., 28:213–238, 1970.

Новые имплантаты от российских ученых помогут быстрее сращивать кости при переломах

Почему переломы заживают так же долго, как и сто лет назад, как титановый сплав и нанотехнологии могут это изменить, как клетка кости выбирает свою судьбу и почему новые медицинские технологии должны быть в каждой районной больнице — в материале «Газеты.Ru».

Клетки и дороги, которые они выбирают

Первоначально, на протяжении нескольких первых циклов деления после оплодотворения, ни одна клетка нашего будущего тела «не знает», какой путь ей предстоит совершить, и ей «открыты все дороги».

100%

Формирование костной ткани остеобластами

ByRobert M. Hunt

«Перелом, потерял сознание, очнулся — гипс»

Поэтому за последние 100 лет при всем развитии медицины сроки срастания переломов не изменились.

Notch-зависимая активация остеогенного потенциала клеток периодонта | Семенова

1. Semenova D, Bogdanova M, Kostina A, et al. Dose-dependent mechanism of Notch action in promoting osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Cell Tissue Res. 2019;379(1):169–179

2. Trubiani O, Pizzicannella J, Caputi S, et al. Periodontal Ligament Stem Cells: Current Knowledge and Future Perspectives. Stem Cells Dev. 2019;28(15):995–1003.

3. De Strooper B, Annaert W, Cupers P, et al. A presenilin-1-dependent gamma-secretase-like protease mediates release of Notch intracellular domain. Nature. 1999;398(6727):518–522.

4. Hori K, Sen A, Artavanis-Tsakonas S. Notch signaling at a glance. J Cell Sci. 2013;126(Pt 10):2135–2140.

5. Schroeter EH, Kisslinger JA, Kopan R. Notch-1 signalling requires ligand-induced proteolytic release of intracellular domain. Nature. 1998; 393(6683):382–386.

6. Jarriault S, Brou C, Logeat F, et al. Signalling downstream of activated mammalian Notch. Nature. 1995; 377(6547):355–358.

7. Iso T, Kedes L, Hamamori Y. HES and HERP families: Multiple effectors of the notch signaling pathway. J Cell Physiol. 2003; 194(3):237–255.

8. Grego-Bessa J, Luna-Zurita L, del Monte G, et al. Notch signaling is essential for ventricular chamber development. Dev Cell. 2007; 12(3):415–429.

9. Krebs LT, Deftos ML, Bevan MJ, Gridley T. The Nrarp gene encodes an ankyrin-repeat protein that is transcriptionally regulated by the notch signaling pathway. Dev Biol. 2001;238(1):110–119.

10. Rangarajan A, Talora C, Okuyama R, et al. Notch signaling is a direct determinant of keratinocyte growth arrest and entry into differentiation. EMBO J. 2001; 20(13):3427–3436.

11. Sahlgren C, Gustafsson M V, Jin S, et al. Notch signaling mediates hypoxia-induced tumor cell migration and invasion. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(17):63926397.

12. Timmerman LA, Grego-Bessa J, Raya A, et al. Notch promotes epithelial-mesenchymal transition during cardiac development and oncogenic transformation. Genes Dev. 2004; 18(1):99–115.

13. Weng AP, Millholland JM, Yashiro-Ohtani Y, et al. c-Myc is an important direct target of Notch2 in T-cell acute lymphoblastic leukemia/lymphoma. Genes Dev. 2006; 20(15):2096–2109.

14. Canalis E. Notch in skeletal physiology and disease. Osteoporos Int. 2018;29(12):2611–2621.

15. Ugarte F, Ryser M, Thieme , et al. Notch signaling enhances osteogenic differentiation while inhibiting adipogenesis in primary human bone marrow stromal cells. Exp Hematol. 2009; 37(7):867–875.

16. Shimizu T, Tanaka T, Iso T, et al. Notch signaling pathway enhances bone morphogenetic protein 2 (BMP2) responsiveness of Msx2 gene to induce osteogenic differentiation and mineralization of vascular smooth muscle cells. J Biol Chem. 2011;286(21):19138–19148.

17. Doi H, Iso T, Sato H et al. Jagged1-selective notch signaling induces smooth muscle differentiation via a RBP-Jkappa-dependent pathway. J Biol Chem. 2006; 281(39):28555–28564.

18. Tezuka K-I, Yasuda M, Watanabe N, et al. Stimulation of Osteoblastic Cell Differentiation by Notch. J Bone Miner Res. 2002; 17(2):231–239.

19. Bai S, Kopan R, Zou W, et al. NOTCh2 regulates osteoclastogenesis directly in osteoclast precursors and indirectly via osteoblast lineage cells. J Biol Chem. 2008; 283(10):6509–6518.

20. Hilton MJ, Tu X, Wu X, et al. Notch signaling maintains bone marrow mesenchymal progenitors by suppressing osteoblast differentiation. Nat Med. 2008; 14(3):306–314.

21. Shindo K, Kawashima N, Sakamoto K et al. Osteogenic differentiation of the mesenchymal progenitor cells, Kusa is suppressed by Notch signaling. Exp Cell Res. 2003; 290(2):370–380.

22. Engin F, Yao Z, Yang T et al. Dimorphic effects of Notch signaling in bone homeostasis. Nat Med. 2008; 14(3):299–305.

23. Salie R, Kneissel M, Vukevic M, et al. Ubiquitous overexpression of Hey1 transcription factor leads to osteopenia and chondrocyte hypertrophy in bone. Bone. 2010; 46(3):680–694.

24. Liu P, Ping Y, Ma M, et al. Anabolic actions of Notch on mature bone. Proc Natl Acad Sci. 2016;113(15):21522161.

25. Cao J, Wei Y, Lian J et al. Notch signaling pathway promotes osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells by enhancing BMP9/Smad signaling. Int J Mol Med. 2017; 40(2):378–388.

26. Liao J, Wei Q, Zou Y et al. Notch Signaling Augments BMP9-Induced Bone Formation by Promoting the Osteogenesis-Angiogenesis Coupling Process in Mesenchymal Stem Cells (MSCs). Cell Physiol Biochem. 2017; 41(5):1905–1923.

27. Liao J, Yu X, Hu X, et al. lncRNA h29 mediates BMP9-induced osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) through Notch signaling. Oncotarget. 2017; 8(32):53581–53601.

28. Cui J, Zhang W, Huang E, et al. BMP9-induced osteoblastic differentiation requires functional Notch signaling in mesenchymal stem cells. Lab Invest. 2019; 99(1):58–71.

29. Andersson ER, Sandberg R, Lendahl U. Notch signaling: simplicity in design, versatility in function. Development. 2011; 138(17):3593–3612.

30. Yamamoto S, Schulze KL, Bellen HJ. Introduction to Notch signaling. Methods Mol Biol. 2014; 1187:1–14.

31. Guruharsha KG, Kankel MW, Artavanis-Tsakonas S. The Notch signalling system: recent insights into the complexity of a conserved pathway. Nat Rev Genet. 2012; 13(9):654–666.

32. Malashicheva A, Kanzler B, Tolkunova E et al. Lentivirus as a tool for lineage-specific gene manipulations. Genesis. 2007; 45(7):456–459.

33. Canalis E. Notch signaling in osteoblasts. Sci Signal. 2008;1(17):pe17.

34. Regan J, Long F. Notch signaling and bone remodeling. Curr Osteoporos Rep. 2013; 11(2):126–129.

35. Kostina A, Shishkova A, Ignatieva E, et al. Different Notch signaling in cells from calcified bicuspid and tricuspid aortic valves. J Mol Cell Cardiol. 2018;114:211–219.

Гистология, клетки-остеопрогениторы — StatPearls

Введение

Клетки-остеопрогениторы, также известные как остеогенные клетки, представляют собой стволовые клетки, расположенные в кости, которые играют важную роль в восстановлении и росте костей. Эти клетки являются предшественниками более специализированных костных клеток (остеоцитов и остеобластов) и находятся в костном мозге. Развитые из младенческих мезенхимальных клеток, клетки-остеопрогениторы превращаются в веретеновидные клетки на поверхности созревших костей. В развивающихся костях они появляются чаще и активируют многофункциональные этапы ремоделирования костей.С возрастом организм теряет способность синтезировать или использовать больше клеток-остеопрогениторов. Дисфункция клеток-остеопрогениторов может замедлить оссификацию и привести к целому ряду заболеваний, таких как карликовость и болезнь Кашина-Бека. [1]

Структура

Остеопрогениторные клетки часто называют преостеобластами. Они могут присутствовать в эндосте, клеточном слое надкостницы и выстилке остеогенных клеток. В созревших костях, которые больше не проявляют активного ремоделирования или формирования костей, клетки-остеопрогениторы существуют в виде уплощенных веретеновидных структур.Они прикрепляются к поверхности кости и в этот период называются «неактивными остеобластами». Однако в созревающих костях эти клетки проявляются в самой крупной форме. Во время внутриутробного развития или в периоды высокого оборота в остеогенезе у взрослых многочисленные клетки-остеопрогениторы функционируют, давая образование остеобластам. На этой стадии в этих структурах появляются пухлые овальные ядра и обильная веретенообразная цитоплазма, которая позже превращается в характерные кубовидные активные остеобласты. [2] [3]

Функция

Остеопрогениторы могут самораспространяться и самообновляться.Они участвуют в остеогенной дифференцировке и играют роль в регуляции ангиогенеза. Клетки-остеопрогениторы могут дифференцироваться в остеобласты посредством митотического деления или деления на две стволовые клетки благодаря высокому уровню механизма регуляции, который остается статичным во время процесса пролиферации. После завершения синтеза ДНК и размножения клетки клетка сохраняет свою исходную генетическую информацию. Эндокринная система и местные факторы (факторы роста и цитокины) в основном регулируют остеогенез.Недавние исследования подтвердили, что некоторые клетки-остеопрогениторы, происходящие из гипоталамического Y2 — / -, усиливают остеогенную активность. «Богатая пролином тирозинкиназа 2» предположительно регулирует дифференцировку ранних остеопрогениторов, а ингибиторы «богатой пролином тирозинкиназы 2» способствуют остеогенезу и могут действовать в качестве лечения остеопороза. Остеопрогениторные клетки также находятся в надхрящнице. Эти остеопрогениторы гиперрегулируют морфогенетические белки кости во время дифференцировки в зрелые остеобласты, ответственные за производство костного матрикса.[4] [5] [6]

Препарат ткани

Стромальные клетки костного мозга (BMSC) дают тестируемые остеопрогениторы. Исследователи разбавляют образец клеток фосфатно-солевым буфером (PBS) в соотношении 1: 3. Они изолируют зародыши клетки с помощью раствора градиента плотности. Полная среда (CM) подготовительной фазы состоит из 0,1 ммоль / л заменимых аминокислот, альфа-MEM с 10% фетальной бычьей сыворотки, 4,5 мг / мл d-глюкозы, 1 ммоль / л пирувата натрия, 100 Ед / мл пенициллина, 100 ммоль. / Л буфера HEPES, 100 мкг / мл стрептомицина и 0.2 в дополненной CM. Добавка CM требует дополнительных 5 нг / мл фактора роста фибробластов-2 (GF2) и 10 нмоль / л дексаметазона; оба элемента пролиферируют за счет остеогенного связывания стромальных клеток костного мозга. Дополнительный процесс подвергается увлажнению при 37 ° C в инкубаторе с 5% CO2.

Гистохимия и цитохимия

Развитие клеток-остеопрогениторов находится в стадии активных исследований. Исследование предполагает, что перихондриальные Thy-1-положительные клетки демонстрируют потенциальную остеогенную активность и участвуют в образовании остеобластов во время эндохондральной оссификации.Другое исследование показывает интенсивную активность щелочной фосфатазы через две недели после остеогенной индукции, а также наличие минерализованных узелков. Экспрессия костного сиалопротеина, протеина-1 дентина и остеокальцина увеличивается из-за пролиферации ЩФ. 55-65% клеток, как подтверждено проточной цитометрией, демонстрируют рост маркеров клеточной поверхности Sca1 + и Thy1 + in vitro для альфа-SMA-GFP-положительной популяции. Альфа-SMA-GFP-положительная популяция также демонстрирует высокую пролиферативную и остеогенную вероятность по сравнению с альфа-SMA-GFP-отрицательной популяцией.[8] [9]

Microscopy Light

Окончательная визуализация под микроскопом включает деликатную фазу подготовки: ученые фиксируют эксплантаты в 4% забуференном формалине в течение одного дня и декальцинируют образец с помощью 0,5 моль / л этилендиаминтетрауксусной кислоты (pH 8) от 7 до 10 дней. Они обеспечивают нанесение образца в парафин и поперечное сечение образцов на частичные образцы толщиной 5 мкм на трех разных пластах.

Ученые окрашивают образцы гематоксилином / эозином и Массоном / трихромом; они проводят как качественное обследование на наличие костной ткани, так и количественное обследование с помощью компьютерной гистоморфометрии костей.Для каждого окрашенного гематоксилином / эозином поперечного сечения ученые получают 3 или 4 изображения (достаточных для заполнения поперечных сечений конструкции) и используют их для расчета площади костной ткани и доступной площади для врастания ткани (чистая площадь имплантата — неградиентный каркас. области) с помощью анализа цифровых изображений. Под изображениями сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) красный цвет на предметных стеклах, окрашенных методом Массона / трихрома, указывает на пластинчатую и реконструированную кость, а синий цвет показывает свежеотложенную и незрелую кость.[7]

Патофизиология

Часто упускаемые из виду в клинических исследованиях опухоли костей, образующиеся в линии остеопрогениторов или стромальных клеток во время болезни Педжета (БП), вероятно, происходят из генетических изменений, связанных с наследственной болезнью Педжета. Во время болезни Педжета эндостальная поверхность подвергается активному ремоделированию, и возникают аномальные остеокласты, несущие ядерные включения. «Фиброзные» ткани в костных биоптатах пациентов с БП, как выяснилось, состоят из избыточных удлиненных, сложно разветвленных стромальных клеток, которые демонстрируют высокий уровень щелочной фосфатазы; эти клетки похожи на преостеогенные стромальные клетки, расположенные в нормальном костном мозге.

Ранние и полномасштабные пагетические поражения демонстрируют динамические преобразования в расположении, количестве и функции стромальных клеток внутри эндостальной / мозгового вещества. Избыточное количество остеопрогениторных клеток костного мозга в пораженных областях подтверждает более ранние данные статической и динамической гистоморфометрии у пациентов с болезнью Педжета. Предыдущие данные показали, что скорость остеогенеза увеличивается во время болезни Педжета, но активные исследования подтверждают, что также наблюдается всплеск «рождаемости» остеобластов.

Качество новых костей зависит от природы и происходящей гиперминерализации. Случайные характерные узоры мозаики Шморля могут образовываться из-за особенно большого количества событий смены направления, обозначенных линиями цемента или обратным цементом. Большинство стромальных / остеобластических аномалий возникает в результате увеличения костной массы, характеризующейся более плотными и толстыми трабекулярными структурами. Нарушение механической целостности, вызванное плохой архитектурной организацией и трансформациями минерализованного матричного материала, является дополнительными характеристиками.[10] [11] [12]

Клиническая значимость

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК), полученные из жировой ткани и ткани костного мозга, обладают терапевтической ценностью для лечения различных заболеваний костей. Текущие исследования демонстрируют преимущество костных трансплантатов, основанных на комбинации MSC, биомиметических каркасов и доставки фактора роста, которые показали повышенную скорость остеогенной регенерации с минимальными побочными эффектами. Конкретные механизмы клеточной передачи сигналов при ремоделировании кости важны для понимания внедрения новых эффективных методов лечения многочисленных заболеваний костей.

В настоящее время реже используются различные методы лечения трансплантатов с использованием аутологичных остеогенных костных трансплантатов; Индивидуальная для пациента клеточная терапия с использованием аутологичных BM-MNC (мононуклеарных клеток костного мозга), состоящих из стволовых клеток, моноцитов, лимфоцитов и дендритных клеток, становится все более популярной для лечения патологии костей. Все пациенты, страдающие псевдоартрозом длинных костей, достигли полной консолидации кости при лечении аутологичными BM-MNC и аллогенными трансплантатами губчатой кости.Аспират костного мозга, используемый во время лечения остеонекроза путем минимально инвазивной декомпрессии головки бедренной кости, уменьшал прогрессирование заболевания и приводил к общему облегчению боли и симптомов. Инъекции концентрированного костного мозга приводят к лучшему остеогенному сращению, что приводит к полному выздоровлению у послеоперационных пациентов с ахондропластическими карликами в течение 2-10 месяцев после операций по осветлению бедра. Внутривенные инъекции BMC в сочетании с илопростом способствуют заживлению переломов у пациентов с аваскулярным некрозом.Пациенты, получавшие внутрисуставную инъекцию BMNc, показали лучшее жевание и максимальное межрезцовое отверстие с полным обезболиванием. [13] [14] [15]

Вопросы для повышения квалификации / повторения

Ссылки

1.: Рен X, Чжоу К., Фулад Д., Тиффани А.С., Дьюи М.Дж., Бишофф Д., Миллер Т.А., Рид Р.Р., Хе ТК, Ямагути Д.Т., Харли ВАС, Lee JC. Остеопротегерин снижает активность резорбции остеокластов, не влияя на остеогенез на минерализованных коллагеновых каркасах из наночастиц.Sci Adv. 2019 июн; 5 (6): eaaw4991. [Бесплатная статья PMC: PMC6561746] [PubMed: 31206025]
2.: Xu J, Wang Y, Hsu CY, Gao Y, Meyers CA, Chang L, Zhang L, Broderick K, Ding C, Peault B, Witwer K , Джеймс А.В. Внеклеточные везикулы, происходящие из периваскулярных стволовых клеток человека, опосредуют восстановление костей. Элиф. 4 сентября 2019 г .; 8 [Бесплатная статья PMC: PMC6764819] [PubMed: 31482845]
3.: Clines GA. Перспективы использования стволовых клеток-остеопрогениторов при лечении переломов и остеопорозе. Curr Opin Трансплантация органов.2010 февраль; 15 (1): 73-8. [Бесплатная статья PMC: PMC3127284] [PubMed: 19935065]
4.: Coyac BR, Sun Q, Leahy B., Salvi G, Yuan X, Brunski JB, Helms JA. Оптимизация вклада аутологичной кости в остеоинтеграцию имплантата. J Periodontol. 2020 декабрь; 91 (12): 1632-1644. [Бесплатная статья PMC: PMC7554098] [PubMed: 32279310]
5.: Даналаче М., Клиш С.М., Мунц М., Нарос А., Рейнерт С., Александр Д. Анализ качества минералов, образованных периостальными клетками челюсти в различных условиях культивирования.Int J Mol Sci. 27 августа 2019; 20 (17) [Бесплатная статья PMC: PMC6747376] [PubMed: 31461878]
6.: Ибрагим А., Булстроуд Н.В., Уитакер И.С., Иствуд Д.М., Данауэй Д., Ферретти П. Нанотехнологии для стимуляции дифференцировки остеопрогенов. Откройте Orthop J. 2016; 10: 849-861. [Бесплатная статья PMC: PMC5299582] [PubMed: 28217210]
7.: Jaquiéry C, Schaeren S, Farhadi J, Mainil-Varlet P, Kunz C, Zeilhofer HF, Heberer M, Martin I. Остеогенная дифференциация in vitro и vivo костеобразовательная способность изогенных периостальных клеток челюсти и стромальных клеток костного мозга человека.Ann Surg. 2005 декабрь; 242 (6): 859-67, обсуждение 867-8. [Бесплатная статья PMC: PMC1409890] [PubMed: 16327496]
8.: Накамура Х, Юкита А., Ниномия Т., Хосоя А., Хирага Т., Одзава Х. Локализация Thy-1-положительных клеток в перихондрии во время эндохондральной оссификации . J Histochem Cytochem. 2010 Май; 58 (5): 455-62. [Бесплатная статья PMC: PMC2857817] [PubMed: 20124093]
9.: Сан Мигель С.М., Фатахи М.Р., Ли Х., Игве Дж.С., Агила Х.Л., Калайзич И. Определение визуального маркера остеопрогениторных клеток в пародонте.J Periodontal Res. 2010 Февраль; 45 (1): 60-70. [Бесплатная статья PMC: PMC2871067] [PubMed: 19453851]
10.: Роби П.Г., Бьянко П. Роль остеогенных клеток в патофизиологии болезни Педжета. J Bone Miner Res. 1999 Октябрь; 14 Дополнение 2: 9-16. [PubMed: 10510207]
11.: Arthur A, Nguyen TM, Paton S, Klisuric A, Zannettino ACW, Gronthos S. Специфичная для остеопрогенитора потеря эфринаB1 приводит к остеопоротическому фенотипу, влияющему на баланс между образованием и резорбцией кости.Научный доклад 24 августа 2018 г .; 8 (1): 12756. [Бесплатная статья PMC: PMC6109077] [PubMed: 30143786]
12.: Тиль А., Рейман М.К., Боски А., Вишманн Дж., Фон Эйзенхарт-Роте Р., Майер-Кукук П. Миграция остеобластов в костях позвоночных. Биол Рев Камб Филос Соц. 2018 Февраль; 93 (1): 350-363. [Бесплатная статья PMC: PMC6218945] [PubMed: 28631442]
13.: Hutchings G, Moncrieff L, Dompe C, Janowicz K, Sibiak R, Bryja A, Jankowski M, Mozdziak P, Bukowska D, Antosik P, Shibli JA , Dyszkiewicz-Konwińska M, Bruska M, Kempisty B, Piotrowska-Kempisty H.Костная регенерация, реконструкция и использование остеогенных клеток; от базовых знаний, моделей на животных до клинических испытаний. J Clin Med. 2020, 04 января; 9 (1) [Бесплатная статья PMC: PMC7019836] [PubMed: 31947922]
14.: Де Риу Г., Вайра Л.А., Карта Э., Мелони С.М., Сембронио С., Робиони М. Концентрат ядерных клеток костного мозга аутотрансплантат при дегенеративных заболеваниях височно-нижнечелюстного сустава: результаты рандомизированного клинического исследования за 1 год. J Craniomaxillofac Surg. 2019 ноя; 47 (11): 1728-1738. [PubMed: 31601466]
15.: Пун З., Ли В. К., Гуан Г., Ньян Л. М., Лим К. Т., Хан Дж., Ван Влит К.Дж. Регенерации костного мозга способствуют биофизически отсортированные остеопрогениторы из мезенхимальных стромальных клеток. Стволовые клетки Transl Med. 2015 Янв; 4 (1): 56-65. [Бесплатная статья PMC: PMC4275011] [PubMed: 25411477]

38.2B: Типы клеток в костях

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Ключевые моменты
Ключевые термины

Остеобласты, остеокласты, остеоциты и костные клетки-остеопрогениторы отвечают за рост, формирование и поддержание костей.

Цели обучения

Различать четыре типа клеток в кости

Кость состоит из четырех типов клеток: остеобластов, остеокластов, остеоцитов и остеопрогениторных (или остеогенных) клеток. Каждый тип клеток имеет уникальную функцию и находится в разных местах костей. Остеобласт, костная клетка, отвечающая за формирование новой кости, находится в растущих частях кости, включая надкостницу и эндост. Остеобласты, которые не делятся, не синтезируют и не секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция.Когда секретируемый матрикс, окружающий остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке внутри него. В результате он меняет структуру, становясь остеоцитом, первичной клеткой зрелой кости и наиболее распространенным типом костной клетки. Каждый остеоцит расположен в пространстве (лакуне), окруженном костной тканью. Остеоциты поддерживают минеральную концентрацию матрикса за счет секреции ферментов. Как и в случае с остеобластами, остеоциты не обладают митотической активностью. Они могут общаться друг с другом и получать питательные вещества через длинные цитоплазматические отростки, которые проходят через canaliculi (единичный = canaliculus), каналы в костном матриксе.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Типы костных клеток : Таблица, в которой перечислены функции и расположение четырех типов костных клеток. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Четыре типа костных клеток : В костной ткани обнаружены четыре типа клеток. Остеогенные клетки недифференцированы и развиваются в остеобласты. Когда остеобласты попадают в кальцифицированный матрикс, их структура и функция изменяются; они становятся остеоцитами. Остеокласты развиваются из моноцитов и макрофагов и отличаются по внешнему виду от других костных клеток.

Если остеобласты и остеоциты неспособны к митозу, то как они пополняются, когда умирают старые? Ответ кроется в свойствах третьей категории костных клеток: остеогенных клеток. Эти остеогенные клетки недифференцированы с высокой митотической активностью; они единственные костные клетки, которые делятся. Незрелые остеогенные клетки находятся в глубоких слоях надкостницы и костного мозга. Когда они дифференцируются, они превращаются в остеобласты. Динамический характер кости означает, что новая ткань постоянно образуется, в то время как старая, поврежденная или ненужная кость растворяется для восстановления или высвобождения кальция.Клеткой, ответственной за резорбцию или разрушение кости, является остеокласт, который находится на поверхности кости, является многоядерным и происходит из моноцитов и макрофагов (два типа лейкоцитов), а не из остеогенных клеток. Остеокласты постоянно разрушают старую кость, в то время как остеобласты постоянно образуют новую кость. Постоянный баланс между остеобластами и остеокластами отвечает за постоянное, но тонкое изменение формы кости.

Ключевые моменты

Остеогенные клетки — единственные костные клетки, которые делятся.
Остеогенные клетки дифференцируются и развиваются в остеобласты, которые, в свою очередь, отвечают за формирование новых костей.
Остеобласты синтезируют и секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция.
Когда область, окружающая остеобласт, кальцифицируется, остеобласт захватывается и трансформируется в остеоцит, наиболее распространенный и зрелый тип костной клетки.
Остеокласты, клетки, которые разрушают и реабсорбируют кость, происходят из моноцитов и макрофагов, а не из остеогенных клеток..
Существует постоянный баланс между остеобластами, образующими новую кость, и остеокластами, разрушающими кость.

Ключевые термины

остеокласт : большая многоядерная клетка, связанная с резорбцией кости
остеоцит : зрелая костная клетка, участвующая в поддержании костной ткани
osteoprogenitor : стволовая клетка, которая является предшественником остеобласта
canaliculus : любой из множества небольших каналов или протоков в кости или в некоторых растениях
надкостница : мембрана, окружающая кость
эндост : мембранный сосудистый слой клеток, выстилающий костномозговую полость кости
лакуна : небольшое отверстие; небольшая ямка или углубление; небольшое пустое пространство; пробел или вакансия; перерыв
остеобласт : одноядерная клетка, из которой развивается кость

Bone | Безграничная биология

Кость

Кости состоят из комбинации компактной костной ткани для прочности и губчатой костной ткани для сжатия в ответ на нагрузки.

Цели обучения

Различать плотную и губчатую костные ткани

Основные выводы

Ключевые моменты

Компактная кость — это твердый внешний слой всех костей, который защищает, укрепляет и окружает костномозговую полость, заполненную костным мозгом.
Цилиндрические структуры, называемые остеонами, выровнены по линиям наибольшего напряжения костей, чтобы противостоять изгибу или перелому.
Губчатая или губчатая костная ткань состоит из трабекул, расположенных в виде стержней или пластинок с красным костным мозгом между ними.
Губчатая кость выступает в областях, где кость менее плотная, и на концах длинных костей, где кость должна быть более сжимаемой из-за нагрузок, поступающих со многих сторон.

Ключевые термины

трабекула : небольшая минерализованная спикула, которая образует сеть в губчатой кости
эпифиз : закругленный конец любой длинной кости
остеоцит : зрелая костная клетка, участвующая в поддержании костной ткани
остеон : любой из центральных каналов и окружающих костных слоев в компактной кости

Костная ткань

Кости считаются органами, потому что они содержат различные типы тканей, такие как кровь, соединительная ткань, нервы и костная ткань.Остеоциты, живые клетки костной ткани, образуют минеральную матрицу костей. Костная ткань бывает двух типов: плотная и губчатая.

Компактная костная ткань

Компактная кость (или кортикальная кость), образующая твердый внешний слой всех костей, окружает костномозговую полость (внутреннюю часть или костный мозг). Он обеспечивает защиту и прочность костей. Компактная костная ткань состоит из единиц, называемых остеонами или гаверсовскими системами. Остеоны — это цилиндрические структуры, содержащие минеральный матрикс и живые остеоциты, соединенные канальцами, по которым кровь транспортируется.Они расположены параллельно длинной оси кости. Каждый остеон состоит из пластинок, слоев компактного матрикса, которые окружают центральный канал (гаверсовский или остеонический канал), который содержит кровеносные сосуды и нервные волокна кости. Остеоны в компактной костной ткани выровнены в одном направлении по линиям напряжения, помогая кости сопротивляться изгибу или перелому. Следовательно, компактная костная ткань является заметной в тех областях кости, к которым нагрузки прилагаются только в нескольких направлениях.

Компоненты компактной костной ткани : Компактная костная ткань состоит из остеонов, расположенных параллельно длинной оси кости и гаверсовского канала, который содержит кровеносные сосуды и нервные волокна кости.Внутренний слой костей состоит из губчатой костной ткани. Маленькие темные овалы в остеоне представляют живые остеоциты.

Губчатая костная ткань

Компактная костная ткань образует внешний слой всех костей, а губчатая или губчатая кость — внутренний слой всех костей. Губчатая костная ткань не содержит остеонов. Вместо этого он состоит из трабекул, которые представляют собой ламели, расположенные в виде стержней или пластин. Между трабукулами находится красный костный мозг. Кровеносные сосуды в этой ткани доставляют питательные вещества к остеоцитам и удаляют отходы.Красный костный мозг бедренной кости и внутренние части других крупных костей, таких как подвздошная кишка, образуют клетки крови.

Расположение трабекул в губчатой кости : Трабекулы в губчатой кости расположены так, что одна сторона кости выдерживает растяжение, а другая — сжатие.

Губчатая кость снижает плотность кости, позволяя концам длинных костей сжиматься в результате нагрузки, прикладываемой к кости. Губчатая кость является заметной в тех областях костей, которые не подвергаются сильному стрессу или к которым стрессы поступают со многих сторон.Эпифиз кости, например шейка бедренной кости, подвергается нагрузке со многих сторон. Представьте, что вы кладете на пол картину в тяжелой раме. Вы могли бы придерживать одну сторону картины зубочисткой, если бы зубочистка была перпендикулярна полу и картине. Теперь просверлите отверстие и воткните зубочистку в стену, чтобы повесить картину. В этом случае функция зубочистки заключается в передаче направленного вниз давления картины на стену. Сила, действующая на картину, направлена прямо к полу, но сила, действующая на зубочистку, — это одновременно и проволока для картины, тянущая вниз, и дно отверстия в стене, толкающее вверх.Зубочистка отломится прямо у стены.

Шейка бедра расположена горизонтально, как зубочистка в стене. Вес тела толкает его вниз около сустава, но вертикальный диафиз бедра толкает его вверх на другом конце. Шейка бедра должна быть достаточно сильной, чтобы передавать нисходящую силу веса тела по горизонтали на вертикальный стержень бедренной кости.

Типы клеток в костях

Цели обучения

Различать четыре типа клеток в кости

Основные выводы

Ключевые моменты

Остеогенные клетки — единственные костные клетки, которые делятся.
Остеогенные клетки дифференцируются и развиваются в остеобласты, которые, в свою очередь, отвечают за формирование новых костей.
Остеобласты синтезируют и секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция.
Когда область, окружающая остеобласт, кальцифицируется, остеобласт захватывается и трансформируется в остеоцит, наиболее распространенный и зрелый тип костной клетки.
Остеокласты, клетки, которые разрушают и реабсорбируют кости, происходят из моноцитов и макрофагов, а не из остеогенных клеток.
Существует постоянный баланс между остеобластами, образующими новую кость, и остеокластами, разрушающими кость.

Ключевые термины

остеокласт : большая многоядерная клетка, связанная с резорбцией кости
остеоцит : зрелая костная клетка, участвующая в поддержании костной ткани
osteoprogenitor : стволовая клетка, которая является предшественником остеобласта
canaliculus : любой из множества небольших каналов или протоков в кости или в некоторых растениях
надкостница : мембрана, окружающая кость
эндост : мембранный сосудистый слой клеток, выстилающий костномозговую полость кости
лакуна : небольшое отверстие; небольшая ямка или углубление; небольшое пустое пространство; пробел или вакансия; перерыв
остеобласт : одноядерная клетка, из которой развивается кость

Типы клеток в костях

Кость состоит из четырех типов клеток: остеобластов, остеокластов, остеоцитов и остеопрогениторных (или остеогенных) клеток.Каждый тип клеток имеет уникальную функцию и находится в разных местах костей. Остеобласт, костная клетка, отвечающая за формирование новой кости, находится в растущих частях кости, включая надкостницу и эндост. Остеобласты, которые не делятся, не синтезируют и не секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция. Когда секретируемый матрикс, окружающий остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке внутри него. В результате он меняет структуру, становясь остеоцитом, первичной клеткой зрелой кости и наиболее распространенным типом костной клетки.Каждый остеоцит расположен в пространстве (лакуне), окруженном костной тканью. Остеоциты поддерживают минеральную концентрацию матрикса за счет секреции ферментов. Как и в случае с остеобластами, остеоциты не обладают митотической активностью. Они могут общаться друг с другом и получать питательные вещества через длинные цитоплазматические отростки, которые проходят через canaliculi (единичный = canaliculus), каналы в костном матриксе.

Типы костных клеток : Таблица, в которой перечислены функции и расположение четырех типов костных клеток.

Четыре типа костных клеток : Четыре типа клеток обнаруживаются в костной ткани. Остеогенные клетки недифференцированы и развиваются в остеобласты. Когда остеобласты попадают в кальцифицированный матрикс, их структура и функция изменяются; они становятся остеоцитами. Остеокласты развиваются из моноцитов и макрофагов и отличаются по внешнему виду от других костных клеток.

Если остеобласты и остеоциты неспособны к митозу, то как они пополняются, когда умирают старые? Ответ кроется в свойствах третьей категории костных клеток: остеогенных клеток.Эти остеогенные клетки недифференцированы с высокой митотической активностью; они единственные костные клетки, которые делятся. Незрелые остеогенные клетки находятся в глубоких слоях надкостницы и костного мозга. Когда они дифференцируются, они превращаются в остеобласты. Динамический характер кости означает, что новая ткань постоянно образуется, в то время как старая, поврежденная или ненужная кость растворяется для восстановления или высвобождения кальция. Клеткой, ответственной за резорбцию или разрушение кости, является остеокласт, который находится на поверхности кости, является многоядерным и происходит из моноцитов и макрофагов (два типа лейкоцитов), а не из остеогенных клеток.Остеокласты постоянно разрушают старую кость, в то время как остеобласты постоянно образуют новую кость. Постоянный баланс между остеобластами и остеокластами отвечает за постоянное, но тонкое изменение формы кости.

Развитие костей

Интрамембранозное окостенение происходит от фиброзных мембран в плоских костях, а эндохондральное окостенение происходит от хряща длинных костей.

Цели обучения

Различать внутримембранозное и эндохондральное окостенение

Основные выводы

Ключевые моменты

Окостенение плоских костей черепа, нижней челюсти и ключиц начинается с мезенхимальных клеток, которые затем дифференцируются в секретирующие кальций и секретирующие костный матрикс остеобласты.
Остеоиды образуют губчатую кость вокруг кровеносных сосудов, которая позже трансформируется в тонкий слой компактной кости.
Во время энхондрального окостенения хрящевой шаблон длинных костей кальцинируется; умирающие хондроциты предоставляют пространство для развития губчатой кости и полости костного мозга внутри длинных костей.
Надкостница, соединительная ткань неправильной формы вокруг костей, способствует прикреплению тканей, сухожилий и связок к кости.
До подросткового возраста рост длинных костей в продольном направлении происходит во вторичных центрах окостенения на эпифизарных пластинах (пластинах роста) около концов костей.

Ключевые термины

остеоид : органический матрикс белка и полисахаридов, секретируемый остеобластами, который становится костью после минерализации
эндохондрально : внутри хряща
хондроцит : клетка, составляющая ткань хряща
диафиз : центральный стержень любой длинной кости

Развитие костей

Оссификация или остеогенез — это процесс образования кости остеобластами.Оссификация отличается от процесса кальцификации; в то время как кальцификация происходит во время окостенения костей, она также может возникать в других тканях. Оссификация зародыша начинается примерно через шесть недель после оплодотворения. До этого времени скелет эмбриона полностью состоит из фиброзных оболочек и гиалинового хряща. Развитие кости из фиброзных оболочек называется внутримембранозным окостенением; развитие из гиалинового хряща называется эндохондральным окостенением.Рост костей продолжается примерно до 25 лет. Кости могут увеличиваться в толщине на протяжении всей жизни, но после 25 лет окостенение в основном участвует в ремоделировании и восстановлении костей.

Внутримембранозное окостенение

Внутрирамембранозная оссификация — это процесс развития кости из фиброзных оболочек. Он участвует в формировании плоских костей черепа, нижней челюсти и ключиц. Оссификация начинается с того, что мезенхимальные клетки образуют шаблон будущей кости. Затем они дифференцируются в остеобласты в центре окостенения.Остеобласты секретируют внеклеточный матрикс и откладывают кальций, который укрепляет матрикс. Неминерализованная часть кости или остеоида продолжает формироваться вокруг кровеносных сосудов, образуя губчатую кость. Соединительная ткань матрикса у плода дифференцируется в красный костный мозг. Губчатая кость трансформируется в тонкий слой компактной кости на поверхности губчатой кости.

Эндохондральное окостенение

Эндохондральная оссификация — это процесс развития кости из гиалинового хряща.Все кости тела, за исключением плоских костей черепа, нижней челюсти и ключиц, образуются в результате эндохондральной оссификации.

Процесс эндохондрального окостенения : Эндохондральное окостенение — это процесс развития кости из гиалинового хряща. Надкостница — это соединительная ткань на внешней стороне кости, которая действует как интерфейс между костью, кровеносными сосудами, сухожилиями и связками.

В длинных костях хондроциты образуют матрицу диафиза гиалинового хряща.Отвечая на сложные сигналы развития, матрица начинает кальцифицироваться. Этот кальциноз предотвращает диффузию питательных веществ в матрицу, что приводит к отмиранию хондроцитов и открытию полостей в хряще диафиза. Кровеносные сосуды проникают в полости, в то время как остеобласты и остеокласты превращают кальцинированный хрящевой матрикс в губчатую кость. Затем остеокласты разрушают часть губчатой кости, образуя костный мозг или мозговую полость в центре диафиза. Плотная соединительная ткань неправильной формы образует оболочку (надкостницу) вокруг костей.Надкостница помогает прикрепить кость к окружающим тканям, сухожилиям и связкам. Кость продолжает расти и удлиняться по мере деления хрящевых клеток эпифизов.

На последней стадии пренатального развития костей центры эпифизов начинают кальцифицироваться. Вторичные центры окостенения образуются в эпифизах, когда кровеносные сосуды и остеобласты входят в эти области и превращают гиалиновый хрящ в губчатую кость. До подросткового возраста гиалиновый хрящ сохраняется на эпифизарной пластине (пластине роста), которая является областью между диафизом и эпифизом, которая отвечает за продольный рост длинных костей.

Рост костей

Длинные кости удлиняются у эпифизарной пластинки за счет добавления костной ткани и увеличиваются в ширину за счет процесса, называемого аппозиционным ростом.

Цели обучения

Описать процессы постфетального роста и утолщения костей

Основные выводы

Ключевые моменты

Эпифизарная пластинка, область роста, состоящая из четырех зон, — это место, где хрящ формируется на эпифизарной стороне, а хрящ окостеняет на диафизарной стороне, тем самым удлиняя кость.
Каждая из четырех зон играет роль в пролиферации, созревании и кальцификации костных клеток, которые добавляются к диафизу.
Продольный рост длинных костей продолжается до раннего взросления, когда хондроциты в эпифизарной пластинке перестают пролиферировать, и эпифизарная пластинка трансформируется в эпифизарную линию по мере того, как кость заменяет хрящ.
Кости могут увеличиваться в диаметре даже после остановки продольного роста.
Аппозиционный рост — это процесс, при котором старая кость, выстилающая костномозговую полость, реабсорбируется, а новая костная ткань растет под надкостницей, увеличивая диаметр кости.

Ключевые термины

метафиз : часть длинной кости, которая растет в процессе развития
надкостница : мембрана, окружающая кость
окостенение : нормальный процесс образования кости
хондроцит : клетка, составляющая ткань хряща
гипертрофия : увеличить в размере
диафиз : центральный стержень любой длинной кости
эпифиз : закругленный конец любой длинной кости
медуллярный : относящийся к костному мозгу или мозговому веществу, состоящий из них или напоминающий их

Рост костей

Длинные кости продолжают удлиняться (потенциально в подростковом возрасте) за счет добавления костной ткани в эпифизарной пластинке.Они также увеличиваются в ширине за счет аппозиционного роста.

Удлинение длинных костей

Эпифизарная пластинка — это область роста длинной кости. Это слой гиалинового хряща, в котором окостенение происходит в незрелых костях. На эпифизарной стороне эпифизарной пластинки образуется хрящ. На диафизарной стороне хрящ окостенел, что позволяет диафизу увеличиваться в длину. Метафиз — это широкая часть длинной кости между эпифизом и узким диафизом.Он считается частью пластинки роста: часть кости, которая растет в детстве, которая по мере роста окостеняет около диафиза и эпифизов.

Эпифизарная пластинка состоит из четырех зон клеток и активности.

Резервная зона, область, ближайшая к эпифизарному концу пластины, содержит небольшие хондроциты внутри матрикса. Эти хондроциты не участвуют в росте костей; вместо этого они прикрепляют эпифизарную пластину к костной ткани эпифиза.
Зона пролиферации, следующий слой к диафизу, содержит стопки немного более крупных хондроцитов. Он постоянно производит новые хондроциты через митоз.
Зона созревания и гипертрофии содержит хондроциты, которые старше и крупнее, чем в зоне пролиферации. Более зрелые клетки расположены ближе к диафизарному концу пластинки. В этой зоне накапливаются липиды, гликоген и щелочная фосфатаза, вызывая кальцификацию хрящевого матрикса.Продольный рост кости является результатом деления клеток в зоне пролиферации наряду с созреванием клеток в зоне созревания и гипертрофии.
Зона кальцинированного матрикса, зона, ближайшая к диафизу, содержит хондроциты, которые мертвы, потому что матрица вокруг них кальцинировалась. В эту зону проникают капилляры и остеобласты из диафиза. Остеобласты секретируют костную ткань на оставшемся кальцинированном хряще. Таким образом, зона кальцинированного матрикса соединяет эпифизарную пластинку с диафизом.Кость увеличивается в длину, когда к диафизу добавляется костная ткань.

После зоны кальцинированного матрикса идет зона окостенения, которая фактически является частью метафиза. Артерии от метафиза ответвляются через новообразованные трабекулы в этой зоне. Новообразованная костная ткань в верхней части зоны окостенения называется первичной спонгиозой. Более старая кость в нижней части зоны окостенения называется вторичной губкой.

Продольный рост кости : Эпифизарная пластинка отвечает за продольный рост кости.На этом рисунке показаны зоны, граничащие с эпифизарной пластинкой эпифиза. Самый верхний слой эпифиза — резервная зона. Во второй зоне, зоне пролиферации, хондроциты постоянно подвергаются митозу. Следующая зона — это зона созревания и гипертрофии, где накапливаются липиды, гликоген и щелочная фосфатаза, вызывая кальцификацию хрящевого матрикса. Следующая зона представляет собой кальцинированный матрикс, где хондроциты затвердевают и умирают, поскольку матрица вокруг них кальцинировалась.Самый нижний ряд — это зона окостенения, которая является частью метафиза. Вновь отложившаяся костная ткань в верхней части зоны окостенения называется первичной губкой, а более старая кость — вторичной губкой.

Кости продолжают расти в длину до раннего взросления, причем скорость роста контролируется гормонами. Когда хондроциты в эпифизарной пластинке прекращают свою пролиферацию и кость заменяет хрящ, продольный рост прекращается. Все, что осталось от эпифизарной пластинки, — это эпифизарная линия.

От эпифизарной пластинки до эпифизарной линии : По мере созревания кости эпифизарная пластинка переходит в эпифизарную линию. (а) Эпифизарные пластинки видны в растущей кости. (б) Эпифизарные линии — это остатки эпифизарных пластинок в зрелой кости.

Утолщение длинных костей

Хотя кости увеличиваются в длину, они также увеличиваются в диаметре; рост в диаметре может продолжаться даже после прекращения продольного роста. Это называется аппозиционным ростом.Остеокласты, клетки, которые разрушают кость, рассасывают старую кость, выстилающую мозговую полость. В то же время остеобласты посредством внутримембранного окостенения образуют новую костную ткань под надкостницей. Эрозия старой кости вдоль костномозговой полости и отложение новой кости под надкостницей не только увеличивают диаметр диафиза, но и увеличивают диаметр костномозговой полости. Этот процесс называется моделированием.

Ремоделирование и восстановление костей

Кость реконструируется путем постоянного замещения старой костной ткани, а также восстанавливается при переломах.

Цели обучения

Краткое описание процесса ремоделирования и восстановления костей

Основные выводы

Ключевые моменты

Замещение кости включает остеокласты, разрушающие кость, и остеобласты, образующие новую кость.
Скорость обновления костной ткани различается в зависимости от кости и области внутри кости.
Восстановление сломанной кости включает четыре этапа: 1) образование гематомы в месте разрыва, 2) образование фиброзно-хрящевой мозоли, 3) формирование костной мозоли и 4) ремоделирование и добавление компактной кости. .
Для правильного роста и поддержания костей требуется много витаминов (D, C и A), минералов (кальций, фосфор и магний) и гормонов (паратиреоидный гормон, гормон роста и кальцитонин).

Ключевые термины

костная мозоль : материал для восстановления при переломах кости, который сначала имеет мягкую или хрящевую консистенцию, но в конечном итоге превращается в настоящую кость и объединяет фрагменты в единое целое
спикула : острый игольчатый кусок
фибробласт : клетка, обнаруженная в соединительной ткани, которая производит волокна, такие как коллаген

Ремоделирование и восстановление костей

Обновление костей продолжается после рождения и в зрелом возрасте.Ремоделирование кости — это замена старой костной ткани новой костной тканью. Он включает в себя процессы отложения или образования кости, осуществляемые остеобластами, и резорбцию кости, осуществляемую остеокластами, которые разрушают старую кость. Для нормального роста костей необходимы витамины D, C и A, а также такие минералы, как кальций, фосфор и магний. Гормоны, такие как паратиреоидный гормон, гормон роста и кальцитонин, также необходимы для правильного роста и поддержания костей.

Скорость обновления костной ткани, скорость, с которой старая кость заменяется новой, довольно высока: от пяти до семи процентов костной массы повторно используется каждую неделю.Различия в скорости обновления существуют в разных областях скелета и в разных областях кости. Например, кость в головке бедренной кости может полностью заменяться каждые шесть месяцев, тогда как кость вдоль стержня изменяется гораздо медленнее.

Ремоделирование костей позволяет костям адаптироваться к нагрузкам, становясь толще и прочнее, когда они подвергаются нагрузкам. Кости, которые не подвергаются обычным повседневным нагрузкам (например, когда на конечность накладывают гипс), начнут терять массу.

Этапы заживления перелома : Заживление перелома кости происходит в несколько последовательных этапов: (a) Формируется гематома из-за перелома.(б) Форма внутреннего и внешнего каллусов. (c) Хрящ каллусов заменяется губчатой костью. (d) Происходит ремоделирование.

Сломанная или сломанная кость восстанавливается в четыре этапа:

Образование гематомы: кровеносные сосуды в сломанной кости разрываются и кровоизлияния, приводящие к образованию свернувшейся крови или гематоме в месте разрыва. Разорванные кровеносные сосуды на сломанных концах кости закупориваются процессом свертывания. Костные клетки, лишенные питательных веществ, начинают умирать.
Костеобразование: в течение нескольких дней после перелома капилляры прорастают в гематому, а фагоцитарные клетки начинают удалять мертвые клетки. Хотя фрагменты сгустка крови могут оставаться, фибробласты и остеобласты попадают в эту область и начинают восстанавливать кость. Фибробласты производят коллагеновые волокна, которые соединяют концы сломанной кости, а остеобласты начинают формировать губчатую кость. Ремонтирующая ткань между концами сломанной кости, фиброзно-хрящевой каллус, состоит как из гиалина, так и из фиброзного хряща.В этот момент также могут появиться костные спикулы.
Костная мозоль: фиброзно-хрящевая мозоль превращается в костную мозоль губчатой кости. На то, чтобы концы сломанной кости после перелома прочно соединились вместе, требуется около двух месяцев. Это похоже на эндохондральное образование кости, когда хрящ становится окостеневшим; присутствуют остеобласты, остеокласты и костный матрикс.
Ремоделирование кости: костная мозоль затем реконструируется остеокластами и остеобластами, при этом удаляется излишек материала на внешней стороне кости и внутри костномозговой полости.Добавляется компактная кость, чтобы создать костную ткань, похожую на исходную целую кость. Эта реконструкция может занять много месяцев; кость может годами оставаться неровной.

Osteogenic — обзор | Темы ScienceDirect

III ОСТЕОГЕННЫЕ ПЕРЕПИСЫВАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Остеогенные вещества идеально подходят для работы в качестве составных частей костного трансплантата, потому что они имеют клеточные компоненты, подобные тем, которые присутствуют в принимающей области. Их пересаживают из одного места тела в другое, и их можно пересаживать напрямую, но их также можно лечить тем или иным способом в промежутках между сбором и имплантацией.Ключевой особенностью любого остеогенного компонента является присутствие жизнеспособных клеток и спектра встречающихся в природе белков, которые могут дифференцировать плюрипотентные стволовые клетки по остеобластическим путям (Cheng et al. , 2003).

Кость аутотрансплантата, считающаяся золотым стандартом, является идеальным костным трансплантатом, если его жизнеспособность сохраняется и он надежно закреплен в ложе имплантата. Трансплантированным клеткам внутри аутотрансплантата предоставляется биологически знакомая среда, в которой они могут действовать так же, как и до трансплантации, без какого-либо иммуногенного ответа, вызванного хозяином (Muschler et al., 2003). Однако продолжительность жизни этих жизненно важных клеток неизвестна после их извлечения из организма, а также не является оптимальной средой для хранения жизнеспособности в период между сбором и использованием (Betz, 2002).

Объемные аутогенные трансплантаты могут выдерживать функциональные нагрузки, если они надежно закреплены и включены; Морселизированная или измельченная аутогенная кость имеет то преимущество, что она содержит жизненно важные клетки и может быть сформирована и смешана с другими материалами трансплантата для обеспечения остеогенного элемента остеокондуктивному и / или остеоиндуктивному веществу (Fleming, 2000).Разделение кости на мелкие части имеет то преимущество, что обеспечивает большую площадь поверхности и доступ к жизненно важным клеточным элементам. При общем заполнении костных пустот дефектов и заднебоковых сращениях позвоночника измельченная мелкоизмельченная аутогенная кость обеспечивает максимальное высвобождение остеогенных элементов через большую площадь поверхности; компромиссом при тонком измельчении, скорее всего, будет более короткое время жизнеспособности, более длительное время подготовки и большая потребность в сдерживании. Боль, болезненность и недостатки извлечения аутотрансплантата из гребня подвздошной кости хорошо известны, включая длительную боль и неспособность служить местом сбора урожая в будущем.И преимущества также задокументированы: несмотря на статус «золотого стандарта», по оценкам, процент несоюзных отношений составляет 15–25%. По оценкам одного из отчетов, примерно одна треть пациентов после сбора урожая испытывает длительную (более двух лет) боль и осложнения (Burkus et al. , 2002b) (рис. 81.1). Тем не менее аутотрансплантат обычно используется в ортопедических хирургических процедурах и служит контролем для большинства доклинических и клинических оценок, которые требуются или настоятельно рекомендуются такими регулирующими органами, как U.S. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) или в целях корпоративного маркетинга; он имеет самую обширную историческую базу данных и признан подходящим положительным контролем для сравнения производительности.

РИС. 81.1. Уменьшение аутотрансплантата на более мелкие части — эффективный способ обеспечить больший доступ к жизненно важным клеточным элементам, поскольку площадь поверхности увеличивается. В зависимости от области применения измельчение губками и создание еще более мелких кусков на костной мельнице являются эффективными способами добавления остеогенных элементов в костный трансплантат.

Менее инвазивным источником жизнеспособных остеогенных клеток является забор аспирата костного мозга из гребня подвздошной кости или других полостей костного мозга. Такой сбор стал популярным в последние годы, поскольку концепция композитной трансплантации, преднамеренного комбинирования основных элементов, описанных ранее, стала популярной, а желание минимизировать или исключить сбор аутотрансплантата из гребня подвздошной кости стало более актуальным. Забор аспирата костного мозга очень чувствителен к технике, так как необходимо проявлять усердие, чтобы получить большой объем аспирата при минимальном заборе крови, и это вызывает споры в отчетах об эффективности (Muschler, 2003; Hernigou, 2005; Fleming, 2000; Lieberman, 2006; Muschler, 2006).Относительно простое и недорогое одноразовое устройство игольчатого типа (рис. 81.2) может быть использовано для забора аспирата костного мозга. Остеогенная природа аспирата признана, но возможно, что концентрация — единственный способ обеспечить эффективный, жизненно важный компонент композитного трансплантата (Hernigou, 2005). Костный мозг, отсасываемый, например, из гребня подвздошной кости, часто существенно разбавлен периферической кровью; исследования показывают, что поддержание более высокой концентрации остеогенных клеток может быть достигнуто путем ограничения объема аспирации до 1-2 мл (Fleming, 2000).При концентрировании аспирата необходимо соблюдать осторожность, чтобы защитить клетки от механических повреждений, которые могут снизить жизнеспособность аспирата. Тем не менее, аспират костного мозга может обеспечить добавку, содержащую остеогенные клетки, к композитному трансплантату, что помогает создать формуемый упаковываемый трансплантат или поверхностное покрытие на пористом имплантате, таком как структурный аллотрансплантат.

РИС. 81.2. Устройство для получения аспирата костного мозга использует менее инвазивный подход к источникам, богатым костным мозгом, таким как гребень подвздошной кости, без хирургического вмешательства на втором участке, боли и / или долгосрочных заболеваний и осложнений, связанных с забором больших объемов аутотрансплантата.

Мотивация к отказу от извлечения кости из гребня подвздошной кости, наряду с появлением композитных трансплантатов, способствовала использованию ряда продуктов, полученных из крови, или продуктов «замедления вращения крови» для дальнейшего улучшения характеристик трансплантата. Эта концепция основана на признании того, что определенные участки крови содержат факторы, регулирующие рост, которые могут стимулировать образование костей. Называемые богатой тромбоцитами плазмой (PRP) и / или аутологичными факторами роста (AGF ^®) и иногда неправильно представляемые как аналог аспирата костного мозга, они являются источником эндогенных факторов роста, которые, как считается, действуют напрямую. на репаративные клетки.Первоначально разработанный как вспомогательное средство для заживления ран, PRP содержит смесь факторов роста, в первую очередь цитокинов, которые, как позже считалось, улучшают заживление костной ткани, особенно в сочетании с аутотрансплантатом. Сообщения в литературе неоднозначны, хотя в большинстве своем отрицательны, относительно эффективности этих материалов при использовании в качестве самостоятельного материала для костного трансплантата (Anitua, 1999; Froum, 2002; Marx, 1998). Однако эти продукты, полученные из крови, эффективно содержат множество компонентов, используемых в композитных трансплантатах.Как правило, недорогая одноразовая система для сбора крови, контактирующей с кровью, и контейнерная система предусмотрены для использования одним пациентом, при этом центрифуга представляет собой фиксированный негидравлический контактный элемент оборудования операционной.

Наличие остеогенного материала, содержащего жизненно важные клетки, является важным требованием для любого костного трансплантата. Правильно подготовленное ложе имплантата, такое как полная декортикация в заднебоковых желобах позвоночника, санация сегментов костного несращения и расширение кровоточащей кости в вертлужной впадине, обеспечивает источник остеогенных элементов и жизнеспособное место для инициации образование новой кости; любые дополнительные жизненно важные клетки в костном трансплантате увеличивают потенциал для успешного формирования кости.При правильном использовании остеогенный материал может способствовать ускорению заживления в составе композитного трансплантата; его отсутствие не обязательно препятствует исцелению, но снижает шанс на успешный результат, особенно на взломанных сайтах и требовательных приложениях.

Ангиогенная активность опосредует восстановление костей остеогенными клетками, полученными из плюрипотентных стволовых клеток человека

Granero-Molto, F. et al. Регенеративные эффекты трансплантированных мезенхимальных стволовых клеток при заживлении переломов. Стволовые клетки 27 , 1887–98 (2009).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Gomez-Barrena, E. et al. Заживление переломов костей: клеточная терапия при отсроченных сращениях и несращениях. Кость 70 , 93–101 (2015).

Артикул
PubMed

Google Scholar

Сивасубраманиян, К. и др. Фенотипическая и функциональная гетерогенность субпопуляций МСК костного мозга и амниона человека. Ann NY Acad Sci 1266 , 94–106 (2012).

ADS
Статья
PubMed

Google Scholar

Siegel, G. et al. Фенотип, возраст и пол донора влияют на функцию мезенхимальных стромальных клеток костного мозга человека. BMC Med 11 , 146 (2013).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Стендеруп К., Justesen, J., Clausen, C. & Kassem, M. Старение связано с уменьшением максимальной продолжительности жизни и ускоренным старением стромальных клеток костного мозга. Кость 33 , 919–26 (2003).

Артикул
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Kretlow, J. D. et al. Возраст донора и прохождение клеток влияют на способность к дифференцировке стволовых клеток костного мозга мышей. BMC Cell Biol 9 , 60 (2008).

Артикул
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Harkness, L. et al. Селективное выделение и дифференциация стромальной популяции эмбриональных стволовых клеток человека с остеогенным потенциалом. Кость 48 , 231–41 (2011).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Kopher, R.A. et al. Клетки CD34 +, полученные из эмбриональных стволовых клеток человека, функционируют как клетки-предшественники МСК. Кость 47 , 718–28 (2010).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Zou, L. et al. Использование экспрессии RUNX2 для идентификации остеогенных клеток-предшественников, полученных из эмбриональных стволовых клеток человека. Stem Cell Reports 4 , 190–8 (2015).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

де Пеппо, Г.M. et al. Конструирование заменителей костной ткани из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток. Proc Natl Acad Sci USA 110 , 8680–5 (2013).

ADS
CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Phillips, M. D. et al. Направленная дифференцировка индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток в направлении костей и хрящей: in vitro, по сравнению с in vivo, анализов. Stem Cells Transl Med 3 , 867–78 (2014).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Ko, J. Y., Park, S. & Im, G. I. Остеогенез из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток: in vitro и in vivo по сравнению с мезенхимальными стволовыми клетками. Stem Cells Dev 23 , 1788–97 (2014).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Бен-Давид У., Бенвенисти, Н. и Майшар, Ю. Генетическая нестабильность в индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клетках: классификация причин и возможные меры безопасности. Cell Cycle 9 , 4603–4 (2010).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Бен-Дэвид У. и Бенвенисти Н. Канцерогенность эмбриональных и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека. Nat Rev Cancer 11 , 268–77 (2011).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Лунд, Р. Дж., Нарва, Э. и Лахесмаа, Р. Генетическая и эпигенетическая стабильность плюрипотентных стволовых клеток человека. Nat Rev Genet 13 , 732–44 (2012).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Юнг, Й., Бауэр, Г. и Нолта, Дж. А. Краткий обзор: индуцированные мезенхимальные стволовые клетки, полученные из плюрипотентных стволовых клеток: прогресс в направлении безопасных клинических продуктов. Стволовые клетки 30 , 42–7 (2012).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Hentze, H. et al. Формирование тератомы эмбриональными стволовыми клетками человека: оценка основных параметров для будущих исследований безопасности. Stem Cell Res 2 , 198–210 (2009).

Артикул
PubMed

Google Scholar

Гош, З.и другие. Анализ онкогенного и канцерогенного потенциала дифференцированных индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток и эмбриональных стволовых клеток человека. Cancer Res 71 , 5030–9 (2011).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Hentze, H., Graichen, R. & Colman, A. Клеточная терапия и безопасность трансплантатов, полученных из эмбриональных стволовых клеток. Trends Biotechnol 25 , 24–32 (2007).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Miura, K. et al. Изменения в безопасности индуцированных линий плюрипотентных стволовых клеток. Nat Biotechnol 27 , 743–5 (2009).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Ben-David, U. et al. Селективное удаление плюрипотентных стволовых клеток человека ингибитором синтеза олеата, обнаруженным в ходе высокопроизводительного скрининга. Стволовые клетки клетки 12 , 167–79 (2013).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Марензана, М. и Арнетт, Т. Р. Ключевая роль кровоснабжения костей. Bone Res 1 , 203–15 (2013).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Chim, S. M. et al. Ангиогенные факторы в локальной среде костей. Cytokine Growth Factor Rev 24 , 297–310 (2013).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Саран У., Близнецы Пиперни С. и Чаттерджи С. Роль ангиогенеза в восстановлении костей. Arch Biochem Biophys 561 , 109–17 (2014).

CAS
Статья

Google Scholar

Гербер, Х. П. и др.VEGF сочетает гипертрофическое ремоделирование хряща, оссификацию и ангиогенез во время формирования эндохондральной кости. Nat Med 5 , 623–8 (1999).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Oh, H. et al. Неправильная экспрессия Dickkopf-1 в эндотелиальных клетках, но не в хондроцитах или гипертрофических хондроцитах, вызывает дефекты эндохондральной оссификации. J Bone Miner Res 27 , 1335–44 (2012).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Хаусман М. Р., Шаффлер М. Б. и Майеска Р. Дж. Предотвращение заживления переломов у крыс с помощью ингибитора ангиогенеза. Кость 29 , 560–4 (2001).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Chen, W. J. et al. Влияние FGF-2 на заживление метафизарных переломов большеберцовой кости кролика. J Bone Miner Metab 22 , 303–9 (2004).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Simmons, C. A., Alsberg, E., Hsiong, S., Kim, W. J. и Mooney, D. J. Двойная доставка фактора роста и контролируемая деградация каркаса усиливают in vivo костеобразование трансплантированными стромальными клетками костного мозга. Кость 35 , 562–9 (2004).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Formiga, F.R. et al. Устойчивое высвобождение VEGF через микрочастицы PLGA улучшает васкулогенез и ремоделирование ткани в модели острой ишемии-реперфузии миокарда. J Control Release 147 , 30–7 (2010).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Bouletreau, P.J. et al. Факторы в микросреде перелома индуцируют продукцию первичных ангиогенных цитокинов остеобластами. Пласт Реконстр Сург 110 , 139–48 (2002).

Артикул
PubMed

Google Scholar

Deckers, M. M. et al. Костные морфогенетические белки стимулируют ангиогенез посредством производного из остеобластов фактора роста эндотелия сосудов A. Endocrinology 143 , 1545–53 (2002).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Lee, J. S. et al. Долгосрочное катамнестическое исследование внутривенной трансплантации аутологичных мезенхимальных стволовых клеток у пациентов с ишемическим инсультом. Стволовые клетки 28 , 1099–106 (2010).

Артикул
PubMed

Google Scholar

Smadja, D. M. et al. Ангиогенный потенциал МСК КМ, полученных от пациентов с критической ишемией нижних конечностей. Пересадка костного мозга 47 , 997–1000 (2012).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Song, G. et al.Трансплантация ИПСК восстанавливает сердечную функцию, стимулируя ангиогенез и улучшая ремоделирование сердца на модели постинфарктных свиней. Cell Biochem Biophys 71 , 1463–1473 (2015).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Manieri, N.A. et al. Мезенхимальные стволовые клетки, пересаженные через слизистую оболочку, стимулируют заживление кишечника, способствуя ангиогенезу. Дж. Клин Инвест 125 , 3606–18 (2015).

Артикул
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Knorr, D. A. et al. Получение в клиническом масштабе естественных клеток-киллеров из плюрипотентных стволовых клеток человека для лечения рака. Stem Cells Transl Med 2 , 274–83 (2013).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Ни, З., Кнорр, Д.A., Bendzick, L., Allred, J. & Kaufman, D. S. Экспрессия химерного рецептора CD4zeta естественными клетками-киллерами, полученными из плюрипотентных стволовых клеток человека, улучшает активность in vitro , но не усиливает подавление ВИЧ-инфекции in vivo . Стволовые клетки 32 , 1021–31 (2014).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Хиетаниеми, К., Пелтонен, Дж.& Пааволайнен, П. Экспериментальная модель несращения у крыс. Травма 26 , 681–6 (1995).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Кокубу Т., Хак Д. Дж., Хейзелвуд С. Дж. И Редди А. Х. Разработка модели атрофического несращения и сравнение с закрытым заживающим переломом бедренной кости крысы. J Orthop Res 21 , 503–10 (2003).

Артикул
PubMed

Google Scholar

Парк, С.Х., О’Коннор, К., Сунг, Р., Маккеллоп, Х. и Сармиенто, А. Сравнение процесса заживления в модели открытой остеотомии и модели закрытого перелома. J Orthop Trauma 13 , 114–20 (1999).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Gupta, P. K. et al. Двойное слепое рандомизированное плацебо-контролируемое исследование фазы I / II, оценивающее безопасность и эффективность аллогенных мезенхимальных стволовых клеток костного мозга при критической ишемии конечностей. J Transl Med 11 , 143 (2013).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Thakker, R. & Yang, P. Терапия мезенхимальными стволовыми клетками для восстановления сердца. Варианты лечения Curr Cardiovasc Med 16 , 323 (2014).

Артикул
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Ван, П.и другие. Инженерия костной ткани с помощью индуцированных человеком плюрипотентных, мезенхимальных стволовых клеток пуповины и костного мозга в черепе крысы. Acta Biomater 18 , 236–48 (2015).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Ко, И. К., Ли, С. Дж., Атала, А. и Ю, Дж. Дж. Регенерация ткани in situ посредством привлечения стволовых клеток-хозяев. Exp Mol Med 45 , e57 (2013).

Артикул
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Лейн, С. В., Уильямс, Д. А. и Ватт, Ф. М. Модуляция ниши стволовых клеток для регенерации тканей. Nat Biotechnol 32 , 795–803 (2014).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Ли, Ф., Уайт, Н. и Нийибизи, С. Дифференцирующие мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки генерируют факторы, которые оказывают паракринную активность на экзогенные МСК: последствия для паракринной активности в регенерации кости. Biochem Biophys Res Commun 426 , 475–9 (2012).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Tortelli, F., Tasso, R., Loiacono, F. & Cancedda, R. Развитие тканевой инженерии кости различного происхождения посредством эндохондральной и внутримембранозной оссификации после имплантации мезенхимальных стволовых клеток и остеобластов в мышиная модель. Биоматериалы 31 , 242–9 (2010).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Histing, T. et al. Модели заживления костей мелких животных: стандарты, советы и подводные камни результаты консенсусной встречи. Кость 49 , 591–9 (2011).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Tasso, R. et al. Набор клеток-остеопрогениторов хозяина с использованием экзогенных мезенхимальных стволовых клеток, засеянных на пористую керамику. Tissue Eng Part A 15 , 2203–12 (2009).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Ода, Дж., Хирано, Т., Ивасаки, К. и Мадзима, Р. Окклюзия сосудов и нарушения хрящевой ткани при остеонекрозе головки бедренной кости у крыс. Int Orthop 20 , 185–9 (1996).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Джонсон, Э.О., Соултанис, К. и Сукакос, П. Н. Анатомия сосудов и микроциркуляция зон скелета, уязвимых для остеонекроза: васкуляризация головки бедренной кости. Orthop Clin North Am 35 , 285–91, viii (2004).

Артикул
PubMed

Google Scholar

Хуанг, Ю. К., Кайглер, Д., Райс, К. Г., Кребсбах, П. Х. и Муни, Д. Дж. Комбинированная доставка ангиогенного и остеогенного факторов усиливает регенерацию кости, управляемую стромальными клетками костного мозга. J Bone Miner Res 20 , 848–57 (2005).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Street, J. et al. Фактор роста эндотелия сосудов стимулирует восстановление костей, способствуя ангиогенезу и обновлению костной ткани. Proc Natl Acad Sci USA 99 , 9656–61 (2002).

ADS
CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Гольдфарб, М.Функции факторов роста фибробластов в развитии позвоночных. Cytokine Growth Factor Rev 7 , 311–25 (1996).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Takei, Y., Minamizaki, T. & Yoshiko, Y. Функциональное разнообразие факторов роста фибробластов в формировании кости. Int J Endocrinol 2015 , 729352 (2015).

Артикул
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Чин, М.H. et al. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки и эмбриональные стволовые клетки различаются по сигнатурам экспрессии генов. Cell Stem Cell 5 , 111–23 (2009).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Doi, A. et al. Дифференциальное метилирование берегов CpG-островков, специфичных для тканей и рака, отличает индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки, эмбриональные стволовые клетки и фибробласты. Нат Генет 41 , 1350–3 (2009).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Meissen, J. K. et al. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки демонстрируют метаболомные отличия от эмбриональных стволовых клеток в полиненасыщенных фосфатидилхолинах и первичном метаболизме. PLoS One 7 , e46770 (2012).

ADS
CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Ху, Б.Y. et al. Нейральная дифференцировка индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток следует принципам развития, но с переменной эффективностью. Proc Natl Acad Sci USA 107 , 4335–40 (2010).

ADS
CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Choi, K. D. et al. Гемопоэтическая и эндотелиальная дифференцировка индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток. Стволовые клетки 27 , 559–67 (2009).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Willmann, C.A. et al. Клонировать или не клонировать? Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки могут быть получены в массовой культуре. PLoS One 8 , e65324 (2013).

ADS
CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Lohle, M. et al. Эффективность дифференцировки индуцированных плюрипотентных стволовых клеток зависит от количества факторов репрограммирования. Стволовые клетки 30 , 570–9 (2011).

Артикул

Google Scholar

Li, J., Song, W., Pan, G. & Zhou, J. Успехи в понимании типов клеток и подходов, используемых для создания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. J Hematol Oncol 7 , 50 (2014).

Артикул
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Ким, К.и другие. Тип донорских клеток может влиять на эпигеном и потенциал дифференцировки индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток. Nat Biotechnol 29 , 1117–9 (2011).

CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Насу А. и др. Генетически подобранные iPS-клетки человека показывают, что склонность к дифференцировке хрящей и костей различается в зависимости от клонов, а не от типа клеток. PLoS One 8 , e53771 (2013).

ADS
CAS
Статья
PubMed
PubMed Central

Google Scholar

Уилан, Д. Б. и др. Разработка шкалы рентгенологического сращения переломов большеберцовой кости для оценки заживления перелома большеберцовой кости после интрамедуллярной фиксации. J Trauma 68 , 629–32 (2010).

Артикул
PubMed

Google Scholar

Hastrup, S.G. et al. Влияние способа введения никотина и табака на механические свойства заживающей кости после закрытого перелома. J Orthop Res 28 , 1235–9 (2010).

CAS
Статья
PubMed

Google Scholar

Границы | Гистатин-1 из слюны человека способствует распространению остеогенных клеток как на биоинертных субстратах, так и на титановых поверхностях SLA

Введение

Дефекты кости большого объема (LVBD) могут быть результатом различных заболеваний, таких как врожденные пороки развития, травмы, инфекции, воспаления и рак (Hak, 2007; Mcallister and Haghighat, 2007; Chiapasco et al., 2009). Из-за ограниченной регенеративной способности костной ткани LVBD обычно вызывает отсроченное восстановление или несращение — постоянную неудачу заживления, которая может серьезно подорвать эстетику и функции опорно-двигательного аппарата пациентов. До сих пор восстановление LVBD все еще является сложной задачей в области оральной имплантологии, челюстно-лицевой хирургии и ортопедии. Аутологичные костные трансплантаты по-прежнему считаются золотым стандартом лечения LVBD (Kneser et al., 2006). Однако их применению препятствует заболеваемость донорскими сайтами и ограниченная доступность.В качестве альтернативы аутологичной кости было разработано и применено большое количество разнообразных медицинских устройств, таких как аллотрансплантаты, ксенотрансплантаты, синтетические материалы (Laurencin et al., 2006; Kumar et al., 2013). Большинство этих медицинских устройств несут внутреннюю остеокондуктивность — способность поддерживать прикрепление, распространение, миграцию и рост остеогенных клеток в костных заменителях (Albrektsson and Johansson, 2001). Однако в целом их остеокондуктивность кажется слишком ограниченной, чтобы привести к полностью костному заживлению LVBD.Кроме того, в дентальной имплантологии предпринимаются постоянные усилия по увеличению распространения клеток на титановых имплантатах с целью усиления остеоинтеграции (Canullo et al., 2016) и повторной остеоинтеграции (Duske et al., 2012).

Один из возможных вариантов повышения остеокондуктивности костных заменителей и металлических имплантатов — это применение биоактивных пептидов (Lee et al., 2008; Pountos et al., 2016). В этом отношении интересным пептидом-кандидатом является гистатин-1 (Hst1), член большого семейства богатых гистидином пептидов, присутствующих в слюне человека.Различные Hsts участвуют в многочисленных защитных функциях полости рта, таких как детоксикация (Yan and Bennick, 1995), антимикробная активность (Xu et al., 1991; Kavanagh and Dowd, 2004) и ингибирование деминерализации эмали (Yin et al. , 2003). В наших предыдущих исследованиях мы продемонстрировали, что Hst1 способствует закрытию раны эпителиальных клеток человека in vitro (Oudhoff et al., 2008, 2009a, b), предположительно за счет активации рецептора, связанного с G-белком (GPCR) и внеклеточного -сигнально-регулируемая киназа (ERK), но не пути передачи сигналов p38 MAPK (митоген-активируемая протеинкиназа) (Oudhoff et al., 2008, 2009b). Кроме того, было обнаружено, что Hst1 способствует адгезии и распространению эпителиальных клеток на биоинертное стекло, биоинертный субстрат (Van Dijk et al., 2015), а также на гидроксиапатит и распыленный титан in vitro (Van Dijk et al. ., 2017а). Между тем, недавние исследования демонстрируют, что Hst1 также способствует прикреплению остеогенных клеток к титановым SLA (пескоструйным и кислотным травлениям) поверхностям (Van Dijk et al., 2017a), а также их миграции (Castro et al., 2019), что предполагает наличие многообещающий потенциал применения Hst1 для повышения остеокондуктивности различных медицинских устройств.Однако влияние Hst1 на распространение остеогенных клеток на титановых SLA-поверхностях еще предстоит выяснить.

До сих пор нет сообщений о систематическом исследовании дозозависимого эффекта Hst1 на распространение остеогенных клеток и его потенциальных молекулярных механизмов. В настоящем исследовании мы изучили влияние Hst1 и его усеченных вариантов на распространение остеогенных клеток, а также участие клеточного сигнального пути с использованием специфических ингибиторов. В качестве модельной поверхности было выбрано использование покровных стекол, поскольку они широко используются для исследования поведения клеток на биоинертных поверхностях.Стеклянные покровные стекла также прозрачны и, таким образом, могут использоваться для наблюдения как живых, так и фиксированных клеток с помощью световой или флуоресцентной микроскопии (Islam et al., 2016; Van Dijk et al., 2017a; Che et al., 2018). Кроме того, мы также исследовали влияние Hst1 на распространение клеток на титановой поверхности SLA — наиболее часто используемой поверхности для дентальных имплантатов.

Материалы и методы

Культура клеток

Остеогенные клетки [линия предостеобластных клеток мыши MC3T3-E1, субклон 4, CRL-2593, Американская коллекция типовых культур (ATCC)] культивировали в альфа-минимальной необходимой среде (α-MEM) (Gibco, Thermo Fisher Scientific) .Все среды были дополнены 10% фетальной бычьей сывороткой (FBS, Thermo Fisher Scientific), 10 ед. / Мл пенициллина и 10 мкг / мл стрептомицина (Invitrogen, Thermo Fisher Scientific). Клетки культивировали при 37 ° C во влажной атмосфере при 5% CO ₂ и обычно тестировали на наличие микоплазмы. Во всех экспериментах использовали клетки из экспоненциально растущих культур.

Твердофазный синтез пептидов

Все пептиды (таблица 1) были получены твердофазным пептидным синтезом с использованием 9-флуоренилметоксикарбонил (Fmoc) -химии, как описано ранее (Bolscher et al., 2011; Ван Дейк и др., 2015). Пептиды очищали с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (RF-HPLC, Dionex Ultimate 3000, Thermo Scientific, Бреда, Нидерланды) до чистоты по меньшей мере 95%. Подлинность была подтверждена масс-спектрометрией с Microflex LRF MALDI-TOF (Bruker Daltonik GmbH, Бремен, Германия), как описано ранее (Bolscher et al., 2011; Van Dijk et al., 2015). В процессе синтеза часть Hst1 метили флуоресцентным красителем ATTO-647N (ATTO-TEC GmbH, Зиген, Германия).Эквимолярное количество красителя было связано с ε-аминогруппой боковой цепи остатка лизина номер 17 (lys17, K Hst1 после удаления специфической защитной (ivDde) -OH группы гидразином (2% гидразингидрата).

Таблица 1. Аминокислотные последовательности усеченных вариантов Hst1, Scrambled Hst1 (Scr-Hst1) и Hst1.

Анализ распространения клеток

В этом эксперименте четыре группы по три лунки в каждой создавали каждый раз в 12-луночных планшетах для культивирования клеток.Каждый эксперимент повторяли не менее двух раз для статистического анализа, поэтому N = 6 лунок на группу. Клетки лишали сыворотки на 24 часа, отделяли с помощью 0,05% трипсина (Gibco) и суспендировали в культуральной среде, содержащей 2% FBS, для инактивации трипсина, и центрифугировали при 200 g в течение 5 минут при комнатной температуре. Затем клетки ресуспендировали в предписанной среде без сыворотки и подсчитывали с помощью гемоцитометра. Клетки высевали на покровные стекла (диаметр 12 мм, № 1, VWR, Амстердам, Нидерланды) в 12-луночные планшеты для суспензионных культур клеток (Greiner Bio-One, Альфен-ан-де-Рейн, Нидерланды) при плотности 6 × 10 ⁴ клеток / лунка, обработанные 0–20 мкМ Hst1 или 10 мкМ усеченным Hst1 или скремблированным Hst1.Клетки визуализировали каждые 20 минут в течение 3 часов с использованием микроскопа EVOS-FL (Thermo Fisher Scientific), оснащенного LPlanFL Ph3 20x, с использованием настройки фазового контраста или светового куба Cy5 (628/40 и 692/40 нм, возбуждение и эмиссионные фильтры соответственно). Для каждой лунки было случайным образом сделано 6 изображений с примерно 90–120 клеток на изображение. После этого мы случайным образом выбрали 3 изображения для дальнейшего анализа путем измерения площади поверхности филоподий и ламеллиподий клеток (обозначенных на дополнительном рисунке 1 красным кружком) с использованием метода подсчета точек (Gundersen and Jensen, 1987; дополнительный рисунок 1).Считалось, что площадь поверхности клетки количественно отражает распространение клеток.

Поглощение и локализация Hst1 в остеогенных клетках

Для анализа поглощения и локализации флуоресцентно меченного Hst1 (F-Hst1) остеогенными клетками клетки из полуконфлюэнтной клеточной культуры переносили в 48-луночный планшет с плотностью около 3,5 × 10 ⁴ клеток / лунку. и культивировали при 37 ° C не менее 24 часов. Затем клетки один раз промывали DPBS (Dulbecco’s PBS, Gibco), после чего добавляли бессывороточную среду.Добавляли два микрометра F-Hst1 и через 1 час клетки промывали четыре раза DPBS, содержащим 0,9 мМ Ca ²⁺ и 0,5 мМ Mg ²⁺. В качестве отрицательного контроля были включены инкубации без F-Hst1. Клетки изучали под микроскопом EVOS-FL с объективом 20x с настройкой фазового контраста и «световым кубом Cy-5» с фильтром возбуждения 628/40 и фильтром испускания 692/40 нм. Цифровые фотографии были записаны компьютером, встроенным в микроскоп.

Для более точного наблюдения за захватом и локализацией F-Hst1 клетки были дополнительно изучены с использованием системы конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM) LEICA TCS SP8, как описано ранее (Ma et al., 2020). Перед инкубацией с F-Hst1 ядра и мембраны клеток окрашивали красителем живых клеток NucBlue ^TM (Life Technologies, Гранд-Айленд, Нью-Йорк) и PKH67GL (Sigma – Aldrich, Миссури, США) соответственно, следуя инструкциям производителя.

Сигнальные пути для эффектов Hst1

В наших предыдущих исследованиях мы продемонстрировали, что Hst1 способствует закрытию раны эпителиальных клеток человека in vitro (Oudhoff et al., 2008, 2009a, b), предположительно путем активации GPCR и ERK1 / 2, но не p38 Сигнальные пути MAPK (Oudhoff et al., 2008, 2009b). Чтобы исследовать роль потенциальных сигнальных путей в влиянии Hst1 на распространение остеогенных клеток, мы применили следующие специфичные для сигнального пути ингибиторы ERK1 / 2 (U0126, 10 мкМ; LC Laboratories, Woburn, MA, США): GPCR (коклюшный токсин (PTx), 200 нг / мл; LC Laboratories, Воберн, Массачусетс, США) и p38 MAPK (SB203580, 10 мкМ; LC Laboratories, Воберн, Массачусетс, США) с использованием модели распространения клеток на биологических -инертное стекло.

Распространение клеток на титановой поверхности SLA

Коммерческий титан (чистота> 99.6%, толщиной 125 мкм, ADVENT, Великобритания) нарезали круглые диски (диаметром 5 мм). Чтобы сделать поверхность SLA, титановые диски были сначала подвергнуты пескоструйной обработке крупной корундовой крошкой. После этого диски были очищены ультразвуком в спирте и dH ₂ O в течение 15 минут соответственно, а затем протравлены кислотой смесью 37% HCl 25 мл, 98% H ₂ SO ₄ 25 мл и 50 мл dH ₂ O при 60 ° C в течение 22 мин при перемешивании (100 об / мин). Наконец, диски были очищены ультразвуком в dH ₂ O в течение 15 минут три раза и высушены в течение ночи в печи.После этого эти диски автоклавировали для стерилизации и хранили в стерильных условиях. Распространение клеток на поверхности титанового SLA выполняли, как описано в разделе «Анализ распространения клеток». Через 1,5 часа после посева клетки на титановых дисках фиксировали, дегидратировали и окрашивали DAPI и FITC-фаллоидином для окрашивания ядер и клеточного скелета соответственно. Флуоресцентные микрофотографии были получены случайным образом с использованием флуоресцентного микроскопа (Olympus BX61) с длинами волн возбуждения / излучения (нм) 358/461 и 496/516 соответственно.На микрофотографиях поверхность растекания каждой ячейки оценивалась с использованием вышеупомянутого метода подсчета точек. Было подсчитано более 30 клеток на группу.

Статистический анализ

Все эксперименты проводились не менее трех и четырехкратно. Данные были нанесены на график с помощью Graphpad Prism (Graphpad Software версии 6.0, Ла-Холла, Калифорния, США), проанализированы с использованием теста Стьюдента t и однофакторного дисперсионного анализа ANOVA с апостериорным тестом Бонферрони для множественных сравнений.Для данных из разных групп в разные моменты времени на рисунке 1D мы использовали двухфакторный дисперсионный анализ для анализа данных с помощью апостериорного теста Бонферрони для множественных сравнений. Результаты были представлены как среднее ± стандартное отклонение. Значение P <0,05 рассматривалось как статистически значимое. ^∗ p <0,05; ^∗∗ p <0,01; ^∗∗∗ p <0,001.

Рисунок 1. Hst1 способствовал распространению остеогенных клеток на стеклянных поверхностях. (A) Световые микрофотографии, изображающие распространение остеогенных клеток в отсутствие или в присутствии 1, 10 и 20 мкМ Hst1. Бар = 50 мкм. (B) Складки площади поверхности распространения клеток в отсутствие или в присутствии 1, 10 и 20 мкМ Hst1. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение ( n = 6). * p <0,05 (C) Световые микрофотографии распространения остеогенных клеток в отсутствие или в присутствии 10 мкМ Hst1 в различные моменты времени. (D) Флуоресцентные микрофотографии, изображающие распространение остеогенных клеток (окрашенных FITC-фаллоидином) в присутствии или в отсутствие 10 мкМ Hst1 на поверхности биоинертного стекла.Зависимая от времени площадь поверхности распространения клеток (выраженная в складках со значением контрольной группы в первый момент времени как 1) в присутствии или отсутствии 10 мкМ Hst1. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение ( n = 6). ^§ p <0,05, что указывает на значительную разницу по сравнению со значениями в контрольной группе в тот же момент времени; ^# p <0,05, что указывает на значительную разницу по сравнению со значением в той же группе лечения в более ранний момент времени.Бар = 50 мкм.

Результаты

Hst1 способствует распространению остеогенных клеток на биоинертном стекле

Сначала мы оценили дозозависимый эффект Hst1 на распространение клеток. Присутствие Hst1 способствовало распространению остеогенных клеток с более крупными ламеллиподиями и большим количеством филоподий по сравнению с контролем (без Hst1) (рис. 1А). По сравнению с контролем обработка Hst1 в концентрациях 10 и 20 мкМ привела к значительно большей площади поверхности распределения (рис. 1B) через 170 минут после инкубации.После этого мы оценили дозозависимые эффекты Hst1 на распространение клеток. Клетки, обработанные Hst1 в течение> 90 мин, показали значительно более высокое распространение, чем контроль (необработанные клетки) (рис. 1C). Площадь распространения в группе Hst1 была в 1,46, 1,51, 1,93 и 2,02 раза больше, чем в контрольной группе на 90, 110, 130 и 170 мин, соответственно (рис. 1D).

Варианты усеченного Hst1 не улучшили распространение остеогенных клеток на биоинертном стекле

Scrambled Hst1 не способствовал распространению остеогенных клеток по сравнению с контролем.Чтобы определить минимальный домен Hst1, необходимый для растекания клеток по биоинертному стеклу, мы протестировали 6 усеченных вариантов Hst1. Поскольку in vitro ранозаживляющих свойств Hst1 (аминокислоты 12–38) оказались сопоставимыми с таковыми у исходного пептида Hst1 (Oudhoff et al., 2008), этот пептид был использован в качестве отправной точки для картирования минимально активных домен. Для картирования минимального активного домена, ответственного за распространение клеток, был синтезирован ряд усеченных вариантов Hst1 (включающих аминокислоты 12–38, 16–34, 18–34, 20–34, 20–32 и 20–30). как сообщалось ранее (Oudhoff et al., 2009а). Относительная площадь распространения остеогенных клеток при стимуляции Hst1 (1–38), Hst1 (12–38), Hst1 (16–34), Hst1 (18–34), Hst1 (20–34), Hst1 (20–34). 32), а Hst1 (20–30) составляли 1,76 ± 0,23, 1,35 ± 0,14, 1,20 ± 0,16, 1,24 ± 0,36, 0,68 ± 0,09, 1,01 ± 0,06 и 0,94 ± 0,18 соответственно (рис. 2). Однако, за исключением Hst1 (1–38), ни один из этих вариантов не способствовал значительному распространению остеогенных клеток по поверхности стекла по сравнению с контролем (1,00 ± 0,19) (рис. 2).

Рисунок 2. Влияние усеченных вариантов Hst1 на распространение остеогенных клеток. (A) Световые микрофотографии, изображающие распространение остеогенных клеток в присутствии или отсутствии зашифрованного Hst1 и 6 усеченных вариантов Hst1 на стеклянных поверхностях. Бар = 50 мкм. (B) Складки площади поверхности распространения клеток в присутствии или отсутствии зашифрованного Hst1 и 6 усеченных вариантов Hst1 на стекле. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение ( n = 6). * p <0,05.

Поглощение и локализация Hst1 остеогенными клетками

Чтобы изучить, поглощается ли Hst1 также остеогенными клетками, клетки MC3T3-E1 инкубировали с F-Hst1 и анализировали под микроскопом.После 1 ч инкубации вблизи ядер наблюдался внутриклеточный яркий гранулярный узор мечения (рис. 3А). Микрофотографии CLSM показали, что F-Hst1 (красный) распределен между клеточной мембраной (зеленый) и ядром (синий), тогда как в контрольной группе (без Hst1) красная флуоресценция была обнаружена во внутриклеточном пространстве (рис. 3B).

Рисунок 3. Поглощение и распределение F-Hst1 в остеогенных клетках. (A) Световые (левый столбец) и флуоресцентные (средний столбец) микрофотографии, изображающие поглощение флуоресцентно меченного Hst1 (F-Hst1) (средний столбец) остеогенными клетками (левый столбец) в нижнем (верхний ряд) и выше (нижний) ряд) увеличение.Бар = 100 мкм. (B) Поглощение клетками флуоресцентно меченного (ATTO-647N) Hst1 (F-Hst1). CLSM-изображения вариантов F-Hst1 (выделены красным) были поглощены остеогенными клетками; клеточные мембраны окрашиваются в зеленый цвет; ядра окрашены в синий цвет; Бар = 20 мкм.

Влияние ингибиторов ERK1 / 2, P38 и GPCR на индуцированное Hst1 распространение клеток

Чтобы выявить потенциальное участие сигнальных путей в Hst1-индуцированном распространении остеогенных клеток, мы проанализировали эффекты ингибитора ERK1 / 2 (U0126), ингибитора p38 MAPK (SB203580) и PTx (ингибитор GPCR) на Hst1- индуцированное распространение клеток.U0126 (10 мкМ) или SB203580 (10 мкМ) полностью устраняли стимулирующие эффекты Hst1 на распространение остеогенных клеток (Фигуры 4A – D). Напротив, PTx не продемонстрировал какого-либо значительного эффекта (рисунки 4E, F). Ингибиторы не влияли на распространение базальных клеток в отсутствие Hst1.

Рисунок 4. Эффекты ингибиторов сигнального пути на Hst1-индуцированное распространение остеогенных клеток. Световые микрофотографии, изображающие распространение остеогенных клеток, обработанных (A), передача сигналов киназы, регулируемой внеклеточными сигналами (ERK) (10 мкМ U0126), (C), : передача сигналов p38 (10 мкМ SB203580) и (E ) G рецептор, связанный с белком (GPCR) (200 нг / мл коклюшного токсина, PTx).Бар = 50 мкм. Относительная площадь распространения остеогенных клеток, обработанных Hst1 с предварительной обработкой или без нее ингибиторами передачи сигналов киназы, регулируемой внеклеточными сигналами (ERK) (B), (10 мкМ U0126), (D), сигналов p38 ( 10 мкМ SB203580) и (F) рецептор, связанный с белком G (GPCR) (200 нг / мл токсина коклюша, PTx). Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение ( n = 6). ** p <0,01, *** p <0,001.

Hst1 усиливает распространение остеогенных клеток на титановой поверхности SLA

Чтобы оценить стимулирующее действие Hst1 на остеогенные клетки на титановых пластинах, клетки MC3T3-E1 высевали на титановые пластины с поверхностями SLA в отсутствие или в присутствии 10 мкМ Hst1.Чтобы дать возможность количественной оценки площади клеточной поверхности с помощью флуоресцентной микроскопии, клеточный актин был флуоресцентно помечен с использованием FITC-фаллоидина (рис. 5А). Количественный анализ показал, что площадь поверхности на клетку в группе 10 мкМ Hst1 (713,26 ± 172,94 мкм, ²) была значительно выше, чем площадь поверхности без Hst1 (537,38 ± 108,19 мкм, ²) (Рисунок 5B).

Рисунок 5. Hst1 способствовал распространению остеогенных клеток на титановых поверхностях SLA. Флуоресцентные микрофотографии (A) , изображающие распространение остеогенных клеток, которые были окрашены Dapi (для ядер) (левый столбец) и FITC-фаллоидином (для F-актина) (средний столбец). Бар = 20 мкм. (B) График количественного анализа распространения остеогенных клеток. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение ( n = 32). *** р <0,001.

Обсуждение

Адгезия, распространение и миграция остеогенных клеток на медицинских устройствах необходимы для эффективного формирования кости LVBD и остеоинтеграции имплантатов (Deligianni, 2014; Zhang et al., 2015). В этом исследовании мы продемонстрировали, что Hst1 значительно способствовал распространению остеогенных клеток на биоинертном стекле в анализах, зависящих от дозы и времени.Оказалось, что такой эффект Hst1 был связан с передачей сигналов ERK1 / 2 и p38, поскольку их специфические ингибиторы противодействовали стимуляции Hst1. Мы также показали, что Hst1 значительно способствовал распространению остеогенных клеток на поверхности титана SLA. Следовательно, Hst1 имеет потенциал применения для стимулирования остеокондуктивности, чтобы улучшить заживление костей и остеоинтеграцию.

Хорошо известно, что область контакта клетки с субстратом может определять активность клеток, такую как пролиферация, покой или апоптоз (McGrath, 2007).При нанесении на стекло клетки проходят три основных фазы из невзвешенного состояния в плоское и поляризованное состояние: (1) начальное прикрепление; (2) быстрое увеличение площади распространения клеток за счет истощения мембранных резервуаров; и (3) более медленная фаза распространения, которая включает периодическое выпячивание / втягивание края клетки и увеличение площади мембраны (Dubin-Thaler et al., 2004; Giannone et al., 2004). Преимущество использования модельной системы распространения клеток из неприсоединенного состояния заключается в том, что она хорошо воспроизводима, а стадии, которым подвергается клетка, могут быть охарактеризованы и количественно определены в зависимости от времени (Wolfenson et al., 2014). Существует множество экспериментальных методов для количественной оценки распространения клеток, таких как определение относительного распространения клеток и расчет так называемого индекса клеток (Van Dijk et al., 2015, 2017a). Последний параметр определяет импеданс ячеек, который пропорционально коррелирует, но не показывает напрямую, степень распространения ячеек. Напротив, в текущем исследовании мы применили метод подсчета точек (Cruz-Orive and Weibel, 1990) для измерения площади поверхности распространяющихся клеток, которая могла бы напрямую отражать вновь образованную площадь контакта клетки с субстратом.

Hst1 уже продемонстрировал свою эффективность в стимулировании адгезии, распространения и миграции различных эпителиальных клеток из кожи (Oudhoff et al., 2009a), слизистой оболочки (Oudhoff et al., 2008, 2009b), десен (Van Dijk et al. ., 2015, 2017a) и роговичного происхождения (Shah et al., 2017). Hst1 имеет очень широкую фармацевтическую дозировку. Hst1 не связан с цитотоксичностью и значительно увеличивает метаболическую активность эпителиальных клеток роговицы человека в пределах 200 мкМ (Shah et al., 2017). В нашем недавнем исследовании мы также показали, что 10 мкМ Hst1 значительно способствует метаболической активности эпителиальных клеток слизистой оболочки полости рта человека, кератиноцитов кожи и фибробластов десен (Ma et al., 2020). Эти данные указывают на хорошую биосовместимость Hst1. Остается неясным, как Hst1 влияет на клеточную метаболическую активность. Наше недавнее исследование показывает, что Hst1 может быстро интернализоваться и накапливаться в цитоплазме (Ma et al., 2020). В настоящем исследовании мы использовали CLSM и впервые четко продемонстрировали захват Hst1 преостеобластами. После захвата Hst1 быстро нацеливается на митохондрии и эндоплазматический ретикулум (ER) (Ma et al., 2020), что указывает на потенциальную роль контакта митохондрий с ER в модулирующих эффектах Hst1 на клеточную метаболическую активность.Однако до сих пор внутриклеточные сигнальные пути и гены, активируемые Hst1, еще предстоит выяснить. Для прояснения этих вопросов необходимо провести дальнейшие исследования.

В соответствии с этими сообщениями, было замечено, что 10 мкМ Hst1 оптимально способствовали распространению остеогенных клеток in vitro через 60 минут после инкубации. Зависящий от времени курс действия Hst1 согласовывался с предыдущими данными об эпителиальных клетках, согласно которым поверхность фибробластов заметно увеличивалась после 60 минут обработки Hst1 по сравнению с контролем (Van Dijk et al., 2015, 2017а). В дальнейших публикациях также сообщалось, что Hst1 может способствовать адгезии, миграции и ангиогенезу эндотелиальных клеток (Torres et al., 2017; Van Dijk et al., 2017b). Было также продемонстрировано, что Hst1 способствует прикреплению остеогенных клеток как к распыленной гладкой титановой поверхности, так и к поверхностям SLA (Van Dijk et al., 2017a). В текущем исследовании мы показали, что Hst1 может также способствовать распространению остеогенных клеток как на биоинертных стеклянных поверхностях, так и на титановых поверхностях SLA.Эти данные свидетельствуют о том, что Hst1 может улучшать взаимодействие клетки с биоматериалом, чтобы способствовать заживлению костей и остеоинтеграции имплантата. Кроме того, показано, что Hst1 противодействует цитотоксическим и антимиграционным эффектам золедроновой кислоты на остеогенные клетки MC3T3-E1 и эндотелиальные клетки (Castro et al., 2019). Золедроновая кислота, наиболее частый агент, связанный с бисфосфонатным остеонекрозом челюсти, считается цитотоксичным для костных и сосудистых клеток (Aghaloo et al., 2015).Было показано, что Hst1 может защищать клетки от различных неблагоприятных условий, уменьшая апоптоз клеток (Aghaloo et al., 2015; Huang et al., 2018). Эти данные свидетельствуют о том, что Hst1 имеет большой потенциал применения при различных заболеваниях костей.

Титан широко используется в качестве материала для имплантатов, например, при протезировании шейки матки, протезировании суставов, мини-пластинах, мини-винтах и зубных имплантатах (Giannasi et al., 2018). Постоянные усилия были предприняты для увеличения распространения клеток на титановых имплантатах с целью облегчения остеоинтеграции (Canullo et al., 2016) и ре-остеоинтеграции (Duske et al., 2012). С этой целью также были опробованы различные пептиды. Например, P15, синтетический пептид из 15 аминокислот, имитирующий клеточно-связывающий домен в альфа-1 цепи человеческого коллагена, может значительно способствовать прикреплению, распространению клеток и экспрессии остеогенных генов (Liu et al., 2012). Пептид, полученный из другого ламинина клеточного матрикса, также способствует прикреплению клеток, подобных остеобластам человека (Min et al., 2013). Чтобы выполнять такие функции, большинство этих пептидов все еще необходимо предварительно прикрепить к поверхности титана (Liu et al., 2012; Мин и др., 2013). В отличие от схемы применения этих пептидов, мы показали, что Hst1 может способствовать прикреплению остеогенных клеток без необходимости предварительного прикрепления к титановым поверхностям. В этом исследовании мы исследовали влияние Hst1 на распространение остеогенных клеток на титановой поверхности SLA, наиболее часто используемой поверхности для дентальных имплантатов. В соответствии с предыдущим выводом (Van Dijk et al., 2017a) мы показали, что Hst1 значительно усиливает распространение остеогенных клеток на титановых поверхностях SLA по сравнению с контрольной группой.В нашем недавнем исследовании мы показали, что Hst1 может быстро захватываться и распространяться в непосредственной близости от окружающих ядер внутри эпителиальных клеток и фибробластов, что предполагает важную роль субклеточных мишеней (митохондрии и эндоплазматический ретикулум) в функциях Hst1 (Ma et al. , 2020). В этом исследовании наши данные, полученные с помощью флуоресцентной микроскопии, показали, что F-Hst1 поглощается остеогенными клетками и распределяется внутри клетки. Результаты CLSM подтвердили, что Hst1 был распределен вблизи ядра.Эти данные свидетельствуют о том, что Hst1 не действует как промежуточное звено (покрытие) между субстратом и клеткой, а скорее вызывает клеточный ответ. Обладая этими свойствами, Hst1 можно использовать в качестве удобной стимулирующей молекулы для содействия остеоинтеграции титановых имплантатов.

До сих пор не выяснено, с помощью какого точного молекулярного механизма Hst1 способствует распространению клеток. Наши предыдущие исследования предполагают, что стимулирующий эффект Hst1 на миграцию эпителиальных клеток опосредуется путем GPCRs-ERK1 / 2, но не путем p38 (Oudhoff et al., 2009а). Наше недавнее исследование показывает, что совместное введение Hst1 с полностью транс-ретиноевой кислотой аддитивно стимулирует распространение и остеогенность преостеобластов на биоинертных стеклянных поверхностях in vitro , что может быть отменено специфическими ингибиторами рецепторов ретиноевой кислоты α (но не β или γ) (Sun W. et al., 2020). Однако сигнальные пути, отвечающие за влияние Hst1 на адгезию преостеобластов, еще предстоит выяснить. В этом исследовании мы обнаружили, что U0126, ингибитор пути ERK1 / 2, значительно ингибирует эффект Hst1.Однако ингибитор p38 SB203580 также устраняет эффект Hst1, предполагая, что в настоящей системе пути пути ERK1 / 2 и p38 вовлечены в опосредование эффекта Hst1. Это несовместимо с предыдущим исследованием, в котором было обнаружено, что ингибирование ERK1 / 2, но не p38, отменяет стимулирующие эффекты Hst1 (Oudhoff et al., 2009a). Кроме того, в этом исследовании было обнаружено, что Hst1 (20–32) (SHREFPFYGDYGS) является минимальным доменом Hst1, который способствует миграции эпителиальных клеток (Oudhoff et al., 2009а). Такое исследование очень важно для определения минимальной функциональной области. Кроме того, гораздо более короткий пептид будет иметь большое значение для его фармацевтического применения из-за значительно более низкой стоимости производства. В настоящем исследовании мы впервые показали влияние укороченных вариантов Hst1 на распространение преостеобластов. В противоречие с предыдущими находками, наше настоящее исследование показало, что ни один из усеченных вариантов Hst1 не оказывал никакого влияния на распространение остеогенных клеток.Необходимы дальнейшие исследования, чтобы прояснить эти очевидные несоответствия, которые могут быть вызваны использованием в этих исследованиях разных типов клеток (эпителиальные против остеогенных клеток) от разных видов (человек против мыши). Хотя наши данные предполагают роль передачи сигналов ERK и p38 в стимулирующих эффектах Hst1 на клеточную адгезию, остается неясным, как эти два сигнальных пути взаимодействуют с сигнальными каскадами, модулирующими клеточный скелет, такими как фосфатидилинозитол-3 киназы, ERK1 / 2, 5 ‘-АМР-активированная протеинкиназа, члены семейства Rho GTPase (RhoA, Rac, Cdc42), факторы обмена гуаниновых нуклеотидов Rho, белки, активирующие Rho GTPase, и ингибиторы диссоциации гуаниновых нуклеотидов Rho (Moujaber and Stochaj, 2020).Дальнейшие исследования должны быть выполнены, чтобы выяснить, как Hst1 взаимодействует с этими сигнальными путями.

С другой стороны, доказано, что ERK1 / 2 и p38 участвуют в остеогенной дифференцировке (Guo and Wu, 2012). При стимуляции костного морфогенетического белка 2 (BMP2) ингибирование p38 с помощью SB203580 было связано со значительным снижением активности щелочной фосфатазы (маркер ранней остеогенной дифференцировки) и остеокальцина (OCN, маркер поздней остеогенной дифференцировки) в MC3T3-E1 pre -остеобласты (Guicheux et al., 2003), тогда как передача сигналов ERK практически не активировалась, что указывает на важность передачи сигналов p38, но не ERK в BMP2-индуцированной остеогенной дифференцировке. С другой стороны, икаритин, гидролитический продукт икариина из рода Epimedium, может значительно активировать передачу сигналов ERK и p38 в индуцированной им остеогенной дифференцировке в преостеобластах MC3T3-E1. Кроме того, антагонист p38 SB203580 и антагонист ERK1 / 2 PD98059 заметно ингибируют индуцированную икаритином экспрессию мРНК ALP, COL1 (кодирующего коллаген I типа), OCN и OPN (кодирующего остеопонтин) (Wu et al., 2017). Эти результаты предполагают, что разные лиганды могут стимулировать разные паттерны передачи сигналов. Поскольку ERK и p38, по-видимому, участвуют в эффекте Hst1, может возникнуть вопрос, может ли Hst1 способствовать остеогенной дифференцировке in vitro, и in vivo, остеогенез, тем самым внося вклад в остеоиндуктивность — еще одно важное свойство для лечения LVBD и облегчения остеоинтеграции. До сих пор об этой проблеме редко сообщали. В нашем недавнем исследовании мы показали, что Hst1 сам по себе не способствует активности ЩФ (Sun W.и др., 2020). Кроме того, наше продолжающееся исследование показывает, что Hst1 не усиливает дополнительно индуцированную BMP2 in vitro внеклеточную минерализацию MC3T3-E1 (данные не показаны). Следовательно, хотя передача сигналов ERK и p38 участвует в эффектах Hst1 на адгезию и распространение клеток, они не приводят напрямую к остеогенной дифференцировке, по крайней мере, в преостеобластах MC3T3-E1. Все эти данные указывают на то, что Hst1 не усиливает остеогенную дифференцировку и, следовательно, не несет остеоиндуктивности. С другой стороны, в нашем недавнем исследовании in vivo , Hst1 значительно способствует ангиогенезу и остеогенезу при стимуляции BMP2 в модели индукции эктопической кости (Sun P.и др., 2020). Такой эффект Hst1 на остеогенез может быть объяснен стимулирующим эффектом Hst1 на ангиогенез (Torres et al., 2017), который способствует регенерации кости (Grosso et al., 2017). Однако всегда следует проявлять осторожность, чтобы полностью исключить прямые стимулирующие эффекты Hst1 на остеогенную дифференцировку, поскольку была исследована только частично остеогенно-коммитированная клеточная линия мыши. Первичные мезенхимальные стволовые клетки человека, такие как стволовые клетки костного мозга, следует использовать в будущих исследованиях для дальнейшего изучения эффектов Hst1 на остеогенную дифференцировку.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, представленные в этом исследовании, включены в статью / Дополнительные материалы.

Авторские взносы

GW, HL и EV: концептуализация. WS, GW и DM: расследование. GW и JB: ресурсы. WS и GW: формальный анализ. KN и FB: курирование данных. WS, FB и GW: написание — подготовка первоначального черновика. PS, WS, DM, FB, JB, KN, HL, GW и EV: редактирование. WS, GW, PS, HL и EV: привлечение финансирования. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Финансирование

Эта работа была поддержана Китайским провинциальным фондом естественных наук Чжэцзян (грант № LQ18h240003), Фондом комитета по вопросам образования Чжэцзян, Китай (грант № Y201636248), Китайским провинциальным фондом естественных наук Чжэцзян (грант № LQ Y17h240023) , Проект фундаментальных исследований общественного благосостояния провинции Чжэцзян (грант № GJ19h240001), Департамент науки и технологий провинции Чжэцзян (грант № 2017C33168). Ключевые национальные программы НИОКР Китая (НКП, грант №2018YFB0407204) и проект Eurostars (грант № STAR19104).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2020.584410/full#supplementary-material

Список литературы

Агалоо, Т., Хазбоун, Р., Тетрадис, С. (2015). Патофизиология остеонекроза челюстей. Устный. Максиллофак. Surg. Clin. North Am. 27, 489–496. DOI: 10.1016 / j.coms.2015.06.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Альбректссон, Т., и Йоханссон, К. (2001). Остеоиндукция, остеокондукция и остеоинтеграция. Eur. Spine J. 10 (Дополнение 2), S96 – S101.

Google Scholar

Большер, Дж. Г., Аудхофф, М. Дж., Назми, К., Antos, J.M., Guimaraes, C.P., Spooner, E., et al. (2011). Сортаза А как инструмент высокопроизводительной циклизации гистатина. FASEB J. 25, 2650–2658. DOI: 10.1096 / fj.11-182212

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Канулло, Л., Генова, Т., Талларико, М., Готье, Г., Муссано, Ф., Боттичелли, Д. (2016). Плазма аргона влияет на самый ранний биологический ответ различных поверхностей имплантата: сравнительное исследование In vitro . Дж.Dent Res. 95, 566–573. DOI: 10.1177 / 0022034516629119

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кастро, М., Торрес, П., Солано, Л., Кордова, Л. А., и Торрес, В. А. (2019). Гистатин-1 противодействует цитотоксическим и антимиграционным эффектам золедроновой кислоты в эндотелиальных и остеобластоподобных клетках. J. Periodontol. 90, 766–774. DOI: 10.1002 / jper.18-0644

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Че, Х., Boldrey, J., Zhong, X., Unnikandam-Veettil, S., Schneider, I., Jiles, D., et al. (2018). Встроенные исследования влияния магнитной стимуляции на жизнеспособность и пролиферацию отдельных нервных клеток на стеклянных и нанопористых поверхностях. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10, 28269–28278. DOI: 10.1021 / acsami.8b05715

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чьяпаско М., Казентини П. и Занибони М. (2009). Операции по увеличению костной ткани в имплантологии. Внутр.J. Oral. Максиллофак. Имплантаты 24 (Дополнение), 237–259.

Google Scholar

Круз-Орив, Л. М., и Вейбель, Э. Р. (1990). Современные стереологические методы клеточной биологии: краткий обзор. Am. J. Physiol. 258, L148 – L156.

Google Scholar

Делиджанни, Д. Д. (2014). Многослойные углеродные нанотрубки усиливают распространение мезенхимальных стволовых клеток костного мозга человека, но задерживают их пролиферацию в направлении ускорения дифференцировки. Cell Adh.Мигр. 8, 558–562. DOI: 10.4161 / cam.32124

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дубин-Талер, Б. Дж., Джанноне, Г., Доберейнер, Х. Г., и Шитц, М. П. (2004). Нанометрический анализ распространения клеток на покрытых матриксом поверхностях выявляет два различных состояния клеток и ШАГИ. Biophys. J. 86, 1794–1806. DOI: 10.1016 / s0006-3495 (04) 74246-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дуске К., Кобан И., Киндель Э., Шредер К., Небе Б., Хольтфретер Б. и др. (2012). Атмосферная плазма улучшает смачиваемость и распространение клеток на металлических зубных имплантатах. J. Clin. Пародонтол. 39, 400–407. DOI: 10.1111 / j.1600-051x.2012.01853.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Giannasi, C., Pagni, G., Polenghi, C., Niada, S., Manfredi, B., Brini, A. T., et al. (2018). Влияние модификаций поверхности дентальных имплантатов на адгезию и пролиферацию первичных кератиноцитов десен человека и клеток-предшественников. Внутр. J. Пародонтология Реставрационная вмятина. 38, 127–135. DOI: 10.11607 / prd.3304

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джанноне Г., Дубин-Талер Б. Дж., Доберейнер Х. Г., Киффер Н., Бресник А. Р. и Шитц М. П. (2004). Периодические сокращения ламеллиподов коррелируют с волнами актина, направленными назад. Cell 116, 431–443. DOI: 10.1016 / s0092-8674 (04) 00058-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гроссо, А., Бургер, М. Г., Лунгер, А., Шефер, Д. Дж., Банфи, А., и Ди Маджио, Н. (2017). Для танго нужны два: соединение ангиогенеза и остеогенеза для регенерации кости. Фронт. Bioeng. Biotechnol. 5:68. DOI: 10.3389 / fbioe.2017.00068

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Guicheux, J., Lemonnier, J., Ghayor, C., Suzuki, A., Palmer, G., and Caverzasio, J. (2003). Активация митоген-активируемой протеинкиназы p38 и c-Jun-Nh3-терминальной киназы BMP-2 и их участие в стимуляции дифференцировки остеобластических клеток. J. Bone Miner Res. 18, 2060–2068. DOI: 10.1359 / jbmr.2003.18.11.2060

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гундерсен, Х. Дж., И Йенсен, Э. Б. (1987). Эффективность систематической выборки в стереологии и ее прогнозирование. J Microsc 147, 229–263. DOI: 10.1111 / j.1365-2818.1987.tb02837.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хуанг, Г. К., Йи, Г. Г., Ву, Л. В., Фэн, С. Ф., Ву, В., Peng, L., et al. (2018). Защитный эффект гистатина 1 против вызванного ультрафиолетом повреждения эпителиальных клеток роговицы человека. Exp. Ther. Med. 15, 679–684.

Google Scholar

Ислам, М., Атмарамани, Р., Мукерджи, С., Гош, С., Икбал, С. М. (2016). Повышенная пролиферация нервных клеток PC12 на необработанных покровных стеклах с нанотекстурой. Нанотехнологии 27: 415501. DOI: 10.1088 / 0957-4484 / 27/41/415501

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кнезер, У., Шефер, Д. Дж., Поликандриотис, Э., и Хорьх, Р. Э. (2006). Тканевая инженерия кости: взгляд реконструктивного хирурга. J. Cell Mol. Med. 10, 7–19. DOI: 10.1111 / j.1582-4934.2006.tb00287.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кумар П., Винита Б. и Фатима Г. (2013). Костные трансплантаты в стоматологии. J. Pharm. Bioallied Sci. 5, S125 – S127.

Google Scholar

Лауренсин, К., Хан, Ю., и Эль-Амин, С.Ф. (2006). Заменители костных трансплантатов. Expert Rev. Med. Приборы 3, 49–57.

Google Scholar

Ли, Дж. Дж., Хо, М. Х. и Сяо, С. В. (2008). Иммобилизация пептидов путем активации озоном для улучшения остеокондуктивности субстратов PLLA. J. Biomater. Sci. Polym. Эд. 19, 1637–1648. DOI: 10.1163 / 156856208786440497

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, К., Лимтонгкул, В., Сидху, Г., Чжан, Дж., Ваккаро, А., Шенк Р. и др. (2012). Ковалентное присоединение пептида P15 к титановым поверхностям усиливает прикрепление, распространение клеток и экспрессию остеогенных генов. J. Orthop. Res. 30, 1626–1633. DOI: 10.1002 / jor.22116

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ма, Д., Сан, В., Назми, К., Веерман, Э. К. И., Биккер, Ф. Дж., Ясперс, Р. Т. и др. (2020). Гистатин 1 и 2 слюны нацелен на митохондрии и эндоплазматический ретикулум в клетках человека. Ячейки 9: 795.DOI: 10.3390 / Cell

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макалистер, Б.С., Хагигхат, К. (2007). Техники увеличения костной ткани. J. Periodontol. 78, 377–396.

Google Scholar

МакГрат, Дж. Л. (2007). Распространение клеток: возможность упрощать. Curr. Биол. 17, R357 – R358.

Google Scholar

Мин, С. К., Кан, Х. К., Янг, Д. Х., Юнг, С. Ю., Ким, О. Б., Мин, Б. М. и др.(2013). Покрытие поверхности титана функциональным пептидом, производным от ламинина, способствует адгезии костных клеток. Biomed. Res. Int. 2013: 638348.

Google Scholar

Oudhoff, M. J., Bolscher, J. G., Nazmi, K., Kalay, H., Van ’T Hof, W., Amerongen, A. V., et al. (2008). Гистатины являются основными факторами, стимулирующими закрытие ран в слюне человека, как было выявлено в анализе клеточных культур. FASEB J. 22, 3805–3812. DOI: 10.1096 / fj.08-112003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аудхофф, М.J., Kroeze, K. L., Nazmi, K., Van Den Keijbus, P. A., Van ’T Hof, W., Fernandez-Borja, M., et al. (2009a). Анализ структуры-активности гистатина, мощного пептида для заживления ран из слюны человека: циклизация гистатина усиливает молярную активность в 1000 раз. FASEB J. 23, 3928–3935. DOI: 10.1096 / fj.09-137588

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Oudhoff, M. J., Van Den Keijbus, P. A., Kroeze, K. L., Nazmi, K., Gibbs, S., Bolscher, J. G., и другие. (2009b). Гистатины улучшают закрытие ран с оральными и не оральными клетками. J. Dent Res. 88, 846–850. DOI: 10.1177 / 0022034509342951

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пунтос, И., Пантели, М., Лампропулос, А., Джонс, Э., Калори, Г. М., и Джаннудис, П. В. (2016). Роль пептидов в заживлении и регенерации костей: систематический обзор. BMC Med. 14: 103. DOI: 10.1186 / s12916-016-0646-y

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шах, Д., Али, М., Шукла, Д., Джайн, С., Аакалу, В. К. (2017). Влияние пептида гистатина-1 на эпителиальные клетки роговицы человека. PLoS One 12: e0178030. DOI: 10.1371 / journal.pone.0178030

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сунь, П., Ши, А., Шен, К., Лю, Ю., Ву, Г., и Фэн, Дж. (2020). Гистатин-1 (Hst1) слюны человека способствует остеогенезу и ангиогенезу, индуцированному костным морфогенетическим белком 2 (BMP2). FEBS Open Bio 10, 1503–1515.DOI: 10.1002 / 2211-5463.12906

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sun, W., Shi, A., Ma, D., Bolscher, J. G. M., Nazmi, K., Veerman, E. C. I., et al. (2020). Полностью транс-ретиноевая кислота и гистатин-1 из слюны человека способствуют распространению и остеогенной активности преостеобластов in vitro . FEBS Open Bio 10, 396–406. DOI: 10.1002 / 2211-5463.12792

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Торрес, П., Диас, Дж., Арсе, М., Сильва, П., Мендоза, П., Лоис, П. и др. (2017). Пептид слюны гистатин-1 способствует адгезии, миграции и ангиогенезу эндотелиальных клеток. FASEB J. 31, 4946–4958. DOI: 10.1096 / fj.201700085r

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Дейк, И. А., Бекер, А. Ф., Джеллема, В., Назми, К., Ву, Г., Висмейер, Д., и др. (2017a). Гистатин 1 усиливает адгезию клеток к титану в модели интеграции имплантата. J. Dent Res. 96, 430–436. DOI: 10.1177 / 0022034516681761

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Дейк, И. А., Феррандо, М. Л., Ван Дер Вейк, А. Э., Хёбе, Р. А., Назми, К., Де Йонге, В. Дж. И др. (2017b). Пептид слюны человека гистатин-1 стимулирует адгезию эпителиальных и эндотелиальных клеток и барьерную функцию. FASEB J. 31, 3922–3933. DOI: 10.1096 / fj.201700180r

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Дейк, И.А., Назми, К., Большер, Дж. Г. М., Веерман, Э. К. И., и Стэп, Дж. (2015). Гистатин-1, богатый гистидином пептид в слюне человека, способствует адгезии клетка-субстрат и клетка-клетка. Faseb J. 29, 3124–3132. DOI: 10.1096 / fj.14-266825

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вольфенсон, Х., Искратч, Т., Шитц, М. П. (2014). Ранние события в распространении клеток как модель для количественного анализа биомеханических событий. Biophys. J. 107, 2508–2514.DOI: 10.1016 / j.bpj.2014.10.041

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, Z., Ou, L., Wang, C., Yang, L., Wang, P., Liu, H., et al. (2017). Икаритин индуцирует дифференцировку клеток субклона 14 MC3T3-E1 посредством активации передачи сигналов ERK1 / 2 и p38, опосредованной рецептором эстрогена. Biomed. Фармакотер. 94, 1–9. DOI: 10.1016 / j.biopha.2017.07.071

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сюй, Т., Левиц, С.М., Даймонд, Р.Д. и Оппенгейм Ф. Г. (1991). Противокандидозная активность основных гистатинов слюны человека. Заражение. Иммун. 59, 2549–2554.

Google Scholar

Инь А., Марголис Х. К., Гроган Дж., Яо Ю., Трокслер Р. Ф. и Оппенгейм Ф. Г. (2003). Физические параметры адсорбции гидроксиапатита и влияние на кандидацидную активность гистатинов. Arch. Oral Biol. 48, 361–368. DOI: 10,1016 / s0003-9969 (03) 00012-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, К., Донг, Х., Ли, Й., Чжу, Ю., Цзэн, Л., Гао, Х. и др. (2015). Полимерные субстраты с микроканавками способствуют коллективной миграции клеток для ускорения заживления переломов в модели in vitro. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 7, 23336–23345. DOI: 10.1021 / acsami.5b07976

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Остеогенные клетки поставляют кальций в опухолевые клетки для усиления костных метастазов

Основная находка: Передача сигналов кальция и сигналов mTOR способствует прогрессированию метастазов в кости.
Механизм: Щелевые соединения облегчают перенос кальция от остеогенных клеток к опухолевым клеткам.
Воздействие: Ингибирование передачи сигналов кальция с помощью As ₂ O ₃ в сочетании с ингибированием mTOR может подавлять метастазы в кости.

Кость является местом, наиболее часто заселяемым метастазами рака груди, и эти метастазы вызываются хорошо известным порочным кругом между раковыми клетками и остеокластами.Однако колонизация костной ткани на ранней стадии до начала порочного цикла изучена не полностью. Между раковыми и остеогенными клетками образуются гетеротипические спайки, активирующие передачу сигналов mTOR, способствующих прогрессированию костных микрометастазов, но ингибиторы mTOR не смогли продлить выживаемость. Ван и его коллеги стремились идентифицировать дополнительные пути, которые могут взаимодействовать с передачей сигналов mTOR, чтобы опосредовать эффекты остеогенной ниши, способствующие метастазированию. Передача сигналов кальция была увеличена при метастазах в кости по сравнению с метастазами в других органах.Факторы транскрипции NFAT и MEF2, оба из которых находятся ниже передачи сигналов кальция, также были активированы при метастазах в кости. I n vivo , активность NFAT1 и MEF2 была увеличена на мышиной модели метастазов в кости. Кроме того, совместное культивирование опухолевых клеток с остеогенными клетками усиливало пролиферацию опухолевых клеток и увеличивало ядерный NFAT, указывая на то, что взаимодействие с остеогенными клетками приводит к усилению передачи сигналов кальция в опухолевых клетках. И наоборот, ингибирование передачи сигналов кальция снижает колонизацию опухолевых клеток костями.Механически кальций доставлялся от остеогенных клеток к опухолевым клеткам через щелевые соединения, способствуя колонизации костей. Коннексин 43 (Сх43) является основным компонентом щелевых контактов и сверхэкспрессируется в метастазах в кости и связан с передачей сигналов кальция. Ингибирование Cx43 подавляло колонизацию костей, но также имело значительные побочные эффекты у мышей. Скрининг матрицы костей в культуре идентифицировал триоксид мышьяка (As ₂ O ₃) как супрессор метастазов в кости, который нарушает передачу сигналов кальция и щелевые соединения с меньшим количеством побочных эффектов in vivo .As ₂ O ₃ в сочетании с ингибированием mTOR уменьшало латентный рецидив в кости в мышиной модели рака груди ER ⁺. В совокупности эти данные раскрывают механизм, с помощью которого передача сигналов кальция способствует метастазам в кости, и предполагают потенциал As ₂ O ₃ в сочетании с ингибированием mTOR для устранения метастазов в кости.

Ван Х, Тиан Л., Лю Дж., Гольдштейн А., Бадо И., Чжан В. и др. Остеогенная ниша является кальциевым резервуаром костных микрометастазов и дает неожиданную терапевтическую уязвимость.Cancer Cell 2018; 34: 823–39.e7.

Примечания

Примечание: Research Watch написано редакцией Cancer Discovery .