Костное ремоделирование

Ремоделирование костной ткани

Костное ремоделирование

Ремоделирование — это сопряженные во времени процессы локальной резорбции и формирования кости в небольших блоках посредством базисной мультиклеточной единицы, функцией которой является поддержание скелетного баланса.

Сопряжение во времени процессов ремоделирования достигается за счет механизма, в основе которого лежит взаимное влияние всех клеток посредством локальных сигналов факторов роста и других цитокинов.

Ремоделирование компактного и губчатого вещества кости рассматривается с позиции функционирования базисных многоклеточных единиц (БМЕ, Basic Multicellular Unit (BMU)) или костных ремоделирующих единиц (Bone Remodeling Unit (BRU)). БМЕ формируются в локусе перестройки костной ткани и представляют собой группу из согласованно функционирующих клеток, которые называют также “преобразующими блоками” или “обособленными ремоделирующими пакетами”.

Базисную мультиклеточную единицу образуют остеокласты, остеобласты, активные мезенхимальные клетки и капиллярные петли. Размер БМЕ 0,05-0,1 мм3. Она имеет форму цилиндра с двумя конусовидными вершинами, в центре которого проходит кровеносный капилляр, окруженный остеогенными клетками.

Вершина цилиндра – режущий конус, выстлана остеокластами, которые разрушают компактную кость, образуя в ней резорбционный канал. Средняя часть БМЕ – реверсивная зона, представляет собой резорбционную полость, выстланную клетками типа макрофагов и сменяющими их преостеобластами.

Дистальный отдел БМЕ – замыкающий конус, покрытый остеобластами, которые заполняют резорбционный канал концентрически располагающимися костными пластинками.

В организме взрослого человека одновременно функционируют 100 000-10000 000 БМЕ. Ремоделирование костной ткани осуществляется в соответствии с действующими на кость нагрузками. Ежегодно обновляется около 4-10% общего объема костной массы. Этот процесс регулируется количеством и активностью костных клеток (табл.1)

Таблица.1. Типы костных клеток и их участие в процессе ремоделирования

Процесс ремоделирования костной ткани происходит в несколько фаз [активации, резорбции, реверсии, формирования (остеогенеза)], в каждую из которых ведущую роль выполняют те или иные клетки. Остеокласты и остеобласты вовлечены в процесс ремоделирования кости, остеоциты и покровные клетки участвуют в обменных процессах, обеспечивая питание кости и сохранение кальциевого гомеостаза.

Ремоделирование кости начинается с активации покровных клеток покоящейся зоны (рис.1) при помощи специфических цитокинов.

На костном матриксе происходит разрушение протективного слоя, к оголенной поверхности мигрируют предщественники остеокластов, сливаются в многоядерную структуру – зрелый остеокласт, который деминерализует костный матрикс (резорбция, катализируемая при помощи ферментов карбоангидразы и тартрат-резистентной кислой фосфатазы) с образованием резорбционных лакун, после чего уступает место макрофагам. Макрофаги завершают разрушение органической матрицы межклеточного вещества кости и подготавливают поверхность к адгезии остеобластов (реверсия).

В последующем наступает реверсионная фаза, когда возникшие лакуны заполняются предшественниками, дифференцирующимися в остеобласты (“клетки-строители”).

Начинается синтез костных протеинов, формирование органического матрикса кости, после чего минерализация, в соответствии с новыми условиями статической и динамической нагрузки на кость, завершает цикл ремоделирования.

Остеобласты остаются внутри костного матрикса, превращаясь в остеоциты. Остеобласты, оставшиеся на поверхности вновь сформированной кости, дифференцируются в покровные клетки.

Такие циклы возникают примерно 1 раз в 2-3 года в каждой единице костного ремоделирования (остеоне) как трабекулярных, так и кортикальных костей и длятся соответственно около 100 и 200 дней.

У молодых здоровых лиц в результате ремоделирования костная масса до 35-40 лет остается постоянной. Затем потеря костной массы у мужчин ежегодно составляет 0,5-2% в год, у женщин – 2-3%, с преимущественным ускорением в течение 5-10 лет после менопаузы.

Каждый цикл ремоделирования в менопаузе заканчивается небольшим уменьшением костной массы. Активизация ремоделирования в менопаузе приводит к увеличению потери костной ткани (рис.2). P.D.

Ross (1996) показал, что в течение всей жизни женщины теряют до 35% кортикальной и до 50% трабекулярной кости (для мужчин соответственно – 25% и 20%).

Такое снижение костной массы приводит к снижению прочности кости и, следовательно, увеличению риска переломов.

Факторы, влияющие на ремоделирование костной ткани

Кальций – регулирующие гормоныПаратгормон(паратиреоидный гормон, ПТГ) – врабатывается клетками околощитовидных (паратиреоидных) желез. Основное действие – поддержание гомеостаза кальция; главный стимулятор секреции – снижение уровня ионизированного кальция в крови; другие стимуляторы ПТГ – магний, гистамин, кортизол, допамин, секретин. Регуляция осуществляется по механизму обратной связи. Основное воздействие на костную ткань – стимуляция костной резорбции путем активации остеокластов (остеокластическая костная резорбция) и остеоцитов – покоящихся остеобластов (остеоцитарный остеолизис). Для реализации резорбтивного действия необходимо присутствие остеобластов. ПТГ может, как стимулировать, так и замедлять синтез коллагена и костного матрикса. Непрерывное продолжительное лечение ПТГ приводит к замедлению образования новой кости, а прерывистое лечение короткими курсами стимулирует синтез коллагена и костеобразование.
Кальцитонин (гипокальциемический гормон) – вырабатывается парафолликулярными клетками щитовидной железы.Тормозит спонтанную костную резорбцию за счет первичного угнетения остеокластической активности и уменьшения количества остеокластов, и остеолизис, стимулированный ПТГ, витамином D и другими факторами. Подавляет распад коллагена, положительно влияет на костеобразование. Является функциональным антагонистом ПТГ, но прямого влияния друг на дргуа эти гормоны не оказывают. Непрямое взаимодействие сводится к их противоположному влиянию на уровень кальция в данный момент времени.
1,25-гидроксихолекальциферол (1,25 (ОН)2D3) – кальцитриол, 1,24,25- дигидроксихолекальциферол (1,24,25 (ОН)2D3) – биологически активные метаболиты витамина D. Витамин D представляет собой смесь витамина D3 (холекальциферол), образующегося под влиянием ультрафиолетового облучения, и витамина D2 (эргокальциферол), содержащегося в пищевых продуктах. Витамин D обладает биологической активностью после конверсии его в активные метаболиты в печени и почках.1,25-гидроксихолекальциферол – быстродействующее активное соединение, которое играет основную роль в усилении всасывания кальция в кишечнике и в его доставке к органам и тканям. Кальцитриол участвует в регуляции фосфорно-кальциевого обмена за счет стимуляции кишечной абсорбции кальция и фосфора, и усиления реабсорбции кальция в дистальных почечных канальцах; поддерживает гомеостаз кальция. Вместе с ПТГ, через остеобласты, стимулирует костную резорбцию (остеоцитарный остеолизис и остеокластическую резорбцию). Опосредованно, через трансформирующий фактор Р и простагландины, участвует в образовании и дифференцировке остеокластов из их предшественников – клеток гемопоэтического ряда. На остеобластах модулирует экспрессию генов коллагена I типа, щелочной фосфотазы, остеопонтина, остеокальцина.1,24,25- дигидроксихолекальциферол – медленно, но долговременно действующее соединение, контролирующее образование и минерализацию костного матрикса при достаточной доставке кальция к участкам оссификации.
Другие системные гормоныИнсулин – полипептид, синтезируемый клетками поджелудочной железы.Стимулирует синтез компонентов костного матрикса за счет влияния на дифференциацию остеобластов и за счет увеличения количества коллагенпродуцирующих клеток. Стимулирует синтез хряща, увеличивает продукцию ИПФР-1 печенью, необходим для нормальной костной минерализации.
Гормон роста (СТГ – соматотропный гормон) – полипептид, вырабатываемый передней долей гипофизаИграет важнейшую роль в нормальном развитии и скелетном росте у детей и, в меньшем случае, – взрослых. Оказывает прямое стимулирующее влияние на хондроциты и остеобласты посредством регуляции синтеза ИПФР-1 и продуцирования в костной ткани таких местных факторов, как трансформирующий ростовой фактор Р, костный морфогенетический белок и другие. Стимулирующий эффект СТГ на пролиферацию хондроцитов внутри ростовой пластинки лежит в основе лечения низкорослости у детей с дефицитом СТГ. Механизм действия СТГ на кость у взрослых до конца не ясен. Предполагается, что его эффекты достигаются путем увеличения доступности минералов и влиянием на пролиферацию остеобластов. В подтверждение первого вероятного механизма было доказано, что СТГ, действуя через ИПФР-1, активирует 1-альфа-гидроксилазу почек, увеличивая превращение транспортной формы витамина D в его активный метаболит – кальцитриол. В результате увеличивается абсорбция кальция и фосфатов в кишечнике. Кроме того, СТГ увеличивает реабсорбцию фосфатов в почках.
Глюкокортикоиды – гормоны коры надпочечниковCпособны как стимулировать (низкие концентрации, короткий период воздействия), так и ингибировать (высокие концентрации, длительное воздействие) резорбцию костной ткани и деградацию коллагена в зависимости от концентрации в крови. Ингибируют синтез ИПФР-1 костными клетками.
Тироксин – гормон щитовидной железыОказывает прямое воздействие на образование хряща во взаимодействии с ИПФР-1. Предполагают, что тиреоидные гормоны оказывают как прямой, так и опосредованный эффект на активацию костного обмена. Они стимулируют костную резорбцию, что имеет последствия в клинике. У пациентов с гипертиреозом часто выявляют гиперкальциемию, а у женщин в менопаузе, принимающих тиреоидные гормоны, быстро развивается остеопения.
Эстрогены – женские половые гормоныУчаствуют в созревании костей скелета, формировании диморфизма скелета, наборе пика костной массы, предотвращении потерь костной массы, поддержании минерального гомеостаза и костного баланса у взрослых в течение репродуктивного периода. Предотвращают резорбцию костной ткани путем подавления активности остеокластов в стадии ранней дифференцировки, интерлейкинов -1, -6, фактора некроза опухоли, гранулоцито – макрофагально – колиниеобразующего фактора. Дефицит эстрогенов при гипогонадизме у женщин репродуктивного возраста и в период менопаузы является решающим фактором в развитии остеопении.
Прогестагены – женские половые гормоныОказывают прямое и опосредованное (блокада рецепторов к глюкокортикоидам и снижение их ингибирующего эффекта на кость) защитное влияние на кость. In vitro показано, что прогестерон стимулирует пролиферацию остеобластов, повышая выделение ИПФР-2.
Андрогены – мужские половые гормоныСтимулируют пролиферацию остеобластов и выработку ими щелочной фосфотазы в дозозависимом режиме, усиливают синтез коллагена III типа, продукцию СТГ и ИПФР-1, тем самым оказывая дополнительное влияние на величину костной массы. Влияние на кость опосредовано ростовыми факторами. Гипогонадизм у мужчин ведет к развитию остеопении, а лечение андрогенами предотвращает дальнейшие потери костной ткани. Дефициту андрогенов отводится определенная роль в развитии сенильного остеопороза у мужчин. Немаловажной является роль андрогенов в увеличении силы и прочности скелетных мышц. Кроме того, интересен тот факт, что у женщин с гирсутизмом гиперандрогения поддерживает нормальный уровень массы кости, несмотря на низкий или неопределяемый уровень эстрогенов.
Ростовые факторы и цитокиныИнсулиноподобные факторы роста -ИПФР-1 и ИПФР-2, фактор роста фибробластов, трансформирующий фактор роста Р, тромбоцитарный фактор роста, эпидермальный фактор роста, интерлейкины -1, -6, -8, -11, фактор некроза опухоли – ФНО, макрофаг – колониестимулирующий фактор, гранулоцит – макрофаг – колониестимулирующий фактор – ГМКГСтимуляторы резорбции костной ткани. Большинство из них циркулирует в кровотоке. Оказывают влияние на дифференциацию остеобластов и резорбцию костной ткани. Основные цитокины, участвующие в процессе ремоделирования костной ткани и играющие роль в развитии остеопороза – интерлейкины (ИЛ), ГМКГ, ФНО. В развитии остеокластов принимают участие ИЛ-1, ИЛ-3, ИЛ-6, ИЛ-11, ФНО, ГМКГ, которые, в свою очередь, играют значительную роль в регуляции местных и системных воспалительных реакций. Существенное значение в развитии остеопороза придают ИЛ-6, который стимулирует ранние этапы гемопоэза и остеокластогенеза. Он синтезируется как в культуре стромальных, так и остеобластных клеток в ответ на некоторые гормональные стимулы (ПТГ, кальцитриол). ИЛ-6 способствует костной резорбции и усилению остеокластогенеза. Важную роль в регуляции остеокластогенеза играет ИЛ-11.
γ-интерферон и интерлейкин-4Ингибиторы резорбции костной ткани

Источник: http://bono-esse.ru/blizzard/Anatom/os_2.html

Ремоделирование костей. Взгляд на науку о клетках

Костное ремоделирование

В данной статье рассматриваются вопросы ремоделирования костей от европейских ученых под руководством компании «Новартис». Эта статья подтверждает выводы профессора Струкова В.И. о том, что для здоровья костной системы важна двигательная активность пациентов. Поэтому д.м.н. Струков В.И. настоятельно рекомендует пациентам проходить около 20 км в неделю.

Постоянная мышечная нагрузка стимулирует рост минерального матрикса костной ткани и ведет к укреплению костей. В работе кость рассматривается как эндокринный орган, что говорит о неизученности многих механизмов жизни костной ткани. Однако данная статья не полностью описывает регуляторные механизмы костной ткани посредством андрогенов. Поэтому исследования профессора Струкова В.И.

опережают исследования европейских ученых.

Взгляд на ремоделирование костей

Цикл ремоделирования костей поддерживает целостность опорно-двигательного аппарата путем сбалансированной активности его составляющих типов клеток. Есть формирующий кость остеобласт, клетка, которая производит органический костный матрикс и помогает ее минерализации (Karsentyetal.

, 2009); разрушающий клетку остеобласт, единственный тип эндокринной клетки, который растворяет минералы кости и с помощью ферментов размывает белки внеклеточного матрикса (extracellularmatrix, ECM) (Teitelbaum, 2007); и остеоцит, производную от остеобласта постмиотическую клетку (post-mitoticcell) в костном матриксе, которая действует как механосенсор и эндокринная клетка (BonewaldandJohnson, 2008). Четвертый тип клетки – это костно-выстилающая клетка (boneliningcell), которая хотя и считается имеющей особую роль во взаимодействии с резорбцией кости для формирования костей (Evertsetal., 2002), но, возможно, физически определяет костное ремоделирование отделов кости (Andersenetal., 2009).

Молекулярный анализ  генетических нарушений высоко повышенной или пониженной костной массы определяет во многом зависимые от основных белков, контролирующих действие этих типов костных клеток.

Эта информация является результатом как новых путей в лечении или диагностике наиболее распространенных костных заболеваний, так и способствует лучшему пониманию общих вариантов генетических процессов, которые приводят к разнице в плотности костей у целой популяции.

На картинке (выше) мы проиллюстрировали основные сигнальные пути, включенные в дифференциацию костных клеток, функцию и восстановление, и описали, как связанные действия костных клеток  поддерживаются благодаря межклеточному взаимодействию. Мы уделяем особое внимание факторам и сигнальным процессам, которые оказались необходимыми для поддержания здоровья костей путем изучения редких генетических заболеваний костей.

Остеобласты: дифференцировка и функция

Wnt  (signalling pathway) означает сигнальный путь Wnt. Аббревиатура возникла от двух других аббревиатур — Wnt “wingless” («бескрылый») пошло издавна, так как первично был идентифицировано как ген дрозофилы по рецессивной мутации, от которого крылья у них не росли. Отсюда еще одного  название – «бескрылый» (wingless). Int означало “identification” (идентификация). – Прим.перев.

Дифференцировки остеобластов достигаются за счет согласованного выражения ряда ключевых транскрипционных факторов, и формирование кости за счет остеобластов контролируется как локально, так и системно в ходе моделирования кости в развитии (структура 1 — Box 1) в течение жизни.

Исследования заболеваний, связанных с дефектами костного формирования, такие как развитие расстройств конечностей и высокие условия костной массы, продемонстрировали ключевую важность контроля локального формирования костей с помощью морфогенного белка кости (bonemorphogeneticprotein (BMP) SMAD – сокр.

от Similar to Mother Decapentapglichomolog, также называемый Mothersagainsthomolog; белок и сигнальный путь, связанный с трансформирующим ростовым бета фактором (TGF-beta – Transforminggrowthfactorbeta, TGF-β). Данный термин обычно не переводится на русский язык., а используется как английская аббревиатура. – Прим.перев.(CaoandChen, 2005) и сигнального пути (wingless,  Wnt) (Dayetal.

, 2005) сигнальных путей для дифференциации и функции остеобластов. У взрослых BMP2 может действовать как мощный стимулятор эктомического (смещённого) формирования кости (ectopicboneformation) (Chenetal., 1997), и он клинически используется для улучшения формирования костей, например, при исправлении переломов (Govenderetal., 2002).

ВМР, сигнализирующий через восстановление и активацию гетеродимерического контроля белков Smad, контролирует выработку гена RUNX2, также известного как основной связующий фактор «альфа 1» (alpha1 или cbfa1), транскрипционный фактор, необходимый для дифференциации остеобластов (Ducyetal., 1997).

RUNX2 — Runt-relatedtranscriptionfactor 2 (Runx2) – ген, обеспечивающий использование белков для развития и поддержки костей и хрящей. Обычно используется в английской аббревиатуре. – Прим.перев.Канонический сигнальный путь (Wntsignallingpathway) необходим для дифференциации остеобластов во время скелетообразования и продолжает играть важную роль в зрелых остеобластах.

Альфа 1 (alpha 1, cbfa) – белок интерферон альфа 1, известный также как коллаген (ген) IFNA-1 , а также как ген COL1A1 – белок, укрепляющие и поддерживающий мягкие ткани организма, хрящи, кости, связки и склеры глаз. Русского перевода найти не удалось. – Прим.перев.

И хотя основная функция циркуляции паратиреоидного гормона (parathyreoidhormone, PTH) состоит в том, чтобы регулировать содержание кальция в плазме (см.ниже), он также играет важную роль в формировании костей и предупреждает апоптоз остеобластов и остеоцитов. Периодическое введение небольшого количества паратиреоидного гормона (parathyreoidhormone, PTH) увеличивает количество остеобластов, формирование костей и костную массу, и это установленное анаболическое средство для лечения остеопороза.

CDFA (core-bindingfactorsubnunitalpha1) – внутренний связывающий фактор субъединицы. Белок (ген), который кодирует белки из семейства миелоидных транслокаций. – Прим. перев.

Во время эмбрионального развития трубчатые кости (длинные кости) первоначально формируются как хрящи, которые потом постепенно замещаются костной тканью, – процесс, известный как эндрохондральное формирование костей.

В отличие от этого, плоские кости, такие как черепные кости, формируются непосредственно из мезенхимального уплотнения путем процесса, называемого интрамембральной оссификацией (окостенением – англ. intramembranousossification).

В течение раннего детства происходят оба моделирования костей (формирование и приобретение формы) и ремоделирование костей  (замена или обновление), тогда как в зрелом возрасте ремоделирование костей является преобладающим процессом для поддержание целостности опорно-двигательного аппарата за исключением увеличения массы формирования костей, которое происходит после перелома. Большинство костей состоит из смеси плотной или кортикальной кости и внутренне трабекулярной (губчатой) костной ткани, обеспечивая оптимальный компромисс между силой и весом. Кроме того, обеспечивая поддержку крепления участков для мышц и защиту уязвимых внутренних органов, кости также обеспечивают «дом» для костного мозга и действуют как хранилище для минералов.

Остеобласты производят кости путем синтеза и направленного отбора коллагена 1-го типа, который составляет более 90% белков матрикса кости.

Это вместе с некоторыми другими незначительными типами коллагенов, протеогликанами, фибронектином и специфическими костными белками, такими как остеопонтин, костный силапротеин и остеокальцин, становится неминерализованным гибким  остеостероидом, на котором обосновываются  остеобласты.

Ригидность кости, которая отличается от других коллагеновых матриксов, обеспечивается костными минералами. Минерализация достигается за счет локального выброса фосфатов, которые производятся фосфатазами, присутствующими в производных от остеобластов мембраносвязанными матричными везикулами внутри остеоида.

Вместе с обилием кальция в межклеточной жидкости он приводит к зарождению кальция и росту кристаллов гидроксиапатита [Ca10(PO4)6(OH)2]. Пропорция органического матрикса к минералу (в кортикальной кости у взрослых составляет примерно 60% минерала, 20% органического материала и 20% воды) является критической, чтобы обеспечить правильный баланс между жесткостью и гибкостью скелета.

Источник: https://osteomed.su/vzglyad-na-remodelirovanie-kostej/

Ремоделирование кости

Костное ремоделирование

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 24Следующая ⇒

Процесс перестройки костей осуществляется постоянно. В детском и юношеском возрасте процесс новообразования кости протекает интенсивнее, чем резорбция.

У взрослых после (20-25 лет) имеется динамическое равновесие между этими противоположными процессами, а в пожилом возрасте начинают превалировать процессы резорбции, что приводит к постепенной потере костной массы. Особенно это усиливается после наступления менопаузы.

В результате избыточной потери костной ткани происходит ее разрежение и склонность к переломам – развивается остеопороз.

В механизмах самоподдержания кости ведущее значение придается такому морфофункциональному понятию как «базисная многоклеточная единица».

Базисная многоклеточная единица (БМЕ) – участок костной ткани, в которой протекают сопряженные по времени процессы локальной резорбции и образования кости, или осуществляется ремоделирование.

БМЕ – это функционально-метаболический блок кости и его можно сравнить с почечным нефроном, который имеет свои свойства, отличающиеся как от составляющих его клеток, так и всего организма в целом. БМЕ образуют остеокласты, остеобласты, остеоциты, активные мезенхимные клетки, капиллярные петли.

В организме взрослого человека одновременно функционируют 105-106 БМЕ. Длительность существования БМЕ, сроки формирования новых БМЕ имеют постоянную величину, что поддерживает равновесие процессов ремоделирования.

Благодаря ремоделированию идет постоянное обновление костной ткани и приспособление ее микроструктуры к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды, прежде всего механическим. Инициация ремоделирования возникает скорее всего в местах микропереломов, постоянно происходящих в процессе жизнедеятельности.

Очаги ремоделирования постоянно появляются на трабекулярной поверхности или в остеоне независимо друг от друга ни во времени, ни пространственно. Начало и последующий цикл ремоделирования контролируется, вероятнее всего, in siti факторами аутокринными и паракринными. Протекает процесс циклично – сначала локальная резорбция костной ткани остеокластами, а затем остеобласты заполняют возникшую лакуну резорбции (дефект кости) путем синтеза нового остеоида и его минерализации.

Цикл ремоделирования начинается с привлечения и активации остеокластов.

Остеопонтин, который содержится в минерализованном матриксе и эндостальной мембране и взаимодействует через Арг-Гли-Асп локус с рецепторным участком интегринов (трансмембранные белки, определяющие связь между внешними сигналами и ответами клетки на них), в ответ на механическое напряжение и изменения микроструктуры костных пластинок привлекает клетки-предшественники (преостеокласты) к локусу резорбции и способствует их дифференцировке до остеокластов (рис. 30). Такой же способностью «рекрутировать» остеокласты обладает и другой белок минерализованного матрикса – остеокальцин.Ключевую роль в развитии, дифференцировке и функционировании остеокластов играют остеобласты: для образования остеокластов необходимо межклеточное взаимодействие между остеобластами и макрофагально-моноцитарными клетками; остеобласты также продуцируют фактор дифференцировки остеокластов, известный как RANKL–лиганд рецептора- активатора ядерного фактора – каппа В (к В).

Рисунок 30. Схема костного ремоделирования [ Г.Я. Шварц, 2002].

Важным компонентом начальной стимуляции остеокластов является локальное изменение рН среды в кислую сторону. При рН 7,36-7,42 эти клетки не активны и не вызывают резорбции кости. При смещении рН до 7,25-7,15 резорбтивная способность остеокластов возрастает в 6 раз.

Моделированные (рекрутированные) клетки фиксируются на костной поверхности. В окружении области примыкания плазматической мембраны остеокластов возникает особенно плотное соединение костной пластинкой, образуется, так называемая, чистая зона, ограниченная пограничной полосой.

Главный вклад в создание пограничной полосы вносят молекулы остеопонтина. Активированные остеокласты и сами начинают продуцировать остеопонтин, усиливая прочность прикрепления к кости. Определенный вклад в «приякоривании» клеток к костной пластинке принадлежит и костному сиалопротеину II (BSP II).

Таким образом, остеокальцин (BG-P), остеопонтин (BSP I) и костный сиалопротеин II участвуют не только в формировании костного матрикса, но и в его разрушении.

Область плазматической мембраны остеокласта, прилегающей к костной поверхности, образует многочисленные складки (щеточная кайма), резко увеличивая поверхность, через которую клетка выделяет протоны Н+ и гидролитические ферменты в зону резорбции.

Источником Н+ является карбоангидраза: СО2 + Н2О « Н2СО3 « Н+ + НСО3. При этом образовавшиеся протоны под действием плазматической Н+-АТФазы подкисляют среду. Потерю протонов клеткой поддерживают Na+/К+ -АТФаза, калиевые каналы и другие антипортеры.

рН среды снижается до 4,0, это, во-первых, приводит к растворению кристаллов гидроксиапатита; во-вторых, создает оптимальную среду для кислых лизосомальных гидролаз, расщепляющих белковые и гликоновые компоненты остеона. Фосфатные группы ряда неколлагеновых протеидов отщепляет кислая фосфатаза (тартрат-резистентная).

Определенную роль в деградации пептидных связей играет и супероксидный анион-радикал (О2·), активно генерируемый в зоне резорбции. В результате действия остеокластов в кости образуется лакуна резорбции.

Скорость резорбции кости составляет около 20-50 мкм/сутки, а продолжительность фазы резорбции – около 10-12 дней. Продукты резорбции минеральной фазы и остеоида удаляются путем трансцитоза мембранных вазикул остеокластов, но и механизмом «разгерметизации» лакун.

По мере увеличения зоны разрушения остеокласт приостанавливает свою резорбтивную деятельность и перемещается в глубину образовавшейся лакуны, прикрепляется к кости и возобновляет свою деятельность. Таким образом, группа остеокластов может проделать глубокие ходы в компактной кости.

Фаза резорбции завершается переходным периодом, в котором происходит апоптоз остеокластов (обычно остеокласт функционирует 14-15 дней) и привлечение остеогенных клеток, их пролиферация и дифференцировка в зрелые остеобласты. Регуляция этими процессами в переходном периоде осуществляется факторами локальной регуляции.

Трансформирующий фактор роста способствует апоптозу остеокластов и хемотаксису остеобластов. Остеокальцин и фрагменты молекул коллагена типа 1 также привлекают предшественников остеобластов.

Пролиферацию и дифференцировку остеобластов регулируют группа ростовых факторов, связанных с белками костного матрикса и освобождающихся при его разрушении остеокластами, в частности, костные морфогенные белки(КМБ-2, КМБ-4),остеоиндуктивный фактор (кератокан,см. стр.

76), тромбоцитарный фактор роста, фактор роста фибробластов, инсулиноподобные факторы роста(ИПФР-I, ИПФР-II),гепарин-связывающий фактор роста, простагландины Е(ПГ-Е1, ПГ-Е2), остеопротегерин.

Фаза репарации осуществляется привлеченными (рекрутированными) остеобластами в следующей последовательности: сначала формируется остеоид, а затем происходит его минерализация. Полная репарация дефекта резорбированного участка кости может продолжаться до 3-х месяцев.

Важно, что новообразованная ткань не копирует прежнюю структуру, а в зависимости от характера механических нагрузок в новых условиях корректирует свое строение. В результате новые остеоны не повторяют хода прежних, и оказываются поэтому окруженными вставочными костными пластинками, т.е. остатками остеонов, которые существовали в данном участке до ремоделирования.

Формирование кости остеобластами протекает значительно медленнее резорбции. Это приводит к тому, что постоянно около 0,76% массы скелета приходится на долю не полностью репарированных дефектов. У взрослых лиц ежегодно в результате ремоделирования обновляется около 10% скелета.

При этом около 80% циклов ремоделирования приходится на губчатую кость, хотя она составляет лишь 25% массы скелета, а на кортикальную кость только 20%, хотя она и составляет 75% массы костной ткани организма.

Механизм минерализации кости, образование кристаллов гидроксиапатита связано с инициацией процесса в специально подготовленных местах – центрах нуклеации (кристаллизации). В формировании центров нуклеации участвуют белки, синтезируемые остеобластами. Начинается оно с внеклеточного созревания коллагена (см. стр. 54).

По мере созревания коллагеновых фибрилл происходит привлечение неколлагеновых белков костной ткани, которые встраиваются в просветы между соседними молекулами тропоколлагена. Ведущую роль в инициации образования кристаллов гидроксиапатита играет костный сиалопротеин II (BSP II). На долю этого небольшого белка приходится до 15% всех неколлагеновых белков кости.

Наличие остатков фосфатных и серных кислот, обилие радикалов глутамата и аспартата, сиаловых кислот придает молекуле сильно кислый характер. Молекула BSP II имеет существенный отрицательный заряд и может связывать до 80 ионов Ca2+. Оптимальную для связывания Ca2+ ориентацию BSP II обеспечивает третичная структура белка.

Как следствие костный сиалопротеин II даже в незначительных концентрациях обеспечивает инициацию начальной кристаллизации в условиях, когда кальций и фосфат не достигают своего насыщения. Таким образом, BSP II – белок нуклеатор, выполняет каталитическую функцию инициации кристаллизации матрикса костной ткани.

Взаимодействуя с другими белками матрикса, он обеспечивает связывание кристаллов гидроксиапатита с микрофибриллами коллагена.

Другой матриксный белок кости – остеопонтин, хотя и близок по структуре к BSP II, не обладает свойствами нуклеатора. Даже, напротив, остеопонтин препятствует образованию осадка солей кальция даже в условиях пересыщенности среды ионами Ca2+ и фосфата.

Однако этот белок также необходим для процесса минерализхации кости с самого начала, вероятно, он обеспечивает формирование правильной структуры и типа кристаллов, препятствуя образованию случайного их состава. Остеопонтин, как и BSP II, входит в состав центров кристаллизации и прочно связан с кристаллами минеральной фазы кости.

Оба эти фосфосиалопротеина (BSP I и BSP II) вырабатываются вместе с другими компонентами остеоида, оказываются диффузно распределенными в нем.

Последовательности укладки кристаллов способствуют белки, одновременно и контролирующие их рост. Костная изоформа щелочной фосфатазы,способствующая росту кристаллической решетки выявляется еще в преостеобластах и достигает своего максимального уровня в активных остеобластах.

При рН 7,4 и выше фермент с огромной скоростью (молекулярная активность 8-40 тысяч фосфоэфирных связей в минуту) расщепляет эфирную связь фосфорной кислоты с различными органическими молекулами – глицерина, моносахаридов, аминокислотных остатков в белках, нуклеозидов и др.

В результате освобождения из органических эфиров происходит локальное повышение концентрации фосфат-ионов, способствуя образованию крсталлов гидроксиапатитов в центрах нуклеации. К факторам контроля роста кристаллов относятся остальные неколлагеновые белки кости: остеокальцин, остеонектин, матриксный Gla-протеин, которые не обладают свойствами нуклкаторов.

Остеокальцин и остеонектин присутствуют в местах, где минерализация завершена, и отсутствуют в центрах нуклеации. Остеокальцин за счет g-карбоксильных групп Gla прочно связывается с Ca2+ и гидроксиапатитом, обеспечивая тем самым регуляцию роста кристаллов, замедляя данный процесс.

Остеонектин способен не только связываться с ионами Ca2+, но и взаимодействовать с другими лигандами. Этот белок обнаруживается во всех клетках периоста, но в матриксе появляется в поздней стадии минерализации, задерживает рост кристаллов, регулируя их размеры и предотвращая избыточную минерализацию костной ткани.

Gla-протеин (МGР) проявляет еще более выраженными свойствами отрицательного регулятора, ингибитора остеогенеза. Тормозят рост кристаллов также цитрат и сывороточный альбумин. Центры нуклеации пространственно разделены и независимы даже в пределах одной фибриллы.

Прирост кристаллов происходит путем приумножения кристаллов в длину, что обусловлено разнообразием неколлагеновых белков, контролирующих этот процесс, а также направленностью коллагеновых волокон. Поглощение ионов F- костью взрослого человека сопровождается некоторым увеличением кристалла апатита в ширину.

Формирование центров нуклеации занимает 8-10 дней. Остеобласт активно синтезирует и наращивает вокруг себя новый матрикс, который с периферии по мере «дозревания» начинает подвергаться минерализации. Фронт минерализации постепенно продвигается к остеобласту и его отросткам.

Вокруг активного остеобласта всегда остается слой неминерализованного матрикса. По мере снижения синтетической активности остеобласта и превращения его в остеоцит продвижение фронта минерализации замедляется и останавливается, так и не достигнув поверхности клетки.

Весь процесс минерализации вновь образованного остеоида у человека занимает не более 15 суток.

Ремоделирование кости имеет важное значение: 1) поддерживает, обновляет и корректирует структуры костной ткани в соответствии с изменяющимися условиями, прежде всего характера механических нагрузок; 2) поддерживает постоянную готовность к быстрому исправлению (репарации) травматических повреждений кости (переломы, микропереломы и др.); 3) является звеном в обеспечении кругооборота ряда катионов и анионов (кальций, фосфат, магний, фторид и др.) в организме, в поддержании их постоянства (оптимального уровня) в жидкостях организма. Так, в костях сосредоточено около 99% всего кальция, 80% фосфата, основная масса Mg2+, фторида, стронция и т.д. Минеральные вещества костной ткани ежесуточно поступают в общий кругооборот и заменяются вновь поступившими, благодаря чему минерализованная ткань выступает как главный резервуар, за счет которого можно регулировать упомянутые минеральные компоненты.

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Источник: https://mylektsii.ru/12-11328.html

Введение

Вторая зона окружает первую и как бы герметизирует область действия гидролитических ферментов. Она свободна от органелл и назы вается чистой зоной, поэтому костная резорбция происходит только под гофрированным краем в замкнутом пространстве.

На стадии образования остеокластов из предшественников процесс может блокироваться белком остеопротегерином, который, свободно перемещаясь, способен связывать RANKL и таким образом предотвращать взаимодействие RANKL с RANK-рецепторами. Остеопротегерингликопротеин с мол.

массой 60-120 кДа, относящийся к семейству рецепторов ФНО. Ингибируя связывание RANK с RANK-лигандом, остеопротегерин тем самым подавляет мобилизацию, пролиферацию и активацию остеокластов, поэтому увеличение синтеза RANKL приводит к резорбции костной ткани и, следовательно, к потере костной массы.

Характер ремоделирования костной ткани во многом определяется балансом между продукцией RANKL и остеопротегерина. Недифференцированные стромальные клетки костного мозга в большей степени синтезируют RANKL и в меньшей степени остеопротегерин.

Возникающий дисбаланс системы RANKL/остеопротегерин при увеличении RANKL приводит к резорбции кости. Данное явление наблюдается при постменопаузальном остеопорозе, болезни Педжета, костных потерях при метастазах рака и ревматоидном артрите.

Зрелые остеокласты начинают активно поглощать кость, а завершают разрушение органической матрицы межклеточного вещества кости макрофаги. Резорбция длится около двух недель. Затем остеокласты в соответствии с генетической программой умирают.

Апоптоз остеокластов может задерживаться при недостатке эстрогенов. На последнем этапе в зону разрушения прибывают плюрипотентные стволовые клетки, которые дифференцируются в остеобласты.

В дальнейшем остеобласты синтезируют и минерализуют матрикс в соответствии с новыми условиями статической и динамической нагрузки на кость.

Существует большое число факторов, стимулирующих развитие и функции остеобластов .

Вовлечение в процесс перестройки кости остеобластов стимулируется различными факторами роста – ТФР-(3, морфогенетическим белком кости, инсулиноподобным фактором роста, фактором роста фибробластов, тромбоцитов, колониестимулирующим и гормонами – паратирином, кальцитриолом, а также связывающим фактором ядра б-1 и тормозится белком лептином. Лептин – белок с мол. массой 16 кДа образуется преимущественно в адипоцитах; своё действие реализует через повышение синтеза цитокинов, факторов роста эпителия и кератиноцитов.

3. Костеобразование

Остеопоэз, остеогенез, костетворение, костеобразование, т. е.

процесс освоения минеральных солей соединительнотканной основой костной системы, — это главное, специфическое и притом наиболее сложное проявление жизнедеятельности костной ткани.

Несмотря на углубленное изучение процесса костной продукции, т. е. механизмов созидания и разрушения костной ткани, к сожалению, еще очень многое здесь остается невыясненным, непонятным.

Явления костетворения, как и кровотворения, представляют выдающийся общетеоретический биологический интерес и имеют трудно переоценимое практическое значение. Относящимися сюда вопросами усердно занимались представители самых различных биологических и медицинских специальностей.

Естественно, что больше всего в современной медицине накопилось фактов в области морфологии формирования костной ткани.

Но, во-первых, имеющиеся в нашем распоряжении данные анатомического и гистологического исследования весьма односторонни, они в значительной степени лишь чисто формально, внешне регистрируют и описывают факты без их функциональной расшифровки.

Во-вторых, мы в настоящее время не можем и не желаем в понимании костеобразования идти по старому пути и сводить все к этим, так сказать, классическим представлениям морфологического характера. Гораздо важнее и полезнее было бы \' знать не только что происходит в процессе формирования костной ткани, но как и почему это происходит.

Если раньше весь процесс костеобразования представлялся в свете одного только целлюлярного гистогенеза и все сводилось к одним только явлениям местной клеточной активности, то сейчас не подлежит никакому сомнению, что оставались недооцененными физико-химические гуморальные реакции и иннервационные влияния. Полное объяснение и расшифровка интересующих нас явлений включает обязательно физиологию нормальную и патологическую, и раскрытие всех деталей общего и местного обмена веществ, факты из области биохимии и т. д. Особенное же значение имеет нервная регуляция этих процессов. Без этих комплексных данных, освещающих общие и местные влияния на костную продукцию, современный клиницист-рентгенолог не может сознательно рассматривать костную рентгенограмму и использовать ее для развернутой клинической рентгенодиагностики костно-суставных заболеваний.

Этот сложнейший жизненный процесс находится в зависимости от ряда условий, а именно: ремоделирование метаболизм костный ткань

1) от деятельности самой высокодифференцированной костной ткани, от ее клеточного состава, от активности остеокластов и остеобластов,

2) от условий подвоза к кости минеральных солей, главным образом кальция и фосфора,

3) от влияния витамина D и других витаминов,

4) от внутрисекреторной работы околощитовидных узлов и других желез внутренней секреции, от гормональных факторов,

5) от действия особого фермента — фосфатазы,

6) от влияния ряда факторов, действующих на общий обмен веществ всего организма, — режима питания и функции некоторых пищеварительных и выделительных органов,

7) от местного кровоснабжения кости,

8) от механических влияний на кость, и, наконец,

9) процесс костеобразования зависит еще от нервных влияний, от регуляции со стороны центральной нервной системы.

При нормальных условиях все эти влияния в целостном организме в какой-то мере уравновешены, координированы, урегулированы. При патологических условиях же правильные взаимоотношения нарушены и изменены в самых различных направлениях.

Каждое из перечисленных звеньев в этой сложной длиной цепи способно вызвать те или иные количественные и качественные изменения, и тогда костная ткань становится ареной борьбы этих многочисленных и столь различных влияний, действующих подчас в противоположных направлениях.

Образование

Резорбция

сыворотка: остеокальцин, общая и специфическая костная щелочная фосфатаза, проколлагеновые С- и N-пептиды

моча: пиридинолин и дезоксипиридинолин, продукты деградации коллагена I типа – N- и С-телопептиды, кальций и гидроксипролин натощак и гликозиды гидроксилизина

Размещено на Allbest.ru

  • Отличительные особенности костной ткани, химический состав. Защитная, метаболическая и регуляторная функции. Физиологические изгибы позвоночника. Процесс минерализации и деминерализации кости и их регуляция. Возрастные особенности скелета человека.презентация [1,6 M], добавлен 27.01.2016

Источник: https://revolution.allbest.ru/medicine/00493592_0.html

МедЛечебник
Добавить комментарий