Образование и ремоделирование костных тканей.

Лекция
Специальность «Стоматология»
3 семестр, 4 неделя
Образование и ремоделирование
костных тканей
Профессор Е.В.Лукашева
Российский университет дружбы народов
медицинский факультет
кафедра биохимии
План лекции





Образование и ремоделирование костных тканей.
Возможные пути минерализации.
Образование первичных микрокристаллов
гидроксиапатита, участие мембранных везикул в
этом процессе. Источники ионов фосфата и кальция
для процесса минерализации.
Роль морфогенетического белка кости и дентина,
фактора роста скелета, костноэкстрагируемого
фактора роста. Минерализация и ремоделирование
костной ткани.
Особенности развития эмали. костной ткани.
Роль белков RANKL и остеопротегерина в регуляции
резорбции и костеобразования.
Строение кости
Структурными единицами кости являются
остеоны, представляющие Гаверсовы
каналы, окруженные концентрическими
слоями (пластинками) плотного костного
вещества.
Параллельно поверхности этих пластинок в них
расположены слои маленьких
звездообразных пустот, продолжающихся в
многочисленные тонкие канальцы — это так
называемые «костные тельца», в которых
находятся костные клетки, дающие отростки
в канальцы.
Канальцы костных телец соединяются между
собой и с полостью Гаверсовых каналов,
внутренними полостями и надкостницей, и
таким образом вся костная ткань
оказывается пронизанной непрерывной
системой наполненных клетками и их
отростками полостей и канальцев, по
которым и проникают необходимые для
жизни кости питательные вещества.
По Гаверсовым каналам проходят тонкие
кровеносные сосуды (обычно артерия и
вена); стенка Гаверсова канала и наружная
поверхность кровеносных сосудов одеты
тонким слоем эндотелия, а промежутки
между ними служат лимфатическими путями
кости. Губчатое костное вещество не имеет
Гаверсовых каналов.
Клетки костной ткани
Клетки костной ткани можно
разделить по их отношению
к самой ткани.
Если к первой группе отнести
остеокласты, которые
способствуют растворению
костной ткани,
то во вторую группу войдет
семейство остеобластов,
состоящее из остеобластов,
формирующих костную ткань
и остеоцитов,
поддерживающих
жизнедеятельность кости, а
также выстилающих клеток,
покрывающих поверхность
кости.
Остеобласты



Остеобласты — молодые остеобразующие клетки
костей (диаметр 15-20 мкм), которые синтезируют
межклеточное вещество — матрикс. Стимулируют
формирование и дифференцировку остеокластов.
По мере накопления межклеточного вещества
остеобласты замуровываются в нём и становятся
остеоцитами.
Поверхность кости покрыта неминерализованным
тонким слоем матрикса (остеоидом), вдоль которого
расположены неактивные остеобласты –
выстилающие клетки.
Остеоциты




клетки костной ткани позвоночных животных и человека,
значительно или полностью утратившие способность
синтезировать органический компонент матрикса
Занимают небольшие полости (лакуны), которые распределены
по всему внеклеточному матриксу.
От каждой лакуны отходит множество канальцев, по которым
проходят кровеносные сосуды и отростки остеоцитов, с
помощью которых клетки обмениваются сигналами и
метаболитами.
Реагируют на напряжения матрикса под механическим
воздействием секрецией медиаторов, инициирующих
ремоделирование и адаптацию кости к нагрузке.
Остеокласты
Крупные клетки.
 Могут содержать от 2
до15 ядер.
 Клетки гематогенного
происхождения,
образующиеся из моноцитов.



Организация остеокласта адаптирована к разрушению
кости. Поверхность остеоцита, приближенная к
поверхности кости называется щеточной каемкой. Эта
поверхность выделяет кислоты и ферменты,
растворяющие кость.
После того, как остеокласты закончили резорбцию
кости, они подвергаются процессу, который называется
апоптоз (еще его называют запрограммированная
смерть или клеточное самоубийство) и регулируется
белками, секретируемыми другими клетками.
Этапы формирования костной ткани
1. Действие факторов роста и прикрепления клеток:
- митогенов, усиливающих митозы клеток,
- морфогенов, ускоряющих созревание клеток,
- хемотаксиса (движения клеток)
- адгезии
2.Созревание клеток
3. Синтез клетками структурных молекул межклеточного
матрикса
4. Минерализация органического матрикса
а) создание центров нуклеации
б) центров кристаллизации
б) организованный, направленный рост кристаллов
ГАП на возникших центрах кристаллизации, который
называют эпитаксия.
Возникновение первичных центров
кристаллизации требует наличия в ткани:
1.
2.
3.
4.
5.
Повышенной концентрации АТФ, что возможно при усиленном
снабжении тканей кислородом, которое влечет за собой ускорение
гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и сопряженной с ним цепи
переноса электронов.
Снабжения тканей энергией (глюкоза, кетоновые тела…)
Притока кальция. Транспортная форма кальция:
Са2+х 1 молекулу цитрата. (При связывании с цитратом больших
количеств Са2+,образуются нерастворимые соли). В
минерализованных тканях цитрат составляет 1% от их общей массы.
Высокой активности щелочной фосфатазы, АТФ-аз,
АМФ-аз.
 Высокой активности пирофосфатазы, которая расщепляет
пирофосфат – ингибитор АТФ-азы (пирофосфат тормозит
минерализацию)
Возникновение первичных центров
кристаллизации
Внутриклеточное - внутри одонтобластов в мембранных матричных
везикулах (МВ - matrix vesicles).
Размер МВ от 100 нм и выше.
Внутри МВ сильно повышены концентрации ионов Са, Фн, за счет:
а) активного переноса специальными белковыми каналами;
б) фосфатидилсерина и протеогликанов, связывающих Са;
в) реакций, протекающих с накоплением Фн;
г) фосфорилирования ОН-группы серина в реакции с АТФ,
катализируемой киназами.




Внутри МВ начинается рост кристаллов ГАП.
МВ отпочковываются от клеток и разрушаются после достижения
определенных размеров кристаллов ГАП.
Из МВ во внеклеточное пространство попадают ГАП,
кальций, пирофосфат, протеогликаны, что способствует началу
минерализации.
Внутри МВ основным донором неорганического фосфата
является АТФ, подвергающийся действию АТФ-азы:
АТФ-аза
АТФ +Н20
АДФ + Рi
Кроме того, Рi может накапливаться в МВ при гидролизе
5’-АМФ под дествием 5’-АМФ-азы:
5'-АМФ-аза
АМФ +Н20
аденозин + Рi
и при гидролизе фосфорных эфиров органических веществ
под действием щелочной фосфатазы (ЩФ):
R - O - PO3H2 + H2O
щелочная
фосфатаза
R - OH + H3PO4
Субстраты ЩФ – глицерофосфат, АМФ, креатинфосфат, глюкозо-6-фосфат
Возникновение первичных центров кристаллизации
Внеклеточное
Частичный гидролиз протеогликанов открывает места связывания с
Са и Фн.

Начало роста микрокристаллов может происходить за счет:
1. ионных связей с аминокислотными остатками в белках:
а) Са2+ -с отрицательно заряженными амк.
б) Фн - с положительно заряженными амк.
2. ковалентного связывания Фн с гидроксо-аминокислотами в результате
реакции с АТФ.
3. ковалентного связывания Фн с остатками аргинина фосфамидной
связью.



Наиболее активно Са2+ связывают остеонектин и матричный Glaбелок, которые регулируют скорость подачи Са2+ для формирования
ГАП.
Коллаген связывается с ГАП через Gla-белок.
Молекулы, участвующие в минерализации
костных тканей







НКБ – неколлагеновые белки
ГФЛ - глицерофосфолипиды
МБК – морфогенетический белок костной ткани
вызывает дифференцировку перицитов
ФРС – фактор роста скелета усиливает митозы и
дифференцировку
КЭФР – костноэкстрагируемый фактор роста
Во ВКМ гиалуроновая кислота может выполнять
функцию фактора роста
Фрагменты коллагена, образовавшиеся под
действием коллагеназы ускоряют синтез новых
молекул коллагена
Реминерализация
МБК
ФРС
КЭФР
Фрагменты коллагена
Перициты
Скелетогенные клетки
Остеогенные клетки
Коллаген, ГФЛ, НКБ
матриксные везикулы
Остеобласты
Образование центров
кристаллизации
Остеоциты
Остеокласты
замуровывание
ЭПИТАКСИЯрост ГАП
Остеокальцин, остеопонтин,
костный сиалопротеин
Кислая среда,
кислая фосфатаза,
протеиназы, гликозидазы,
коллагеназа
Деминерализация,
резорбция
Перициты
Скелетогенные клетки
Остеогенные клетки
Остеобласты
Коллаген, ГФЛ, НКБ
матриксные везикулы
Образование центров
кристаллизации
Остеоциты
замуровывание
ЭПИТАКСИЯ рост ГАП
Остеокальцин, остеопонтин,
костный сиалопротеин
Перициты
Скелетогенные клетки
Остеогенные клетки
Остеобласты
Коллаген, ГФЛ, НКБ
матриксные везикулы
Образование центров
кристаллизации
Остеоциты
Остеокласты
замуровывание
ЭПИТАКСИЯ рост ГАП
Остеокальцин, остеопонтин,
костный сиалопротеин
Кислая среда, кислая фосфатаза,
протеиназы, гликозидазы, коллагеназа
Деминерализация, резорбция
МБК
Перициты
ФРС
Скелетогенные клетки
КЭФР
Фрагменты коллагена
Остеогенные клетки
Остеобласты
Коллаген, ГФЛ, НКБ
матриксные везикулы
Образование центров
кристаллизации
Остеоциты
Остеокласты
замуровывание
ЭПИТАКСИЯ рост ГАП
Остеокальцин, остеопонтин,
костный сиалопротеин
Кислая среда, кислая фосфатаза,
протеиназы, гликозидазы, коллагеназа
Деминерализация, резорбция
Образование эмали
энамелобласты
Синтез белков ВКМ (амелогенины, энамелины)
Частичный протеолиз белков и протеогликанов ВКМ
и открытие центров нуклеации
Образование центров кристаллизации
Эпитаксия
Замуровывание и гибель клеток
Минерализованная ткань
Ремоделирование костной ткани:
в течение всей жизни человека происходят
взаимосвязанные процессы разрушения и
созидания.
Скорость обновления всего скелета 10% в год
1.
Резорбция (15-30 дней) – связывание остеокластов с
поверхностью кости, выделение ими кислой
фосфатазы, протеиназ, гликозидаз, коллагеназы,
органических кислот, что вызывает одновременное
растворение минеральных компонентов и
органического матрикса.
2. Реверсия (7-14 дней) переключение от разрушения к
починке.
3. Формирование ВКМ (внеклеточного матрикса) 80-90 дней.
а) Прикрепление остеобластов к резорбированной поверхности
(факторы хемотаксиса, морфогенетические факторы)
б) Синтез органических молекул ВКМ.
и минерализация
а) Первичная 7-15 дней. Содержание минеральных веществ достигает
75% от их максимального содержания.
б) Вторичная 3-12 месяцев – достижение максимального содержания
минеральных веществ.
4. Фаза покоя – около 900 дней.
Баланс между резорбцией кости и
формированием новой нормальной здоровой
кости достигается путем регуляции.
Одним из путей регуляции ремоделирования костной ткани является
воздействие на дифференцировку предшественников остеокластов
Открытие сигнальной системы, являющейся основным регулятором процессов
дифференцировки, функционирования и апоптоза остеокластов, совершило
прорыв в понимании патофизиологии остеопороза.
Роль белков RANKL и остеопротегерина в
регуляции резорбции и костеобразования
•RANK – рецептор на поверхности предшественников остеокластов
•RANKL– лиганд рецептора RANK -белок, который вырабатывается
остеобластами, связывается с рецепторами RANK и способствует
дифференцировке предшественников остеокластов
•OPG – остеопротегерин – белок, связывающий RANKL и тормозящий
дифференцировку остеокластов (osteoprotegerin OPG ). OPG синтезируется
остеобластами - гликопротеин, состоящий из 401 аминокислотного остатка с
молекулярной массой 60 кДа (мономер) или 120 кДа (димер, связанный
дисульфидными связями), относящийся к семейству рецепторов фактора некроза
опухолей. Выработка OPG стимулируется эстрогенами.
Denosumab лекарственное средство, которое действует аналогично OPG,
связывая RANKL.
Особенности минерализации
тканей зуба
Отсутствие ремоделирования –
принципиальное отличие всех
минерализованных тканей зуба от
костной ткани
Дополнительная информация
Этидроновая кислота – структурный аналог
пирофосфата
Фармакологическое действие - гипокальциемическое, регулирующее
кальций-фосфорный обмен, стимулирующее остеогенез,
нефролитолитическое.Является активным комплексоном. Угнетает
нормальную и патологическую резорбцию кости, уменьшает
новообразование костной ткани, снижает количество и активность
остеокластов. Предотвращает кристаллообразование и рост
кристаллов в мочевыводящих путях. После приема внутрь хорошо
всасывается. T1/2 — около 24 ч. Не биотрансформируется.
Экскретируется почками.
CFU-M = макрофаги
(colony-forming unit-macrophage)
Проблемы терапии остеопороза побочные эффекты
длительность терапии


Деносумаб — полное человеческое антитело,
высокоспецифичное к RANKL, которое имитирует действие
остеопротегерина на RANKL
Клинические исследования с участием более
10 тыс. пациенток убедительно доказали эффективность
деносумаба в предотвращении остеопоротических
переломов основных локализаций по сравнению с плацебо,
более мощный антирезорбтивный эффект по сравнению
с алендронатом, благоприятный профиль безопасности
и высокий уровень приверженности пациенток к лечению.
Деносумаб продемонстрировал полную обратимость
антирезорбтивных эффектов без накопления в костном
матриксе, долгосрочную безопасность (>5 лет)
и управляемость нежелательными эффектами.









Гормональные факторы патогенеза остеопороза
Витамин D и его активные метаболиты являются компонентами гормональной системы, регулирующей фосфорнокальциевый обмен, и участвуют, с одной стороны, в минерализации костной ткани, с другой - в поддержании
гомеостаза кальция. Биологическое действие активных метаболитов витамина D заключается, главным образом, в
стимуляции кишечной абсорбции кальция и фосфора, активации обмена и усилении экскреции кальция с мочой.
Глюкокортикоиды. На остеобластах находятся цитоплазматические глюкокортикоидные рецепторы опосредующие
прямое действие ГК на кость.
Тироксин. Оказывает прямое воздействие на образование хряща во взаимодействии с ИРФ-1.
Эстрогены. Играют важную роль в формировании скелета и в предотвращении потерь костной массы. Они
предотвращают резорбцию костной ткани путём подавления активности остеокластов.
Андрогены. Играют важную роль в костном метаболизме как у женщин, так и мужчин. Механизм действия
андрогенов на костную ткань не вполне ясен. Однако известно, что их влияние на другие ткани-мишени
опосредовано ростовыми факторами.
Соматотропный гормон. Действие СТГ связано с продукцией в костной ткани таких местных факторов как ИРФ-1,
трансформирующий ростовой фактор в костный морфогенетический белок и другие. СТГ оказывает стимулирующий
эффект на пролифирацию хондроцитов внутри ростовой пластинки.
Инсулин. Cтимулирует синтез костного матрикса и образование хряща
Большое значение для ремоделирования костной ткани имеют простагландины и цитокины. Среди простогландинов
важнейший простогландин Е2.
Первоначальный, но временный эффект ПГЕ2 ингибирование активности остеокластов. Среди системных гормонов
стимулирующее действие на ПГЕ2 оказывает ПТГ, а ГК являются ингибиторами скелетного ПГЕ2.