Остеокластический клеточный дифферон

Преостеокласты

Длительное время оставались не идентифицированными предшественники остеокластов. В настоящий момент не вызывает сомнений гемопоэтическое происхождение этих клеток. Считается, что моноциты, макрофаги и остеокласты имеют сходную природу и объединяются в единую фагоцитарную систему. Однако непосредственные предшественники указанных клеток различны. Так преостеокласты циркулируют в крови в виде мононуклеарных клеток, достигают участков резорбции, сливаются друг с другом и дают начало остеокластам.

Остеокласты

Остеокласты — это многоядерные гигантские (150 - 180 мкм) клетки резорбирующие костную ткань, расположенные поодиночке или небольшими группами на внутренних поверхностях трабекулярных и компактных костей. На рутинно окрашенных срезах цитоплазма их умеренно ацидофильна, ядра имеют круглую или овальную форму и обычно одно хорошо различимее ядрышко. Остеокласты легко выявляются в срезах, окрашенных тионином и толуидиновым синим, давая пурпурно-красную метахромазию цитоплазмы. Строго говоря, остеокласт это симпласт, то есть многоядерная структура, являющаяся результатом слияния клеток-предшественников. Совместно с остеобластами они участвуют в ремоделировании костных структур в эмбриональном, постнатальном и регенерационном остеогенезе.

Ультраструктурные исследования показали, что остеокласты содержат многочисленные митохондрии, концентрирующиеся в цитоплазме между ядром и клеточной стенкой, наиболее удаленной от кости. В области ядра располагается хорошо развитый пластинчатый комплекс, имеется также умеренное количество рассеянных элементов шероховатой эндоплазматической сети. Поверхность остеокласта, непосредственно примыкающая к костному матриксу, разделяется на светлую зону и оборчатый край (гофрированный край, щеточная каемка). Светлая зона не содержит органелл и характеризуется умеренно плотной гранулярной цитоплазмой. Оборчатый край имеет глубокие инвагинации клеточной мембраны с многочисленными микроворсинками. Цитоплазма в глубине оборчатого края содержит гладкие и окаймленные пузырьки, фагосомы и остаточные тельца. Считается, что оборчатая зона является областью активной резорбции и окружена светлой зоной. В межклеточном веществе, примыкающем к оборчатому краю, отсутствуют минеральные отложения и различаются явно разъединенные кристаллы. Через мембрану оборчатого края транспортируются ферменты, кислые субстанции, осуществляющие деминерализацию и дезорганизацию костного матрикса, что приводит к формированию резорбционной (эрозионной) лакуны Хаушипа.

Выступающие в лакуну толстые коллагеновые волокна, лишенные цементирующего вещества, создают вид "щеточной каемки" [Хэм А., Кормак Д., 1983]. Такие волокна визуализированы при помощи сканирующей электронной микроскопии. Лизосомальные ферменты осуществляют протеолиз коллагена и других белков матрикса. Продукты протеолиза удаляются из остеокластических лакун трансцеллюлярным транспортом. В целом процесс снижения рН в лакуне осуществляется двумя механизмами: путем экзоцитоза кислого содержимого вакуолей в лакуну и благодаря действию протонных насосов - Н+-АТФаз, локализованных в мембране гофрированной каемки. Интересно, что обнаружить их удалось с помощью маркеров к аналогичным белкам париетальных клеток фундальных желез слизистой оболочки желудка, продуцирующих соляную кислоту. Процесс образования катионов водорода включает цепь последовательных реакций. Источником для ионов водорода служит вода и диоксид углерода, являющиеся результатом митохондриальных реакций окисления. Фермент карбангидраза катализирует данную реакцию.

Маркерами остеокластов считаются карбангидраза и тартрат-резистентная кислая фосфатаза. Последний фермент дефосфорелирует остеопонтин и костный сиалопротеин, что имеет значение в прикреплении и миграции остеокластов. Важным фенотипическим проявлением остеокластов является экспрессия рецепторов к кальцитонину. Кальцитонин, будучи гипокальциемическим гормоном, снижает мобилизацию кальция из костей путем прямого воздействия на преостеокласты и остеокласты. Под его воздействием уменьшается их количество и функциональная активность. Паратиреоидный гормон (ПТГ) также реализует свое действие благодаря остеокластам. В экспериментах in vivo и in vitro показано стимулирующее его влияние на образование остеокластов из гемопоэтических клеток костного мозга, также он повышает активность остеокластов, выражающуюся в появлении гофрированной каемки. В результате резко увеличивается выход кальция из костей в кровь. Очевидно, что ПТГ оказывает непрямое воздействие на остеокласты, поскольку они не имеют рецепторов к этому гормону. Такие рецепторы идентифицированы на остеобластах, их и считают посредниками в этой метаболической цепи.

Характеризуя в целом основные клеточные линии костной ткани, следует отметить, что каждой из них на определенной стадии дифференцировки присущи собственные функции. Взаимодействие между ними, точная регуляция их функционирования осуществляется как на локальном уровне, посредством межклеточных контактов и аутокринных влияний, так и на системном уровне посредством гормонов и веществ с гормоноподобным действием.

РЕЗОРБЦИЯ КОСТИ

Резорбция — это понятие, указывающее на удаление как минерального так и органического матрикса из кости. Этот процесс необходим для перестройки кости и, вероятно, для длительного поддержания уровня кальция в сыворотке. Удаление органических и минеральных веществ, очевидно, взаимосвязано, так на резорбцируемых поверхностях никогда не бывает больших количеств декальцинированного матрикса, а неминерализованный матрикс не резорбируется. Хотя незначительная костная резорбция может иметь связь с остеоцитами, все же основной клеткой, участвующей в этом процессе, является остеокласт. Резорбция кальцинированного и некальцинированного хряща также имеет место и осуществляется клетками, морфологически подобными остеокластам, обычно называемыми хондрокластами. Поддержание уровня кальция в организме не является простым физико-химическим процессом, для этого необходима клеточная активность.

Регуляция костной резорбции в физиологических условиях должна обеспечивать две функции, а именно сохранение скелета как структурной поддерживающей системы, которая постоянно перестраивается, и выполнение метаболической роли в минеральном гомеостазе. Ясно, что поддержание кальциевого гомеостаза отчасти зависит от костной резорбции и клеточной активности. Однако, когда оборот кальция в костной ткани низок, уровень кальция не уменьшается в крови и внеклеточной жидкости, он быстро возвращается к норме в результате деятельности почечных канальцев и слизистой оболочки кишечника. Ремоделирование с изменениями во всех структурах кости, наблюдаемое в период роста и развития, заключается в значительной степени в удалении костной ткани из одного места и отложении ее в другом (например, внутренний и наружный слой поверхностной пластинки длинных костей, резорбция кальцинированного хряща и отложение кости при внутрихрящевом окостенении). Образование и резорбция костной ткани должны контролироваться в период роста скелета для того, чтобы устранить несоответствие между обоими процессами. Ясно, что при таком несоответствии наступает патологическое состояние, как, например, развитие остеосклероза при остеопетрозе, когда имеет место дефект функции остеокластов.

Натяжение и сдавливание кости влияют на ее формирование и резорбцию, и хотя этот механизм не вполне, понятен как один из путей модификации активности клеток кости, под влиянием указанных факторов был предложен пьезоэлектрический эффект.

Основной физиологический контроль резорбции кости осуществляется за счет действия гормона паращитовидной железы. Поддержание нормальных концентраций ионов кальция в сыворотке и нормальной скорости его кругооборота в кости зависит от продолжительности секреции этого гормона. Действие витамина D и паращитовидного гормона тесно связано в процессе регуляции резорбции кости, тогда как кальцитонин является специфическим гормональным ингибитором. Гормоны щитовидной железы, глюкокортикоиды и половые гормоны также существенно влияют на метаболизм кости. Другие факторы были в последнее время обобщены и включают фактор активирующий остеокласты, простагландины, интерлейкин 1 и ретиноиды.

Возможно, что формирование кислой среды локально влияет на костную резорбцию посредством образования водородных ионов из карбоната или лактата и что цитрат играет роль кальций-связывающего агента. Вероятно, что неминерализованный костный матрикс разрушается внеклеточными протеиназами, такими как коллагеназа и металлопротеиназы, и лизосомальными кислыми гидролазами. Были использованы различные методики для непрямого изучения функции остеокластов, такие как высвобождение кальция из черепа зародыша мыши или новорожденного мышонка.

Понимание точных механизмов костной резорбции, участвующих в поддержании кальциевого гомеостаза, делается все более трудным при ограниченности методов их исследования. Эти методы включают использование меченых атомов, которые накапливаются в кости, измерение содержания гидроксипролина в крови и моче и количественные морфологические исследования. Морфологические методы основаны на радиографии и гистологическом исследовании. Заметное увеличение скорости резорбции может вызывать рентгенографические изменения, такие как субпериостальная резорбция мелких костей кисти, различимая на обычных рентгеновских снимках. Оценка количественных изменений в ткани включает применение микрорадиография или недекальцинированных срезов, или подсчета остеокластов на гистологических срезах, или измерения костных поверхностей с использованием меченого тетрациклина или бее него. Меченым тетрациклином можно идентифицировать растущие и резорбцирующиеся поверхности.