Neuropeptydy kości:
VIP - wazoaktywny peptyd jelitowy - okostna, chrząstka nasadowa, osteoblasty (hamujący wpływ na osteoklasty)
SP - substancja P - okostna, kość gąbczasta, chrząstka nasadowa, błona maziowa, szpik kostny
CGRP - peptyd zależny od genu kalcytoniny - okostna, kanały Haversa i Volkmana, szpik kostny
NPY - neuropeptyd jelitowy - wokół naczyń, chrząstka nasadowa, szpik kostny, komórki powierzchni kości (hamujący wpływ na osteoklasty, kontrola systemu naczyniowego, aktywacja komórek kostnych)
TH - wokół naczyń, chrząstka nasadowa, okostna, szpik kostny
Komórki tkanki kostnej:
Pluripotencjalne komórki osteogenne - dzielą się i różnicują w dojrzałe komórki kostne. Obecne w dojrzałej i rozwijającej się tkance kostnej. W dojrzałej tkance kostnej komórki osteogenne są obecne w wewnętrznej, rozrodczej warstwie okostnej, a także wchodzą w skład śródkostnej, która wyściela jamy szpikowe, kanały odżywcze, kanały osteonów oraz pokrywa beleczki tkanki kostnej gąbczastej. Również w zrębie szpiku kostnego.
W dojrzałej tkance kostnej znajdują się formy spoczynkowe tych komórek - prekursor osteoblastu (preosteoblast) o małej ilości siateczki śródplazmatycznej i słabo rozwiniętym aparacie Golgiego oraz prekursor osteoklastu (preosteoklast) - więcej mitochondriów i zawiera wolne rybosomy.
Osteoblasty - różnicują się z komórek osteogennych pochodzenia mezenchymalnego.
Syntetyzują kolagen, białka niekolagenowe i inne składniki macierzy kostnej. Zaangażowane w procesy mineralizacji, biorą udział w zwapnieniu kości. Regulują dopływ wapnia i fosforu do kości i z kości.
Osteoblasty zajmują miejsce na powierzchni powstającej kości.
Są to komórki kształtu sześciennego z wypustkami cytoplazmatycznymi - łączą się z osteocytami lub ze sobą w obszarze wykształconej tkanki kostnej.
Zawierają w swojej błonie komórkowej fosfatazę zasadową (marker komórek). Syntetyzują kolagen typu I, niekolagenowe białka macierzy (osteokalcyna, osteonektyna), specyficzne dla t. kostnej proteoglikany, swoiste czynniki wzrostowe, prostaglandyny E1 i E2, kolagenazę oraz plazminogen tkankowy.
Mają receptory dla PTH i 1,25(OH)2D3 i innych hormonów.
Po zakończeniu cyklu produkcyjnym macierzy i włókien kolagenowych, stają się osteocytami.
Osteocyty - główne kom. całkowicie ukształtowanej kości.
Znajdują się w jamkach kostnych i dzięki licznym wypustkom cytoplazmatycznym w kanalikach kostnych tworzą liczną sieć. Wypustki stykają się też z wypustkami osteoblastów i naczyniami włosowatymi - umożliwia to pamięć przestrzenną kości i przepływ związków małocząsteczkowych i jonów z naczyń krwionośnych do płynu tkankowego.
2 typy osteocytów:
- osteocyty o kształcie wydłużonym - w kości blaszkowatej
- osteocyty owalne - w kości gąbczastej.
Nowopowstałe osteocyty przypominają osteoblast.
Dużo ziarnistej siateczki śródpl, dobrze rozwinięty aparat Golgiego.
W miarę rozwoju i wzrostu ulegają wyraźnym zmianom czynnościowym i strukturalnym.
4 fazy aktywności osteocytów:
1. formacyjna - w tej fazie osteocyty są podobne do osteoblastów. Dobrze rozwinięta ziarnista siateczka, dobrze wykształcony aparat Golgiego. Zdolnośc do produkcji macierzy i włókien kolagenowych tkanki kostnej.
2. resorpcji - osteocyty tej fazy wykazują zmniejszenie obszaru ziarnistej siateczki śródpl i wzrost frakcji lizosomalnej.
3. spoczynkowa
4. zwyrodnieniowa
Osteocyty odpowiadają za integralność substancji międzykomórkowej kości, chronią ją przed resorpcją przez osteoklasty
Osteoklasty - największe kom. tkanki kostnej (35-120 mikrometrów), leżą na powierzchni resorbowanej kości. Są to kom. wielojądrzaste o zasadochłonnej lub kwasochłonnej cytoplazmie, w zależności od stanu czynnościowego. Przylegają do kości pofałdowaną powierzchnią tj rąbkiem koronkowym. Błona kom pomarszczonego brzegu pokryta jest szczeciniastopodobnymi strukturami, które mają ułatwić transport przez błonę.
Jeśli brak brzegu koronkowego = brak zdolności do resorpcji tkanki kostnej.
Dostrzega się liczne ziarna i wakuole, zawierające kwaśną fosfatazę winianowooporną.
Osteoklasty mają specyficzną grupę dehydrogenaz, anhydrazę węglanową i receptory dla kalcytoniny.
BRAK receptorów dla PTH, dlatego w odpowiedzi na PTH pośredniczą osteoblasty, które wywierają wpływ na umiejscowienie, indukcję, stymulację i hamowanie resorpcji kostnej przez osteoklasty.
Po zaprzestaniu resorpcji osteoklasty migrują z powierzchni kości do powierzchni przyległych do szpiku, a tam ulegają degradacji.
W zwiększonej liczbie są tam, gdzie następuje modelowanie i przebudowa wewnętrzna tkanki kostnej.
Komórki powierzchniowe kości - pokrywają większość powierzchni kości w dojrzałym organizmie, przylegając bezpośrednio do nieczynnej powierzchni kości.
Służą prawdopodobnie jako jonowa bariera oddzielająca płyn śródtkankowy od substancji przenikających przez osteocyty oraz system kanalikowy i zatokowy. Bariera spełnia prawdopodobnie rolę mineralnej homeostazy, regulując dopływ i odpływ jonów Ca i P. Kontroluje też wzrost kryształów w tkance kostnej poprzez utrzymanie właściwego mikrośrodowiska.
Osteocyty powierzchni kości i osteocyty wewnątrz kości tworzą trójwymiarową sieć połączeń komunikacyjnych, która jest traktowana jako system zdolny do odbierania wrażeń kształtu kości. W ten sposób wszelkie naciski i naprężenia zmieniające kształt kości odbierane przez komórki przenoszone są jako sygnały ze środka na powierzchnię, gdzie możliwe są resorpcja i odnowa kości.
Osteocyty powierzchni kości pochodzą (prawdopodobnie) z osteoblastów lub ich prekursorów, które mogą hamować ich aktywność lub różnicowac i spłaszczać je na powierzchni kości. Komórki te mogą powracać do komórek zrębu lub wspólnego środowiska preosteoblastów.
Substancja międzykomórkowa tkanki kostnej
Komórki tk. Kostnej są oddzielone od siebie dużą ilością zmineralizowanej substancji międzykomórkowej złożonej z macierzy, włókien kolagenowych, związków mineralnych i wody.
Zasadniczy element subst. Międzykom jest białko fibrylarne - kolagen (90-92%) zorganizowane we włókna kolagenowe. W tkance kostnej występuje kolagen typu I, grupujący się w tropokolagen, złożony z 2 łańcuchów alfa2 i jednego łańcucha alfa2. Włókna kolagenowe wykazują charakterystyczne poprzeczne prążkowanie - bo specyficzne ułożenie tropokolagenu we włóknach.
Pozostałe 8-10% stanowią białka niekolagenowe - osteokalcyna, osteonektyna, sjaloproteiny, białka o właściwościach osteoindukcyjnych, proteoglikany, glikoproteiny, peptydy, proteolipidy.
W macierzy znajdują się też lipidy (2-4% macierzy), substancje mineralne to 75% tkanki kostnej, z czego połowa to hydroksyapatyt, który w dojrzałej kości obecny jest w formie kryształków o kształcie igiełek, płytek, listków. Kryształy hydroksyapatytu są regularnie rozmieszczone pomiędzy cząsteczkami tropokolagenu. Wykazują one zróżnicowanie strukturalne przejawiające się obecnością strefy centralnej, strefy powierzchniowej i uwodnionej powłoki. Uwodniona powłoka uczestniczy w wymianie jonów między hydroksyapatytem a macierzą t. kostnej.
Interakcja hydroksyapatytu z włókien kolagenowych z niekolagenowymi białkami macierzy powoduje twardość i sztywnośc kości. Oprócz hydroksyapatytu - węglany, cytrynian sodu i magnezu, fluor, śladowe ilości, żelaza, cynku, miedzi, ołowiu, magnezu, cyny, glinu, strontu, boru i krzemu.
Białka macierzy kostnej
Białka macierzy stanowią 5% s.m. macierzy. Regulują organizację, przemianę i mineralizację macierzy kostnej. Większośc białek pełni więcej niż jedną rolę.
Osteopontyna - największa fosforylowana glikoproteina w kości. Jest prawie w każdej tkance organizmu łącznie ze skórą, mózgiem, płynami ustrojowymi, chrząstką, różnymi guzami. Jej działanie zewnętrzne wzrasta przy zwiększaniu stężenia w tkankach miękkich.
Sjaloproteina kostna (BSP) - stanowi 15% niekolagenowych białek ludzkich. BSP i osteopontyna są skupione w tych samych miejscach mineralizowanej macierzy kostnej - obszarach czynnej przebudowy i w powstających miejscach mineralizacji.
BSP ma tendencję do gromadzenia się w miejscach, gdzie występuje nowa mineralizacja, a osteoponttyna w mineralizowanej już tkance kostnej. BSP jest najbardziej widoczna, kiedy osteoblasty rozpoczynaja tworzenie macierzy kostnej, co by sugerowało jej wpływ na tworzenie kolagenu typu I. BSP jest związana z kolagenem. W dużym stężeniu może regulować wzrost kryształów mineralnych kości.
Proteina-1 macierzy zębowej (DMP-1) - duże pokrewieństwo z osteopontyną, BSP i BAG-75, ale nie wchodzi w r-cję krzyżową z przeciwciałami skierowanymi przeciw tym białko, dlatego uważana jest za marker różnicujący dla osteoblastów. Występuje dookoła niezmineralizowanych obszarów odontoblastów i osteoblastów.
W nadmiernym stężeniu prowadzi do różnicowania mezenchymalnych komórek do osteoblastów i powiekszania mineralizacji.
Sjaloproteina zębowa (DSP) - również w kości. Związana z apatytem.
Pozakomórkowa fosfoproteina macierzy kostnej (MEPE) - w chromosomie 4q. Niski poziom w szpiku kostnym, wysoki w przypadku guzów. Gen i białko nazwano osteoreguliną.
Kwaśna kostna glikoproteina 75 (BAG-75) - strukturalnie homologiczna do DMP-1. Zdolność do hamowania osteoklastów. Duże powinowactwo do wapnia, kolagenu i minerałow kostnych. Występuje w nowo tworzących się jądrach mineralizacji, prawidłowych i patologicznych zwapnieniach.
Ważne zarówno dla zapoczątkowania mineralizacji na matrycy kolagenowej i ochrony nowo tworzonych minerałów przed ich zbyt szybkim usuwaniem.
Osteonektyna - znaleziona w kom śródbłonka, trombocytach, łożysku i innych mineralizowanych tkankach. Stanowi 23% niekolagenowych białek w kości. Zwiększa gromadzenie minerałów i jest inhibitorem wzrostu kryształów mineralnych. Modulowana przez metaloproteazy.
Witronektyna i tetranektyna - glikoproteiny widoczne w czasie mineralizacji. Witamina A zapobiega wzrostowi tetranektyny i hamuje mineralizację.
Gla-proteiny
Białka te znajdują się w kości, chrząstce i skrzepach krwi. Powstają w obecności witaminy K (witamino-K-zależne). W kości znajdują się 2 białka zalezne od witaminy K: osteokalcyna i glikoproteina macierzy kostnej. Osteokalcyna to najbardziej obfite białko w kości.
Glikoproteina macierzy kostnej (MGP) - hydrofobowa, znajduje się głownie w tkankach miękkich (chrząstka, mięśnie gładkie, naczynia krwionośne) oraz macierzy przyległej do miejsc w wapniejących naczyniach. Inhibitor mineralizacji tanek miękkich.
Brak MGP - nadmierna mineralizacja niedojrzałej chrząstki, chrząstki wzrostowej i kości, naczyń oraz tchawicy. Mutacja w genie MGP = choroba Kutela = masywne wapnienie chrząstki.
Osteokalcyna - 15% wszystkich niekolagenowych białek kości. Rozpuszczalna w wodzie. Około 25% znajduje się w osoczu (marker kościotworzenia). Wykazuje tworzenie i wzrost kryształów mineralnych.
Osteokalcyna poprzez przyłączenie do powierzchni kryształów mineralnych działa jako czynnik chemotaktyczny dla osteoklastów.
Proteoglikany:
- o dużej masie cząsteczkowej = większość niekolagenowych białek chrząstki stawowej, agrekan, chondroityna, siarczan keratanu, łańcuchy glikozaminoglikanów - znajdują się w kości. Najczęściej w kości znajduje się wersikan, który ma ważne znaczenie w organizacji macierzy kostnej.
W chrząstce proteoglikany hamują gromadzenie minerałów i mają zdolność oddzielania wapnia.
- o małej masie cząsteczkowej, bogate w leucynę SLRP - wiążą kolagen, czynniki wzrostowe i inne cząsteczki macierzy kostnej. W kości znajdują się dekory, boglikan, lumikan, fibromodulina, osteoadheryna. Wszystkie mogą zmieniać włókna kolagenowe, co wskazuje na ich rolę w decydowaniu o kształcie i mechanicznych właściwościach macierzy.
Brak biglikanu - osteopenia i wadliwy wzrost kości
Brak dekorynu i biglikanu - całkowity brak integralności włókien kolagenowych
Brak lumikanu i dekorynu - strukturalne i mechaniczne zaburzenia włókien kolagenowych w ścięgnach oraz kostnienia ektopiczne
Fibromodlina odgrywa bardzo ważną rolę w fibrogenezie włókien kolagenowych, a dekoryna w strukturze włókien. Osteoadheryna jest najbardziej widoczna w miejscach, gdzie znajduje się sjaloroteina kostna.
Choroby spowodowane zaburzeniami w SLRP - choroby związane z nieprawidłowym tworzeniem kolagenu:
zespół Ehlersa-Danlosa
zesół Klinefeltera
zespół Turnera
SLRP odgrywają bardzo ważną rolę w fibrynogenezie kolagenu i jego mineralizacji.
- zawierające siarczan heparanu: perlekan, betaglikan i heparyna
Betaglikan jest pomocny receptorem dla I i II receptora TGF-beta
Perlekan znajduje się głównie w chrząstce a jego brak objawia się zaburzeniami wzrostu kości z powodu rozrywania i niszczenia chrząstki wzrostowej.
Glikoproteiny
Trombospondyna - znajduje się w pozakomórkowej macierzy kostnej wielu tkanek. Regulacja angiogenezy poprzez regulację metaloproteinaz macierzy kostnej.
Fibronektyna - najobfitsza proteina macierzy pozakomórkowej, wytwarzana przez wszystkie komórki tkanki łącznej. Jedno z pierwszych niekolagenowych białek, najbardziej widoczna w czasie rozwoju kości. Rola w organizacji macierzy.
Fibrylina - podstawowy składnik łączenia mikrowłókien w szkielecie. Brak prowadzi do wystąpienia zespołu Marfana.
Lipidy
Macierz kostna zawiera 2-4% lipidów, w większości związanych z białkiem.
Ważne dla metabolizmu kości i ich mineralizacji. Większość z nich pochodzi z komórek.
Lipidowa błona komórkowa jest niezmiernie ważna dla funkcji komórki kostnej, ogranicza przepływ składników z komórki i do komórki. W niej znajdują się również receptory regulujące jej funkcję. Najważniejsze z nich modulują sygnały i funkcję błony komórkowej i biorą udział w zapoczątkowaniu mineralizacji chrząstki, zębiny i kości.
Za mineralizację odpowiada kompleks fosfolipidowy, składający się z kwasu fosfolipidowego, wapnia i nieorganicznego fosforu.
Niektóre składniki tłuszczowe komórki mogą być ważne dla stymulacji osteoblastów, tworzenia kości i powstrzymania aktywności osteoklastów
Czynniki wzrostu kości
To hormony które regulują aktywnośc komórkową. Działaja na komórkę jako aktywne modulatory. Ich działanie może stymulować i hamować proliferację komórkową, różnicowanie, migrację komórek i ich przyczepność, śmierć, a także funkcje genów komórki i jej aktywację do chrząstki lub kości.
Uwalniane w procesie resorpcji kości, większość jako prekursory i działają jako miejscowe regulatory komórek osteogennych. Rozszczepiane na skutek proteolizy stają się aktywnymi czynnikami o małej masie cząsteczkowej.
Przez połączenie ze specyficznymi receptorami na błoni komórkowej uaktywniają kinazę proteinową. Kinaza aktywuje transkrypcję genów w mRNA, które syntetyzują nowe białka powodujące różnicowanie się komórek w kierunku osteoblastycznym.
Osteoblasty syntetyzują wiele czynników wzrostu tj: BMP, TGF-beta, PDGF, FGF, IGF I-II, poza tym także VEGF.
BMP - białka morfogenetyczne