Úvod a funkce osteoprogenitoru
Osteoprogenitorové buňky, známé také jako osteoblasty, jsou pojmenovány pro svou schopnost sebeudržování a sebeobnovy. Kmenové buňky lze díky vysokému stupni regulačního mechanismu rozdělit na dvě kmenové buňky nebo dvě směrované progenitorové buňky. Obnova buněk je přesná a kmenové buňky jsou během celého procesu proliferace relativně statické. Buňka dokončí úkol syntézy DNA a buněčné expanze a zachovává si svou původní genetickou informaci, přičemž neustále produkuje progenitorové buňky, sama se neproliferuje ani nediferencuje. Může se diferencovat v osteoblasty pod indukcí kultivačního média obsahujícího dexametazon, kyselinu askorbovou a glycerolfosfát. V procesu diferenciace se mohou objevit charakteristické vlastnosti kostních buněk: syntéza kolagenu typu I, exprese alkalické fosfatázy, sekrece kostního vápníku a ukládání hydroxyapatitu. V současných studiích kostního tkáňového inženýrství existuje mnoho zpráv o osteogenních buňkách a existuje poměrně málo studií o osteoprogenitorových buňkách, které mohou proliferovat, diferencovat se v osteogenní buňky a nakonec tvořit kost. Pochopením biologických vlastností progenitorových buněk a některých relativně nových pokroků ve výzkumu můžeme poskytnout některé nové nápady a způsoby v léčbě opravy defektů nebo osteoporózy kostní tkáně.
Features of Osteoprogenitor
Characteristics of the differentiation stage of osteoprogenitor cells: Osteoblasty odvozené z mezenchymálních osteoprogenitorových buněk hrají hlavní roli v osteogenezi. Když jsou tyto buňky zavedeny do oblasti kostního defektu dospělých zvířat, mohou podporovat tvorbu kosti, takže je zřejmé, že funkce a proces diferenciace osteoprogenitorů nám umožňuje hlubší pochopení metabolismu kostní tkáně. Bylo zjištěno, že kostní progenitorové buňky se získávají trávením lebky plodu potkana pomocí časovaných a kontinuálních enzymů. Osteoprogenitorové buňky jsou vysoce citlivé na dexametazon a exprese markerů tvorby kosti se pod indukcí dexametazonu zvyšuje. Testem aktivity alkalické fosfatázy a ukládání vápníku bylo potvrzeno, že první až třetí generace enzymem trávených buněk lebky plodu potkana dobře reaguje na dexamethason. To naznačuje, že se jedná o osteoprogenitory nacházející se na periostu a povrchu kosti a nezralé osteoblasty. Třetí generace buněk dokáže vytvořit největší počet kostních uzlíků, což naznačuje, že se jedná o největší počet osteoprogenitorových buněk. První generace je nejvíce proliferující osteoprogenitorovou buňkou. Naopak čtvrtá generace enzymového štěpení lebečních buněk plodu potkana má slabou odezvu na dexametazon. Experiment ukazuje, že exprese glukokortikoidního receptoru v kostních buňkách je nižší než exprese osteoprogenitorových buněk a osteoblastů, což naznačuje, že čtvrtá a pátá generace enzymů trávících lebeční buňky plodu potkana zahrnuje především kostní buňky. Změny související s věkem u osteoprogenitorových buněk: Ve studiích změn souvisejících s věkem u osteoblastů bylo zjištěno, že schopnost stromálních buněk lidské kostní dřeně tvořit kost nesouvisí s věkem. Počet stromálních buněk u starších a mladých dospělých je z hlediska kultivace in vitro v podstatě podobný. Snížená schopnost tvorby kosti u starších lidí je způsobena změnami ve vnitřním prostředí jedince, které snižují osteogenní potenciál osteoprogenitorových buněk. S rostoucím věkem proliferační schopnost osteoprogenitorových buněk postupně slábne, ale jejich počet se výrazně nesnižuje. Osteoprogenitorové buňky u stárnoucích myší jsou méně citlivé na mitogenní výsledky vyvolané základním fibroblastovým růstovým faktorem než u mladých potkanů.
Regulace osteoprogenitorů
Jelikož osteoprogenitorové buňky hrají důležitou roli při tvorbě kostí, je regulace osteoprogenitorových buněk obzvláště důležitá. Receptory Y-neuropeptidu typu 2 na osteoprogenitorových buňkách: Tradičně je proces tvorby kosti regulován především endokrinním systémem a lokálními faktory, jako jsou cytokiny a růstové faktory. Tento pohled se však postupně mění. Přibývá důkazů, že neurocytokiny v kostní tkáni mohou také měnit aktivitu kostních buněk. Studie potvrdily, že nervové buňky vstupující do kostní tkáně jsou spojeny s hypotalamem, což je v souladu s podmíněným vyřazením receptorů pro Y-neuropeptid typu 2. To znamená, že nervové buňky vstupující do kostní tkáně jsou spojeny s hypotalamem. Bylo prokázáno, že neuropeptid Y imunoreaktivní vlákna jsou přítomna v kostní dřeni, periostu a kostní tkáni. Studie ukázaly, že počet osteoprogenitorových buněk odvozených od myší Y2-/- a jejich osteogenní kapacita jsou zvýšené. Současně může nedostatek receptoru Y2 způsobit, že stromální buňky sníží regulaci receptoru Y1, pravděpodobně proto, že kostní tkáň nemůže inhibovat uvolňování zpětné vazby neuropeptidu Y, což vede k nadměrné stimulaci receptoru Y1 a podporuje mineralizaci kosti, což může být pro léčbu kostní hmoty. Tyrozinkináza 2 bohatá na prolin a kináza fokální adheze (FAK) jsou nereceptorové tyrozinkinázy, které společně tvoří rodinu kináz fokální adheze. Na prolin bohatá tyrozinkináza 2 je kinázou nejvyšší úrovně v mozku a hematopoetickém systému. Mnoho experimentů in vitro prokázalo, že prolin-bohatá tyrozinkináza 2 reguluje funkci a aktivitu osteoklastů. Někteří vědci nečekaně zjistili, že tvorba kostní hmoty u myší s PYK2-/- se výrazně zvýšila. V souladu s tímto zjištěním byla zvýšena diferenciační schopnost a aktivita osteoprogenitorových buněk v kostní dřeni myší PYK2-/-. Navíc každodenní podávání malých inhibitorů tyrozinkinázy 2 bohaté na prolin u ovariektomovaných potkanů může účinně zvýšit tvorbu kosti a snížit její úbytek. Předpokládá se, že prolin-bohatá tyrozinkináza 2 reguluje diferenciaci časných osteoprogenitorových buněk a inhibitory prolin-bohaté tyrozinkinázy 2 podporují tvorbu kostí a mohou být v budoucnu využity při léčbě osteoporózy. Vnitřní fixace je běžnou metodou léčby zlomenin, ale současně vnitřní fixační zařízení poskytuje také vhodný parazitní prostor pro biofilm potřebný k rozmnožování patogenů, čímž způsobuje infekci a další souběžné onemocnění. Závažné infekce mohou zpozdit hojení zlomeniny a stimulovat vstřebávání kostní tkáně. V případě infekce je obvyklou léčbou odstranění vnitřního fixačního zařízení nebo jeho změna na zevní fixaci, což samozřejmě ovlivní hojení zlomeniny nebo způsobí pacientovi nepohodlí. Bylo prokázáno, že lidský rekombinovaný kostní protein-1 (rhOP-1, známý také jako BMP7) indukuje tvorbu nové kosti v kostních defektech kritické velikosti u myší s akutní infekcí. Někteří vědci pomocí experimentů zjistili, že použití injekce kostního morfogenetického proteinu může podpořit tvorbu kosti, pokud se po fixaci uvnitř zlomeniny objeví chronická infekce, a léčba antibiotiky může tento proces posílit. Kostní morfogenetický protein může účinně podporovat proliferaci a diferenciaci osteoprogenitorových buněk a exprimovat markery osteoblastů. Osteoprogenitorové buňky byly zaznamenány v perichondriu. Tyto osteoprogenitorové buňky regulují kostní morfogenetický protein 2 během diferenciace ve zralé osteoblasty, které produkují kostní matrix, a samotný kostní morfogenetický protein 2 je silným induktorem osteogeneze. Vliv extrakorporální rázové vlny na osteoprogenitorové buňky: Extrakorporální rázová vlna se používá při léčbě ledvinových kamenů již více než 20 let. V posledních letech se rázová vlna uplatňuje při léčbě hojení zlomenin. V současné době se většina vědců domnívá, že osteogeneze rázovou vlnou je způsobena podporou exprese jednoho nebo několika cytokinů. Wang a kol. studovali účinky rázových vln na mezenchymální progenitorové buňky kostní dřeně. V této studii byla odebrána stroma kostní dřeně a krvetvorné buňky k posouzení vlivu rázových vln na stehenní kost potkana, tvořící kolonie progenitorových buněk (CFU-F a CFU-O), granulocytů, červených krvinek, monocytů a megakaryocytů. Současně byla měřena aktivita alkalické fosfatázy a množství transformujícího růstového faktoru β1 produkovaného v kultivovaných stromálních buňkách kostní dřeně. Výsledky ukazují, že nejideálnějším parametrem rázové vlny je 500 pulzů, 0,06 mg/mm2, které mohou lépe podpořit růst CFU2F a CFU2O. Aktivita alkalické fosfatázy se při použití nitrofenolu P2 zvýšila 1173krát. Experimentem bylo také zjištěno, že rázová vlna byla posílena hustotou energie 0,16 mg/mm2, dávkou 500 a exprese transformujícího růstového faktoru β1 byla posílena. Po 12 dnech vytvořily osteoprogenitorové buňky kolonie, což potvrdilo, že transformující růstový faktor β1 podporuje stromální buňky kostní dřeně v rázové vlně. Hraje důležitou roli při transformaci osteoprogenitorových buněk. Proto byly studovány biologické účinky rázové vlny na osteoprogenitorové buňky a tvorbu kosti. Bylo prokázáno, že role gap junctions mezi endoteliálními buňkami a osteoprogenitorovými buňkami v osteogenezi je spojeným procesem angiogeneze a vývoje a zrání kostní tkáně. Úzký vztah mezi cévním endotelem a osteoblasty a osteoblasty naznačuje, že endotelové buňky (EC) hrají důležitou roli v regulaci tvorby a funkce kosti. Někteří vědci zjistili, že gap junction mezi endoteliálními buňkami a osteoprogenitorovými buňkami je klíčovým faktorem při zvyšování osteogenní aktivity osteoprogenitorových buněk. Na tomto základě jiní vědci navrhli, že endotelové buňky mohou exprimovat kostní morfogenetický protein 2 a zvyšovat osteogenní schopnost osteoprogenitorových buněk. Tento účinek vyžaduje režijní těsné spojení mezi endotelovými buňkami a osteoprogenitorovými buňkami. Mnohokrát je tvorba nové kosti omezena nedostatkem krevních cév ve tkáni. Vědci doufají, že tento problém vyřeší podporou angiogeneze pomocí angiogenních faktorů. Dosud nebyly zaznamenány žádné zprávy o tvorbě kosti tkáňovým inženýrstvím pomocí transplantace endoteliálních buněk, vliv této komplexní interakce mezi endoteliálními buňkami a osteoprogenitorovými buňkami na osteogenezi si zaslouží další zkoumání.
- Ibrahim A, Bulstrode N W, Whitaker I S, et al. Nanotechnology for Stimulating Osteoprogenitor Differentiation. Open Orthopaedics Journal. 2016, 10(Suppl-3, M5):849.
- Goodman S B, Hwang K L. Treatment of Secondary Osteonecrosis of the Knee With Local Debridement and Osteoprogenitor Cell Grafting. Journal of Arthroplasty. 2015, 30(11):1892-1896.
- Park J, Gebhardt M, Golovchenko S, et al. Dual pathways to endochondral osteoblasts: a novel chondrocyte-derived osteoprogenitor cell identified in hypertrophic cartilage. Biology Open. 2015, 4(5):608-621.
- Pikilidou M, Yavropoulou M, Antoniou M, et al. The Contribution of Osteoprogenitor Cells to Arterial Stiffness and Hypertension. Journal of Vascular Research. 2015, 52(1):32.
- Dogaki Y, Lee S Y, Niikura T, et al. Efficient derivation of osteoprogenitor cells from induced pluripotent stem cells for bone regeneration. International Orthopaedics. 2014, 38(9):1779-1785.