Indledning og funktion af osteoprogenitor
Osteoprogenitorceller, også kendt som osteoblaster, er opkaldt efter deres evne til at opretholde og forny sig selv. Stamceller kan opdeles i to stamceller eller to rettede progenitorceller ved en høj grad af reguleringsmekanisme. Cellefornyelsen er præcis, og stamcellerne er relativt statiske under hele proliferationsprocessen. Cellen fuldfører opgaven med DNA-syntese og celleudvidelse og bevarer sin oprindelige genetiske information, mens den løbende producerer stamceller, men den hverken formerer sig eller differentierer sig selv. Den kan differentiere sig til osteoblaster under induktion af kulturmedium, der indeholder dexamethason, ascorbinsyre og glycerolphosphat. Under differentieringsprocessen kan der opstå karakteristiske knoglecellekarakteristika: syntese af type I-kollagen, ekspression af alkalisk fosfatase, sekretion af knoglekalcium og hydroxyapatitudfældning. I de nuværende undersøgelser af knoglevævsteknologi er der mange rapporter om osteogene celler, og der er relativt få undersøgelser af osteoprogenitorceller, der kan proliferere, differentiere til osteogene celler og i sidste ende danne knogle. Ved at forstå de biologiske egenskaber ved progenitorcellerne og nogle relativt nye forskningsmæssige fremskridt kan vi give nogle nye idéer og metoder til behandling af reparation af defekter eller osteoporose i knoglevæv.
Kendetegn ved osteoprogenitorceller
Karakteristika ved osteoprogenitorcellers differentieringsstadie: Osteoblaster afledt af mesenkymale osteoprogenitorceller og spiller en vigtig rolle i osteogenese. Når disse celler indføres i knogledefektområdet hos voksne dyr, kan de fremme knogledannelse, så det er klart, at funktionen og differentieringsprocessen af osteoprogenitorer giver os mulighed for at få en dybere forståelse af knoglevævets metabolisme. Det er blevet rapporteret, at knogleprogenitorceller opnås ved at fordøje kraniet fra et rottefoster med tidsbestemte og kontinuerlige enzymer. Osteoprogenitorceller er meget følsomme over for dexamethason, og ekspressionen af knogledannelsesmarkører øges under induktion af dexamethason. Det blev bekræftet ved test af alkalisk fosfataseaktivitet og kalciumaflejring, at den første til tredje generation af enzymafsmeltede celler fra fosterrottens kranie reagerede godt på dexamethason. Dette tyder på, at de er osteoprogenitorer, der er placeret på periost og knogleoverfladen, og umodne osteoblaster. Tredje generation af celler kan danne det største antal knogleknuder, hvilket indikerer, at dette er det største antal osteoprogenitorceller. Den første generation er den mest proliferative osteoprogenitorcelle. Omvendt har fjerde generations enzymforråd af kranieceller fra føtale rotter et dårligt respons på dexamethason. Eksperimentet viser, at ekspressionen af glukokortikoidreceptor i knogleceller er lavere end i osteoprogenitorceller og osteoblaster, hvilket indikerer, at fjerde og femte generation af enzymernes fordøjelse af fosterrottens kranieceller hovedsageligt omfatter knogleceller. Aldersrelaterede ændringer i osteoprogenitorceller: I undersøgelser af aldersrelaterede ændringer i osteoblaster blev det fundet, at den knogledannende evne hos humane knoglemarvsstromaceller ikke var relateret til alderen. Antallet af stromaceller hos ældre og unge voksne er grundlæggende ens med hensyn til in vitro-kultur. Den nedsatte knogledannelseskapacitet hos ældre skyldes ændringer i individets indre miljø, som reducerer osteoprogenitorcellernes osteogenetiske potentiale. Med stigende alder svækkes osteoprogenitorcellers proliferative kapacitet gradvist, men antallet faldt ikke væsentligt. Osteoprogenitorceller i aldrende mus er mindre følsomme over for mitogene resultater induceret af basisk fibroblastvækstfaktor end unge rotter.
Regulering af osteoprogenitorceller
Da osteoprogenitorceller spiller en vigtig rolle i knogledannelsen, er reguleringen af osteoprogenitorceller særlig vigtig. Y-neuropeptid type 2-receptorer på osteoprogenitorceller: Traditionelt reguleres knogledannelsesprocessen hovedsageligt af det endokrine system og lokale faktorer såsom cytokiner og vækstfaktorer. Dette synspunkt er imidlertid ved at ændre sig gradvist. Der er stadig flere beviser for, at neurocytokiner i knoglevæv også kan ændre knoglecelleaktiviteten. Undersøgelser har bekræftet, at nerveceller, der trænger ind i knoglevævet, er forbundet med hypothalamus, hvilket er i overensstemmelse med den betingede sletning af Y-neuropeptid type 2-receptorerne. Y-neuropeptid-immunoreaktive fibre har vist sig at være til stede i knoglemarv, periosteum og knoglevæv. Undersøgelser har vist, at antallet af osteoprogenitorceller, der stammer fra Y2-/–mus, og deres osteogene kapacitet er øget. Samtidig kan manglen på Y2-receptor få stromalceller til at nedregulere Y1-receptoren, muligvis fordi knoglevæv ikke kan hæmme frigivelsen af Y-neuropeptidfeedback, hvilket fører til overdreven stimulering af Y1-receptor og fremmer knoglemineralisering, hvilket kan være til behandling af knoglemasse. Prolin-rige tyrosinkinase 2 og focal adhesion kinase (FAK) er en ikke-receptor tyrosinproteinkinase, der sammen udgør focal adhesion kinase-familien. Prolin-rige tyrosinkinase 2 er den kinase på højeste niveau i hjernen og det hæmatopoietiske system. Mange in vitro-forsøg har vist, at prolin-rigt tyrosinkinase 2 regulerer funktionen og aktiviteten af osteoklaster. Nogle forskere har uventet fundet ud af, at knogledannelsen hos PYK2-/- mus er steget betydeligt. I overensstemmelse med dette resultat blev differentieringsevnen og aktiviteten af osteoprogenitorceller i knoglemarven hos PYK2-/-musene forbedret. Desuden kan daglig injektion af små prolin-rige tyrosinkinase 2-hæmmere i ovariectomerede rotter effektivt øge knogledannelsen og reducere knogletabet. Det antages, at prolin-rige tyrosinkinase 2 regulerer differentieringen af tidlige osteoprogenitorceller, og prolin-rige tyrosinkinase 2-hæmmere fremmer knogledannelsen og kan anvendes til behandling af osteoporose i fremtiden. Intern fiksering er en almindelig metode til behandling af brud, men samtidig giver den interne fikseringsanordning også et passende parasitrum for den biofilm, der er nødvendig for patogenets reproduktion, og forårsager derved infektion og en anden samtidighedssygdom. Alvorlige infektioner kan forsinke helingen af brud og stimulere absorption af knoglevæv. I tilfælde af en infektion er den sædvanlige behandling at fjerne den interne fiksationsanordning eller at ændre den til ekstern fiksation, hvilket naturligvis vil påvirke helingen af bruddet eller forårsage ubehag for patienten. Human rekombination af knogleprotein-1 (rhOP-1, også kendt som BMP7) har vist sig at inducere ny knogledannelse i knogledefekter af kritisk størrelse i mus med akut infektion. Nogle forskere har gennem eksperimenter fundet ud af, at brugen af knoglemorfogenetisk proteininjektion kan fremme knogledannelse, hvis der opstår kronisk infektion efter fiksering i bruddet, og antibiotikabehandling kan forstærke processen. Knoglemorfogenetisk protein kan effektivt fremme proliferation og differentiering af osteoprogenitorceller og udtrykke osteoblastmarkører. Osteoprogenitorceller er blevet rapporteret i perichondriet. Disse osteoprogenitorceller opregulerer knoglemorfogenetisk protein 2 under differentieringen til modne osteoblaster, der producerer en knoglematrix, og knoglemorfogenetisk protein 2 er i sig selv en potent inducerende faktor for osteogenese. Effekten af ekstrakorporale chokbølger på osteoprogenitorceller: Ekstrakorporal chokbølge har været anvendt til behandling af nyresten i mere end 20 år. I de seneste år er chokbølger blevet anvendt til behandling af brudheling. På nuværende tidspunkt mener de fleste forskere, at osteogenese af chokbølger skyldes fremme af ekspressionen af en eller flere cytokiner. Wang et al. undersøgte virkningerne af chokbølger på mesenchymale progenitorceller fra knoglemarven. I denne undersøgelse blev knoglemarvsstroma og hæmatopoietiske celler indsamlet for at vurdere virkningen af chokbølger på rotte lårbenet, der danner koloniforstadieceller (CFU-F og CFU-O), granulocytter, røde blodlegemer, monocytter og megakaryocytter. Samtidig blev den alkaliske fosfataseaktivitet og mængden af transformerende vækstfaktor β1, der blev produceret i de dyrkede stromale celler fra knoglemarven, målt. Resultaterne viser, at den mest ideelle stødbølgeparameter er 500 impulser, 0,06 mg/mm2, som bedre kan fremme væksten af CFU2F og CFU2O. Alkalisk fosfataseaktivitet blev øget med 1173 gange med P2 nitrophenol. Forsøget viste også, at chokbølgen blev forstærket ved energitætheden på 0,16 mg/mm2, dosis på 500, og ekspressionen af transformerende vækstfaktor β1 blev styrket. Efter 12 dage dannede osteoprogenitorcellerne kolonier, hvilket bekræftede, at transformerende vækstfaktor β1 fremmede knoglemarvsstromale celler i chokbølgen. Den spiller en vigtig rolle i transformationen af osteoprogenitorceller. Derfor er de biologiske virkninger af chokbølger på osteoprogenitorceller og knogledannelse blevet undersøgt. Gapjunkternes rolle mellem endothelceller og osteoprogenitorceller i osteogenese er blevet påvist som en koblet proces for angiogenese og knoglevævets udvikling og modning. Det tætte forhold mellem vaskulært endothel og osteoblaster og osteoblaster tyder på, at endothelceller (EC’er) spiller en vigtig rolle i reguleringen af knogledannelse og -funktion. Nogle forskere har fundet ud af, at gap junction mellem endothelceller og osteoprogenitorceller er en nøglefaktor for styrkelse af osteogene aktivitet af osteoprogenitorceller. På dette grundlag har andre forskere foreslået, at endothelceller kan udtrykke knoglemorfogenetisk protein 2 og forbedre osteoprogenitorcellers osteogenetiske evne. Denne virkning kræver en direktør tæt forbindelse mellem endothelceller og osteoprogenitorceller. Mange gange er dannelsen af ny knogle begrænset af manglen på blodkar i vævet. For at løse dette problem håber forskerne at kunne fremme angiogenese ved hjælp af angiogene faktorer. Der er ikke blevet rapporteret om vævsteknisk knogledannelse ved hjælp af transplantation af endotelceller, og virkningen af dette komplekse samspil mellem endotelceller og osteoprogenitorceller på osteogenese fortjener yderligere undersøgelse.
- Ibrahim A, Bulstrode N W, Whitaker I S, et al. Nanoteknologi til stimulering af osteoprogenitor-differentiering. 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 (bidrag fra osteoprogenitorceller til arteriel stivhed og hypertension). Journal of Vascular Research. 2015, 52(1):32.
- Dogaki Y, Lee S Y, Niikura T, et al. Effektiv udledning af osteoprogenitorceller fra inducerede pluripotente stamceller til knogleregenerering. International Orthopaedics. 2014, 38(9):1779-1785.