Forschungsbereich

Einführung und Funktion von Osteoprogenitor

Osteoprogenitorzellen, auch Osteoblasten genannt, werden nach ihrer Fähigkeit zur Selbsterhaltung und Selbsterneuerung benannt. Stammzellen können durch ein hohes Maß an Regulationsmechanismen in zwei Stammzellen oder zwei gerichtete Vorläuferzellen unterteilt werden. Die Zellerneuerung erfolgt präzise, und die Stammzellen sind während des gesamten Proliferationsprozesses relativ statisch. Die Zelle erledigt die Aufgabe der DNA-Synthese und der Zellexpansion und behält ihre ursprüngliche genetische Information bei, während sie kontinuierlich Vorläuferzellen produziert, sich aber nicht selbst vermehrt oder differenziert. Sie kann sich in Osteoblasten differenzieren, wenn sie mit einem Kulturmedium mit Dexamethason, Ascorbinsäure und Glycerinphosphat angeregt wird. Im Zuge der Differenzierung können charakteristische Knochenzellmerkmale entstehen: Synthese von Typ-I-Kollagen, Expression von alkalischer Phosphatase, Sekretion von Knochenkalzium und Ablagerung von Hydroxylapatit. In den aktuellen Studien zum Tissue Engineering von Knochen gibt es viele Berichte über osteogene Zellen, aber nur relativ wenige Studien über Osteoprogenitorzellen, die sich vermehren, in osteogene Zellen differenzieren und schließlich Knochen bilden können. Durch das Verständnis der biologischen Merkmale der Vorläuferzellen und einiger relativ neuer Forschungsfortschritte können wir einige neue Ideen und Wege für die Behandlung von Defekten oder Osteoporose des Knochengewebes aufzeigen.

Merkmale von Osteoprogenitorzellen

Charakteristika der Differenzierungsphase von Osteoprogenitorzellen: Osteoblasten stammen von mesenchymalen Osteoprogenitorzellen ab und spielen eine wichtige Rolle bei der Osteogenese. Wenn diese Zellen in den Bereich von Knochendefekten bei erwachsenen Tieren eingebracht werden, können sie die Knochenbildung fördern, so dass es klar ist, dass die Funktion und der Differenzierungsprozess von Osteoprogenitoren ein tieferes Verständnis des Stoffwechsels von Knochengewebe ermöglichen. Es wurde berichtet, dass Knochenvorläuferzellen durch Verdauung des fötalen Rattenschädels mit zeitlich abgestimmten und kontinuierlichen Enzymen gewonnen werden. Osteoprogenitorzellen reagieren sehr empfindlich auf Dexamethason, und die Expression von Knochenbildungsmarkern wird durch die Induktion von Dexamethason verstärkt. Durch den Test der alkalischen Phosphataseaktivität und der Kalziumablagerung wurde bestätigt, dass die erste bis dritte Generation der enzymverdauten fötalen Rattenschädelzellen gut auf Dexamethason ansprachen. Dies deutet darauf hin, dass es sich um Osteoprogenitoren handelt, die sich auf der Knochenhaut und der Knochenoberfläche befinden, sowie um unreife Osteoblasten. Die dritte Generation von Zellen kann die meisten Knochenknötchen bilden, was darauf hindeutet, dass dies die größte Anzahl von Osteoprogenitorzellen ist. Die erste Generation ist die am stärksten proliferierende Osteoprogenitorzelle. Umgekehrt reagiert die vierte Generation der Enzymverdauung von fötalen Rattenschädelzellen schlecht auf Dexamethason. Das Experiment zeigt, dass die Expression des Glukokortikoidrezeptors in Knochenzellen geringer ist als in Osteoprogenitorzellen und Osteoblasten, was darauf hindeutet, dass die vierte und fünfte Generation der Enzymverdauung fötaler Rattenschädelzellen hauptsächlich Knochenzellen enthält. Altersbedingte Veränderungen in Osteoprogenitorzellen: In Studien über altersbedingte Veränderungen bei Osteoblasten wurde festgestellt, dass die Fähigkeit der Stromazellen des menschlichen Knochenmarks, Knochen zu bilden, nicht mit dem Alter zusammenhängt. Die Anzahl der Stromazellen älterer und junger Erwachsener ist in der In-vitro-Kultur grundsätzlich ähnlich. Die geringere Knochenbildungskapazität älterer Menschen ist auf Veränderungen in der inneren Umgebung des Individuums zurückzuführen, die das osteogene Potenzial der Osteoprogenitorzellen verringern. Mit zunehmendem Alter nahm die Proliferationsfähigkeit der Osteoprogenitorzellen allmählich ab, ihre Anzahl nahm jedoch nicht wesentlich ab. Osteoprogenitorzellen in gealterten Mäusen reagieren weniger empfindlich auf mitogene Ergebnisse, die durch den Basis-Fibroblasten-Wachstumsfaktor induziert werden, als junge Ratten.

Regulation von Osteoprogenitorzellen

Da Osteoprogenitorzellen eine wichtige Rolle bei der Knochenbildung spielen, ist die Regulation von Osteoprogenitorzellen besonders wichtig. Y-Neuropeptid-Typ-2-Rezeptoren auf Osteoprogenitorzellen: Traditionell wird der Prozess der Knochenbildung hauptsächlich durch das endokrine System und lokale Faktoren wie Zytokine und Wachstumsfaktoren reguliert. Diese Sichtweise ändert sich jedoch allmählich. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass Neurozytokine im Knochengewebe auch die Aktivität der Knochenzellen verändern können. Studien haben bestätigt, dass Nervenzellen, die in das Knochengewebe eindringen, mit dem Hypothalamus assoziiert sind, was mit der bedingten Deletion der Y-Neuropeptid-Typ-2-Rezeptoren übereinstimmt. Es wurde nachgewiesen, dass immunreaktive Y-Neuropeptid-Fasern im Knochenmark, Periost und Knochengewebe vorhanden sind. Studien haben gezeigt, dass die Anzahl der von Y2-/- Mäusen stammenden Osteoprogenitorzellen und deren osteogene Kapazität erhöht sind. Gleichzeitig kann das Fehlen des Y2-Rezeptors dazu führen, dass Stromazellen den Y1-Rezeptor herunterregulieren, möglicherweise weil das Knochengewebe die Freisetzung von Y-Neuropeptid-Feedback nicht hemmen kann, was zu einer übermäßigen Stimulierung des Y1-Rezeptors führt und die Knochenmineralisierung fördert, was möglicherweise zur Behandlung der Knochenmasse dient. Die prolinreiche Tyrosinkinase 2 und die fokale Adhäsionskinase (FAK) sind eine Nicht-Rezeptor-Tyrosin-Proteinkinase, die zusammen die Familie der fokalen Adhäsionskinasen bilden. Die prolinreiche Tyrosinkinase 2 ist die Kinase mit der höchsten Aktivität im Gehirn und im hämatopoetischen System. Viele In-vitro-Experimente haben gezeigt, dass die prolinreiche Tyrosinkinase 2 die Funktion und Aktivität von Osteoklasten reguliert. Einige Wissenschaftler haben überraschenderweise festgestellt, dass die Knochenbildung bei PYK2-/- Mäusen deutlich zunimmt. In Übereinstimmung mit diesem Befund waren die Differenzierungsfähigkeit und Aktivität von Osteoprogenitorzellen im Knochenmark von PYK2-/- Mäusen erhöht. Darüber hinaus kann die tägliche Injektion von kleinen prolinreichen Tyrosinkinase-2-Inhibitoren bei ovarektomierten Ratten die Knochenbildung wirksam steigern und den Knochenverlust verringern. Es wird vermutet, dass die prolinreiche Tyrosinkinase 2 die Differenzierung der frühen Osteoprogenitorzellen reguliert und prolinreiche Tyrosinkinase 2-Inhibitoren die Knochenbildung fördern und in Zukunft bei der Behandlung von Osteoporose eingesetzt werden könnten. Die interne Fixierung ist eine gängige Methode zur Behandlung von Knochenbrüchen, aber gleichzeitig bietet die interne Fixierungsvorrichtung auch einen geeigneten parasitären Raum für den Biofilm, der für die Vermehrung von Krankheitserregern erforderlich ist, und verursacht dadurch Infektionen und eine weitere Begleiterkrankung. Schwere Infektionen können die Frakturheilung verzögern und die Resorption des Knochengewebes fördern. Im Falle einer Infektion besteht die übliche Behandlung darin, die interne Fixierungsvorrichtung zu entfernen oder durch eine externe Fixierung zu ersetzen, was natürlich die Heilung der Fraktur beeinträchtigt und dem Patienten Unannehmlichkeiten bereitet. Humanes rekombiniertes Knochenprotein-1 (rhOP-1, auch bekannt als BMP7) hat gezeigt, dass es die Knochenneubildung in Knochendefekten kritischer Größe bei Mäusen mit akuter Infektion anregt. Einige Wissenschaftler haben durch Experimente herausgefunden, dass die Injektion von knochenmorphogenetischem Protein die Knochenbildung fördern kann, wenn nach der Fixierung der Fraktur eine chronische Infektion auftritt, und dass eine Antibiotikabehandlung den Prozess verstärken kann. Knochenmorphogenetisches Protein kann die Proliferation und Differenzierung von Osteoprogenitorzellen wirksam fördern und Osteoblastenmarker exprimieren. Osteoprogenitorzellen wurden im Perichondrium nachgewiesen. Diese Osteoprogenitorzellen regulieren während der Differenzierung zu reifen Osteoblasten, die eine Knochenmatrix produzieren, das knochenmorphogenetische Protein 2 hoch, und das knochenmorphogenetische Protein 2 selbst ist ein starker Auslöser der Osteogenese. Wirkung der extrakorporalen Stoßwelle auf Osteoprogenitorzellen: Extrakorporale Stoßwellen werden seit mehr als 20 Jahren zur Behandlung von Nierensteinen eingesetzt. In den letzten Jahren wurden Stoßwellen auch zur Behandlung von Knochenbrüchen eingesetzt. Gegenwärtig gehen die meisten Wissenschaftler davon aus, dass die Osteogenese von Stoßwellen durch die Förderung der Expression eines oder mehrerer Zytokine verursacht wird. Wang et al. untersuchten die Auswirkungen von Stoßwellen auf mesenchymale Vorläuferzellen aus dem Knochenmark. In dieser Studie wurden Knochenmarkstroma und hämatopoetische Zellen entnommen, um die Auswirkungen von Schockwellen auf den Oberschenkelknochen von Ratten zu beurteilen, die Kolonievorläuferzellen (CFU-F und CFU-O), Granulozyten, rote Blutkörperchen, Monozyten und Megakaryozyten bilden. Gleichzeitig wurden die Aktivität der alkalischen Phosphatase und die Menge des transformierenden Wachstumsfaktors β1 gemessen, die in den kultivierten Stromazellen des Knochenmarks produziert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass der idealste Stoßwellenparameter 500 Impulse, 0,06 mg/mm2, ist, der das Wachstum von CFU2F und CFU2O besser fördern kann. Die Aktivität der alkalischen Phosphatase wurde mit Nitrophenol P2 um das 1173-fache erhöht. Das Experiment ergab auch, dass die Stoßwelle durch die Energiedichte von 0,16 mg/mm2, die Dosis von 500 und die Expression des transformierenden Wachstumsfaktors β1 verstärkt wurde. Nach 12 Tagen bildeten die Osteoprogenitorzellen Kolonien, was bestätigte, dass der transformierende Wachstumsfaktor β1 die Stromazellen des Knochenmarks in der Schockwelle förderte. Er spielt eine wichtige Rolle bei der Transformation von Osteoprogenitorzellen. Daher wurden die biologischen Auswirkungen von Stoßwellen auf Osteoprogenitorzellen und die Knochenbildung untersucht. Die Rolle der Gap Junctions zwischen Endothelzellen und Osteoprogenitorzellen bei der Osteogenese hat sich als gekoppelter Prozess von Angiogenese und Entwicklung und Reifung des Knochengewebes erwiesen. Die enge Beziehung zwischen vaskulärem Endothel und Osteoblasten und Osteoblasten lässt vermuten, dass Endothelzellen (ECs) eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Knochenbildung und -funktion spielen. Einige Wissenschaftler haben festgestellt, dass die Gap Junction zwischen Endothelzellen und Osteoprogenitorzellen ein Schlüsselfaktor für die Verstärkung der osteogenen Aktivität von Osteoprogenitorzellen ist. Auf dieser Grundlage haben andere Wissenschaftler vorgeschlagen, dass Endothelzellen das knochenmorphogenetische Protein 2 exprimieren und die osteogenen Fähigkeiten von Osteoprogenitorzellen verbessern können. Dieser Effekt erfordert eine enge Verbindung zwischen Endothelzellen und Osteoprogenitorzellen. Häufig wird die Knochenneubildung durch das Fehlen von Blutgefäßen im Gewebe eingeschränkt. Um dieses Problem zu lösen, hoffen die Forscher, die Angiogenese mit Hilfe von angiogenen Faktoren zu fördern. Es gibt keine Berichte über die Knochenbildung im Tissue Engineering durch die Transplantation von Endothelzellen. Die Auswirkungen dieser komplexen Interaktion zwischen Endothelzellen und Osteoprogenitorzellen auf die Osteogenese verdienen weitere Untersuchungen.

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