Inleiding en functie van Osteoprogenitor
Osteoprogenitorcellen, ook bekend als osteoblasten, worden zo genoemd vanwege hun vermogen tot zelfvoorziening en zelfvernieuwing. Stamcellen kunnen worden verdeeld in twee stamcellen of twee gerichte progenitorcellen door een hoge mate van het reguleringsmechanisme. De celvernieuwing is accuraat, en de stamcellen zijn relatief statisch gedurende het hele proliferatieproces. De cel voltooit de taak van DNA-synthese en celexpansie en behoudt zijn oorspronkelijke genetische informatie, terwijl hij voortdurend progenitorcellen produceert, maar zelf niet prolifereert of differentieert. Hij kan differentiëren in osteoblasten onder inductie van een kweekmedium dat dexamethason, ascorbinezuur en glycerolfosfaat bevat. Tijdens het differentiatieproces kunnen karakteristieke botcelkenmerken naar voren komen: synthese van collageen type I, expressie van alkalische fosfatase, afscheiding van botcalcium en afzetting van hydroxyapatiet. In de huidige studies naar botweefsel engineering zijn er veel rapporten over osteogene cellen, en er zijn relatief weinig studies over osteoprogenitor cellen die kunnen prolifereren, differentiëren in osteogene cellen en uiteindelijk bot vormen. Door het begrijpen van de biologische kenmerken van de progenitorcellen en een aantal relatief nieuwe vooruitgang in het onderzoek, kunnen we een aantal nieuwe ideeën en manieren in de behandeling van defect herstel of osteoporose van botweefsel.
Features of Osteoprogenitor
Characteristieken van de differentiatiefase van osteoprogenitorcellen: Osteoblasten zijn afgeleid van mesenchymale osteoprogenitorcellen en spelen een belangrijke rol in de osteogenese. Wanneer deze cellen worden ingebracht in het botdefectgebied van volwassen dieren, kunnen zij de botvorming bevorderen, zodat het duidelijk is dat de functie en het differentiatieproces van osteoprogenitors ons in staat stelt een dieper inzicht te krijgen in het metabolisme van botweefsel. Er is gerapporteerd dat botprogenitorcellen worden verkregen door de foetale rattenschedel te verteren met getimede en continue enzymen. Osteoprogenitorcellen zijn zeer gevoelig voor dexamethason en de expressie van botvormingsmerkers wordt versterkt onder de inductie van dexamethason. Met de test van alkalische fosfatase-activiteit en calciumdepositie werd bevestigd dat de eerste tot en met de derde generatie van met enzymen verteerde foetale rattenschedelcellen goed reageerden op dexamethason. Dit wijst erop dat het osteoprogenitors zijn die zich bevinden op het periost en het botoppervlak en onvolgroeide osteoblasten. De derde generatie cellen kan het grootste aantal botknobbels vormen, wat erop wijst dat dit het grootste aantal osteoprogenitorcellen is. De eerste generatie is de meest proliferatieve osteoprogenitorcel. Omgekeerd reageert de vierde generatie van de schedelcellen van foetale ratten slecht op dexamethason. Het experiment toont aan dat de expressie van glucocorticoïdreceptor in botcellen lager is dan die van osteoprogenitorcellen en osteoblasten, wat erop wijst dat de vierde en vijfde generatie enzymen verterende foetale rattenschedelcellen voornamelijk botcellen omvatten. Leeftijdsgebonden veranderingen in osteoprogenitorcellen: In studies naar leeftijdsgebonden veranderingen in osteoblasten werd vastgesteld dat het botvormend vermogen van menselijke beenmergstromale cellen niet gerelateerd was aan leeftijd. Het aantal stromale cellen bij ouderen en jongvolwassenen is bij in vitro kweek in principe gelijk. Het verminderde botvormend vermogen van ouderen is te wijten aan veranderingen in de interne omgeving van het individu die het osteogeen potentieel van de osteoprogenitorcellen verminderen. Met het toenemen van de leeftijd, verzwakte de proliferatieve capaciteit van osteoprogenitor cellen geleidelijk, maar het aantal nam niet significant af. Osteoprogenitor cellen in oude muizen zijn minder gevoelig voor mitogene resultaten geïnduceerd door basis fibroblast groeifactor dan jonge ratten.
Regulatie van Osteoprogenitor
Aangezien osteoprogenitor cellen een belangrijke rol spelen in botvorming, is de regulatie van osteoprogenitor cellen van bijzonder belang. Y-neuropeptide type 2 receptoren op osteoprogenitor cellen: Traditioneel wordt het proces van botvorming voornamelijk gereguleerd door het endocriene systeem en lokale factoren zoals cytokines en groeifactoren. Deze zienswijze is echter geleidelijk aan het veranderen. Er zijn steeds meer aanwijzingen dat neuro-cytokinen in het botweefsel ook de activiteit van botcellen kunnen veranderen. Studies hebben bevestigd dat zenuwcellen die het botweefsel binnendringen, geassocieerd zijn met de hypothalamus, hetgeen consistent is met de voorwaardelijke deletie van de Y-neuropeptide type 2 receptoren. Er is aangetoond dat Y-neuropeptide immunoreactieve vezels aanwezig zijn in beenmerg, periosteum en botweefsel. Studies hebben aangetoond dat het aantal osteoprogenitorcellen afkomstig van Y2-/- muizen en hun osteogene capaciteit verhoogd is. Tegelijkertijd kan het ontbreken van de Y2-receptor ertoe leiden dat stromale cellen de Y1-receptor gaan down-reguleren, mogelijk omdat botweefsel de afgifte van Y-neuropeptide niet kan remmen, wat leidt tot overmatige stimulatie van de Y1-receptor en botmineralisatie bevordert, wat voor de behandeling van botmassa kan zijn. Proline-rijk tyrosine kinase 2 en focaal adhesie kinase (FAK) zijn een niet-receptor tyrosine eiwit kinase die samen de focale adhesie kinase familie vormen. Proline-rijk tyrosine kinase 2 is het kinase van het hoogste niveau in de hersenen en het hematopoietisch systeem. Vele in vitro experimenten hebben aangetoond dat proline-rijk tyrosine kinase 2 de functie en activiteit van osteoclasten reguleert. Sommige wetenschappers hebben onverwacht ontdekt dat de botvorming in PYK2-/- muizen aanzienlijk is toegenomen. In overeenstemming met deze bevinding waren het differentiatievermogen en de activiteit van osteoprogenitorcellen in het beenmerg van PYK2-/- muizen verhoogd. Bovendien kan de dagelijkse injectie van kleine proline-rijke tyrosine kinase 2 remmers in geovariectomiseerde ratten de botvorming effectief verhogen en het botverlies verminderen. Er wordt aangenomen dat proline-rijke tyrosine kinase 2 de differentiatie van vroege osteoprogenitorcellen reguleert, en proline-rijke tyrosine kinase 2 inhibitoren bevorderen de botvorming en kunnen in de toekomst gebruikt worden bij de behandeling van osteoporose. Interne fixatie is een gangbare methode voor de behandeling van fracturen, maar tegelijkertijd biedt het interne fixatieapparaat ook geschikte parasitaire ruimte voor de biofilm die nodig is voor de voortplanting van pathogenen, waardoor infectie en een andere samenloopziekte ontstaan. Ernstige infecties kunnen de genezing van fracturen vertragen en de absorptie van botweefsel stimuleren. In geval van een infectie bestaat de gebruikelijke behandeling erin het interne fixatiemiddel te verwijderen of te vervangen door externe fixatie, wat uiteraard de genezing van de breuk zal beïnvloeden of ongemak voor de patiënt zal veroorzaken. Van menselijke recombinatie van botproteïne-1 (rhOP-1, ook bekend als BMP7) is aangetoond dat het nieuwe botvorming induceert in botdefecten van kritieke omvang bij muizen met een acute infectie. Sommige geleerden hebben door middel van experimenten ontdekt dat het gebruik van een injectie met botmorfogenetisch eiwit de botvorming kan bevorderen als er een chronische infectie optreedt na fixatie binnen de fractuur, en dat een antibioticumbehandeling het proces kan versterken. Botmorfogenetisch eiwit kan de proliferatie en differentiatie van osteoprogenitorcellen effectief bevorderen en osteoblast-merkers tot expressie brengen. Er zijn osteoprogenitorcellen gerapporteerd in het perichondrium. Deze osteoprogenitorcellen verhogen bot morfogenetisch proteïne 2 tijdens de differentiatie in rijpe osteoblasten die een botmatrix produceren, en bot morfogenetisch proteïne 2 zelf is een krachtige inducer van osteogenese. Effect van de extracorporale schokgolf op osteoprogenitorcellen: Extracorporale schokgolven worden al meer dan 20 jaar gebruikt bij de behandeling van nierstenen. De laatste jaren worden schokgolven ook toegepast bij de behandeling van fracturen. Momenteel geloven de meeste geleerden dat de osteogenese van schokgolven veroorzaakt wordt door het bevorderen van de expressie van één of meerdere cytokines. Wang et al. bestudeerden de effecten van schokgolven op beenmerg mesenchymale progenitorcellen. In deze studie werden beenmergstroma en hematopoietische cellen verzameld om de impact van schokgolven op het rattendijbeen te beoordelen, waarbij kolonieprogenitorcellen (CFU-F en CFU-O), granulocyten, rode bloedcellen, monocyten, en megakaryocyten werden gevormd. Tegelijkertijd werden de alkalische fosfatase-activiteit en de hoeveelheid transformerende groeifactor β1 die in de gekweekte beenmergstromale cellen werd geproduceerd, gemeten. Uit de resultaten blijkt dat de meest ideale schokgolfparameter 500 pulsen, 0,06 mg/mm2 is, die de groei van CFU2F en CFU2O beter kan bevorderen. De alkalische fosfatase activiteit werd 1173 keer verhoogd met P2 nitrophenol. Uit het experiment bleek ook dat de schokgolf werd versterkt door de energiedichtheid van 0,16 mg/mm2, de dosis van 500, en de expressie van transformerende groeifactor β1 werd versterkt. Na 12 dagen vormden de osteoprogenitorcellen kolonies, wat bevestigde dat de transformerende groeifactor β1 de beenmergstromale cellen in de schokgolf bevorderde. Het speelt een belangrijke rol in de transformatie van osteoprogenitor cellen. Daarom werden de biologische effecten van schokgolven op osteoprogenitorcellen en botvorming bestudeerd. De rol van gap junctions tussen endotheelcellen en osteoprogenitorcellen in osteogenese is aangetoond als een gekoppeld proces van angiogenese en botweefselontwikkeling en -rijping. De nauwe relatie tussen vasculair endotheel en osteoblasten en osteoblasten suggereert dat endotheelcellen (ECs) een belangrijke rol spelen in het reguleren van botvorming en botfunctie. Sommige wetenschappers hebben vastgesteld dat de gap junction tussen endotheelcellen en osteoprogenitorcellen een sleutelfactor is in het versterken van de osteogene activiteit van osteoprogenitorcellen. Op basis hiervan hebben andere wetenschappers voorgesteld dat endotheelcellen bot morfogenetisch proteïne 2 tot expressie kunnen brengen en het osteogeen vermogen van osteoprogenitorcellen kunnen versterken. Dit effect vereist een nauwe verbinding tussen endotheelcellen en osteoprogenitorcellen. Vaak wordt de vorming van nieuw bot beperkt door een gebrek aan bloedvaten in het weefsel. Om dit probleem op te lossen, hopen onderzoekers angiogenese te bevorderen door gebruik te maken van angiogene factoren. Er zijn geen rapporten van tissue engineering botvorming door endotheelceltransplantatie, de impact van deze complexe interactie tussen endotheelcellen en osteoprogenitorcellen op osteogenese verdient verder onderzoek.
- 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. Efficiënte afleiding van osteoprogenitorcellen uit geïnduceerde pluripotente stamcellen voor botregeneratie. International Orthopaedics. 2014, 38(9):1779-1785.