Wprowadzenie i funkcja Osteoprogenitor
Komórki osteoprogenitorowe, znane również jako osteoblasty, są nazwane dla ich zdolności do samopodtrzymywania i samoodnawiania. Komórki macierzyste mogą być podzielone na dwie komórki macierzyste lub dwie kierowane komórki progenitorowe przez wysoki stopień mechanizmu regulacji. Odnowa komórek jest dokładna, a komórki macierzyste są stosunkowo statyczne podczas całego procesu proliferacji. Komórka kończy zadanie syntezy DNA i ekspansji komórkowej i zachowuje swoją oryginalną informację genetyczną, podczas gdy stale produkuje komórki progenitorowe, nie proliferuje ani nie różnicuje się. Może różnicować się w osteoblasty pod wpływem indukcji podłoża hodowlanego zawierającego deksametazon, kwas askorbinowy i fosforan glicerolu. W procesie różnicowania mogą pojawić się charakterystyczne cechy komórek kostnych: synteza kolagenu typu I, ekspresja fosfatazy alkalicznej, wydzielanie wapnia kostnego i odkładanie hydroksyapatytu. W obecnych badaniach nad inżynierią tkanki kostnej istnieje wiele doniesień na temat komórek osteogennych, natomiast stosunkowo niewiele badań dotyczy komórek osteoprogenitorowych, które mogą proliferować, różnicować się w komórki osteogenne i ostatecznie tworzyć kość. Poprzez zrozumienie cech biologicznych komórek progenitorowych i niektórych stosunkowo nowych postępów badawczych, możemy dostarczyć kilka nowych pomysłów i sposobów w leczeniu naprawy defektów lub osteoporozy tkanki kostnej.
Właściwości komórek osteoprogenitorowych
Charakterystyka etapu różnicowania komórek osteoprogenitorowych: Osteoblasty wywodzą się z mezenchymalnych komórek osteoprogenitorowych i odgrywają główną rolę w osteogenezie. Kiedy te komórki są wprowadzane do obszaru defektu kostnego u dorosłych zwierząt, mogą promować tworzenie kości, więc jest jasne, że funkcja i proces różnicowania osteoprogenitorów pozwala nam na głębsze zrozumienie metabolizmu tkanki kostnej. Stwierdzono, że komórki progenitorowe kości uzyskuje się poprzez trawienie czaszki szczura płodowego enzymami o określonym czasie i ciągłości. Komórki osteoprogenitorowe są bardzo wrażliwe na deksametazon, a ekspresja markerów kościotworzenia jest zwiększona pod wpływem indukcji deksametazonem. Potwierdzono testem aktywności fosfatazy alkalicznej i odkładania wapnia, że pierwsze do trzecich generacji trawionych enzymatycznie komórek czaszki płodowego szczura dobrze reagują na deksametazon. Świadczy to o tym, że są one osteoprogenitorami zlokalizowanymi na okostnej i powierzchni kości oraz niedojrzałymi osteoblastami. Komórki trzeciej generacji mog± tworzyć największ± liczbę guzków kostnych, co wskazuje, że jest to największa liczba komórek osteoprogenitorowych. Pierwsza generacja jest najbardziej proliferacyjną komórką osteoprogenitorową. I odwrotnie, czwarta generacja enzymatycznie trawiona z komórek czaszki płodowego szczura słabo reaguje na deksametazon. Eksperyment pokazuje, że ekspresja receptora glukokortykoidu w komórkach kostnych jest niższa niż w komórkach osteoprogenitorowych i osteoblastach, co wskazuje, że czwarta i piąta generacja enzymów trawiących komórki czaszki płodowego szczura obejmuje głównie komórki kostne. Zmiany w komórkach osteoprogenitorowych związane z wiekiem: W badaniach nad związanymi z wiekiem zmianami w osteoblastach stwierdzono, że zdolność kościotwórcza komórek stromalnych ludzkiego szpiku kostnego nie była związana z wiekiem. Liczba komórek stromalnych u osób starszych i młodych dorosłych jest w zasadzie podobna w warunkach hodowli in vitro. Zmniejszona zdolność kościotworzenia u osób starszych wynika ze zmian w środowisku wewnętrznym człowieka, które obniżają potencjał osteogenny komórek osteoprogenitorowych. Wraz z wiekiem zdolność proliferacyjna komórek osteoprogenitorowych ulegała stopniowemu osłabieniu, ale ich liczba nie zmniejszała się istotnie. Komórki osteoprogenitorowe u starzejących się myszy są mniej wrażliwe na wyniki mitogenne indukowane przez podstawowy czynnik wzrostu fibroblastów niż u młodych szczurów.
Regulacja komórek osteoprogenitorowych
Ponieważ komórki osteoprogenitorowe odgrywają ważną rolę w tworzeniu kości, regulacja komórek osteoprogenitorowych jest szczególnie ważna. Receptory Y-neuropeptydu typu 2 na komórkach osteoprogenitorowych: Tradycyjnie proces tworzenia kości jest regulowany głównie przez układ endokrynny i czynniki lokalne, takie jak cytokiny i czynniki wzrostu. Pogląd ten ulega jednak stopniowej zmianie. Pojawia się coraz więcej dowodów na to, że neurocytokiny w tkance kostnej mogą również zmieniać aktywność komórek kostnych. Badania potwierdziły, że komórki nerwowe wnikające do tkanki kostnej są związane z podwzgórzem, co jest zgodne z warunkową delecją receptorów dla neuropeptydu Y typu 2. Wykazano, że włókna immunoreaktywne dla neuropeptydu Y są obecne w szpiku kostnym, okostnej i tkance kostnej. Badania wykazały, że liczba komórek osteoprogenitorowych pochodzących od myszy Y2-/- oraz ich zdolność osteogenna jest zwiększona. Jednocześnie brak receptora Y2 może powodować, że komórki zrębu obniżają regulację receptora Y1, prawdopodobnie dlatego, że tkanka kostna nie może hamować uwalniania zwrotnego neuropeptydu Y, co prowadzi do nadmiernej stymulacji receptora Y1 i promuje mineralizację kości, co może mieć zastosowanie w leczeniu masy kostnej. Bogata w prolinę kinaza tyrozynowa 2 i ogniskowa kinaza adhezyjna (FAK) są niereceptorowymi tyrozynowymi kinazami białkowymi, które razem tworzą rodzinę ogniskowych kinaz adhezyjnych. Bogata w prolinę kinaza tyrozynowa 2 jest kinazą najwyższego poziomu w mózgu i układzie krwiotwórczym. Wiele eksperymentów in vitro wykazało, że bogata w prolinę kinaza tyrozynowa 2 reguluje funkcję i aktywność osteoklastów. Niektórzy badacze nieoczekiwanie odkryli, że tworzenie kości u myszy PYK2-/- znacznie się zwiększyło. Zgodnie z tym odkryciem, zdolność do różnicowania i aktywność komórek osteoprogenitorowych w szpiku kostnym myszy PYK2-/- zostały wzmocnione. Ponadto, codzienne wstrzykiwanie małych, bogatych w prolinę inhibitorów kinazy tyrozynowej 2 u szczurów poddanych ovariektomii może skutecznie zwiększyć tworzenie kości i zmniejszyć utratę kości. Uważa się, że bogata w prolinę kinaza tyrozynowa 2 reguluje różnicowanie wczesnych komórek osteoprogenitorowych, a inhibitory bogatej w prolinę kinazy tyrozynowej 2 promują tworzenie kości i mogą być stosowane w leczeniu osteoporozy w przyszłości. Fiksacja wewnętrzna jest powszechną metodą leczenia złamań, ale w tym samym czasie, urządzenie do fiksacji wewnętrznej zapewnia również odpowiednią przestrzeń pasożytniczą dla biofilmu wymaganego do reprodukcji patogenu, powodując w ten sposób infekcję i inną chorobę współistniejącą. Ciężkie infekcje mogą opóźnić gojenie się złamań i stymulować wchłanianie tkanki kostnej. W przypadku infekcji, zwykłym postępowaniem jest usunięcie urządzenia do fiksacji wewnętrznej lub zmiana na fiksację zewnętrzną, co oczywiście wpływa na gojenie się złamania i powoduje dyskomfort pacjenta. Wykazano, że ludzka rekombinacja białka kostnego-1 (rhOP-1, znana również jako BMP7) indukuje tworzenie nowej kości w krytycznej wielkości ubytkach kostnych u myszy z ostrą infekcją. Niektórzy uczeni stwierdzili w drodze eksperymentów, że stosowanie iniekcji białka morfogenetycznego kości może promować tworzenie kości w przypadku wystąpienia przewlekłego zakażenia po utrwaleniu w obrębie złamania, a leczenie antybiotykami może wzmocnić ten proces. Białko morfogenetyczne kości może skutecznie promować proliferację i różnicowanie się komórek osteoprogenitorowych i wyrażać markery osteoblastów. Komórki osteoprogenitorowe występują w perichondrium. Te komórki osteoprogenitorowe podwyższają poziom białka morfogenetycznego kości 2 podczas różnicowania się w dojrzałe osteoblasty, które wytwarzają macierz kostną, a samo białko morfogenetyczne kości 2 jest silnym induktorem osteogenezy. Wpływ pozaustrojowej fali uderzeniowej na komórki osteoprogenitorowe: Pozaustrojowa fala uderzeniowa jest stosowana w leczeniu kamicy nerkowej od ponad 20 lat. W ostatnich latach fale uderzeniowe znalazły zastosowanie w leczeniu gojenia się złamań. Obecnie większość naukowców uważa, że osteogeneza fali uderzeniowej jest spowodowana przez promowanie ekspresji jednej lub kilku cytokin. Wang i wsp. badali wpływ fal uderzeniowych na mezenchymalne progenitorowe komórki szpiku kostnego. W tym badaniu pobrano komórki zrębu szpiku kostnego i komórki krwiotwórcze, aby ocenić wpływ fal uderzeniowych na kość udową szczura, tworząc komórki progenitorowe kolonii (CFU-F i CFU-O), granulocyty, krwinki czerwone, monocyty i megakariocyty. Jednocześnie mierzono aktywność fosfatazy alkalicznej oraz ilość transformującego czynnika wzrostu β1 produkowanego w hodowanych komórkach zrębu szpiku kostnego. Wyniki pokazują, że najbardziej idealnym parametrem fali uderzeniowej jest 500 impulsów, 0,06 mg/mm2, co może lepiej promować wzrost CFU2F i CFU2O. Aktywność fosfatazy alkalicznej została zwiększona o 1173 razy z P2 nitrofenolem. W eksperymencie stwierdzono również, że fala uderzeniowa została wzmocniona przez gęstość energii 0,16 mg/mm2, dawkę 500, a ekspresja transformującego czynnika wzrostu β1 została wzmocniona. Po 12 dniach komórki osteoprogenitorowe tworzyły kolonie, co potwierdziło, że transformujący czynnik wzrostu β1 promował komórki zrębu szpiku kostnego w fali uderzeniowej. Odgrywa on ważną rolę w transformacji komórek osteoprogenitorowych. Dlatego też badano biologiczny wpływ fali uderzeniowej na komórki osteoprogenitorowe i tworzenie kości. Wykazano, że rola połączeń typu gap junctions pomiędzy komórkami śródbłonka a komórkami osteoprogenitorowymi w osteogenezie jest sprzężonym procesem angiogenezy oraz rozwoju i dojrzewania tkanki kostnej. Ścisły związek między śródbłonkiem naczyniowym a osteoblastami i osteoblastami sugeruje, że komórki śródbłonka (ECs) odgrywają ważną rolę w regulacji tworzenia i funkcji kości. Niektórzy uczeni stwierdzili, że gap junction pomiędzy komórkami śródbłonka a komórkami osteoprogenitorowymi jest kluczowym czynnikiem zwiększającym aktywność osteogenną komórek osteoprogenitorowych. Na tej podstawie inni uczeni zaproponowali, że komórki śródbłonka mogą ulegać ekspresji białka morfogenetycznego kości 2 i wzmacniać osteogenną zdolność komórek osteoprogenitorowych. Efekt ten wymaga istnienia ścisłego połączenia między komórkami śródbłonka a komórkami osteoprogenitorowymi. W wielu przypadkach tworzenie się nowej kości jest ograniczone przez brak naczyń krwionośnych w tkance. Aby rozwiązać ten problem, badacze mają nadzieję na promowanie angiogenezy poprzez zastosowanie czynników angiogennych. Nie było doniesień na temat tworzenia kości w inżynierii tkankowej poprzez przeszczep komórek śródbłonka, wpływ tej złożonej interakcji pomiędzy komórkami śródbłonka i komórkami osteoprogenitorowymi na osteogenezę zasługuje na dalsze badania.
- 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.