Forskningsområde

Introduktion och funktion för osteoprogenitor

Osteoprogenitorceller, även kända som osteoblaster, har fått sitt namn på grund av sin förmåga till självförsörjning och självförnyelse. Stamceller kan delas upp i två stamceller eller två riktade progenitorceller genom en hög grad av regleringsmekanism. Cellförnyelsen är noggrann och stamcellerna är relativt statiska under hela proliferationsprocessen. Cellen slutför uppgiften med DNA-syntes och cellutvidgning och behåller sin ursprungliga genetiska information, samtidigt som den kontinuerligt producerar progenitorceller, den varken förökar sig eller differentierar sig själv. Den kan differentiera till osteoblaster under induktion av kulturmedium som innehåller dexametason, askorbinsyra och glycerolfosfat. Under differentieringsprocessen kan karakteristiska bencellsegenskaper framträda: syntes av kollagen typ I, uttryck av alkaliskt fosfatas, utsöndring av benkalcium och hydroxyapatitdeposition. I de nuvarande studierna av benvävnadsteknik finns det många rapporter om osteogena celler, men det finns relativt få studier om osteoprogenitorceller som kan föröka sig, differentiera sig till osteogena celler och så småningom bilda ben. Genom att förstå de biologiska egenskaperna hos progenitorcellerna och några relativt nya forskningsframsteg kan vi ge några nya idéer och sätt i behandlingen av reparation av defekter eller osteoporos i benvävnad.

Kännetecken hos osteoprogenitorceller

Kännetecken hos differentieringsstadiet hos osteoprogenitorceller: Osteoblaster som härstammar från mesenkymala osteoprogenitorceller och spelar en viktig roll i osteogenesen. När dessa celler introduceras i bendefektområdet hos vuxna djur kan de främja benbildning, så det är tydligt att funktionen och differentieringsprocessen hos osteoprogenitorer gör det möjligt för oss att få en djupare förståelse för benvävnadens metabolism. Det har rapporterats att benprogenitorceller erhålls genom att man smälter fosterråttans skalle med tidsbestämda och kontinuerliga enzymer. Osteoprogenitorceller är mycket känsliga för dexametason och uttrycket av markörer för benbildning ökar under induktion av dexametason. Det bekräftades genom test av alkalisk fosfatasaktivitet och kalkavlagring att den första till tredje generationen av celler från fosterråttskalle med enzymer reagerade väl på dexametason. Detta tyder på att de är osteoprogenitorer belägna på periost och benytan och omogna osteoblaster. Den tredje generationens celler kan bilda det största antalet benknölar, vilket tyder på att detta är det största antalet osteoprogenitorceller. Den första generationen är den mest proliferativa osteoprogenitorcellen. Omvänt har den fjärde generationens enzymbildning av skallceller från fosterråttor ett dåligt svar på dexametason. Experimentet visar att uttrycket av glukokortikoidreceptorn i benceller är lägre än i osteoprogenitorceller och osteoblaster, vilket tyder på att den fjärde och femte generationen av enzymernas digestion av fetala råttskalleceller huvudsakligen omfattar benceller. Åldersrelaterade förändringar i osteoprogenitorceller: I studier av åldersrelaterade förändringar hos osteoblaster fann man att den benbildande förmågan hos stromaceller från mänsklig benmärg inte var relaterad till åldern. Antalet stromaceller hos äldre och unga vuxna är i princip likadant när det gäller in vitro-odling. Den minskade benbildningsförmågan hos äldre beror på förändringar i individens inre miljö som minskar den osteogena potentialen hos osteoprogenitorcellerna. Med stigande ålder försvagades osteoprogenitorcellernas proliferativa kapacitet gradvis, men antalet minskade inte nämnvärt. Osteoprogenitorceller i åldrade möss är mindre känsliga för mitogena resultat inducerade av basisk fibroblasttillväxtfaktor än unga råttor.

Reglering av osteoprogenitorceller

Då osteoprogenitorceller spelar en viktig roll i benbildningen, är regleringen av osteoprogenitorceller särskilt viktig. Y-neuropeptid typ 2-receptorer på osteoprogenitorceller: Traditionellt sett regleras benbildningsprocessen huvudsakligen av det endokrina systemet och lokala faktorer som cytokiner och tillväxtfaktorer. Detta synsätt håller dock gradvis på att förändras. Det finns allt fler bevis för att neurocytokiner i benvävnad också kan förändra bencellsaktiviteten. Studier har bekräftat att nervceller som kommer in i benvävnaden är förknippade med hypotalamus, vilket stämmer överens med den villkorliga borttagningen av Y-neuropeptid typ 2-receptorerna. Y-neuropeptid-immunoreaktiva fibrer har visat sig finnas i benmärg, periosteum och benvävnad. Studier har visat att antalet osteoprogenitorceller som härstammar från Y2-/- möss och deras osteogena kapacitet är ökad. Samtidigt kan avsaknaden av Y2-receptorn leda till att stromacellerna nedreglerar Y1-receptorn, möjligen på grund av att benvävnad inte kan hämma frisättningen av Y-neuropeptidåterkoppling, vilket leder till överdriven stimulering av Y1-receptorn och främjar benmineralisering, vilket kan vara för behandling av benmassa. Prolinrikt tyrosinkinas 2 och focal adhesion kinase (FAK) är ett icke-receptortyrosinproteinkinas som tillsammans bildar focal adhesion kinase-familjen. Prolinrikt tyrosinkinas 2 är det kinas på högsta nivå i hjärnan och det hematopoetiska systemet. Många in vitro-experiment har visat att prolinrikt tyrosinkinas 2 reglerar osteoklasternas funktion och aktivitet. Vissa forskare har oväntat funnit att PYK2-/- musens benbildning har ökat betydligt. I överensstämmelse med detta fynd ökade differentieringsförmågan och aktiviteten hos osteoprogenitorceller i benmärgen hos PYK2-/- möss. Dessutom kan daglig injektion av små prolinrika tyrosinkinasin 2-hämmare i ovariektomerade råttor effektivt öka benbildningen och minska benförlusten. Man tror att prolinrikt tyrosinkinas 2 reglerar differentieringen av tidiga osteoprogenitorceller, och prolinrikt tyrosinkinas 2-hämmare främjar benbildning och kan användas vid behandling av osteoporos i framtiden. Intern fixering är en vanlig metod för behandling av frakturer, men samtidigt ger den interna fixeringsanordningen också lämpligt parasitutrymme för den biofilm som krävs för patogenförökning, vilket orsakar infektion och en annan samsjuklighetssjukdom. Allvarliga infektioner kan fördröja läkning av frakturer och stimulera absorption av benvävnad. I händelse av en infektion är den vanliga behandlingen att ta bort den interna fixeringsanordningen eller ändra den till extern fixering, vilket naturligtvis kommer att påverka läkningen av frakturen eller orsaka obehag för patienten. Human recombination of bone protein-1 (rhOP-1, även känd som BMP7) har visat sig inducera ny benbildning i bendefekter av kritisk storlek hos möss med akut infektion. Vissa forskare har genom experiment funnit att användning av injektion av benmorfogenetiskt protein kan främja benbildning om kronisk infektion uppstår efter fixering inom frakturen, och antibiotikabehandling kan förstärka processen. Benmorfogenetiskt protein kan effektivt främja proliferation och differentiering av osteoprogenitorceller och uttrycka osteoblastmarkörer. Osteoprogenitorceller har rapporterats i perichondriet. Dessa osteoprogenitorceller uppreglerar benmorfogenetiskt protein 2 under differentieringen till mogna osteoblaster som producerar en benmatris, och benmorfogenetiskt protein 2 är i sig självt en potent inducerare av osteogenes. Effekten av extrakorporeala stötvågor på osteoprogenitorceller: Extrakorporeal stötvåg har använts vid behandling av njursten i mer än 20 år. På senare år har chockvågor använts för behandling av frakturläkning. För närvarande anser de flesta forskare att stötvågarnas osteogenes orsakas av att uttrycket av ett eller flera cytokiner främjas. Wang et al. studerade effekterna av stötvågor på benmärgens mesenkymala progenitorceller. I den här studien samlades benmärgsstroma och hematopoietiska celler in för att bedöma stötvågarnas inverkan på råttans lårben, som bildar koloniprogenitorceller (CFU-F och CFU-O), granulocyter, röda blodkroppar, monocyter och megakaryocyter. Samtidigt mättes den alkaliska fosfatasaktiviteten och mängden transforming growth factor β1 som producerades i de odlade benmärgsstromacellerna. Resultaten visar att den mest idealiska stötvågsparametern är 500 pulser, 0,06 mg/mm2, vilket bättre kan främja tillväxten av CFU2F och CFU2O. Den alkaliska fosfatasaktiviteten ökade med 1173 gånger med P2 nitrofenol. Experimentet visade också att chockvågen förstärktes av energitätheten 0,16 mg/mm2, dosen 500, och uttrycket av transformerande tillväxtfaktor β1 stärktes. Efter 12 dagar bildade osteoprogenitorcellerna kolonier, vilket bekräftade att transformerande tillväxtfaktor β1 främjade benmärgens stromaceller i stötvågen. Den spelar en viktig roll i omvandlingen av osteoprogenitorceller. Därför har de biologiska effekterna av chockvågor på osteoprogenitorceller och benbildning studerats. Gap junctions roll mellan endotelceller och osteoprogenitorceller i osteogenesen har visat sig vara en kopplad process av angiogenes och utveckling och mognad av benvävnad. Det nära sambandet mellan vaskulärt endotel och osteoprogenitorceller och osteoblaster tyder på att endotelceller (EC) spelar en viktig roll i regleringen av benbildning och benfunktion. Vissa forskare har funnit att gap junction mellan endotelceller och osteoprogenitorceller är en nyckelfaktor för att öka den osteogena aktiviteten hos osteoprogenitorceller. På grundval av detta har andra forskare föreslagit att endotelceller kan uttrycka benmorfogenetiskt protein 2 och förbättra osteoprogenitorcellernas osteogena förmåga. För denna effekt krävs en direktörens täta koppling mellan endotelceller och osteoprogenitorceller. Många gånger begränsas bildandet av nytt ben av bristen på blodkärl i vävnaden. För att lösa detta problem hoppas forskarna kunna främja angiogenes genom att använda angiogena faktorer. Det finns inga rapporter om vävnadsteknisk benbildning genom transplantation av endotelceller, effekten av detta komplexa samspel mellan endotelceller och osteoprogenitorceller på osteogenesen förtjänar ytterligare undersökningar.

1. Ibrahim A, Bulstrode N W, Whitaker I S, et al. Nanotechnology for Stimulating Osteoprogenitor Differentiation. Open Orthopaedics Journal. 2016, 10(Suppl-3, M5):849.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Dogaki Y, Lee S Y, Niikura T, et al. Effektiv derivation av osteoprogenitorceller från inducerade pluripotenta stamceller för benregenerering. International Orthopaedics. 2014, 38(9):1779-1785.