Histogeneza tkanki kostnej

Histogeneza tkanki kostnej Tkanka kostna powstaje na dwa sposoby: A. Kość śródchrzęstna (endochondralna) powstaje na drodze kondensacji komórek mezenchymatycznych, procesu, który indukuje ekspresję fenotypu chrzęstnego. Powstająca chrząstka tworzy tymczasowy model przyszłej kości. Chrząstka ta ulega wapnieniu i zostaje stopniowo zastępowana tkanką kostna, odkładająca się na powierzchni przegród zwapniałej macierzy chrzęstnej. W ten sposób powstają pierwotne beleczki chrzęstno-kostne, zawierające we wnętrzu barwiące się metachromatycznie elementy chrzęstne, powleczone macierzą kostną i okryte komórkami kościotwórczymi osteoblastami (ryc. 1). Te pierwotne beleczki chrzęstno-kostne są usuwane przez komórki żerne kości osteoklasty, które wnikają do pierwotnych punktów kostnienia wraz z naczyniami, doprowadzającymi również komórki mezenchymatyczne, będące progenitorami dla szpiku i komórek kościotwórczych osteoblastów. Osteoklasty resorbują pierwotne beleczki, a na ich miejscu osteoblasty wytwarzają wtórne beleczki kostne, pozbawione już komponenty chrzęstnej. Na tym etapie osteogenezy beleczki kostne są zbudowane z tzw. kości splotowatej (ang. woven bone), w której włókna macierzy są ułożone nieregularnie, chaotycznie. Przebudowa takiej kości polega na usuwaniu kości splotowatej i zastępowaniu jej blaszkami kostnymi strukturami o regularnie ułożonych elementach zmineralizowanej macierzy, które w sąsiadujących warstwach blaszek kostnych przebiegają pod kątem. Blaszki te tworzą beleczki kostne kości gąbczastej (nasady kości, przestrzenie pomiędzy płytkami brzeżnymi kości płaskich) lub kość zbitą, systemową, składającą się ze strukturalnych jednostek zwanych osteonami lub systemami Haversa. Układ blaszek kostnych przypomina strukturę sklejki, gdzie włókna poszczególnych warstw przebiegają pod kątem. Badania ostatnich lat z zastosowaniem mikroskopii polaryzacyjnej oraz elektronowej zmieniły jednak dotychczasowy pogląd na temat organizacji przestrzennej włókien kolagenowych w blaszkach kostnych. Okazało się, Ryc. 1. Pierwotne beleczki kostne powstałe w procesie kościotworzenia śródchrzęstnego. Wnętrze beleczek zawiera resztki zwapniałej macierzy chrzęstnej, oblane osteoidem. Na powierzchni beleczek widoczne duże komórki kościotwórcze osteoblasty. W macierzy kostnej widoczne osteocyty wewnątrz jamek kostnych (materiał własny). Ryc. 2. Beleczki kostne wytworzone w mechanizmie tzw. kostnienia śródbłoniastego lub mezenchymatycznego. Beleczki kostne nie zawierają elementów macierzy chrzęstnej (materiał własny). 282

2009, 62, 4 Budowa i czynność tkanki kostnej że blaszkowatość kości nie zależy od naprzemiennie, różnego kierunku przebiegu włókien (podłużnego, poprzecznego lub spiralnego), lecz jest wynikiem naprzemiennie gęstych kolagenowo i ubogich we włókna kolagenowe (luźnych) blaszek, zaś przebieg włókien w obu typach blaszek jest zawsze splotowaty. Jamki osteocytarne są zlokalizowane wyłącznie na obszarze blaszek o luźnym utkaniu włókien [23, 26]. System Haversa składa się z kanału, w którym przebiega naczynie oraz nerw, a także znajdują się komórki mezenchymatyczne, mogące różnicować się w osteoblasty. Istnieją doniesienia, oparte na pośrednich dowodach, że hypertroficzne chondrocyty, najbardziej dojrzała i terminalna postać komórek chrząstki szklistej mogą ulegać przeróżnicowaniu (transdyferencjacji) w komórki kościotwórcze za pomocą mechanizmu indukcji osteogenezy heterotopowej, w niektórych obszarach chrząstki nasadowej [11, 42]. B. Kość błoniasta powstaje także na drodze kondensacji komórek mezenchymatycznych, która indukuje u nich ekspresje fenotypu kostnego, bez komponenty chrzęstnej. Ten typ kościotworzenia, zwany jest również kostnieniem na podłożu łącznotkankowym lub kostnieniem mezenchymatycznym (ryc. 2). Są to jednak określenia niewłaściwe, sugerujące, że tylko kości płaskie (błoniaste) są produktem komórek mezenchymatycznych, różnicujących się w preosteoblasty i osteoblasty, zaś kostnienie typu endochondralnego odbywa się bez udziału komórek mezenchymalnych. A przecież tkanka kostna powstająca na podłożu chrzęstnym jest także produktem różnicujących się komórek mezenchymalnych! Kostnienie typu błoniastego zachodzi również w mechanizmie kostnienia kości długich na podłożu chrzęstnym. Ten typ kostnienia prowadzi do powstania tzw. mankietu kostnego beleczek kostnych będących wytworem przeróżnicowania się błony ochrzęstnowej w błonę okostnową [9]. Kostnienie odokostnowe w histogenezie kości długich jest kostnieniem typu łącznotkankowego, ale po urodzeniu pourazowe pobudzenie błony okostnowej prowadzi do powstania tzw. blizny kostnej (callus), która jest manifestacją obu typów kostnienia, tj. endochondralnego oraz błoniastego. Należy nadmienić, że kości trzewioczaszki i głowy powstające z komórek grzebienia nerwowego, są pochodzenia ektodermalnego [10]. Szkielet kostny zbudowany jest z obu typów tkanki kostnej kości uformowanej w beleczki (tzw. kość gąbczasta) oraz z kości blaszkowatej (zbitej), tworzącej systemy Haversa. Kości gąbczasta i zbita u ludzi nie są jednorodne pod względem zawartości biochemicznych markerów kości niekolagenowych białek; osteonektyny i osteopontyny. Kość zbita zawiera około 30 razy więcej osteokalcyny niż kość gąbczasta. Ta zaś zawiera około 30 razy więcej osteonektyny niż kość zbita [28]. Elementy komórkowe, organiczne i nieorganiczne tkanki kostnej Tkankę kostną tworzą komórki, zwane osteoblastami (lub kościotwórczymi). Ich formy spoczynkowe, terminalnie zróżnicowane osteocyty oraz produkty ich sekrecji organiczna macierz kostna (tzw. substancja międzykomórkowa), która ulega mineralizacji. Ta organiczna macierz kostna przed mineralizacją nazywana jest osteoidem. W tkance kostnej występują także komórki o aktywności osteolitycznej, działające niszcząco na tkankę kostną, powodując jej resorpcję (odpowiednik fagocytozy), zwane osteoklastami, które wywodzą się z innej linii rozwojowej, niż komórki kościotwórcze. 283

Komórki kościotwórcze osteoblasty Osteoblasty, podobnie jak inne komórki pochodzenia mezenchymatycznego (mięśniowe, adipocyty, chondroblasty, fibroblasty) różnicują się z pluripotencjalnej komórki macierzystej przybierającej szlak różnicowania się w wyspecjalizowane linie pod wpływem odpowiednich czynników transkrypcyjnych. W kości gąbczastej osteoblasty występują na powierzchni beleczek, zaś w kości zbitej wyścielają światło kanału osteonu (Haversa). Do osteoblastów zalicza się także komórki wyścielające powierzchnię jam szpikowych (ang. lining cells), a prekursorowe komórki osteoblastyczne znajdują się również wśród komórek tworzących zrąb (podścielisko) dla komórek hemopoetycznych szpiku. Aktywne osteoblasty są komórkami przypominającymi komórki nabłonkowe, o dużym jądrze i zasadochłonnej cytoplazmie. Wykazując aktywność enzymu fosfatazy zasadowej są zlokalizowane na powierzchni beleczek kostnych. Spoczynkowe komórki kostne osteocyty Osteocyty otoczone macierzą kostną mają tuziny wypustek długości około 35 µm, o średnicy 0,15 µm, które tworzą połączenia z wypustkami innych osteocytów lub z komórkami znajdującymi się na powierzchni kości. Stykanie się błon komórkowych osteoblastów oraz wypustek osteocytarnych odbywa się za pomocą połączeń jonowo-metabolicznych (ang. gap junction) [32]. Połączenie takie przypomina okrągłą wysepkę poprzebijaną setkami otworków, utworzonych przez podjednostki białkowe, przechodzące przez błonę komórkową, zwane koneksonami. Koneksony jednej błony łączą się z koneksonami błony przylegającej wypustki lub komórki, umożliwiając przechodzenie między komórkami małych cząsteczek sygnałowych. Przewodnictwo elektryczne tych połączeń jest pochodną liczby kanałów (koneksonów), przewodnictwa pojedynczego koneksonu oraz czasu trwania ich otwarcia [43]. Elementy osteoidu macierzy międzykomórkowej kości Macierz kostna, produkt wydzielniczy osteoblastów, składa się z części upostaciowanej włókien kolagenowych (osseinowych) zbudowanych z potrójnej helisy tropokolagenu oraz z różnych białek niekolagenowych, proteoglikanów i enzymów, tworzących tzw. amorficzną substancję podstawową [29]. Kolagen Kolagen typu I stanowi główne białko strukturalne kości. Wydzielane w postaci propeptydu po uprzedniej glikozylacji reszt lizyny i hydroksylizyny, poza komórkami ulega agregacji tworząc linijne struktury o stałej periodyczności, nadając włóknom charakterystyczne prążkowanie. Cząsteczki kolagenu są połączone wiązaniami krzyżowymi hydropyridinolowymi. Ich obecność wykorzystuje się do oceny degradacji kolagenu kości jako markera resorpcji. Kolagen typu I oprócz swych funkcji mechanicznych nadawania struktury i elastyczności tkance kostnej, jest także miejscem wiązania różnych niekolagenowych białek, inicjujących i regulujących odkładanie minerału [29]. Proteoglikany Są to wielkocząsteczkowe związki, zbudowane z trzonu białkowego, do którego przyłączają się długie łańcuchy powtarzajacych się dwucukrów, często usiarczonych, zwane glikozaminoglikanami. Proteoglikany różnią się masą cząsteczkową oraz charakterem cukru glikozaminoglikanów: Agrekan, dla którego glikozaminoglika- 284

2009, 62, 4 Budowa i czynność tkanki kostnej nem jest siarczan chondroityny, główny proteoglikan chrząstki szklistej, obecny także w kości, Dekoryna jest proteoglikanem o mniejszej masie niż agrekan, wiąże się z kolagenem I i prawdopodobnie zapobiega przedwczesnej mineralizacji osteoidu, Biglykan, także niskoczasteczkowy proteoglikan, występuje w jamkach osteocytarnych i kanalikach kostnych, co sugeruje jego zwiazek z metabolizmem osteocytów. Ekspresja biglikanu jest wprost proporcjonalna do stopnia wbudowywania wapnia do macierzy[29]. Glikoproteiny Są to białka związane kowalencyjnie z grupami cukrowymi. Do tej grupy niekolagenowych białek macierzy kostnej należą: Osteonektyna, wykazująca powinowactwo do hydroksyapatytów; uważana za inicjowanie i regulowanie mineralizacji [37], Trombospondyna, która wraz z dekoryną i osteonektyną tworzą kompleks, wiążący czynnik wzrostu TGF-β, Fibronektyna, posiadająca miejsca wiązania dla kolagenu i glikozaminoglikanów. Jest odpowiedzialna za powiązanie komórek z elementami macierzy, Osteopontyna inhibitor powstawania kryształów hydroksyapatytu, Fosfataza alkaliczna, enzym odgrywający kluczową rolę w procesie mineralizacji osteoidu, Sialoproteina (BSP), której znaczenie przypisuje się jako ośrodka nukleacji kryształów, Osteopontyna, inhibitor powstawania i elongacji kryształów hydroksyapatytu, Białka zawierające kwas gamma karboksyglutaminowy (gla), zależne od witaminy K, Osteokalcyna, marker funkcji osteoblastów, jest białkiem, regulującym wielkość kryształów, a także sprzęga funkcję osteoblastów i osteoblastów, rekrutując te ostatnie, Białka macierzy gla (MPG), prawdopodobnie odpowiedzialne za wapnienie komórek, prowadzące do ich śmierci. Wyżej wymienione białka nie wyczerpują pełnej listy. Macierz kostna zawiera inne enzymy (metaloproteinazy), związki lipidowe, oraz szereg czynników wzrostu. Należy podkreślić, że ekspresję wymienionych tu elementów macierzy wykazuje bardzo wiele innych, niż osteoblasty, komórek. Znaczenie tych białek wykracza znacznie poza biologię tkanki kostnej [29]. Białka Morfogenetyczne Kości (ang. Bone Morphogenetic Proteins BMP) Macierz kostna (osteoid) zawiera, oprócz białek strukturalnych, wiele czynników wzrostu (tab. 1), które stanowią znikomą frakcję macierzy organicznej kości (poniżej 0,1% masy) wywierającą niezwykle silny efekt na komórki osteogenne. Białka te, uwalniane z macierzy kości w przebiegu normalnych procesów osteoklastycznej resorpcji kości oddziałują na komórki progenitorowe osteogenezy, wprowadzając je na drogę różnicowania osteoblastycznego. Dzięki temu mechanizmowi procesy resorpcji kości zostają sprzężone z procesem osteogenezy [32]. Tym czynnikom wzrostu, występującym w macierzy kostnej i zębinie, Urist [38] nadał nazwę morfogenetycznych białek kości (ang. bone morphogenetic proteins BMP). Stanowią one rodzinę 12 białek, należących do nadrodziny transformującego czynnika wzrostu (TGF β). Dziewięć spośród nich jest zdolnych do indukowania kościotworzenia poza układem szkieletowym (tzw. osteogeneza ektopowa). 285

T a b e l a I. Główne składniki organiczne kości Białko kd Frakcja Funkcja Kolagen typu I 320 90% główne białko strukturalne typu V, VIII, XII < 1% związane z typem I Osteokalcyna (gla) 6,5 1,5% wiąże hydroksyapatyt Osteonektyna 33 2,5% wiąże wapń Fosfoproteiny: Osteopontyna Sialoproteina 32 34 0,2% 1,0% Trombospondyna 150 0,2% wiąże Ca, osteonektynę, komórki Biglykan 75 1,0% organizacja macierzy Dekoryna 120 0,2% organizowanie włókien, wiąże TGF BMP, TGF-B, PDGF <0,1% regulowanie równowagi osteogeneza/resorpcja. Gojenie się kości. kd = kilodaltony (jednostka masy molekularnej białka). Analiza sekwencji aminokwasów białek BMP pozwoliła na wyodrębnienie trzech grup: I. BMP-3 (wykazuje 43-49% identyczności z pozostałymi), II. BMP-5; BMP-6 i BMP-7 (wykazuje około 89% identyczności z pozostałymi), III. BMP-2; BMP-4, wykazującym około 92% identyczności z pozostałymi. Białka BMP różnią się pomiędzy sobą potencjałem kościotwórczym. Np. BMP-5 jest słabszym induktorem osteogenezy niż białko BMP-2. Należy jednak z całą mocą podkreślić, że białka BMP wywierają efekt plejotropowy, tzn. oddziaływują na wiele innych, niż układ kostny systemów. Faza mineralna macierzy kostnej Fazę mineralną dojrzałej macierzy kostnej stanowią niewielkie kryształy hydroksyapatytu o długości około 300 A, ułożone linijnie wzdłuż osi włókien kolagenowych. Na powierzchni tych kryształów są absorbowane jony HPO 4 --, CO 3 --, Mg ++, Na +, F -, cytryniany, wpływając na usieciowanie jonów Ca ++, PO 4 -- i OH -, tworzących kryształ i zmieniających jego krystaliczność. Tak zmodyfikowana postać kryształu ułatwia jego rozpuszczalność w stosunku do perfekcyjnych kryształów geologicznego hydroksyapatytu [29]. Ostatnie badania wykazały, że mechanizm mineralizacji macierzy rozpoczyna się w cytoplazmie komórek kościotwórczych. W cytoplazmie i w wakuolach pojawiają się kryształki minerału, które zostają na drodze egzocytozy wydzielane do przestrzeni pozakomórkowej, wzrastają wewnątrz włókien kolagenowych osiągając stopniowo postać hydroksyapatytu [30]. Inny typ mineralizacji, związany z kostnieniem endochondralnym, odbywa się z udziałem tzw. pęcherzyków macierzy (ang. matrix vesicles), błoniastych elementów wypustek cytoplazmy komórek chrzęstnych, bogatych w enzym fosfatazę zasadową [5]. Czynniki genetyczne regulujące osteogenezę Różnicowanie osteoblastów z macierzystej komórki mezenchymatycznej jest wyni- 286

2009, 62, 4 Budowa i czynność tkanki kostnej kiem zgrania się wielu procesów, regulowanych przekaźnictwem sygnałów i ekspresją genów za pośrednictwem czynników transkrypcyjnych. Główną rolę w histogenezie tkanki kostnej i różnicowaniu osteoblastów odgrywają czynniki transkrypcyjne Cbfa1 [21], beta katenina [22] oraz Osterix [19,34]. Ekspresja transkrypcyjnego czynnika Cbfa1 (core binding factor alfa 1) występuje we wszystkich komórkach osteogennych, na każdym etapie ich różnicowania od pluripotencjalnej komórki mezenchymatycznej, poprzez niedojrzałe i dojrzałe progenitory osteoblastów, preosteoblasty, dojrzałe osteoblasty do osteocytów. Wyłączanie genu Cbfa1 powoduje całkowity brak kościotworzenia na skutek zahamowania dojrzewania osteoblastów. Gen Cbfa 1 odpowiada za ekspresję markerów osteoblastów: osteokalcyny, osteopontyny, sialoproteiny kostnej, osteonektyny, fosfatazy alkalicznej oraz kolagenu typu I. Ekspresja tego genu aktywuje także komórki osteoblastyczne do produkcji ligandu RANKL, odpowiedzialnego za pobudzanie osteoklastogenezy i aktywacji dojrzałych osteoklastów [12,15]. Ekspresja innego czynnika transkrypcyjnego, odgrywającego znaczącą rolę w różnicowaniu osteoblastów beta kateniny odbywa się za pośrednictwem białek rodziny Wnt. Jest to rodzina białek regulujących wiele aspektów wzrostu, różnicowania się, czynności i śmierci komórek. Koreceptorem dla Wnt jest receptorowe białko dla lipoproteiny 5 (LRP5). Mutacja tego receptora związana jest ze zmianą masy kostnej u ludzi. Brak Wnt lub zahamowanie wiązania go z receptorem pobudza degradację B kateniny czynnika transkrypcyjnego, regulującego ekspresje genów. Z kolei związanie Wnt z receptorem pobudza aktywacje szlaku B kateniny. Sygnalizacja Wnt reguluje masę tkanki kostnej na wielu etapach: - hamowania alternatywnych dróg różnicowania komórek mezenchymalnych (adipocytów, chondrocytów, miocytów), - pobudzenia proliferacji i różnicowania się osteoblastów, - ułatwiania mineralizacji macierzy tkanki kostnej, - hamowania apoptozy osteoblastów i osteocytów, - hamowania osteoklastogenezy na drodze podwyższania syntezy osteoprotegeryny w stosunku do ligandu Rank (RANKL). Nowoopisany czynnik transkrypcyjny Osterix także jest potrzebny na etapach różnicowania się osteoblastów oraz wytwarzania elementów macierzy kostnej. Jego nadmierna ekspresja powoduje np. w komórkach satelitarnych mięśni ekspresje genów białek związanych z fenotypem osteoblastycznym i wytwarzanie mineralizującej macierzy kostnej [34]. Komórki resorbujące kość -osteoklasty Dojrzałe osteoklasty, wyspecjalizowane komórki zdolne do degradacji organicznej i nieorganicznej komponenty macierzy kostnej, powstają na drodze zlania się (fuzji) jednojądrzastych komórek prekursorowych. Mechanizmy fuzji nie są w pełni wyjaśnione, a ich poznanie pozwoli na interweniowanie w proces osteoklastogenezy, a pośrednio w procesy resorpcji kości, tak ważne z uwagi na epidemiczne rozmiary osteoporozy. Dojrzałe osteoklasty są dużymi komórkami wielojądrzastymi. W odróżnieniu od komórek ciał obcych, również wielojądrzastych, które powstają w niektórych typach reakcji zapalnych, osteoklasty są zdolne do resorbowania organicznej macierzy kostnej po jej uprzedniej demineralizacji poprzez wydzielanie protonów i jonów chloru. Osteoklast wyposażony jest w zestaw enzymów hydrolitycznych oraz w system, pozwalający na wydzielania jonów chlorowych i wodorowych 287

[3,33,41]. Jony wodorowe powstają z katalizy kwasu węglowego przez anhydrazę węglanową. Po wypłukaniu części nieorganicznej, którą stanowi hydroksyapatyt maskujący macierz organiczną, enzymy hydrolityczne mogą trawić elementy organiczne kości. Uwalnianie jonów wodorowych oraz enzymów hydrolitycznych przez osteoklasty odbywa się w biegunie komórki przylegającym do resorbowanej kości, z którą łączy się na obrzeżu za pomocą receptorów dla witronektyny [20]. Na tym biegunie występuje system uwypukleń błony komórkowej, zwany rąbkiem koronkowym. Białka adhezyjne, łączące się z sekwencjami RGD witronektyny macierzy kości uszczelniają styk osteoklastu z podłożem, umożliwiając miejscowe działanie uwalnianych drogą egzocytozy pęcherzyków lizosomalnych, zawierających enzymy proteolityczne [2,35] (ryc. 3). W polaryzację dojrzałych Ryc. 3. Schemat dojrzałego osteoklastu wielojądrzastego, zdolnego do resorpcji macierzy kostnej (materiał własny). Ryc. 4. Beleczka kostna resorbowana przez osteoklasty. Powierzchnia styku osteoklast/macierz kostna zawiera tzw. rąbek koronkowy, stanowiący pofałdowaną powierzchnię aktywnego osteoklastu (materiał własny). osteoklastów zaangażowanych jest szereg cząsteczek sygnałowych [35]. Morfologicznym wyrazem aktywności osteoklastycznej jest powstawanie od strony rąbka koronkowego ubytków macierzy kostnej, zwanych zatokami resorpcyjnymi (ryc. 4). Oprócz obecności receptorów dla witronektyny, dojrzałe osteoklasty posiadają receptory dla czynnika wzrostu monocytów M-CSF, dla kalcytoniny [20] oraz receptor RANK dla cytokiny RANK-L (ligand dla receptora aktywującego czynnik jądrowy kappa B -NFκB). Oprócz ekspresji receptora RANK dojrzałe osteoklasty charakteryzuje wysoka ekspresja transbłonowego białka DC-STAMP (ang. dendrytic cell specific transmembrane protein), proteiny specyficznej dla komórek dendrytycznych jednej z postaci makrofagów. Osteoklasty charakteryzuje ponadto wysoka aktywność fosfatazy zasadowej winiano-opornej (ang. tartrate resistant alkaline phosphatase, TRAP), katepsyny K oraz metaloproteinazy MMP-9 [25]. Prekursorowymi komórkami osteoklastów są wywodzące się ze szpiku komórki monocytarne o fenotypie CD-14. Aktywacja dojrzałych osteoklastów oraz pobudzanie osteoklastogenezy Pomiędzy linią komórek osteoklastycznych a linią komórek kościotwórczych istnieje ścisłe powiązanie funkcjonalne (ryc. 5). Komórki osteoblastyczne, w tym komórki zrębowe szpiku, regulują aktywność osteoklastyczną za pomocą dwóch czynników. Po pierwsze, produkują ligand dla receptora RANK, któ- 288

2009, 62, 4 Budowa i czynność tkanki kostnej Ryc. 5. Schemat interakcji komórek kościotwórczych z komórkami kosciogubnymi i mechanizmy związane z fuzją prekursorowych komórek osteoklastycznych; monocytów (materiał własny). ry znajduje się na powierzchni osteoklastów. Jego pobudzenie poprzez związanie ligandu (RANK-L) uaktywnia NFκB, który transaktywuje szereg genów osteoklastu [1]. Drugim czynnikiem produkowanym przez osteoblasty, jest osteoprotegeryna (OPG) rozpuszczalny receptor-atrapa, mający powinowactwo do RANK-L [6,31]. OPG współzawodniczy z receptorem RANK o RANK-L, antagonizując działanie RANK. OPG okazała się być opisanym wcześniej czynnikiem hamującym ostreoklastogenezę OCIF [40]. Związanie OPG z RANK-L uniemożliwia interakcję RANK/RANK-L, a więc nie dochodzi do aktywacji NFκB, a tym samym do aktywacji osteoklastu. Osteoprotegeryna jest czynnikiem przeciwdziałającym aktywacji osteoklastów. Podobne działanie wywiera też inny produkt aktywowanych osteoblastów białko sfrp-1 (secreted Frizzled-related protein), także blokujące RANK-L [17]. Równowaga pomiędzy RANKL i OPG determinuje powstawanie oraz aktywność osteoklastów [8], (ryc. 5). Znanych jest wiele czynników, aktywujących osteoklasty i osteoklastogenezę [23]. Są to: deksametazon, który powoduje zahamowanie syntezy OPG a wzrost ekspresji RANK-L w osteoblastach i komórkach zrębowych szpiku, witamina D3, czynnik martwicy nowotworów alfa (TNFα), którego działanie manifestuje się wzrostem ekspresji receptorów dla kalcytoniny, wzrostem ekspresji RANK oraz katepsyny K. Ta ostatnia cytokina zwiększa również pulę komórek prekursorowych w organizmie [24]. TNF-alfa produkowany jest w znacznych ilościach w przebiegu reakcji zapalnych i to tłumaczy, dlaczego wielu procesom zapalnym towarzyszy resorpcja kości. Inna cytokina transformujący czynnik wzrostu beta (TGF-β) może również pobudzać osteoklasty przy braku dostępności RANK-L, lecz jej wpływ na osteoklastogenezę zależy od czasu i długości trwania działania. Czynnik aktywujący kolonie granulocytarno-monocytarne (GM-CSF), produkowany m. in. przez komórki prekursorowe osteoklastów monocyty, podany jednocześnie z białkiem chemotaktycznym dla monocytów MCP-1 prowadzi do powstawania wielojądrzastych osteoklastów bez udziału RANK-L Ostatnio dyskutowana jest rola receptorów purynergicznych w osteoklastogenezie [4,7]. Nukleotyd ATP jest czynnikiem proresorpcyjnym, gdyż stwierdzono, że wolne nukleotydy aktywują w osteoblastach RANK-L [7,13,18]. Jednym z lepiej poznanych receptorów purynergicznych jest receptor P2X7, stanowiący błonowy kanał jonowy. Aktywacja tego receptora przez ATP prowadzi do wytworzenia porów w błonie komórkowej prekursorów osteoklastów. Aktywacja tych porów ma związek z fuzją komórek, gdyż blokada receptorów P2X7 zapobiega osteoklastogenezie właśnie przez zapobieżenie fuzji [14]. Czynniki wywierające hamujący efekt na generowanie osteoklastów Pośród czynników negatywnie regulujących fuzję komórek CD14+ w osteoklasty należy przede wszystkim wymienić wspomnia- 289

ną uprzednio osteoprotegerynę (OPG) oraz, w odniesieniu do ludzi, prostaglandynę E2 [36]. Inhibitorem osteoklastogenezy jest także stała ekspozycja komórek prekursorowych na działanie GM-CSF oraz interferon gamma produkty m.in. aktywowanych limfocytów T. Leptyna, hormon sytości, wywiera hamujący efekt na osteoklastogenezę poprzez zwiększanie ekspresji OPG w komórkach osteoblastycznych i zrębowych szpiku [16]. Fuzja komórek prekursorowych osteoklastów Dojrzałe osteoklasty powstają na drodze fuzji komórek jednojądrzastych. Dokładny mechanizm fuzji komórek wielojądrzastych osteoklastów i komórek olbrzymich ciał obcych nie został w pełni wyjaśniony, choć znanych jest wiele czynników, promujących lub hamujących ten proces. Cytokiny, transformujący czynnik wzrostu alfa (TGF-α) oraz naskórkowy czynnik wzrostu EGF pobudzają proliferację komórek prekursorowych osteoklastów [35]. Na powierzchni makrofagów występują molekuły odpowiedzialne za fuzję: E-kadheryna [27] oraz antygen CD44 [39]. Podsumowanie Tkanka kostna powstaje z komórek mezenchymatycznych, różnicujących się pod wpływem ekspresji wielu genów poprzez tzw. czynniki transkrypcyjne: Cbfa1, beta kateninę oraz Osterix. Geny dla tych czynników transkrypcyjnych są odpowiedzialne za ekspresje różnych markerów osteogenezy syntezy elementów macierzy komórkowej oraz określanie fenotypu komórek na różnych etapach ich różnicowania. Wyspecjalizowane w resorbowaniu tkanki kostnej osteoklasty powstają z fuzji jednojądrowych komórek linii mieloidalnej pod wpływem czynników wzrostu dla monocytów oraz czynników, wydzielanych przez komórki kościotwórcze (osteoblasty). Istnieje ścisła zależność czynnościowa komórek kościotwórczych z komórkami kościogubnymi. Ich współgranie determinuje równowagę między budowaniem i usuwaniem tkanki kostnej. Piśmiennictwo 1. Abu-Amer Y, Tondravi M M: NF-kB and bone: the breaking point. Nature medicine 1997,3: 1189-1190. 2. Amling M, Delling G: Zellbiologie des osteoklasten und molekulare Mechanismen der Knochenresorption. Pathologie 1996, 17: 385-367. 3. Athanasou N A: Cellular biology of bone- -resorbing cells. J Bone Jt Surg 1996, 78A: 1096-1111. 4. Bowler W B, Buckley K A, Gartland A, Hipskind R A, Bilbe G, Gallaghar J A: Extracellular nucleotide signaling: a mechanism for interacting local and systemic responses in the activation of bone remodeling. Bone 2001, 28: 507-512. 5. Boyan B D, Schwartz Z, Swain L D: Matrix vesicles as a marker of endochondral ossification. Conn Tissue Res 1990, 24, 67-75. 6. Buckley K A, Fraser W D: Receptor activator for nuclear factor kappab ligand and osteoprotegerin: regulators of bone physiology and immune response/potential therapeutic agents and biochemical markers. Ann Clin Biochem 2002, 39: 551-556. 7. Buckley K A, Hipskind R A, Gartland A, Bowler W B, Gallagher J A: Adenosine triphosphate stimulates human osteoclast activity via upregulation of osteoblast-expressed receptor activator of nuclear factor-kb ligand. Bone 2002, 31: 582-590. 8. Caetano-Lopes J, Canhao H, Fonseca J E: Osteoblasts and bone formation. Acta Reumatol Port 2007, 32, 103-110. 9. Carter D H., Sloan P, Aaron J F: Trabecular 290

2009, 62, 4 Budowa i czynność tkanki kostnej generation de novo. A morphological and immunohistochemical study of primary ossification in the human femoral anlagen. Anat Embryol 1992, 186, 229-240. 10. Cohen M M: Merging the old skeletal biology with the new. I. Intramembranous ossification, endochondral ossification, ectopic bone, secondary cartilage, and pathological considerations. J Craniofac Genet Dev Biol 2000, 20: 84-94. 11. DeVries T J, Schoenmaker T, Beersten W, van der Neut R., Everts V: Effect of CD44 deficiency on in vitro osteoclast formation. J Cell Biochem 2005, 94: 954-966. 12. Franzen A, Oldberg A, Solursh M: Possible recruitment of osteoblastic precursor cells from hypertrophic chondrocytes during initial osteogenesiss in cartilaginous limbs of young rats. Matrix 1989, 9, 261-265. 13. Gallagher J A: ATP P2 receptors and regulation of bone effector cells. J Musculoskelet Neuronal Interact 2004, 4: 125-127. 14. Gao Y H, Shiniki T, Yuasa T, Kataoka-Enomoto H, Komori T, Suda T, Yamaguchi A: Potential role of Cbfa1, an essential transcriptional factor for osteoblast differentiation, in osteoclastogenesis: regulation of mrna expression of osteoclast differentiation factor (ODF). Biochem Biophys Res Commun 1998, 252, 697-702. 15. Gartland A, Buckley K A, Bowler W B, Gallagher J A: Blockade of pore-forming P2X7 receptor inhibits formation of multinucleated human osteoclasts in vitro. Calcif Tissue Int 2003, 73: 361-359. 16. Geoffroy V, Kneissel M, Fornier B, Boyde A, Matthias P: High bone resorption in adult aging transgenic mice overexpressing cbfa1/ runx2 in cells of osteoblastic lineage. Mol Cell Biol 2002, 22, 6222-6233. 17. Halloway W R, Collier F M, Aitken C J, Myers D E, Hodge J M, Malakkellism M, Gough T J, Collier G R, Nicholson G C: Leptin inhibits osteoclast generation. J Bone Miner Res 2002, 17, 200-209. 18. Hausler D, Horwood N J, Chuman Y, Fisher J L, Ellis J, Martin T J, Rubin J S, Gillespite M T. Secreted frizzled-related protein-1 inhibits RANKL-dependent osteoclast formation. J Bone Miner Res 2004, 19:1873-1881. 19. Hayton M J, Dillon J P, Glynn D, Curran J M, Gallaghar J A, Buckley K A: Involvement of adenosine 5-triphosphate in ultrasound-induced fracture repair. Ultrasound in Med &Biol 2005, 31, 1131-1138. 20. Huang W, Yang S, Shao J, Li Y P: Signallingg and transcriptional regulation in osteoblast commitment and differentiation. Front Biosci 2007, 12: 3068-3092. 21. James I E, Dodds R A, Lee-Rykaczewski E, Eichman C H F, Connor R D, Hart T K, Maleef B E, Lackman R D, Gowen M: Purification and characterization of fully functional human osteoclast precursors. J Bone Miner Res 1996, 11, 1608-1618. 22. Komor T, Kishimoto T: Cbfa1 in bone development. Current Opinion Genetics Develop 1998, 8, 494-499. 23. Krishnan V, Bryant H V, MacDougland O A: Regulation of bone mass by Wnt signaling. J Clin Invest 2006, 116, 1202-1209. 24. Li P, Schwartz E M, O Keefe R J, Ma L, Looney R J, Ritchlin C T, Boyce B F, Xing L: Systemic tumor necrosis factor alpha mediated an increase in peripheral CD11b high osteoclast precursors in tumor necrosis factor alpha-transgenic mice. Arthritis Rheum 2004, 50: 265-276. 25. Littlwood-Evans A, Kokubo T, Ishibashi O, Inaoka T, Włodarski B, Gallagher J A, Bilbe G: Localization of cathepsin K in human osteoclasts by in situ hybridization and immunohistochemistry. Bone 1997, 20: 81-86. 26. Marotti G. A new theory of bone lamellation. Calcif Tissue Int 1993, 53 (Suppl 1): S47- S56. 27. Marotti G, Mugila M A, Palumbo C: Collagen texture and osteocyte distribution in lamellar bone. It J Anat Embryool 1991, 100, Suppl. 1 95-102. 28. Mbalaviele G, Chen H, Boyce B F, Mundy 291

G R, Yoneda T: The role of cadherin in the generation of muktinucleated osteoclast from mononuclear precursors in murine marrow. J Clin Invest 1995, 95: 2757-2765. 29. Ninomyia J T, Tracy R L, Calore J D, Gendreau M A, Kelm R J, Mann K G: Heterogeneity of human bone. J Bone Miner Res 1990, 5, 933- -938. 30. Robey P G, Boskey A L: The biochemistry of bone. W: Osteoporosis. 1996 Academic Press 95-183. 31. Rohde M, Mayer H: Exocytotic process as a novel model for mineralization by osteoblasts in vitro and in vivo determined by electron microscopic analysis. Calcif Tissue Int 2007, 80, 323-336. 32. Simonet W S, Lacey D L, Dunstan C R, Kelly M, Chang M-S, Luthry R, Nguyen H Q, Wooden S, Bennett L, Boone T, Shimamoto G, Derose M, Elloittr R, Colombero A, Tan H-L, Trail G, Sullivan J, Davy E, Bucay N, Renshaw- Gegg L, Hughes T M, Hill D, Pattison W, Campbell P, Sander S, Van G, Tarpley J, Derby P, Lee R: Amgen EST Program, Boyle W.J. Osteoprotegerin: a novel secreted protein involved in the regulation of bone density. Cell 1997, 89: 309-319. 33. Stains J P, Civitelli R: Cell-to-cell interactions in bone. Biochem Biophys Res Commun 2005, 328: 721-727. 34. Suda T, Nakamura I, Jimi E, Takahashi N: Regulation of osteoclast function. J Bone Miner Res 1997, 12: 869-879. 35. Sun S, Wang Z, Hao Y: Osterix overexpression enhances osteoblast differentiation of muscle satellite cells in vitro. Int J Oral Maxillofac Surg 2008, 37: 350-356. 36. Takahashi N, MacDonald B R, Hon J, Winkler M E, Derynck R, Mundy G R, Roodman G D: Recombinant human transforming growth factor alpha stimulates the formation of osteoclast-like cells in long-term human marrow cultures. J Clin Invest 1986, 78 894-898. 37. Take I, Kobayashi Y, Yamamoto Y, Tsuboi H, Ochi T, Uematsu S, Okafuji N, Kurihara S, Udagawa N, Takahashi N: Prostaglandin E2 strongly inhibits human osteoclast formation. Endocrinology 2005, 146: 5204-5214. 38. Termine J D, Kleinman H K, Whitson S W, Conn K M, McGarvey M L, Martin G R: Osteonectin, a bone-specific protein linking mineral to collagen. Cell 1981, 26, 99-105. 39. Urist M R, Nakagawa M, Nakuta N, Nogami H: Experimental myositis ossificans. Cartilage and bone formation in muscle in response to diffusible bone-matrix derived morphogen. Arch Pathol Lab Med 1978, 102, 312-316. 40. Włodarski K H, Włodarski P: Fuzja prekursorów osteoklastów oraz regulacja aktywności osteoklastów dojrzałych. Postępy Biologii Komórki 2006, 33, 273-284. 41. Włodarski K H, Włodarski P K, Brodzikowska A: Metaplasia of chondrocytes into osteocytes. Folia Biologica (Kraków) 2006, 54:75- -80. 42. Yasuda H, Shima N, Nakagawa N, Mochizuki S-I, Yano K, Fujise N, Sato Y, Goto M, Yamaguchi K, Kuriyama M, Kanno T, Murakamia A, Tsuda E, Moringa T, Higashio K: Identity of osteoclastogenesis inhibitory factor (OCIF) and osteoprotegerin (OPG): a mechanism by which OPG/OCIF inhibits osteoclastogenesis in vitro. Endocrinology 1998, 139: 1329-1337. 43. Zhang D, Cowin S C, Weinbaum S: Electrical signal transmission and gap junction regulation in bone cell network: a cable model for an osteon. Ann Biomed Eng 1997, 25, 357- -374. Otrzymano dnia: 18.II.2009 r. Adres autora: 02-004 Warszawa, Chałubińskiego 5 Tel.: 022 6281041 w. 47 Fax: 022 6295282, e-mail: krzysztof.wlodarski@wum.edu.pl 292