Посещений:
СУХОЖИЛИЯ



в норме и при патологии

Tendon development and diseases
• Gaut, L. and Duprez, D.
WIREs Dev Biol, 5: 5-23. doi:10.1002/wdev.201

Tendon is a uniaxial connective tissue component of the musculoskeletal system. Tendon is involved in force transmission between muscle and bone. Tendon injury is very common and debilitating but tendon repair remains a clinical challenge for orthopedic medicine. In vertebrates, tendon is mainly composed of type I collagen fibrils, displaying a parallel organization along the tendon axis. The tendon-specific spatial organization of type I collagen provides the mechanical properties for tendon function. In contrast to other components of the musculoskeletal system, tendon biology is poorly understood. An important goal in tendon biology is to understand the mechanisms involved in the production and assembly of type I collagen fibrils during development, postnatal formation, and healing processes in order to design new therapies for tendon repair. In this review we highlight the current understanding of the molecular and mechanical signals known to be involved in tenogenesis during development, and how development provides insights into tendon healing processes
Скелетно-мышечная система наделяет способностью двигаться. Мышцы, сухожилия и кости являются главными компонентами скелетно-мышечной системы. Сухожилия связывают мышцы с костями для передачи сил. Сухожилие - это специализированная соединительная ткань, обладающая специфической пространственной организацией фибрилл коллагена типа I, которые организованы параллельно оси сухожилия. Специфическая организация коллагеновых фибрилл обеспечивает сухожилию механические свойства. Молекулярные и механические факторы управляют продукцией и организацией коллагена во время развития сухожилия, постнатального образования и репарации.
Фибриллогенез коллагена сухожилий заключается в прогрессивной сборке коллагеновых волокон, которые формируют функциональное и зрелое сухожилие. Описаны последовательные и перекрывающиеся фазы сборки и роста коллагеновых фибрилл в сухожилиях. [1] Сборка коллагеновых фибрилл происходит в основном во время плодной стадии, тогда как рост и созревание коллагеновых фибрилл происходит на постнатальных стадиях. [1] Рост и созревание коллагеновых фибрилл во время постнатальных стадий сопровождается драматическими изменениями механических свойств сухожилий. Имеется 40,000-кратное увеличение эластичного модуля между взрослым сухожилием и сухожилием у плодов кур. [2] Многие компоненты внеклеточного матрикса (ECM), как было установлено, участвуют в фибриллогенезе коллагена сухожилий. Фибриллярные коллагены III и V и не фибриллярные FACITs (fibril-associated collagens with interrupted triple helices) коллагены XII и XIV, важны для образования коллагеновых фибрилл и целостности сухожилия (Table 1 and references therein). Помимо фибриллярных и FACIT коллагенов, small leucine-rich proteoglycans (SLRPs) также участвуют в фибриллогенезе типа I коллагена в сухожилиях, главным образом, путем регуляции латерального роста коллагеновых фибрилл. [45, 46] Мутации только SLRP или комбинации SLRPs систематически приводит к фенотипическим отклонениям сухожилий у мышей (Table 1 and references therein).

Table 1. List of Molecules Involved in Tendon Development 

         Mouse        Chick        Zebrafish        Drosophila
1.        Tendon phenotypes reported in mice during development, postnatal, or adult stages. Studies reporting a tendon phenotype performed in chick, zebrafish, or Drosophila are also reported.
Protein (gene)
Transcription factors
Scleraxis (Scx)        Scx-/-        Scx overexpression in chick hindlimbs: Upregulation of Tnmdexpression[3]

        -Severe tendon disruption[4]

        -Tendon phenotype from E13.5[4]

        -Loss of Tnmd, Col14a1expression in limb tendons from E16.5[4]

        -Decrease ofCol1a1expression in limb tendons from E16.5[4]

Mohawk (Mkx)        Mkx-/-                 Mkx Morphants:
        -Postnatal hypoplastic tendons[5-8]

                        -Neural crest and somite defects and increase ofMyoDexpression[9]

        -Tendon phenotype from E16.5[7]

        -Decrease ofCol1a1, Col1a2,Tnmd, Fmod,Dcn expression in postnatal tendons[5, 8]

Early growth response 1 (Egr1)        Egr1-/-        Egr1 overexpression in chick embryos: Upregulation of Scx,Col1a1, Col3a1,Col5a1, Col12a1,Col14a1, Bmp4, Fgf8expression[10]
         stripe mutant: Defect in tendon cell specification and differentiation[11, 12]

        -Defects of collagen fibrils in tendons[13]

        -Altered mechanical properties[13]
                stripeA gain-of-function experiments: Upregulation ofTsp and other tendon genes[14]

        -Tendon phenotype from E18.5[13]

        -Decrease ofScx, Col1a1,Col1a2, Col3a1,Tnmdexpression in adult tendons[13]

Signaling pathways
TGF-?2 (Tgfb2)        Tgfb2-/-;Tgfb3-/-        TGF-?1 gain-of-function experiments in E6 chick digits: Upregulation ofScx expression 1 Hour after bead application[15]

        -Loss of all tendons from E14.5[16]

        -Loss of Scx andTnmdexpression[16]

        TGF-?2 bead implantation in mouse limbs: Upregulation ofScx expression[16]

TGF-?3 (Tgfb3)
GDF-8/myostatin (Mstn)        Mstn-/-
        -Smaller and hypocellular postnatal tendons[17]

        -Altered mechanical properties[17]

        -Decrease ofScx, Mkx,Col1a2, Tnmdexpression in postnatal tendons[17]

Smad3 (Smad3)        Smad3-/-                 Block of Smad2/3 pathway using chemical inhibitors: Decrease in Scxexpression[18]

        -Disruption of adult tendon architecture[19]

        -Decrease of type I Collagen[19]

        -Decrease inCol1a1, Tnmdexpression[19]

BMP-4 (Bmp4)        Prx1-Cre; Bmp4fl/fl        BMP gain-of-function experiments in E4 chick limbs: Inhibition of Scxexpression[20]

        Defect in bone ridge formation[21]

FGF-4 (Fgf4)        FGF4 gain-of-function experiments in mouse somites: Upregulation ofScx expression[22]
FGF-4 or FGF-8 gain-of-function experiments in somites and limbs: Upregulation of Scx, Tnc, Pea3, Spry2, Mkp3expression[23-26]

FGF-8 (Fgf8)
                FGF loss-of-function experiments in chick somites: Loss of Scxexpression[23, 26]

MAPK        Block of MAPK pathways using chemical inhibitors in somites: Loss ofScx expression[22]
Block of ERK MAPK pathway using chemical inhibitors in somites: Loss of Scx, Pea3, Mkp3expression[26]
Block of MAPK pathway using chemical inhibitors in embryos: Loss ofScx expression[18]

        Block of ERK MAPK pathway using chemical inhibitors in mouse limbs: Increase of Scxexpression[27]

Transmembrane protein
Tenomodulin (Tnmd)        Tnmd-/-
        -Defects in collagen fibrils in postnatal tendons[28]

        -Defect in tendon stem cell proliferation[29]

Extracellular matrix proteins
Type I collagen (Col1a1, Col1a2)        Col1a1-/-
        Smaller diameters of collagen fibrils in adult tendons[30]

Type III collagen (Col3a1)        Col3a1-/-
        Defects in type I collagen fibrillogenesis[31]

Type V collagen (Col5a1)        Col5a1+/?,Col11a1+/?
        Increased diameters and reduced collagen fibril number from E18 tendons[32]

Type XII Collagen (Col12a1)        Col12a1-/-
        Skeletal abnormalities[33]

FACIT collagen
Type XIV Collagen (Col14a1)        Col14a1-/-
        Premature collagen fibril growth (increased diameters) in postnatal tendons[34]

FACIT collagen
Type XXII Collagen (Col22a1)        -Expressed at muscle tips close to tendons[35]
         Col22a1 morphants: Destabilization of myotendinous junctions via the ?7?1 Integrin[36]

        -Binding to ?2?1 integrin[35]

FACIT collagen
Thrombospondin 4 (Thbs4)        Thbs4-/-                 Tsp4b morphants: Muscle detachment upon electric stimulation and reduced Integrin signaling[37]
Tsp mutants: Muscle cell failure to attach to tendon cells and reduced Integrin signaling[38]

        -Larger collagen fibrils in adult tendons[39]

        -Expression in fetal limb tendons[27]

Fibromodulin (Fmod)        Fmod-/-
        Abnormal collagen fibrillogenesis (smaller diameters) in tendons[40]

SLRP
Lumican (Lum)        Lum-/-
        Abnormal collagen fibrillogenesis (larger diameters) in tendons[40]

SLRP
Decorin (Dcn)        Dcn-/-
SLRP        -Abnormal collagen fibrillogenesis (larger diameters) in tendons[41, 42]

        -Hypocellular tendons[41, 42]

        -Increase of Bgnexpression[41, 42]

Biglycan (Bgn)        Bgn-/-
SLRP        -Abnormal collagen fibrillogenesis (smaller diameters) in tendons[42, 43]

Lumican (Lum)        Lum-/-; Fmod-/-
        Abnormal collagen fibrillogenesis in tendons[40]

Fibromodulin (Fmod)
Biglycan (Bgn) Fibromodulin (Fmod)        Bgn-/- Fmod-/-
        -Disruption in collagen fibrillogenesis (smaller diameters) in tendons[43]

        -Ectopic ossification[43, 44]

        -Increase of tendon progenitor number[44]

        -Increase of Scxexpression[44]

Biglycan (Bgn)        Bgn-/- Dcn-/-
Decorin (Dcn)        Abnormal collagen fibrillogenesis[42]


Главной задачей расшифровки молекулярных механизмов, лежащих в основе образования сухожилий - это понимание внутренних и внешних регуляторов продукции типа I коллагена (на уровне транскриптов и белка), сборки коллагеновых фибрилл и созревания во время развития. Исследования скелетно-мышечной системы, сконцентрированные в основном на мышечных и скелетных клонах, выявили bHLH транскрипционные факторы Myf5, MyoD и Mrf4 (мышцы) а также SOX транскрипционный фактор Sox9 (хрящ). Отсутствие трех миогенных регуляторов, Myf5, MyoD и Mrf4, приводи к потере скелетных мышц у мышей [47] тогда как избыточная экспрессия каждого из миогенных регуляторных факторов вызывает превращение в миобласты in vitro или in vivo. [48, 49] Потеря активности Sox9 приводит к полному отсутствию хряща, [50] тогда как избыточная экспрессия Sox9 превращает клетки в хондроциты. [51] Главные регуляторные гены клона сухожилий пока не идентифицированы. Цель довольно трудно достижима, поскольку отсутствуют специфических маркеров для предшественников сухожилий и дифференцированных клеток (теноцитов). Основной структурный и функциональный компонент, типа I коллаген, не является специфическим для сухожилий и экспрессируется многими др. тканями, такими как кость, кожа и роговица. Ни один из компонентов ECM, участвующий в фибриллогенезе типа I коллагена во время образования сухожилий, не является специфичным для сухожилий; поскольку от также участвуют в фибриллогенезе коллагена в др. тканях. [45, 46] Сухожилия характеризуются пространственной и параллельной организацией коллагеновых фибрилл. Кстати, молекулярные и клеточные механизмы, управляющие этой специфичной для сухожилий пространственной организацией типа I коллагена, остаются полностью неизвестными. Было показано, что фибробласты, ответственные за синтез и организацию типа I коллагена, клеточно-автономны пространственно и располагаются в соответствии с их происхождением in vivo. [52] Фибробласты, изолированные по время плодной стадии из сухожилия, роговицы и кожи и культивированные в одинаковых условиях, принимали параллельную, ортогональную или случайную организацию, соотв. [52] Этот эксперимент подтверждает, что фибробласты прирожденно содержат ткане-специфическую информацию, которая управляет параллельной организацией фибрилл коллагена типа I. Мы полагаем, что идентификация генов, участвующих в ранних ступенях образования сухожилий вр время развития поможет пониманию фибриллогенеза коллагена типа I в нормальных и физиологических условиях.


TENDON STRUCTURE IN VERTEBRATES


Сухожилие - это высоко организованная малоклеточная соединительная ткань, обладающая специфической пространственной организацией фибрилл коллагена типа I (Figure 1). Молекулы коллагена синтезируются фибробластами сухожилия или теноцитами, которые имеют удлиненную форму и располагаются между коллагеновыми волокнами. [53] Клеточный состав и организация коллагена негомогенны вдоль оси сухожилия и отличаются на обоих концах, вблизи мышцы (мышечно-сухожильное соединение) и кости (enthesis) поверхностей раздела.



Figure 1. Tendon organization. (a) Tendon links muscle to bone and is attached at one end to muscle by the myotendinous junction and at the other end to bone by the enthesis. Tendon is mainly composed of type collagen and of very few cells. Type I collagen displays a specific spatial organization parallel to the tendon axis. Tendon is formed of collagen fascicles, which are composed of collagen fibers, which are formed of collagen fibrils. The endotenon separates collagen fascicles. Tendon is surrounded by the tendon sheaths named the peritenon, which comprises paratenon and epitenon. (b and c) Collagen fibres and fibrils can be visualized at different scales with electron microscopy. Electron microscopy of transverse sections of a mouse Achilles tendon showing collagen fibrils (b,c).

Tendon Proper/Tendon Midsubstance


Типа I коллаген составляет тройную спираль из двух цепочек α1 и одной цепочки α2 молекул, которые кодируются двумя разными генами, Col1a1 и Col1a2. В сухожилии типа I коллаген обнаруживает специфическую пространственную организацию, которую можно увидеть на разных шкалах (Figure 1). Коллагеновые молекулы собираются вместе, последовательно формируя коллагеновые фибриллы, коллагеновые волокна, коллагеновые пучки или фасцикли и единицу сухожилия. [54] Параллельные коллагеновые фасцикли разделяются с помощью endotenon, рыхлой соединительной ткани, которая также содержит фибробласты и кровеносные сосуды и нервы. [53] Целое сухожилие окружено epitenon и затем с помощью синовиального слоя, paratenon, состоящего из коллагеновых волокон, организованных в перпендикулярном направлении сухожилию. [53, 54] Стволовые клетки сухожилия были выделены из сухожилий мышей, человека и кроликов. [44, 55] Однако, отсутствует доступный маркер, делающий возможной визуализацию этих стволовых клеток in vivo .

Tendon and Muscle Interface (Myotendinous Junction)


Сухожилие прикрепляется к мышце посредством мышечно-сухожильного соединения. Структурно это соединение хорошо известно. Поверхность контакта между сухожилием и мышцей состоит из взаимных проникновений плазматических мембран сухожилия и мышечных клеток, наз. пальце-подобными отростками, которые драматически увеличивают место контакта между обоими типами клеток. [56] На молекулярном уровне коллагеновые фибриллы продуцируемые клетками сухожилия соединяются с ламининами или интегринами, присутствующими на уровне сарколеммы и продуцируемыми мышечными клетками. [57] Процесс развития мышечно-сухожильного соединения охарактеризован недостаточно у позвоночных. [58] Напротив, формирование мышечно-сухожильного соединения хорошо изучено у Drosophila. [59]

Tendon to Bone Attachment (Enthesis)


Регион, где сухожилие прикрепляется к кости наз. enthesis. В зависимости от места прикрепления, описываются фиброзные и фибро-хрящевые entheses. [60] Гистологически фибро-хрящевые enthesis характеризуются разными клеточными зонами, простирающимися от сухожилия к кости: теноциты, не кальцифицированные фибро-хрящевые клетки, кальцифицированные фибро-хрящевые клетки и остеоциты. Такое расположение клеток обеспечивает непосредственное соединение между мягкой тканью (сухожилием) и твердой тканью (костью). Часть кости, где сухожилие прикрепляется, образует возвышение, обеспечивающее надежное прикрепление. Изучение развития области контакта между сухожилием и костью [61], показало его созревание на постнатальных стадиях, приводя к минерализации enthesis. [62]
Разные составы клеток и коллагенов в мышечно-сухожильном соединении, собственно сухожилии и в enthesis указывает на разные биомеханические свойства каждой части сухожилия. Поэтому разрыв сухожилия может обнаруживаться в веществе сухожилия и enthesis, но редко встречается в мышечно-сухожильном соединении.

SCLERAXIS IS THE MAIN TENDON MARKER DURING VERTEBRATE DEVELOPMENT


Главный структурный и функциональный компонент сухожилия, типа I коллаген, экспрессируется во многих тканях и органах (Figure 2). Поэтому развитие сухожилия не может быть изучено на основании экспрессии только типа I коллагена. Кстати, единственным ранним маркером сухожилия у позвоночных является bHLH транскрипционный фактор Scleraxis (Scx)[20, 63] (Figures 2 and 3). Scx, как было установлено, позитивно регулирует транскрипцию Col1a1 в сухожилиях мышей. [4, 64] Однако, Scx не является уникальным транскрипционным фактором, управляющим транскрипцией Col1a1 в сухожилиях, поскольку у Scx-дефицитных мышей транскрипция Col1a1 уменьшена, но не устранена в развивающемся сухожилии. [4] Scx считается сильным маркером сухожилий во время развития кур, мышей и рыбок данио. [18, 20, 23] Scx экспрессируется также в постнатальных сухожилиях [65], но экспрессия ограничена epitenon, начиная с 4-го мес. постнатального развития [66] (Figure 3). На ранних стадиях, Scx экспрессируется в презумптивных регионах сухожилия на уровне бранхиальных дуг, сомитов и конечностей. [20, 23, 67] Scx метит клетки предшественники сухожилия и популяция Scx-позитивных клеток дает сухожилие. [68, 69] Однако, Scx не является главным регуляторным геном клона для сухожилия, поскольку миогенные регуляторные факторы предназначены для клона скелетных мышц, поскольку сухожилия сохраняют с вою способность прикреплять мышцу к кости у Scx мутантных мышей. [4] Scx мыши жизнеспособны и подвижны. [4] Возможно, что Scx нуждается в одном или нескольких партнерах для выполнения функции главного гена в формировании сухожилия. Однако, при отсутствии активности Scx передающие усилия сухожилия (сухожилия конечностей и хвоста) и межмышечные сухожилия сильно нарушены, тогда как закрепляющие сухожилия (сухожилия спины) затронуты умеренно. [4] Первые дефекты сухожилий обнаруживаются со ст. E13.5 в конечностях мышей, а экспрессия Col14a1 и Tnmd полностью потеряна в сухожилиях со ст. E16.5 у Scx мутантных мышей. [4] Tnmd кодирует типа II трансмембранный гликопротеин и считается высоко специфичным маркером дифференцированных теноцитов [63, 68, 70] (Figure 3). Tmnd мутантные мыши обнаруживают изменения структуры коллагеновых фибрилл (сдвиг в направлении крупных диаметоров) в сухожилиях на постнатальных стадиях. [28] Tnmd дефицитные мыши также обнаруживают снижение самообновления и увеличение признаков старения в предшественниках сухожилий. [29] Кроме того, необходимый для экспрессии Tnmd, Scx также оказывается достаточным для экспрессии Tnmd . [3] Итак, Tnmd является ключевым маркером дифференцированных теноцитов, а Scx является уникальным маркером ранних сухожилий, это может служить инструментом для изучения ранних ст. развития сухожилий.



Figure 2. Expression of Col1a1 and Scx in chick limbs. (a-d) Adjacent and transverse forelimb sections of Embryonic Day 10 (E10) chick embryos were hybridized with Col1a1 (a and b) and Scx (c and d) probes (blue) and then immunostained with the MF20 antibody, which recognizes myosins in skeletal muscles (brown). Col1a1 is expressed in tendons but also around cartilage elements, in feather buds and connective tissues (a). Scx is expressed in tendons (c). (b and d) are higher magnifications of two dorsal muscles of forelimbs. Col1a1 is expressed in tendons and muscle connective tissue (b), while Scx is expressed only in tendons (d). u, ulna; r, radius.

Figure 3. Expression of Scx and Tnmd in chick limbs and schematic representation of Scx expression in developmental, postnatal, and adult tendons. (a-d) In situ hybridization to adjacent and transverse forelimb sections of Embryonic Day 9 (E9) chick embryos with Scx (a and c) and Tnmd (b and d) probes. Scx and Tnmd are expressed in tendons. (e) Scx-positive cells are schematized in green. During development, Scx expression is expressed in all tendon cells. During tendon maturation at postnatal stages, Scx is expressed in the tendon proper, endotendon, and external sheaths including epitenon and paratenon, but is restricted to the epitenon by the fourth postnatal month.

EMBRYOLOGICAL ORIGINS OF TENDONS


Сухожилия могут быть организованы в три основные группы в соответствии с их положением в теле, сухожилия головы, туловища и конечностей (Figure 4). Даже если функционально сходные сухожилия разных частей целого организма имеют разное эмбриональное происхождение, которое было в основном изучено на химерах перепел-курица. [71] Было показано, что сухожилия у позвоночных возникают из мезодермы или мезэктодермы (клетки нервного гребня). Черепно-лицевые сухожилия возникают из клеток нервного гребня у мышей, кур и рыбок данио. [18, 67, 72] Аксиальные сухожилия происходят из сомитного компартмента, наз. syndetome. [23] Сухожилия конечностей возникают из латеральной пластинки конечностей. [73]

Figure 4. Distinct embryological origins of vertebrate tendons. Tendons can be divided into head, axial, and limb tendons. Head tendons originate from neural crest cells (orange). Axial tendons originate from somites (purple). Limb tendons originate from limb lateral plate (green).

Безотносительно принадлежности к группе сухожилия обладают общими одними и теми же эмбриональными источниками со скелетными тканями, такими как хрящи и кости и имеют источники, отличающиеся от таковых для скелетных мышц. В сомитах syndetome является субрегионом склеротома, который дает осевой скелет, тогда как аксиальные мышцы возникают из дермомиотома. [23] В голове клетки нервного гребня дают лицевой скелет и сухожилия, тогда как скелетные мышцы возникают из головной мезодермы. [72, 74] В конечностях скелет и сухожилия происходят из латеральной пластинки конечностей, тогда как скелетные мышцы происходят из сомитов. [75, 76] Необходимо отметить, что в голове где, как в конечностях, предшественники мышц подвергаются миграции в направлении латеральной пластинки конечностей, содержащей предшественники скелета и сухожилий. В противоположность источникам в мезодерме или мезэктодерме сухожилий позвоночных, сухожилия Drosophila melanogaster возникают из эктодермы. [77, 78] Однако, как и у позвоночных сухожилия дрозофил вместе с экзоскелетом обладают одним и тем же источником в эмбриональной эктодерме, который отличен от источника для скелетных мышц, происходящих из мезодермы. [77]

TENDON INTERACTIONS WITH OTHER COMPONENTS OF THE MUSCULOSKELETAL SYSTEM


Tendon/Muscle Interactions


Несмотря на различное эмбриологическое происхождение компартментов скелетно-мышечной системы, развитие мышц, сухожилий и хрящей/костей происходит в тесной пространственной и временной ассоциации. Развитие сухожилий нуждается в присутствии мышц, но уровни потребности в мышцах варьируют в зависимости от анатомического положения сухожилий (Figure 5). Для инициации мышцы нуждаются в развитии сухожилий на осевом уровне. Экспрессия Scx не инициируется в отсутствие аксиальных мышц. Хирургическое устранение дермомиотома до образования миотома приводит к отсутствию экспрессии Scx в сомитах кур. [23] На ст. E10.5 Myf5-/-; MyoD-/- у двойных мутантных эмбрионов экспрессия Scx отсутствует в сомитах мышей. [22] У дефицитных по myod1-myf5 эмбрионов рыбок данио экспрессия scxa никогда не инициируется в myosepta. [18] Напротив, сухожилия конечностей и головы инициируют свое развитие независимо от мышц. В отсутствие мышц экспрессия Scx инициируется нормально в черепно-лицевых сухожилиях мышей и рыбок данио. [18, 67] Экспрессия Scx также инициируется и протекает нормально в конечностях, лишенных мышц вплоть до ст. E12 у Pax3 мутантных мышей [20, 79] и вплоть доя ст. E6 у эмбрионов кур после хирургического вмешательства. [24] Сходным образом, экспрессия Scxa протекает нормально в плавниках у 53-58 hpf myod1-myf5-дефицитных эмбрионов рыбок данио. [18] Отсутствие мышц в конечном итоге предупреждает дальнейшее развитие сухожилий и приводит к потере экспрессии Scx в сухожилиях головы и конечностей у эмбрионов мышей, кур и рыбок данио. [18, 20, 67, 79] Это демонстрирует, что мышцы необязательны для инициации, но необходимы для поддержания экспрессии Scx в черепно-лицевых и ножных сухожилиях (Figure 5).

Figure 5. Muscle-dependency for head, limb, and axial tendon development. Muscle and tendon are schematized in red and green, respectively. In the head (a) and limbs (b), tendons initiate their development independently of muscle, but further tendon development requires the presence of muscle. In contrast, the initiation of axial tendon development requires the presence of muscle (c).
Мышцы, следовательно, важны для индукции экспрессии Scx в аксиальных сухожилиях и для поддержания экспрессии Scx в сухожилиях черепа и ног у эмбрионов мышей, кур и рыбок данио. Такой распорядок в необходимости мышц законсервирован у видов позвоночных. Несмотря на разное эмбриологическое происхождение у позвоночных и беспозвоночных клеток сухожилий (мезодерма против эктодермы), описаны две фазы формирования сухожилий у плодовых мушек. У Drosophila, развитие происходящих из эпидермы клеток сухожилий начинается независимо от мышц, но финальная дифференцировка клеток сухожилий зависит от специфического взаимодействия с мышцами, [11, 77, 80] показывая, что развитие сухожилий дрозофил обладает общими характеристиками с таковым для сухожилий головы и конечностей позвоночных.
Т.о., мышцы необходимы для полного образования сухожилия у позвоночных и беспозвоночных. Мы полагаем. что потребность в мышцах связана с потребностью в механических силах во время образования сухожилий.

Tendon/Bone Interaction


Если роль мышц в развитии сухожилий описана хорошо, роль хряща в развитии сухожилий менее изучена, в основном из-за того, что клетки сухожилий и хрящей имеют одно и то же эмбриологическое происхождение. Sox9a-sox9b-дефицитные эмбрионы рыбок данио обнаруживают аномалии черепно-лицевых сухожилий, базирующиеся на экспрессии scxa и tnmd,[18] подтверждая, что хрящ необходим для собственно организации клеток сухожилий. Однако, трудно отличать дефекты сухожилий и хряща. В сомитах дифференцировка хряща, по-видимому, репрессирует развитие сухожилий. Установлено, что Scx усиливает свою активность у Sox5/Sox6 мутантных эмбрионов мыши (имеющих дефекты хрящей),[22] тогда как избыточная экспрессия Pax1 (способствующего формированию хряща) в склеротоме ингибирует экспрессию Scx в сомитах эмбрионов кур. [23] В конечностях клеточные судьбы хряща и сухожилий также, по-видимому, взаимно исключающие. Вл время развития конечностей предшественники Scx+/Sox9+ репрессируют экспрессию Sox9 (удерживая Scx) , чтобы сформировать сухожильную часть и подавляют экспрессию Scx (и удерживают Sox9) чтобы сформировать хрящевую часть области контакта сухожилие-кость. [68, 69] Однако, истощение Sox9 в Scx+ клетках не влияет на формирование сухожилий, помимо изменений формирования enthesis в костной части, [68, 69] подтверждая относительную независимость формирования скелета и сухожилий. Однако, на уронве пальцев было установлено, что формирование бластемы сухожилий нуждается в присутствии хряща, [81], указывая на различия в развитии сухожилий относительно проксимо-дистальной позиции в конечностях.

INTRINSIC GENES INVOLVED IN TENDON DEVELOPMENT (OTHER THAN SCLERAXIS)


Существуют три транскрипционного фактора, участвующих в развитии сухожилий у позвоночных (Table 1): bHLH транскрипционный фактор Scx,[4] гомеобоксный Mohawk (Mkx)[5, 7] и Zinc finger транскрипционный фактор Early growth response 1 (Egr1). [10] Все они, как было установлено, регулируют транскрипцию гена Col1a и организацию коллагеновых фибрилл типа I коллагена в развитии сухожилий. [4, 5, 7, 10, 64] Каждый из трех транскрипционных факторов Scx, Mkx и Egr1 в отдельности способен индуцировать процесс формирования сухожилий в стволовых клетках, базируясь на экспрессии Tnmd. [13, 82-84] Однако, в противоположность Scx, Mkx и Egr1 не являются специфичными для сухожилий, поскольку они имеют многочисленные места экспрессии помимо развивающихся сухожилий. [10, 85, 86]

Mohawk (Mkx)


Mkx-/- мутантные мыши имеют меньшего размера сухожилия, чем мыши дикого типа и обнаруживают дефекты постнатального роста коллагеновых фибрилл сухожилий. [5-7] Первые дефекты сухожилий у Mkx-/- мышей обнаруживаются на плодной ст. E16.5. [5] Помимо снижения экспрессии гена Col1a1, мыши Mkx-/- обнаруживают достоверное снижение экспрессии генов Tnmd, Fmod, и Dcn ы сухожилиях новорожденных. [7] Очевидно, Mkx экспрессируется в ранних сомитах, в популяциях клеток предшественников скелетных мышц, сухожилий, хрящей и костей, ниже транскрипционного фактора в сомитах paraxis. [85] Mkx, как было установлено, ингибирует дифференцировку мышц в культурах клеток мышей и нарушает развитие мышц у эмбрионов рыбок данио ха счет прямой репрессии транскрипции MyoD. [9, 87, 88] Это согласуется с тем, что роль Mkx связана с репрессией мышечного клона и стимуляции клона сухожилий. Однако, Mkx мутантные мыши не обладают какими-либо очевидными дефектами скелетных мышц. [6] Экспрессия Scx и Mkx в развивающихся сухожилиях, по-видимому, нормальная у Mkx-/- и Scx-/- мутантных мышей, соотв., подтверждая, что Scx и Mkx действуют в разных генетических каскадах во время развития сухожилий. [6, 7]

Early Growth Response 1 (Egr1)


Во время плодного развития Egr1 достаточен для экспрессии Scx, Tnmd и ассоциированных с сухожилиями коллагенов (Cola1, Col5a1, Col12a1 и Col14a1) у эмбрионов кур. [10] Egr1-/- обнаруживают дефекты в организации коллагеновых фибрилл сухожилий на плодной и постнатальной стадиях. [10, 13] Egr1-дефицитные сухожилия обнаруживают механическую слабость и недостаток своей способности заживать после повреждений. [13] Помимо снижения экспрессии генов Col1a1 и Col1a2 , Egr1-/- обнаруживают также достоверное снижение экспрессии ассоциированных с сухожилиями коллагенов (Col3a1, Col5a1, Col12a1 и Col14a1) и ассоциированных с сухожилиями молекул Tnmd, Fmod и Dcn в конечностях плодов и в сухожилиях взрослых. [10, 13] Экспрессия Scx подавлена, тогда как Mkx не изменен в Egr1-дефицитных сухожилиях. [10, 13]

Stripe (Drosophila)


У Drosophila транскрипционный фактор stripe является ключевым геном для развития сухожилий. [11, 12, 78] Stripe является гомологом гена Egr позвоночных. Ген stripe дает две изоформы stripeA и stripeB. StripeB , как было установлено, участвует в индукции предшественников сухожилий, тогда как stripeA участвует на более поздней зависимой от мышц стадии дифференцировки сухожилий. [11, 12, 14]
Др. транскрипционные факторы, экспрессирующиеся в развивающихся сухожилиях, выявлены с помощью или гибридизации in situ или с помощью глобальных транскриптомных или РНК исследований по секвенированию клеток сухожилий мышей во время развития. [27, 90] Среди них sine oculis-родственный гомеобоксный Six2, обнаруживающий специфическую экспрессию в сухожилиях аутопод у кур и мышей. [89, 90] Однако, на сегодня нет функциональных данных связи этих транскрипционных факторов с развитием сухожилий. Хотя транскрипционные факторы были идентифицированы, как участвующие в развитии сухожилий, внутренне присущая программа участия в формировании сухожилий не охарактеризована .

SIGNALING PATHWAYS INVOLVED IN TENDON DEVELOPMENT


Помимо внутренне присущих регуляторов формирования сухожилий, сигнальные пути TGF-β и FGF, как было установлено, участвуют в развитии сухожилий у эмбрионов кур и мышей. [16, 22-24, 91] Биоинформационный анализ транскриптома клеток сухожилий также подтверждает, что эти два главные сигнальные пути существенно влияют на регуляцию во время развития конечностей2 мышей. [27]

Tendon Cell Specification


TGF-β лиганд является мощным индуктором экспрессии Scx в эмбриональных конечностях мышей, предшественниках сухожилий и мезенхимных стволовых клетках. Tgfb2 и Tgfb3 экспрессируются в ранних куриных и мышиных конечностях, чтобы выполнить роль в индукции Scx. [16, 27, 92] У мышей TGF-β2 достаточен, чтобы повысить экспрессию Scx в конечностях на ст. E10.5, в предшественниках сухожилий и мезенхимных стволовых клетках. [16, 27, 93] Более того, канонический TGF-β внутриклеточный путь, SMAD2/3, , как было установлено, нуждается в экспрессии Scx на ст. E10.5 в конечностях мышей во время зависимой от мышц фазы формирования сухожилий конечностей. [27] Блокирование классического TGF-β внутриклеточного пути с использованием химических ингибиторов также снижает экспрессию Scx у эмбрионов рыбок данио. [18] Однако, экспрессия Scx, по-видимому, нормальная в конечностях на ст. E11.5 уTgfb2-/-;Tgfb3-/- двойных мутантных эмбрионов мыши, [16] подтверждая, что др. TGF-β лиганды могут быть ответственны за инициацию экспрессии Scx в конечностях мышей. Др. TGF-β лиганд, myostatin (GDF-8), является предполагаемым кандидатом, участвующим в развитии сухожилий, поскольку сухожилия маленькие, ломкие и содержат мало клеток у Mstn-/- мышей. [17] Более того, воздействие myostatin на первичную культуру фибробластов сухожилий увеличивает клеточную пролиферацию помимо усиления экспрессии Scx и Tnmd. [17]
BMP лиганды, которые передают сигналы посредством пути внутриклеточных Smad1/5/8, оказывают противоположный от TGF-β эффект и ограничивают экспрессию Scx, тогда как подавление передачи сигналов BMP с использованием антагониста Noggin усиливает экспрессию Scx в зачатках конечностей кур. [20] Роли антагонистов путей передачи сигналов TGF-β и BMP при спецификации клеток сухожилий согласуются с их противодействующей ролью в регуляции предшественников плодных мышц. Myostatin является мощным негативным регулятором мышечного роста,[94] тогда как BMP позитивно регулирует предшественники мышц [95] во время эмбрионального развития.
FGF, как было установлено, необходим и достаточен для инициации экспрессии Scx в сомитах во время развития сухожилий. Эктопический источник FGF вызывает эктопическую экспрессию Scx в сомитах кур и мышей и конечностях кур, [22-24] , тогда как подавление передачи сигналов FGF предупреждает экспрессию Scx . [22, 23] Pea3 (ERK MAPK эффектор) и Sprouty2 (ERK MAPK модулятор) экспрессируются в регионах предшественников сухожилий в syndetome кур, а FGF, как было установлено, действует на сомиты предшественники сухожилий посредством ERK MAPK внутриклеточного пути. [26, 91] В конечностях мышей путь передачи сигналов ERK MAPK, по-видимому, оказывает др. эффект, поскольку подавление ERK MAPK было достаточным для усиления экспрессии Scx в эксплантах конечностей мышей и в мезенхимных стволовых клетках мышей. [27] В соответствии с этим FGF ингибирует экспрессию Scx в мезенхимных стволовых клетках мышей. [27]

Tendon Cell Differentiation


Помимо участия на ранних стадиях индукции сухожилий передача внеклеточных сигналов TGF-β и FGF участвует в дифференцировке сухожилий во время зависимой от мышц фазе формирования сухожилий конечностей. [16, 24, 27] При отсутствии функции Tgfb2 и Tgfb3 наблюдается полная потеря экспрессии Scx сухожилий головы, аксиальных и конечностей и впоследствии полная потеря сухожилий. [16] Эксперименты с избыточностью функции TGF-β на ст. E12.5 в конечностях мышей привели к усилению активности экспрессии Scx и Tnmd. [16, 27] Избыточная экспрессия TGF-β в системе высокой плотности клеточной культуры на ст. HH25 в задних конечностях кур (micromass) также показала усиление экспрессии Scx и Tnmd посредством пути внутриклеточной передачи сигналов SMAD2/3. [15] TGF-interacting factor (Tgif1), как было установлено, способствует фиброгенному эффекту TGF-β SMAD2/3 внутриклеточного пути в культурах микромасс у кур. [15] Было отмечено, что кроме того TGF-β лиганд в системах 2D клеточной культуры активирует Scx, но резко подавляет экспрессию Tnmd. [13, 84, 96] Это указывает на то, что TGF-β лиганды не могут полностью индуцировать формирование сухожилий в культурах 2D стволовых клеток, в противовес экспериментам ex vivo, где TGF-β активирует Tnmd в дополнение к увеличению экспрессии Scx в эксплантах конечностей мышей. [27]
FGF, как было установлено, увеличивает количество Scx-позитивных клеток за счет мышечных клеток в конечностях кур во время плодного развития. [24, 97] Экспрессия ERK эффектора Pea3 и модулятора Spry2 обнаруживается как в мышцах, так и сухожилиях и увеличивается в области контакта между мышцами и сухожилиями в конечностях кур и мышей. [25] Однако, несмотря на сходство экспрессии в сухожилиях плодов кур и мышей компоненты передачи сигналов FGF, по-видимому, оказывают разные эффекты на развитие сухожилий плодов мышей по сравнению с таковыми у кур. FGF подавляет экспрессию Scx и Tnmd в клетках сухожилий мышей, выделенных от эмбрионов мышей на ст. E13 в конечностях и на осевых уровнях. [96]
Кстати, TGF-β/SMAD2/3, BMP/SMAD1/5/8 и FGF/ERK MAPK являются сигнальными путями, идентифицированными как участвующими в регуляции экспрессии Scx у эмбрионов позвоночных, хотя данные всё ещё отсутствуют, чтобы подтвердить, что все эти пути играют сходные роли в индукции или поддержании Scx у эмбрионов мышей, кур и рыбок данио. FGF, по-видимому, является критическим для индукции и поддержания Scx у кур, но не у эмбрионов мышей. Мы также подозреваем, что др. сигнальные пути также участвуют в спецификации или дифференцировке клеток сухожилий. Путь Wnt существенно регулирует клетки сухожилий мышей во время развития конечностей. [27] Более того, Wnt3a, как было установлено, положительно регулирует экспрессию Six2 в сухожилиях аутопода в развивающихся конечностях кур. [89]
У Drosophila сигнальные пути, как было установлено, участвуют в зависимой от мышц фазе формирования сухожилий. Лиганд Vein, продуцируемый мышечными клетками, как было установлено, активирует путь EGFR в предшественниках сухожилий, приводя к экспрессии stripeA. [77, 98] Трансмембранный белок Kon-tiki, экспрессируемый мышечными трубками, целенаправленно воздействует на клетки сухожилий благодаря своему взаимодействию с Dgrip. [99] Все эти события приводят к более продолжительному взаимодействию между мышечными трубками и клетками сухожилий посредством интегринов, возможно посредством гетеродимеров αPS1βPS и αPS2βPS интегринов. [57] Взаимодействия интегринов в месте контакта мышц и сухожилий, как было установлено, поддерживают экспрессию специфичных для сухожилий генов, таких как stripeA и β1-tubulin. [100]

MECHANICAL FORCES IN TENDON DEVELOPMENT


Механические силы, как известно, участвуют в эмбриональном развитии путем регуляции образования органов. [101] Поскольку сухожилия являются чувствительными к механическим воздействиям, то механические силы являются критическими для развития сухожилий. У человека уменьшение подвижности эмбриона приводит к тяжелым аномалиям, включая скелетно-мышечные дефекты. [102] Механические силы контролируют образование всех компонентов скелетно-мышечной системы во время эмбрионального развития. [103] Сухожилия особенно чувствительны к отсутствию механических нагрузок, поскольку они не формируются в отсутствие мышц. [20, 79] Известны два главных пути, участвующих в развитии сухожилий, TGF-β/SMAD2/3 и FGF/ERK MAPK, также участвующие в процессах механотрансдукции. [104, 105] Показано, что механические силы регулируют экспрессию Scx посредством активации TGF-β/SMAD2/3 пути в культурах теноцитов взрослых. [93] Во время развития FGF4 способен восстанавливать экспрессию Scx в отсутствие механических движений в конечностях кур, лишенных мышц. [24] Это привело к гипотезе, что передача сигналов TGF-β и FGF расположены ниже механических воздействий, чтобы регулировать развитие сухожилий. Одной из возможных механо-сенсорных молекул, стоящих ниже механических сил и выше передачи сигналов TGF-β является транскрипционный фактор Egr1. Egr1 является геном, чувствительным к механическим воздействиям в сосудистой системе. [106] Egr1 участвует в развитии сухожилий во время зависимой от мышц фазы у эмбрионов кур и мышей [10] и активирует транскрипцию Tgfb2 непосредственно в сухожилиях взрослых мышей. [13] Др. транскрипционный фактор Mkx, участвующий в развитии сухожилий [5, 7], также активирует транскрипцию Tgfb2 непосредственно в стволовых клетках мышей. [84] Хотя не описаны доказательства, что Mkx является механо-чувствительными геном, мы полагаем. что транскрипционные факторы могут ощущать механические воздействия и действовать выше передачи сигналов TGF-β dво время развития сухожилий. Согласуется с механо-сенсорной ролью Egr1, экспрессия Egr1 и Egr2, , как было установлено, увеличивается в течение 15 минут в ответ на нагрузки на поврежденные сухожилия крыс. [107] Роль транскрипционных факторов Egr1 и Mkx как механо-сенсоров, стоящих выше передачи сигналов TGF-β? предстоит продемонстрировать в контексте развития сухожилий. Итак, механические силы являются важным параметром, участвующим в развитии сухожилий, но пути механотрансдукции ниже силовых воздействий rot предстоит охарактеризовать.

TENDON PATHOLOGIES


Соединительная ткань сухожилий обнаруживает очень небольшим количеством клеточных делений. Поэтому отсутствует рак сухожилий, это согласуется с непосредственной корреляцией между количеством делений стволовых клеток и риском возникновения опухоли. [108] Раковые опухоли тем не менее обнаруживаются в оболочках сухожилий в виде giant-cell tumor of the tendon sheaths (GCTTS). GCTTS - это не злокачественное состояние неизвестной этиологии, наблюдаемое в основном, но не исключительно в руках. [109] GCTTS обнаруживаются на поверхности сухожилий, но никогда не возникают из теноцитов собственно сухожилий и не возникают системно из оболочек сухожилий; предполагается, что они возникают из синовиальных клеток. [110] Генетические заболевания, затрагивающие гены, кодирующие белки, участвующие в фибриллогенеза типа I коллагена, приводят к дефектам сухожилий, а также к дефектам всей соединительной ткани. [111] Большинство патологий сухожилий связано с повреждениями сухожилий (Figure 6), которые варьируют от хронических до острых. Хронические повреждения сухожилий или tendinopathy характеризуются болью и бессилием. Этиология и патогенез tendinopathy недостаточно понятны, хотя основная распознаваемая причина tendinopathy - это аномальные механические нагрузки. [112, 113] Острые повреждения сухожилий обозначаются как частичные или полные последствия травм. [114] После острых повреждений сухожилий следует типичный процесси заживления ран, включая раннюю воспалительную фазу, сопровоождаемую миграцией клеток, клеточной пролиферацией и фазой ремоделирования. Однако, процесс заживления неполный, поскольку зажившие сухожилия никогда не восстанавливают свои исходные биомеханические свойства. Источник клеток и молекулярные механизмы, участрующие в репарации сухожилий, установлены недостаточно.

Figure 6. Schematic representation of tendon pathologies. (a) Normal tendons. (b) Tendons in genetic diseases affecting collagen fibrillogenesis. (c) Chronic tendon injury or tendinopathy. (d) Acute tendon injury.

TENDON DEVELOPMENT AS TOOL FOR UNDERSTANDING TENDON HEALING


Естественное заживление сухожилий, как полагают, воспроизводит процессы развития сухожилий. Пути передачи сигналов TGF-β и FGF, участвующие в развитии сухожилий, также важны для заживления сухожилий после ранений. [114] Лиганды TGF-β и FGF высвобождаются в места повреждений модельных животных. [115] Потеря канонического внутриклеточного компонента пути TGF-β , Smad3, приводит к снижению транскрипции Col1a1 в заживших сухожилиях и к дефектам адгезии и рубцевания во время заживления у Smad3-/- мутантных мышей. [116] Соотв. были изучены TGF-β лиганды в качестве кандидатов, способствующих репарации сухожилий. [115] FGF также рассматривается как предполагаемая терапевтическая мишень, способствующая репарации сухожилий. Однако, эффект FGF на процесс заживления сухожилий не всегда позитивный. Локальное воздействие FGF после повреждения сухожилия способствует клеточной пролиферации у крыс [117] и усиливает ангиогенез у модельных собак, [118] но FGF неспособен улучшать механические или функциональные свойства репарированных сухожилий. [117, 118] Интересно, что при повреждении сухожилий у кур эндогенная экспрессия bFGF была подавлена во время ранней фазы процесса заживления сухожилий. [119] Кроме того, вирусом обеспечиваемое введение bFGF повышало экспрессию гена Scx и улучшало биомеханические свойства репарируемых сухожилий у кур. [120, 121] Благоприятный эффект FGFна процесс заживления сухожилий у кур согласуется с эффектом FGF во время развития сухожилий у кур.
BMPs, как было установлено, ускоряет заживление соединений между сухожилием и костью у модельных животных. [122, 123] Этот эффект согласуется с участием BMP4 в клетках сухожилий при их внедрении в кость во время развития deltoid tuberosity. [21]

CONCLUDING REMARKS


We believe that the understanding of tendon development will provide a basis for the identification of effective treatments of tendon injury. Transcription factors have been identified as promoting tenogenesis using developmental or stem cell models, and have been shown to promote tendon repair in animal models of tendon injury. In addition to transcription factors, signaling pathways have been shown to be involved in tendon development and healing. The relationship between intrinsic and extrinsic regulators of tenogenesis remains to be defined in the context of tendon development and healing and correlated with mechanical forces.