Посещений:
РЕМОДЕЛИРОВАНИЕ КОСТИ

Роль Костных Клеток

Bone remodelling at a glance
Julie C. Crockett, Michael J. Rogers, Fraser P. Coxon, Lynne J. Hocking and Miep H. Helfrich
Журнал и т.п.



Рис.1.  |  Постер

Табл.1 New treatments for osteoporosis that have been developed following identification of bone-disease-causing mutations

Цикл ремоделирования кости (см. Poster “The bone remodelling cycle”) поддерживает целостность скелета посредством сбалансированной активности составляющих её клеток. Существуют кость-формирующие остеобласты, клетки, продуцирующие органический костный матрикс, и имеющие целью её минерализацию (Karsenty et al., 2009); кость-деградирующие остеокласты, уникальный тип экзокринных клеток, которые растворяют костные минералы и ферментативно деградируют белки внеклеточного матрикса (ECM) proteins (Teitelbaum, 2007); и остеоциты, происходящие из остеобластов постмитотические клетки внутри костного матрикса, которые действуют как механосенсоры и эндокринные клетки (Bonewald and Johnson, 2008). 4-й тип клеток, выстилающие кость клетки, как предполагается, они выполняют специфическую роль в купировании резорбции кости с образованием кости (Everts et al., 2002), вообще-то с помощью физически определенных компартментов ремоделирования кости (Andersen et al., 2009).
Молекулярное выявление генетических нарушений с увеличением или уменьшением костной массы идентифицировало множество критических белков. контролирующих активность этих типов костных клеток. эта информация претворилась как в новых путях лечения, так и в диагнозах наиболее распространенных нарушений, так и в лучшем понимании общих генетических вариантов, которые ведут к различиям в плотности кости в общей популяции.
В данной poster статье мы проиллюстрируем критические сигнальные пути, участвующие в дифференцировке, функции и жизнеспособности костных клеток, а также опишем, как совместные активности клеток в кости поддерживаются с помощью межклеточных взаимодействий.

Osteoblasts: differentiation and function


Дифференцировка остеобластов достигается за счет совместной экспрессии ряда ключевых транскрипционных факторов (см. “Osteoblast lineage”), а формирование кости с помощью остеобластов контролируется как локально, так и системно путем ремоделирования кости в ходе развития (Box 1) и в течение всей жизни. Изучение болезней, связанных с дефектами образования кости, таких как нарушения развития конечностей и заболевания избыточной костной массы, продемонстрировали критическое значение контроля локального образования кости с помощью bone morphogenetic protein (BMP) (Cao and Chen, 2005) и wingless (Wnt) (Day et al., 2005) сигнальных путей для дифференцировки и функции остеобластов. У взрослых BMP2 может действовать как мощный стимулятор образования эктопической кости (Chen et al., 1997) и он используется клинически для усиления образования кости, напр., во время заживления переломов (Govender et al., 2002). Передача сигналов BMP посредством рекрутирования и активации

Box 1. Bone formation and function

Во время эмбриогенеза длинные кости формируются сначала как хрящи, которые постепенно становится костью, процесс известный как формирование эндохондральной кости. Напротив, плоские кости, такие как череп, формируются непосредственно из конденсатов мезенхимы с помощью процесса внутримембранной оссификации. В раннем детстве оба типа костей моделируются (формируются и приобретают форму) ремоделируются (замещаются или обновляются) , whereas in adulthood bone remodelling is the predominant process to maintain skeletal integrity, with the exception of massive increases in bone formation that occur after a fracture. Most bones consist of a mixture of dense outer cortical bone and inner trabecular (spongy) bone, enabling the optimal compromise between strength and weight. In addition to providing support, attachment sites for muscles and protection for vulnerable internal organs, bone also provides a home for bone marrow and acts as a reservoir for minerals.
Остеобласты продуцируют кость путем синтеза и направленной секреции типа I коллагена, который дает свыше 90% белка костного матрикса. Это, вместе с некоторыми минорными типами коллагенов, протеогликанов, фибронектина и специфических костных белков, таких как osteopontin, костный sialoprotein и osteocalcin, становится неминерализованным флексибельным остеоидом, на котором располагаются остеобласты. Твердость кости, которая отличает её от коллагенового матрикса, создается костным минералом. Минерализация достигается за счет локального высвобождения фосфата, который генерируется с помощью фосфатаз, присутствующих в производных остеобластов, связанных с мембранами матричных пузырьках внутри осеоида. Вместе с обилием кальция во внеклеточной жидкости это приводит к зарождению (nucleation) и росту кристаллов hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2. Пропорция органического матрикса к минералу (в кортикальном слое кости взрослого человека приблизительно 60% минерала, 20% органического материала, 20% воды) является критической для гарантии корректного баланса между жесткостью и гибкостью скелета.


гетеротримерных Smad белков контролирует экспрессию Runt-related transcription factor 2 (Runx2), также известного как core binding factor alpha1 (cbfa1), транскрипционного фактора, обязательного для дифференцировки остеобластов (Ducy et al., 1997). Канонический сигнальный путь Wnt обязателен для дифференцировки остеобластов во время скелетогенеза и продолжает играть важную роль в зрелых остеобластах (Box 2). Хотя основная функция циркулирующего в крови parathyroid hormone (PTH) заключается в регуляции кальция в плазме (see below), он также играет важную роль в формировании кости и предупреждает остеобласты и остеоциты от апоптоза. Дробное введение низких уровней PTH увеличивает количество остеобластов, образование кости и костной массы и составляет анаболическое лечение остеопороза.
Точные механизмы, участвующие в анаболических эффектах PTH на образование кости изучены недостаточно, но могут использовать передачу сигналов Wnt (Box 2), также как и insulin-like growth factor 1 (IGF-1). IGF-1, который высвобождается печенью в ответ на гормон роста, играет роль в детерминации мезенхимных стволовых клеток в клетки остеогенных предшественников. IGF-1 регулирует также остеокластогенез как непосредственно, так и посредством IGF рецептора (IGFR), присутствующего в остеокластах и посредством активации критического для остеокластов фактора дифференцировки receptor activator of nuclear factor κB ligand (RANKL).
Др. путь, с помощью которого регулируется функция остеобластов, это симпатическая нервная система (Elefteriou et al., 2005). Симпатическая стимуляция посредством ?2 adrenergic рецептора, расположенного на остеобластах, ингибирует образование кости и усиливает резорбцию кости, приводя тем самым к уменьшению костной массы.

Osteoclasts: differentiation and function


Остеокласты это большие многоядерные клетки, которые образуются в результате слияния моноядерных предшественников гематопоэтического клона (см. “Osteoclast lineage”). Дифференцировка остеокластов первоначально зависит от передачи сигналов посредством c-fms, рецептора macrophage colony stimulating factor (MCSF), в моноядерных клетках предшественниках, который активирует экспрессию RANK (Crockett et al., 2011). Её лиганд, RANKL, экспрессируется в остеобластах и стромальных клетках в ответ на PTH и стимуляцию с помощью активной dihydroxy формы витамина D3 (1,25 Vit D3) (Leibbrandt and Penninger, 2008). Передача сигналов посредством RANK и c-fms в моноядерных предшественниках является ключевым двигателем формирования остеокластов. Вместе с ко-стимуляцией с помощью immunoreceptor tyrosine-based activation motif (ITAM)-containing adaptors DAP12 (DNAX-activating protein of 12 kDa) и FcRγ (Fc receptor γ chain) , это ведет к активации транскрипционных факторов nuclear factor κB (NF-κB), activator protein 1 (AP-1) и nuclear factor of activated T-cells cytoplasmic 1 (NFATc1) (Humphrey et al., 2005). Они, в сою очередь, регулируют экспрессию важных генов остеокластов, таких как dendritic cell-specific transmembrane protein (DC-STAMP), tartrate-resistant acid phosphatase (TRAcP), cathepsin K, matrix metalloproteinase 9 (MMP-9) иβ3 integrin , это делает возможной финальную дифференцировку и слияние предшественников и функционирование возникших многоядерных остеокластов.
Мутации потери функции RANKL и RANK приводят к болезням избыточной костной массы, остеопетрозу поскольку образование остеокластов полностью нарушено (Table 1) (Guerrini et al., 2008; Sobacchi et al., 2007). В течение всего периода жизни зрелые остеокласты (несколько недель), продолжают передавать сигналы посредством c-fms и RANK , это необходимо для выживания остеокластов. Передача сигналов RANK тонко регулируется с помощью привлечения рецепторов для RANKL, osteoprotegerin (OPG), который продуцируется остеобластами и стромальными клетками и предупреждает взаимодействие RANKL с RANK. Эти факторы были использованы в качестве потенциальных терапевтических мишеней. Хотя анаболическое воздействие с помощью OPG больше не преследуется, антитела против RANKL, которые являются мощными anti-catabolic, недавно стали использоваться для лечения болезней, при которых формирование остеокластов или функция остеокластов избыточны (Rizzoli et al., 2010).
Формирование остеокластов активируется в условиях воспаления, связанного с потерей кости, напр., при ревматоидном артрите, за счет синергичного действия про-воспалительных цитокинов, включая tumour necrosis factorα (TNFα) и RANKL, и за счет трансдифференцировки дендритных клеток в остеокласты (Rivollier et al., 2004). Иммунная система также регулирует потерю кости, это ассоциирует с остеопорозом. Дефицит эстрогена ведет к активации interleukin 7 (IL-7), который индуцирует активацию T клеток и сложный каскад путей, продуцирующих цитокины и реактивные виды кислорода, тем самым увеличивая продукцию RANKL иTNFα (Weitzmann and Pacifici, 2007).
Количество остеокластов в кости контролируется не только посредством формирования, но также посредством регуляции продолжительности их жизни. Обычно остеокласты погибают за счет апоптоза, процесса, который использует сигнальные пути, которые включают extracellular-signal-regulated kinase (ERK), serine/threonine protein kinase Akt и mammalian target of rapamycin (mTOR), которые регулируют экспрессию апоптических факторов, таких как B-cell lymphoma-extra large (BclXL), BH3-only family member Bim и myeloid cell leukaemia sequence 1 (Mcl-1) (Akiyama et al., 2003; Xing and Boyce, 2005; Bradley et al., 2008; Sutherland et al., 2009). Однако жизнеспособность остеокластов, как полагают, увеличивается при патологических условиях, которые ассоциированы с увеличением количества остеокластов, таких как болезнь костей Paget's (Chamoux et al., 2009).

Pathways leading to osteoclast activation and initiation of bone resorption


Резорбция кости это процесс деструкции костного матрикса с помощью остеокластов. Когда остеокласты активируются для резорбции (см. “Polarising osteoclast” in the Poster), они поляризуются и формируют разные и уникальные домены мембраны, включая sealing zone (SZ), ruffled border (RB) и functional secretory domain (FSD) (Mulari et al., 2003). Важно. что остеокласты генерируют эти домены только тогда, когда они контактируют с минерализованным матриксом и не формируют RB, если культивируются in vitro на пластике или стекле (Saltel et al., 2004). Поляризация остеокластов использует перестройку актинового цитоскелета, чтобы сформировать F-актиновые кольца, которые представляют собой плотную непрерывную зону высоко динамичных подосом (Luxenburg et al., 2007), тем самым изолируется область мембраны, которая развивается в RB.
Интегринαvβ3 (рецептор vitronectin) обеспечивает прикрепление подосом к ECM посредством образования сигнального комплекса, состоящего из тирозин киназы c-Src, proline-rich tyrosine kinase 2 (PYK2) и spleen tyrosine kinase (Syk), а также из ряда каркасных белков, включая E3 лигазу c-Cbl, paxillin и члена семейства Crk-associated substrate (CAS) p130Cas. Это ведет к активации сигнальных путей, которые используют phosphoinositide 3-kinase (PI3K) и phospholipase Cγ (PLCγ) (которая активируется также с помощью передачи сигналов c-fms и комплемента αvβ3 s), и активацию малых GTPases Rac и Cdc42 с помощью guanine nucleotide-exchange factors (GEFs), таких как Vav3 (Novack and Faccio, 2009), в комбинации с деактивацией ADP-ribosylation factor 6 (Arf6) посредством его GTPase-activating protein (GAP) GIT2 (G-protein-coupled receptor kinase-activator 2) (Heckel et al., 2009). Вместе с изменениями в активности Rho и нижестоящих эффектов на ацетилирование и стабилизацию микротрубочек, комбинированное действие этих путей способствует реорганизации актина и микротрубочек, приводя тем самым к образованию SZ , а затем RB. В то время как integrin αvβ3 продолжает обеспечивать передачу сигналов между ECM и цитоскелетом во время резорбции, очень возможно, что плотное сцепление с костью в SZ обеспечивается посредством др. белков. таких как CD44 (Lakkakorpi et al., 1991; Chabadel et al., 2007).

Pathways involved in continued bone resorption: role of the ruffled border


Поддержание RB существенно для резорбции кости остеокластами (см. “Resorbing osteoclast” in the Poster). RB это сильно изогнутая мембрана, которая формируется в результате непосредственного транспорта поздних эндосом и/или лизосом и служит для доставки белков. участвующих в в процессе резорбции. Существует вакуольного типа H+-ATPase (V-ATPase), чья

Box 2. Wnt signalling in bone remodelling Canonical Wnt signalling is a key pathway in bone formation. The activation of ?-catenin through the Wnt co-receptors low-density lipoprotein receptor-related proteins 5 and 6 (LRP5, LRP6) and Frizzled results in the upregulation of transcription factors that are crucial for osteoblast differentiation. Gain-of-function or loss-of-function mutations within LRP5 are associated with high and low bone mass phenotypes in humans, respectively (Boyden et al., 2002; Little et al., 2002; Gong et al., 2001). However, as osteoblast-specific expression of gain-of-function mutations in mice results in a high bone mass phenotype (Babij et al., 2003) and LRP5 also regulates synthesis of serotonin, a systemic negative regulator of bone mass, in the duodenum (Yadav et al., 2008; Yadav et al., 2009), the relative contribution of osteoblasts versus duodenal LRP5 to the regulation of bone mass is under debate. Non-canonical Wnt signalling mediates the commitment of mesenchymal stem cells to the osteoblast lineage by preventing the expression of peroxisome proliferator activated receptor-γ (PPARγ), which is required for adipocyte differentiation (Takada et al., 2007). Osteoporosis and reduced levels of circulating oestrogen are associated with a switch that favours adipocytic over osteoblastic development (Rosen et al., 2009). There is evidence for cross-talk between PTH and Wnt signalling, because binding of PTH to its receptor recruits and phosphorylates LRP6, which leads to stabilisation of β-catenin. In addition, the endogenous inhibitor of Wnt signalling Dickkopf 1 (DKK1) prevents Wnt-dependent PTH effects (Wan et al., 2008; Guo et al., 2010). In differentiated osteoblasts, canonical Wnt signalling also stimulates OPG and inhibits RANKL expression, thereby negatively regulating osteoclast formation (Glass et al., 2005).


роль заключается в ацидификации пространства под RB (лакуны резорбции), это делает возможным растворение костного минерала, а cysteine protease cathepsin K, при этом деградирует типа I коллаген. Chloride-proton antiporter ClC-7 (Graves et al., 2008) действует совместно с V-ATPase в RB (as on lysosomes) путем транспортирования ионов хлорида в лакуны резорбции (Kornak et al., 2001). Мутации потери функции всех этих белков и Ostm1, субъединицы ClC-7, лежат в основе большинства случаев болезней с избыточностью костной массы остеопетроза с большим количеством остеокластов (Table 1). При этом типе остеопетроза остеокласты образуются нормально, но неспособны генерировать RB и не резорбируют кость (Villa et al., 2009; Lange et al., 2006). Доставка лизосомных и эндосомных компонентов, которая ведет к образованию RB, вместе с присутствием V-ATPase, ClC-7 и др. лизосомных белков в RB (Palokangas et al., 1997), указывает на то, что это необычный мембранный домен, а скорее напоминает внутриклеточную мембрану лизосом, чем плазматическую мембрану (Salo et al., 1996). Соотв. образование RB зависит от лизосомной малой GTPase Rab7 (Zhao et al., 2001). Др. семейство Rab GTPase, Rab3D, также необходимо, но локализуется в плохо охарактеризованном секреторном компартменте, который отличается от Rab7-регулируемого лизосомного компартмента (Pavlos et al., 2005).
Процесс резорбции кости создает высокую концентрацию деградированных коллагеновых фрагментов, помимо кальция и фосфатов, внутри резорбционных лакун, которые подвергаются эндоцитозу с помощью остеокластов и затем транспортируются по клетке и высвобождаются в FSD (Nesbitt et al., 1997; Salo et al., 1997) прежде чем достичь финального поступления в кровоток. Во время трансцитоза эти коллагеновые фрагменты далее протеолитически деградируются с помощью cathepsin K (Yamaza et al., 1998) и TRAcP, специфичного для остеокластов энзима, который активируется с помощью cathepsin K (Ljusberg et al., 2005). Эти энзимы, по-видимому, эндоцитозируются из лакун резорбции вместе с фрагментами коллагена, хотя остается неясным, как TRAcP целенаправленно попадает в RB. Путь трансцитоза может играть дополнительную роль в поддержании RB мембраны с помощью баланса экзоцитотических и эндоцитотических событий (Stenbeck, 2002).
Многие из процессов, участвующих в поляризации остеокластов и везикулярной доставке, которые делают возможной резорбцию кости, регулируются с помощью малых GTPases, таких как Rac, Rho и Rabs (Coxon and Taylor, 2008), которые необходимы для посттрансляционных модификаций с помощью isoprenylation для корректной локализации в клетке и для осуществления их специфических функций. В самом деле, разрушение ключевых энзимов, участвующих в isoprenylation в остеокластах с помощью bisphosphonates и родственных соединений, ведет к эффективному подавлению резорбции кости (Coxon et al., 2006). Благодаря своему свойству связывать минерал, bisphosphonates специфически нацелены на кость, где они высвобождаются и преимущественно участвуют в резорбирующих остеокластах во время растворения минерала, это объясняет их удивительную избирательность к этому типу клеток in vivo (Coxon et al., 2006).
Bisphosphonate лекарства используются в клинике уже несколько десятилетий для лечения болезней, связанных с избыточной резорбцией кости, такой как болезнь Paget's, вызванные раком болезни костей и остеопороз.

Table 1. New treatments for osteoporosis that have been developed following identification of bone-disease-causing mutations

Osteocytes: formation and function


Остеоциты наиболее многочисленный тип костных клеток, составляет более 95% от всех костных клеток. Эти клетки являются остеобластами, которые избежали апоптоза в конце цикла образования кости и оказались инкорпорированными в костный матрикс (see Poster panel “Osteoblast lineage”), где продолжительность их жизни составляет декады. Во время погребения их в костный матрикс (парадоксально это наз. рождением остеоцитов) остеобласты существенно изменяют свою морфологию, теряя более 70% клеточных органелл и цитоплазмы и приобретая звездчатую форму с 50 или более тонкими выпячиваниями (наз. отростками остеоцитов ), которые соединены с отростками др. остеоцитов и остаются также соединенными с остеобластами на поверхности кости (Rochefort et al., 2010). Возникающая в результате сеть остеоцитов создает микропористость минерализованной кости. Тела остеоцитов содержатся внутри пространств, обозначаемых как лакуны, тогда как их соединяющие отростки находятся внутри каналов (наз. canaliculi) – вместе они создают lacunar–canalicular сеть.
Подобно нервной сети сеть отростков остеоцитов передает сигналы о месте своего возникновения удаленным сайтам, где необходим эффект. В частности сеть остеоцитов ощущает механические силы, оказываемые на кость, напр., путем компрессии или растягивания костного матрикса во время движения и передает эти сигналы посредством сети, чтобы в конце концов повлиять на активность остеобластов и остеокластов на поверхности кости. Первоначально полагали, что остеоциты реагируют исключительно на механические стимулы, но теперь стало ясно, что они также ощущают метаболические сигналы. Гибель остеоцитов (что доказывается наличием пустых лакун) возрастает с уменьшением эстрогена, снижением нагрузки на кость и во время старения (Manolagas and Parfitt, 2010), состояния. которые связаны со снижением костной массы из-за повышенного ремоделирования. Эти наблюдения в комбинации с доказательствами, что экспериментальное удаление остеоцитов у молодых мышей ведет к быстрой индукции резорбции кости (Tatsumi et al., 2007), подтверждая, что живые остеоциты играют важную роль , негативно регулируя резорбцию остеокластами, хотя точные сигналы. которые они посылают, чтобы ингибировать остеокласты, пока неизвестны. Эффекты остеоцитов двойные: в ответ на восприятие механических эффектов на кость, они позитивно регулируют остеобласты посредством продукции мессенджеров, таких как nitric oxide и prostaglandin E2, и они негативно регулируют остеобласты посредством секреции sclerostin (discussed further below) (Rochefort et al., 2010).

Bone cells and bone matrix


Костные клетки подобно др. соединительно-тканным клеткам, живут в тесном контакте с обильным ECM, который играет ключевую роль в регуляции их пролиферации, дифференцировки и активации посредством различных адгезивных молекул.

Osteoblast–matrix interactions


Остеобласты стабильно взаимодействуют с матриксом посредством интегринов, интегрины β1 (α1β1, α2β1 и α5β1), по-видимому, наиболее многочисленные (Helfrich et al., 2008) и выполняют критическую роль в организации клеток на поверхности развивающейся кости во время продукции остеоида (Zimmerman et al., 2000). Остеобласты также экспрессируют ряд межклеточных адгезивных молекул, в частности cadherins, которые играют роль в дифференцировке и функции остеобластов (Civitelli et al., 2002; Marie, 2002). Свзь между клетками в клоне остеобластов в дальнейшем обеспечивается с помощью щелевых соединений и полуканалов, в особенности соединений, образуемых с помощью connexin 43 (Civitelli, 2008). Это делает возможным обмен ионами и малыми молекулами, напр., АТФ, nitric oxide и prostaglandins.

Osteoclast–matrix interactions


Остеокласты мигрируют через минерализованные трабекулярные поверхности и туннели в кортикальной кости и поэтому имеют лишь прерывистые взаимоотношения с матриксом. Временами они образуют плотные адгезивные взаимодействия с костью, как описывалось выше, но они также сильно подвижны, даже во время активной резорбции. Остеокласты используют главным образом αvβ3 и α2β1 интегрины. чтобы взаимодействовать с ECM (Helfrich et al., 2008). Они соединяются с коллагеном посредством β1> интегринов, тогда как специфичные для кости или концентрирующиеся в кости RGD-содержащие белки, такие как костный sialoprotein и osteopontin, соединяются посредством β3 интегрина (Helfrich et al., 1992; Helfrich et al., 1996). Как мигрирующие клетки, зрелые остеокласты не экспрессируют кадерины, но считается, что кадерины играют роль во время дифференцировки остеокластов, чтобы обеспечить интимный контакт со стромальными клетками, которые экспрессируют важные факторы роста (Mbalaviele et al., 2006).

Osteocyte–matrix interactions


Выявляется специфическое взаимодействие между интегринами остеоцитов и матриксом, выстилающим лакуны и canaliculi, оно может быть критическим для генерации и умножения сигналов, которые индуцируются при деформации ткани (Wang et al., 2007); что указывает на участие интегринов β1 или β3 (Litzenberger et al., 2010; McNamara et al., 2009). Исследования по наблюдению за живыми клетками показали, что популяция остеоцитов вблизи поверхности кости чрезвычайно подвижна, указывая, что формирование сети остеоцитов может более активно контролироваться участвующими клетками, чем это предполагалось (Dallas and Bonewald, 2010).

Coupling bone formation to bone resorption


Во время ремоделирования кости образование кости тесно связано с резорбцией кости, и прямые контакты между остеокластами и остеобластами, как полагают, поддерживают эти взаимоотношения. Недавно ephrin B (EphB) рецепторы (самый крупный класс рецепторных тирозин киназ) и их ephrinB лиганды участвуют в обеспечении этой связи. Эти взаимодействия между рецепторами и лигандами активируют двунаправленную передачу сигналов, там, где взаимодействие между лигандом и рецептором вызывает передачу сигналов как клетках, экспрессирующих рецепторы, так и экспрессирующих лиганды. Здесь передача ‘forward’ сигналов, от рецепторов EphB4, присутствующих на остеобластах, активирует RhoA-зависимый путь для улучшения дифференцировки остеобластов , тогда как передача ‘reverse’ сигналов от лиганда ephrinB2, который экспрессируется остеокластами, подавляет c-Fos и NFATc1, чтобы ингибировать функцию остеокластов(Matsuo, 2010). В результате этой двунаправленной передачи сигналов может затрагиваться переключение с резорбции кости на продукцию кости. EphB4 и ephrinB2 также передают сигналы между клетками, которые принадлежат к клону остеобластов и могут т.о. оказывать дополнительные позитивные эффекты на формирование кости во время ремоделирования кости (Martin et al., 2010).
Кроме того, ряд растворимых факторов участвует в координации между формированием и резорбцией кости, включая факторы, высвобождаемые костным матриксом во время резорбции, таких как transforming growth factor β (TGF-β), факторы, которые секретируются остеокластами, включая cardiotrophin-1, TRAcP и glutamate (Walker et al., 2008; Karsdal et al., 2007; Coxon and Taylor, 2008), и факторы, продуцируемые остеобластами, включая oncostatin M (Walker et al., 2010).

Systemic regulation of bone remodelling


Резорбция кости остеокластами контролируется системно с помощью 4-х основных гормонов: calcitonin, PTH, vitamin D3 (1,25 Vit D3) и эстроген. Секреция первых трех управляется с помощью контроля за уровнем сывороточного кальция с точными физиологическими границами (т.e. 2.2–2.6 mM), при этом кость действует как резервуар минерала для этого гомеостаза.
Calcitonin действует посредством своих рецепторов, которые экспрессируются специфически на остеокластах и непосредственно ингибируют резорбцию остеокластами (Zaidi et al., 2002). Напротив, PTH соединяется со своими рецепторами, которые экспрессируются на остеобластах и стромальных клетках костного мозга, в которых посредством передачи сигналов cAMP responsive element binding protein (CREB), он активирует экспрессию MCSF и RANKL, тем самым косвенно стимулируя резорбцию кости остеокластами. Важным, не связанным со скелетом действием PTH является стимуляция повышенной реабсорбции кальция в почках, это совместно с повышенной резорбцией, мобилизирующей кальций из кости, восстанавливает физиологические уровни кальция в сыворотке (Talmage and Elliott,1958). PTH также стимулирует продукцию 1,25 Vit D3 из циркулирующих неактивных предшественников. 1,25 Vit D3, в свою очередь, облегчает абсорбцию кальция из кишечника и почек и также позитивно регулирует резорбцию кости косвенно посредством 1,25 Vit D3 и ретиноидных X рецепторов в остеобластах, это повышает экспрессию RANKL и MCSF.
Главная роль эстрогена в скелетной системе это действие в качестве щадящего кость гормона, которое осуществляется посредством рецепторов. экспрессируемых остеокластами и остеобластами. Этот половой гормон является критическим для контроля продолжительности жизни остеокластов и может вызывать апоптоз pre-osteoclast и остеокластов посредством передачи сигналов Fas и Fas лиганда. Поэтому потеря эстрогена у женщин после менопаузы ведет к увеличению образования и жизнеспособности остеокластов (Krum et al., 2008; Nakamura et al., 2007).
Эстроген также блокирует функцию остеокластов косвенно посредством эффектов на иммунную систему и играет роль в регуляции реакции кости на механическую стимуляцию (Zaman et al., 2006).

Bone as an endocrine organ


Недавно выяснилась роль кости как эндокринного органа. Во-первых, продуцируемый остеобластами белок osteocalcin был идентифицирован как позитивный регулятор секреции панкреатического инсулина (Lee et al., 2007). Экспрессия остеокальцина активируется с помощью передачи сигналов инсулина в остеобластах путем подавления Twist, ингибитора Runx2 (Fulzele et al., 2010), тогда как инсулин-зависимое подавление OPG в остеобластах стимулирует остеокласты и снижает pH костного ECM, это необходимо для активации osteocalcin перед его вступлением в кровоток (Hinoi et al., 2008; Ferron et al., 2010).
Во-вторых, новая роль остеоцитов связана с регуляцией костного метаболизма. Osteocytes синтезируют fibroblast growth factor 23 (FGF23), который играет ключевую роль в гомеостазе фосфатов путем действия на паратироидные железы и почки, чтобы снизить уровни циркулирующих в крови фосфатов. Продукция FGF23 стимулируется с помощью 1,25 Vit D3 и действует, в свою очередь, снижая уровни 1,25 Vit D3. Два др. экспрессируемых остеоцитами белка, phosphate regulating endopeptidase homolog, X-linked (PHEX) и dentin matrix acidic phosphoprotein 1 (DMP1), как полагают, негативно регулируют FGF23 в остеоцитах (Quarles, 2008).
Наконец, путем исследования пациентов с редкими наследственными болезнями с избыточной костной массой с sclerosteosis и болезнью Van Buchem, был открыт ген SOST, который кодирует sclerostin, ингибитор образования кости (Balemans and Van Hul, 2004). Sclerostin синтезируется исключительно костными клетками, которые находятся в контакте с минералом, т.е. поздними остеобластами и остеоцитами. Экспрессия sclerostin ингибируется с помощью PTH и oncostatin M (Walker et al., 2010), и с помощью механических нагрузок на кость (Robling et al., 2008). Sclerostin действует как ингибитор передачи сигналов Wnt (Box 2). Благодаря его исключительной экспрессии в кости, sclerostin становится ключевой мишенью для разработки новых костных анаболиков; anti-sclerostin антитела сегодня находятся во второй фазе клинических испытаний (Table 1).

Mechanical regulation of bone remodelling


Механическое воздействие является ключевым регулятором ремоделирования кости и архитектуры костей в целом (Jacobs et al., 2010). Оно влияет на метаболизм кости не только локально (напр., делая более крупными кости обслуживающих рук у профессиональных игроков в теннис), но и также системно (что иллюстрируется выраженной потерей кости у астронавтов при нулевой силе тяжести и у неподвижных пациентов). Исследования на животных показали драматические реакции на механические стимулы на тканевом уровне и в исследованиях in vitro , подтвердив, что индивидуальные костные клетки, такие как остеоциты и остеобласты, способны воспринимать и реагировать на механические усилия. ранние сигналы продуцируемые в ответ на механические стимулы, включают nitric oxide, prostaglandins и Wnt сигнальные белки (Bonewald and Johnson, 2008). В остеоцитах, β-catenin быстро транслоцируется в ядро после воздействия жидким сдирающим напряжением (fluid shear stress), подтверждая реакцию передачи сигналов Wnt или cadherin-обеспечиваемой передачи сигналов (Huesa et al., 2009; Norvell et al., 2004; Santos et al., 2010). Однако в точности механические стимулы, которые воспринимаются костными клетками in vivo и

Box 3. Genetic contributors to osteoporosis

Identification of the molecules that are essential for bone cell formation or cause inherited disorders of osteoclast function has led to a better molecular understanding of the common bone disorder osteoporosis. This age-related low bone mass condition, most prominent in women following the menopause, can be assessed by measuring bone mineral density (BMD). BMD varies naturally within the population, and peak bone mass and the rate of bone loss in later life are determined by the interplay between multiple genetic and environmental factors. Common genetic variants associated with BMD have been reported for components of several of the signalling pathways mentioned above, including those activated by RANKL, Wnt-LRP, TGF-β and BMPs, as well as cytoskeletal scaffolding proteins, GAPs and endosomal transporters. In addition, genetic variation also affects nuclear hormone receptors, for example, vitamin D receptor and oestrogen receptor, and the ECM (Kiel et al., 2007; Rivadeneira et al., 2009). However, the contribution of the individual genetic variants that have been identified to date to the overall variation in BMD and bone loss is typically small (Rivadeneira et al., 2009). Therefore, their combined effects will be the important factor in determining the risk of osteoporotic fractures. Additionally, in the majority of cases, the functional variants of these genes have not yet been identified, thus preventing an accurate estimation of the actual risk or a meaningful assessment of their combined effects at a molecular or cellular level. There is also evidence for site-specific effects of genetic variants. Such localised effects undoubtedly occur through interactions with the local environment – for example under different loading conditions – but also concur with the evidence for intrinsic differences in bone cell functions between different skeletal sites (Everts et al., 2009).


продуцируют сигналы, остаются неизвестными. Несмотря на это выраженные анаболические эффекты механической стимуляции кости вызывает использование механической терапии для увеличения костной массы. Присутствие микротрещин в кости влияет на восприятие механических сил и сегодня рассматривается как критический двигатель ремоделирования в ответ на инициальную резорбцию остеокластами (Cardoso et al., 2009).

Conclusions


Over the past “Bone and Joint Decade”, the progress made in understanding bone remodelling, both through experimental approaches and by uncovering the molecular basis of inherited bone disease, has been truly spectacular. The vast amount of new knowledge has already been translated into novel therapeutic approaches for the treatment of common bone diseases and is leading to the development of better biomarkers to monitor response to treatment. There is the exciting possibility that soon we will be able to understand the genetic predisposition for age-related bone loss (Box 3), develop better screening methods to identify those most at risk and use genetic information to decide on the most appropriate treatment. All this will require intricate knowledge of bone anatomy, bone cell function and bone remodelling to inform our understanding of the functional consequences of such genetic differences.
Сайт создан в системе uCoz