Военное образование в России

Костная ткань: гистофизиология и регенерация - Межклеточное вещество

Межклеточное вещество

Межклеточное вещество - костный матрикс составляет 50 % сухого веса кости и состоит из органической (25%), неорганической (50%) частей и воды (25%).

2.2.1 Органическая часть.

Почти на 95% состоит из коллагена I типа и на 5% из неколлагеновых белков. Помимо коллагена и неколлагеновых белков матрикс включает гликозаминогликаны. Органические вещества костного матрикса синтезируются остеобластами и доставляются тканевой жидкостью.

Образование коллагена включает два этапа. На первом происходит внутриклеточный синтез остеобластами предшественника коллагена – проколлагена. Далее он подвергается внутриклеточной посттрансляционной модификации. Происходит гидроксилирование пролина и лизина, гликозилирование гидроксилизиновых остатков в структуре коллагена. Проколлаген I состоит из двух одинаковых полипептидных a1-цепей и одной a2-цепи. Сборка проколлагена происходит с образованием дисульфидных связей в С-концевых областях, после чего образуется структура из трех цепей, вместе закрученных в спираль. Такая молекула называется тропоколлаген, она секретируется остеобластами во внеклеточное пространство. После секреции происходит сборка тропоколлагена – мономеров коллагена во внеклеточном пространстве. При этом, под влиянием внеклеточной лизилоксидазы, образуются характерные для зрелого коллагена межфибриллярные сшивки – пиридинолиновые мостики, далее отщепляется один С-концевой и один N-концевой пропептиды. Первый имеет молекулярную массу 100000 Да и может быть определен в сыворотке крови, что имеет значение при диагностике дегенеративно-дистрофических заболеваниях скелета.

Неколлагеновые белки костного матрикса возможно классифицировать:

- белки, осуществляющие адгезию клеток (фибронектин, тромбоспондин, костный сиалопротеин). Эти же белки способны интенсивно связываться с кальцием и участвовать в минерализации костной ткани;

- гликопротеины (щелочная фосфатаза, остеонектин);

- протеогликаны (кислые полисахариды и гликозаминогликаны – хондроитинсульфат и гепарансульфат);

- гамма-карбоксилированные (gla) протеины (остеокальцин, gla-протеин матрикса – MGP);

- факторы роста (фактор роста фибробластов, трансформирующие факторы роста, костные морфогенетические белки) – цитокины выделяемые клетками костной ткани и крови, осуществляющие местную регуляцию остеогенеза.

Коротко охарактеризуем основные неколлагеновые белки костного матрикса.

Остеонектин - гликопротеин кости и дентина, имеет высокое сродство к коллагену I типа и к гидроксиапатиту, содержит Са-связывающие домены. Поддерживает в присутствии коллагена концентрацию  Са ´ Р. Предполагается, что белок участвует во взаимодействии клетки и матрикса.

Щелочная фосфатаза. Синтез данного фермента считается одним из самых характерных свойств клеток остеобластической линии. Однако, следует учитывать, что этот фермент имеет несколько изоформ (костную, печеночную, кишечную, плацентарную). Точно механизм действия щелочной фосфатазы не установлен. Предполагается, что данный фермент отщепляет фосфатные группы от других протеинов, благодаря чему увеличивается локальная концентрация фосфора; также ему приписывают разрушение ингибитора минерализации - пирофосфата.

Остеопонтин - фосфорилированный сиалопротеин. Используется в высокоразрешающей иммуногистохимией для характеристики белкового состава матрикса, в частности поверхностей раздела, где он является главным компонентом и аккумулируется в виде плотного покрова, названного линиями цементации (lamina limitans). Благодаря своим физико-химическим свойствам регулирует кальцификацию матрикса, специфично участвует в адгезии клеток к матриксу или матрикса к матриксу. Продукция остеопонтина – одно из наиболее ранних проявлений активности остеобластов.

Остеокальцин - белок (5800 Да, 49 аминокислот) в матриксе кости, участвует в процессе кальцификации, служит маркером для оценки активности метаболизма костной ткани. Его синтез контролирует кальцитриол (1,25 - дигидроксихолекальциферол) на уровне транскрипции, кроме того, в процессе «созревания» в остеобластах подвергается витамин К-зависимому g-карбоксилированию трех остатков глютаминовой кислоты в молекуле остеокальцина. Во внеклеточном матриксе активно связывается с молекулами гидроксиапатита, небольшая часть остеокальцина при этом попадает в кровоток, где его уровень может быть определен иммуногистохимическими методами методами.

Костные морфогенетические белки (КМБ) – цитокины, относящиеся к основному подклассу трансформирующих факторов роста b. Известно, что они способны индуцировать рост костной и хрящевой тканей, а именно  воздействовать на пролиферацию и дифференцировку четырех типов клеток - остеобластов, остеокластов, хондробластов и хондроцитов. Кроме этого, морфогенетические белки блокируют миогенез и адипогенез. Показано, что остеобласты и клетки стромы костного мозга экспрессируют рецепторы КМБ I и II типов. Обработка их КМБ в течении 4-х недель вызывает минерализацию матрикса, повышение активности щелочной фосфатазы и концентрации мРНК. Показано, что КМБ распределен по коллагеновым волокнам костной ткани, в клетках остеогенного слоя надкостницы; его не много в клетках пластинчатой костной ткани и избыток в тканях зуба.

Значительна роль КМБ в процессах эмбриогенеза, причем КМБ обнаруживается со стадии гаструляции. Его влияние начинается с 7-го дня, позднее оно заключается в дозозависимом увеличение числа, размеров и минерализации остеогенных островков.

Процесс инициации эндохондрального остеогенеза способны осуществить КМБ. Есть сведения, что КМБ связывает экстрацеллюлярные компоненты костного матрикса, гепарин и активирует продукцию коллагена, что способствует регенерации кости.

В настоящее время ведутся активные биотехнологические разработки по выработке технологии клинического использования фармакологических препаратов на основе КМБ, которые были бы показаны пациентам с нарушениями консолидации переломов, дефектами костей и др.

Следует указать, что в организме помимо системы индукции остеогенеза существует и система его подавления. Так недавно описанный белок - OIP - остеогенетический ингибирующий белок является по биологическому действию антагонистом КМБ.

Неорганическая часть – в значительной части содержит кальций (35%) и фосфор (50%), образующие кристаллы гидроксиапатита – Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂, имеющие размер 20×5×1,5 нм и соединяющиеся с молекулами коллагена посредством неколлагеновых белков матрикса. Гидроксиапатит не единственная форма ассоциации кальция и фосфора в костной ткани. Кость содержит окта- , ди- и трикальций фосфат, аморфный фосфат кальция. Кроме этого в состав неорганического матрикса входят бикарбонаты, цитраты, фториды, соли Mg, K, Na и др.