1. Строение остеокластов
Костные ткани содержат 3 вида клеток: остеоциты, остеобласты, остеокласты.
В ходе развития костной ткани образуются 2 дифферона: первый – стволовые остеогенные клетки, полустволовые стромальные клетки, остеобласты, остеоциты. Второй дифферон гематогенного происхождения: стволовая кроветворная клетка, полустволовая кроветворная клетка – предшественница миелоидных клеток и макрофагов, унипотентная колониеобразующая моноцитарна клетка – монобласт – промоноцит – моноцит – остеокласты (макрофаги).
Остеокласты (остеокластоциты) (от греч. osteon – кость и clao – раздроблять, разбивать) представляют собой клетки гематогенной природы, способные разрушить обызвествлённый хрящ и кость. В диаметре они достигают 90 мкм и более, содержат от 3 до нескольких десятков ядер, цитоплазма остеокластов слабобазофильна, иногда оксифильна. Говоря о расположении остеокластов, можно отметить, что обычно эти клетки располагаются на поверхности костных перекладин.
На стороне прилегания остеокласта к разрушаемой поверхности различают 2 зоны. Первая зона, являясь областью абсорбции и секреции гидролитических ферментов, является наиболее обширной и богатой цитоплазматическими выростами (гофрированная каёмка) зоной. Вторая зона является зоной плотного прилегания остеокласта к костной поверхности, она окружает первую, и, как бы герметизирует область действия ферментов. Эта зона цитоплазмы светлая, содержит мало органелл, за исключением микрофиламентов, состоящих из актина.
Периферический слой цитоплазмы над гофрированным краем содержит многочисленные мелкие пузырьки и более крупные – вакуоли. Существует теория, согласно которой в окружающую среду остеокластами выделяется углекислый газ, а фермент карбоангидраза, обнаруживаемый здесь, способствует образованию угольной кислоты и разрушению органической матрицы кости, а также растворению кальциевых солей. В остеокласте содержится большое количество таких органелл, как митохондрии и лизосомы. Шероховатая эндоплазматическая сеть развита относительно слабо. В месте соприкосновения остеокласта с костным веществом в последнем образуется лакуна. На дифференцировку остеокластов оказывают воздействие лимфокины, которые вырабатываются Т-лимфоцитами.
В отличие от остеобластов, происходящих из мезенхимальной стволовой клетки, остеокласты имеют костномозговое происхождение. Гранулоцит-макрофаг, являющийся колониеформирующей единицей, представляет собой самый ранний предшественник остеокласта, который может быть идентифицирован в костном мозге. Данная клетка плюрипотентна и является предшественницей не только остеокластов, но и моноцитов, дендритных клеток, а также нейтрофилов. Главным цитокином, который определяет ранний путь дифференциации остеокластов, считается макрофаг-колониестимулирующий фактор, источником которого являются стромальные клетки и остеобласты, секретирующие М-КСФ как в свободной, так и в мембранносвязанной форме.
У экспериментальных животных, у которых отсутствует экспрессия рецептора М-КСФ на гемопоэтических клетках, наблюдалось развитие остеопетроза и нарушение фагоцитарной функции моноцитов. Активация рецептора М-КСФ на поверхности клетки задействует два фактора транскрипции типов PU.1 и Mitf (транскрипционный фактор микрофтальмии), данные транскрипционные факторы нужны для последующей дифференциации клетки-предшественника. Мутации PU.1 и Mitf у экспериментальных животных приводят к формированию остеопетроза и отсутствию зрелых остеокластов в костной ткани. Дальнейший путь дифференциации преостеокласта происходит, в первую очередь, благодаря взаимодействию RANKL остеобластов с RANK преостеокластов. Также имеет значение и стимуляция рецептора М-КСФ на клеточной поверхности остеокласта. Взаимодействию RANKL с RANK препятствует продукция остеопротегерина (ОПГ) остеобластов, а поэтому скорость дифференциации преостеокластов определяется соотношением RANKL/ОПГ. Важно отметить, что эффект системных гормонов, а также цитокинов, отказывающих влияние на функцию остеокластов, опосредуется их действием на остеобласты. В микроокружении преостеокластов RANKL может находиться как в свободной, так и в растворимой форме. Источником такого RANKL могут быть Т- и В-лимфоциты, это, например, имеет значение в патогенезе ревматоидного артрита а также клетки миеломы, чем объясняется формирование остеолитических метастазов в костной ткани при этом заболевании. Нокаутные по RANK и/или RANKL экспериментальные животные не могут формировать зрелые остеокласты, и впоследствии у них формируется остеопетроз. Определенные перспективы, как показывают результаты экспериментальных исследований, могут иметь исследования рекомбинантного ОПГ и гуманизированных анти- RANKL антител (препарат «Денозумаб», «Amgen»). Так, «Денозумаб» (антитела к RANKL) продемонстрировал свою эффективность в лечении первичного остеопороза. Рекомбинантный ОПГ в настоящее время не нашел применения в медицине из-за иммунных побочных эффектов. Взаимодействие RANKL остеобластов с RANK остеокластов приводит к активации целого ряда транскрипционных факторов. Среди них шестой фактор, ассоциированный с рецептором тумор-некротизирующего фактора, c-fos, а также нуклеарный фактор активированных Т-лимфоцитов и NF-кВ. NFATc1 необходим для регуляции генов, ответственных за синтез тартрат-резистентной кислой фосфатазы, катепсина К, В3-интегрина, рецептора кальцитонина. В экспериментальных исследованиях было доказано, что у нокаутных по NF-кВ, c-fos и TRAF-6 факторам остеокластов не дифференцируются, вследствие чего у животных развивается остеопетроз.
Зрелый остеокласт представляет собой многоядерную клетку больших размеров. Обычно в остеокласте содержится до 10-20 ядер, но при заболеваниях, в период усилении резорбции кости, как, например, при болезни Педжета, остеокласт содержит до 100 ядер, приобретая гигантские размеры.
2. Функции остеокластов
Остеокласты представляют собой многоядерные гигантские клетки, а именно симпластические структуры, образующиеся вследствие слияния моноцитов, обладающие подвижностью и осуществляющие разрушение–резорбцию костной ткани. Так как резорбция кости сопровождается освобождением связанного с ее матриксом кальция, эти клетки играют очень важную роль в поддержании кальциевого гомеостаза. Остеокласты располагаются в образованных ими углублениях на поверхности костной ткани, называемых резорбционными лакунами или по автору лакуны Хаушипа. Остеокласты могут располагаться как поодиночке, так маленькими (небольшими) группами, и имеют способность проделывать в костной ткани глубокие ходы (тоннели).
Остеокласты обладают высокой фагоцитарной и литической активностью, за счёт которой осуществляется разрушение обызвествлённых хрящей и костей , так как происходил воздействие на органические и неорганические компоненты данных тканей.
Функция остеокластов по резорбции кости определяется, во-первых, их способностью плотно прикрепляться к поверхности кости с помощью особых белков, создавая тем самым пространство под клеткой, полностью изолированное от экстрацеллюлярной жидкости. Во-вторых, поляризацией клетки, которая заключается в том, что часть клеточной мембраны, обращенная к поверхности кости, приобретает гофрированную структуру, увеличивая площадь соприкосновения с костью и облегчая поступление клеточных продуктов в область резорбции. В-третьих, остеокласты обладают уникальной возможностью секретировать в область резорбции, изолированную от окружающего пространства, ионы водорода, а также протеолитические ферменты -таким образом данные симпластические структуры способны закислять среду, а продукты распада костного матрикса диацитозом удалять в окружающее пространство через апикальную часть клеточной мембраны, где далее фагоцитируются макрофагами.
3. Остеокластогенез
Остеокласт – симпласт, многоядерная клетка, которая образуется в процессе слияния макрофагов на поверхности кости или поблизости от нее. Значительный прогресс в понимании остеокластогенеза произошел особый период времени, когда в клеточных системах на основе клеток селезёнки, костного мозга, стромальных клеток были получены остеокласты. Именно тогда удалось сделать вывод о том, что для остеокластогенеза необходим тесный контакт между стромальными клетками и клетками костного мозга. Для остеокластогенеза необходимы два гемопоэтических фактора: ФНОродственный цитокин RANKL и полипептидный фактор роста CSF?1 (колониестимулирующий фактор?1), после чего происходит активация RANK на поверхности клеток-предшественников. Для экспрессии генов, типизирующих линию остеокластов, необходимо присутствие и CSF?1, и RANKL.
Необходимо отметить, что молекулярные механизмы клеточной коммуникации между остеобластами и остеокластами являются одними из наиболее важных в биологии костных клеток и ремоделировании кости в физиологических условиях. При этом взаимосвязь между вышеуказанными клетками осуществляется на различных стадиях их дифференцировки, а центральное внимание уделяется остеобластам, которым отводится ключевая роль в обеспечении созревания остеокластов, контроле их активности и регуляции ремоделирования кости в целом. Таким образом, от перекрестных связей между остеобластами и остеокластами зависит гомеостаз кости и процессы ее ремоделирования, а взаимодействие и кооперация ОБ и ОК, обеспечение их функционального баланса обусловливается многими цитокинами, гормонами, а также сигнальными путями. Функции остеокластов регулируются остеобластами, которые способны секретировать ряд гуморальных факторов, некоторые из которых приведены ниже:
1. (M-CSF, цитокин) — стимулирует остеокластогенез;
2. (RANKL, цитокин суперсемейства TNF) — стимулирует остеокластогенез;
3. остеопротегерин (OPG, цитокин суперсемейства TNF) — ингибирует остеокластогенез;
4. моноцитарный белок-1 (MCP- 1, цитокин) — стимулирует остеокластогенез;
5. семафорин — ингибирует остеокластогенез;
6. лизофосфатидная кислота (LPA) — стимулирует остеокластогенез;
7. лиганд к рецептору апоптоза Fas (FasL, цитокин суперсемейства TNF) — вызывает апоптоз остеокластов.
Созревание происходит в костной ткани из одноядерных клеток с некоторыми чертами макрофагов, которые происходят из периферической крови. Для остеокластогенеза необходимы колониестимулирующий фактор-1 (CSF-1) и RANKL. OPG способен связывать и нейтрализовать RANKL, что негативно влияет как на остеокластогенез, так и на активацию зрелых остеокластов. Показаны одногенные мутации, блокирующие остеокластогенез и активацию остеокластов. Курсивом выделены естественные мутации грызунов и человека, обычным шрифтом представлены результаты прицельного мутагенеза. В верхней части показаны одногенные мутантные аллели, усиливающие остеокластогенез, активирующие функции остеокластов и увеличивающие их выживаемость, что приводит к остеопорозу. Все эти мутации являются нулевыми, кроме OPG и sRANKL, представленных в моделях чрезмерной экспрессии у трансгенных мышей (выделены голубыми рамками).
