Tkanka kostna-struktura i funkcje
Tkanka kostna stanowi zróżnicowaną postać tkanki łącznej o wysokiej aktywności metabolicznej i dużej wytrzymałości mechanicznej. Tkanki łączne są specyficznym rodzajem zespołu komórek, które rozwijają się z mezodermy i cechują obecnością dwóch zasadniczych składników: komórek oraz substancji pozakomórkowej (ECM). Oprócz właściwości wspólnych dla tkanek łącznych, tkanka kostna posiada cechę wyróżniającą, którą jest obecność w istocie pozakomórkowej składników nieorganicznych. Obecność tych związków pozwala na zakwalifikowanie tej tkanki do tkanek twardych (zmineralizowanych).
Tkanka kostna zbudowana jest z substancji pozakomórkowej i komórek kości. W skład ECM wchodzą: osteoid oraz substancja nieorganiczna, czyli minerał kości. Wśród komórek kości, które stanowią około 5% masy tkanki kostnej wyróżniamy komórki osteogenne, osteoblasty, komórki wyścielające, osteocyty i osteoklasty.
Substancja pozakomórkowa tkanki kostnej
Istota pozakomórkowa tkanki kostnej zbudowana jest z substancji organicznej stanowiącej około 25% oraz związków nieorganicznych i wody. Macierz organiczna zbudowana jest z białek kolagenowych i niekolagenowych. Białkiem kolagenowym warunkującym wytrzymałość kości jest kolagen typu I, który stanowi 95% wszystkich składników organicznych substancji pozakomórkowej tkanki kostnej. Kolagen zbudowany jest z długich włókien zebranych w pęczki i ułożonych warstwami zgodnie z kierunkiem działania największych obciążeń mechanicznych, jakim poddawana jest kość. W obrębie białek niekolagenowych substancji pozakomórkowej kości, stanowiących pozostałe 5 % macierzy organicznej wyróżniamy: proteoglikany (głównie siarczan chondroityny i dermatynu), osteonektynę, osteokalcynę oraz białka mocujące: fibronektynę, osteopontynę, trombospondynę i sialoproteiny kości.
Składniki nieorganiczne tkanki kostnej, determinujące twardość kości stanowią około 50% wszystkich elementów macierzy. Największą część składników mineralnych (około 80%) stanowią fosforany wapnia, tworzące kryształy z dwuhydroksyapatytami. W fazie nieorganicznej macierzy występują także: węglan wapnia, cytryniany, jony magnezu, sodu oraz śladowe ilości jonów potasu, chloru i fluoru.
Komórki tkanki kostnej
Komórki osteogenne (prekursorowe) swoim wyglądem przypominają komórki mezenchymy pierwotnej, z których powstają. W dojrzałej kości komórki prekursorowe znajdują się w okostnej i śródkostnej wyścielającej kanały Haversa, jamy szpikowe, kanały odżywcze oraz beleczki kostne kości gąbczastej. W tych miejscach komórki pozostają w stanie spoczynku, aż do momentu zadziałania bodźca wyzwalającego proces tworzenia kości. Pod wpływem tych bodźców komórki dzielą się i różnicują w osteoblasty.
Osteoblasty (komórki kościotwórcze) pochodzą od szpikowych, multipotencjalnych, mezenchymalnych komórek macierzystych, które dają także początek, m.in adipocytom i komórkom mięśniowym. Osteoblasty są komórkami o wielkości 20-30µm, w ich zasadochłonnej cytoplazmie występuje silnie rozwinięta siateczka śródplazmatyczna i aparat Golgiego, co jest charakterystyczne dla komórek wyspecjalizowanych w sekrecji białek. Komórki kościotwórcze znajdują się na zewnętrznej powierzchni blaszek kostnych i są odpowiedzialne za syntezę, a następnie mineralizację macierzy kostnej. Dodatkowo komórki te syntetyzują czynniki wzrostu, które następnie wydzielają do istoty międzykomórkowej, gdzie stymulują one szereg ważnych procesów biologicznych.
Komórki wyścielające są to płaskie, wydłużone komórki pochodzące z osteoblastów. Pokrywają one warstwę niezmineralizowanej, kolagenowej macierzy, znajdującej się na powierzchni kości i nie podlegającej procesowi wewnętrznej przebudowy. Niezmineralizowana, kolagenowa macierz pokrywająca kości uniemożliwia wiązanie się osteoklastów. Aby proces ten był możliwy, komórki wyścielające wydzielają enzym kolagenazę, która degraduje macierz i w konsekwencji umożliwia związanie się osteoklastów z powierzchnią kości.
Osteoklasty (komórki kościogubne) są wielojądrzastymi komórkami o średnicy około 100µm, których prekursorami są hematopoetyczne komórki linii monocytarno-makrofagowej. Komórki prekursorowe różnicują się, a następnie łączą ze sobą tworząc dojrzałą i w pełni aktywną, wielojądrową komórkę. Komórki kościogubne posiadają specyficzną budowę, która wynika z pełnionej przez nie funkcji. Osteoklasty czynnie uczestniczą w resorpcji kości, dlatego też posiadają rozbudowany aparat Golgiego oraz kwasochłonną cytoplazmę bogatą w lizosomy i mitochondria.
Typy tkanki kostnej
Kości szkieletu utworzone są z dwóch rodzajów tkanki kostnej: tkanki kostnej zbitej, nazywanej również korową oraz tkanki kostnej gąbczastej, zwanej beleczkową.
Tkanka kostna zbita zbudowana jest z blaszek kostnych, które układają się koncentrycznie wokół kanałów naczyniowych tworząc osteony (systemy Haversa). Osteon jest podstawową jednostką architektoniczną kości zbitej. W jego składzie możemy wyróżnić centralnie położony kanał osteonu (kanał Haversa), w którym znajdują się naczynia krwionośne i nerwy oraz 9-15 koncentrycznie ułożonych wokół niego blaszek osteonu. W poprzek kości zbitej biegną kanały Volkmanna, w których znajdują się odgałęzienia naczyń krwionośnych poszczególnych osteonów. Na granicy sąsiednich blaszek kostnych znajdują się jamki kostne wypełnione osteocytami, których wypustki przebiegają w kanalikach przenikających blaszki kostne. Kość zbita stanowi około 80% masy całego szkieletu, występuje m.in. w trzonach kości długich, jak również stanowi zewnętrzną warstwę kości płaskich. Tkanka ta ze względu na swoją strukturę i mocne zwapnienie determinuje w dużej mierze wytrzymałość szkieletu na urazy mechaniczne.
Tkanka kostna gąbczasta w odróżnieniu od zbitej, ma luźną strukturę. Zbudowana jest z beleczek kostnych utworzonych przez równolegle ułożone blaszki kostne i osteocyty. Beleczki kostne zajmują tylko 15-25% jej objętości, zaś pozostałą wolną przestrzeń wypełnia szpik kostny. Specyficzna struktura kości gąbczastej, w której beleczki kostne układają się na kształt kratownicy, pozwala na wytrzymanie znacznych obciążeń mechanicznych, którym poddawana jest kość. Kość gąbczasta stanowi 20% masy całego szkieletu, znajduje się w przynasadowych częściach kości długich, trzonach kręgów, w kościach miednicy i innych, dużych kościach płaskich.
Metabolizm tkanki kostnej
Szkielet człowieka w ciągu całego życia dostosowuje swoje rozmiary i strukturę wewnętrzną do ciągle zmieniających się warunków biomechanicznych.W trakcie przebudowy kości proces niszczenia tkanki kostnej jest ściśle sprzężony z procesem jej odbudowy. Wszystko to jest uzależnione od wieku i etapu rozwoju organizmu. W okresie wzrostu przeważają procesy kościotworzenia, a więc wymiany składników kośćca i tworzenia kości w miejscu odrębnym od jej resorpcji, co określa się mianem modelowania. W wieku starszym przewagę przejmują procesy wewnętrznej przebudowy kości, które określa się mianem remodelacji kostnej. Przebudowa tkanki kostnej determinuje prawidłowe funkcjonowanie układu szkieletowego oraz takie procesy jak: wzrost kości młodego organizmu, wyrzynanie się zębów, zrastanie się złamań oraz utrzymanie homeostazy wapniowo-fosforanowej, która jest kluczowa dla zdrowia całego organizmu.
Na proces kostnienia składają się dwie zasadnicze przemiany: osteoklastogeneza i osteoblastogeneza. Równowaga jaka istnieje pomiędzy tymi procesami odpowiada za proces remodelacji kostnej.
Osteoklastogeneza
Osteoblasty powstają z hematopoetycznych komórek macierzystych. Osteoklastogeneza jest procesem kilkuetapowym, na który składają się: rekrutacja komórek, ich różnicowanie oraz fuzja jednojądrzastych prekursorów osteoklastów w dojrzałe, aktywne formy wielojądrzaste. Czynnikiem niezbędnym do zainicjowania procesu tworzenia linii komórek kościogubnych jest czynnik transkrypcyjny PU.1, determinujący nieswoiste różnicowanie komórek monocytarnych. Do prawidłowego przebiegu procesu osteoklastogenezy niezbędna jest także obecność dwóch białek: M-CSF oraz RANKL. M-CSF działa na początkowych etapach kształtowania osteoklastów stymulując proliferację prekursorów osteoklastów i zapobiegając ich apoptozie. RANKL natomiast jest ligandem dla receptora RANK, znajdującego się w błonie preosteoklastów. Połączenie RANKL z receptorem wyzwala w prekursorach osteoklastów całą kaskadę reakcji pozwalających na różnicowanie i aktywację komórek kościogubnych. Dochodzi m.in. do indukcji syntezy białek fuzji umożliwiających wzajemne połączenie się preosteoklastów i wytworzenie dojrzałej komórki wielojądrzastej.
Osteoblastogeneza
Prekursorami osteoblastów są multipotencjalne komórki mezenchymalne, które dają także początek chondrocytom, miocytom, adipocytom i komórkom zrębowym szpiku kostnego. To, w jaki rodzaj komórek przekształcą się komórki mezenchymalne zależy od działania szeregu czynników transkrypcyjnych, których funkcjonowanie opiera się głównie na stymulowaniu ekspresji określonych genów. Głównym czynnikiem transkrypcyjnym kontrolującym osteoblastogenezę jest Runx2, będący członkiem rodziny czynników transkrypcyjnych Runt, wyrażanych w komórkach mezenchymalnych na początku rozwoju szkieletu, jak również obecnych w osteoblastach podczas ich różnicowania. Czynnik Runx2 pobudza różnicowanie mezenchymalnych komórek pnia w osteoblasty, a jednocześnie jest inhibitorem powstawania chondrocytów i adipocytów. Kolejnym czynnikiem transkrypcyjnym ważnym dla przebiegu osteoblastogenezy jest Osterix (Osx), który ukierunkowuje różnicowanie komórek prekursorowych w preosteoblasty. Mechanizm działania tego czynnika nie jest do końca poznany, ale wiadomo, że tworzy on kompleks z NFAT prowadząc do jego aktywacji. Aktywowany NFAT pobudza szlak sygnalizacyjny Wnt, który podobnie jak wcześniejsze czynniki, zaangażowany jest w regulację procesu różnicowania osteoblastów.
Remodelacja tkanki kostnej
Remodelacja tkanki kostnej obejmuje zarówno kość gąbczastą, jak i zbitą. Każdego roku 10% kości szkieletu ulega odnowieniu na drodze remodelacji, dzięki czemu całkowita wymiana kośćca dorosłego człowieka zachodzi co 10 lat. Przebieg tego procesu jest możliwy dzięki wzajemnej interakcji dwóch rodzajów komórek kostnych: osteoklastów i osteoblastów, które współpracują ze sobą w miejscach na powierzchni kości zwanych jednostkami przebudowy kości (BMU). Proces przebudowy wewnętrznej kości przebiega w trzech fazach: resorpcji, odwrotu i odbudowy. Pomiędzy głównymi fazami występuje okres wyciszenia, w którym następuje wycofanie komórek wyścielających z powierzchni kości oraz pobór prekursorów osteoklastów do miejsca ich różnicowania.
1.Faza resorpcji
W resorpcji kości uczestniczą osteoklasty. Faza ta składa się z kilku etapów, z których pierwszy obejmuje przemieszczanie się osteoklastów w miejsce resorpcji kostnej. W miejscu resorpcji kostnej osteoklasty wiążą się z macierzą kostną za pomocą integryn αvβ3,. Po związaniu się komórek z macierzą kości dochodzi do ich polaryzacji, w wyniku której tworzą się trzy specyficzne struktury: błona bazolateralna, rąbek szczoteczkowy i zatoka resorpcyjna. Zatoka resorpcyjna będąca docelowym miejscem przebiegu procesu resorpcji kości, znajduje się między kością a rąbkiem brzeżnym, a jej pH utrzymywane jest na poziomie 3-4. Zachowanie tak niskiego pH jest możliwe dzięki działaniu jednego z enzymów syntetyzowanych przez osteoklasty – anhydrazy węglanowej II. Całość reakcji zachodzących w zatoce prowadzi do jej zakwaszenia i rozpuszczenia składników mineralnych macierzy. Składniki organiczne są niszczone przy pomocy MMP-9 i proteaz serynowych, takich jak: katepsyna K, B i L, wydzielanych przez osteoklasty. W wyniku procesu resorpcji na powierzchni beleczek kostnych i na wewnętrznej powierzchni kory tworzą się podłużne zagłębienia, zwane zatokami resorpcyjnymi Howshipa. Faza resorpcji kończy się usunięciem produktów katabolizmu. Osteoklasty zaangażowane w proces resorpcji, po jego zakończeniu ulegają apoptozie lub przechodzą w stan uśpienia.
2.Faza odwrotu
Faza odwrotu jest drugim po resorpcji etapem procesu wewnętrznej przebudowy kości. W procesie tym wykształcone w poprzedniej fazie zatoki resorpcyjne Howshipa wyścielane są jednojądrowymi komórkami (monocyty, osteocyty, preosteoblasty), które przygotowują przestrzeń dla nowych komórek kościotwórczych – osteoblastów. Ponadto jednojądrowe komórki obecne w zatokach Howshipa wysyłają sygnały stymulujące różnicowanie i migrację osteoblastów w miejsce uprzedniej resorpcji. Faza odwrotu trwa od 4-5 tygodni, po czym następuje ostatni etap remodelacji tkanki kostnej – kościotworzenie.
3. Faza kościotworzenia
Komórkami które odgrywają naczelną rolę w tym etapie przebudowy kości są osteoblasty, odpowiedzialne za syntezę składników substancji pozakomórkowej i ich mineralizację. Osteoblasty nie pracują indywidualnie, lecz w zespołach składających się ze 100 – 400 komórek. Na wstępie tego procesu osteoblasty syntetyzują strukturalne składniki macierzy kości, głównie kolagen typu I, które odkładane są w postaci niezmineralizowanego osteoidu. Następnie komórki te wytwarzają białka niekolagenowe i inne składniki ECM. Po około 10 dniach od utworzenia osteoidu ulega on stopniowo mineralizacji, w której dużą rolę ogrywają dwa białka syntetyzowane przez osteoblasty – osteonektyna i osteokalcyna, zaangażowane w precypitację soli wapnia i tworzenie kryształów hydroksyapatytów. Faza kościotworzenia jest najdłuższą z faz procesu przebudowy kości i trwa około 4 – 6 miesięcy. Po tym czasie BMU zostaje całkowicie wypełnione zmineralizowaną tkanka kostną .
Beata Rola
Literatura
1) Zabla M., 2000. Histologia. Wydawnictwo Medyczne U&P, Wrocław
2) Manolagas S., 2000. Birth and death of bone cells: Basic regulatory mechanisms and implications for the pathogenesis and treatment of osteoporosis. Endocrine Reviews 21:115-137
3) Arnett T. Bone structure and bone remodeling. Department of Anatomy and Developmental Biology, University College London
4) Fanghänel J., Bayerlein T., Gedrange, 2006. Bone functions and the requirements for bone grafts and substitutes in the orofacial region. Via Medica 65:56-58
5)Bruzzaniti A., Baron R. 2006. Molecular regulation of osteoclast activity. Reviews in Endocrine & Metabolic Disorders 7: 123-139
6)Stawińska N., Ziętek M., Kochanowska I. 2005. Molecular aspects of bone resorption and their therapeutical capability in the periodontal and therapy. Dental and Medical Problem, 42: 627-635
7) Roodman B.G. 2001. Biology of osteoclast activation in cancer. Journal of Clinical Oncology 19: 3562-3571
8)Pierre J.M. 2008. Transcription factors controlling osteoblastogenesis. Archives of Biochemistry and Biophysics 473: 98-105
