CHARACTERISTICS OF OSTEOCYTE CELL LINES FROM BONES FORMED AS A RESULT OF MEMBRANOUS (SKULL BONES) AND CHONDRAL (LONG BONES) OSSIFICATION

Full Text

Структура скелета на всех уровнях его иерархической организации в каждый момент жизни индивидуума детерминирована как действием генетических факторов, так и влиянием адаптационных механизмов [1-3, 24, 44]. Иначе говоря, взаимосвязь морфологии и биомеханики скелета, с одной стороны, определяется взаимодействием мутаций и естественного отбора (по Дарвину «выживание самого пригодного»), а с другой - причинно-следственным морфогенезом (закон J. Wolff, теория механостата) [23, 24, 39, 40, 42, 44, 52]. Одновременное влияние этих двух составляющих лежит в основе наблюдаемого морфологического разнообразия костных элементов не только в разных участках скелета, но и в соседних локусах. Одним из проявлений этого разнообразия является структурно-функциональная вариабельВ этой связи важно, что еще на этапе эмбрионального развития костные элементы формируются на основе генетически обусловленной модели дискретно организованного первичного скелета [34], т. е. костная ткань, развивающаяся на месте соединительной ткани (интрамембранозное окостенение) и хряща (хрящевое окостенение), относится к разным элементам этой модели и, следовательно, между клетками костных структур могут существовать тонкие генетически обусловленные различия, которые нивелируются структурнофункциональным разнообразием костной ткани и поэтому не могут быть определены в связи с методическими ограничениями морфологических методов ее исследования [9, 10]. В настоящее время доминируют представления, что интрамембранозное окостенение1 и хрящевое окостенение1 приводят к формированию одинаковых костных тканей. В этой связи показательно мнение А. Хэма и Д. Кормака [4], которые подчеркивают, что эти термины отражают лишь условия, в которых происходит оссификация, и не относятся к двум различным типам окостенения.2 Однако в настоящее время появляются все больше фактов, ставящих под сомнение это утверждение. Цель настоящей статьи - на основании данных литературы, с учетом результатов собственных исследований систематизировать морфофункциональные характеристики костной ткани, развивающейся на месте хряща и соединительной ткани. При этом мы исходили из того, что если в данных процессах участвуют различные линии клеток, то реализация генетической информации в ответ на один и тот же внешний сигнал будет различна. Такое предположение базируется на доминирующей роли генетических факторов в развитии скелета [7, 20, 34, 35, 40, 46]. Например, при исследовании близнецов показано, что величина максимальных костной массы и прочности костных структур приблизительно на 80% детерминированы генетически, а влияние механической нагрузки и других факторов, включая питание, существенно меньше и составляют только 20% [19, 30]. Другим примером являются результаты экспериментов на животных, проведенные J. E. Wergedal и соавт. [51], которые, изучая фенотипические характеристики костной массы и прочности середины диафиза бедренной кости, показали, что у мышей RF/J она имеет бóльшие поперечное сечение, прочность и жесткость, чем у мышей NZB/B1NJ. Одной из причин выявленных различий является более высокая скорость формирования костной ткани в области периоста диафиза и периостальной поверхности. В этой связи необходимо подчеркнуть, что в настоящее время доминируют две основные и в некоторой степени конкурирующие концепции, рассматривающие влияние генетических и механических факторов на структурные и функциональные особенности перестройки скелета в процессе жизни организма. Концепции, определяющие роль механических и немеханических факторов в развитии и формировании архитектуры скелета. Согласно теории механостата, адаптивная реорганизация архитектуры скелета путем моделирования и остеокласто-остеобластного ремоделирования возникает при отклонении величины деформаций костной ткани под влиянием механической нагрузки за пределы физиологических порогов. По мнению автора концепции H. M. Frost [23-25], цель этой реорганизации - формирование запаса прочности, необходимого для выполнения повседневных локомоторных функций. Немеханические факторы модулируют величину этих порогов и/ или развитие последующих реакций, контролируя, таким образом, уровень прочностных свойств. Однако, несмотря на общее признание концепции, H. M. Frost через 40 лет после ее разработки отметил, что с позиций возраста, жизненного опыта и здравого смысла, оценивая роль биомеханических, гормональных, генетических и других факторов, необходимо ответить на два вопроса: почему мы терпим неудачу и как сделать лучше? [24]. Иными словами, по мнению автора теории механостата, клиническое использование данной концепции не принесло желаемых результатов. Рассматривая эту проблему, C. O. Lovejoy и соавт. [35] отмечают, что низкая эффективность клинического использования теории механостата вызвана недопониманием роли генетических факторов, а также доминированием в ХХ в. универсального представления, что структура кости формируется соответственно закону J. Wolff, согласно которому кость способна, активируя неизвестные механизмы, преобразовывать изменения режимов нагрузки в отчетливую модификацию внутренней архитектоники и формировать однотипные вторичные изменения внешней структуры в соответствии с математическими законами. Как подчеркивают авторы, эти представления привели к популяризации обратной гипотезы, согласно которой форму кости можно использовать для реконструкции процессов, ее создавших, при условии, что «математические законы» известны, а последовательность этих процессов можно прямо вывести из исследований геометрии костных структур. При этом игнорируются анаболические аспекты экспрессии генов как «плохо изученные». В этой связи авторы подчеркивают, что в настоящее время о генетике скелета известно значительно больше, чем о «математических законах», соответственно которым кости гипотетически себя моделируют. Таким образом, существуют две основные парадигмы развития и формирования архитектуры скелета в соответствии с механическими нагрузками, возникающими при выполнении локомоторных функций [1, 3]. Одна - ставит в доминирующее положение генетические факторы и ее представителями являются С. О.Lovejoy и соавт. [35], согласно второй, сформулированной H. Frost [26], - генетика создает только начальные условия. Учитывая изложенное, для ответа на поставленный в цели нашей работы вопрос были использованы следующие критерии: 1) величина механического сигнала, инициирующего в клетках остеоцитарной линии процесс механотрансдукции; 2) зависимость запаса прочности костных структур от величины механического сигнала, инициирующего процесс механотрансдукции; 3) синтез маркеров функциональной активности клеток остеоцитарной линии на разных этапах их дифференцировки; 4) реакция костных клеток на механическую нагрузку; 5) реакция клеток остеоцитарной линии на стимуляцию простагландинами (регуляторы процесса механотрансдукции); 6) особенности функционирования клеток остеоцитарной линии при изменении физиологического состояния организма. Взаимосвязь уровня физиологических деформаций и запаса прочности костей образовавшихся в результате интрамембранозного и хрящевого окостенения. Костные клетки, осуществляют механосенсорный контроль [6, 11, 16, 17, 37, 46] и при отклонении механического сигнала (величины деформаций) за пределы физиологического порога инициируют процесс механотрансдукции [12, 13, 28, 38, 45, 49]. В результате меняется резорбционно-синтетический баланс, приводящий к реорганизации архитектуры костных структур [8, 15, 29, 32, 33, 47] и изменению их прочностных свойств [31, 39, 50]. Это важно в контексте рассматриваемой проблемы, так как, согласно данным S. C. F. Rawlinson и соавт. [43], максимальные деформации1 при растяжении и/ или сжатии in vivo в верхней части теменной кости в физиологических условиях не превышают 30 микродеформаций, в то время как на латеральной стороне середины диафиза локтевых костей максимальные продольные деформации, вызванные растяжением, составляют 1000 микродеформаций и сжатием на медиальной стороне (расчетные данные) - около 1300 микродеформаций. Следовательно, у одного и того же животного в одно и то же время величина деформаций в костях, образовавшихся на месте соединительной ткани (теменная кость) и хряща (локтевые кости), различается более чем в 30 раз. Объективно влияние выявленных различий можно оценить, как отмечено выше, только путем определения прочностных свойств этих костей. Подобные исследования проведены J. Currey [18], который показал, что фрагменты теменных костей способны противостоять компрессионным деформациям в 1400 микродеформаций, т. е. более чем в 40 раз превышающим обычную физиологическую величину. В то же время, в длинных костях обычные физиологические деформации только в 3-4 раза меньше критических величин, при которых возникает перелом [18]. Другими словами, физиологический запас прочности костей, развившихся на месте соединительной ткани, примерно в 10 раз больше, чем возникших на месте хряща. Представленные в настоящем разделе данные явно противоречат концепции механостата H. Frost и теории «четырех окон» (табл. 1) [23, 27, 28, 36]. Согласно этой теории (см. табл. 1), деформации в пределах 50-1500 микродеформаций являются физиологическим диапазоном, при котором резорбция и синтез костной ткани находятся в равновесии. При снижении их величины за пределы нижней границы (50 микродеформаций) меняется баланс обмена костной ткани и начинает преобладать резорбция. Это касается и теменных костей, так как величина их деформаций в физиологических условиях не превышает 30 микродеформаций. Следовательно, согласно теории механостата, в этой зоне скелета должны преобладать процессы резорбции и снижаться прочностные свойства. Однако мы видим противоположный эффект: запас прочности этих костей не только необычайно высок, но и значительно выше, чем длинных костей скелета, у которых деформации находятся в пределах физиологических границ, т. е. можно говорить о несоответствии некоторых положений теории механостата перечисленным выше фактам. В то же время, если исходить из предположения, что клетки развившейся на месте хряща и интрамембранозно костной ткани относятся к разным линиям, и это связано с различной реализацией генетической информации в ответ на одно и то же внешнее воздействие, то данное несоответствие исчезает. Другими словами, они имеют разные пороги чувствительности к механическому сигналу и, соответственно, не одинаково отвечают на механический стимул. Если это допущение верно, то логично предположить, что костные структуры, ими сформированные, должны различаться не только по механическим, но и по биологическим свойствам. Различия биологических свойств костной ткани, развившейся на месте хряща и интрамембранозно, проявляются при их использовании для трансплантации. Этот факт впервые отмечен в клинических исследованиях P.Tessier [48], а затем был многократно подтвержден. Показано, что трансплантаты, полученные из костей свода черепа, интегрируются существенно лучше, чем выделенные из костей других частей скелета. Эти различия были объяснены их неодинаковым происхождением (развитие на месте соединительной ткани и хряща) [55]. Такая разница в результатах трансплантации костной ткани, образовавшейся в результате интрамембранозного и хрящевого окостенения, по нашему мнению, связана с особенностями их структурно-функциональной организации на молекулярном уровне. Из этого следует, что эта разница должна проявиться качественными и количественными различиями при определении маркеров белкового синтеза на разных этапах дифференцировки клеток остеоцитарной линии. Маркеры синтетической функции клеток остеоцитарной линии на разных этапах их дифференцировки в костной ткани, образовавшейся в результате интрамембранозного и хрящевого окостенения. В преостеобластах этих видов кости наблюдаются различия в синтезе остеопонтина, коллагена I типа, фибронектина, Msx2. Остеобласты по-разному экспрессируют костный сиалопротеин, остеокальцин, остеопонтин, декорин, антиген E11. Различия между остеоцитами касаются только остеопонтина, экспрессия которого выражена значительнее при хрящевом окостенении (табл. 2). В контексте изложенного важно, что описанные различия наблюдаются не только между клетками, находящимися в процессе дифференцировки, но и остеоцитами, представляющими конечную фазу дифференцировки этой клеточной линии. Следовательно, остеоциты из костей, образованных на месте хряща и соединительной ткани, имеют фенотипические различия синтетической активности. Исходя из того, что именно механический стимул инициирует дифференцировку клеток остеоцитарной линии [54], их пролиферацию и изменение регуляторно-синтетической активности [6, 11, 17, 40, 46], логично предположить, что клетки костной ткани, образовавшейся в результате интрамембранозного и хрящевого окостенения, различаются по экспрессии маркеров процесса механотрансдукции. Реакция клеток костной ткани, образованной в результате хрящевого и интрамембранозного окостенения, на механический стимул. S. C. F. Rawlinson и соавт. [43] подвергли теменные и плечевые кости крыс компрессионной циклической нагрузке in vitro с частотой 1 Гц в течение 10 мин в пределах 100 и 1000 микродеформаций и локтевые кости - 1000 микродеформаций растяжением латеральной поверхности (расчетные максимальные деформации на медиальной поверхности - 1300 микродеформаций). После нагрузки в среде культивирования теменных костей содержание 6-кето-простагландина Flα и простагландина E2 существенно не менялось, а локтевых костей - увеличивалось - 6-кетопростагландина Flα на 28% и простагландина E2 на 23%. Кроме этого, показано, что механическая нагрузка (100 и 1000 микродеформаций) теменной кости не вызывала прироста внутриклеточной активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г-6-ФД) в остеоцитах и остеобластах, в то время как в локтевой кости наблюдалось существенное увеличение активности этого фермента и в остеоцитах, и в остеобластах [43]. Таким образом, представленные данные позволяют утверждать - клетки остеоцитарной линии, формирующие костные структуры путем хрящевого и интрамембранозного окостенения, по-разному реагируют на одну и ту же величину механического сигнала. Известно, что при инициации механическим сигналом процесса механотрансдукции химические мессенжеры, подобные простагландину E2 и простагландину I2, действуют как локальные сигнальные молекулы, преобразуя механические деформации в биохимический ответ [5]. Следовательно, логично предположить, что чувствительность клеток остеоцитарной линии из костей, образовавшихся различными механизмами окостенения, к действию этих регуляторов различна. Чувствительность клеток остеоцитарной линии костной ткани, развившейся в результате интрамембранозного и хрящевого окостенения, к действию простагландина I2 оценивали по изменению активности Г-6-ФД в ответ на добавление экзогенного простагландина I2 в среду культивирования [43]. Установлено, что в культуре теменных костей наибольшее увеличение активности Г-6-ФД происходило при концентрации простагландина I2 10-7 М (в остеоцитах - на 73%, в остеобластах - на 109%). В локтевой кости стимуляция экзогенным простагландином I2 вызвала линейное увеличение активности Г-6-ФД. Таким образом, показано, что клетки остеоцитарной линии костной ткани, развившейся на месте соединительной ткани и хряща, имеют различную чувствительность и по-разному отвечают на действие одного из регуляторов процесса механотрансдукции. Все приведенные выше данные позволяют предположить, что остеоциты из этих тканей должны различаться реакцией на изменение физиологического состояния организма, например, в условиях лактации. Это предположение связано c тем, что лактация ассоциирована с изменением гормонального баланса, увеличением потребности в кальции и сопровождается потерей костной массы, которая восстанавливается после прекращения лактации. Особенности функциональной активности остеоцитов в тканях, образованных в результате хрящевого и интрамембранозного окостенения, в период лактации, детально исследовал J. J. Wysolmerski [53], используя различные электронно-микроскопические методы. Он обнаружил, что у лактирующих мышей по сравнению с небеременными размер лакун в большеберцовой кости был увеличен, в то время как в теменной кости этот феномен отсутствовал. Спустя 7 сут после окончания лактации, во время фазы восстановления, в большеберцовой кости размер лакун уменьшился до базового уровня - у небеременных мышей. Использование флюорохромной метки проявилось двойной маркировкой пространства лакун, что свидетельствует о формировании костной ткани в этих участках. Гистохимическая реакция и генетический анализ продемонстрировали, что лактация ассоциирована с обратимой активацией в остеоцитах костной ткани, развившейся на месте хряща, генов, типично связываемых с резорбцией кости остеокластами, в том числе, тартрат-резистентной кислой фосфатазы, катепсина K, карбоангидразы, металлопротеиназы матрикса 13 и некоторых субъединиц H+-ATФазы [53]. Таким образом, авторы продемонстрировали на морфогенетическом уровне различия функционирования остеоцитов, развившихся в результате интрамембранозного и хрящевого окостенения, возникающие при физиологических изменениях организма в целом. Заключение Систематизация данных о развитии регуляторно-метаболических процессов в клетках остеоцитарной линии костной ткани, развившейся на месте хряща и интрамембранозно, показала, что между ними существуют различия в: величине механического сигнала, инициирующего развитие процесса механотрансдукции; характере связи между величиной механического сигнала, инициирующего реорганизацию архитектуры костных структур, и запасом их прочности; в интрамембранозно сформированных костях значительно меньший механический сигнал вызывает значительно больший прирост запаса прочности; в биологической активности костных структур; костные фрагменты из интрамембранозно сформированных тканей более оптимальны для трансплантации; характеристиках экспрессии функциональных маркеров костных клеток на разных этапах их дифференцировки; характере реакции костных клеток на механическую нагрузку; чувствительности костных клеток к одному из регуляторов процесса механотрансдукции (простагландин I2); характере функционирования остеоцитов во время лактации. Эти данные свидетельствуют в пользу предположения, что клетки остеоцитарной линии костной ткани, развивающейся на месте соединительной ткани или хряща, имеют существенные регуляторно-метаболические различия, по-видимому, детерминированные различиями их реакций при реализации генетической информации на действия факторов внешней среды. Биологическая целесообразность этих различий, по-видимому, связана с разницей в функциональных требованиях к костям свода черепа и конечностей. Если для костей конечностей основная функция - опорная, требуемая для выполнения локомоторных функций, то для костей свода черепа - обеспечение формы и защиты. Представленные в настоящей работе данные позволяют сделать два основных вывода. Во-первых, нельзя переносить результаты многочисленных исследований, проведенных на костях свода черепа, на весь скелет в целом. Во-вторых, необходимы детальные исследования различий и сходства процессов перестройки сформированных костей, возникших в результате интрамембранозного и хрящевого окостенения при старении организма, в условиях различного рода патологических процессов, а также под влиянием других факторов. Результаты этих исследований позволят понять некоторые элементы патогенеза потери костной массы и на этой основе попытаться найти новые подходы к лечению патологии скелета.

About the authors

A. S. Avrunin

Russian R. R. Vreden Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics

Email: info@rniito.org

A. A. Doktorov

All-Russian Institute of Medicinal and Aromatic Plants

Email: doctorovaa@mail.ru
Department of Biomedical Technologies

References

Supplementary files