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[病例讨论] 破骨细胞

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发表于 2019-8-2 00:01:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
破骨细胞(源自古希腊语ὀστέον(骨),意为'骨',和κλαστός(clastos),意为'破碎')是一种分解骨组织的骨细胞。 该功能对于椎骨骨骼的骨骼的维持,修复和重塑是至关重要的。 破骨细胞通过分泌酸和胶原酶(一种称为骨吸收的过程)在分子水平上分解和消化水合蛋白和矿物质的复合物。 这个过程也有助于调节血钙水平。

破牙细胞(/ odon·to clast /; o-don'to-klast)是与乳牙根吸收相关的破骨细胞。[1] [2] [3]


显示典型区别特征的破骨细胞的光学显微照片:具有多个细胞核的大细胞和“泡沫状”细胞溶质。

目录
1 结构
1.1 位置
2 发展
3 功能
3.1 组织蛋白酶K和其他组织蛋白酶
3.2 基质金属蛋白酶
3.3 破骨细胞生理学
3.4 规则
4 破牙细胞
5 替代使用术语
6 临床意义
7 历史记录
8 参考

结构


细胞培养中的酒石酸抗性酸性磷酸酶阳性破骨细胞


图示的活化破骨细胞的横截面
破骨细胞是一种大型多核细胞,骨上的人类破骨细胞通常具有五个细胞核,直径为150-200μm。当使用破骨细胞诱导细胞因子将巨噬细胞转化为破骨细胞时,会发生直径可达100μm的非常大的细胞。它们可能具有数十个细胞核,并且通常表达主要的破骨细胞蛋白,但由于非天然底物而与活骨细胞有显著差异。[4] [5]多核组装破骨细胞的大小使其能够将许多巨噬细胞的离子转运,蛋白质分泌和囊泡运输能力集中在骨的局部区域上。

位置
在骨中,破骨细胞存在于骨表面的凹坑中,称为吸收海湾或Howship的空隙。破骨细胞的特征在于具有均匀的“泡沫”外观的细胞质。这种外观是由于高浓度的囊泡和液泡。这些液泡包括充满酸性磷酸酶的溶酶体。这允许通过染色来表征破骨细胞,以高度表达酒石酸抗性酸性磷酸酶(TRAP)和组织蛋白酶K.破骨细胞粗面内质网稀疏,高尔基复合体广泛。[6] [7] [8]

在活跃的骨吸收部位,破骨细胞形成一个特殊的细胞膜,即“皱褶的边界”,与骨组织的表面相对。这种广泛折叠或皱褶的边界通过显著增加细胞表面以便分泌和吸收再吸收室内容物来促进骨移除,并且是主动吸收骨的破骨细胞的形态特征。

发展
自1873年他们的发现以来,人们就其起源进行了大量辩论。三种理论占主导地位:从1949年到1970年,结缔组织起源很普遍,其中破骨细胞和成骨细胞具有相同的谱系,成骨细胞融合在一起形成破骨细胞。经过多年的争论,现在很明显这些细胞是从巨噬细胞的自我融合中发展出来的。[9]在1980年初,单核细胞吞噬系统被认为是破骨细胞的前体。[10]破骨细胞形成需要存在RANKL(核因子κβ配体的受体活化剂)和M-CSF(巨噬细胞集落刺激因子)。这些膜结合蛋白由邻近的基质细胞和成骨细胞产生,因此需要这些细胞和破骨细胞前体之间的直接接触。

M-CSF通过其破骨细胞受体c-fms(集落刺激因子1受体),一种跨膜酪氨酸激酶受体起作用,导致酪氨酸激酶Src的二级信使激活。这两种分子都是破骨细胞生成所必需的,并且广泛参与单核细胞/巨噬细胞衍生细胞的分化。

RANKL是肿瘤坏死家族(TNF)的成员,并且在破骨细胞生成中是必需的。 RANKL敲除小鼠表现出骨硬化症和牙齿萌出缺陷的表型,以及破骨细胞的缺失或缺乏。 RANKL通过RANK激活NF-κβ(核因子-κβ)和NFATc1(活化的t细胞的核因子,细胞质,钙调神经磷酸酶依赖性1)。在RANKL-RANK相互作用发生后几乎立即刺激NF-κβ活化并且不上调。然而,NFATc1刺激在结合发生后约24-48小时开始,并且其表达已显示为RANKL依赖性。

骨保护素(OPG)抑制破骨细胞分化,骨保护素由成骨细胞产生并与RANKL结合,从而阻止与RANK的相互作用。值得注意的是,虽然破骨细胞来源于造血谱系,但成骨细胞来源于间充质干细胞[11] [12]。

功能
一旦被激活,破骨细胞通过趋化性移动到骨中的微骨折区域。破骨细胞位于称为Howship缺陷的小腔中,由下伏骨的消化形成。密封区是破骨细胞的质膜与下面的骨的附着。密封区域由称为podosomes的特殊粘附结构的带束缚。整联蛋白受体(例如αvβ3)通过骨基质蛋白(例如骨桥蛋白)中的特定氨基酸基序Arg-Gly-Asp促进骨基质的附着。破骨细胞通过碳酸酐酶(H2O + CO2→HCO3- + H +)的作用通过皱褶边缘释放氢离子进入吸收腔,酸化并帮助矿化骨基质溶解成Ca2 +,H3PO4,H2CO3,水和其他物质。已经证明碳酸酐酶的功能障碍导致某些形式的骨硬化病。氢离子通过质子泵以高浓度梯度泵送,特别是独特的液泡-ATP酶。该酶已成为预防骨质疏松症的靶标。此外,释放几种水解酶,例如组织蛋白酶和基质金属蛋白酶(MMP)基团的成员,以消化基质的有机组分。这些酶通过溶酶体释放到隔室中。在这些水解酶中,组织蛋白酶K是最重要的。

组织蛋白酶K和其他组织蛋白酶
组织蛋白酶K是胶原蛋白溶解的木瓜蛋白酶样半胱氨酸蛋白酶,主要在破骨细胞中表达,并分泌到吸收性凹坑中。组织蛋白酶K是参与I型胶原蛋白和其他非胶原蛋白降解的主要蛋白酶。组织蛋白酶K基因的突变与遗传性骨质疏松症(pycnodysostosis)相关,这是一种遗传性骨质疏松症,其特征在于缺乏功能性组织蛋白酶K的表达。小鼠中组织蛋白酶K的敲除研究导致骨硬化表型,其通过增加组织蛋白酶K之外的蛋白酶表达和增强的破骨细胞生成而部分地得到补偿。

组织蛋白酶K在酸性条件下具有最佳的酶活性。它被合成为分子量为37kDa的酶原,并且在通过自催化裂解活化后,转化为分子量为~27kDa的成熟活性形式。

当破骨细胞在再吸收部位上极化时,组织蛋白酶K从皱褶边界分泌到吸收性凹坑中。组织蛋白酶K通过细胞间囊泡跨越皱褶边界迁移,然后被功能性分泌区释放。在这些细胞间囊泡内,组织蛋白酶K与TRAP产生的活性氧物质一起进一步降解骨细胞外基质。

几种其他组织蛋白酶在破骨细胞中表达,包括组织蛋白酶B,C,D,E,G和L.这些半胱氨酸和天冬氨酸蛋白酶的功能在骨内通常是未知的,并且它们以比组织蛋白酶K低得多的水平表达。

对组织蛋白酶L敲除小鼠的研究已经混合,与野生型相比,纯合和杂合组织蛋白酶L敲除小鼠的骨小梁减少,另一项报告没有发现骨骼异常。

基质金属蛋白酶
基质金属蛋白酶(MMP)包含超过20种锌依赖性内肽酶的家族。基质金属蛋白酶(MMPs)在破骨细胞生物学中的作用是不明确的,但在其他组织中,它们与肿瘤促进活性相关,例如生长因子的活化,并且是肿瘤转移和血管生成所必需的。

MMP9与骨微环境有关。它由破骨细胞表达,并且已知是破骨细胞迁移所必需的并且是强力的明胶酶。缺乏MMP-9的转基因小鼠在骨发育,骨内血管生成和骨折修复中发展缺陷。

据信MMP-13参与骨吸收和破骨细胞分化,因为敲除小鼠显示破骨细胞数量减少,骨质疏松症和骨吸收减少。

由破骨细胞表达的MMP包括MMP-9,-10,-12和-14。除了MMP-9之外,人们对它们与破骨细胞的相关性知之甚少,然而,在密封区发现了高水平的MMP-14。

破骨细胞生理学
在20世纪80年代和90年代,详细研究了典型破骨细胞的生理学。通过隔离皱褶边界,直接在生物化学细节中研究了穿过它的离子传输。能量依赖性酸运输得到验证,假定的质子泵被净化。[13] [14]随着破骨细胞的成功培养,显然它们被组织起来以支持质子的大量运输,用于酸化收集隔室和骨矿物质的溶解。这包括褶皱边界Cl-渗透性控制膜电位和基底外侧Cl- / HCO3-交换,以维持生理上可接受的范围内的细胞溶质pH。[15] [16]> [17]

其离子分泌的有效性取决于破骨细胞在再吸收室周围形成有效密封。这种“密封区”的定位似乎是由破骨细胞表面表达的整联蛋白介导的。[18]在密封区就位的情况下,多核破骨细胞自我重组。开发高度内陷的皱褶膜与吸收隔室相关,可以产生大量的分泌活动。此外,它允许矿物质和降解胶原蛋白的囊泡转胞吞作用从皱褶边缘到细胞的自由膜,并释放到细胞外隔室。[19] [20]这种活动完成了骨吸收,矿物成分和胶原蛋白碎片都释放到大循环中。

规则
破骨细胞受几种激素的调节,包括来自甲状旁腺的甲状旁腺激素(PTH),来自甲状腺的降钙素和生长因子白细胞介素6(IL-6)。最后一种激素IL-6是骨质疏松症的一个因素,骨质疏松症是骨吸收和骨形成之间的不平衡。破骨细胞活性也由成骨细胞产生的两种分子(即骨保护素和RANK配体)的相互作用介导。请注意,这些分子也可调节破骨细胞的分化[21]。

破牙细胞
破牙细胞(/ odon·to clast /; o-don'to-klast)是与乳牙根吸收相关的破骨细胞。[1] [2] [3]

替代使用术语
破骨细胞也可以是用于骨折和复位骨骼的器械(起源是希腊骨骼:骨骼和klastos:破裂)。 为避免混淆,细胞最初被称为渗透压。 当手术器械停止使用时,细胞以其现在的名称而闻名。

临床意义
巨型破骨细胞可能发生在某些疾病中,包括佩吉特骨病和双膦酸盐毒性。

在猫中,异常的破牙细胞活性可导致猫牙齿破坏性吸收性病变,从而需要拔除受影响的牙齿。

历史
破骨细胞由Kolliker于1873年发现。[10]

另见:
List of human cell types derived from the germ layers

参考:
"Odontoclast". Farlex, The Free Dictionary. 2007. Retrieved 2013-11-06.
Wang Z, McCauley LK (March 2011). "Osteoclasts and odontoclasts: signaling pathways to development and disease". Oral Diseases. 17 (2): 129–42. doi:10.1111/j.1601-0825.2010.01718.x. PMID 20659257.
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