Osteoblasto - Osteoblast

Osteoblasto
Hipercalcemia óssea - cortada - mag.jpg muito alta
Osteoblastos (roxo) circundando uma espícula óssea (rosa - na diagonal da imagem). Nesse tecido rotineiramente fixado e descalcificado (mineral ósseo removido), os osteoblastos se retraíram e estão separados uns dos outros e de sua matriz subjacente. No osso vivo, as células são ligadas por junções justas e junções gap , e integradas aos osteócitos subjacentes e à coloração H&E da matriz .
Células formadoras de osso - Osteoblastos 3 - Smart-Servier.png
Ilustração mostrando um único osteoblasto
Detalhes
Localização Osso
Função Formação de tecido ósseo
Identificadores
grego osteoblasto
Malha D010006
º H2.00.03.7.00002
FMA 66780
Termos anatômicos da microanatomia

Os osteoblastos (do grego formas combinam para " osso ", ὀστέο-, osteoartrite e βλαστάνω, blastanō "germinar") são células com um único núcleo que sintetizam osso . No entanto, no processo de formação óssea , os osteoblastos funcionam em grupos de células conectadas. Células individuais não podem fazer osso. Um grupo de osteoblastos organizados juntamente com o osso formado por uma unidade de células é geralmente denominado ósteon .

Os osteoblastos são produtos especializados e terminalmente diferenciados de células-tronco mesenquimais . Eles sintetizam colágeno denso e reticulado e proteínas especializadas em quantidades muito menores, incluindo a osteocalcina e a osteopontina , que compõem a matriz orgânica do osso.

Em grupos organizados de células conectadas, os osteoblastos produzem hidroxilapatita - o mineral ósseo , que é depositado de forma altamente regulada, na matriz orgânica formando um tecido mineralizado forte e denso - a matriz mineralizada. O esqueleto mineralizado é o principal suporte para os corpos de vertebrados que respiram o ar . É uma importante reserva de minerais para a homeostase fisiológica, incluindo equilíbrio ácido-base e manutenção de cálcio ou fosfato .

Estrutura óssea

O esqueleto é um grande órgão formado e degradado ao longo da vida nos vertebrados que respiram ar. O esqueleto, frequentemente referido como sistema esquelético, é importante tanto como estrutura de suporte quanto para a manutenção do cálcio, fosfato e estado ácido-básico em todo o organismo. A parte funcional do osso, a matriz óssea , é totalmente extracelular. A matriz óssea consiste em proteínas e minerais . A proteína forma a matriz orgânica. É sintetizado e, em seguida, o mineral é adicionado. A grande maioria da matriz orgânica é colágeno , que fornece resistência à tração . A matriz é mineralizada por deposição de hidroxiapatita (nome alternativo, hidroxiapatita). Este mineral é duro e oferece resistência à compressão . Assim, o colágeno e o mineral juntos são um material composto com excelente resistência à tração e à compressão, que pode dobrar sob uma tensão e recuperar sua forma sem danos. Isso é chamado de deformação elástica . Forças que excedem a capacidade do osso de se comportar elasticamente podem causar falha, geralmente fraturas ósseas .

Remodelação óssea

O osso é um tecido dinâmico que está constantemente sendo remodelado por osteoblastos , que produzem e secretam proteínas da matriz e transportam minerais para a matriz, e osteoclastos , que decompõem os tecidos.

Osteoblastos

Os osteoblastos são o principal componente celular do osso. Osteoblastos surgem de células-tronco mesenquimais (MSC). MSC dá origem a osteoblastos, adipócitos e miócitos, entre outros tipos de células. A quantidade de osteoblasto é considerada inversamente proporcional à dos adipócitos da medula óssea que compreendem o tecido adiposo da medula (MAT) . Os osteoblastos são encontrados em grande número no periósteo , a fina camada de tecido conjuntivo na superfície externa dos ossos, e no endósteo .

Normalmente, quase toda a matriz óssea, nos vertebrados que respiram o ar , é mineralizada pelos osteoblastos. Antes de a matriz orgânica ser mineralizada, ela é chamada de osteóide . Osteoblastos enterrados na matriz são chamados de osteócitos . Durante a formação óssea, a camada superficial dos osteoblastos consiste em células cuboidais, chamadas de osteoblastos ativos . Quando a unidade formadora de osso não está sintetizando osso ativamente, os osteoblastos de superfície são achatados e são chamados de osteoblastos inativos . Os osteócitos permanecem vivos e são conectados por processos celulares a uma camada superficial de osteoblastos. Os osteócitos têm funções importantes na manutenção do esqueleto.

Osteoclastos

Os osteoclastos são células multinucleadas que derivam de progenitores hematopoiéticos na medula óssea que também dão origem a monócitos no sangue periférico. Os osteoclastos quebram o tecido ósseo e, junto com os osteoblastos e os osteócitos, formam os componentes estruturais do osso. Na cavidade dentro dos ossos estão muitos outros tipos de células da medula óssea . Os componentes essenciais para a formação óssea dos osteoblastos incluem células-tronco mesenquimais (precursoras dos osteoblastos) e vasos sanguíneos que fornecem oxigênio e nutrientes para a formação óssea. O osso é um tecido altamente vascular, e a formação ativa de células dos vasos sanguíneos, também a partir de células-tronco mesenquimais, é essencial para apoiar a atividade metabólica do osso. O equilíbrio entre a formação óssea e a reabsorção óssea tende a ser negativo com a idade, particularmente em mulheres na pós-menopausa, muitas vezes levando a uma perda óssea grave o suficiente para causar fraturas, o que é chamado de osteoporose .

Osteogênese

O osso é formado por um de dois processos: ossificação endocondral ou ossificação intramembranosa . A ossificação endocondral é o processo de formação do osso a partir da cartilagem e é o método usual. Essa forma de desenvolvimento ósseo é a forma mais complexa: segue a formação de um primeiro esqueleto de cartilagem feito por condrócitos , que depois é removido e substituído por osso, feito de osteoblastos. A ossificação intramembranosa é a ossificação direta do mesênquima como ocorre durante a formação da membrana óssea do crânio e outras.

Durante a diferenciação dos osteoblastos , as células progenitoras em desenvolvimento expressam o fator regulador de transcrição Cbfa1 / Runx2 . Um segundo fator de transcrição necessário é o fator de transcrição Sp7 . As células osteocondroprogenitoras se diferenciam sob a influência de fatores de crescimento , embora as células-tronco mesenquimais isoladas em cultura de tecidos também possam formar osteoblastos sob condições permissivas que incluem vitamina C e substratos para fosfatase alcalina , uma enzima chave que fornece altas concentrações de fosfato no local de deposição mineral.

Proteínas morfogenéticas ósseas

Os principais fatores de crescimento na diferenciação esquelética endocondral incluem proteínas morfogenéticas ósseas (BMPs) que determinam em grande parte onde ocorre a diferenciação de condrócitos e onde os espaços são deixados entre os ossos. O sistema de substituição da cartilagem pelo osso possui um sistema regulatório complexo. BMP2 também regula o padrão esquelético inicial. o fator transformador de crescimento beta (TGF-β), faz parte de uma superfamília de proteínas que incluem BMPs, que possuem elementos de sinalização comuns na via de sinalização de TGF beta . O TGF-β é particularmente importante na diferenciação da cartilagem , que geralmente precede a formação óssea para ossificação endocondral. Uma família adicional de fatores regulatórios essenciais são os fatores de crescimento de fibroblastos (FGFs) que determinam onde os elementos esqueléticos ocorrem em relação à pele

Hormônios esteróides e proteicos

Muitos outros sistemas reguladores estão envolvidos na transição da cartilagem para o osso e na manutenção do osso. Um regulador hormonal direcionado aos ossos particularmente importante é o hormônio da paratireóide (PTH). O hormônio da paratireoide é uma proteína produzida pela glândula paratireoide sob o controle da atividade do cálcio sérico. O PTH também tem funções sistêmicas importantes, incluindo manter as concentrações de cálcio sérico quase constantes, independentemente da ingestão de cálcio. O aumento do cálcio na dieta resulta em aumentos menores do cálcio no sangue. No entanto, este não é um mecanismo significativo de apoio à formação óssea de osteoblastos, exceto na condição de baixo cálcio na dieta; além disso, o cálcio dietético anormalmente alto aumenta o risco de consequências graves para a saúde não diretamente relacionadas à massa óssea, incluindo ataque cardíaco e derrame . A estimulação intermitente do PTH aumenta a atividade dos osteoblastos, embora o PTH seja bifuncional e media a degradação da matriz óssea em concentrações mais altas.

O esqueleto também é modificado para reprodução e em resposta ao estresse nutricional e outros estresses hormonais ; ele responde a esteróides , incluindo estrogênio e glicocorticóides , que são importantes na reprodução e regulação do metabolismo energético. A renovação óssea envolve grandes gastos de energia para síntese e degradação, envolvendo muitos sinais adicionais, incluindo hormônios hipofisários . Dois deles são o hormônio adrenocorticotrófico (ACTH) e o hormônio folículo estimulante . O papel fisiológico das respostas a esses e a vários outros hormônios glicoproteicos não é totalmente compreendido, embora seja provável que o ACTH seja bifuncional, como o PTH, apoiando a formação óssea com picos periódicos de ACTH, mas causando destruição óssea em grandes concentrações. Em camundongos, as mutações que reduzem a eficiência da produção de glicocorticóides induzida por ACTH nas supra-renais fazem com que o esqueleto se torne denso ( osso osteosclerótico ).

Organização e ultraestrutura

Em osso bem preservado estudado em alta ampliação via microscopia eletrônica , osteoblastos individuais são mostrados para serem conectados por junções apertadas , que impedem a passagem do fluido extracelular e, portanto, criam um compartimento ósseo separado do fluido extracelular geral. Os osteoblastos também são conectados por junções comunicantes , pequenos poros que conectam os osteoblastos, permitindo que as células em uma coorte funcionem como uma unidade. As junções comunicantes também conectam camadas mais profundas de células à camada superficial ( osteócitos quando circundados por osso). Isso foi demonstrado diretamente pela injeção de corantes fluorescentes de baixo peso molecular em osteoblastos e mostrando que o corante se difundiu para as células circundantes e mais profundas na unidade de formação óssea. O osso é composto por muitas dessas unidades, que são separadas por zonas impermeáveis ​​sem conexões celulares, chamadas de linhas de cimento.

Colágeno e proteínas acessórias

Quase todo o componente orgânico (não mineral) do osso é denso colágeno tipo I, que forma densas cordas reticuladas que dão ao osso sua resistência à tração. Por mecanismos ainda obscuros, os osteoblastos secretam camadas de colágeno orientado, com as camadas paralelas ao longo eixo do osso alternando com camadas em ângulos retos ao longo eixo do osso a cada poucos micrômetros . Defeitos no colágeno tipo I causam o distúrbio hereditário mais comum do osso, denominado osteogênese imperfeita .

Quantidades menores, mas importantes, de pequenas proteínas, incluindo osteocalcina e osteopontina , são secretadas na matriz orgânica do osso. A osteocalcina não é expressa em concentrações significativas, exceto no osso e, portanto, a osteocalcina é um marcador específico para a síntese da matriz óssea. Essas proteínas ligam componentes orgânicos e minerais da matriz óssea. As proteínas são necessárias para a força máxima da matriz devido à sua localização intermediária entre o mineral e o colágeno.

No entanto, em camundongos onde a expressão de osteocalcina ou osteopontina foi eliminada por ruptura direcionada dos respectivos genes ( camundongos knockout ), o acúmulo de mineral não foi afetado de forma notável, indicando que a organização da matriz não está significativamente relacionada ao transporte de minerais.

Osso contra cartilagem

O esqueleto primitivo é a cartilagem , um tecido avascular sólido (sem vasos sanguíneos) no qual ocorrem células secretoras de matriz de cartilagem individuais, ou condrócitos . Os condrócitos não têm conexões intercelulares e não são coordenados em unidades. A cartilagem é composta por uma rede de colágeno tipo II mantida em tensão por proteínas que absorvem água, os proteoglicanos hidrofílicos . Este é o esqueleto adulto em peixes cartilaginosos , como tubarões . Ele se desenvolve como o esqueleto inicial em classes mais avançadas de animais.

Em vertebrados que respiram ar, a cartilagem é substituída por osso celular. Um tecido de transição é a cartilagem mineralizada . A cartilagem mineraliza por expressão massiva de enzimas produtoras de fosfato, que causam altas concentrações locais de cálcio e fosfato que precipitam. Esta cartilagem mineralizada não é densa ou forte. Nos vertebrados que respiram o ar, é usado como andaime para a formação do osso celular feito pelos osteoblastos e, em seguida, é removido pelos osteoclastos , que se especializam na degradação do tecido mineralizado.

Os osteoblastos produzem um tipo avançado de matriz óssea que consiste em cristais densos e irregulares de hidroxiapatita , agrupados em torno das cordas de colágeno. Este é um material composto forte que permite que o esqueleto seja moldado principalmente como tubos ocos. A redução dos ossos longos em tubos reduz o peso enquanto mantém a força.

Mineralização de osso

Os mecanismos de mineralização não são totalmente compreendidos. Os compostos fluorescentes de baixo peso molecular, como a tetraciclina ou a calceína, ligam-se fortemente ao mineral ósseo, quando administrados por curtos períodos. Eles então se acumulam em faixas estreitas no novo osso. Essas bandas percorrem o grupo contíguo de osteoblastos formadores de osso. Eles ocorrem em uma frente de mineralização estreita ( submicrométrica ). A maioria das superfícies ósseas não expressa nenhuma formação de osso novo, nenhuma captação de tetraciclina e nenhuma formação mineral. Isso sugere fortemente que o transporte facilitado ou ativo , coordenado através do grupo formador de osso, está envolvido na formação óssea, e que apenas a formação mineral mediada por células ocorre. Ou seja, o cálcio dietético não cria minerais por ação da massa.

O mecanismo de formação mineral no osso é claramente distinto do processo filogeneticamente mais antigo pelo qual a cartilagem é mineralizada: a tetraciclina não marca a cartilagem mineralizada em faixas estreitas ou em locais específicos, mas de forma difusa, de acordo com um mecanismo de mineralização passivo.

Os osteoblastos separam o osso do fluido extracelular por junções rígidas por meio de transporte regulado. Ao contrário da cartilagem, o fosfato e o cálcio não podem entrar ou sair por difusão passiva, porque as junções estreitas dos osteoblastos isolam o espaço de formação óssea. O cálcio é transportado através dos osteoblastos por transporte facilitado (isto é, por transportadores passivos, que não bombeiam cálcio contra um gradiente). Em contraste, o fosfato é produzido ativamente por uma combinação de secreção de compostos contendo fosfato, incluindo ATP , e por fosfatases que clivam o fosfato para criar uma alta concentração de fosfato na frente de mineralização. A fosfatase alcalina é uma proteína ancorada na membrana que é um marcador característico expresso em grandes quantidades na face apical (secretora) dos osteoblastos ativos.

Características principais do complexo formador de osso , o osteon, composto de osteoblastos e osteócitos.

Pelo menos mais um processo de transporte regulamentado está envolvido. A estequiometria do mineral ósseo é basicamente a da hidroxiapatita precipitando de fosfato, cálcio e água em um pH ligeiramente alcalino :

              6 HPO42− + 2 H2O + 10 Ca2+ ⇌ Ca10(PO4)6(OH)2 + 8 H+

Em um sistema fechado, à medida que o mineral precipita, o ácido se acumula, reduzindo rapidamente o pH e interrompendo a precipitação posterior. A cartilagem não apresenta barreira à difusão e, portanto, o ácido se difunde, permitindo que a precipitação continue. No ósteon, onde a matriz é separada do fluido extracelular por junções herméticas, isso não pode ocorrer. No compartimento controlado e selado, a remoção do H + conduz a precipitação sob uma ampla variedade de condições extracelulares, desde que o cálcio e o fosfato estejam disponíveis no compartimento da matriz. O mecanismo pelo qual o ácido transita pela camada de barreira permanece incerto. Os osteoblastos têm capacidade de troca Na + / H + por meio dos trocadores Na / H redundantes, NHE1 e NHE6. Essa troca de H + é um elemento importante na remoção de ácido, embora o mecanismo pelo qual o H + é transportado do espaço da matriz para o osteoblasto de barreira não seja conhecido.

Na remoção do osso, um mecanismo de transporte reverso usa ácido entregue à matriz mineralizada para conduzir a hidroxiapatita para a solução.

Feedback de osteócitos

O feedback da atividade física mantém a massa óssea, enquanto o feedback dos osteócitos limita o tamanho da unidade formadora de osso. Um importante mecanismo adicional é a secreção pelos osteócitos, enterrados na matriz, de esclerostina , uma proteína que inibe uma via que mantém a atividade dos osteoblastos. Assim, quando o osteon atinge um tamanho limite, ele desativa a síntese óssea.

Morfologia e coloração histológica

A coloração com hematoxilina e eosina (H&E) mostra que o citoplasma dos osteoblastos ativos é ligeiramente basofílico devido à presença substancial de retículo endoplasmático rugoso . O osteoblasto ativo produz colágeno tipo I substancial. Cerca de 10% da matriz óssea é colágeno com o mineral de equilíbrio. O núcleo do osteoblasto é esférico e grande. Um osteoblasto ativo é caracterizado morfologicamente por um aparato de Golgi proeminente que aparece histologicamente como uma zona clara adjacente ao núcleo. Os produtos da célula são principalmente para transporte para o osteóide, a matriz não mineralizada. Os osteoblastos ativos podem ser marcados por anticorpos para o colágeno Tipo I , ou usando naftol fosfato e o corante diazônio azul rápido para demonstrar a atividade da enzima fosfatase alcalina diretamente.

Isolamento de Osteoblastos

  1. A primeira técnica de isolamento pelo método de microdissecção foi originalmente descrita por Fell et al. usando ossos de membros de pintinhos que foram separados em periósteo e partes restantes. Ela obteve células que possuíam características osteogênicas de tecido cultivado usando ossos de membros de galinha que foram separados em periósteo e partes restantes. Ela obteve células que possuíam características osteogênicas de tecido cultivado.
  2. A digestão enzimática é uma das técnicas mais avançadas para isolar populações de células ósseas e obter osteoblastos. Peck et al. (1964) descreveu o método original que agora é frequentemente usado por muitos pesquisadores.
  3. Em 1974 Jones et al. descobriram que os osteoblastos se moviam lateralmente in vivo e in vitro sob diferentes condições experimentais e descreveram o método de migração em detalhes. Os osteoblastos foram, no entanto, contaminados por células que migram das aberturas vasculares, que podem incluir células endoteliais e fibroblastos.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos