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osteoblasto

Los osteoblastos (del griego que combina formas de " hueso ", ὀστέο-, osteo- y βλαστάνω, blastanō "germinar") son células con un solo núcleo que sintetizan hueso . Sin embargo, en el proceso de formación ósea , los osteoblastos funcionan en grupos de células conectadas. Las células individuales no pueden producir hueso. Un grupo de osteoblastos organizados junto con el hueso formado por una unidad de células suele denominarse osteona .

Los osteoblastos son productos especializados y terminalmente diferenciados de células madre mesenquimales . [1] Sintetizan colágeno denso y reticulado y proteínas especializadas en cantidades mucho más pequeñas, incluidas la osteocalcina y la osteopontina , que componen la matriz orgánica del hueso.

En grupos organizados de células desconectadas, los osteoblastos producen hidroxiapatita , el mineral óseo , que se deposita de forma muy regulada en la matriz orgánica formando un tejido mineralizado fuerte y denso , la matriz mineralizada. El esqueleto mineralizado es el principal soporte del cuerpo de los vertebrados que respiran aire . También es un importante depósito de minerales para la homeostasis fisiológica , incluido el equilibrio ácido-base y el mantenimiento del calcio o el fosfato . [2] [3]

Estructura osea

El esqueleto es un órgano de gran tamaño que se va formando y degradando a lo largo de la vida en los vertebrados que respiran aire. El esqueleto, a menudo denominado sistema esquelético, es importante como estructura de soporte y para el mantenimiento del calcio, el fosfato y el estado ácido-base en todo el organismo. [4] La parte funcional del hueso, la matriz ósea , es enteramente extracelular. La matriz ósea está formada por proteínas y minerales . La proteína forma la matriz orgánica. Se sintetiza y luego se añade el mineral. La gran mayoría de la matriz orgánica es colágeno , que proporciona resistencia a la tracción . La matriz se mineraliza mediante deposición de hidroxiapatita (nombre alternativo, hidroxiapatita). Este mineral es duro y proporciona resistencia a la compresión . Así, el colágeno y el mineral juntos forman un material compuesto con excelente resistencia a la tracción y a la compresión, que puede doblarse bajo tensión y recuperar su forma sin sufrir daños. Esto se llama deformación elástica . Las fuerzas que exceden la capacidad del hueso para comportarse elásticamente pueden causar fallas, generalmente fracturas óseas . [ cita necesaria ]

Remodelación ósea

El hueso es un tejido dinámico que está siendo remodelado constantemente por los osteoblastos , que producen y secretan proteínas de la matriz y transportan minerales a la matriz, y los osteoclastos , que descomponen los tejidos.

Osteoblastos

Los osteoblastos son el principal componente celular del hueso. Los osteoblastos surgen de células madre mesenquimales (MSC). Las MSC dan lugar a osteoblastos, adipocitos y miocitos, entre otros tipos de células. Se entiende que la cantidad de osteoblastos es inversamente proporcional a la de adipocitos de la médula que comprenden el tejido adiposo de la médula (MAT) . Los osteoblastos se encuentran en grandes cantidades en el periostio , la fina capa de tejido conectivo en la superficie exterior de los huesos, y en el endostio .

Normalmente, casi toda la matriz ósea de los vertebrados que respiran aire está mineralizada por los osteoblastos. Antes de que la matriz orgánica se mineralice, se denomina osteoide . Los osteoblastos enterrados en la matriz se denominan osteocitos . Durante la formación ósea, la capa superficial de los osteoblastos está formada por células cúbicas, llamadas osteoblastos activos . Cuando la unidad formadora de hueso no está sintetizando hueso activamente, los osteoblastos de la superficie se aplanan y se denominan osteoblastos inactivos . Los osteocitos permanecen vivos y están conectados mediante procesos celulares a una capa superficial de osteoblastos. Los osteocitos tienen funciones importantes en el mantenimiento del esqueleto.

osteoclastos

Los osteoclastos son células multinucleadas que derivan de progenitores hematopoyéticos en la médula ósea que también dan lugar a monocitos en sangre periférica. [5] Los osteoclastos descomponen el tejido óseo y, junto con los osteoblastos y los osteocitos, forman los componentes estructurales del hueso. En el hueco del interior de los huesos se encuentran muchos otros tipos de células de la médula ósea . Los componentes que son esenciales para la formación de osteoblastos incluyen células madre mesenquimales (precursoras de osteoblastos) y vasos sanguíneos que suministran oxígeno y nutrientes para la formación de hueso. El hueso es un tejido altamente vascularizado y la formación activa de células de vasos sanguíneos, también a partir de células madre mesenquimales, es esencial para sustentar la actividad metabólica del hueso. El equilibrio entre la formación y la resorción ósea tiende a ser negativo con la edad, especialmente en mujeres posmenopáusicas, [6] lo que a menudo conduce a una pérdida de hueso lo suficientemente grave como para provocar fracturas, lo que se denomina osteoporosis .

osteogénesis

El hueso se forma mediante uno de dos procesos: osificación endocondral u osificación intramembranosa . La osificación endocondral es el proceso de formación de hueso a partir de cartílago y este es el método habitual. Esta forma de desarrollo óseo es la forma más compleja: sigue a la formación de un primer esqueleto de cartílago formado por condrocitos , que luego se extrae y se reemplaza por hueso, formado por osteoblastos. La osificación intramembranosa es la osificación directa del mesénquima como ocurre durante la formación de los huesos membranosos del cráneo y otros. [7]

Durante la diferenciación de los osteoblastos , las células progenitoras en desarrollo expresan el factor de transcripción regulador Cbfa1/Runx2 . Un segundo factor de transcripción requerido es el factor de transcripción Sp7 . [8] Las células osteocondroprogenitoras se diferencian bajo la influencia de factores de crecimiento , aunque las células madre mesenquimales aisladas en cultivos de tejidos también pueden formar osteoblastos en condiciones permisivas que incluyen vitamina C y sustratos para la fosfatasa alcalina , una enzima clave que proporciona altas concentraciones de fosfato en el mineral. sitio de deposición. [1]

Proteínas morfogenéticas óseas

Los factores de crecimiento clave en la diferenciación esquelética endocondral incluyen proteínas morfogenéticas óseas (BMP) que determinan en gran medida dónde se produce la diferenciación de los condrocitos y dónde se dejan los espacios entre los huesos. El sistema de sustitución del cartílago por hueso tiene un sistema regulador complejo. BMP2 también regula los patrones esqueléticos tempranos. El factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) es parte de una superfamilia de proteínas que incluye las BMP, que poseen elementos de señalización comunes en la vía de señalización del TGF beta . El TGF-β es particularmente importante en la diferenciación del cartílago , que generalmente precede a la formación de hueso para la osificación endocondral. Una familia adicional de factores reguladores esenciales son los factores de crecimiento de fibroblastos (FGF) que determinan dónde se encuentran los elementos esqueléticos en relación con la piel.

Hormonas esteroides y proteicas.

Muchos otros sistemas reguladores participan en la transición del cartílago al hueso y en el mantenimiento del hueso. Un regulador hormonal dirigido a los huesos particularmente importante es la hormona paratiroidea (PTH). La hormona paratiroidea es una proteína producida por la glándula paratiroidea bajo el control de la actividad del calcio sérico. [3] La PTH también tiene importantes funciones sistémicas, incluida la de mantener las concentraciones séricas de calcio casi constantes independientemente de la ingesta de calcio. El aumento del calcio en la dieta produce aumentos menores del calcio en sangre. Sin embargo, este no es un mecanismo importante que respalde la formación de osteoblastos, excepto en condiciones de niveles bajos de calcio en la dieta; Además, un nivel anormalmente alto de calcio en la dieta aumenta el riesgo de sufrir consecuencias graves para la salud que no están directamente relacionadas con la masa ósea, incluidos ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares . [9] La estimulación intermitente de PTH aumenta la actividad de los osteoblastos, aunque la PTH es bifuncional y media la degradación de la matriz ósea en concentraciones más altas.

El esqueleto también se modifica para la reproducción y en respuesta al estrés nutricional y hormonal ; responde a los esteroides , incluidos los estrógenos y los glucocorticoides , que son importantes en la reproducción y la regulación del metabolismo energético. El recambio óseo implica grandes gastos de energía para la síntesis y degradación, lo que implica muchas señales adicionales, incluidas las hormonas pituitarias . Dos de ellas son la hormona adrenocorticotrópica (ACTH) [10] y la hormona folículo estimulante . [11] El papel fisiológico de las respuestas a estas y otras hormonas glicoproteicas no se comprende completamente, aunque es probable que la ACTH sea bifuncional, como la PTH, y favorezca la formación de hueso con picos periódicos de ACTH, pero cause destrucción ósea en grandes concentraciones. . En ratones, las mutaciones que reducen la eficiencia de la producción de glucocorticoides inducida por ACTH en las glándulas suprarrenales hacen que el esqueleto se vuelva denso ( hueso osteoesclerótico ). [12] [13]

Organización y ultraestructura

En huesos bien conservados estudiados con gran aumento mediante microscopía electrónica , se muestra que los osteoblastos individuales están conectados por uniones estrechas , que impiden el paso del líquido extracelular y crean así un compartimento óseo separado del líquido extracelular general. [14] Los osteoblastos también están conectados por uniones comunicantes , pequeños poros que conectan los osteoblastos, lo que permite que las células de una cohorte funcionen como una unidad. [15] Las uniones comunicantes también conectan capas más profundas de células con la capa superficial ( osteocitos cuando están rodeados de hueso). Esto se demostró directamente inyectando tintes fluorescentes de bajo peso molecular en los osteoblastos y mostrando que el tinte se difundía a las células circundantes y más profundas en la unidad formadora de hueso. [16] El hueso está compuesto por muchas de estas unidades, que están separadas por zonas impermeables sin conexiones celulares, llamadas líneas de cemento.

Colágeno y proteínas accesorias.

Casi todo el componente orgánico (no mineral) del hueso es colágeno denso tipo I, [17] que forma densas cuerdas reticuladas que le dan al hueso su resistencia a la tracción. Por mecanismos aún no claros, los osteoblastos secretan capas de colágeno orientado, con las capas paralelas al eje longitudinal del hueso alternando con capas en ángulo recto con respecto al eje longitudinal del hueso cada pocos micrómetros . Los defectos en el colágeno tipo I causan el trastorno hereditario más común de los huesos, llamado osteogénesis imperfecta . [18]

En la matriz orgánica del hueso se secretan cantidades menores, pero importantes, de pequeñas proteínas, incluidas la osteocalcina y la osteopontina . [19] La osteocalcina no se expresa en concentraciones significativas excepto en el hueso y, por lo tanto, la osteocalcina es un marcador específico para la síntesis de la matriz ósea. [20] Estas proteínas unen los componentes orgánicos y minerales de la matriz ósea. [21] Las proteínas son necesarias para la máxima resistencia de la matriz debido a su localización intermedia entre el mineral y el colágeno.

Sin embargo, en ratones en los que se eliminó la expresión de osteocalcina u osteopontina mediante la alteración dirigida de los genes respectivos ( ratones knockout ), la acumulación de minerales no se vio notablemente afectada, lo que indica que la organización de la matriz no está relacionada significativamente con el transporte de minerales. [22] [23]

Hueso versus cartílago

El esqueleto primitivo es cartílago , un tejido sólido avascular (sin vasos sanguíneos) en el que se encuentran células secretoras individuales de matriz de cartílago, o condrocitos . Los condrocitos no tienen conexiones intercelulares y no están coordinados en unidades. El cartílago está compuesto por una red de colágeno tipo II mantenida en tensión por proteínas que absorben agua, los proteoglicanos hidrófilos . [24] Este es el esqueleto adulto de los peces cartilaginosos como los tiburones . Se desarrolla como esqueleto inicial en clases de animales más avanzadas.

En los vertebrados que respiran aire, el cartílago es reemplazado por hueso celular. Un tejido de transición es el cartílago mineralizado . El cartílago se mineraliza mediante la expresión masiva de enzimas productoras de fosfato, que provocan altas concentraciones locales de calcio y fosfato que precipitan. [24] Este cartílago mineralizado no es denso ni fuerte. En los vertebrados que respiran aire, se utiliza como armazón para la formación de hueso celular elaborado por osteoblastos, y luego es eliminado por osteoclastos , que se especializan en degradar el tejido mineralizado.

Los osteoblastos producen un tipo avanzado de matriz ósea que consiste en cristales densos e irregulares de hidroxiapatita , empaquetados alrededor de las cuerdas de colágeno. [25] Este es un material compuesto fuerte que permite que el esqueleto tenga forma principalmente como tubos huecos. Reducir los huesos largos a tubos reduce el peso manteniendo la fuerza.

Mineralización del hueso

Los mecanismos de mineralización no se comprenden completamente. Los compuestos fluorescentes de bajo peso molecular, como la tetraciclina o la calceína, se unen fuertemente al mineral óseo cuando se administran durante períodos cortos. Luego se acumulan en bandas estrechas en el hueso nuevo. [26] Estas bandas atraviesan el grupo contiguo de osteoblastos formadores de hueso. Ocurren en un frente de mineralización estrecho (submicrómetro ) . La mayoría de las superficies óseas no expresan formación de hueso nuevo, absorción de tetraciclina ni formación de minerales. Esto sugiere fuertemente que el transporte facilitado o activo , coordinado entre todo el grupo formador de hueso, está involucrado en la formación de hueso, y que solo ocurre la formación de minerales mediada por células. Es decir, el calcio de la dieta no crea minerales por acción masiva.

El mecanismo de formación de minerales en el hueso es claramente distinto del proceso filogenéticamente más antiguo mediante el cual se mineraliza el cartílago: la tetraciclina no marca el cartílago mineralizado en bandas estrechas o en sitios específicos, sino de manera difusa, de acuerdo con un mecanismo de mineralización pasiva. [25]

Los osteoblastos separan el hueso del líquido extracelular mediante uniones estrechas [14] mediante transporte regulado. A diferencia del cartílago, el fosfato y el calcio no pueden entrar ni salir por difusión pasiva, porque las uniones estrechas de los osteoblastos aíslan el espacio de formación ósea. El calcio se transporta a través de los osteoblastos mediante transporte facilitado (es decir, mediante transportadores pasivos, que no bombean calcio contra un gradiente). [25] Por el contrario, el fosfato se produce activamente mediante una combinación de secreción de compuestos que contienen fosfato, incluido ATP , y por fosfatasas que escinden el fosfato para crear una alta concentración de fosfato en el frente de mineralización. La fosfatasa alcalina es una proteína anclada a la membrana que es un marcador característico que se expresa en grandes cantidades en la cara apical (secretora) de los osteoblastos activos.

Principales características del complejo formador de hueso , el osteón, compuesto por osteoblastos y osteocitos.

Se trata de al menos un proceso de transporte regulado más. La estequiometría del mineral óseo básicamente es la de la hidroxiapatita que precipita a partir de fosfato, calcio y agua a un pH ligeramente alcalino : [27]

6 HPO2-4+ 2 H 2 O + 10 Ca 2+ ⇌ Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 8 H +

En un sistema cerrado, a medida que el mineral precipita, el ácido se acumula, lo que reduce rápidamente el pH y detiene una mayor precipitación. El cartílago no presenta ninguna barrera a la difusión y, por lo tanto, el ácido se difunde, permitiendo que continúe la precipitación. En el osteon, donde la matriz está separada del líquido extracelular por uniones estrechas, esto no puede ocurrir. En el compartimento sellado y controlado, la eliminación de H + impulsa la precipitación en una amplia variedad de condiciones extracelulares, siempre que haya calcio y fosfato disponibles en el compartimento de la matriz. [28] El mecanismo por el cual el ácido atraviesa la capa de barrera sigue siendo incierto. Los osteoblastos tienen capacidad de intercambio Na + /H + a través de intercambiadores redundantes Na/H, NHE1 y NHE6. [29] Este intercambio de H + es un elemento importante en la eliminación de ácido, aunque se desconoce el mecanismo por el cual se transporta H + desde el espacio de la matriz hacia la barrera osteoblástica.

En la extracción de hueso, un mecanismo de transporte inverso utiliza ácido entregado a la matriz mineralizada para llevar la hidroxiapatita a la solución. [30]

Retroalimentación de osteocitos

La retroalimentación de la actividad física mantiene la masa ósea, mientras que la retroalimentación de los osteocitos limita el tamaño de la unidad formadora de hueso. [31] [32] [33] Un mecanismo adicional importante es la secreción por parte de los osteocitos, enterrados en la matriz, de esclerostina , una proteína que inhibe una vía que mantiene la actividad de los osteoblastos. Así, cuando la osteona alcanza un tamaño límite, desactiva la síntesis ósea. [34]

Morfología y tinción histológica.

La tinción con hematoxilina y eosina (H&E) muestra que el citoplasma de los osteoblastos activos es ligeramente basófilo debido a la presencia sustancial de retículo endoplásmico rugoso . El osteoblasto activo produce una cantidad sustancial de colágeno tipo I. Aproximadamente el 10% de la matriz ósea es colágeno y el resto es mineral. [27] El núcleo del osteoblasto es esférico y grande. Un osteoblasto activo se caracteriza morfológicamente por un aparato de Golgi prominente que aparece histológicamente como una zona clara adyacente al núcleo. Los productos de la célula se destinan principalmente al transporte al osteoide, la matriz no mineralizada. Los osteoblastos activos pueden marcarse mediante anticuerpos contra el colágeno tipo I , o utilizando fosfato de naftol y el colorante azul rápido de diazonio para demostrar directamente la actividad de la enzima fosfatasa alcalina .

Aislamiento de osteoblastos

  1. La primera técnica de aislamiento mediante el método de microdisección fue descrita originalmente por Fell et al. [35] utilizando huesos de extremidades de pollo que se separaron en periostio y las partes restantes. Obtuvo células que poseían características osteogénicas a partir de tejido cultivado utilizando huesos de extremidades de pollo que se separaron en periostio y las partes restantes. Obtuvo células que poseían características osteogénicas a partir de tejido cultivado.
  2. La digestión enzimática es una de las técnicas más avanzadas para aislar poblaciones de células óseas y obtener osteoblastos. Peck et al. (1964) [36] describieron el método original que ahora utilizan a menudo muchos investigadores.
  3. En 1974 Jones et al. [37] encontraron que los osteoblastos se movían lateralmente in vivo e in vitro bajo diferentes condiciones experimentales y escribieron el método de migración en detalle. Sin embargo, los osteoblastos estaban contaminados por células que migraban desde las aberturas vasculares, entre las que podrían incluirse células endoteliales y fibroblastos.

Ver también

Referencias

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