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Osteoblast

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Los osteoblastos (del griego, que combina las 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 formar hueso. Un grupo de osteoblastos organizados, junto con el hueso formado por una unidad de células, se denomina generalmente osteón .

Los osteoblastos son productos especializados y diferenciados terminalmente de las células madre mesenquimales . [ 1 ] Sintetizan colágeno denso y reticulado y proteínas especializadas en cantidades mucho menores, incluyendo osteocalcina y 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 manera altamente regulada en la matriz inorgánica formando un tejido mineralizado fuerte y denso , la matriz mineralizada. Los implantes óseos recubiertos de hidroxiapatita suelen tener un mejor rendimiento que los que no están recubiertos con este material. Por ejemplo, en pacientes con enfermedad del hígado graso, los implantes de titanio recubiertos de hidroxiapatita tienen un mejor rendimiento que los que no están recubiertos con este material. [ 2 ] El esqueleto mineralizado es el principal soporte para los cuerpos de los vertebrados que respiran aire . También es una importante reserva de minerales para la homeostasis fisiológica , incluyendo el equilibrio ácido-base y el mantenimiento del calcio o el fosfato . [ 3 ] [ 4 ]

Estructura ósea

El esqueleto es un órgano grande que se forma y se degrada a lo largo de la vida en los vertebrados que respiran aire. El esqueleto, a menudo denominado sistema esquelético, es importante tanto como estructura de soporte como para el mantenimiento del calcio, el fosfato y el estado ácido-base en todo el organismo. [ 5 ] La parte funcional del hueso, la matriz ósea , es completamente extracelular. La matriz ósea consta de proteína y mineral . La proteína forma la matriz orgánica. Se sintetiza y luego se agrega el mineral. La gran mayoría de la matriz orgánica es colágeno , que proporciona resistencia a la tracción . La matriz se mineraliza por la deposición de hidroxiapatita (nombre alternativo, hidroxiapatita). Este mineral es duro y proporciona resistencia a la compresión . Por lo tanto, el colágeno y el mineral juntos son un material compuesto con excelente resistencia a la tracción y a la compresión, que puede doblarse bajo tensión y recuperar su forma sin dañarse. Esto se llama deformación elástica . Las fuerzas que exceden la capacidad del hueso para comportarse elásticamente pueden causar fallas, típicamente fracturas óseas .

Remodelación ósea

El hueso es un tejido dinámico que se remodela constantemente gracias a los osteoblastos , que producen y secretan proteínas de la matriz y transportan minerales a la misma, y ​​a los osteoclastos , que descomponen los tejidos.

Osteoblastos

Los osteoblastos son el principal componente celular del hueso. Se originan a partir de células madre mesenquimales (CMM). Las CMM dan lugar a osteoblastos, adipocitos y miocitos, entre otros tipos celulares. Se sabe que la cantidad de osteoblastos es inversamente proporcional a la de adipocitos de la médula ósea, que componen el tejido adiposo de la médula ósea (TAM) . Los osteoblastos se encuentran en gran número en el periostio , la fina capa de tejido conectivo en la superficie externa de los huesos, y en el endostio .

Normalmente, casi toda la matriz ósea de los vertebrados que respiran aire se mineraliza por la acción de los osteoblastos. Antes de mineralizarse, la matriz orgánica se denomina osteoide . Los osteoblastos incrustados en la matriz se llaman osteocitos . Durante la formación ósea, la capa superficial de osteoblastos está formada por células cúbicas, denominadas osteoblastos activos . Cuando la unidad formadora de hueso no está sintetizando hueso activamente, los osteoblastos superficiales se aplanan y se denominan osteoblastos inactivos . Los osteocitos permanecen vivos y se conectan mediante prolongaciones celulares a la capa superficial de osteoblastos. Los osteocitos desempeñan 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 origen a monocitos en la sangre periférica. [ 6 ] Los osteoclastos descomponen el tejido óseo y, junto con los osteoblastos y osteocitos, forman los componentes estructurales del hueso. En el interior de los huesos se encuentran muchos otros tipos de células de la médula ósea . Los componentes esenciales para la formación ósea por osteoblastos incluyen células madre mesenquimales (precursoras de osteoblastos) y vasos sanguíneos que suministran oxígeno y nutrientes para la formación ósea. 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 mantener la actividad metabólica del hueso. El equilibrio entre la formación y la resorción ósea tiende a ser negativo con la edad, particularmente en mujeres posmenopáusicas, [ 7 ] lo que a menudo conduce a una pérdida ósea lo suficientemente grave como para causar 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 es el método habitual. Esta forma de desarrollo óseo es la más compleja: implica la formación de un primer esqueleto de cartílago , formado por condrocitos , que posteriormente es reabsorbido y reemplazado 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. [ 8 ]

Durante la diferenciación de osteoblastos , las células progenitoras en desarrollo expresan el factor de transcripción regulador Cbfa1/Runx2 . Un segundo factor de transcripción necesario es el factor de transcripción Sp7 . [ 9 ] Las células osteocondroprogenitoras se diferencian bajo la influencia de factores de crecimiento , aunque las células madre mesenquimales aisladas en cultivo 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 sitio de depósito mineral. [ 1 ] A su vez, los osteoblastos pueden dar lugar a osteocitos en un proceso dependiente de la musculatura vascular de los vasos sanguíneos en el hueso. [ 10 ]

Proteínas morfogenéticas óseas

Entre los factores de crecimiento clave en la diferenciación esquelética endocondral se encuentran las proteínas morfogenéticas óseas (BMP), que determinan en gran medida dónde ocurre la diferenciación de los condrocitos y dónde quedan espacios entre los huesos. El sistema de reemplazo de cartílago por hueso tiene un sistema regulador complejo. La BMP2 también regula la formación temprana del esqueleto. El factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) forma parte de una superfamilia de proteínas que incluye las BMP, las cuales poseen elementos de señalización comunes en la vía de señalización del TGF-β . El TGF-β es particularmente importante en la diferenciación del cartílago , que generalmente precede a la formación ósea para la osificación endocondral. Otra familia 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 están involucrados en la transición del cartílago al hueso y en el mantenimiento óseo. Un regulador hormonal particularmente importante dirigido al hueso es la hormona paratiroidea (PTH). La hormona paratiroidea es una proteína producida por la glándula paratiroides bajo el control de la actividad del calcio sérico. [ 4 ] La PTH también tiene importantes funciones sistémicas, incluyendo mantener las concentraciones de calcio sérico casi constantes independientemente de la ingesta de calcio. Aumentar el calcio dietético produce pequeños aumentos en el calcio en sangre. Sin embargo, este no es un mecanismo significativo que apoye la formación ósea de los osteoblastos, excepto en condiciones de bajo calcio dietético; además, un calcio dietético anormalmente alto aumenta el riesgo de consecuencias graves para la salud no directamente relacionadas con la masa ósea, incluyendo ataque cardíaco y accidente cerebrovascular . [ 11 ] La estimulación intermitente de la PTH aumenta la actividad de los osteoblastos, aunque la PTH es bifuncional y media la degradación de la matriz ósea a concentraciones más altas.

El esqueleto también se modifica para la reproducción y en respuesta a estrés nutricional y hormonal ; responde a esteroides , incluidos estrógenos y glucocorticoides , que son importantes en la reproducción y la regulación del metabolismo energético. El recambio óseo implica un gasto energético importante para la síntesis y la degradación, e involucra muchas señales adicionales, incluidas las hormonas hipofisarias . Dos de ellas son la hormona adrenocorticotrópica (ACTH) [ 12 ] y la hormona foliculoestimulante [ 13 ] . El papel fisiológico de las respuestas a estas y a otras hormonas glucoproteicas no se comprende completamente, aunque es probable que la ACTH sea bifuncional, como la PTH, apoyando la formación ósea con picos periódicos de ACTH, pero causando destrucción ósea en altas 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 ( osteosclerosis ) [ 14 ] [ 15 ] .

Organización y ultraestructura

En huesos bien conservados estudiados a gran aumento mediante microscopía electrónica , se muestra que los osteoblastos individuales están conectados por uniones estrechas , que impiden el paso del líquido extracelular y, por lo tanto, crean un compartimento óseo separado del líquido extracelular general. [ 16 ] Los osteoblastos también están conectados por uniones comunicantes , pequeños poros que conectan osteoblastos, lo que permite que las células de una cohorte funcionen como una unidad. [ 17 ] 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 colorantes fluorescentes de bajo peso molecular en osteoblastos y mostrando que el colorante se difundió a las células circundantes y más profundas en la unidad formadora de hueso. [ 18 ] 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 tipo I denso, [ 19 ] que forma densas cuerdas reticuladas que le confieren resistencia a la tracción. Mediante mecanismos aún desconocidos, los osteoblastos secretan capas de colágeno orientado, alternando capas paralelas al eje longitudinal del hueso con capas perpendiculares a dicho eje cada pocos micrómetros . Los defectos en el colágeno tipo I causan el trastorno óseo hereditario más común, denominado osteogénesis imperfecta . [ 20 ]

Pequeñas pero importantes cantidades de proteínas, incluyendo osteocalcina y osteopontina , se secretan en la matriz orgánica del hueso. [ 21 ] La osteocalcina no se expresa en concentraciones significativas excepto en el hueso, por lo que es un marcador específico de la síntesis de la matriz ósea. [ 22 ] Estas proteínas conectan el componente orgánico y mineral de la matriz ósea. [ 23 ] 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 interrupción dirigida de los genes respectivos ( ratones knockout ), la acumulación de minerales no se vio afectada de manera notable, lo que indica que la organización de la matriz no está relacionada significativamente con el transporte de minerales. [ 24 ] [ 25 ]

Hueso versus cartílago

El esqueleto primitivo es el cartílago , un tejido sólido avascular (sin vasos sanguíneos) en el que se encuentran células individuales secretoras de matriz cartilaginosa, o condrocitos . Los condrocitos no tienen conexiones intercelulares ni están coordinados en unidades. El cartílago está compuesto por una red de colágeno tipo II mantenida en tensión por proteínas que absorben agua, proteoglicanos hidrofílicos . [ 26 ] Este es el esqueleto adulto en peces cartilaginosos como los tiburones . Se desarrolla como el esqueleto inicial en clases de animales más evolucionadas.

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 causan altas concentraciones locales de calcio y fosfato que precipitan. [ 26 ] Este cartílago mineralizado no es denso ni resistente. En los vertebrados que respiran aire, se utiliza como andamiaje para la formación de hueso celular producido 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 compuesta por cristales densos e irregulares de hidroxiapatita , que rodean las fibras de colágeno. [ 27 ] Este es un material compuesto resistente que permite que el esqueleto se moldee principalmente como tubos huecos. Reducir los huesos largos a tubos disminuye el peso manteniendo la resistencia.

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. [ 28 ] Estas bandas atraviesan el grupo contiguo de osteoblastos formadores de hueso. Ocurren en un frente de mineralización estrecho (submicrométrico ) . La mayoría de las superficies óseas no expresan formación de hueso nuevo, ni captación de tetraciclina ni formación de mineral. Esto sugiere fuertemente que el transporte facilitado o activo , coordinado a través del grupo formador de hueso, está involucrado en la formación ósea, y que solo ocurre la formación de mineral mediada por células. Es decir, el calcio de la dieta no crea mineral por acción de masas.

El mecanismo de formación de minerales en el hueso es claramente distinto del proceso filogenéticamente más antiguo por el cual se mineraliza el cartílago: la tetraciclina no marca el cartílago mineralizado en bandas estrechas ni en sitios específicos, sino de forma difusa, lo que concuerda con un mecanismo de mineralización pasiva. [ 27 ]

Los osteoblastos separan el hueso del fluido extracelular mediante uniones estrechas [ 16 ] a través de un 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). [ 27 ] En cambio, el fosfato se produce activamente mediante una combinación de secreción de compuestos que contienen fosfato, incluido el 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 expresado en grandes cantidades en la cara apical (secretora) de los osteoblastos activos.

Características principales del complejo formador de hueso , el osteón, compuesto por osteoblastos y osteocitos.

Al menos otro proceso de transporte regulado está involucrado. La estequiometría del mineral óseo es básicamente la de la hidroxiapatita que precipita a partir de fosfato, calcio y agua a un pH ligeramente alcalino : [ 29 ]

6 HPO 2− 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, disminuyendo rápidamente el pH e impidiendo una mayor precipitación. El cartílago no presenta barrera a la difusión y, por lo tanto, el ácido se difunde, permitiendo que la precipitación continúe. En el osteón, donde la matriz está separada del fluido extracelular por uniones estrechas, esto no puede ocurrir. En el compartimento controlado y sellado, la eliminación de H + impulsa la precipitación bajo una amplia variedad de condiciones extracelulares, siempre que haya calcio y fosfato disponibles en el compartimento de la matriz. [ 30 ] El mecanismo por el cual el ácido transita la capa de barrera sigue siendo incierto. Los osteoblastos tienen capacidad para el intercambio de Na + /H + a través de los intercambiadores redundantes de Na/H, NHE1 y NHE6. [ 31 ] Este intercambio de H + es un elemento principal en la eliminación de ácido, aunque se desconoce el mecanismo por el cual el H + es transportado desde el espacio de la matriz hacia el osteoblasto de la barrera.

En la eliminación ósea, un mecanismo de transporte inverso utiliza ácido suministrado a la matriz mineralizada para impulsar la hidroxiapatita hacia la solución. [ 32 ]

Retroalimentación de los 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. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] Un mecanismo adicional importante es la secreción por los osteocitos, enterrados en la matriz, de esclerostina , una proteína que inhibe una vía que mantiene la actividad de los osteoblastos. Por lo tanto, cuando el osteón alcanza un tamaño límite, desactiva la síntesis ósea. [ 36 ]

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 endoplasmático rugoso . El osteoblasto activo produce colágeno tipo I en cantidades significativas. Alrededor del 10% de la matriz ósea es colágeno, siendo el resto mineral. [ 29 ] 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 transportan principalmente al osteoide, la matriz no mineralizada. Los osteoblastos activos pueden ser marcados con anticuerpos contra el colágeno tipo I , o utilizando fosfato de naftol y el colorante diazonio azul rápido 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. [ 37 ] utilizando huesos de extremidades de pollo que se separaron en periostio y 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 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) [ 38 ] describieron el método original que ahora utilizan con frecuencia muchos investigadores.
  3. En 1974, Jones et al. [ 39 ] descubrieron que los osteoblastos se desplazaban lateralmente in vivo e in vitro bajo diferentes condiciones experimentales y describieron el método de migración en detalle. Sin embargo, los osteoblastos estaban contaminados por células que migraban desde las aberturas vasculares, entre las que podrían encontrarse células endoteliales y fibroblastos.

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

  • William F. Neuman y Margaret W. Neuman. (1958). La dinámica química del mineral óseo. Chicago: The University of Chicago Press. ISBN 0-226-57512-8.
  • Netter, Frank H. (1987). Sistema musculoesquelético: anatomía, fisiología y trastornos metabólicos . Summit, Nueva Jersey: Ciba-Geigy Corporation ISBN 0-914168-88-6.