Упругость кости придают: Ваш браузер устарел

Введение

Несмотря на то, что кость является органическим материалом, ее часто можно рассматривать как искусственные инженерные материалы.Однако из-за характера его синтеза, вероятно, будет наблюдаться большее изменение измеренных свойств, чем у типичных технических материалов. Факторы включают:

• Возраст
• Пол
• Расположение в кузове
• Температура
• Минеральное содержание
• Количество присутствующей воды
• Болезнь, например остеопороз

Эти переменные могут до некоторой степени зависеть друг от друга.Например, содержание минералов будет варьироваться в зависимости от расположения кости в теле и возраста пациента.

С возрастом у людей кости обычно становятся менее плотными, и прочность этих костей уменьшается, а это означает, что они более подвержены переломам. Остеопороз — это заболевание, сопровождающееся заметным снижением костной массы, и оно чаще всего встречается у женщин в постменопаузе.

Эти переменные означают, что существует ряд измеряемых свойств кости, поэтому значения, приведенные в таблицах, всегда будут средними, с возможным довольно значительным разбросом данных.

Кроме того, анизотропная структура кости означает, что ее механические свойства необходимо рассматривать в двух ортогональных направлениях:

• Продольно, то есть параллельно остеону. Это обычное направление загрузки
• Поперечно, т.е. перпендикулярно длинной оси кости

Модуль упругости

Кость можно рассматривать как состоящую в основном из коллагеновых волокон и неорганической матрицы, и поэтому на простом уровне ее можно проанализировать как волокнистый композит.

Композиты — это материалы, состоящие из двух или более различных компонентов. Они обычно используются в машиностроении и промышленности, где сочетание двух материалов создает композит со свойствами, превосходящими свойства отдельных компонентов.

Модуль Юнга композитов с выровненными волокнами можно рассчитать, используя Правило смесей и Обратное правило смесей для нагрузки параллельно и перпендикулярно волокнам соответственно.

ПРАВИЛО СМЕСЕЙ

E _ax = f E _f + (1 — f) E _m

ОБРАТНОЕ ПРАВИЛО СМЕСЕЙ

\ ( E_ {ax} = \ left [{\ frac {f} {{E_f}} + \ frac {{\ left ({1 — f} \ right)}} {{E_m}}} \ right] ^ {- 1 } \)

Где

E _f = Модуль Юнга волокон

E _м = модуль Юнга матрицы

E _ax , E _trans = Модуль Юнга композита в осевом и поперечном направлениях

f = объемная доля волокон

Чтобы получить полную информацию об этих правилах, щелкните здесь.

Эти формулы предсказывают, что композит будет более жестким в осевом направлении, чем в поперечном, поэтому кортикальная кость будет более жесткой в ​​направлении, параллельном остеонам (т. Е. Параллельно длинной оси кости).

В приведенной ниже таблице показаны расчетные значения модуля Юнга кости как в продольном, так и в поперечном направлениях для диапазона объемных долей волокна, а также фактические значения.

Расчетные и экспериментальные значения модуля Юнга для кортикальной кости

Видно, что для поперечного направления составная модель хорошо согласуется с экспериментальными значениями.Однако в продольном направлении разница велика, что указывает на то, что модель не дает точной картины поведения кости.

Эта разница возникает из-за того, что составная модель микроструктуры кости сильно упрощена, поскольку волокна коллагена не выровнены параллельно оси остеонов, а костный минерал существует в виде дискретных кристаллов, а не образует непрерывный матрикс.

Лучшим приближением было бы моделировать кость как двухуровневую композицию.Один уровень обеспечивается армированным гидроксиапатитом коллагеном в единственном остеоне, а второй уровень достигается приблизительно гексагональной упаковкой остеонов в матриксе интерстициальной кости.

Фактические значения модуля Юнга кости по сравнению с коллагеном и гидроксиапатитом показаны в таблице ниже. Измеренное значение модуля Юнга также зависит от температуры, уменьшаясь с повышением температуры, и скорости деформации, увеличиваясь по величине с увеличением скорости деформации.

Прочность на растяжение и сжатие

Как упоминалось ранее, кости, такие как бедренная кость, подвергаются изгибающим моментам при нормальной нагрузке.Они создают как растягивающие, так и сжимающие напряжения в различных областях кости.

Измеренные значения прочности кости на растяжение и сжатие сильно различаются. Разным костям тела необходимо поддерживать разные силы, поэтому сила между ними сильно различается. Кроме того, важным фактором является возраст, сила которого часто уменьшается с возрастом.

Эластичность

Костный минерал представляет собой керамический материал и проявляет нормальные упругие свойства Гука, т.е.е. линейная зависимость напряжения от деформации. Напротив, коллаген представляет собой полимер, который демонстрирует J-образную кривую напряжения-деформации. (См. TLP «Эластичность биологических материалов».

Типичные кривые напряжение-деформация для компактной кости, испытанной на растяжение или сжатие во влажном состоянии, представляют собой приблизительно прямую линию. Кость обычно имеет максимальное общее удлинение всего 0,5–3% и поэтому классифицируется как хрупкое, а не пластичное твердое тело.

В отличие от результатов для прочности на растяжение и сжатие и модуля, значения ударной вязкости в поперечном направлении, как правило, выше, чем в продольном направлении.Это связано с наличием цементных полос в микроструктуре. Это узкие области вокруг самых внешних пластинок в остеонах, и они образуют самый слабый компонент кости. Распространение трещин параллельно остеонам может происходить намного легче через эти области, и это значительно снижает вязкость разрушения кортикальной кости в продольном направлении. Если трещина распространяется перпендикулярно остеону, она изменит направление, когда достигнет цементной линии, тем самым притупив трещину.Это показано на анимации ниже.

В результате, хотя кость классифицируется как хрупкий материал (основной компонент — минерал), ее прочность является превосходной. Энергия разрушения кости G _c составляет приблизительно 1,5 кДж м ^-2 , что сопоставимо со сталью при низких температурах и древесиной при измерении параллельно волокну. Она намного прочнее искусственной керамики из-за наличия в кости коллагеновых волокон. Поскольку кривые напряжение-деформация для нагрузки и разгрузки различаются, эластичность, следовательно, зависит от времени, что является общей характеристикой волокнистых белков.Для полного обсуждения этого см. TLP Эластичность биологических материалов .

Поддерживает и защищает соединительная ткань — Анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определять и различать типы соединительной ткани: собственная, поддерживающая и жидкая
• Объясните функции соединительной ткани

Как видно из названия, одна из основных функций соединительной ткани — соединение тканей и органов.В отличие от эпителиальной ткани, которая состоит из плотно упакованных клеток с небольшим внеклеточным пространством или без него, клетки соединительной ткани рассредоточены в матриксе. Матрикс обычно включает в себя большое количество внеклеточного материала, продуцируемого клетками соединительной ткани, которые встроены в него. Матрикс играет важную роль в функционировании этой ткани. Главный компонент матрицы — это измельченное вещество, часто пересеченное белковыми волокнами. Это основное вещество обычно представляет собой жидкость, но оно также может быть минерализованным и твердым, как в костях.Соединительные ткани бывают самых разнообразных форм, но обычно они имеют три общих характерных компонента: клетки, большое количество аморфного основного вещества и белковые волокна. Количество и структура каждого компонента коррелируют с функцией ткани, от твердого основного вещества в костях, поддерживающих тело, до включения специализированных клеток; например, фагоцитарная клетка, которая поглощает патогены, а также очищает ткань от клеточного мусора.

Функции соединительной ткани

Соединительные ткани выполняют множество функций в организме, но, что наиболее важно, они поддерживают и соединяют другие ткани; от соединительнотканной оболочки, окружающей мышечные клетки, до сухожилий, прикрепляющих мышцы к костям, и до скелета, поддерживающего положение тела.Защита — еще одна важная функция соединительной ткани в виде фиброзных капсул и костей, которые защищают нежные органы и, конечно же, скелетную систему. Специализированные клетки соединительной ткани защищают организм от попадающих в него микроорганизмов. Транспортировка жидкости, питательных веществ, отходов и химических веществ обеспечивается специализированными жидкими соединительными тканями, такими как кровь и лимфа. Жировые клетки накапливают излишки энергии в виде жира и способствуют теплоизоляции тела.

Эмбриональная соединительная ткань

Все соединительные ткани происходят из мезодермального слоя эмбриона (см. (Рисунок)). Первой соединительной тканью, развивающейся в эмбрионе, является мезенхима, линия стволовых клеток, из которой позже происходят все соединительные ткани. Кластеры мезенхимальных клеток разбросаны по взрослой ткани и поставляют клетки, необходимые для замены и восстановления после повреждения соединительной ткани. Второй тип эмбриональной соединительной ткани формируется в пуповине, называемой слизистой соединительной тканью или желе Уортона.Эта ткань больше не присутствует после рождения, оставляя только разбросанные по всему телу мезенхимальные клетки.

Классификация соединительной ткани

Три широкие категории соединительной ткани классифицируются в соответствии с характеристиками их основного вещества и типами волокон, находящихся в матрице ((Рисунок)). Собственно соединительная ткань включает рыхлую соединительную ткань и плотную соединительную ткань. Обе ткани содержат различные типы клеток и белковые волокна, взвешенные в вязком основном веществе.Плотная соединительная ткань усилена пучками волокон, которые обеспечивают прочность на разрыв, эластичность и защиту. В рыхлой соединительной ткани волокна организованы неплотно, оставляя между собой большие промежутки. Поддерживающая соединительная ткань — кость и хрящ — обеспечивает структуру и прочность тела и защищает мягкие ткани. Эти ткани характеризуют несколько различных типов клеток и плотно упакованные волокна в матрице. В кости матрица жесткая и описывается как кальцинированная из-за отложений солей кальция.В жидкой соединительной ткани, другими словами, в лимфе и крови, различные специализированные клетки циркулируют в водянистой жидкости, содержащей соли, питательные вещества и растворенные белки.

Собственная соединительная ткань

Фибробласты присутствуют во всей собственно соединительной ткани ((рисунок)).Фиброциты, адипоциты и мезенхимальные клетки — это фиксированные клетки, что означает, что они остаются в соединительной ткани. Другие клетки входят и выходят из соединительной ткани в ответ на химические сигналы. Макрофаги, тучные клетки, лимфоциты, плазматические клетки и фагоцитарные клетки находятся в самой соединительной ткани, но на самом деле являются частью иммунной системы, защищающей организм.

Собственная соединительная ткань

Фибробласты производят эту фиброзную ткань. Собственно соединительная ткань включает фиксированные клетки, фиброциты, адипоциты и мезенхимальные клетки.LM × 400. (Микрофотография предоставлена ​​Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012)

Типы ячеек

Самая многочисленная клетка в собственно соединительной ткани — это фибробласт. Полисахариды и белки, секретируемые фибробластами, соединяются с внеклеточными жидкостями с образованием вязкого основного вещества, которое со встроенными волокнистыми белками образует внеклеточный матрикс. Как и следовало ожидать, фиброциты, менее активная форма фибробластов, являются вторым наиболее распространенным типом клеток в собственно соединительной ткани.

Адипоциты — это клетки, которые хранят липиды в виде капель, заполняющих большую часть цитоплазмы. Есть два основных типа адипоцитов: белые и коричневые. Коричневые адипоциты хранят липиды в виде капель и обладают высокой метаболической активностью. Напротив, белые жировые адипоциты хранят липиды в виде одной большой капли и метаболически менее активны. Их эффективность в хранении большого количества жира наблюдается у людей с ожирением. Количество и тип адипоцитов зависит от ткани и местоположения и варьируется среди людей в популяции.

Мезенхимальная клетка представляет собой мультипотентную взрослую стволовую клетку. Эти клетки могут дифференцироваться в любой тип клеток соединительной ткани, необходимых для восстановления и заживления поврежденной ткани.

Макрофагальная клетка — это большая клетка, происходящая из моноцита, типа клетки крови, которая проникает в матрицу соединительной ткани из кровеносных сосудов. Клетки макрофагов являются важным компонентом иммунной системы, которая обеспечивает защиту организма от потенциальных патогенов и разрушенных клеток-хозяев.При стимуляции макрофаги выделяют цитокины, небольшие белки, которые действуют как химические посредники. Цитокины привлекают другие клетки иммунной системы к инфицированным участкам и стимулируют их деятельность. Блуждающие или свободные макрофаги быстро перемещаются за счет амебоидного движения, поглощая инфекционные агенты и клеточный мусор. Напротив, фиксированные макрофаги постоянно проживают в своих тканях.

Тучная клетка, находящаяся в собственно соединительной ткани, имеет множество цитоплазматических гранул. Эти гранулы содержат химические сигналы гистамина и гепарина.При раздражении или повреждении тучные клетки выделяют гистамин, медиатор воспаления, который вызывает расширение сосудов и усиление кровотока в месте травмы или инфекции, а также зуд, отек и покраснение, которые вы считаете аллергической реакцией. Как и клетки крови, тучные клетки происходят из гемопоэтических стволовых клеток и являются частью иммунной системы.

Соединительные тканевые волокна и наземное вещество

Фибробласты секретируют три основных типа волокон: коллагеновые волокна, эластичные волокна и ретикулярные волокна.Коллагеновое волокно состоит из волокнистых белковых субъединиц, связанных вместе, чтобы образовать длинное прямое волокно. Коллагеновые волокна, будучи гибкими, обладают большой прочностью на разрыв, сопротивляются растяжению и придают связкам и сухожилиям характерную упругость и прочность. Эти волокна удерживают соединительные ткани вместе даже во время движения тела.

Эластичное волокно содержит протеин эластин вместе с меньшим количеством других протеинов и гликопротеинов. Основное свойство эластина в том, что после растяжения или сжатия он возвращается к своей первоначальной форме.Эластичные волокна выступают в эластичных тканях кожи и эластичных связках позвоночника.

Ретикулярное волокно также образовано из тех же белковых субъединиц, что и коллагеновые волокна; однако эти волокна остаются узкими и выстраиваются в разветвленную сеть. Они обнаруживаются по всему телу, но наиболее распространены в ретикулярной ткани мягких органов, таких как печень и селезенка, где они закрепляют и обеспечивают структурную поддержку паренхимы (функциональные клетки, кровеносные сосуды и нервы органа).

Все эти типы волокон погружены в основное вещество. Основное вещество, секретируемое фибробластами, состоит из полисахаридов, в частности гиалуроновой кислоты, и белков. Они объединяются, образуя протеогликан с белковой сердцевиной и полисахаридными разветвлениями. Протеогликан притягивает и улавливает доступную влагу, образуя прозрачную, вязкую, бесцветную матрицу, которую вы теперь называете основным веществом.

Свободная соединительная ткань

Рыхлая соединительная ткань находится между многими органами, где она поглощает удары и связывает ткани вместе.Он позволяет воде, солям и различным питательным веществам диффундировать к соседним или внедренным клеткам и тканям.

Жировая ткань состоит в основном из клеток-накопителей жира с небольшим количеством внеклеточного матрикса ((Рисунок)). Большое количество капилляров обеспечивает быстрое хранение и мобилизацию липидных молекул. Наиболее многочисленна белая жировая ткань. Он может казаться желтым и обязан своим цветом каротину и связанным с ним пигментам из растительной пищи. Белый жир в основном способствует накоплению липидов и может служить защитой от холода и механических травм.Белая жировая ткань защищает почки и смягчает заднюю часть глаза. Коричневая жировая ткань чаще встречается у младенцев, отсюда и термин «детский жир». У взрослых количество бурого жира меньше, и он находится в основном в шейных и ключичных областях тела. Множество митохондрий в цитоплазме коричневой жировой ткани помогает объяснить ее эффективность в метаболизме накопленного жира. Коричневая жировая ткань является термогенной, что означает, что, расщепляя жиры, она выделяет метаболическое тепло, а не производит аденозинтрифосфат (АТФ), ключевую молекулу, используемую в метаболизме.

Жировая ткань

Это рыхлая соединительная ткань, состоящая из жировых клеток с небольшим внеклеточным матриксом. Он сохраняет жир для энергии и обеспечивает изоляцию. LM × 800. (Микрофотография предоставлена ​​Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012)

Ареолярная ткань мало специализируется. Он содержит все типы клеток и волокна, описанные ранее, и распределяется случайным образом в виде паутины. Он заполняет промежутки между мышечными волокнами, окружает кровеносные и лимфатические сосуды и поддерживает органы в брюшной полости.Ареолярная ткань лежит в основе большинства эпителия и представляет собой соединительнотканный компонент эпителиальных мембран, которые описаны ниже в следующем разделе.

Ретикулярная ткань представляет собой сетчатую поддерживающую основу для мягких органов, таких как лимфатическая ткань, селезенка и печень ((Рисунок)). Ретикулярные клетки производят ретикулярные волокна, которые образуют сеть, к которой прикрепляются другие клетки. Название происходит от латинского reticulus , что означает «маленькая сеть».

Ретикулярная ткань

Это рыхлая соединительная ткань, состоящая из сети ретикулярных волокон, которая обеспечивает поддерживающую основу для мягких органов.LM × 1600. (Микрофотография предоставлена ​​Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012)

Плотная соединительная ткань

Плотная соединительная ткань содержит больше волокон коллагена, чем рыхлая соединительная ткань. Как следствие, он проявляет большее сопротивление растяжению. Есть две основные категории плотной соединительной ткани: регулярная и нерегулярная. Плотные регулярные волокна соединительной ткани параллельны друг другу, увеличивая прочность на разрыв и сопротивление растяжению в направлении ориентации волокон.Связки и сухожилия состоят из плотной нормальной соединительной ткани, но в связках не все волокна параллельны. Плотная регулярная эластичная ткань содержит волокна эластина в дополнение к волокнам коллагена, что позволяет связке возвращаться к исходной длине после растяжения. Связки в голосовых связках и между позвонками в позвоночнике эластичные.

В плотной соединительной ткани неправильной формы направление волокон произвольное. Такое расположение придает ткани большую прочность во всех направлениях и меньшую — в одном конкретном направлении.В некоторых тканях волокна пересекаются и образуют сетку. В других тканях растяжение в нескольких направлениях достигается за счет чередования слоев, в которых волокна проходят с одинаковой ориентацией в каждом слое, а сами слои уложены друг на друга под углом. Дерма кожи представляет собой пример плотной соединительной ткани неправильной формы, богатой коллагеновыми волокнами. Плотные эластичные ткани неправильной формы придают стенкам артерий прочность и способность восстанавливать первоначальную форму после растяжения ((Рисунок)).

Плотная соединительная ткань

(a) Плотная правильная соединительная ткань состоит из коллагеновых волокон, собранных в параллельные пучки.(б) Плотная соединительная ткань неправильной формы состоит из коллагеновых волокон, сплетенных в сетчатую сеть. Сверху, LM × 1000, LM × 200. (Микрофотографии предоставлены Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012)

Заболевания…

Connective Tissue: Tendinitis Ваш противник стоит наготове, пока вы готовитесь к подаче, но вы уверены, что пробьете мяч мимо соперника. Когда вы подбрасываете мяч высоко в воздух, ваше запястье пронизывает жгучая боль, и вы роняете теннисную ракетку.Та тупая боль в запястье, которую вы игнорировали летом, теперь стала невыносимой болью. Игра пока окончена.

После осмотра вашего опухшего запястья врач в отделении неотложной помощи сообщает, что у вас развился тендинит запястья. Она рекомендует заморозить болезненную область, принимать нестероидные противовоспалительные препараты, чтобы облегчить боль и уменьшить отек, и полностью отдохнуть в течение нескольких недель. Она прерывает ваши протесты, что вы не можете перестать играть. Она строго предупреждает об опасности обострения состояния и возможности хирургического вмешательства.Она утешает вас, говоря, что такие известные теннисисты, как Винус и Серена Уильямс и Рафаэль Надаль, также страдали от травм, связанных с тендинитом.

Что такое тендинит и как это произошло? Тендинит — это воспаление сухожилия, толстой полосы волокнистой соединительной ткани, которая прикрепляет мышцу к кости. Состояние вызывает боль и болезненность в области вокруг сустава. В редких случаях внезапная серьезная травма может вызвать тендинит. Чаще всего это состояние возникает в результате повторяющихся движений во времени, которые напрягают сухожилия, необходимые для выполнения заданий.

Люди, чья работа и увлечения связаны с повторением одних и тех же движений снова и снова, часто подвергаются наибольшему риску развития тендинита. Вы слышали о теннисе и локтях гольфиста, о коленях прыгуна и плечах пловца. Во всех случаях чрезмерное использование сустава вызывает микротравму, которая вызывает воспалительную реакцию. Обычно тендинит диагностируется при клиническом обследовании. В случае сильной боли можно исследовать рентген, чтобы исключить возможность травмы кости. В тяжелых случаях тендинит может даже оторваться сухожилие.Хирургическое лечение сухожилия болезненно. Соединительная ткань в сухожилии не имеет обильного кровоснабжения и медленно заживает.

В то время как пожилые люди подвержены риску развития тендинита, поскольку эластичность ткани сухожилия с возрастом снижается, у активных людей любого возраста тендинит может развиться. Юные спортсмены, танцоры и операторы компьютеров; любой, кто постоянно выполняет одни и те же движения, подвержен риску тендинита. Хотя повторяющиеся движения неизбежны во многих видах деятельности и могут привести к тендиниту, можно принять меры предосторожности, которые могут снизить вероятность развития тендинита.Для активных людей рекомендуется растяжка перед тренировкой и кросс-тренинг или смена упражнений. Для страстного спортсмена, возможно, пришло время взять уроки, чтобы улучшить технику. Все профилактические меры направлены на повышение прочности сухожилия и уменьшение нагрузки на него. При должном отдыхе и тщательном уходе вы вернетесь на площадку, чтобы отбить эту подачу через сетку.

Посмотрите этот анимационный ролик, чтобы узнать больше о тендините, болезненном состоянии, вызванном опухшими или поврежденными сухожилиями.

Поддерживающие соединительные ткани

Две основные формы поддерживающей соединительной ткани, хрящ и кость, позволяют телу сохранять свою осанку и защищать внутренние органы.

Хрящ

Характерный внешний вид хряща обусловлен полисахаридами, называемыми хондроитинсульфатами, которые связываются с белками основного вещества с образованием протеогликанов. В хрящевой матрикс встроены хондроциты или хрящевые клетки, и пространство, которое они занимают, называется лакунами (единичное число = лакуна).Слой плотной соединительной ткани неправильной формы, надхрящницы, покрывает хрящ. Хрящевая ткань не имеет сосудов, поэтому все питательные вещества должны диффундировать через матрикс, чтобы достичь хондроцитов. Это фактор, способствующий очень медленному заживлению хрящевой ткани.

Три основных типа хрящевой ткани — это гиалиновый хрящ, волокнистый хрящ и эластичный хрящ ((Рисунок)). Гиалиновый хрящ, наиболее распространенный тип хряща в организме, состоит из коротких и рассредоточенных коллагеновых волокон и содержит большое количество протеогликанов.Под микроскопом образцы тканей кажутся прозрачными. Поверхность гиалинового хряща гладкая. Сильный и гибкий, он находится в грудной клетке и носу и покрывает кости, где они встречаются, образуя подвижные суставы. Он составляет шаблон эмбрионального скелета до образования кости. Пластина из гиалинового хряща на концах кости позволяет продолжать рост до зрелого возраста. Фиброхрящ прочный, потому что он имеет толстые пучки коллагеновых волокон, рассредоточенных по его матрице. Мениски в коленном суставе и межпозвонковых дисках являются примерами фиброзного хряща.Эластичный хрящ содержит эластичные волокна, а также коллаген и протеогликаны. Эта ткань обеспечивает жесткую поддержку, а также эластичность. Осторожно потяните за мочки ушей и обратите внимание, что они возвращаются к своей первоначальной форме. Наружное ухо содержит эластичный хрящ.

Типы хрящей

Хрящ — это соединительная ткань, состоящая из коллагеновых волокон, заключенных в твердую матрицу сульфатов хондроитина. (а) Гиалиновый хрящ обеспечивает некоторую гибкость опоры. Пример из ткани собаки.(б) Фиброхрящи обеспечивают некоторую сжимаемость и могут поглощать давление. (c) Эластичный хрящ обеспечивает прочную, но эластичную поддержку. Сверху, LM × 300, LM × 1200, LM × 1016. (Микрофотографии предоставлены Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012)

Кость

Кость — самая твердая соединительная ткань. Он обеспечивает защиту внутренних органов и поддерживает тело. Жесткий внеклеточный матрикс кости состоит в основном из волокон коллагена, заключенных в минерализованном основном веществе, содержащем гидроксиапатит, форму фосфата кальция.Оба компонента матрицы, органические и неорганические, вносят свой вклад в необычные свойства кости. Без коллагена кости были бы хрупкими и легко разрушались. Без минеральных кристаллов кости будут сгибаться и оказывать мало поддержки. Остеоциты, костные клетки, такие как хондроциты, расположены в лакунах. Гистология поперечной ткани длинной кости показывает типичное расположение остеоцитов в виде концентрических кругов вокруг центрального канала. Кость — это ткань с высокой васкуляризацией. В отличие от хряща, костная ткань может быстро восстановиться после травм.

Губчатая кость под микроскопом выглядит как губка и содержит пустоты между трабекулами или собственно дугами кости. Он легче компактной кости и находится внутри некоторых костей и на концах длинных костей. Компактная кость твердая и имеет большую структурную прочность.

Жидкая соединительная ткань

Кровь и лимфа — это жидкие соединительные ткани. Клетки циркулируют в жидком внеклеточном матриксе. Все форменные элементы, циркулирующие в крови, происходят из гемопоэтических стволовых клеток, расположенных в костном мозге ((Рисунок)).Эритроциты, красные кровяные тельца, переносят кислород и немного углекислого газа. Лейкоциты, белые кровяные тельца, отвечают за защиту от потенциально вредных микроорганизмов или молекул. Тромбоциты — это фрагменты клеток, участвующие в свертывании крови. Некоторые лейкоциты обладают способностью пересекать эндотелиальный слой, выстилающий кровеносные сосуды, и проникать в соседние ткани. Питательные вещества, соли и отходы растворяются в жидкой матрице и переносятся по телу.

Лимфа содержит жидкий матрикс и лейкоциты.Лимфатические капилляры чрезвычайно проницаемы, позволяя более крупным молекулам и избыточной жидкости из интерстициального пространства попадать в лимфатические сосуды. Лимфа стекает в кровеносные сосуды, доставляя в кровь молекулы, которые иначе не могли бы напрямую попасть в кровоток. Таким образом, специализированные лимфатические капилляры транспортируют абсорбированные жиры из кишечника и доставляют эти молекулы в кровь.

Кровь: жидкая соединительная ткань

Кровь — это жидкая соединительная ткань, содержащая эритроциты и различные типы лейкоцитов, которые циркулируют в жидком внеклеточном матриксе.LM × 1600. (Микрофотография предоставлена ​​Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012)

Перейдите по этой ссылке, чтобы проверить свои знания о соединительной ткани с помощью этой викторины из 10 вопросов. Можете ли вы назвать 10 типов тканей, показанных на слайдах гистологии?

Обзор главы

Соединительная ткань — это неоднородная ткань с множеством форм клеток и структурой ткани. Структурно все соединительные ткани содержат клетки, встроенные во внеклеточный матрикс, стабилизированный белками.Химическая природа и физическая структура внеклеточного матрикса и белков сильно различаются между тканями, что отражает разнообразие функций, которые соединительная ткань выполняет в организме. Соединительные ткани отделяют и смягчают органы, защищая их от смещения или травм. Соединительные ткани обеспечивают поддержку и помогают движению, хранят и транспортируют молекулы энергии, защищают от инфекций и способствуют температурному гомеостазу.

Множество разных клеток способствуют образованию соединительной ткани.Они берут начало в мезодермальном зародышевом листе и дифференцируются от мезенхимы и кроветворной ткани в костном мозге. Фибробласты являются наиболее многочисленными и секретируют много белковых волокон, адипоциты специализируются на хранении жира, кроветворные клетки из костного мозга дают начало всем клеткам крови, хондроциты образуют хрящ, а остеоциты образуют кости. Внеклеточный матрикс содержит жидкость, белки, производные полисахаридов и, в случае кости, минеральные кристаллы. Белковые волокна делятся на три основные группы: коллагеновые волокна толстые, прочные, гибкие и устойчивые к растяжению; тонкие ретикулярные волокна, образующие поддерживающую сетку; и эластиновые волокна тонкие и эластичные.

Основными типами соединительной ткани являются собственно соединительная ткань, поддерживающая ткань и жидкая ткань. Собственно рыхлая соединительная ткань включает жировую ткань, ареолярную ткань и ретикулярную ткань. Они служат для удержания органов и других тканей на месте, а в случае жировой ткани — для изоляции и сохранения запасов энергии. Матрикс является наиболее распространенным элементом рыхлой ткани, хотя жировая ткань не имеет большого количества внеклеточного матрикса. Собственно плотная соединительная ткань богаче волокнами и может быть правильной, с волокнами, ориентированными параллельно, как в связках и сухожилиях, или нерегулярной, с волокнами, ориентированными в нескольких направлениях.Капсулы органов (коллагеновый тип) и стенки артерий (эластический тип) содержат плотную соединительную ткань неправильной формы. Хрящ и кость являются поддерживающей тканью. Хрящ содержит хондроциты и довольно гибкий. Гиалиновый хрящ гладкий и чистый, покрывает суставы и находится в растущей части костей. Фиброхрящи прочны из-за дополнительных коллагеновых волокон и, помимо прочего, образуют межпозвонковые диски. Эластичный хрящ может растягиваться и возвращаться к своей первоначальной форме из-за высокого содержания эластичных волокон.Матрикс содержит очень мало кровеносных сосудов. Кости состоят из жесткого минерализованного матрикса, содержащего соли кальция, кристаллы и остеоциты, расположенные в лакунах. Костная ткань сильно васкуляризована. Губчатая кость губчатая и менее твердая, чем компактная кость. Жидкая ткань, например кровь и лимфа, характеризуется жидким матриксом и отсутствием поддерживающих волокон.

Вопросы по интерактивной ссылке

Перейдите по этой ссылке, чтобы проверить свои знания о соединительной ткани с помощью этой викторины из 10 вопросов.Можете ли вы назвать 10 типов тканей, показанных на слайдах гистологии?

Щелкните внизу викторины, чтобы получить ответы.

Обзорные вопросы

Какие три основных компонента составляют соединительная ткань?

1. клетки, основное вещество и углеводные волокна
2. клетки, основное вещество и белковые волокна
3. Коллаген, основное вещество и белковые волокна
4. Матрица, основное вещество и жидкость

Под микроскопом образец ткани показывает клетки, расположенные в пространствах, разбросанных на прозрачном фоне.Вероятно, это ________.

1. рыхлая соединительная ткань
2. сухожилие
3. кость
4. гиалиновый хрящ

Какая соединительная ткань специализируется на хранении жира?

1. сухожилие
2. Жировая ткань
3. ретикулярная ткань
4. плотная соединительная ткань

Связки соединяют кости вместе и выдерживают большие нагрузки. Какой тип соединительной ткани должны содержать связки?

1. ареолярная ткань
2. Жировая ткань
3. плотная правильная соединительная ткань
4. плотная соединительная ткань неправильной формы

У взрослых новые клетки соединительной ткани происходят из ________.

1. мезодерма
2. мезенхима
3. эктодерма
4. энтодерма

В кости основными клетками являются ________.

1. фибробластов
2. хондроцитов
3. лимфоцитов
4. Остеоциты

Вопросы о критическом мышлении

Одна из основных функций соединительной ткани — объединять органы и системы органов в организме. Обсудите, как кровь выполняет эту роль.

Кровь — это жидкая соединительная ткань, множество специализированных клеток, которые циркулируют в водянистой жидкости, содержащей соли, питательные вещества и растворенные белки в жидком внеклеточном матриксе.Кровь содержит форменные элементы, полученные из костного мозга. Эритроциты, или красные кровяные тельца, переносят кислород и углекислый газ. Лейкоциты или белые кровяные тельца несут ответственность за защиту организма от потенциально вредных микроорганизмов или молекул. Тромбоциты — это фрагменты клеток, участвующие в свертывании крови. Некоторые клетки обладают способностью пересекать эндотелиальный слой, выстилающий сосуды, и проникать в соседние ткани. Питательные вещества, соли и отходы растворяются в жидкой матрице и переносятся по телу.

Почему повреждение хряща, особенно гиалинового хряща, заживает намного медленнее, чем перелом кости?

Слой плотной соединительной ткани неправильной формы покрывает хрящ. Кровеносные сосуды не снабжают хрящевую ткань. Повреждения хряща заживают очень медленно, потому что клетки и питательные вещества, необходимые для восстановления, медленно диффундируют к месту повреждения.

Глоссарий

адипоцитов

липидные накопители

жировая ткань

специализированная ареолярная ткань, богатая накопленным жиром

ареолярная ткань

(также рыхлая соединительная ткань) тип собственно соединительной ткани, которая показывает небольшую специализацию с клетками, рассредоточенными в матриксе

хондроцитов

клеток хряща

коллагеновое волокно

гибких волокнистых белков, придающих соединительной ткани прочность на разрыв

собственно соединительная ткань

соединительная ткань, содержащая вязкий матрикс, волокна и клетки.

плотная соединительная ткань

собственно соединительная ткань, содержащая множество волокон, обеспечивающих эластичность и защиту

эластичный хрящ

тип хряща с эластином в качестве основного белка, характеризующийся жесткой опорой, а также эластичностью

эластичное волокно

волокнистый белок в соединительной ткани, который содержит высокий процент белка эластина, который позволяет волокнам растягиваться и возвращаться к исходному размеру

фибробласт

наиболее распространенный тип клеток в соединительной ткани, секретирует белковые волокна и матрикс во внеклеточное пространство

фиброхрящ

жесткая форма хряща, состоящая из толстых пучков коллагеновых волокон, встроенных в основное вещество хондроитинсульфат

фиброцит

Менее активная форма фибробластов

жидкая соединительная ткань

специализированных клеток, которые циркулируют в водянистой жидкости, содержащей соли, питательные вещества и растворенные белки

основное вещество

жидкая или полужидкая часть матрицы

гиалиновый хрящ

Самый распространенный тип хряща, гладкий и состоящий из коротких коллагеновых волокон, встроенных в основное вещество хондроитинсульфат

пробелов

(единственное число = лакуна) небольшие пространства в костной или хрящевой ткани, которые занимают клетки

рыхлая соединительная ткань

(также ареолярная ткань) тип собственно соединительной ткани, которая показывает небольшую специализацию с клетками, рассредоточенными в матриксе

матрица

внеклеточный материал, продуцируемый встроенными в него клетками, содержащий основное вещество и волокна

мезенхимальные клетки

взрослых стволовых клеток, из которых происходит большинство клеток соединительной ткани

мезенхима

эмбриональная ткань, из которой происходят клетки соединительной ткани

слизистая соединительная ткань

Специализированная рыхлая соединительная ткань в пуповине

паренхима

функциональных клеток железы или органа в отличие от поддерживающей или соединительной ткани железы или органа

сетчатое волокно

Мелковолокнистый белок, состоящий из субъединиц коллагена, которые перекрестно сшиваются, образуя поддерживающие «сети» в соединительной ткани

ретикулярная ткань

тип рыхлой соединительной ткани, которая обеспечивает поддерживающую основу для мягких органов, таких как лимфатическая ткань, селезенка и печень

поддерживающая соединительная ткань

тип соединительной ткани, которая придает силу телу и защищает мягкие ткани

Почему ваши кости не из стали?

Это отправная точка для размышлений о конструкционных материалах в природе и в технике.В художественных произведениях металл — предпочтительный материал для скелетов, как экзо-, так и эндо, от бионического мужчины (и женщины) до киберлюдей Доктора Кто. В реальном мире мы изготавливаем детали для замены костей, такие как искусственные тазобедренные суставы, из металлических сплавов, включая нержавеющую сталь, титан 64 и кобальт-хромовые сплавы.

Предположим, я должен был сделать вам предложение: вы можете пойти в больницу и вам вынут все кости и заменены красивыми, блестящими новыми, сделанными из инженерного материала по вашему выбору.У вас может быть металлический сплав или, может быть, вы предпочтете композит из углеродного волокна? Я подозреваю, что вы не захотите принять это прекрасное предложение. Помимо (совершенно естественного) подозрения в том, что можно отдать себя в руки медиков, вы, вероятно, думаете, что кости, которые природа дала вам, вероятно, будут наилучшим возможным решением, поскольку они были усовершенствованы для своей цели в течение миллионов лет эволюции. . Эта точка зрения очень распространена и поддерживается научными авторами школы мысли «Природа прекрасна», которые, кажется, посвятили себя объяснению чудес природы и убеждению вас, что мы, бедные люди, не можем сделать что-либо так же хорошо.

Итак, давайте посмотрим на факты. Кости в вашем теле сделаны из материала, который имеет предел прочности на разрыв 150 МПа, деформацию до разрушения 2% и вязкость разрушения 4 МПа (м) ^½ . Для конструкционного материала это не годится. Мы можем производить легированные стали, которые в десять раз лучше по всем трем свойствам. Но, конечно, есть и другие факторы, которые мы должны принять во внимание, чтобы провести достоверное сравнение. Кость менее плотная, чем металл, и это важно, потому что вес наших костей сильно влияет на энергию, необходимую для передвижения.Чтобы провести количественный анализ, нам необходимо рассмотреть геометрию и нагрузку на конструкцию. Основные кости в основном имеют трубчатую форму, нагружаются при сжатии и изгибе. Поэтому рациональное сравнение — представить себе трубы, сделанные из разных материалов, все одинаковой длины и диаметра, с толщиной, подобранной для придания им одинакового веса. Подставляя некоторые типичные размеры и свойства материала, мы обнаруживаем, что напряжения в кости, сделанной, например, из титанового сплава, будут около 1.В 3 раза выше, чем в кости такого же веса, сделанной из кости. Но титановый сплав в 5 раз прочнее, поэтому очевидно, что его запас прочности намного выше.

Есть еще одно важное свойство, которым инженерные материалы не обладают, в отличие от некоторых биологических материалов, а именно самовосстановление. Сломанная кость заживает, и на самом деле ваши кости постоянно повреждаются в результате циклических нагрузок, испытываемых при нормальной деятельности. Возникают и растут небольшие усталостные трещины; вы бы развалились от усталости в течение нескольких лет, если бы не тот факт, что эти трещины постоянно обнаруживаются и ремонтируются.Этот непрерывный процесс обслуживания осуществляется живыми клетками; мы до сих пор не совсем понимаем, как это делается, и это увлекательная область исследований. Но если бы у вас были металлические кости, они бы никогда не нуждались в ремонте: например, титановый сплав имеет усталостную прочность около 500 МПа, что более чем в пять раз превышает напряжения, которые он мог бы испытать в своей жизни в качестве кости. И в случае удара металлическая кость, вероятно, согнется, а не сломается, и ее можно будет просто согнуть на место.

Еще один аргумент, который часто приводят в отношении костей, — это сказать, что они обладают «уникальной комбинацией свойств». Это сводится к тому, что он имеет относительно высокую прочность в сочетании с относительно низким модулем Юнга. Это правда, что если бы мы хотели сделать материал с таким же модулем упругости, что и кость, около 15 ГПа, нам, вероятно, пришлось бы использовать композитный материал, и в этом случае было бы трудно сопоставить прочность. Но в чем преимущество именно этой комбинации свойств? Наличие относительно низкого модуля и высокой прочности означает большую площадь под кривой напряжения / деформации и, следовательно, большое количество энергии, поглощаемой при деформации.Эта энергия бывает двух типов, и оба могут быть полезны. Для напряжений ниже предела текучести у нас есть энергия упругой деформации, которую можно сохранять и высвобождать с относительно небольшими потерями. Это очень важно в динамических ситуациях: когда вы идете или, особенно, бежите, энергия накапливается в течение одной части цикла походки и высвобождается на долю секунды позже. Большая часть этой энергии хранится в ваших костях, мышцах и сухожилиях. При напряжениях выше предела текучести у нас есть энергия, которая поглощается, а не высвобождается: это очень полезно в ситуациях ударного разрушения.Так что да, важно иметь большую площадь под кривой напряжения-деформации, но (как вы уже догадались) многие инженерные материалы превосходят кость и в этом отношении. Сталь имеет примерно такую ​​же упругую энергию, но примерно в 25 раз превышает общее поглощение энергии костью. Типичный композит из углеродного волокна имеет аналогичную общую энергию, но примерно в 10 раз превышает энергию упругости кости.

Если вы относитесь к тем людям, которых больше убеждает пример из реальной жизни, тогда возьмем Оскара Писториуса, южноафриканского спортсмена, у которого есть небольшой недостаток — отсутствие ног.Но, может быть, это все-таки не такой уж и недостаток. Он бегает, используя ноги из композитного углеродного волокна, и какое-то время ему не позволяли соревноваться с трудоспособными бегунами, когда научный анализ пришел к выводу, что его протезы дают ему несправедливое преимущество. Я считаю так!

Мы, люди, должны гордиться собой, особенно те из нас, кто материаловеды и инженеры. После долгой и славной истории металлургия и материаловедение достигли точки, когда где-то в начале двадцатого века естественные организмы начали производить материалы, которые на самом деле были лучше, чем те, что находятся в их собственных телах.

Теперь все очень хорошо, я слышу вы говорите, и если я действительно потеряю руку или ногу, приятно знать, что я могу получить хорошую замену, но мое тело не может делать сталь, так что в чем польза ? Это подводит меня к следующему вопросу: почему наши тела и тела других животных эволюционировали так, чтобы изготавливать определенные конструкционные материалы, которые они делают, а не другие, особенно металлы? Это немного загадка. Насколько мне известно, не существует организмов, которые используют металлы в качестве конструкционных материалов, но у всех нас есть много металлических элементов в наших телах.Кажется, не существует какой-либо фундаментальной причины, по которой животные не могут развиваться, например, из стали. Он будет получать сырье, как и мы, из железной руды. Энергия активации окисления и восстановления железа составляет порядка 30-60 кДж / моль, что сравнимо с цифрой 57 кДж / моль для АТФ, молекулы, которая обычно используется для передачи энергии по нашему телу. Обычно мы производим железо из руды при очень высоких температурах, потому что процесс, ограничивающий скорость, — это диффузия в твердом состоянии.Но тело производит материалы совсем по-другому, снизу вверх, атом за атомом, молекула за молекулой. И, конечно же, дело в том, что вы уже постоянно окисляете и восстанавливаете железо внутри своего тела. Гемоглобин, представляющий собой молекулу, которая переносит кислород в вашей крови, работает за счет наличия в центре одного иона Fe, степень окисления которого можно изменить, чтобы молекула могла захватывать или высвобождать атомы кислорода.

Итак, кажется, что нет никаких фундаментальных причин, по которым животные не могли развить металлический скелет.Может, они уже существуют на какой-то другой планете. Если да, то на что они будут похожи? Что ж, если предположить, что у них была такая же форма тела, как у нас, и на них действовала одинаковая сила тяжести, тогда они могли позволить себе быть намного больше. С костным материалом, который в четыре раза прочнее нашего, можно использовать законы масштабирования, чтобы оценить, что все тело может быть в четыре раза выше и в 64 раза тяжелее. Эти семиметровые гиганты получали сырье, поедая камни, что не было бы проблемой, поскольку их зубы были бы сделаны из закаленной стали.Будем надеяться, что они дружелюбны!

Evolution, конечно, прекрасна, но у нее есть ограничения, и она лучше справляется с некоторыми вещами, чем с другими. Например, эволюция очень хорошо меняет формы животных. Возьмем, к примеру, млекопитающих; у всех млекопитающих в основном один и тот же набор костей, единственное, что отличает меня от мыши или слона, — это размер и, в меньшей степени, форма каждой кости в наших телах. Грудь птицы, условно говоря, намного больше вашей, потому что это точка прикрепления основных мышц, используемых для движения крыльев во время полета.Подобные морфологические изменения могут происходить постепенно от одного поколения к другому, что позволяет видам адаптироваться. Однако когда дело доходит до материалов, природа гораздо консервативнее. Практически все биологические материалы, будь то животные или растения, насекомые или рыбы, представляют собой волокнистые композиты, состоящие из белков и полисахридов, армированных керамическими частицами на основе соединений кальция или кремния. Насколько нам известно, так было с незапамятных времен. В течение пары миллиардов лет твердых материалов не было, по крайней мере, если они и были, они не оставили никаких свидетельств в виде окаменелостей.Около полмиллиарда лет назад природа, кажется, открыла уловку создания твердых материалов в процессе осаждения. Кости, например, вначале очень мягкие и состоят в основном из белкового коллагена. В течение нескольких месяцев они постепенно затвердевают благодаря осаждению соединения кальция гидроксиапатита (HA), процесса, который отслеживается и контролируется клетками, живущими в кости. Мы не уверены, что именно делают клетки, а когда что-то идет не так, это приводит к серьезным заболеваниям, таким как остеопороз, поэтому это вызывает большой интерес.

Наверное, мне не следует быть таким суровым к природе, потому что в костях есть что-то весьма примечательное. У него разумные свойства, учитывая ужасный материал, из которого он сделан. Используемые материалы — коллаген и ГК — очень плохи по сравнению с техническими полимерами, такими как эпоксидная смола, и армирующими волокнами, такими как углерод или стекло. Исследователи пытались создать искусственную кость из природного материала, и результаты далеки от механических свойств настоящей кости. Уловка, и именно здесь так успешен природный подход «снизу вверх», состоит в том, чтобы создать нанокомпозит.Размер кристаллов ГА (толщина несколько микрон) подобен критическому размеру дефекта для этого хрупкого материала, что оптимизирует его использование. Существует также некоторая важная структура в масштабе сотен микрон: элементы, называемые остеонами, выполняют функцию, аналогичную зернам в других материалах, выступая в качестве барьеров для роста трещин и, таким образом, улучшая ударную вязкость. Здесь есть несколько уловок, которым мы можем научиться при разработке наноматериалов для структурных целей.

Если вы хотите узнать больше о костях и других структурных биологических материалах, я могу порекомендовать две отличные книги: Кости Джона Карри: структура и механика и Джулиан Винсент Structural Biomaterials , обе опубликованные издательством Princeton University Press.В двух моих недавних обзорных статьях более подробно рассказывается о текущих исследованиях биомеханики костей (Taylor, D., Hazenberg, JG, and Lee, TC, Жизнь с трещинами: повреждение и восстановление в кости человека. Nature Materials (2007) 6 , 263, и Тейлор, Д., Перелом и восстановление кости: многомасштабная проблема. Журнал материаловедения (2007) 42 , 8911.).

Гипотеза: прочность костей возникает из-за подавления упругих волн

Границы | Костный внеклеточный матрикс в формировании и регенерации костей

Введение

Травмы, переломы, врожденные заболевания или опухоли могут вызвать дефекты костей, которые сложно зажить.Это особенно верно для больших костей, где недостающая ткань больше, чем способность к спонтанному заживлению остеобластов (El-Rashidy et al., 2017; Fabris et al., 2018). При небольших дефектах аутологичные костные трансплантаты остаются золотым стандартом. Этот подход основан на использовании костной ткани, взятой из собственного донорского участка пациента, который трансплантируется в поврежденный участок того же пациента. Поскольку трансплантаты содержат природный костный матрикс, остеобласты и факторы роста, они по своей сути обладают остеоиндуктивностью и остеокондуктивностью (Garcia-Gareta et al., 2015). Однако этот подход ограничен доступными источниками трансплантатов и вторичным повреждением донорского участка. Напротив, имея такие же биологические характеристики и механические свойства, что и аутогенная кость, аллогенная кость несет в себе риск передачи инфекционных заболеваний и возможность иммунного отторжения (Hinsenkamp et al., 2012).

В последние годы технология тканевой инженерии позволила производить искусственные кости в больших количествах. Полученные материалы обладают потенциальными преимуществами превосходной биосовместимости, остеоиндуктивности и остеокондуктивности, обеспечивая новый многообещающий метод восстановления костей.Производство превосходных тканеинженерных конструкций зависит от трех основных элементов: соответствующих каркасов для поддержки регенерации тканевых клеток, цитокинов и соответствующих семенных клеток. В качестве физической основы искусственных трансплантатов материалы каркаса играют ключевую роль в создании искусственной кости (Noori et al., 2017). В идеале материал каркаса должен имитировать характеристики естественной кости, обеспечивая подходящую биохимическую среду и биомеханическую поддержку для адгезии, миграции, пролиферации, остеогенной дифференцировки и ангиогенеза семенных клеток на каркасе.Наконец, он должен обеспечивать постепенную интеграцию в ткань хозяина во время процесса заживления, позволяя ему нести нормальные нагрузки (Mishra et al., 2016; Roseti et al., 2017). Во время костной регенерации важную роль в формировании кости играют возвращение мезенхимальных стволовых клеток (МСК), образование остеобластов, внеклеточного матрикса (ВКМ) и минерализация остеоидов, а также образование терминально дифференцированных остеоцитов (Wang et al., 2013) .

ЕСМ представляет собой неклеточную трехмерную структуру, секретируемую клетками во внеклеточное пространство.Он состоит из определенных белков и полисахаридов. ECM каждого типа ткани имеет уникальный состав и топологию во время развития (Frantz et al., 2010). ECM обеспечивает ткани целостность и эластичность, и он постоянно реформируется из-за изменений в изобилии рецепторов, факторов роста и pH окружающей среды, чтобы контролировать развитие, функцию и гомеостаз тканей и органов (Боннанс et al., 2014; Mouw et al., 2014). ECM считается четвертым элементом в развитии инженерии костной ткани (Ravindran et al., 2012). Костный матрикс состоит из органических (40%) и неорганических соединений (60%). Более того, его точный состав зависит от пола, возраста и состояния здоровья. Основными неорганическими компонентами ЕСМ являются кальций-дефицитный апатит и микроэлементы. Напротив, органический ЕСМ значительно более сложен и состоит в основном из коллагена I типа (90%) и неколлагеновых белков (10%). Он в основном синтезируется остеобластами до процесса минерализации (Mansour et al., 2017). Неколлагеновые белки можно разделить на четыре группы: белки, содержащие γ-карбоксиглутамат, протеогликаны, гликопротеины и малые интегрин-связывающие лиганды, N-связанные гликопротеины (SIBLIN) (Paiva and Granjeiro, 2017).Костный ЕСМ динамически взаимодействует с клетками линии остеобластов и остеокластами, чтобы регулировать образование новой кости во время регенерации.

В этом обзоре мы кратко представляем неорганические и органические ECM костной ткани (таблица 1), включая коллагеновые и неколлагеновые белки, и суммируем эффекты ECM на клетки линии остеобластов, включая МСК, остеобласты и остеоциты. , и остеокласты. Наконец, рассматривается применение каркаса на основе ECM для регенерации кости в инженерии костной ткани.

Таблица 1 Список компонентов костного ВКМ и их роль в формировании кости.

Основные компоненты костного ЕСМ

Органический ЕСМ

Коллагеновые белки

Коллаген I, III и V типа является наиболее распространенным компонентом органического внеклеточного матрикса в костях. Основная функция коллагенов — это механическая поддержка и роль каркаса для костных клеток (Saito and Marumo, 2015). Коллаген I типа составляет 90% всего коллагена в костной ткани и образует тройные спирали полипептидов, которые образуют фибриллы коллагена.Эти фибриллы взаимодействуют с другими коллагеновыми и неколлагеновыми белками, чтобы собрать пучки фибрилл и волокна более высокого порядка (Varma et al., 2016). Коллаген типа III и V регулирует диаметр волокон и фибриллогенез коллагена типа I и присутствует в меньших количествах (Garnero, 2015). Межцепочечные и внутрицепочечные сшивки коллагена являются ключевыми для его механических свойств, которые поддерживают полипептидные цепи в плотно организованной фибриллярной структуре. Коллаген играет важную роль в определении прочности костей.Отсутствие коллагена I типа или мутация структуры коллагена приводит к изменениям в ECM и, таким образом, значительно увеличивает риск перелома (Fonseca et al., 2014).

Неколлагеновые белки

Протеогликаны

Протеогликаны характеризуются наличием остатков гликозаминогликанов (ГАГ), ковалентно связанных с ядром белка. Шесть типов остатков ГАГ, обнаруженных в протеогликанах, включают кератансульфат, хондроитинсульфат, гепарансульфат, гиалуроновую кислоту и дерматансульфат (Kjellen and Lindahl, 1991).Небольшие протеогликаны, богатые лейцином (SLRP), такие как бигликан, декорин, кератокан и аспорин, являются важным семейством протеогликанов в костях. SLRP — это секретируемые внеклеточные белки, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной поверхности и цитокинами, чтобы регулировать как нормальное, так и патологическое поведение клеток. Во время формирования кости SLRP участвуют во всех стадиях, включая пролиферацию клеток, остеогенез, отложение минералов и ремоделирование кости (Kirby and Young, 2018). Кроме того, SLRP регулируют процесс фибриллогенеза коллагена, нарушение регуляции которого приводит к дефектам в организации и выработке коллагена, что приводит к фиброзу из-за ортопедических травм или генетических недостатков (Moorehead et al., 2019). Бигликан и декорин представляют собой SLRP класса I, которые содержат GAG-цепи дерматана или хондроитинсульфата. Бигликан экспрессируется в процессе пролиферации и минерализации клеток, в то время как Декорин непрерывно экспрессируется, начиная с отложений костного матрикса. Кератокан в основном экспрессируется в остеобластах и ​​участвует в регуляции образования кости и скорости отложения минералов (Coulson-Thomas et al., 2015). Было показано, что аспорин, другой член SLRP, связывается с коллагеном I типа, способствуя минерализации коллагена (Kalamajski et al., 2009). Следовательно, SLRP играют важную роль в поддержании гомеостаза костей.

Белки, содержащие γ-карбоксиглутаминовую кислоту

Одна важная группа белков костного ЕСМ содержит γ-карбоксиглутаминовую кислоту (Gla), специфическую модифицированную глутаминовую кислоту, продуцируемую зависимой от витамина К посттрансляционной модификацией. Эти белки в основном присутствуют в сыворотке, костном матриксе, дентине и других кальцинированных тканях (Finkelman and Butler, 1985). Основными Gla-содержащими белками в кости являются остеокальцин (OCN), матричный Gla-белок (MGP) и периостин (Wen et al., 2018). OCN специфически экспрессируется костеобразующими остеобластами и содержит три остатка Gla, которые придают OCN способность связывать кальций и модулировать метаболизм кальция, опосредуя его связь с гидроксиапатитом. Процесс резорбции кости снижает сродство OCN к гидроксиапатиту, тем самым увеличивая выпуск OCN в кровоток. Циркулирующий OCN не только действует как гормон, регулирующий метаболизм глюкозы и энергии, но его концентрация в сыворотке крови может использоваться как биохимический индикатор образования кости (Mizokami et al., 2017). MGP представляет собой внеклеточный белок массой 14 кДа, который синтезируется остеобластами, остеоцитами и хондроцитами в кости. Сообщается, что у мышей с дефицитом MGP обнаруживается преждевременная минерализация костей, тогда как у мышей с избыточной экспрессией MGP в остеобластах обнаруживается сниженная минерализация внутримембранозной кости и гипоминерализованный дентин и цемент зубов (Luo et al., 1997; Kaipatur et al., 2008). Очевидно, MGP отвечает за нарушение формирования костей и ингибирование минерализации.

За исключением OCN и MGP, периостин является еще одним широко экспрессируемым Gla-содержащим белком в кости.Периостин в основном секретируется остеобластами и их клетками-предшественниками в длинных костях, а также обнаруживается в других органах, таких как сердце (Wen et al., 2018). Структурно периостин включает четыре домена, сигнальную последовательность, богатый цистеином эмилиноподобный (EMI) домен, четыре повторяющихся и консервативных домена FAS-1 и вариабельный гидрофильный C-концевой домен, каждый из которых обеспечивает различные функции, такие как FAS-1, обеспечивающий способность клеточной адгезии (Merle, Garnero, 2012). Как молекула адгезии периостин способствует агрегации, адгезии, пролиферации и дифференцировке остеобластов за счет связывания с рецепторами клеточной поверхности.Более того, периостин участвует в сворачивании коллагена и фибриллогенезе, что важно для сборки матрикса и дополнительно поддерживает прочность костей (Wen et al., 2018).

Гликопротеины

Гликопротеины содержат ковалентно связанные молекулы углеводов на белковой цепи в различных комбинациях и положениях. Наиболее распространенным представителем гликопротеина в костном матриксе является остеонектин, также известный как секретируемый кислый белок, богатый цистеином (SPARC). Он присутствует в минерализованных тканях и сильно экспрессируется в костных остеобластах.Остеонектин является жизненно важным регулятором высвобождения кальция, связывая коллаген и кристаллы HA, тем самым влияя на минерализацию коллагена во время формирования кости (Rosset and Bradshaw, 2016). В экспериментах in vivo Delany et al. (2000) демонстрируют, что у мышей с нулевым остеонектином было более низкое содержание общего коллагена I, минеральная плотность костной ткани и количество остеобластов и остеокластов в кости, а также сниженные биомеханические свойства. Таким образом, остеонектин участвует в регулировании ремоделирования кости и поддержании костной массы.Тромбоспондины (TSP), которые классифицируются как TSP1 — TSP5, присутствуют в развивающемся скелете и кости и экспрессируются остеобластами. У мышей глобальный нокаут TSP-1, -3 и -5 может вызывать серьезные нарушения в развитии скелета (Delany and Hankenson, 2009). Более того, TSP1-нулевые мыши обнаруживают увеличенную костную массу и размер кортикальной кости, и стимулируется дифференцировка остеобластов, что частично происходит за счет активации латентного TGF-β (Amend et al., 2015). TSP2-нулевые мыши имеют повышенную плотность кортикальной кости и количество остеопрогениторов в сочетании с аномалией фибриллогенеза коллагена (Hankenson et al., 2000). Это указывает на то, что TSP играют критическую роль в дифференцировке костных клеток и поддержании костной массы. R-спондины (спондин, специфичный для верхней пластины) представляют собой группу из четырех секретируемых гомологичных гликопротеинов (Rspo1-4), которые принадлежат к семейству матрицеклеточных белков, содержащих повторение тромбоспондина. Они широко экспрессируются на разных стадиях скелетной ткани и действуют как усилитель пути передачи сигналов Wnt / β-катенина через рецепторы 4, 5 и 6, связанные с G-белком, содержащие богатые лейцином повторы (Lgr4 / 5/6). .В костной ткани R-спондины идентифицированы как регуляторы скелета, которые контролируют развитие эмбриональной кости и ремоделирование взрослой кости (Shi et al., 2017).

Малый интегрин-связывающий лиганд N-связанные гликопротеины / SIBLINGs

SIBLINGs представляют собой семейство гликофосфопротеинов, которое включает сиалопротеин костной ткани (BSP), остеопонтин (OPN), протеин-1 матрикса дентина (DMP1), дентинпросиалофосфат (DMP1), дентинпросиалофосфат матриксный внеклеточный фосфогликопротеин (MEPE). Эти белки преимущественно обнаруживаются в зрелых минерализованных тканях, таких как дентин и кости (Bellahcene et al., 2008).

BSP — это высокогликозилированный неколлагеновый фосфопротеин, который экспрессируется в начале минерализации твердой соединительной ткани. В результате удаления BSP у мышей отложение цемента значительно снижается, а длина длинной кости и толщина кортикального слоя, а также скорость образования кости. Таким образом, BSP жизненно важен для регуляции дифференцировки остеобластов и инициации минерализации матрикса в костной ткани (Marinovich et al., 2016). Как и BSP, OPN является основным регулятором костеобразования, минерализации, особенно метаболизма костной ткани.Он высоко экспрессируется остеобластами, одонтобластами и остеоцитами. OPN изобилует серином, кислотным мотивом и мотивом, богатым аспартатом, которые являются потенциальными сайтами фосфорилирования, участвующими в ингибировании минерализации. При ремоделировании кости OPN регулирует остеокластогенез и активность остеокластов, что способствует формированию и резорбции кости (Singh et al., 2018).

DMP1 и MEPE в основном продуцируются полностью дифференцированными остеобластами в кости, а также экспрессируются клетками пульпы и одонтобластами.DSPP важен для минерализации дентина зубов и, следовательно, в большом количестве присутствует в тканях дентина (Bouleftour et al., 2019). У мышей, лишенных DMP1, наблюдаются серьезные дефекты костей, повышенный уровень сывороточного фактора роста фибробластов 23 (FGF23) и пониженный уровень фосфора в сыворотке, а также деформированная и низкоминерализованная кость (Jani et al., 2016). Нокаут MEPE у мышей увеличивает костную массу и трабекулярную плотность и показывает аномальное губчатое вещество кости. Более того, MEPE взаимодействует с DMP1 и PHEX, влияя на экспрессию FGF23, тем самым регулируя фосфат, минерализацию и метаболизм костей (Зеленчук и др., 2015). Таким образом, DMP1 и MEPE выступают в качестве ключевых регуляторов минерализации матрикса и метаболизма фосфатов.

Неорганический ECM

Основным неорганическим компонентом твердых тканей, таких как кость и дентин, является гидроксиапатит (HA, Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ OH) (Ramesh et al., 2018). Отложение HA происходит в процессе биоминерализации. Взаимодействие между минералами и матриксом в зубах и костях, такими как аминокислоты, присутствующие в неколлагеновых белках, контролируют образование HA.Коллаген вырабатывается во время минерализации тканей и действует как матрица для отложения HA (Tavafoghi and Cerruti, 2016). Из-за значительного химического и физического сходства HA с минеральными составляющими человеческих костей и зубов, он является биосовместимым и остеокондуктивным. Следовательно, ГК широко используется для покрытий металлических имплантатов, костных пломб и инъекционных заменителей кости (Ramesh et al., 2018).

Функция костного ECM в биологии линии остеобластов

Клетки линии остеобластов являются костеобразующими клетками при ремоделировании кости.Остеобласты развиваются из мультипотентных мезенхимальных стволовых клеток (МСК), которые можно выделить из костного мозга или других тканей. Остеогенная дифференцировка МСК может быть разделена на четыре стадии: (i) на стадии коммитирования продуцируются клетки-предшественники, специфичные для клонов; (ii) пролиферативная фаза остеопрогениторов, в которой экспрессируются гены, связанные с клеточным циклом и гистоновыми сигналами; (iii) фаза секреции ВКМ и морфологических изменений незрелых остеобластов; (iv) минерализация остеоидов, инициированная зрелыми остеобластами, которые становятся терминально дифференцированными остеоцитами (Paiva and Granjeiro, 2017).МСК, остеобласты и остеоциты воспринимают механические и биохимические сигналы от ЕСМ и реагируют на эти сигналы, регулируя их судьбу (Assis-Ribas et al., 2018).

Регулирование BMSC с помощью ECM

BMSC способны к миграции, пролиферации, дифференцировке и межклеточной коммуникации. Более того, они могут синтезировать большое количество белков внеклеточного матрикса, таких как цепи интегринов коллагена IIIα1 и Vα1, α5 и β5, фибронектин, фактор роста соединительной ткани и трансформирующий фактор роста бета I (TGFβI) (Ren et al., 2011). Они считаются важными для определения местонахождения и судьбы МСК, таких как адгезия, экспансия и распространение, через рецепторы интегрина.

Как остеобластический агент, TGFβ связан с костными ECM и умеренно регулирует дифференцировку ранних BMSC в продуцирующие матрикс остеобласты и остеоциты. Бигликан может регулировать биологическую активность TGF-β, а также организацию матрикса путем связывания с коллагеном типа I. Сообщалось, что BMSC, выделенные из мышей бигликан-KO, продуцировали низкие количества коллагена типа I и показали пониженный ответ на TGF- β.Более того, дефицит бигликана нарушает способность продуцировать BMSC, а также ослабляет его нормальную метаболическую активность. Кроме того, мыши biglycan-KO демонстрируют низкую активность МСК, положительных по щелочной фосфатазе (ЩФ), возможно, из-за апоптоза, что приводит к снижению пролиферации (Chen et al., 2002). У мышей, лишенных бигликана и декорина (другого члена семейства SLRP), высокие концентрации TGF-β активируют нижестоящие сигнальные пути, которые останавливают пролиферацию и вызывают апоптоз BMSC.Следовательно, декорин и бигликан обеспечивают правильную секвестрацию TGF-β и играют жизненно важную роль в регулировании выживания и роста BMSCs (Bi et al., 2005).

Помимо протеогликанов, гликопротеин TSP1 также является основным регулятором активации TGF-β и имеет решающее значение для регуляции поведения МСК внутри микросреды ниши взрослого костного мозга. В МСК TSP1 ингибирует остеогенез МСК со снижением экспрессии Runx2 и экспрессии ALP. Это ингибирование связано с латентной активацией TGF-β в МСК, поскольку антитело против TGF-β увеличивало активность ALP в присутствии TSP1 (Bailey Dubose et al., 2012). Кроме того, сообщалось, что действие TSP1 на пролиферацию MSC опосредуется активацией эндогенного TGFβ дозозависимым образом. Напротив, на пролиферацию MSC не влияет TSP2, который не может активировать TGFβ (Belotti et al., 2016). Следовательно, TGFβ действует как посредник активности TSP1 на МСК.

Коллагеновые фибриллы типа I в костном ВКМ также модулируют остеогенез, связываясь с интегринами предшественников остеобластов, что приводит к инициированному каскаду дифференцировки остеобластов через активацию транскрипции Runx2 (Elango et al., 2019). Фибриллогенез начинается с взаимодействия между коллагеном типа I и типа V, а затем образует линейные фибриллы. SLRP и тромбоспондины могут регулировать сборку коллагена, взаимодействуя с фибриллами коллагена. У мышей делеция TSP2 приводит к увеличению количества и способности к пролиферации MSC, а также к замедленному остеогенезу и усилению адипогенеза (Hankenson et al., 2000). Дефицит TSP2 подавляет дифференцировку первичных МСК в остеобласты, что сопровождается снижением содержания коллагена в матриксе и нарушением процесса сборки коллагена I типа (Alford et al., 2013). Эти результаты предполагают, что, в отличие от TSP1, TSP2 может действовать как ингибитор пролиферации МСК и промотор дифференцировки, регулируя механизм фибриллогенеза коллагена.

Другие молекулы ЕСМ, такие как OPN, OCN и DMP1, могут регулировать пролиферацию МСК и остеогенез. OPN увеличивает способность МСК к пролиферации дозозависимым образом. С другой стороны, OCN способствует дифференцировке МСК в остеобласты с увеличением уровней внеклеточного кальция, активности ALP и экспрессии мРНК OPN и OCN (Carvalho et al., 2019а). Многочисленные исследования показывают, что организация цитоскелета и хроматина может влиять на миграцию клеток. Лю и его коллеги указывают, что цитоскелет F-актина и структура хроматина, организованная EZh3-опосредованным h4K27me3, включает OPN-индуцированную миграцию МСК (Liu et al., 2018; Liu et al., 2019). Помимо стимуляции созревания остеобластов и остеоцитов, DMP1 также может влиять на плюрипотентность МСК. Когда DMP1 удаляется, МСК все больше дифференцируются в остеогенные клетки и костную массу, что позволяет предположить, что он является негативным регулятором дифференцировки МСК (Zhang S.F. et al., 2018). Взятые вместе, ECM, который участвует в формировании и минерализации костей, также вносит значительный вклад в рост, выживание и дифференцировку МСК (Таблица 2).

Таблица 2 Функция костного ECM в МСК.

Регулирование остеобластов с помощью ЕСМ

Незрелые и зрелые остеобласты являются промежуточными клетками во время остеогенеза МСК. Он продолжает процесс дифференцировки, наряду с секрецией ECM и минерализацией остеоидов.Остеобластам требуется поверхность для синтеза нового матрикса, который обеспечивается коллагеном. Если субстрата нет, остеобласты синтезируют матрикс, который организован только в коротком диапазоне. Таким образом, эта организованная поверхность используется остеобластами для депонирования механически стабильной и правильно структурированной костной ткани (Kerschnitzki et al., 2011). Различные структуры, состоящие из коллагена I типа, по-разному влияют на поведение остеобластов. В отличие от растворимых и фибриллярных форм, денатурированные формы коллагена I типа ингибируют пролиферацию остеобластоподобных клеток и могут стимулировать дифференцировку остеобластов (Tsai et al., 2010). Небольшое количество коллагена III типа также содержится в коллагеновых фибриллах костей. У мышей с нулевым коллагеном III типа наблюдается нарушенная дифференцировка остеобластов, что согласуется со сниженной активностью ALP, сниженными остеогенными маркерами (OCN и BSP) и минерализационной способностью (Volk et al., 2014). Следовательно, коллаген действует как тканевый каркас, обеспечивая матрицу для закрепления клеток и регулируя рост и остеогенные свойства остеобластов.

Часть белка ЕСМ не только регулирует фибриллогенез коллагена, но и необходима для развития клонов остеобластов, что в конечном итоге влияет на минерализацию.О вкладе остеонектина, кератокана, TSP1 и TSP2 в фибриллогенез коллагена широко сообщалось. Что касается влияния на созревание и функцию остеобластов, остеонектин и кератокан-нулевые мыши показывают меньшее количество остеобластов и уменьшение минерализованных узелков в мутантных клетках (Igwe et al., 2011; Rosset and Bradshaw, 2016). TSP1 ингибирует минерализацию остеобластов in vitro и in vivo (Ueno et al., 2006). Однако TSP2 способствует минерализации остеобластов, способствуя организации ECM, происходящих из остеобластов (Alford et al., 2010). В совокупности эти белки опосредуют минерализацию остеобластов, в некоторой степени регулируя фибриллогенез коллагена.

Молекулы ЕСМ BSP и OPN — это два SIBLING, которые вносят вклад в регуляцию остеобластов. BSP имеет решающее значение для синтеза активности зародышеобразования ECM и HA. Он может способствовать дифференцировке остеобластов и усиливать раннюю минерализацию кости с образованием новой кости in vivo . В частности, последовательность RGD BSP, которая опосредует поведение остеобластов посредством FAK и других внеклеточных киназ (Holm et al., 2015). Напротив, OPN может ингибировать процесс остеогенеза остеобластов посредством ингибирования BMP-2 и действовать как ингибитор минерализации остеобластов фосфат-зависимым образом (Huang et al., 2004; Singh et al., 2018). Как и OPN, OCN, который продуцируется остеобластами, считается ингибитором минерализации костей. Мыши с нулевым содержанием остеокальцина демонстрируют больший размер кристаллов ГК, что позволяет предположить, что остеокальцин может регулировать скорость созревания минералов (Zoch et al., 2016).

Путь Wnt является важным регулятором формирования кости.Три молекулы ECM, MGP, R-spondin2 и periostin, были идентифицированы как модулирующие минерализацию остеобластов посредством передачи сигналов Wnt. Нокдаун MGP ингибирует дифференцировку и минерализацию остеобластов посредством активации сигнального пути Wnt / β-катенина. В соответствии с результатами эксперимента in vivo , что сверхэкспрессия MGP ингибирует снижение минеральной плотности костной ткани, вызванное овариэктомией (Zhang J. et al., 2019). Как агонист wnt, R-спондин2 обильно экспрессируется в преостеобластах, стимулированных Wnt.R-spondin2 способствует остеобластогенезу in vitro и костной массе in vivo , поддерживая его жизненно важную роль в остеобластогенезе и развитии костей (Knight et al., 2018). Склеростин является важным ингибитором передачи сигналов WNT / β-катенин и регулирует образование матрикса остеобластов. Сообщалось, что периостин может напрямую взаимодействовать со склеростином и способствует передаче сигналов Wnt, ингибируемой склеростином (Bonnet et al., 2016). Более того, периостин также может влиять на дифференцировку остеобластов и формирование костей, это указывает на то, что периостин участвует в анаболизме костей, регулируя передачу сигналов Wnt / β-catenin (Merle and Garnero, 2012) (Table 3).

Таблица 3 Функция костного ВКМ в остеобластах.

Регулирование остеоцитов с помощью ЕСМ

Остеоциты представляют собой окончательно дифференцированные иммобилизованные клетки в костном матриксе. Хотя остеоциты встроены в костный матрикс, они контактируют друг с другом и с клетками выстилки кости, что способствует росту и восстановлению костей.

Костный матрикс, присутствующий вокруг сложной лакуно-канальцевой сети остеоцитов, постоянно резорбируется и откладывается в процессе, называемом перилакунарным / канальцевым ремоделированием (Dole et al., 2017). Изменения в общей скорости формирования канальцевой сети увеличивают активность остеобластов и костеобразование. Недавно было продемонстрировано, что процесс, с помощью которого остеоциты выталкивают волокна коллагена I типа наружу от центра сформированной лакуны, опосредует образование лакуны остеоцитов, которое сопровождается повышенным отложением коллагена и уплотнением сети коллагеновых волокон, окружающих лакуны. Следовательно, динамическая сборка костного коллагена в значительной степени способствует инкапсуляции и минерализации остеоцитов в костном матриксе (Shiflett et al., 2019).

Остеоциты могут улавливать внешние механические сигналы и реагировать на них. Жесткость окружающей матрицы является одним из наиболее важных сигналов, регулирующих поведение остеоцитов, а изменения жесткости ВКМ вызывают изменения цитоскелета и морфологии клеток, а также фибронектина, что приводит к изменениям паксиллина и, в свою очередь, влияет на удлинение щелевых контактов остеоцитов (Zhang DM et al., 2018). Когда остеоциты начинают расширять отростки и минерализовать соседний матрикс, экспрессия DMP1 и MEPE повышается.Жесткость ЕСМ, и особенно субстратов на основе коллагена, влияет на экспрессию DMP1. Уровни DMP1 и склеростина значительно увеличиваются на субстратах на основе коллагена с низкой жесткостью, что указывает на усиление дифференцировки остеоцитов по сравнению с субстратами ECM с высокой жесткостью (Mullen et al., 2013). Изменения уровней DMP1 опосредуют восприятие остеоцитами механических стимулов, что может увеличивать прикрепление остеоцитов и ремоделирование матрикса, присутствующего в локальном микроокружении (Gluhak-Heinrich et al., 2003). Кроме того, DMP1 также подавляет апоптоз остеоцитов, усиливает минерализацию костей и предотвращает распад сети остеоцитов (Dussold et al., 2019). MEPE синхронизирован с DMP1 и по-разному регулирует ремоделирование кости за счет механической нагрузки. Мыши с нокаутом MEPE обнаруживают повышенную костную массу, сопровождаемую подавленной минерализацией, это указывает на то, что и DMP1, и MEPE могут регулировать минерализацию в остеоцитах и ​​лакунарной стенке (Gluhak-Heinrich et al., 2007) (Table 4).

Таблица 4 Функция костного ECM в остеоцитах.

Функция костного ECM в остеокластах

Остеокласты — это многоядерные клетки, образованные в результате слияния и дифференцировки предшественников моноцитов / макрофагов, участвующие в резорбции кости. Образование и активность остеокластов, активируемых колониестимулирующим фактором макрофагов (M-CSF) и рецептором для активации лиганда ядерного фактора κB (NF-κB) (RANKL), которые происходят из остеобластов (Lin et al., 2019).

При образовании остеокластов TSP1, TSP2, MGP и biglycan регулируют дифференцировку и активность резорбции остеокластов с помощью различных регуляторных механизмов. И TSP1, и TSP2 являются ключевыми позитивными регуляторами дифференцировки остеокластов. TSP1 функционирует на ранней стадии остеокластогенеза, а у мышей с дефицитом TSP1 наблюдается снижение дифференцировки и активности остеокластов. Это вызвано повышенной индуцибельной синтазой оксида азота (iNOS) (Amend et al., 2015). Однако TSP2 индуцирует остеокластогенез через NFATc1, который является RANKL-зависимым путем, сопровождающимся повышенным соотношением RANKL / OPG (Wang et al., 2019). Напротив, MGP подавляет ядерную транслокацию NFATc1 и внутриклеточный поток Ca ²⁺ в остеокластах, что, в свою очередь, ослабляет дифференцировку и резорбцию кости. MGP также подавляет образование костей, а MGP-нулевые мыши проявляют остеопенический фенотип, что позволяет предположить, что MGP играет более сильную роль в абсорбции костей, чем в формировании костей (Zhang Y. et al., 2019). Обладая тем же механизмом регуляции, что и MGP, коллаген I типа также может действовать как ингибитор развития костей остеокластами.Формирование остеокластов может подавляться полноразмерными фрагментами коллагена типа I или фрагментами 30–75 кДа, которые связываются с рецептором коллагена LAIR-1 и тем самым поддерживают прочность костей (Boraschi-Diaz et al., 2018). Было показано, что TNFα регулирует дифференцировку и выживание остеокластов независимым от RANKL образом. У мышей с двойным нокаутом по бигликану и фибромодулину остеокласты обладают более высоким потенциалом дифференцировки и окружены повышенным цитокином TNFα и RANKL. Экзогенный бигликан или фибромодулин ослабляют способность предшественников остеокластов образовывать TRAP-положительные многоядерные клетки.Следовательно, бигликан сам по себе или в сочетании с фибромодулином регулирует остекластогенез с помощью TNFα и / или RANKL для контроля костной массы (Kram et al., 2017).

RGD-последовательность OPN и BSP взаимодействует с интегрином αvβ3, инициируя адгезию остеокластов к костному матриксу и образование актинового кольца поляризованных остеокластов, что имеет решающее значение для развития костей. Комбинация интегрин-матрица жизненно важна для образования подосом на остеокластах. Таким образом, OPN играет важную роль в активности остеокластов и формировании зоны герметизации остеокластов (Singh et al., 2018). Более того, OPN может секретироваться остеокластами человека в дополнение к остеобластам во время резорбции кости, что может использоваться в качестве хемокина для последующего образования и резорбции кости (Luukkonen et al., 2019). Кроме того, поверхность остеокластов и количество остеокластов уменьшаются у мышей с нокаутом BSP. BSP может способствовать резорбции костей, а миграция преостеокластов и зрелых остеокластов нарушается в отсутствие BSP (Boudiffa et al., 2010). OPN и BSP могут действовать как сеть для координации функции остеокластов.Остеокласты, полученные от мышей с двойным нокаутом OPN и BSP, обладают более высоким числом и резорбционной активностью. Взаимодействие между OPN / BSP и интегрином αVβ3 может участвовать в определении адгезии остеокластов к поверхности костного матрикса и последующей резорбции (Bouleftour et al., 2019) (Таблица 5).

Таблица 5 Функция костного ECM в остеокластах.

Применение ECM для инженерии костной ткани

В тканевой инженерии используются основные принципы и методы наук о жизни и инженерии для создания функциональных заменителей тканей in vitro , которые могут использоваться для восстановления дефектов ткани и замены частичной или полной потери функции органов (Shafiee, Atala, 2017).Стратегии тканевой инженерии основаны на трех основных элементах — семенных клетках, каркасах и цитокинах, которые взаимодействуют с образованием сконструированных тканевых конструкций (Hu, 1992). Большинство подходов к тканевой инженерии полагаются на возобновляемые семенные клетки, такие как стволовые клетки, для восстановления поврежденных участков. Производство большого количества факторов роста и компонентов ЕСМ во время пролиферации посевных клеток увеличивает гибкость каркаса и способствует пролиферации и дифференцировке аутологичных клеток-предшественников, тем самым дополнительно усиливая восстановление тканей.Кроме того, цитокины связываются с рецепторами на поверхности клетки, которые передают внеклеточные сигналы внутрь клетки, чтобы регулировать пролиферацию и дифференцировку клеток или усиливать образование ECM (Zhang et al., 2016). Каркас обеспечивает соответствующую трехмерную (3D) структуру, которая направляет рост семенных клеток для достижения правильного ремоделирования тканей. Идеальные каркасы должны обладать хорошей биосовместимостью, биоразлагаемостью, биомеханическими свойствами, проницаемостью, характеристиками поверхности и не должны способствовать иммунному отторжению (Yi et al., 2017).

В последние годы инженерия костной ткани быстро развивалась, обеспечивая новый многообещающий подход к восстановлению кости. Однако из-за сложной анатомической структуры кости и высокого механического напряжения, которое инженерная ткань должна выдерживать in vivo , регенерация костной ткани остается одной из основных проблем тканевой инженерии (Vieira et al., 2017). Костные трансплантаты можно использовать для стимуляции или увеличения образования новой кости вокруг переломов или хирургических имплантатов, а также для регенерации или замещения кости, утраченной из-за инфекции, травмы или заболевания (Polo-Corrales et al., 2014). Идеальный каркас также должен способствовать прикреплению, увеличивать жизнеспособность и пролиферацию, а также вызывать остеогенную дифференцировку и ангиогенез. Наконец, материал должен иметь возможность постепенно интегрироваться с тканью хозяина и нести ту же нагрузку (Roseti et al., 2017). Костные каркасы обычно изготавливаются из биоразлагаемых материалов, которые являются пористыми и эффективно интегрируют семенные клетки, факторы роста и лекарственные препараты, а также обеспечивают механическую поддержку во время восстановления и регенерации поврежденной кости (Bose et al., 2012).

С быстрым развитием регенеративной медицины ECM привлек внимание как четвертый элемент в развитии инженерии костной ткани (Ravindran et al., 2012) (Рисунок 1). ЕСМ действует как физический каркас и субстрат для клеточной адгезии, доставляя биохимические и биомеханические сигналы клеткам, чтобы инициировать миграцию, дифференцировку, морфогенез и гомеостаз (Yi et al., 2017).

Рис. 1 Схема приготовления каркаса на основе ECM при регенерации кости. (A) Каркас из биоматериалов, модифицированных ЕСМ. Различные компоненты и содержимое ECM модифицированы каркасом на основе биоматериалов, а затем модифицированы стволовыми клетками и структурной обработкой для имитации природных биоматериалов. (B) децеллюляризованный каркас ЕСМ, полученный либо из ткани in vivo , либо из культивируемых клеток in vitro путем децеллюляризации, что является многообещающей стратегией для индукции регенерации кости и имеет хорошие клинические характеристики.

ECM-Modified Biomaterial Scaffold

Компоненты внеклеточного матрикса, такие как коллаген, HA и фибронектин, обычно используются в качестве природных биоматериалов для изготовления каркасов.Сам ECM или модифицированный каркасом на основе биоматериала используется в биологических каркасах для имитации природных биоматериалов. Поскольку отдельный костный компонент внеклеточного матрикса, как правило, не может имитировать сложное остеогенное микроокружение, для создания композита, который может производить синергетический эффект, используются два или более материала.

ECM действует как материал покрытия поверхности на абсорбируемых полимерах и все чаще используется для производства биоразлагаемых каркасов для материалов для восстановления кости. Rentsch et al.сконструированы поликапролактон-лактидные (PCL) каркасы, покрытые 3D-коллагеном I / хондроитинсульфатом (Coll I / CS) для восстановления дефектов костей свода черепа кроликов. По сравнению с каркасами PCL, больше новой кости образовалось в центральном дефекте группы PCL, покрытой Coll / CS, и она была более равномерно распределена в каркасах через 6 месяцев после имплантации (Rentsch et al., 2014). Кроме того, титан (Ti) был покрыт Col1 и имплантирован в мыщелки бедренной кости крыс с остеопенией для оценки остеоинтеграции, общее врастание материала TiColl в костную ткань после овариэктомии значительно увеличилось с 4 до 12 недель после имплантации по сравнению с одним Ti ( Sartori et al., 2015). Интересно, что остеогенный потенциал гидроксиапатита / β-трикальцийфосфата (HA / β-TCP) был улучшен путем иммобилизации на поверхности пептида MEPE. HA / β-TCP с пептидом MEPE стимулировал регенерацию кости на модели дефекта свода черепа у мышей по сравнению с немодифицированным HA / β-TCP. Новообразованные кости подвергаются физиологическому ремоделированию, опосредованному остеокластами (Acharya et al., 2012). Следовательно, из-за особой структуры и функции ECM, для биополимерного каркаса может быть полезно выполнять сигнальную связь и проводимость с клетками, улучшать остеокондукцию и остеоинтеграцию, а также направлять рост клеток и ремоделирование тканей.

Как важный компонент внеклеточного матрикса естественной костной ткани, ГК также использовался в материалах для регенерации и восстановления костей, таких как костные пломбы и инъекционные заменители кости. Композит PCL / HA, модифицированный HA, обладал лучшей биосовместимостью с клетками hMSC с более высоким пролиферативным и остеогенным потенциалом по сравнению с чистым PCL. При этом эффективность связывания между hMSC и каркасом PCL / HA была улучшена при более высоком содержании HA от 5% до 10% и в зависимости от концентрации HA (Kumar et al., 2017). Это означает, что в дополнение к различным компонентам модифицированного ECM, влияющим на поведение клеток при регенерации кости, различное содержимое ECM также играет разные роли.

В инженерии костной ткани биологические каркасы должны иметь не только компоненты, аналогичные натуральной кости, но также иметь аналогичные структурные свойства. Нанокомпозит коллаген-апатит (Col-Ap), который имитирует субфибриллярные наноструктуры костного типа, был создан для имитации естественной кости. Каркас из нанокомпозита Col-Ap был способен активировать костеобразующие клетки, способствовать внутренней васкуляризации, а также индуцировать синтез ECM, опосредованный повышенным TGFβ1.(Лю и др., 2016). Кроме того, Haj et al. продемонстрировали, что нановолоконные каркасы HA / хитозана (nHAp / CTS), засеянные MSC, превосходят мембранный HAp / CTS в модели регенерации дефектов черепной кости на крысах. МСК в нановолоконном каркасе активируют передачу сигналов интегрин-BMP / Smad, что приводит к более высокой пролиферации и активности ALP (Liu et al., 2013). Подобно нановолоконному каркасу НА, Shamaz et al. получили микроволокнистые листы электроспрядения путем объединения слоев микроволоконного мата, состоящего из электроспряденного поли (L-молочной кислоты) (PLLA), матрицы желатин-наноНА (GHA) и 1-этил-3- (3-диметиламинопропил) карбодиимида, называемого GHA-MF _E .Когда человеческие МСК, полученные из жировой ткани (hADMSC), выращивали на этом каркасе GHA-MF _E , они проявляли более высокую активность ALP in vitro . Более того, волокнистые каркасы GHA-MF _E значительно увеличивали скорость образования новой кости в дефекте кортикальной кости бедренной кости кролика после 4 недель имплантации по сравнению с коммерческим Surgiwear ™ (Shamaz et al., 2015). Очевидно, морфология поверхности и общая топология ECM в каркасах в значительной степени вовлечены в определение их способности к загрузке и росту клеток в инженерии костной ткани.

Стволовым клеткам уделяется все большее внимание в регенеративной медицине, включая регенерацию костей. Из-за их хорошей способности к пролиферации и способности к остеогенной дифференцировке. С другой стороны, стволовые клетки способны синтезировать ECM, который может ускорять кальцификацию и восстановление, тем самым восстанавливая функцию поврежденных костей (Clough et al., 2015; Gao et al., 2017). Chamieh et al. лечили дефекты свода черепа критического размера у крыс, используя стволовые клетки пульпы зуба человека (DPSC), высеянные на скалы коллагенового геля.По сравнению с необработанными дефектами каркасы, содержащие DPSC, значительно способствовали формированию правильно структурированной новой кости и увеличивали объем волокнистой соединительной ткани и минерализованной ткани, что сопровождалось повышенной экспрессией остеогенной ЩФ и коллагена I типа (Chamieh et al., 2016). Когда МСК на ламинированных наночастицах НА (nHA) / поли-гидроксибутират (PHB) (nHA / PHB) были имплантированы совместно, это привело к улучшенному ускоренному формированию остеоидной ткани и внеклеточного матрикса с прорастанием кровеносных сосудов в трансплантат через два месяца после подкожная имплантация на спинной части модели мышей (Chen et al., 2017). Более того, МСК, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК-МСК) в сочетании с нановолокнами HAp / Col / CTS, также обладали хорошей способностью к регенерации костей при дефектах черепа у мышей с почти в 2 раза большей плотностью костей, чем TCP, CTS или HAp / Строительные леса CTS. Это может быть связано с повышенной секрецией Alp и Col (Xie et al., 2016). Благодаря синергическому эффекту стволовых клеток и ECM, композитные каркасы стволовые клетки / ECM более способствуют ремоделированию кости, чем каркасы, модифицированные ECM.Помимо стволовых клеток, эндотелиальные клетки (ЭК), которые способствуют васкуляризации, могут обеспечить адекватную питательную поддержку каркаса. Остеогенно дифференцированные МСК (OMSC) и ЭК были засеяны в каркас нано-ГА / полиуретан (н-ГА / ПУ) в соотношении 0,5 / 1,5, были более эффективны для восстановления кости в мыщелковых дефектах бедренной кости крыс, чем каркас и каркас только OMSC . Следовательно, ECs в OMSC / EC-scaffold играют важную роль в формировании кости и васкуляризации (Li et al., 2019).

В клиническом исследовании абсорбируемый коллагеновый губчатый каркас содержит костностимулирующие агенты, такие как rhBMP-2, rhBMP-7 и PRP, для лечения дефектов длинных костей и переломов пациента.У пациентов отмечалось заживление кости и образование новой кости в месте дефекта (Govender et al., 2002; Calori et al., 2008). За исключением коллагена, контролируемые пропорции ГК вместе с модифицированным фосфатом кальция, TCP и ионными соединениями образуют Bonelike ^® , который можно использовать при лечении некритических дефектов костей. Bonelike ^® имеет аналогичный химический и структурный состав человеческой кости. Bonelike ^® сам по себе или в сочетании с МСК улучшал регенерацию кости, способствуя росту кости и васкуляризации у пациентов с дефектом кости (Campos et al., 2019). Более того, наногидроксиапатит, полученный из яичной скорлупы, для трансплантации кости обладает высокой безопасностью и может обеспечить хорошие показатели регенерации кости. На третьем месяце после имплантации пациентам костный трансплантат показал повышенную плотность кости и полное заживление (Kattimani et al., 2019). Следовательно, использование каркаса, модифицированного ECM, для регенерации кости значительно лучше, чем стандартное лечение, за счет уменьшения частоты вторичного вмешательства при одновременном снижении частоты инфицирования у пациентов с открытым костным дефектом.

Прежде всего, различные типы, пропорции, структуры ECM и даже разные имплантированные клетки могут влиять на характеристики регенерации кости каркаса из биоматериала, модифицированного ECM, что позволяет предположить, что может существовать набор элементов ECM, которые работают согласованно для направить регенерацию кости. Более того, остается неизвестным, насколько каждый из этих факторов или комбинация этих факторов вносит вклад в ECM в каркасе. Дальнейшие исследования все еще необходимы, чтобы полностью раскрыть множественные функции ECM в каркасе из биоматериала, модифицированного ECM, во время восстановления кости.

Децеллюляризованный каркас ECM

Хотя каркас из биоматериала, модифицированный ECM, основанный на различных составах и соотношениях костного ECM, может улучшить восстановление костных дефектов, сложные компоненты матрикса и активность не могут быть полностью стимулированы в биомиметической костной ткани. Кроме того, эти искусственные каркасы лишены специфической клеточной ниши и анатомических структур тканей-мишеней и не могут гарантировать хорошую интеграцию клеточных и молекулярных сигналов (Zhang et al., 2016). Следовательно, децеллюляризованный каркас ЕСМ, полученный либо из ткани in vivo , либо из культивируемых клеток in vitro , является многообещающей стратегией для индукции регенерации кости и имеет хорошие клинические характеристики.Он имеет то преимущество, что поддерживает компоненты ECM, обеспечивая исходную геометрию и гибкость ткани, а также предлагает низкую иммуногенность (Hoshiba et al., 2016). Децеллюляризованный ЕСМ обеспечивает механическую поддержку регенерирующих клеток и влияет как на их миграцию, так и на решение клеточной судьбы (Gallie et al., 1989).

Тканевый децеллюляризованный каркас ECM

Костный децеллюляризованный ECM (dECM) может обеспечивать естественное микроокружение, содержащее белки ECM, коллаген I типа и факторы роста, включая морфогенетические белки кости.Kim et al. использовали dECM из свиной кости для формирования 3D-печатных каркасов PCL / β-TCP / кости dECM, которые способствовали более новой регенерации кости через 6 недель после восстановления дефекта свода черепа кролика in vivo . Важно отметить, что костная ткань развивалась внутри каркаса. Напротив, костная ткань формировалась только на краю каркаса без dECM (Kim et al., 2018). ДЭЦМ, полученный из пористой пластинки роста (GP), был изготовлен для восстановления критических размеров черепных дефектов крыс. Более высокие уровни минерализованной ткани и увеличенный объем сосудов наблюдались через 8 недель после имплантации, что могло быть вызвано снижением продукции IL-1β и IL-8 и более высокой остеогенной способностью по сравнению с нативным GP (Cunniffe et al., 2017). Кроме того, 3D-каркас внеклеточного матрикса, полученный из децеллюляризованной надкостницы, способствовал минерализации костей, контролируя размер и направление минеральных кристаллов при регенерации дефекта кости кролика, что свидетельствует о решающей роли внеклеточного матрикса надкостницы в эффективном заживлении переломов и регенерации кости (Lin et al., 2018 ). В клинических условиях децеллюляризованный костный ВКМ из дисков губчатой ​​кости крупного рогатого скота с аутогенными МСК пациента может лечить перелом дистального отдела большеберцовой кости. Через 6 месяцев можно обнаружить активное костеобразование как в костной мозоли, так и в трансплантате пациента (Hesse et al., 2010). Это означает, что трансплантация нативной децеллюляризованной кости имеет широкую перспективу применения в ортопедической хирургии.

ДЭКМ, полученный из некостной ткани, также может быть использован для регенерации кости. Mohiuddin et al. продемонстрировали, что комбинация децеллюляризованной жировой ткани (DAT) со стромальными / стволовыми клетками (ASC), полученными из жировой ткани, эффективна в регенеративном восстановлении костей дефектов бедренной кости критического размера у мышей. Группа, обработанная гидрогелем DAT, показала более высокое отложение OPN и коллагена I, а также более высокую площадь кости, чем необработанная группа (Mohiuddin et al., 2019). Кроме того, подслизистая оболочка тонкого кишечника свиньи (SIS) была объединена с истинной костной керамикой (TBC) и минерализована для изготовления тканевого каркаса ECM mSIS / TBC. Этот каркас способствовал жизнеспособности, пролиферации и остеогенезу МСК крыс через сигнальные пути ERK1 / 2 и Smad1 / 5/8 in vitro . Что наиболее важно, костеобразование в модели черепно-мозговых дефектов критического размера на крысах было значительно улучшено с помощью каркаса mSIS / TBC по сравнению с чистым каркасом TBC (Sun et al., 2018). Взятые вместе, обилие множества компонентов ECM в dECM из ткани является идеальным биоматериалом для инженерии костной ткани.

Каркас децеллюляризованного ЕСМ, полученный из клеток

Аутологичные клетки, выращенные в асептических условиях in vitro , можно использовать для получения децеллюляризованного ЕСМ из клеток, избегая недостатков децеллюляризованного ЕСМ, происходящего из ткани. Каркасы ЕСМ, полученные из стволовых и костных клеток, потенциально могут лучше имитировать естественное костное микроокружение, тем самым вызывая регенерацию кости (Sun et al., 2018). In vitro стволовые клетки, полученные из жировой ткани (ASC) на децеллюляризованных ECM, происходящих из hMSC, обнаруживают больше остеогенных колоний, что сопровождается повышенной экспрессией остеогенных маркеров (Zhang et al., 2015). dECM, полученный из совместно культивируемых MSC и HUVEC, способствовал остеогенному и ангиогенному потенциалу BMSC. Более того, соотношение MSC / HUVEC 1/3 имеет лучший ангиогенный эффект на MSC (Carvalho et al., 2019b). ДЭКМ клеточного происхождения, богатый коллагеном, макромолекулами матрикса и факторами роста, обладает хорошей биосовместимостью и биоразлагаемостью, что делает его полезным для пролиферации и остеогенной дифференцировки МСК, и может использоваться в качестве матрицы культуры клеток для медицины регенерации костей.

При восстановлении костей ДЭКМ клеточного происхождения в сочетании с неорганическим материалом создает гибридные каркасы, обеспечивающие более сильные остеоиндуктивные свойства и механическую поддержку. Имплантация остеогенных листов ECM (OECMS), которые сохраняют естественный коллаген I и факторы роста вместе с HA, улучшала регенерацию кости в модели несращения бедренной кости на крысах через 5 и 8 недель. OECMS содержал TGF-β и BMP2, что приводило к усилению остеоиндукции и остеокондукции (Onishi et al., 2018). Когда dECM, полученный из клеток MG63, депонировали на каркас CS / PCL, hMSC проявляли усиленное прикрепление, пролиферацию и остеогенную дифференцировку, а каркас проявлял противовоспалительные свойства in vitro . Более того, CS / PCL, покрытый dECM, продемонстрировал хорошую способность к регенерации кости после имплантации in vivo при дефектах свода черепа крыс, что было связано с увеличением минерализованной ткани (Wu et al., 2019). В соответствии с характеристиками различных биоматериалов и хорошей остеоиндукцией внеклеточного матрикса тканевые трансплантаты могут быть адаптированы для преодоления ограничений аутотрансплантата и аллотрансплантата.

Кроме того, каркасы dECM для восстановления кости также могут быть получены из других, не костных клеток. Каркас PLGA / PLA был покрыт dECM из фибробластов легких человека (hFDM) для восстановления костных дефектов путем доставки BMP-2. Каркас dECM / PLGA / PLA значительно способствовал образованию новой кости в модели дефекта кости свода черепа у крыс. Примечательно, что добавление BMP-2 привело к почти полному заживлению костных дефектов (Kim et al., 2015). Мезенхимальные стромальные клетки, полученные из ткани нижней носовой раковины человека (hTMSC), были объединены с напечатанным на 3D-принтере каркасом PCL / поли (молочно-гликолевая кислота) (PLGA) / β-TCP, чтобы сформировать минерализованный каркас ECM.Соответствующие имплантаты улучшили формирование кости у эктопических и ортотопических моделей крыс по сравнению с голым каркасом в соответствии с повышенной остеогенной дифференцировкой hTMSC на 3D-печатных гибридных каркасах in vitro (Pati et al., 2015). Дальнейшее развитие технологии 3D-печати в каркасах на основе ECM полезно для инженерии костной ткани и регенеративной медицины.

Выводы и перспективы

Хотя естественные костные трансплантаты из аутологичных или аллогенных источников являются лучшим выбором для восстановления костных дефектов, их клиническое применение ограничено из-за осложнений во время операции, связанных с их источником.С развитием технологии тканевой инженерии биоматериалы, изготовленные с использованием материаловедения, нанотехнологий и 3D-печати, использовались для разработки новых имплантатов для регенерации костей. Однако многие такие новые материалы страдают такими недостатками, как плохая биосовместимость, низкая остеоиндуктивность и высокая иммуногенность. Строительные леса ECM обладают уникальными преимуществами во всех этих областях. Поскольку они могут лучше моделировать состав, распределение и биохимические сигналы различных компонентов матрикса в естественной костной ткани, они могут имитировать естественное костное микроокружение.Следовательно, такие материалы могут эффективно поддерживать регенерацию кости и направлять реконструкцию тканей. Обычные конструкции каркасов, модифицированных ECM, используют один или комбинацию компонентов ECM или наносят покрытие в сочетании с биоматериалами для производства каркасов. Даже при использовании децеллюляризованных препаратов аутологичной или аллогенной ткани или клеток, культивируемых in vitro , целостность и механические свойства компонентов матрикса сохраняются, при этом достигается низкая иммуногенность за счет удаления связанных с клетками антигенов.Было продемонстрировано, что костный ECM улучшает регенерацию костей. Таким образом, применение каркаса из биоматериала, модифицированного ЕСМ, и децеллюляризованного каркаса из ЕСМ стало новым рубежом в тканевой инженерии и регенеративной медицине.

Тем не менее, клиническое применение каркаса из биоматериала, модифицированного ECM, или децеллюляризованного каркаса ECM для восстановления кости все еще сталкивается со многими проблемами, такими как сохранение факторов роста и биохимических сигналов в ECM во время децеллюляризации, модификация ECM, дизайн и обработка каркасов ECM, а также стандартизация и массовое производство для клинических исследований.Существуют методы децеллюляризации, которые сохраняют характеристики и функции ECM. Однако из-за сложности и динамики его компонентов не проводился систематический анализ компонентов ECM, секретируемых клетками или тканями, и неясно, может ли децеллюляризованный ECM полностью соответствовать биохимическому отпечатку нативного костного ECM. Следовательно, компоненты и состав децеллюляризованных каркасов ЕСМ, а также динамические изменения ЕСМ в различных условиях культивирования должны быть дополнительно изучены, чтобы сделать его более похожим на естественный состав ЕСМ.Кроме того, сложно точно контролировать компоненты ЕСМ, секретируемые клетками, чтобы их можно было стандартизировать и унифицировать в массовом производстве. Клетки можно генетически модифицировать для своевременной и количественной экспрессии определенных продуктов, и можно использовать соответствующие биореакторы для мониторинга роста клеток и секреции продуктов. Следовательно, стандарты выпуска ECM могут быть установлены для улучшения качества трансплантата. Наконец, ECM можно модифицировать, добавляя факторы роста и биоактивные молекулы во время подготовки каркасов ECM для повышения эффективности восстановления костных дефектов.Следовательно, типы и количества биоактивных молекул требуют дальнейшего изучения. Хотя добавки могут повысить способность к регенерации кости в месте дефекта, они не должны влиять на рост других прилегающих тканей в месте трансплантата, что позволяет избежать воспаления и гиперплазии. Кроме того, каркасы ЕСМ можно комбинировать с аутологичными плюрипотентными стволовыми клетками или органоспецифическими клетками-предшественниками для лучшего терапевтического эффекта. Наконец, конструкция и обработка каркасов ECM могут заставить их более точно заполнять место дефекта, предлагая лучшую механическую поддержку и функциональную бионику.С развитием технологии 3D-печати в последние годы, ECM можно обрабатывать с помощью биологической печати для получения каркасов с различной топологией, таких как пористые и ламеллярные, или даже каркасов с формой, которая точно соответствует месту дефекта. Таким образом, имплант может быть сконструирован с улучшенными бионическими механическими свойствами и большей способностью к регенерации кости.

В заключение можно сказать, что применение ECM в формировании кости и регенерации кости полно возможностей и проблем.В будущем дальнейшие исследования клеточных и молекулярных механизмов, опосредующих эффекты ECM на костные клетки и восстановление кости, будут способствовать дальнейшему развитию основанных на ECM каркасов в инженерии костной ткани.

Вклад авторов

XL и SP подготовили рукопись. AQ и Y-GG разработали проект.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Это исследование было поддержано Национальным фондом естественных наук Китая (81700784, 81601913), Планом фундаментальных исследований естественных наук провинции Шэньси, Китай (2018JQ3049), Фондом фундаментальных исследований для центральных университетов (3102019ghxm012).

Ссылки

Ачарья, Б., Чун, С. Ю., Ким, С. Ю., Мун, К., Шин, Х. И., Парк, Э. К. (2012). Поверхностная иммобилизация пептида MEPE на керамических частицах HA / ss-TCP улучшает регенерацию и ремоделирование кости. J. BioMed. Матер. Res. B. 100b, 841–849. doi: 10.1002 / jbm.b.32648

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Элфорд, А. И., Теркхорн, С. П., Редди, А. Б., Ханкенсон, К. Д. (2010). Тромбоспондин-2 регулирует минерализацию матрикса в преостеобластах MC3T3-E1. Кость 46, 464–471. doi: 10.1016 / j.bone.2009.08.058

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Элфорд, А. И., Голич, А. З., Кэти, А. Л., Редди, А. Б. (2013).Тромбоспондин-2 способствует сборке богатого коллагеном матрикса I типа в стромальных клетках костного мозга, подвергающихся остеобластической дифференцировке. Connect Tissue Res. 54, 275–282. DOI: 10.3109 / 03008207.2013.811236

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Amend, S. R., Uluckan, O., Hurchla, M., Leib, D., Novack, D. V., Silva, M., et al. (2015). Тромбоспондин-1 регулирует гомеостаз костей посредством воздействия на целостность костного матрикса и передачу сигналов оксида азота в остеокластах. J. Bone Miner. Res. 30, 106–115. doi: 10.1002 / jbmr.2308

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ассис-Рибас, Т., Форни, М. Ф., Виннишофер, С. М. Б., Согаяр, М. К., Тромбетта-Лима, М. (2018). Динамика внеклеточного матрикса при дифференцировке мезенхимальных стволовых клеток. Dev. Биол. 437, 63–74. doi: 10.1016 / j.ydbio.2018.03.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bailey Dubose, K., Zayzafoon, M., Мерфи-Ульрих, Дж. Э. (2012). Тромбоспондин-1 подавляет остеогенную дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток человека за счет скрытой активации TGF-бета. Biochem. Биофиз. Res. Commun. 422, 488–493. doi: 10.1016 / j.bbrc.2012.05.020

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bellahcene, A., Castronovo, V., Ogbureke, K. U., Fisher, L. W., Fedarko, N. S. (2008). Малый интегрин-связывающий лиганд N-связанные гликопротеины (SIBLING): многофункциональные белки при раке. Nat. Преподобный Рак 8, 212–226. doi: 10.1038 / nrc2345

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Belotti, D., Capelli, C., Resovi, A., Introna, M., Taraboletti, G. (2016). Тромбоспондин-1 способствует функциям мезенхимальных стромальных клеток через TGFbeta и в сотрудничестве с PDGF. Matrix Biol. 55, 106–116. doi: 10.1016 / j.matbio.2016.03.003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bi, Y. M., Stuelten, C.Х., Килтс, Т., Вадхва, С., Иоззо, Р. В., Роби, П. Г. и др. (2005). Протеогликаны внеклеточного матрикса контролируют судьбу стромальных клеток костного мозга. J. Biol. Chem. 280, 30481–30489. doi: 10.1074 / jbc.M500573200

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bonnans, C., Chou, J., Werb, Z. (2014). Ремоделирование внеклеточного матрикса в процессе развития и болезни. Nat. Rev. Mol. Cell Bio 15, 786–801. doi: 10.1038 / nrm3904

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Boraschi-Diaz, I., Морт, Дж. С., Бромм, Д., Сенис, Ю. А., Мажарян, А., Комарова, С. В. (2018). Фрагменты деградации коллагена I типа действуют через рецептор коллагена LAIR-1, обеспечивая отрицательную обратную связь для образования остеокластов. Кость 117, 23–30. doi: 10.1016 / j.bone.2018.09.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Boudiffa, M., Wade-Gueye, N. M., Guignandon, A., Vanden-Bossche, A., Sabido, O., Aubin, J. E., et al. (2010). Дефицит костного сиалопротеина нарушает остеокластогенез и резорбцию минералов in vitro. J. Bone Miner. Res. 25, 2669–2679. doi: 10.1002 / jbmr.245

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bouleftour, W., Juignet, L., Verdiere, L., Machuca-Gayet, I., Thomas, M., Laroche, N., et al. (2019). Делеция OPN у мышей с нокаутом BSP не корректирует гипоминерализацию костей, но приводит к высокому метаболизму костной ткани. Кость 120, 411–422. doi: 10.1016 / j.bone.2018.12.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Калори, Г.М., Тальябу, Л., Гала, Л., д’Импорзано, М., Перетти, Г., Альбисетти, В. (2008). Применение rhBMP-7 и богатой тромбоцитами плазмы в лечении несращений длинных костей: проспективное рандомизированное клиническое исследование с участием 120 пациентов. Травма 39, 1391–1402. doi: 10.1016 / j.injury.2008.08.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кампос, Дж. М., Соуза, А. К., Касейро, А. Р., Педроса, С. С., Пинто, П. О., Бранкиньо, М. В. и др. (2019). Стволовые клетки пульпы зуба и Bonelike ((R)) для регенерации кости на модели овцы. Regener. Биоматер. 6, 49–59. doi: 10.1093 / rb / rby025

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карвалью, М. С., Кабрал, Дж. М. С., да Силва, К. Л., Вашишт, Д. (2019a). Синергетический эффект внеклеточных добавок остеопонтина и остеокальцина на пролиферацию стволовых клеток, остеогенную дифференцировку и ангиогенные свойства. J. Cell Biochem. 120, 6555–6569. doi: 10.1002 / jcb.27948

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карвалью, М.С., Сильва, Дж. К., Кабрал, Дж. М. С., да Сильва, К. Л., Вашишт, Д. (2019b). Культивируемые клеточные внеклеточные матрицы для усиления остеогенной дифференцировки и ангиогенных свойств мезенхимальных стволовых / стромальных клеток человека. J. Tissue Eng. Регенер. Med. 13, 1544–1558. doi: 10.1002 / term.2907

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chamieh, F., Collignon, A.M., Coyac, B.R., Lesieur, J., Ribes, S., Sadoine, J., et al. (2016). Ускоренная регенерация черепно-лицевой кости благодаря плотным каркасам из коллагенового геля, засеянным стволовыми клетками пульпы зуба. Sci. Rep-Uk 6, 38814. doi: 10.1038 / srep38814

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, X. D., Shi, S., Xu, T., Robey, P. G., Young, M. F. (2002). Возрастной остеопороз у мышей с дефицитом бигликана связан с дефектами стромальных клеток костного мозга. J. Bone Miner. Res. 17, 331–340. doi: 10.1359 / jbmr.2002.17.2.331

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, Z. Y., Song, Y., Zhang, J., Liu, W., Cui, J.Х., Ли, Х. М. и др. (2017). Ламинированные электросварные каркасы из композита нГА / ПГБ, имитирующие костный внеклеточный матрикс для инженерии костной ткани. Мат. Sci. Англ. C-Mater. 72, 341–351. doi: 10.1016 / j.msec.2016.11.070

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Clough, B.H., McCarley, M.R., Krause, U., Zeitouni, S., Froese, J.J., McNeill, E.P. и др. (2015). Регенерация костей с помощью остеогенно-усиленных мезенхимальных стволовых клеток и их белков внеклеточного матрикса. J. Bone Miner. Res. 30, 83–94. doi: 10.1002 / jbmr.2320

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Колсон-Томас, Ю. М., Колсон-Томас, В. Дж., Нортон, А. Л., Гестейра, Т. Ф., Кавальейро, Р. П., Менегетти, М. К. и др. (2015). Идентификация протеогликанов и гликозаминогликанов в археологических костях и зубах человека. PloS One 10, e0131105. doi: 10.1371 / journal.pone.0131105

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каннифф, Г.М., Диас-Пэйно, П. Дж., Рэми, Дж. С., Махон, О. Р., Данн, А., Томпсон, Э. М. и др. (2017). Каркасы на основе внеклеточного матрикса пластинки роста для заживления крупных костных дефектов. Eur. Cell Mater. 33, 130–142. doi: 10.22203 / eCM.v033a10

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Делани, А. М., Ханкенсон, К. Д. (2009). Тромбоспондин-2 и SPARC / остеонектин являются критическими регуляторами ремоделирования кости. J. Cell Commun. Сигнал 3, 227–238. DOI: 10.1007 / s12079-009-0076-0

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Делани, А.М., Амлинг, М., Приемель, М., Хоу, К., Барон, Р., Каналис, Э. (2000). Остеопения и снижение костеобразования у мышей с дефицитом остеонектина. J. Clin. Инвестировать. 105, 915–923. doi: 10.1172 / JCI7039

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Доул, Н. С., Мазур, К. М., Асеведо, К., Лопес, Дж. П., Монтейро, Д. А., Фаулер, Т. В. и др. (2017).Внутренняя передача сигналов TGF-бета остеоцитам регулирует качество костей посредством перилакунарного / канальцевого ремоделирования. Cell Rep. 21, 2585–2596. doi: 10.1016 / j.celrep.2017.10.115

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Dussold, C., Gerber, C., White, S., Wang, X.Y., Qi, L.X., Francis, C., et al. (2019). DMP1 предотвращает изменения остеоцитов, повышение уровня FGF23 и гипертрофию левого желудочка у мышей с хроническим заболеванием почек. Bone Res. 7, 12.DOI: 10.1038 / s41413-019-0051-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Elango, J., Robinson, J., Zhang, J., Bao, B., Ma, N., de Val, J., et al. (2019). Пептид коллагена усиливает остеобластогенез мезенхимальных стволовых клеток костного мозга с помощью MAPK-Runx2. Ячейки 8, 446. doi: 10.3390 / Cell8050446

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эль-Рашиди, А.А., Ротер, Дж. А., Хархаус, Л., Кнезер, У., Боккаччини, А. Р. (2017).Регенерация кости с помощью каркасов из биоактивного стекла: обзор исследований in vivo на моделях костных дефектов. Acta Biomater. 62, 1–28. doi: 10.1016 / j.actbio.2017.08.030

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Fabris, A. L. D., Faverani, L. P., Gomes-Ferreira, P. H. S., Polo, T. O. B., Santiago-Junior, J. F., Okamoto, R. (2018). Доступ для восстановления кости с помощью BoneCeramic (TM) в дефектах 5 мм: исследование свода черепа крысы. J. Appl. Устный. Sci. 26, e20160531.doi: 10.1590 / 1678-7757-2016-0531

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Финкельман, Р. Д., Батлер, В. Т. (1985). Появление белков дентина, содержащих гамма-карбоксиглутаминовую кислоту, в развивающихся молярах крысы in vitro. J. Dent. Res. 64, 1008–1015. doi: 10.1177 / 00220345850640070301

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фонсека, Х., Морейра-Гонсалвес, Д., Кориолано, Х. Дж., Дуарте, Дж. А. (2014). Качество костей: определяющие факторы прочности и хрупкости костей. Sports Med. 44, 37–53. doi: 10.1007 / s40279-013-0100-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Галли, Д. Р., Лукас, В. Дж., Уолбот, В. (1989). Визуализация экспрессии мРНК в протопластах растений: факторы, влияющие на эффективное поглощение и трансляцию мРНК. Растительная клетка 1, 301–311 doi: 10.1105 / tpc.1.3.301

PubMed Abstract | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гарсия-Гарета, Э., Коутуп, М. Дж., Бланн, Г. В. (2015).Остеоиндукция костных материалов для восстановления и регенерации костей. Кость 81, 112–121. doi: 10.1016 / j.bone.2015.07.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gluhak-Heinrich, J., Ye, L., Bonewald, L.F., Feng, J.Q., MacDougall, M., Harris, S.E., et al. (2003). Механическая нагрузка стимулирует экспрессию белка 1 матрикса дентина (DMP1) в остеоцитах in vivo. J. Bone Miner. Res. 18, 807–817. doi: 10.1359 / jbmr.2003.18.5.807

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gluhak-Heinrich, J., Павлин, Д., Янг, В., Макдугалл, М., Харрис, С. Э. (2007). Экспрессия MEPE в остеоцитах при ортодонтическом перемещении зубов. Arch. Устный. Биол. 52, 684–690. doi: 10.1016 / j.archoralbio.2006.12.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Govender, S., Csimma, C., Genant, H.K., Valentin-Opran, A., Amit, Y., Arbel, R., et al. (2002). Рекомбинантный морфогенетический белок-2 кости человека для лечения открытых переломов большеберцовой кости: проспективное контролируемое рандомизированное исследование с участием четырехсот пятидесяти пациентов. J. Bone Joint Surg. Являюсь. 84, 2123–2134. DOI: 10.2106 / 00004623-200212000-00001

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hankenson, K. D., Bain, S. D., Kyriakides, T. R., Smith, E. A., Goldstein, S. A., Bornstein, P. (2000). Увеличение количества остеопрогениторных клеток костного мозга и образование костной ткани в костном мозге у мышей, лишенных тромбоспондина 2. J. Bone Miner. Res. 15, 851–862. doi: 10.1359 / jbmr.2000.15.5.851

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hesse, E., Клюге, Г., Атфи, А., Корреа, Д., Хааспер, К., Бердинг, Г. и др. (2010). Ремонт сегментарного дефекта длинных костей у человека путем имплантации нового многодискового трансплантата. Кость 46, 1457–1463. doi: 10.1016 / j.bone.2010.02.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hinsenkamp, ​​M., Muylle, L., Eastlund, T., Fehily, D., Noel, L., Strong, D. M. (2012). Побочные реакции и события, связанные с аллотрансплантатами опорно-двигательного аппарата: рассмотрено проектом Всемирной организации здравоохранения NOTIFY. Внутр. Ортоп. 36, 633–641. doi: 10.1007 / s00264-011-1391-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Холм, Э., Обен, Дж. Э., Хантер, Г. К., Байер, Ф., Голдберг, Х. А. (2015). Потеря костного сиалопротеина приводит к нарушению развития и минерализации эндохондральной кости. Кость 71, 145–154. doi: 10.1016 / j.bone.2014.10.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hoshiba, T., Chen, G. P., Endo, C., Maruyama, H., Wakui, M., Nemoto, E., et al. (2016). Децеллюляризованная внеклеточная матрица как модель in vitro для изучения всесторонней роли внеклеточного матрикса в дифференцировке стволовых клеток. Стволовые клетки Инт . 2016, 6397820. doi: 10.1155 / 2016/6397820

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Huang, W. B., Carlsen, B., Rudkin, G., Berry, M., Ishida, K., Yamaguchi, D. T., et al. (2004). Остеопонтин является негативным регулятором пролиферации и дифференцировки в преостеобластических клетках MC3T3-E1. Кость 34, 799–808. doi: 10.1016 / j.bone.2003.11.027

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Игве, Дж. К., Гао, К., Кизиват, Т., Као, В. В., Калайзич, И. (2011). Кератокан экспрессируется остеобластами и может модулировать остеогенную дифференцировку. Connect Tissue Res. 52, 401–407. doi: 10.3109 / 03008207.2010.546536

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Яни, П. Х., Гибсон, М. П., Лю, К., Чжан, Х., Ван, X., Лу, Y., et al. (2016). Трансгенная экспрессия Dspp частично устраняет дефекты длинных костей у Dmp1-нулевых мышей. Matrix Biol. 52-54, 95–112. doi: 10.1016 / j.matbio.2015.12.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каламайски, С., Аспберг, А., Линдблом, К., Хейнегард, Д., Олдберг, А. (2009). Аспорин конкурирует с декорином за связывание коллагена, связывает кальций и способствует минерализации коллагена остеобластов. Biochem. J. 423, 53–59.doi: 10.1042 / BJ200

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каттимани, В., Лингаманени, К. П., Яламанчили, С., Муппарапу, М. (2019). Использование наногидроксиапатита, полученного из яичной скорлупы, в качестве нового заменителя костного трансплантата — рандомизированное контролируемое клиническое исследование. J. Biomater. Прил. 34, 597–614. doi: 10.1177 / 0885328219863311

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kerschnitzki, M., Wagermaier, W., Roschger, P., Seto, J., Шахар Р., Дуда Г. Н. и др. (2011). Организация сети остеоцитов отражает ориентацию внеклеточного матрикса в кости. J. Struct. Биол. 173, 303–311. doi: 10.1016 / j.jsb.2010.11.014

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kim, I.G., Hwang, M.P., Du, P., Ko, J., Ha, C.W., Do, S.H., et al. (2015). Матрицы, полученные из биоактивных клеток, в сочетании с полимерным сетчатым каркасом для остеогенеза и заживления костей. Биоматериалы 50, 75–86.doi: 10.1016 / j.biomaterials.2015.01.054

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kim, J. Y., Ahn, G., Kim, C., Lee, J. S., Lee, I. G., An, S. H., et al. (2018). Синергетические эффекты бета-трикальцийфосфата и децеллюляризованной костной внеклеточной матрицы свиного происхождения в поликапролактоновом каркасе, напечатанном на 3D-принтере, на регенерацию кости. Macromol. Biosci. 18, e1800025. doi: 10.1002 / mabi.201800025

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кирби, Д.Дж., Янг, М. Ф. (2018). Выделение, производство и анализ небольших протеогликанов, богатых лейцином, в костях. Methods Cell Biol. 143, 281–296. doi: 10.1016 / bs.mcb.2017.08.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Knight, M. N., Karuppaiah, K., Lowe, M., Mohanty, S., Zondervan, R.L., Bell, S., et al. (2018). R-спондин-2 является агонистом Wnt, который регулирует активность остеобластов и костную массу. Bone Res. 6, 24. doi: 10.1038 / s41413-018-0026-7

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крам, В., Килтс, Т. М., Бхаттачарья, Н., Ли, Л., Янг, М. Ф. (2017). Небольшие протеогликаны, богатые лейцином, новое звено в остеокластогенезе. Sci. Rep-Uk 7, 12627. doi: 10.1038 / s41598-017-12651-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kumar, S., Stokes, J.A. III, Дин, Д., Роджерс, К., Ньяиро, Э., Томас, В. и др. (2017). Двухфазный органо-биокерамический волокнистый композит как биомиметический внеклеточный матрикс для регенерации костной ткани. Фронт. Biosci. (Elite Ed) 9, 192–203.doi: 10.2741 / e795

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Л. М., Ли, Дж. Д., Цзоу, К., Цзо, Ю., Цай, Б., Ли, Ю. Б. (2019). Усиленная регенерация костной ткани биомиметического клеточного каркаса с совместно культивированными остеогенными и ангиогенными клетками, полученными из МСК. Cell Proliferat. 52, е12658. doi: 10.1111 / cpr.12658

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lin, X., Zhao, C., Zhu, P., Chen, J., Yu, H., Cai, Y., et al. (2018). Бесклеточная минерализация надкостницы, опосредованная внеклеточным матриксом, во время формирования кости. Adv. Здоровьеc. Матер. 7, 1700660. doi: 10.1002 / adhm.201700660

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lin, X., Xiao, Y., Chen, Z., Ma, J., Qiu, W., Zhang, K., et al. (2019). Нокдаун фактора 1 поперечного сшивания актина микротрубочек (MACF1) ингибирует RANKL-индуцированный остеокластогенез через сигнальный путь Akt / GSK3beta / NFATc1. Mol. Клеточный эндокринол. 494, 110494. doi: 10.1016 / j.mce.2019.110494

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, Х.H., Peng, H.J., Wu, Y., Zhang, C., Cai, Y.Z., Xu, G.W. и др. (2013). Содействие регенерации кости нановолоконными каркасами из гидроксиапатита / хитозана за счет воздействия на сигнальный путь интегрин-BMP / Smad в BMSC. Биоматериалы 34, 4404–4417. doi: 10.1016 / j.biomaterials.2013.02.048

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Liu, S., Sun, Y., Fu, Y., Chang, D. T., Fu, C. C., Wang, G. N., et al. (2016). Коллаген-апатитовые нанокомпозиты Bioinspired для регенерации костей. J. Endodont. 42, 1226–1232. doi: 10.1016 / j.joen.2016.04.027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, Л., Луо, К., Сан, Дж., Джу, Ю., Морита, Ю., Сонг, Г. (2018). Организация хроматина, регулируемая EZh3-опосредованным h4K27me3, необходима для OPN-индуцированной миграции мезенхимальных стволовых клеток костного мозга. Внутр. J. Biochem. Cell Biol. 96, 29–39. doi: 10.1016 / j.biocel.2018.01.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, Л., Луо, К., Сан, Дж., Сон, Г. (2019). Цитоскелетный контроль ядерной морфологии и жесткости необходим для OPN-индуцированной миграции мезенхимальных стволовых клеток костного мозга. Biochem. Cell Biol. 97, 463–470. doi: 10.1139 / bcb-2018-0263

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Luo, G. B., Ducy, P., McKee, M. D., Pinero, G. J., Loyer, E., Behringer, R. R., et al. (1997). Спонтанная кальцификация артерий и хрящей у мышей, лишенных матриксного белка GLA. Природа 386, 78–81. doi: 10.1038 / 386078a0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луукконен, Дж., Хилли, М., Накамура, М., Ритамо, И., Валму, Л., Кауппинен, К. и др. (2019). Остеокласты секретируют остеопонтин в лакуны резорбции во время резорбции кости. Histochem. Cell Biol. 151, 475–487. doi: 10.1007 / s00418-019-01770-y

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mansour, A., Mezour, M. A., Badran, Z., Тамими, Ф. (2017). Внеклеточные матрицы для регенерации костей: обзор литературы. Tissue Eng. Pt A 23, 1436–1451. doi: 10.1089 / ten.tea.2017.0026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Marinovich, R., Soenjaya, Y., Wallace, G.Q., Zuskov, A., Dunkman, A., Foster, B.L. и др. (2016). Роль костного сиалопротеина в прикреплении к сухожилию. Matrix Biol. 52-54, 325–338. doi: 10.1016 / j.matbio.2016.01.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мишра, Р., Бишоп Т., Валерио И. Л., Фишер Дж. П., Дин Д. (2016). Возможное влияние инженерии костной ткани в клинике. Regener. Med. 11, 571–587. doi: 10.2217 / rme-2016-0042

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mohiuddin, O.A., Campbell, B., Poche, J. N., Ma, M., Rogers, E., Gaupp, D., et al. (2019). Децеллюляризованный гидрогель жировой ткани способствует регенерации костей в модели бедренного дефекта мыши критического размера. Фронт. Bioeng. Biotechnol. 7, 211.doi: 10.3389 / fbioe.2019.00211

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мурхед, К., Прудникова, К., Марколонго, М. (2019). Регуляторные эффекты протеогликанов на фибриллогенез и морфологию коллагена исследованы с использованием биомиметических протеогликанов. J. Struct. Биол. 206, 204–215. doi: 10.1016 / j.jsb.2019.03.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Моув, Дж. К., Оу, Г. К., Уивер, В. М. (2014). Сборка внеклеточного матрикса: многомасштабная деконструкция. Nat. Rev. Mol. Cell Bio 15, 771–785. doi: 10.1038 / nrm3902

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mullen, C.A., Haugh, M.G., Schaffler, M.B., Majeska, R.J., McNamara, L.M. (2013). Дифференцировка остеоцитов регулируется жесткостью внеклеточного матрикса и межклеточным разделением. J. Mech. Behav. БиоМед. 28, 183–194. doi: 10.1016 / j.jmbbm.2013.06.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Noori, A., Ashrafi, S.J., Vaez-Ghaemi, R., Хатамян-Зареми, А., Вебстер, Т. Дж. (2017). Обзор композитов фибрина и фибрина для инженерии костной ткани. Внутр. J. Nanomed. 12, 4937–4961. doi: 10.2147 / IJN.S124671

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Onishi, T., Shimizu, T., Akahane, M., Omokawa, S., Okuda, A., Kira, T., et al. (2018). Лист остеогенного внеклеточного матрикса для регенерации костной ткани. Eur. Cells Mater. 36, 69–80. doi: 10.22203 / eCM.v036a06

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пайва, К.Б.С., Гранжейро, Дж. М. (2017). Матричные металлопротеиназы в резорбции, ремоделировании и восстановлении костей. Прог. Мол. Биол. Пер. 148, 203–303. doi: 10.1016 / bs.pmbts.2017.05.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пати, Ф., Сонг, Т. Х., Риджал, Г., Джанг, Дж., Ким, С. В., Чо, Д. В. (2015). Орнамент 3D-печатных каркасов внеклеточным матриксом, уложенным клетками, для регенерации костной ткани. Биоматериалы 37, 230–241. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2014.10.012

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рамеш, Н., Моратти, С. К., Диас, Г. Дж. (2018). Биокомпозиты гидроксиапатит-полимер для регенерации костей: обзор современных тенденций. J. BioMed. Матер. Res. Б. Прил. Биоматер. 106, 2046–2057. doi: 10.1002 / jbm.b.33950

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ravindran, S., Gao, Q., Kotecha, M., Magin, R.L., Karol, S., Bedran-Russo, A., et al. (2012). Биомиметический каркас, содержащий внеклеточный матрикс, индуцирует экспрессию остеогенных генов в стромальных клетках костного мозга человека. Tissue Eng. Часть A 18, 295–309. doi: 10.1089 / ten.tea.2011.0136

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ren, J. Q., Jin, P., Sabatino, M., Balakumaran, A., Feng, J., Kuznetsov, S.A., et al. (2011). Глобальный анализ транскриптома стромальных клеток костного мозга человека (BMSC) выявляет пролиферативные, мобильные и интерактивные клетки, которые продуцируют большое количество белков внеклеточного матрикса, некоторые из которых могут влиять на активность BMSC. Цитотерапия 13, 661–674.doi: 10.3109 / 14653249.2010.548379

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Rentsch, C., Rentsch, B., Heinemann, S., Bernhardt, R., Bischoff, B., Forster, Y., et al. (2014). Покрытие, вдохновленное ECM, вышитых 3D каркасов усиливает регенерацию костей черепа. BioMed. Res. Int 2014, 217078. doi: 10.1155 / 2014/217078

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Roseti, L., Parisi, V., Petretta, M., Cavallo, C., Desando, G., Bartolotti, I., et al. (2017). Каркасы для инженерии костной ткани: современное состояние и новые перспективы. Мат. Sci. Англ. C-Mater. 78, 1246–1262. doi: 10.1016 / j.msec.2017.05.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sartori, M., Giavaresi, G., Parrilli, A., Ferrari, A., Aldini, N. N., Morra, M., et al. (2015). Коллагеновое покрытие I типа стимулирует регенерацию кости и остеоинтеграцию титановых имплантатов у крыс с остеопенией. Внутр. Ортоп. 39, 2041–2052.doi: 10.1007 / s00264-015-2926-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шамаз, Б. Х., Анита, А., Виджаямохан, М., Куттаппан, С., Наир, С., Наир, М. Б. (2015). Актуальность волоконно-интегрированного композитного каркаса желатин-наногидроксиапатит для регенерации костной ткани. Нанотехнологии 26, 405101. doi: 10.1088 / 0957-4484 / 26/40/405101

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Shi, G. X., Zheng, X. F., Zhu, C., Li, B., Ван Ю. Р., Цзян С. Д. и др. (2017). Доказательства роли R-спондина 1 и его рецептора Lgr4 в передаче механических стимулов к биологическим сигналам для образования кости. Внутр. J. Mol. Sci. 18, 564. doi: 10.3390 / ijms18030564

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шифлетт, Л. А., Тид-Льюис, Л. М., Се, Ю., Лу, Ю., Рэй, Е. К., Даллас, С. Л. (2019). Динамика коллагена в процессе встраивания и минерализации остеоцитов. Фронт. Cell Dev.Биол. 7, 178. doi: 10.3389 / fcell.2019.00178

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сингх, А., Гилл, Г., Каур, Х., Амхмед, М., Джакху, Х. (2018). Роль остеопонтина в ремоделировании кости и ортодонтическом движении зубов: обзор. Прог. Ортод. 19, 18. doi: 10.1186 / s40510-018-0216-2

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sun, T., Yao, S., Liu, M., Yang, Y., Ji, Y., Cui, W., et al. (2018). Композитные каркасы минерализованного природного внеклеточного матрикса на истинной костной керамике индуцируют регенерацию кости через пути Smad1 / 5/8 и ERK1 / 2 (том 24, стр. 502, 2018). Tissue Eng. Pt A 24, 1034–1034. doi: 10.1089 / ten.tea.2017.0179

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цай, С. В., Ченг, Ю. Х., Чанг, Ю., Лю, Х. Л., Цай, В. Б. (2010). Структура коллагена I типа модулирует поведение остеобластоподобных клеток. J. Taiwan Inst. Chem. E. 41, 247–251. doi: 10.1016 / j.jtice.2009.10.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ueno, A., Miwa, Y., Miyoshi, K., Horiguchi, T., Inoue, H., Ruspita, I., и другие. (2006). Конститутивная экспрессия тромбоспондина 1 в остеобластических клетках MC3T3-E1 подавляет минерализацию. J. Cell Physiol. 209, 322–332. doi: 10.1002 / jcp.20735

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Volk, S. W., Shah, S. R., Cohen, A. J., Wang, Y., Brisson, B. K., Vogel, L. K., et al. (2014). Коллаген III типа регулирует остеобластогенез и количество губчатой ​​кости. Calcif. Tissue Int. 94, 621–631. doi: 10.1007 / s00223-014-9843-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, X., Ван, Ю., Гоу, В. Л., Лу, К., Пэн, Дж., Лу, С. Б. (2013). Роль мезенхимальных стволовых клеток в регенерации костей и восстановлении переломов: обзор. Внутр. Ортоп. 37, 2491–2498. doi: 10.1007 / s00264-013-2059-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, M., Chao, C. C., Chen, P. C., Liu, P. I., Yang, Y. C., Su, C. M., et al. (2019). Тромбоспондин усиливает RANKL-зависимый остеокластогенез и способствует метастазированию в кости рака легких. Biochem.Pharmacol. 166, 23–32. doi: 10.1016 / j.bcp.2019.05.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вен, Л. П., Чен, Дж. П., Дуань, Л. Л., Ли, С. З. (2018). Витамин К-зависимые белки, участвующие в здоровье костей и сердечно-сосудистой системы. Mol. Med. Rep. 18, 3–15. doi: 10.3892 / mmr.2018.8940

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, Y. A., Chiu, Y. C., Lin, Y. H., Ho, C. C., Shie, M. Y., Chen, Y. W. (2019). Напечатанные на 3D-принтере биокаффолды из биоактивного силиката кальция / поли-эпсилон-капролактона, модифицированные биомиметическими внеклеточными матрицами для регенерации костей. Внутр. J. Mol. Sci. 20, 942. doi: 10.3390 / ijms20040942

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xie, J., Peng, C., Zhao, Q.H., Wang, X.L., Yuan, H.H., Yang, L.L. и др. (2016). Остеогенная дифференцировка и костная регенерация ИПСК-МСК, поддерживаемая биомиметическим нановолоконным каркасом. Acta Biomater. 29, 365–379. doi: 10.1016 / j.actbio.2015.10.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yi, S., Ding, F., Gong, L.И., Гу, X. С. (2017). Каркасы внеклеточного матрикса для тканевой инженерии и регенеративной медицины. Curr. Stem Cell Res. Т. 12, 233–246. doi: 10.2174 / 1574888X11666160

1. 2513

   CrossRef Полный текст | Google Scholar

   Зеленчук, Л. В., Хедж, А. М., Роу, П. С. (2015). Возрастная регуляция костной массы и функции почек с помощью мотива MEPE ASARM. Кость 79, 131–142. doi: 10.1016 / j.bone.2015.05.030

   PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

   Zhang, Z., Луо, X., Xu, H., Wang, L., Jin, X., Chen, R., et al. (2015). Внеклеточный матрикс, происходящий из стромальных клеток костного мозга, способствует остеогенезу стволовых клеток, полученных из жировой ткани. Cell Biol. Int. 39, 291–299. doi: 10.1002 / cbin.10385

   PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

   Zhang, W., Zhu, Y., Li, J., Guo, Q., Peng, J., Liu, S., et al. (2016). Внеклеточный матрикс, полученный из клеток: основные характеристики и современные приложения в инженерии ортопедических тканей. Tissue Eng. Часть B. Rev. 22, 193–207. doi: 10.1089 / ten.teb.2015.0290

   PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

   Zhang, D. M., Zhou, C. C., Wang, Q. X., Cai, L. Y., Du, W., Li, X. B., et al. (2018). Эластичность внеклеточного матрикса регулирует удлинение щелевого соединения остеоцитов: участие паксиллина во внутриклеточной передаче сигнала. Cell Physiol. Биохим. 51, 1013–1026. doi: 10.1159 / 000495482

   PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

   Zhang, S.F., Wan, H.X., Wang, P., Liu, M.M., Li, G.C., Zhang, C.X., et al. (2018). Белок внеклеточного матрикса DMP1 подавляет остеогенную дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток. Biochem. Биоф. Res. Co 501, 968–973. doi: 10.1016 / j.bbrc.2018.05.092

   CrossRef Полный текст | Google Scholar

   Zhang, J., Ma, Z., Yan, K., Wang, Y., Yang, Y., Wu, X. (2019). Протеин Matrix Gla способствует формированию костей, регулируя сигнальный путь Wnt / бета-катенин. Фронт.Эндокринол. (Лозанна) 10, 891. doi: 10.3389 / fendo.2019.00891

   PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

   Zhang, Y., Zhao, L., Wang, N., Li, J., He, F., Li, X., et al. (2019). Неожиданная роль матричного белка Gla в остеокластах: ингибирование дифференцировки остеокластов и резорбции костей. Mol. Cell Biol. 39, e00012–19. doi: 10.1128 / MCB.00012-19

   PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

   4.3B: Типы соединительной ткани

   Соединительные ткани включают в себя широкий спектр типов тканей, которые участвуют в связывании и поддержании структуры и тканей тела.

   Задачи обучения

   • Описать различные типы соединительной ткани

   Ключевые моменты

   • Лимфатическая система — это часть системы кровообращения, состоящая из сети каналов, называемых лимфатическими сосудами, которые переносят прозрачную жидкость, называемую лимфой, в однонаправленном направлении к сердцу.
   • Кровь считается особой формой соединительной ткани. У позвоночных он состоит из клеток крови, взвешенных в жидкости, называемой плазмой крови.
   • Первичная ткань кости, костная ткань, представляет собой относительно твердый и легкий композитный материал, состоящий в основном из фосфата кальция в химической структуре, называемой гидроксилапатитом кальция.
   • Жировая ткань или телесный жир — это рыхлая соединительная ткань, состоящая из адипоцитов.
   • Хрящ — это гибкая соединительная ткань, обнаруженная во многих областях тела человека и других животных, включая суставы между костями, грудную клетку, ухо, нос, локоть, колено, лодыжку, бронхи и т. Д. межпозвонковые диски.
   • У человека жировая ткань располагается под кожей (подкожный жир), вокруг внутренних органов (висцеральный жир), в костном мозге (желтый костный мозг) и в ткани груди.

   Ключевые термины

   • хрящ : Тип плотной несосудистой соединительной ткани, обычно обнаруживаемой на концах суставов, грудной клетке, ухе, носу, в горле и между межпозвоночными дисками.
   • жировая ткань : соединительная ткань, которая накапливает жир, смягчает и изолирует тело.
   • кровь : жизненно важная жидкость, текущая в телах многих видов животных, которая обычно переносит питательные вещества и кислород. У позвоночных он окрашен в красный цвет из-за гемоглобина, передается по артериям и венам, накачивается сердцем и обычно вырабатывается в костном мозге.

   Соединительная ткань делится на четыре основные категории:

   1. Соединительный элемент собственно
   2. Хрящ
   3. Кость
   4. Кровь

   Собственно соединительная ткань делится на два подкласса: рыхлая и плотная.Рыхлая соединительная ткань делится на 1) ареолярную, 2) жировую, 3)
   ретикулярную. Плотная соединительная ткань делится на 1) плотную правильную, 2) плотную неправильную форму, 3) эластичную.

   Ареолярная соединительная ткань

   Эти ткани широко распространены и служат универсальным упаковочным материалом между другими тканями. В функции ареолярной соединительной ткани входит поддержка и связывание других тканей.

   Также помогает в защите от инфекции. Когда область тела воспаляется, ареолярная ткань в этой области впитывает излишки жидкости в виде губки, а пораженный участок набухает и становится опухшим — состояние, называемое отеком.

   Жировая ткань или жир тела

   Жировая ткань : Желтая жировая ткань в парафиновом срезе с вымытыми липидами.

   Это рыхлая соединительная ткань, состоящая из адипоцитов. Технически он состоит только из 80% жира. Его основная роль заключается в хранении энергии в виде липидов, хотя он также смягчает и изолирует тело.

   Два типа жировой ткани — это белая жировая ткань (WAT) и коричневая жировая ткань (BAT).Жировая ткань находится в определенных местах, называемых жировыми отложениями.

   Ретикулярная соединительная ткань

   Эта ткань напоминает ареолярную соединительную ткань, но единственные волокна в ее матрице — это ретикулярные волокна, которые образуют тонкую сеть. Ретикулярная ткань ограничена определенными участками тела, такими как внутренние каркасы, которые могут поддерживать лимфатические узлы, селезенку и костный мозг.

   Плотная правильная соединительная ткань

   Он состоит из плотно упакованных пучков коллагеновых волокон, идущих в одном направлении.Эти волокна коллагена слегка волнистые и могут немного растягиваться.

   Обладая прочностью коллагена на разрыв, эта ткань образует сухожилия, апоневроз и связки. Эта ткань образует фасцию, фиброзную мембрану, которая обвивает мышцы, кровеносные сосуды и нервы.

   Плотная неправильная ткань

   Имеет те же структурные элементы, что и плотная обычная ткань, но пучки коллагеновых волокон намного толще и расположены нерегулярно. Эта ткань находится в областях, где напряжение действует с разных сторон.Он входит в состав участка дермы кожи и суставных капсул конечностей.

   Эластичная соединительная ткань

   Основные волокна, образующие эту ткань, по своей природе эластичны. Эти волокна позволяют тканям отталкиваться после растяжения. Это особенно заметно в артериальных кровеносных сосудах и стенках бронхов.

   Хрящ

   Это гибкая соединительная ткань, обнаруженная во многих областях тела людей и других животных, включая суставы между костями, грудную клетку, ухо, нос, локоть, колено, лодыжку, бронхи и т. Д. межпозвонковые диски.

   Хрящ состоит из специализированных клеток, называемых хондробластами, и, в отличие от других соединительных тканей, хрящ не содержит кровеносных сосудов. Хрящ подразделяется на три типа: 1) эластичный хрящ, 2) гиалиновый хрящ и 3) волокнистый хрящ, которые различаются относительными количествами этих трех основных компонентов.

   Эластичный хрящ

   Он похож на гиалиновый хрящ, но имеет более эластичную природу. Его функция — поддерживать форму конструкции, обеспечивая при этом гибкость.Он находится в наружном ухе (известном как ушная раковина) и в надгортаннике.

   Гиалиновый хрящ

   Это самый распространенный хрящ в организме. Его матрица кажется прозрачной или стеклянной при просмотре под микроскопом. Он обеспечивает прочную опору и обеспечивает амортизацию. Это основная часть скелета эмбриона, реберных хрящей ребер и хрящей носа, трахеи и гортани.

   Фиброхрящ

   Это смесь гиалинового хряща и плотной нормальной соединительной ткани.Поскольку он сжимается и хорошо сопротивляется растяжению, волокнистый хрящ находится там, где требуется сильная поддержка и способность выдерживать сильное давление. Он находится в межпозвонковых дисках костных позвонков и мениске коленного сустава.

   Костная ткань также называется костной тканью. Костная ткань относительно твердая и легкая по своей природе. Он в основном состоит из фосфата кальция в химическом составе, называемом гидроксиапатитом кальция, который придает костям их жесткость. Он имеет относительно высокую прочность на сжатие, но низкую прочность на разрыв и очень низкую прочность на сдвиг.

   Твердый внешний слой костей состоит из компактной костной ткани, так называемой из-за минимальных зазоров и пространств. Его пористость 5–30%. Эта ткань придает костям гладкий, белый и твердый вид и составляет 80% общей костной массы скелета взрослого человека.

   Заполняет внутреннюю часть кости губчатая костная ткань (пористая сеть с открытыми ячейками, также называемая губчатой ​​или губчатой ​​костью), которая состоит из сети стержневых и пластинчатых элементов, которые делают весь орган легче и оставляют место для крови. сосуды и костный мозг.

   Кровь

   Это считается специализированной формой соединительной ткани. Кровь — это жидкость организма животных, которая доставляет необходимые вещества, такие как питательные вещества и кислород, к клеткам и транспортирует продукты метаболизма от тех же самых клеток.

   Это атипичная соединительная ткань, так как она не связывает, не соединяется и не взаимодействует с какими-либо клетками тела. Он состоит из клеток крови и окружен неживой жидкостью, называемой плазмой.

   ЛИЦЕНЗИИ И АТРИБУЦИИ

   CC ЛИЦЕНЗИОННЫЙ КОНТЕНТ, ПРЕДЫДУЩИЙ РАЗДЕЛ

   CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЙ АТРИБУЦИЯ

   .