KUVA: Osteoni, kuoriluu, hohkaluu, luukalvot, Haversin kanavat ja sälöt

Hydroxyapatiitti tietokoneella

 Luonnollisen luun ja hampaan pääasiallisin mineraalifaasi on karbonoitunut hydroxiapatiitti.


Carbonated hydroxyapatite is the major mineral phase in natural bone and teeth and is therefore an attractive material for use in tissue replacement applications. However, its successful application as a biomaterial requires a detailed understanding of its bulk and surface structures, defect chemistry, growth and dissolution behaviour and interaction with complex biomolecules
. Computer modelling can aid experiment by investigating at the atomic level highly complex structures, properties and processes, which are still difficult or impossible to access with experimental techniques. Here, we describe our use of a combination of complementary computational techniques to investigate a number of topical issues relevant to the use of hydroxyapatite in biomaterials applications, including the bulk and surface structures of the pure material; the structure and location of carbonate impurities in the lattice; the uptake of fluoride and its effect on hydroxyapatite dissolution; and crystal growth inhibition by citric acid.

Hydroxyapatiitti (silkkisäikeessä)

Hampaanpoiston jälkeen. Luunmurtuman paraneminen

LÄHDE: Cardemil C. Bone repai
rIn: Effects of antiresorptive agents on inflammation and bone regeneration..p. 10-12  ( 2014  Thesis)

Suomennosta

 Luun paranemisesta

 Amler et al. jo kuvasivat  perusteellisesti  1960  hampaanpoiston yhteydessä tapahtuvaa haavan paranemisprosessia

Hampaanpoiston jälkeen muodostavat verisolut ja fibriini hyytymän. Fibriini on proteiini, joka osallistuu veren hemostaasiin.  Seuraavien 4- 5 päivän aikana hyytymä korvautuu granulaatiokudoksella, jossa on punasoluja, valkosoluja ja endoteelisoluja. Kolmannessa vaiheessa granulaatiokudos korvautuu sidekudoksella 14- 16 päivän jakson aikana. Luunmuodostuminen alkaa  seitsemän päivän päästä  osteoidin muodostumisella alveolikuopan pohjalta ja periferiasta  kuoppa täyttyy  hohkaluulla 38 päivän mentyä , pian sen jälkeen kun epiteeli on sulkeutunut 24.- 35. päivänä

Luunmurtuman korjautumisessa luun reduktio   ja luufragmenttien   fixaatio ovat  ensiarvoisen tärkeitä, jotta saadaan optimaalinen murtuman parantuminen aikaan. ( Pyrkimys raajan normaaliasentoon ja murtuman päitten saamiseen vastakkain)

Murtuman parantumisessa on kolme  vaihetta:
 (1) tulehdus, (2) korjaantuminen ja (3) remodelaatio.
Kun verisuonet  repeytyvät, ilmenee  vasodilataatiota ( suonten laajenemista)  ja plasman exudaatiota  ( nesteen tihkumista paikalle) sekä valkosoluja, ja luun murtuneet päätteet   menevät  nekroosiin.
Calluksen muodostuminen:
 
 Murtumarako täyttyy fibriinistä ja  muodostuu hematooma, jonka piirteenä on matala pH ja hypoksia.  Hematoma sisältää proinflammatorisia ja anti-inflammatorisia sytokiinejä ja runsaasti  valkosoluja.  Tähän callus-muodostumaan invasoituu ensiksi polymorfisia neutrofiilejä  (PMN) ja  naitten kintereillä makrofageja sekä T- ja B-imosoluja 8lymfosyyttejä) .

Kuolleet solut ja debrismateriaali houkuttelevät  paikalle neutrofiilejä, jotka lyhyenä elossaoloaikanaan erittävät  kemokiinejä (chemokines) kuten IL-6,  (interleukiini 6). Se taas  attrahoi makrofageja ja lymfosyyttejä (imusoluja) callus-alueelle.

 Tulehdusvaiheessa erittyviä muita pro-inflammatorisia  sytokiineja ovat  IL-1, TNF, RANKL, M-CSF-1 ( makrofaagiklooneja stimuloiva tekijä 1) , TGF-beeta ( transformoivan kasvutekijän beeta) suurperheen jäseniä   kuten BMP proteiinit ( luun morfogeneettiset proteiinit) .

Hypoksisesta olosuhteesta johtuen  vapautuu angiogeenisiä tekijöitä kuten  vaskulaarista endoteelistä kasvutekijää (VEGF) ja  siitä seuraa  endoteelisolujen migroituminen periosteumin  suonista tähän hematomaan tekemään siihen uusia verisuonia.

Fibroblastit tuottavat uutta kollageeniä (COL) , hematooman sijaan tulee granulaatiokudosta ja  mesenkymaalisten kantasoujen (MSC) erilaistuminen osteoblasteiksi edistyy..
Murtuma-alueen vakinaiset makrofagit ovat  keskeisiä   peiteluitten  ( intramembranous  bone)  muodostumisess, kun taas tulehdukselliset makrofagit joita rekrytoituu  murtumakohtaan vaikuttavat rustosyntyistä ( endochondral bone)  luutumista .

On neljän tyyppistä luun paranemista

 https://www2.aofoundation.org/wps/portal/surgerymobile?contentUrl=/srg/popup/further_reading/PFxM2/12_33_biol_fx_heal.jsp&soloState=precomp&title=&Language=en
(1)  endochondraalinen,  luun korjaantuminen rustovaiheen kautta
(2) primääri luun korjaantuminen
(3) suora luun korjaantumine
(4) distraktio-osteogenesis ., venytysluudutus( kirurginen;  http://www.duodecimlehti.fi/web/guest/arkisto?p_p_id=Article_WAR_DL6_Articleportlet&p_p_action=1&p_p_state=maximized&p_p_mode=view&p_p_col_id=column-1&p_p_col_count=1&viewType=viewArticle&tunnus=duo98528 )

 Endochondraalinen luun korjaantuminen tapahtuu, kun  stabiliteetti  on matala-asteista.  Alkuvaiheen pehmeä callus  transformoituu - luucallukseksi.. Periosteaaliset  edeltäjäsolut erilaistuvat  osteoblasteiksi,  mikä aloittaa intramembraanisen luun muodostumisen ja sitä seuraa  edelleen calluskasvua kondrosyyttien (rustosolujen)  avulla, jotka muodostavat rustoa ( cartilago),  jota ympäröi sidekudos ja granulaatiokudos. 10-14 päivän päästä kondrosyytit tulevat hypertroofisiksi ja  menevät apoptoosiin. Rusto  hypervaskularisoituu ja  rekrytoituneet mesenkyymikantasolut (MSC)  ja monosyytit erilaistuvat : edelliset osteoblasteiksi ja jälkimmäiset  osteoklasteiksi.  Kun kalkkeutunut rusto on resorboitunut, muodostuu uutta  luukudosta, joka on hohkaluuta (trabecular bone)   ja kun  luusiltaa on, sidekudos ja granulaatiokudos  korvaamtuvat  intramebraanilla kalvonvälisellä  luunmuodostuksella . Kun murtumarako on uuden luun täyttämä, osteoklastit alkavat  resorboida periostaalista callusmuodostumaa  ja luukudos remodeloituu lamellaariseksi (säleiseksi)  luuksi  kuoriluun murtuma-raossa ja sen jälkeen resorptio ja remodelaatio jatkuvat  ytimen calluksessa.

Primääri luun korjaantuminen tapahtuu kuoriluussa  (cortical bone) , kun on suora kontakti ja tukevan  stabiili tilanne.  Osteoclastit resorboivat luuta murtumaraon  molemmin puolin.  leikkaavin kartioin ja täten ne tekevät mahdolliseksi verisuonten kasvamisen callukseen ja niitä seuraa  edeltäjäsolut, jotka erilaistuvat  osteoblasteiksi. Ne  syntetisoivat lamellaarista (säleistä) luuta, joka  taas ei tarvitse remodelaatiota.

Suora luun korjaantuminen välittyy ilman rustoa verisuonten ja mesenkymaalisten solujen  avulla, jotka ovat luuydinperäisiä. Nämä solut  erilaistuvat ja syntetisoivat luukudosta ja lamellaarista luuta ja remodelaatio tapahtuu luun pituusakselin suuntaan. Tämän tyyppinen luun korjaantuminen tapahtuu, kun fragmenttiväli on suurempi kuin 0,1 mm ja fixaatio on tukeva.

Distraction osteogenesis, venytysluuduts on kirurginen, stimuloi luutumista   ja  välittyy periosteumin, endosteumin ja luuytimen kautta., jossa  luukudosta ja lamellaarista luuta tuottuu  laajemmaksi venytettyyn  murtumarakoon.

Luun aineenvaihdunnan systeeminen säätyminen (C Cardemil, 2014)

LÄHDE:
 Cardemil C. Systemic regulation of bone metabolism. In: Effects of antiresorptive agents on inflammation and bone regeneration..p. 9-10  ( 2014  Thesis)

Suomennosta 

• Luun aineenvaihdunnan systeeminen säätely ( C. Cardemil: Systemic regulation of bone metabolism)

Usea endokriininen tie kontrolloi luun aineenvaihduntaa ja säätelee mineraalien sekä glukoosin homeostaasia.
Niissä tekijöissä, jotka kontrolloivat mineraalien homeostaasia, on

•  lisäkilpirauhashormoni, (Parathyreoid hormone, PTH), 
•  Vitamiini D hormoni (1,25(OH)2D)
•  fibroblastien kasvutekijä 23 (FGF23), jota osteosyytti tuottaa.

 Energia-ainenvaihdunnassa   aineenvaihtoa säätelee

•  leptiini (LEP), 
•  sympaattinen hermosto (SNS),  
• osteokalsiini(OC) 
•  insuliini.

D-vitamiinia muodostuu ihossa auringonvalon vaikutuksesta ja silloin esimutoinen D2 vitamiini  muuttuu D3- vitamiiniksi  kehon lämmöstä ja  tämä vitamiinimuoto  muuttuu  edelleen  maksassa 25- hydroxyvitamiiniksi
(25(OH)D3). Munuaisessa   se muuttuu metabolisesti  aktiiviksi vitamiini D hormoniksi 1,25(OH)2D3.
 

Jos  lisäkilpirauhasessa sijaitseva   kalsiumia tunnistava  reseptori  havaitsee seerumin  kalsiumpitoisuuden olevan matala, stimuloituu rauhasesta esiin lisäkilpirauhashormonia (PTH).  



Sitten PTH vuorostaan stimuloi osteoklastien tekemää luun resorboimista,  kalsiumin imeytymistä munuaisista ja munuaisten  1,25(OH)2D3-  tuotantoa, jonka toimesta   suolesta  imeytyisi enemmän kalsiumia vereen  ja näin  lisääntyy seerumin kalsiumpitoisuus.




Jos seerumin fosfaattipitoisuudet ja  1,25(OH)2D3  pitoisuudet  ovat koholla , luussa (osteosyyteissä)  stimuloituu esiin FGF23 tuotanto, mikä  puolestaan  estää  lisäkilpirauhashormonin (PTH) tuotoa ja  metabolisesti aktiivin D- vitamiinin  1,25(OH)2D3  muodostumista.  ja niin myös  estyy  suolesta tapahtuva kalsiumin imeytyminen. Näiden lisäksi stimuloituu fosfaatin erittyminen munuaisista.
http://rimg.geoscienceworld.org/content/64/1/223.extract



Leptiini (LEP)  on peptidihormoni, jota  rasvasolut, adiposyytit, tuottavat ja uskotaan sillä olevan  säätelevää vaikutusta luun massaan, vaikkakin leptiinin täsmä roolista luussa vielä väitellään.
On kaksi päähypoteesiä  leptiinin  suorittamasta luun säätelystä:
(1) luunmuodostuksen epäsuora vaimentaminen  (suppressio) hypotalamuksen kautta lisäämällä sympaattisen hermojärjestelmän (SNS) signalointia  serotoniinisynteesin  (5-HT) suppressiolla,  vaimennuksella,
ja
(2)  suora positiivinen vaikutus lisäämällä osteoblastien proliferaatiota ja differentiaatiota.



Lisäksi  sympaattisen hermojärjestelmän (SNS) lisääntynyt signalointi lisää  osteokalsiinin (OC)  tuotantoa osteoblasteista ja osteosyyteistä , mikä puolestaan stimuloi haiman beeta-soluja lisäämään  insuliinintuotantoaan, mikä  taas stimuloi osteoblasteja ja niiden osteokalsiinin (OC) tuotantoa.

Osteoblastien insuliinisignalointi  edistää myös luun resorptiota alentamalla osteoprotegeriinin (OPG) ilmenemistä  täten stimuloiden osteoklastogeneesiä. 

Edelleen osteokalsiini (OC) stimuloi  adiposyyttejä tuottamaan adiponektiiniä, insuliiniherkkää hormonia.

Estrogeeni ja androgeeni omaavat vahvoja vaikutuksia luuston kasvuun ja ne osallistuvat myös luuston homeostaasiin.

Estrogeeni estää luukatoa lisäämällä osteoprotegeriinin (OPG)  ilmenemistä osteoblasteissa ja vähentämällä  RANKL:in  ja TNF-alfan ilmenemistä.  Estrogeeni vaikuttaa luitten pituuskasvuun, sillä  pienissä pitoisuuksissa estrogeeni tehostaa  luuston kasvua ja suuret pitoisuudet johtavat  kasvulevyjen fuusioon.
 Estrogeenit ovat myös  tehokkaita säätelijöitä kasvuhormonille (GH) ja insuliinin kaltaiselle kasvutekijälle 1 (IGF-1). Oletetaan myös, että estrogeeni indusoi prekursorisolujen erilaistumista osteoblasteiksi adiposyyttien erilaistumisen kustannuksella estäen täten osteoblastien apoptoitumista.

Sukupuolihormonien reseptorit omaavat erilaiset tehtävät HOHKALUUN (trabecular bone)   ja KUORILUUN  (cortical bone)  alueella.  Vasteet kasvuhormonien, hormonien ja mekaanisen  rasituksen muutoksille ovat myös erilaiset  pitkien luitten PERIOSTEUM  ja   ENDOSTEUM -pinnoilla.

ERalfa, estrogeenin reseptori alfa, on luussa kaikkein tärkein estrogeenin vaikutusten välittäjä.
Alentuneeseen HOHKALUUN  (trabecular bone)  resorptioon johtaa estrogeenin suorat vaikutukset osteoklasteihin ja suorat tai epäsuorat  vaikutukset B-lymfosyytteihin, joita vaikutuksia välittää ERalfa.
KUORILUUN ( Cortical bone) massaa estrogeeni suojaa  epäsuorasti osteoblastiprogeniittoreitten  ERalfa- reseptorin kautta  heikentämällä  luun reorptiota endokortikaalisilla pinnoilla.
Osteoblastein androgeenireseptori (AR)  on välttämätön  miesten HOHKALUUN (trabecular bone) ylläpidossa.

LRP-5-Wnt-beeta -kateniini signalointitien aktivoituminen  vaaditaan luun fysiologisessa vasteessa mekaaniseen rasitukseen.
LRP-5   on  Low-density lipoprotein receptor- related protein 5. 
ERalfa on osoittautunut  Wnt- signalontia  vahvistavaksi  osteoblasti-progeniittorisoluissa. 
Iän mukana osteoblastien  vastaavuus mekaaniseen stimulukseen  alenee, mikä saattaa johtua menopaussissa  tapahtuvasta estrogeenin kadosta, koska  ERalfa säätyy alas.

Päivitys 20.1. 2017
LÄHDE:  Väitöskirja Carina Cardemil: Effects of antiresorptive agents on inflammation and bone regeneration in different osseus sites- experimental and clinical studies.  University of Gothenburg. ISBN 978-91-628-9108-4.
Kappale Systemic regulation of bone metabolism  sivut 9-10.Suomennosta.

Pohdinta Sharpeyn säikeitten merkityksestä : Onko kyse uudesta luumatrixin säätelyjärjestelmästä?

• Front Endocrinol (Lausanne). 2012 Aug 9;3:98. doi: 10.3389/fendo.2012.00098. eCollection 2012. Periosteal Sharpey's fibers: a novel bone matrix regulatory system?

Aaron JE.

Sharpey's "perforating" fibers (SF) are well known skeletally in tooth anchorage. Elsewhere they provide anchorage for the periosteum and are less well documented.
 Immunohistochemistry has transformed their potential significance by identifying their collagen type III (CIII) content and enabling their mapping in domains as permeating arrays of fibers (5-25 μ thick), protected from osteoclastic resorption by their poor mineralization.
 As periosteal extensions they are crucial in early skeletal development and central to intramembranous bone healing, providing unique microanatomical avenues for musculoskeletal exchange, their composition (e.g., collagen type VI, elastin, tenascin) combined with a multiaxial pattern of insertion suggesting a role more complex than attachment alone would justify.
 A proportion permeate the cortex to the endosteum (and beyond), fusing into a CIII-rich osteoid layer (<2 μ thick) encompassing all resting surfaces, and with which they apparently integrate into a

PERIOSTEAL-SHARPEY FIBER-ENDOSTEUM (PSE) structural continuum.

This intraosseous system behaves in favor of bone loss or gain depending upon extraneous stimuli (i.e., like Frost's hypothetical "mechanostat"). Thus, the birefringent fibers are sensitive to humoral factors (e.g., estrogen causes retraction, rat femur model), physical activity (e.g., running causes expansion, rat model), aging (e.g., causes fragmentation, pig mandible model), and pathology (e.g., atrophied in osteoporosis, hypertrophied in osteoarthritis, human proximal femur), and with encroaching mineral particles hardening the usually soft parts. In this way the unobtrusive periosteal SF network may regulate bone status, perhaps even contributing to predictable "hotspots" of trabecular disconnection, particularly at sites of tension prone to fatigue, and with the network deteriorating significantly before bone matrix loss.

KEYWORDS:

collagen type III; collagen type VI; elastin; endosteal membrane; matrix biochemical domains; skeletal aging; tenascin

Free PMC Article
 collagen type VI, elastin, tenascin) combined with a multiaxial pattern of insertion suggesting a role more complex than attachment alone would justify. A proportion permeate the cortex to the endosteum (and beyond), fusing into a CIII-rich osteoid layer (<2 μ thick) encompassing all resting surfaces, and with which they apparently integrate into a PERIOSTEAL-SHARPEY FIBER-ENDOSTEUM (PSE) structural continuum. This intraosseous system behaves in favor of bone loss or gain depending upon extraneous stimuli (i.e., like Frost’s hypothetical “mechanostat”). Thus, the birefringent fibers are sensitive to humoral factors (e.g., estrogen causes retraction, rat femur model), physical activity (e.g., running causes expansion, rat model), aging (e.g., causes fragmentation, pig mandible model), and pathology (e.g., atrophied in osteoporosis, hypertrophied in osteoarthritis, human proximal femur), and with encroaching mineral particles hardening the usually soft parts. In this way the unobtrusive periosteal SF network may regulate bone status, perhaps even contributing to predictable “hotspots” of trabecular disconnection, particularly at sites of tension prone to fatigue, and with the network deteriorating significantly before bone matrix loss.

Keywords: collagen type III, collagen type VI, tenascin, elastin, matrix biochemical domains, skeletal aging, endosteal membrane

PERIOSTEUM AND SHARPEY’S FIBERS

PERIOSTEUM

This strong, encapsulating skeletal membrane containing osteoprogenitor cells consists of an outer fibrillar layer and an inner cellular layer that is usually poorly defined unless actively engaged in osteoid apposition. Despite its relatively low visual impact it defines vital developmental boundaries. Extending from it are the Sharpey’s fibers that ensure adhesion to the outer cortex and to tendons and ligaments, themselves perceived as modified periosteum (Hurle et al., 1989). While the unstressed periosteum seems biochemically quiescent, short bursts of loading stimulates the rapid induction of enzyme activity within discrete periosteal and bone matrix domains (Skerry et al., 1989) apparently by the mediation of signals to selected regions.

SHARPEY’S FIBERS

These delicate optical features (Figures ​Figures11 and ​and22) described as “perforating fibers” by William Sharpey, cross matrix lamellae and are particularly abundant in the alveolar socket of the teeth (Sharpey et al., 1867). Also reporting them at this time was H. Muller (Quain’s Elements of Anatomy, 1867) who recognized the elastic nature of the fibers and a tendency to “escape calcification.” Later Weidenreich (1923), citing Koelliker (1886), confirmed their poorly mineralized status, and although they were apparently short and superficial he was of the opinion that they influenced not only the external anatomy but also the internal bone structure. From another quarter were reports by Tomes (1876) and Black (1887) that embedded Sharpey’s fibers constituted the cemento-alveolar fibers of the periodontal ligament, and in due course Cohn (1972) mapped their passage through the cementum and on across the entire thickness of the alveolar wall (Quigley, 1970). Other related reports followed, such as that by Jones and Boyde (1974) outlining further their presence in the cranial sutures and muscle attachments as well as in tooth sockets. However, the subsequent literature focused almost exclusively on Sharpey’s fibers functioning as the periodontal ligament and how this special dental structure altered with age both organically and inorganically, weakening its tooth-holding capacity. The detrimental changes observed included fibrosis, increased cellularity, and progressive calcification (Sloan et al., 1993).

FIGURE 1

Photomicrograph of a typical representative array of three periosteal Sharpey’s fibers (black arrows), each about 15 μm thick, and extending from the periosteum (P), through the bone (B) toward the endosteum outside which is the marrow ...

FIGURE 2

Photomicrograph of two typical representative collagen type III-rich Sharpey’s fibers, about 10 μm thick, and fluorescing positive within the negative calcified bone matrix. Human proximal femur. FITC-immunostain for CIII, UV epifluorescence ...

At the present time, sufficient evidence is now accumulating to suggest that the relative neglect of those abundant Sharpey’s fibers located away from the dentition may be unjustified. In redressing the balance in favor of their structural significance elsewhere in the skeleton, and complementing the classification of Johnson (1987), Al-Qtaitat (2004), 2007 identified two types of Sharpey’s fibers (see also Al-Qtaitat et al., 2010), one coarse (8–25 μm thick) and the other fine (<8 μm thick). Their entry angle into the subperiosteal bone was multiaxial. It included the almost horizontal (i.e., tangential) fibers especially common with age and often found among inserting muscle fascicles, functionally propagating biomechanical exchange across the periosteum. It also included the perpendicular (i.e., vertical) fibers, frequently crossing the cortex to the cancellous region and generally of the coarse type in bundles <40 μm thick, functionally adding complexity to the muscle-to-bone interface that may influence bone atrophy, augmentation, and remodeling. In addition were the oblique fibers, these being the most numerous and predominant in the young skeleton, functionally mediating exchange between the periosteum and outer cortex and providing soft tissue anchorage. While some of these insertions apparently ended abruptly (like rows of short, regular parallel stitches), it was the proportion that traversed to the medulla, some becoming intertrabecular, others with dispersed intra-osseous fan-like termini that were of special interest. Added to this was their unusual profile in transverse section, which was not the simple circle expected but showed sharply defined surface indentations and configurations ranging from a horseshoe-shape to a “hollow” core (Aaron and Skerry, 1994).

Further examination using an established histochemistry test for elastin (Verhoeff’s stain) supported the observation of Muller above that (unlike collagen type I, CI) they have elastic properties that can absorb strain. Moreover, the elastin staining was not uniform but suggested the discrete contours of a spiral encircling some of the individual coarse fibers (Aaron and Skerry, 1994). The mechanical properties of elastin are unique. Unlike non-extensible collagen it can be stretched, recoils, branches, and imparts flexibility. However, it has been rarely documented in bone (Johnson and Low, 1981; Keene et al., 1991), except, that is, at sites of tendon and ligament insertion, and its presence will alter the biophysical properties of the Sharpey’s fibers.

IMMUNOHISTOCHEMISTRY OF SHARPEY’S FIBERS

It required a technological advance to demonstrate the otherwise hidden scale of Sharpey fiber permeation and to establish their biochemical composition more extensively (see Aaron and Shore, 2004b for technical details). Polarized light showed a highly birefringent nature consistent with collagen, but little else could be deduced by simple staining (Smith, 1960), with for example picro-sirius red stain, or by the Goldner tetrachrome method (Aaron and Shore, 2004b). The prospect was transformed by the introduction of heavy duty cryomicrotomy (see for example, Aaron and Carter, 1987; Carter et al., 1989), combined with the increasing availability of a widening range of specific fluorescent antibodies. Prior to this, the organic matrix biochemistry was based on tissue homogenates and extracts. The new method enabled a structural face to be applied. This identified previously unsuspected matrix sub-divisions, showing a mosaic of biochemically distinct domains, defined by boundaries and with differential aptitudes for signal trafficking through, for example, endochondrally derived versus intramembranous regions. Perhaps foremost among these potentially transducing macomolecules is collagen type III (CIII). It is this together with amounts of collagen type VI (CVI), tenasin, fibronection, and elastin, that are now known to characterize the Sharpey’s fibers, meaning that structurally they are considerably more complex than was previously supposed, and especially complex for structures fulfilling the relatively uncomplicated function of anchorage traditionally assigned to them.

An advance in their histochemical differentiation had pre-empted their immunohistochemistry with descriptions of certain “argyrophilic” matrix fibers (Nowack et al., 1976; Carter et al., 1991 for references), which in retrospect were found to be coincident in distribution with CIII immunostaining. As with the more prominent CI, so CIII is also found in all interstitial connective tissues but in contrast there was little evidence for its occurrence in bone, with the exception of the earliest mesenchymal condensations (Pratt, 1959; Page et al., 1986), and its well documented appearance in alveolar bone (Becker et al., 1986). The application of CIII immunostaining (Figure ​Figure22) has now transformed this state of affairs (Wang et al., 1980), leaving in no doubt its discrete structural affinity for the birefringent Sharpey’s fibers.

Collagen type III

It is recognized that different collagens, e.g., CI and CIII can be present in the same fibril to modulate its physical properties. Like CI, the structure of CIII consists of long (300 nm) uninterrupted triple helices, chemically distinguished from CI by an increased level of 4-Hyp and the occurrence of cysteine, facilitating disulphide bond formation. In contrast to the high tensile strength of CI fibers, those of CIII are thinner and less orderly (Kielty et al., 1993) and they are prevalent in tissues with clear elastic properties, including skin, aorta, lung, and gut. As well as being argyrophilic, above, these fibers were known histologically as reticulin fibers, and were especially associated with epithelial basement membrane stability, where their contribution to organ containment cannot be overestimated. It was reported by Bailey et al. (1993) that in normal human bone CIII content averaged 4–5%, with 3% in osteoporotic bone. Similarly in culture conditions osteoblast-like cells have been said to secrete about 6% CIII (Aufmokolk et al., 1985; see Luther, 1998 for references). The collagens CI, II, and III are all translated from mRNA coding for pre-proα chains with similar, but not identical, N- and C-terminal extensions. The partnership of CIII with CVI is reported to provide exceptional stability (e.g., Hulmes, 1992; Sherwin et al., 1999) and this combination in Sharpey’s fibers must have fundamental implications for their persistence in a tissue with the versatility and turnover of bone.

Collagen type VI

A structural association between CIII and CVI in bone was reported by Becker et al. (1986), and CVI was said to be reduced in osteoporosis (OP; Bailey et al., 1993) although the implications were not clear. CVI is microfibrillary, composed of a short triple helical axis and globular termini, creating its typical dumbell shape. It has many adhesive RGD sequences and like CIII has stabilizing disulfide bonds (Hulmes, 1992). It has been suggested that the removal of CVI is a factor that may permit remodeling (Sloan et al., 1993).

From the above evidence it is clear that Sharpey’s fibers are uniquely placed and have the morphological complexity (Figure ​Figure33) to mediate musculoskeletal cohesion and exchange. They are the only continuous anatomical structure to (i) integrate directly with the muscles, ligaments, and tendons, (ii) traverse the periosteum from which they arise, and (iii) permeate the extracellular matrix multiaxially and to varying degrees. Insight into their most basic structural modulation may be found in tooth movement where orthodontic forces strengthen the CIII periodontal attachment (Wang et al., 1980) by increasing the diameter of the Sharpey’s fibers. Again, in calvarial bone, the Sharpey’s fibers are organized relative to the pull of the masticatory muscles (Simmons et al., 1993), while in spaceflight there is apparently disorganization of the subperiosteal collagen fibrils (Wronski and Morey, 1983; Vailas et al., 1988).

FIGURE 3

Diagram showing (A) a stylized CIII/CVI-rich periosteal Sharpey’s fiber with adherent beaded chains of tenascin and encircled by a coil of elastin, and (B) tracings of the same coarse fibers (about 15 μm diameter) in cross section showing ...

There now follows seven reasons why the Sharpey’s fiber network may act as an extracellular regulatory system in bone. Its candidature has been a lengthy one. Though not assigned as such, elements of the trabecular framework proposed below probably commenced in the seventeenth century at the dawn of microscopy with descriptions by Clopton Havers (Dobson, 1952) of penetrating “fibrillae,” thereby possibly preceding Sharpey himself. The precise nature of the musculoskeletal exchange mechanism instigated remains to be established, for example, a piezoelectric phenomenon (the piezoelectric modulus of tendon is apparently 30-fold that of bone; Marino and Becker, 1971) or one involving stress-regulated excitatory amino acids analogous to neural pathways (Mason et al., 1997) may be considered; there is also evidence that the ligaments with which the Sharpey’s fibers integrate may function as proprioceptors (Johansson et al., 1991).

SHARPEY’S FIBERS IN FETAL BONE DEVELOPMENT (FIBRONECTIN AND TENASCIN FACTORS)

A system of Sharpey’s fibers continuous with the ectodermal membrane is present from an early embryonic stage. They appear as dorso-ventral fibrillar bundles, about 1μm thick, containing also CI, fibronectin, and tenascin. They occupy an area that becomes an intracortical CIII-rich domain in the limb bud that is linked to tendon generation (Hurle et al., 1989) and variations from the norm can have pathological consequences. This is illustrated by comparing intramembranous bone development in the normal human femoral anlagen with that of dysplastic lesions (Carter et al., 1991). Key structural molecules in the genesis of new trabeculae are not only collagen types III and VI, but also adherent are the glycoproteins tenascin and fibronectin. Regarded as “biological organizer” molecules they carry the adhesive RGD sequence, fibronectin apparently influencing fibroblast migration. However, in relation to Sharpey’s fibers it is tenascin that seems to have a special role, where it may mediate attachment of osteoblasts by means of its cell recognition signal (Ruoslahti and Pierschbacher, 1986). The occasional surface location of alkaline phosphatase on some fibers may relate to this signal and may indicate the expansion of thinner fibers with circumferential apposition in response to brief loading (Aaron, 1980b). Immunostaining for tenascin indicates that it adopts a highly characteristic beaded pattern (Figure ​Figure33) the linear alignment of which is critical for normal development, as follows.

Contiguous with the periosteum surrounding developing intramembranous bone are arrays of CIII-rich Sharpey’s fibers which apparently form a scaffold upon which the new trabeculae are assembled and the bone modeling event takes place. The framework is recognized by antibodies to CI and fibronectin, but these affinities disappear as the Sharpey’s fibers become surrounded by calcified bony tissue. Remaining in association, however, is tenascin in a remarkable regular beaded arrangement. The intramembranous bone formation can only apparently continue in an orderly manner toward maturity on condition that tenascin is specifically associated with the Sharpey’s fibers at this crucial stage. In its absence the bony tissue is permanently destined to remain disorganized and immature, as is the case in fibrous dysplasia (Sloan et al., 1989; Carter et al., 1991).

The preliminary framework appears to persist to maturity (being absent from endochondrally derived bone) as periosteal myotendinous insertions of Sharpey’s fibers. By providing this continuous, elastic (Keene et al., 1991) intermediary between the developing musculature and the developing bone matrix the CIII fibers may enable the translation of stresses generated by contractile tissues into compliant modeling and remodeling of the contiguous trabecular architecture in the femoral anlagen (Pratt, 1959; Wong and Carter, 1990). It may be envisaged that an understanding of such interactions between organizing proteins (like tenascin and fibronectin) and extracellular structures like CIII fibers which are fundamental to early trabecular development in the first stages of life may direct novel strategies for restitution of the atrophied skeleton in later life.

SHARPEY’S FIBERS IN MATURE BONE REPAIR FOLLOWING ABLATION (THE ENDOSTEUM FACTOR)

Just as damage to the adult periosteum stimulates the polarized extension of its Sharpey’s fibers to re-establish lost continuity, so also does the endosteum appear to be similarly stimulated when damaged experimentally, as in the course of tissue ablation of a cylindrical hole in the ovine pelvic girdle caused by the removal of an 8 mm diameter trephine bone biopsy (Aaron and Skerry, 1994). Picking up the damaged threads, and considerably more numerous where there are bone fragments (a likely source of local growth factors), there arises from the excised surfaces marshaled arrays of uncalcified, discrete coarse (5–25 μm) birefringent fibers, converging centripetally. It is upon this assembly that the replacement primary trabeculae gain support, and in regions where the scaffold is absent, so also absent is trabecular genesis. This endosteally derived fibrous framework remains unmineralized and therefore apparently protected from osteoclastic resorption (Aaron, 1980a), aided by other inhibitory intrinsic factors such as CVI. It apparently survives, even when the thickening primary bars are significantly opened up by resorption channels into a typical network of mature secondary trabeculae. The outcome of this endosteal activity is the guaranteed presence of a persistent fibrillar assembly that crosses domain boundaries without interruption, bonding soft to hard tissues and new bone to old, and which seems central to a self-repair process of admirable efficacy. Thus, the subperiosteal trabecular generation of embryonic skeletal development in Section “Sharpey’s Fibers in Fetal Bone Development (Fibronectin and Tenascin Factors)” above is conserved and recapitulated subendosteally in the adult in response to insult (and possibly also sclerotic pathology such as Paget’s disease).

....-

 an associated decline in muscle insertions. The apparent demise of the proximal domain in this way was accompanied by a significant reduction in both the length and the number of CIII/CVI fibers.

FIGURE 4

Diagram of a mature rat femur showing the gross configuration of the expansive CIII/CVI-rich proximal domain of Sharpey fiber bone (striped area), terminating in CII/CVI-rich “anchors” (round dots), (A) in a normal control, (B) expanded ...

Insight into a remarkable example of form-and-function adaptation by the periosteum and its appendages came about unexpectedly in mapping the perimeter of the proximal domain above. Along the part of its inner boundary that occurs approximately mid-cortex were distributed at intervals, like small buttons, islands of cartilage, looking at first sight like remnants of endochondral ossification (Figure ​Figure4).

Tenaskiini -W voi olla syövän merkitsijäproteiini

BMC Clin Pathol. 2012 Sep 4;12:14. doi: 10.1186/1472-6890-12-14. Tenascin-W is a better cancer biomarker than tenascin-C for most human solid tumors.

Brellier F¹, Martina E, Degen M, Heuzé-Vourc'h N, Petit A, Kryza T, Courty Y, Terracciano L, Ruiz C, Chiquet-Ehrismann R.

• Tenaskiinit ovat isoja glykoproteiineja, joita extrasellulaarimatrisista löytyy monessa alkion  ja täysikäisen kudoksessa. Tenaskiini-C on  hyvin tutkittu biomerkitsijä, jonka esiintymä  useimman  solidin tuumorin stroomassa  on koholla. Tenaskiini-W on vähiten tutkittu tämän perheen jäsenistä ja sitä on runsaasti ilmenevänä  paksunsuolen syövän, rintasyövän ja glioomien stroomassa, mutta vastaavista normaaleista kudoksista  se ei ole löydettävissä.  Tutkijat  selvittelevät, .voisiko tenaskiini-W olla laajemminkin solidien tuumorien spesifinen extrasellulaarimatrixproteiini

Tenascins are large glycoproteins found in the extracellular matrix of many embryonic and adult tissues. Tenascin-C is a well-studied biomarker known for its high overexpression in the stroma of most solid cancers. Tenascin-W, the least studied member of the family, is highly expressed in the stroma of colon and breast tumors and in gliomas, but not in the corresponding normal tissues. Other solid tumors have not been analyzed. The present study was undertaken to determine whether tenascin-W could serve as a cancer-specific extracellular matrix protein in a broad range of solid tumors.

•  Tutkijat selvittivät  immunologisin ja immunohistokemiallisin menetelmin tenaskiini-W:n (TNW)  ja tenaskiini-C:n  (TNC) ilmenemät haima-, munuais- ja keuhkosyöpäleikkeistä  sekä melanoomasta ja vertasivat löytöjä terveisiin kudoksiin.

We analyzed the expression of tenascin-W and tenascin-C by immunoblotting and by immunohistochemistry on multiple frozen tissue microarrays of carcinomas of the pancreas, kidney and lung as well as melanomas and compared them to healthy tissues.

•  Kaikista tutkituista terveistä ihmiskudoksisa vain  maksasta ja pernasta oli hjavaittavissa  tenaskiini-W pitoisuuksia ja tämä viitaisi siihen, että tenaskiini-W puuttuu useimmista täysi-ikäisen elimistä normaalisti, ei -patologisissa olosuhteissa.
• Sitävastoin  tenaskiini W.tä  oli havaittavissa useimmissa melanoomissa ja niiden metastaseissa, samoin  haima- munuais- ja keuhkokarsinoomassa.  Kun verrattiin keuhkotuumosinäytteitä   vertaiskontrollien kudoksiin havaittiin  joka potilaalla  selvä tenaskiini-W:n yliexpressio

From all healthy adult organs tested, only liver and spleen showed detectable levels of tenascin-W, suggesting that tenascin-W is absent from most human adult organs under normal, non-pathological conditions. In contrast, tenascin-W was detectable in the majority of melanomas and their metastases, as well as in pancreas, kidney, and lung carcinomas. Comparing lung tumor samples and matching control tissues for each patient revealed a clear overexpression of tenascin-W in tumor tissues. 

• Vaikka   tutkittujen näytteiden määrä on liian pieni  statistisesti merkittävien johtopäätösten vetämiseen, näyttää kuitenkin olevan trendiä W- tenaskiinin lisääntymään  korkeaasteisissa tuumoreissa.  usseimmissa tuumorityypeissä  tenaskiini-W esiintyi  verisuoniston läheisyydessä kuten näytteiden  CD31  samanaikaisvärjäys osoittaa

Although the number of samples examined is too small to draw statistically significant conclusions, there seems to be a tendency for increased tenascin-W expression in higher grade tumors. Interestingly, in most tumor types, tenascin-W is also expressed in close proximity to blood vessels, as shown by CD31 co-staining of the samples.

• Johtopäätöksiä:  Tässä tutkimuksessa laajennetaan  tenaskiini-W:n  käyttöaluetta   solidien tuumorien  mahdollisena biomerkitsijänä  ja osoitetaan    että se on saavutetavissa verenvirtauksen kautta, mikä  mahdollistaa  terapeuttisia  strategioita.

The present study extends the tumor biomarker potential of tenascin-W to a broad range of solid tumors and shows its accessibility from the blood stream for potential therapeutic strategies.

Free PMC Article

NCP: Tenaskiinit

TENASKIINI.

Tenaskiinit ovat extrasellulaaristen (ECM) glykoproteiinien perhe. Ne ovat multifunktionaalisia ja suorittavat sidekudossignalointia .Niillä on osuutta myös synapsin plastisuudessa.Ne ovat multifunktioproteiineja.

Wikipedialähde antaa tenaskiinin rakenteesta kuvan C- terminaali, N-terminaali

Fibronektiini tyyppi III- domeeni näkyy tenaskiinin rakenteessa. C-terminaali ( punavärillä ja N- terminaali sinivärillä.

TENASKIINI on extrasellulaarinen matrixglykoproteiini. Sitä on runsaasti kehittyvän selkärankaisalkion extrasellulaarisessa matrixissa ja sitä ilmenee uudestaan parantuvien haavojen ympärillä ja joidenkin tuumorien stroomassa. 

 

TENASKIINITYYPIT, GEENIT

Tenaskiinia on neljä tyyppiä: C, R, X j ja W.

• Tenaskiini C on geeniperheen perusjäsen Alkiossa sitä valmistuu neuraalipoimun migroituvista soluista. Sitä on myös runsaasti kehittyvissä jänteissä, luussa ja rustossa.. Sen geeni on TNC ja sijaitsee kromosomissa 9q33.  Koodautunut tenaskiini-C-  proteiini on 2200 aminohappoa. 

Tenascin-C )is the founding member of the gene family. In the embryo it is made by migrating cells like the neural crest; it is also abundant in developing tendons, bone and cartilage.

• Tenaskiinia- R on löydettävissä kehittyvässä ja täysikäisessä hermokudoksessa. KTS: synaptisesta plastisuudesta  suomalainen artikkeli, josa tenaskiinit mainitaan: http://www.tietysti.fi/Tiedostot/Tapahtumat/Taira,%20Lauri,%20Rauvala%20Duodecim%202003.pdf
  Sen geeni on TNR ja sijaitsee kromosomissa 1q24.  Geenin koodamaa tenaskiini-R on 1357 aminohappoa.   Edellisen kaltainen on tenaskiini-N, geeni TNN löytyy  läheltä kromosomiasemasta 1q23-q24.  Tämä on "novel", uudempi löytö.  

Tenascin-R is found in the developing and adult nervous system.

• Tenaskiini-X on löydettävissä ensisijassa höllässä sidekudoksessa. Ehlers-Danlosin oireyhtymää voi seurata tenaskiini-X geenin mutaatioista. Tästä löydän  kaksi geeni mainintaa.  TNXB geeni, sijainti kromosomissa 6p21.3 ja se koodaa  proteiinia, jossa on 4241 aminohappoa.  Pseudogeeni , "TenaxinX-like" on TNXA ja sen asema on 6p21.3. 

Tenascin-X is found primarily in loose connective tissue; mutations in the human tenascin-X gene can lead to a form of Ehlers-Danlos syndrome. [2]

• Tenaskiini-W on löydettävissä munuaisesta ja kehittyvästä luusta.  Tätä geeniä en löytänyt ihmiseltä UniGene  kirjastosta.  Hain sitten  suoralla haulla PubMed hakulaitteesta ja siinä  maintiaan  tenaskiini W proteiinin ilmenemisestä tuumoreissa ja sen käytöstä tuumorin karsinoman  merkitsijänä. Tästä otan sitaatin ja suomennan  seuraavassa artikkelissa.
  

Tenascin-W is found in the kidney and in developing bone.  ( Kts. seuraava artikkeli)

 

TENASKIININ PERUSRAKENNE

Tenaskiinin perusrakenteessa on 14 EGF:n kaltaista toistoa N-terminaalia kohden ja 8 tai usempi fibronektiini-III domeenia, jotka vaihtelevat eri lajeissa ja varianteissa.
The basic structure is 14 EGF-like repeats towards the N-terminal end, and 8 or more fibronectin-III domains which vary upon species and variant.

Tenaskiini-C on tarkimmin tutkittu tämän perheen jäsen. Sen anti-adhesiivinen ominaisuus aiheuttaa, että soluviljelyn solut pyöristyvät, kun sitä lisätään kudosviljelyväliaineesseen. Eräs mahdollinen mekanismi, joka tämän selittäisi, lie sen kyky sitoutua extrasellulaarisen matrixin glykoproteiinin fibronektiiniin ja blokeerata fibronektiinin ja sepsifisten syndekaanien väliset vuorovaikutukset. Jos tenaskiini-.C:tä ilmenee jonkun tuumorin stroomassa, tämä ilmiö liittyy huonoon prognoosiin. 
 

Tenascin-C is the most intensly studied member of the family. It has anti-adhesive properties, causing cells in tissue culture to become rounded after it is added to the medium. One mechanism to explain this may come from its ability to bind to the extracellular matrix glycoprotein fibronectin and block fibronectin's interactions with specific syndecans. The expression of tenascin-C in the stroma of certain tumors is associated with a poor prognosis.

Viitteet:

1. PDB 1TEN; Leahy DJ, Hendrickson WA, Aukhil I, Erickson HP (November 1992). "Structure of a fibronectin type III domain from tenascin phased by MAD analysis of the selenomethionyl protein". Science 258 (5084): 987–91. doi:10.1126/science.1279805. PMID 1279805.
2. Bristow J, Carey W, Egging D, Schalkwijk J (2005). "Tenascin-X, collagen, elastin, and the Ehlers-Danlos syndrome". Am J Med Genet C Semin Med Genet139 (1): 24–30. doi:10.1002/ajmg.c.30071. PMID 16278880.
3. Chiquet-Ehrismann R, Chiquet M (2003). "Tenascins: regulation and putative functions during pathological stress". J Pathol 200 (4): 488–99. doi:10.1002/path.1415. PMID 12845616.
4. Chiquet-Ehrismann R, Tucker R (2004). "Connective tissues: signalling by tenascins". Int J Biochem Cell Biol 36 (6): 1085–9. doi:10.1016/j.biocel.2004.01.007. PMID 15094123.
5. Hsia H, Schwarzbauer J (2005). "Meet the tenascins: multifunctional and mysterious". J Biol Chem 280 (29): 26641–4. doi:10.1074/jbc.R500005200. PMID 15932878.
6. Jones F, Jones P (2000). "The tenascin family of ECM glycoproteins: structure, function, and regulation during embryonic development and tissue remodeling". Dev Dyn218 (2): 235–59. doi:10.1002/(SICI)1097-0177(200006)218:2<235::AID-DVDY2>3.0.CO;2-G. PMID 10842355.

Sklerostiini (SOST) on osteosyytin erittämä gp. ( BMP- antagonisti).

Sclerostin (SOST)

[ Edit ]

VBCH; Sclerosteosis

HGNC	13771
MGI	1921749
PubMed	19049336
RGD	69358
UniProt	Q9BQB4
USCN	C864
Wiki	Sclerostin

Sclerostin is a secreted glycoprotein with a C-terminal cysteine knot-like (CTCK) domain and sequence similarity to the DAN (differential screening-selected gene aberrative in neuroblastoma) family of bone morphogenetic protein (BMP) antagonists.

 Loss-of-function mutations in this gene are associated with an autosomal-recessive disorder, sclerosteosis, which causes progressive bone overgrowth.

 A deletion downstream of this gene, which causes reduced sclerostin expression, is associated with a milder form of the disorder called van Buchem disease.

 Sclerostin is produced by the osteocyte. These cells originate from osteoblasts, the cells that form the bone matrix.

 Sclerostin has an inhibitory effect on the life time of the osteoblast. Osteoblasts are self limiting by a negative feedback system.

Suomennos puuttuu.

Osteosyytin funktio ja sklerostiinin merkitys. Luumassan negatiivinen säätelijä

 SCLEROSTIN( SOST gene product Kr. 17q11.2 , suomennosta artikkelista
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/UniGene/clust.cgi?UGID=193702&TAXID=9606&SEARCH=Sclerostin


J Bone Joint Surg Am. 2014 Oct 1;96(19):1659-1668. A Review of Osteocyte Function and the Emerging Importance of Sclerostin.

Compton JT, Lee FY.

Tiivistelmä 
 Osteoblastista peräisin olevat osteosyytit sijaitsevat luussa ja kommunikoivat  laajamittaisesti luun muitten solupopulaatioitten kannsa säädellen luun aineenvaihduntaa.  Kypsä osteosyytti ilmentää sklerostiini-nimistä proteiinia ja se on luumassan negatiivinen säätelijä.
Abstract

➤ Osteocytes, derived from osteoblasts, reside within bone and communicate extensively with other bone cell populations to regulate bone metabolism. The mature osteocyte expresses the protein sclerostin, a negative regulator of bone mass.

 Normaalissa fysiologisessa tilassa sklerostiini-proteiini vaikuttaa  luupinnan osteoblasteihin  ja  ilmentää eri tapaisia vasteita  mekaaniseen  rasitukseen, tulehdusmolekyyleihin kuten prostaglandiinin PGE2 ja hormoneihin kuten PTH ja estrogeeni.
➤ In normal physiologic states, the protein sclerostin acts on osteoblasts at the surface of bone and is differentially expressed in response to mechanical loading, inflammatory molecules such as prostaglandin E2, and hormones such as parathyroid hormone and estrogen.

 Mitä patologiaan tulee sklerostiinin  säätelyhäiriötä on havaittu osteoporoosiin liittyvissä luunmurtumissa, implantaatin osseointegraation  epäonnistumisessa, metastaattisissa luutaudeissa ja  joissain   luumassan geneettisissä taudeissa.
➤ Pathologically, sclerostin dysregulation has been observed in osteoporosis-related fractures, failure of implant osseous integration, metastatic bone disease, and select genetic diseases of bone mass.

 Parhaillaan on kliinisen kokeen III vaiheessa  eräs  sklerostiiniin kohdistuva  vasta-aine, joka vähentää sklerostiinin endogeenisiä pitoisuuksia ja samalla lisää luun mineraalitiheyttä.
➤ An antibody that targets sclerostin, decreasing endogenous levels of sclerostin while increasing bone mineral density, is currently in phase-III clinical trials.

 Osteosyytti on   saanut asemaa  monipuolisena, välttämättömänä luusoluna. Sen sijainti luun sisällä, sen  laaja dendriittiverkosto ja läheinen kommunikaatio  systeemiseen verenkiertoon ja muihin luun soluihin  tarjoaa useita mahdollisuuksia  hoitaa lukuisia ortopedisiä tiloja.
➤ The osteocyte has emerged as a versatile, indispensable bone cell. Its location within bone, extensive dendritic network, and close communication with systemic circulation and other bone cells produce many opportunities to treat a variety of orthopaedic conditions.
Copyright © 2014 by The Journal of Bone and Joint Surgery, Incorporated.

Osteosyytti, luusolu

Luussa on kolmen tyypin soluja:

1.  osteoblasteja ( 4-6%),
2. osteoklasteja 
3. osteosyyttejä ( yli 95% kaikista luun soluista).

Luun kaikkien  solujen osuus luusta on  10% koko luun volyymistä.

OSTEOSYYTIT ovat  luun soluista pitkäikäisimmät ja niiden keskimääräinen puoliintumisaika ihmisluussa on 25 vuotta,   vaikka todennäköisesti vähemmän koska vakioinen luun vaihtuvuus on vuosittain  4 - 10%.

Luun muodostuksen aikana joitain osteoblasteja joutuu loukkuun  vastamuodostuneen osteoidin matrixin sekaan ja mineralisaation seuratessa kintereillä,   ne jäävät sinne  mineralisoituvaan matrixiin.
 Osteosyyttisolut joiden koko ihmisluussa on 10- 20 um, sijaitsevat lacunoissa ja niistä  lähtee dendriittiulokkeita  pieniin kanaviin, tunneleihin, joiden kautta ne saavat yhteyksiä toisiin osteosyytteihin luumatrixin sisällä tai luun pinnalla.   Tällaisen nestekanavaisen   yhdistävän verkoston  välityksellä  osteosyyteillä on kykyä  havaita mekaanista painetta  ja rasitusta. Tämä mekanosensorinen kyky  voi indusoida  luun korjaantumista mikrovaurioista, liikaluunkasvusta tai luun vähentymästä. 
. Lisäksi  osteosyytit voivat havaita  nestetunneleidensa avulla  vaihteluja estrogeenin ja glukokortikoidien pitoisuuksissa.
 Osteosyytit kykenevät vastaamaan eri tyyppisiin stimuluksiin moduloimalla  useitten molekyylien eritystä ja ilmenemää  kuten  insuliinin kaltaista kasvutekijää, osteokalsiinia(OC) ja sklerostiinia. Osteosyytit voivat säätää myös luuston  homeostaasia.
Osteosyytin apoptoosi näyttää olevan välttämätön   aloittaja luun  remodelaatioprosessille  vasteessa  väsymysvaurioon. On havaittu myös, että pro-apoptoottisten molekyylien pitoisuudet ovat  koholla sellaisissa osteosyyteissä, jotka sijaitsevat lähellä mikromurtumia ( microcracks).

LÄHDE: 
Cardemil C. Osteocytes. In:  Effects of antiresorptive  agents on inflammation and bone regeneration in different osseous sites.p. 3.   2014.

Kortikaalinen luu eli kuoriluu on viskoelastinen ja anisotrooppinen materiaali

Viskoelastisuus tarkoittaa sitä, että kuormitusnopeus vaikuttaa materiaalin lujuuteen.
Anisotrooppisuus puolestaan sitä, että lujuuteen vaikuttaa kuormituksen suunta

Luun kuormituksen perustyypit

• Tensio eli venytys
•  Kompressio eli puristus
•  Shear eli leikkaava voima
•  Bending eli taivutus 
• Torsio eli kiertokuormitus
•  Impakti eli isku 

 http://www.soy.fi/sot-lehti/1-2006/3.pdf

Luukudos ja immuunijärjestelmä (C. Cardemil 2014).

LÄHDE:  Väitöskirja Carina Cardemil:  Effects of antiresorptive agents on inflammation and bone regeneration in different osseus sites- experimental and clinical studies.  University of Gothenburg. ISBN 978-91-628-9108-4.

• Kappale 1.1.4. suomennosta:   Bone metabolism . Bone and the immune system  sivut 6-7 .

 Luun aineenvaihdunta.
 Luu  muovautuu jatkuvasti ja silloin salliutuu luun kasvaminen, luun paraneminen ja kalsiumin sekä fosfaatin homeostaasin ylläpitäminen. "The Bone remodelling"- tätä luun uudelleen muovatumisprosessia ylläpitävät elävät solut osteoklastit ja osteoblastit. Näiden kahden solutyypin välistä funktionaalista kytkentää  säätelevät  paikalliset ja systeemiset tekijät-  ja epätasapaino luun homeostaasissa voi johtaa patologisiin tiloihin, joita ovat osteopenia, osteoporosis, osteopetrosis- riippuen siitä minkä solutyypin aktiivisuus  suosiutuu.


Luu ja immuunijärjestelmä ( BONE and The IMMUNE SYSTEM)

Osteoimmunologia- termiä alkoivat käyttää vuonna 2000 Arron ja Choi kuvatessaan  tieteellisen tutkimuksen sitä kentää, joka tutkii luun ja immuunijärjestelmän välisiä vuorovaikutuksia.
Normaalin luun kehityksen aikana   ja tulehdustiloissa    suorittavat  hematopoieettiset ja immuunisolut  luun säätelyä tuottamalla paikallisia tai veressä kiertäviä  sytokiinejä.

RANKL on reseptoriaktivaattori   NF-kB- ligandille.
(  Receptor Activator of Nuclear Factor kB Ligand).
RANKL kuuluu TNF- perheeseen ( Tumour Necrosis Factor) ja sillä on kriittinen osa osteoklastiprogeniittorisolun erilaistumisessa täysin aktiiviksi monitumaiseksi osteoklasti-soluksi.

M-CSF, Makrofagien kolonioita stimuloiva tekijä ( Macrophage Colony Stimulating Factor)  vaikuttaa myös osaltaan  hematopoieettisiin kantasoluihin, jotka sitten  alkavat  erilaistua makrofageiksi    ja osteoklasteiksi (luunsyöjäsoluiksi).

RANKL  ilmenee osteoblasteissa ja luuytimen stroomasoluissa (BMSC, Bone Marrow Stromal Cells)  sekä myös T-imusoluissa ja B-imusoluissa.  RANK on  reseptori  tälle  Ligandille, RANKL.
 RANK sijaitsee aktivoituneen osteoklastin pinnalla. Kun RANKL sitoutuu osteoklastin pinnalla olevaan  RANK-reseptoriin,  edistyy  osteoklastin erilaistuminen, proliferoituminen, aktivaatio ja elossapysyminen- mistä loogisesti seuraa tehostunut luun resorboituminen.

Osteoprotegeriini (OPG) on  luonnollinen RANKL antagonisti, vastavaikuttaja.  Se pystyy estämään tehokkaasti  osteoklastogeneesiä  ja  luun resorboitumista, koska se toimii   houkuttimena RANKL- molekyylille ( decoy reseptorina)  ja täten  blokeeraa  RANKL/RANK- vuorovaikutuksen.

 RUNX2  on transkriptiotekijä ( Runt-Related Trnacription Factor 2) , joka on välttämätön osteoblastien  erilaistumiselle, mutta on  voitu myös osoittaa että RUNX2 edistää myöskin osteoklastien erilaistumista saamalla aikaan  enemmän  RANKL- proteiiniä ja    osteoprotegeriinin (OPG) estymistä.

Luun tulehduksellisissa tiloisssa  indusoituu melkoinen  joukko sytokiinejä, jotka säätelevät luusoluja: 
 TNF- alfa ( Tumor Necrosis Factor- alfa)  niiden joukossa stimuloi  osteoklastien muodostumista ja luun resorptiota kehossa.

IL-1, interleukiini-1,  on vahva  luuresorption stimulaattori ja se vaikuttaa osteoklasteihin  lisääntyneen  RANKL-tuotannon ja - aktiivisuuden välityksellä.

IL-6, interleukiini-6 tuottuu osteoblasteista ja luuytimen kantasoluista  ja  se säätelee kypsien osteoklastien kehitystä ja stimuloi myös  RANKL ja OPG tuotantoja.

T-solut ja makrofagit osallistuvat myös osteoimmunologiaan tuottamalla klooneja stimuloivia tekijöitä ( CSF, Colony Stimulating Factors) , kemokiinejä ( Chemokines) ja runsaasti interleukiinejä (IL)

Luusolun kuolema
Kun luusolu kuolee, se käy läpi ohjelmoidun solukuoleman ( apoptosis,  programmed cell death)  ja siinä soluorganellit  hajoittuvat  organisoidusti .  Tämä prosessi on  yleistä useissa regeneroituvissa kudoksissa ja samat kasvutekijät (GF) ja sytokiinit, jotka stimuloivat osteoklastin ja osteoblastin kehitystä, voivat myös vaikuttaa niiden apoptoosin.

Osteoprotegeriini (OPG), joka on anti-osteoclastogeeninen ominaisuudeltaan,  toimii myös  sytotoksisen TRAIL-proteiinin  reseptorina ja kun OPG sitoutuu TRAIL-proteiiniin, se estää TRAIL- välitteisen  apoptoosin imusoluissa ja  säätelee myös antigeenin (ag)  esittämistä ja T-solun aktivoitumista.
 TRALL ( TNF-related  apoptosis-inducing ligand) on sytotoksinen ligandi

Apoptoosin aktivoi kaksi signaalitietä:

(1)  Sisäsyntyinen tie, intrinsic pathway, aktivoituu tuumorisupressorigeenin p53 vaikutuksesta vasteena  DNA-vaurioon. tai  vakavaan solustressiin ( Esim. säteilyt,  vapaat radikaalit).
(2)  Ulkosyntyinen tie ( extrinsic pathway) aktivoituu proapoptoottisilla ligandeilla, jotka sitoutuvat reseptoreihin solukalvolla.
Molemmissa  apoptoosin aktivaatioteissä  aktivoituu kaspaaseja ( caspases), jotka ovat  solunsisäisiä valkuaisaineita hajoittavia proteaaseja, mikä johtaa solun apoptoosiin.
Näiden  kahden apoptoottisen  tien  kesken lienee   myös  vuorovaikutusta.

LÄHDE:  Cardemil C. Bone and the immunesystem.
 In:  Effects of antiresorptive agents to inflammation and bone regeneration in different osseous sites- experimental and clinical studies. Pages 6-7.  2014
Päivitys 20.1. 2017 

(Alla oleva kuva internetistä   esittää glukokortikoidin ylimäärän vaikutuksen  luusolujen  apoptoosiin).

NCP: Osteopontiini (OPN). ( SIBLING perhe) Tärkeä luun homeosaasille. , metallin kuljettajaroolia, (Early T-lyphocyte activation ETA-1)

•  LÄHDE1. . Crit Rev Oral Biol Med. 2000;11(3):279-303. Osteopontin. Sodek J¹, Ganss B, McKee MD.

• Osteopontiini (OPN)  on hyvin runsaasti fosforyloitunut sialoproteiini, joka on luun ja hampaitten mineralisoituneitten ECM- matrixien hallitseva komponetti . Sitä luonnehtii  poly-aspartaattisekvenssit (dd, ddd)   ja Seriini/Treoniini (s/t) -fosforylaatiokohdat, jotka  välittävät   hydroksiapatiitin (HA)  sitoutumista . Niissä on lisäksi hyvin konservoitunut RGD- motiivi, joka välittää  soluliittymiä ja -signalointeja.  Myös runsaasti glutamiinihappoa( e)
•  

  ORIGIN      
          1 mriavicfcl lgitcaipvk qadsgsseek qlynkypdav atwlnpdpsq kqnllapqtl
         61 psksneshdh mddmddeddd dhvdsqdsid sndsddvddt ddshqsdesh hsdesdelvt
        121 dfptdlpate vftpvvptvd tydgrgdsvv yglrskskkf rrpdiqypda tdeditshme
        181 seelngayka ipvaqdlnap sdwdsrgkds yetsqlddqs aethshkqsr lykrkandes
        241 nehsdvidsq elskvsrefh shefhshedm lvvdpkskee dkhlkfrish eldsassevn

Osteopontin (OPN) is a highly phosphorylated sialoprotein that is a prominent component of the mineralized extracellular matrices of bones and teeth.  OPN is characterized by the presence of a polyaspartic acid sequence and sites of Ser/Thr phosphorylation that mediate hydroxyapatite binding, and a highly conserved RGD motif that mediates cell attachment/signaling. 

•  Osteopontiinin (OPN)  ilmeneminen lukuisissa eri kudoksissa  viittaisi siihen, että sillä on monenlaisia funktioita, joihin osallistuu sen  yksi tai usempi konservoitunut motiivi.  Kun on tutkittu  OPN- poistogeenisiä hiiriä ei ole kuitenkaan havaittu mitään määriteltävissä olevaa roolia  osteopontiinille missään kudoksessa, mutta kuitenkin  tuoreista  tutkimuksista saa  uutta  ja mielenkiintoista oivallusta tämän arvoituksellisen proteiinin  monipuolisuudesta  erilaisissa biologisissa tapahtumissa, kuten mm.  kehitysprosesseissa, haavan paranemisessa, immuunivasteessa, tumorigeneesissä, luun resorptiossa ja kalkkiutumisessa.

Expression of OPN in a variety of tissues indicates a multiplicity of functions that involve one or more of these conserved motifs. While the lack of a clear phenotype in OPN "knockout" mice has not established a definitive role for OPN in any tissue, recent studies have provided some novel and intriguing insights into the versatility of this enigmatic protein in diverse biological events, including developmental processes, wound healing, immunological responses, tumorigenesis, bone resorption, and calcification.

 Osteopontiini(OPN) kyky stimuloida soluaktiivisuutta  multippelien  reseptoreitten kautta, joita  on linkkiytyneenä  useisiin interaktiivisiin signalointiteihin ,  selittänee paljon osteopontiinin  funktionaalisesta  monipulisudesta. Tässä tutkimuksessa tutkijaryhmä  keskustelee  osteopontiinin rakenteellisista piirteistä, jotka korreloivat sen  funktioon luun ja hampaiden muodostumisessa,  uudelleen muovautumsiessa ja ylläpidossa.

 The ability of OPN to stimulate cell activity through multiple receptors linked to several interactive signaling pathways can account for much of the functional diversity. In this review, we discuss the structural features of OPN that relate to its function in the formation, remodeling, and maintenance of bones and teeth.

•  LÄHDE2.   Metallomics. 2014 Jan;6(1):166-76. doi: 10.1039/c3mt00269a.
• Characterization of UO2(2+) binding to osteopontin, a highly phosphorylated protein: insights into potential mechanisms of uranyl accumulation in bones.  Qi L¹, Basset C, Averseng O, Quéméneur E, Hagège A, Vidaud C.
• Luonnehditaan UO2:jonin sitoutuminen osteopontiiniin, joka on runsaasti fosforyloitunut proteiini: Saadaan oivallusta mekanismista, jolla uranyyli voi kertyä luustoon.

Bones are one of the few organs in which uranyl (UO2(2+)) accumulates. This large dioxo-cation displays affinity for carboxylates, phenolates and phosphorylated functional groups in proteins. The noncollagenous protein (NCP)  osteopontin (OPN) plays an important role in bone homeostasis. It is mainly found in the extracellular matrix of mineralized tissues but also in body fluids such as milk, blood and urine. Furthermore, OPN is an intrinsically disordered protein, which, like other proteins of the SIBLING family, contains a polyaspartic acid sequence and numerous patterns of alternating acidic and phosphorylated residues. All these properties led to the hypothesis that this protein could be prone to UO2(2+) binding. 
In this work, a simple purification procedure enabling highly purified bovine (bOPN) and human OPN (hOPN) to be obtained was developed. Various biophysical approaches were set up to study the impact of phosphorylations on the affinity of OPN for UO2(2+) as well as the formation of stable complexes originating from structural changes induced by the binding of this metal cation. The results obtained suggest a new mechanism of the interaction of UO2(2+) with bone metabolism and a new role for OPN as a metal transporter. 

OSTEOPONTIIN: Geeni SPP1, BNSP, BSP1, ETA-1, OPN. Kr. 4qww.1 
Wikipediateksti
 http://en.wikipedia.org/wiki/Osteopontin

Osteoprotegeriini ja Wnt- signalointi

Nat Med. 2014 Oct 12. doi: 10.1038/nm.3654. [Epub ahead of print]

Osteoblast-derived WNT16 represses osteoclastogenesis and prevents cortical bone fragility fractures.

Movérare-Skrtic S¹, Henning P¹et al.

TIIVISTELMÄ
(Wnt =  on  Wingless-related integration site)

• WNT16 locus on ihmisellä  tärkeä merkitsijä  kortikaalisen (kuori-) luun paksuudesta ja muitten  kuin nikamien luitten murtumariskistä. Osteoporoosin aiheuttamien luunmurtumien ( tässä ei lasketa nikamaluhistumia mukaan)  tuottamat invaliditeetit, kuolleisuus ja ekonomiset kustannukset ovat suunnattomia.

• Tutkijaryhmä osoittaa tässä työssään, että  Wnt-vajeisilla hiirillä  kehittyi spontaanisti luunmurtumia siitä syystä, että   luitten kortikaalinen (luun kuoriosan) paksuus oli  vähäinen ja  kuoriosa oli kovin hauraanhuokoista.. Sen sijaan  trabekulaarinen luutilavuus ei  näillä hiirillä vaikuttunut.
• Mekanistisilla tutkimuksilla saatiin selville, että  WNT16  on osteoblasteista peräisin ja estää ihmisellä ja hiirellä osteoklastogeneesiä eli  luun syöjäsolujen  muodostumista.  WNT16 saa  tällaista  estämistä aikaan  vaikuttamalla  suoraan osteoklastien esisoluihin ( progeniittorisoluihin)     ja epäsuoraan  lisäämällä osteoprotegeriinin (OPG)   ilmenemää osteoblasteissa.
• WNT16 käyttää  non-kanonista signaloimistietä  osteoklastiprogeniittorivaikutukseen, mutta   aktivoidessaan osteoblastia  se käyttää sekä kanonista että non-kanonista signaalititietä. 
•   Wnt16- inaktivaatiotutkimuksilla saatiin selville, että  osteoblastilinjan solut ovat pääasiallinen   WNT16 alkulähde.  Jos nyt kohdennetusti  tehdään WNT16 deleetio osteoblastiin, lisääntyy murtuma-alttius. 
• Osteoblastiperäinen WNT16   on täten  aiemmin  raportoimaton avainsäätelijä osteoklastogeneesissä ja  luunmurtuma-alttiudessa.  Näistä löydöistä aukenee  uusia väyliä   murtumien ( muiden kuin nikamamurtumien)  spesifiseen ehkäisyyn,  mihin on suurta lääketieteellistä tarvetta.

Abstract

The WNT16 locus is a major determinant of cortical bone thickness and nonvertebral fracture risk in humans. The disability, mortality and costs caused by osteoporosis-induced nonvertebral fractures are enormous. We demonstrate here that Wnt16-deficient mice develop spontaneous fractures as a result of low cortical thickness and high cortical porosity. In contrast, trabecular bone volume is not altered in these mice. Mechanistic studies revealed that WNT16 is osteoblast derived and inhibits human and mouse osteoclastogenesis both directly by acting on osteoclast progenitors and indirectly by increasing expression of osteoprotegerin (Opg) in osteoblasts. The signaling pathway activated by WNT16 in osteoclast progenitors is noncanonical, whereas the pathway activated in osteoblasts is both canonical and noncanonical. Conditional Wnt16 inactivation revealed that osteoblast-lineage cells are the principal source of WNT16, and its targeted deletion in osteoblasts increases fracture susceptibility. Thus, osteoblast-derived WNT16 is a previously unreported key regulator of osteoclastogenesis and fracture susceptibility. These findings open new avenues for the specific prevention or treatment of nonvertebral fractures, a substantial unmet medical need.

PMID:

25306233

[PubMed - as supplied by publisher] 
 http://www.google.se/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.nature.com%2Fnrrheum%2Fjournal%2Fv9%2Fn6%2Ffull%2Fnrrheum.2013.25.html&ei=neNEVP6tNau1ygPN3ILgDw&bvm=bv.77648437,d.bGQ&psig=AFQjCNF8ZX_Iop2OL9fZLOzvAn8SbgSlgw&ust=1413887221341295