Definition von Osteoblasten und Adipozyten im Knochenmark

Die Übersetzung und Markierung  aufklärender Stellen des folgenden Artikels umreißen in meinen Augen die Essenz der Problematik einer fettig-degenerativen Osteonekrose des Kieferknochens (FDOK): Die fehlgeleitete Adipogenese im Knochenmark des Kiefers als Voraussetzung einer überexprimierten RANTES/CCL5 Signalgebung. Ich möchte den ICOSIM-Mitgliedern diese erhellende Untersuchung nicht vorenthalten; die wesentlichen Stellen sind markiert.

Mit kollegialem Gruß

J. Lechner

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Defining osteoblast and adipocyte lineages in the bone marrow

J.L. Pierce³, D.L. Begun^b, J.J. Westendorf*’’¹, M.E. McGee-Lawrence^a,d‘”

** Department of Cellular Biology and Anatomy, Medical College of Georgia, Augusta University, Augusta_t GA, USA ^b Department of Orthopedic Surgery, Mayo Clinic, Rochester, MN, USA ^c Department of Biochemistry and Molecular Biology> Mayo Clinic, Rochester, MN, USA ^d Department of Orthopaedic Surgery, Augusta University, Augusta, GA, USA

  Corresponding author.

E-mail address: mmcgeelawrence@augusta.edu (M.E. McGee-Lawrence).

https://doi.Org/10.1016/j.bone.2018.05.019

Received 16 March 2018; Received in revised form 16 May 2018; Accepted 16 May 2018 8756-3282/ © 2018 Elsevier Inc. All rights reserved.

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1. Die Mikroumgebung des Knochenmarks ist heterogen
   
   Knochen ist ein metabolisch aktives Gewebe mit komplexen physiologischen Funktionen. Knochenmark ist eine halbflüssige Komponente des Knochens, die den endostealen Raum einnimmt. Es besteht aus einer vielfältigen Population von Zelltypen, einschließlich solcher, die an der Knochenentwicklung, der Hämatopoese, der Gewebewiederherstellung und der endokrinen Regulation beteiligt sind. Viele der reifen Zelltypen, die im Knochenmark vorhanden sind, stammen von üblichen Vorläufern. Ein multipotenter Vorläufer, die mesenchymale Stamm / Stromazelle des Knochenmarks (BMSC), umfasst eine heterogene Population von Stammzellen, die bei Erhalt der richtigen Signale zu Zellen der chondrogenen, myogenen, osteogenen und adipogenen Abstammungslinien reifen können [1]. BMSC behalten ihre stammähnliche Natur während der gesamten Entwicklung bei, bis sie durch Stressoren und physiologische Bedürfnisse differenziert werden. Bei der Differenzierung von BMSCs treten Änderungen im Transkriptionsprofil, im zellulären Metabolismus und in der Morphologie auf, die mit der jeweiligen Verpflichtungslinie übereinstimmen. Während des Alterns und unter pathologischen Bedingungen
   kann sich das normale Gleichgewicht zwischen osteogenen und adipogenen Zellpopulationen in Richtung letzterer verschieben, wodurch Knochengesundheit und -integrität gefährdet werden [2]. Hier betrachten wir die Osteoblasten-Adipozyten-Beziehung im Knochenmark und geben Aufschluss darüber, wie diese beiden Zelltypen aussehen können besser definiert Fortschritte auf diesem Gebiet werden zu neuen Erkenntnissen führen, um alters- und pathologiebedingte Frakturen und metabolische Syndrome zu verhindern.
2. Verpflichtung von BMSCs zur Differenzierung von Osteoblasten oder Adipozyten
   
   BMSCs sind die multipotenten Vorläufer, die für die Aufrechterhaltung der nicht hämatopoetischen Zellpopulationen des Knochens und des Knochenmarks verantwortlich sind. Das Bekenntnis von BMSC zur Osteogenese ist ein streng regulierter Prozess, der von unterschiedlichen Signalmechanismen während der Entwicklung und im Erwachsenenalter abhängt (Abb. 1). Frühe Regulatoren der Osteogenese in der BMSC-Population umfassen Wnt / p-Catenin-Signalisierung und Knochen Morphogenetische Proteine ​​(BMPs), Hedgehog-Proteine ​​(dh Sonic Hedgehog, Indian Hedgehog), endokrine Hormone wie Parathyroidhormon (PTH), epigenetische Regulatoren und verschiedene Wachstumsfaktoren [3-5], die wichtigsten osteoblastischen Transkriptionsfaktoren – Bezeichnungsfaktor 2 (Runx2) und Osterix 1 (Osxl / Sp7) – spielen eine Schlüsselrolle bei der Induktion der osteogenen Differenzierung und verschieben das Genexpressionsprofil von BMSC zu osteogenen Genen, die eine extrazelluläre Matrix (ECM) vom Typ I-Kollagen Abscheidung steuern  [6]. BMSC, die sich der Osteogenese verschrieben haben, entwickelt das genetische Profil und die Morphologie des Osteoblasten weiter und exprimiert Gene wie alkalische Phosphatase, Osteoprotegerin, Typ I-Kollagen und später Osteocalcin, da sich diese Zellen in Richtung einer terminalen Osteozytenmorphologie verschieben [7]. Bei Erwachsenen besteht die Hauptaufgabe von BMSC-abgeleiteten Osteoblasten darin, Osteoid- und Mineralisierungsfaktoren gekoppelt mit der Aktivität von Osteoklasten (die die Knochenmatrix resorbieren) zu produzieren und abzusondern, um den Knochen bei metabolischen und strukturellen Erfordernissen des Körpers umzugestalten . In Fällen, in denen BMSC nicht zur Osteogenese verpflichtet wird, kann sich die Knochenbildung von der Resorption abkoppeln, woraufhin die Knochendichte und die Gewebeintegrität abnehmen [8]. Abb. 1. Differenzierung von BMSCs zu osteogenen und adipogenen Linien. Knochenmark-Mesenchym-Stammdecken (BMSCs) werden durch Transkriptionsfaktoren wie Runx2 und Osxl oder durch Adipozyten durch Ppary und c / EBPa zu Osteoblasten differenziert. Von BMSC abgeleitete Osteoblasten können sich weiter in reife Osteozyten differenzieren oder lipidspeichernde Zelltypen werden. Dieses Diagramm veranschaulicht einen möglichen Mechanismus der Umlagerung zwischen Osteoblasten und Adipozyten sowie eine Verringerung der Lipidspeicherung in osteogenen Zellen durch Histon-Deacetylase 3 (Hdac3) und die damit verbundenen Cofaktoren.
   Adipozyten

   BMSCs können alternativ unter bestimmten Bedingungen zur Adipogenese geleitet werden. In der Tat halten einige die Differenzierung von BMSC zur Adipozyten-Linie für einen “Standard” -Pfad [9]. Die Differenzierung der BMSC in einen Knochenmark-Adipozyt beinhaltet die Expression der wichtigsten Transkriptionsfaktoren: Peroxisom-Prol-Iterator-aktivierter Rezeptor y (Ppary) ) und CCAAT / Enhancer-bindendes Protein a (c / EBPa) [10]. Knochenmarkadipozyten speichern charakteristisch zytoplasmatische Lipidtröpfchen und exprimieren eine Anzahl von Genen, die mit der Lipidlagerung (dh Cidec, Plinl), dem Fettsäuremetabolismus (dh Fasn, Lipasen wie ATGL und HSL) und der Adipozytenfunktion (dh Adiponektin, LepR) zusammenhängen ) [11]. Während die Rolle der Adipozyten des Knochenmarks immer noch in Frage steht, gibt es Hinweise darauf, dass diese Zellen als Energiespeicher für den Knochen dienen können [12]. Darüber hinaus interagieren Markadipozyten mit anderen Knochenzellen in unterschiedlichen Nischen, in denen sie die Knochenumbildung, -reparatur und -drüsenregulationsprozesse regulieren können [13]. Daher sind diese lipidspeichernden Zellen ein wichtiger Bestandteil der Skelettbiologie und bieten möglicherweise neue Einblicke in die Aktivität von Osteoblasten und anderen von BMSC abgeleiteten Zelltypen.

 

 

 

3. Zelluläre Energetik von BMSC-abgeleiteten Osteoblasten und Adipozyten
   
   Ähnlich wie die unterschiedlichen Energiebedürfnisse der verschiedenen Gewebe aufgrund ihrer physiologischen Funktionen, verändern sich BMSC während der Bindung an die terminale Differenzierung in ihren zellulären Energetik-Profilen (Abb. 2). Die mesenchymalen Vorläuferzellen setzen hauptsächlich auf die Glykolyse für den Energiestoffwechsel, während der Energiebedarf dieser Zellen während der Osteogenese dramatisch ansteigt [14]. Wichtig ist, dass der Glukosemetabolismus in BMSCs erhöht wird – was durch unregulierte Glutamin-
   Transporterexpression, die der Expression von Runx2 in differenzierenden Preosteoblasten vorausgeht – liefert die Energie, die erforderlich ist, um das Typ 1-Kollagen zu bilden, das das ECM umfasst [15]. Reife Osteoblasten benötigen auch eine hohe ATP-Ausbeute aus Brennstoffquellen, um erhebliche Mengen an Osteoiden zu produzieren und abzuscheiden und folglich die Fettsäure-Oxidation zusätzlich zum Glukosestoffwechsel zur Deckung dieses Energiebedarfs [16]. Während die Energetik der osteogenen Zellen im späten Stadium für ihre Funktionen ausreicht, führt die Verwendung oxidativer Phosphorylierung zu einer hohen Energie Die Ausbeute kann zur Produktion von überschüssigen reaktiven Sauerstoffspezies beitragen, die im Laufe der Zeit Zellschäden verursachen können.
   Knochenmarkadipozyten haben in der Regel andere Stoffwechselbedürfnisse als osteogene Zelltypen, was sich auch in ihrer zellulären Energetik widerspiegelt. Anstatt den Glukosemetabolismus zur Energiegewinnung zu nutzen, sind diese lipidspeichernden Zelltypen durch den Fettsäuremetabolismus gekennzeichnet und hängen in hohem Maße von der Lipolyse ihrer intrazellulären Lipidspeicher ab, um freie Fettsäuren (FFA) für den Stoffwechsel durch oxidative Phosphorilytion bereitzustellen [17]. Als Folge der Nutzung von Fettsäuren als intrazelluläre Lipidtröpfchen können Markadipozyten als wichtige Reservoirs für die Energie dienen, wenn andere Quellen (z. B. Glukose) erschöpft sind. Ein durch den Stoffwechsel von Lipidtröpfchen erzeugter FFA-Überschuss kann jedoch bei BMSCs und Osteoblasten lipotoxische Wirkungen haben, indem er die Zellfunktionen unterbricht und den Zelltod induziert [18]. Die schädlichen Auswirkungen dieses Fettsäuremetabolismus auf Osteoblasten können durch die Hemmung der Fettsäuresynthese verhindert werden [19]. Die faszinierende Beziehung zwischen Fett speichernden und knochenbildenden Zellen beinhaltet ein Übersprechen auf metabolischer Ebene. Das empfindliche Gleichgewicht zwischen Glykolyse und oxidativer Phosphorylierung – insbesondere von Lipidmetaboliten – in osteogenen und adipoegenen Zelltypen ist ein aktives Gebiet von Interesse, das neue Einblicke in die Aufrechterhaltung der Skelettgesundheit bieten kann.

    

   4. Lipidspeicherung in nicht adipogenen Skelettzellen
   
   Während es klar ist, dass sich sowohl Osteoblasten-Vorläufer als auch Adipozyten im Knochenmark befinden, kann es schwierig sein, deren Identität zu erkennen, da Lipidakkumulation häufig ein definierendes Merkmal von Adipozyten anstelle von liniendefinierenden Transkriptionsfaktoren ist. Eine Herausforderung bei der histologiebasierten Untersuchung der Adipositas des Knochenmarks besteht darin, dass die Lipidtröpfchen in den Knochenmarkszellen einen großen Teil des Zellvolumens verbrauchen, so dass wenig Raum für das Studium anderer Organellen, einschließlich des Kerns, vorhanden ist, in dem typischerweise liniengerichtete Transkriptionsfaktoren vorhanden sind . Die biochemischen und metabolischen Pfade, die Lipidtröpfchen erzeugen und auflösen, sind jedoch für alle Zellen gleich und für Adipozyten nicht eindeutig. Die Lagerung von intrazellulären Lipidtröpfchen in nicht-adipogenen Abstammungszellen ist kein neuartiges Konzept. Beispielsweise wurde die Lipidlagerung in Hepatozyten der Leber als Folge eines erhöhten Alkoholkonsums ausführlich untersucht, die intrazelluläre Lipidlagerung in Osteoblastelinien ist dagegen von Knochenexperten derzeit nicht allgemein anerkannt, obwohl es immer mehr Beweise für die Existenz dieses Mechanismus gibt. Osteozyten haben die intrazelluläre Lipidablagerung infolge des chronischen Alkoholkonsums erhöht, der häufig der Apoptose der Osteozyten und der krankheitsbedingten Osteonekrose vorausgeht [20]. Es wurde auch gezeigt, dass Chondrozyten intrazelluläre Lipide enthalten, deren Häufigkeit mit zunehmendem Alter zunimmt [21].

   Abb. 2. Verschiebung der Profile der zellulären Energie durch BMSC-Differenzierung. Die Vorläufer-BMSC-Bevölkerung ist stark glykolytisch und hängt für den Energiestoffwechsel von Glukose ab. Da sich BMSCs zur Osteogenese verpflichten, erfordern die Energieanforderungen der Osteoidproduktion Stoffwechselprozesse, die mehr ATP erzeugen – z. B. den Metabolismus von Fettsäuren für die oxidative Phosphorylierung. Ältere Osteoblasten verwenden eine Kombination aus Glykolyse und oxidativer Phosphorylierung, um ihren Energiebedarf zu decken. Dieses Gleichgewicht muss jedoch streng reguliert werden, um die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und die nachfolgenden Zellschäden zu reduzieren. Im Gegensatz zu BMSCs erzeugen reife Adipozyten einen großen Teil ihres ATP durch Fettsäureoxidation und oxidative Phosphorylierung. Das metabolische Profil des lipidpositiven Prä-Osteoblasten ist immer noch in Frage, aber die intermediäre Morphologie dieses Zelltyps legt nahe, dass er sowohl energetische Prozesse als auch Lipidtröpfchen für den Fettsäuremetabolismus unter hohem Energiebedarf speichern kann.

   Die Lipidlagerung in Osteoblasten wurde zwar in den oben genannten Studien als möglicherweise schädlich angesehen, wurde jedoch als entscheidender Schritt für die Osteogenese vorgeschlagen. Die Beeinträchtigung der Bildung von Lipidtröpfchen in BMSC mit dem Wirkstoff Triascin C verursachte eine bemerkenswerte Abnahme der Differenzierung der Osteoblasten, gemessen durch alkalische Phosphatase und Von-Kossa-Färbung [43]. Während die Fettakkumulation in Osteoblasten jedoch häufig mit pathologischen Zuständen assoziiert wird, sind die physiologischen Rollen von diesen Lipid-speichernden Zellen bleibt immer noch unklar und kann je nach Stadium der osteoblastischen Differenzierung variieren.
   Trotz der Möglichkeit, dass Lipidtröpfchen die Funktion der Osteoblasten unterstützen, ist es wichtig zu berücksichtigen, dass die Lagerung von überschüssigem Markfett die Knochendichte und die Gesundheit des Gewebes beeinträchtigen kann, wenn die Lipidablagerung über den Energiebedarf einer Differenzierung von BMSC hinausgeht. Fettgewebe in der metaphysären Region der Knochenmarkhöhle nimmt tendenziell einen Raum ein, der sonst Trabekelknochen halten könnte, und es gibt zunehmend Anzeichen dafür, dass der Fettstoffwechsel im Knochenmark die Knochenbildung behindern kann [44, 45]. Lipolyse von Adipozyten-Lipidtröpfchen kann Fettsäuren wie Palmitat freisetzen, was letztendlich die Differenzierung und Funktion von Osteoblasten beeinträchtigt, indem sie die 3-Catenin- und Runx2-Signalmechanismen [18,19] unterbricht. Außerdem kann die Ansammlung freier Fettsäuren lipotoxische Wirkungen auf Osteoblasten haben durch Induktion autophagischer und apoptotischer Mechanismen, die zu einem langfristigen Knochenverlust führen [46].

 

 

5. Die Identität des Adipozyten-Osteoblasten

   Die intrazelluläre Lipidablagerung in Osteoblasten gibt Anlass zur Sorge hinsichtlich ihrer Unterscheidung von Adipozyten des Marks sowie des Zwecks der Lipidspeicherung im Knochen. Obwohl sich die molekulare Identität von lipidspeichernden, nicht adipogenen Zellen im Knochenmark noch in einem frühen Stadium befindet, wird spekuliert, dass diese Zellen ein Zwischenstadium zwischen osteogenen und adipogenen Differenzierungsendpunkten darstellen können. Da BMSC die gebräuchlichen Vorläufer für Osteoblasten und Adipozyten sind, deutet die Überlappung in ihren Morphologien auf ein Potential für die Transdifferenzierung zwischen Zelltypen (und nicht auf eine terminale Differenzierung) unter bestimmten physiologischen Bedingungen hin [47].

   6. Zusammenfassung und zukünftige Richtungen

   ….Die BMSC-Verpflichtung zur Osteogenese ist ein wichtiger Weg während der Embryogenese, des Skelettwachstums und des Knochenumbaus, um eine korrekte Gewebefunktion zu gewährleisten. Die Erzeugung von Osteoblasten aus BMSCs hängt von streng regulierten Signalmechanismen (z. B. Wnt / p-Catenin-Signalisierung), hormonellen Faktoren (z. B. PTH, Glucocorticoiden), epigenetischen Regulator (z. B. Hdac3) und der Aktivität von ab spezifische Transkriptionsfaktoren wie Runx2 und Osxl. Von BMSC abgeleitete Osteoblasten exprimieren Gene und Proteine, die mit der Produktion von Osteoiden zusammenhängen (die zu einer kalzifizierten Knochenmatrix übergehen), und dieser energieaufwendige Prozess neigt dazu, das energetische Profil dieser Zellen von einem überwiegend glykolytischen zu einem komplexeren metabolischen Profil zu verschieben, das die oxidative Phosphorylierung einschließt.

   Es gibt zunehmend Anzeichen dafür, dass die Differenzierung der BMSC in verschiedene osteogene, adipogene und chondrogene Populationen Zwischenschritte erfordert und dass Übergangszelltypen existieren können. Für diesen Aufsatz von Interesse ist die Anhäufung von Lipidtröpfchen in nicht adipogenen Zelltypen – ein Phänomen, das in verschiedenen Weichteilen im gesamten Körper während des Alterns und bei bestimmten Pathologien auftritt. Ein Argument für eine erhöhte Knochenmarkslipidspeicherung ist, dass die Zellen, die für osteogene Marker positiv sind, Lipidtröpfchen als Energiespeicher unter energetisch schwierigen Bedingungen verwenden können. Ein weiteres plausibles Argument für die Lagerung osteogener Lipide ist, dass Adipogenese das Standard-Commitment-Muster von BMSCs ist. Als solches können epigenetische Regulatoren und Signalmechanismen, die durch die Mikromilieu des Knochenmarks hervorgerufen werden, die Adipogenese zugunsten der Knochenbildung und des Funktionsverlusts dieser herabregulieren Regulatoren (zum Beispiel aufgrund von Alterung, Stress oder pathologischen Zuständen) können die Umkehrung der osteogenen Bindung bewirken. Dieser “Entdifferenzierungs” -Schritt könnte ein Zwischenschritt zum Wechseln der Linie sein, der die Adipogenese begünstigen könnte, aber derzeitige Techniken zur Spurensuche der fraglichen Zellen begrenzen diese Forschungsbemühungen. Eine aufkommende Denkschule in der Knochenmarksfettforschung legt nahe, dass Osteoblasten und Adipozyten das als Transdifferenzierung bekannte Phänomen oder einen Wechsel zwischen den Morphologien dieser terminalen Zelltypen anstelle eines intermediären Differenzierungsschrittes durchmachen können. Trotz jüngster Beweise ist es immer noch schwierig zu bestätigen, ob Beobachtungen der Transdifferenzierung real sind oder auf die Bedingungen zurückzuführen sind, unter denen die BMSCs kultiviert werden, da die verfügbaren Substrate und Brennstoffquellen in Kulturmedien die Bindung dieser Zellen an bestimmte Abstammungslinien beeinflussen können .