CC BY
117
(О Коллектив авторов, 1997 УДК 616.71-006.04:577.112
Н. Е. Кушитский, Н. Н. Трапезников, II. В. Бабкина,
П. В. Сергеев, 10. Н. Соловьев, Ч. М. Касумов,
С. А. Чукаев
НЕКОЛЛАГЕНОВЫЕ БЕЛКИ КОСТИ
НИИ клинической онкологии; Российский макщинский университет им. II. И. Пирогова, Москва
Одним из признаков отличия кости и хряща от других видов соединительной ткани является наличие минерализованного внеклеточного матрикса. В последние годы увеличилось число исследований, посвященных изучению его компонентов, среди которых выделены минеральные вещества, вода, коллаген и неколлагеновые белки (НКБ) [22].
Известно, что основным органическим компонентом минерализованного матрикса является коллаген, который формирует макромолекулярный остов с включениями неорганических кристаллов. Исследования неминерализованных тканей показали, что в их основе лежит такой же коллагеновый каркас и это натолкнуло на мысль о том, что уникальные свойства минерализованных тканей обусловлены наличием НКБ [10, 21]. Биохимический анализ показал, что внеклеточный матрикс костной ткани состоит из уникальной комбинации НКБ, которая отличает ее от хрящевой и других соединительных тканей. Такое открытие стимулировало дальнейшее изучение этого вопроса и последующие исследования позволили сформировать учение о структуре и экспрессии НКБ, а также определить их функции в нормальной костной ткани [22].
Цель настоящего сообщения — представить современные данные о структуре, функциях, регуляции синтеза и клиническом значении основных НКБ кости: остеонектина (ОН), остеопонтина (ОП), костного си-алопротеина (КСП) и остеокальцина (ОК).
ОН — это гликопротеин матрикса кости, который принимает участие в минерализации нормальной костной ткани, является тканеспецифичным белком и участвует в костном морфогенезе. Функция ОН в кости заключается в его способности к связыванию коллагена I типа и гидроксиапатита. Сродство к указанным веществам свидетельствует о том, что ОН имеет отношение к образованию начального кристалла (нуклеации) в процессе минерализации костной ткани [1, 16, 22].
Анализ экспрессии ОН показал, что этот белок присутствует в зрелых остеобластах и их предшественниках, в молодых, но функционально активных остеоцитах, в гипертрофированных хондроцитах и поэтому ОН может выступать в роли маркера дифференцировки остеогенных клеток кости.
Экспериментальными исследованиями продемонстрировано, что ОН может регулировать пролиферацию и рост клеток in vitro [1]. Анализ in vitro экспрессии ОН в некоторых нормальных и опухолевых типах клеток с помощью иммуноцитохимии и электронной микроскопии показал, что указанный белок экспрессируется во всех изученных культурах клеток, которые включали остеобластому, остеогенную саркому, нейроэктодермальные клетки и нормальные фибробласты [17]. В этих
N.E.Kushlinsky, N.N.Trapeznikov, I. V.Babkina,
P. V.Sergeyev, Yu.N.Soloviev, Ch.M.Kasumov, S.A.CImkayev
NONCOLLAGENOUS BONE PROTEINS
N.N.Blokhin CRC RAMS; N.I. Pirogov Ruxxian State Medical University, Moscow
Unlike other types of connective tissues the bone and cartilage have mineralized extracellular matrix. There was a vast literature over the last years dealing with its components, in particular mineral substances, water, collagen and noncollagenous proteins (NCP) [22].
Collagen is known to be a basic organic component of the mineralized matrix that forms a macromolecular framework with inorganic crystal insertions. Study of nonmineralized tissues discovered the same collagenous framework in their basis, and this suggested that the unique properties of mineralized tissues are due to the NCP presence [10,21]. Biochemical study showed the bone tissue extracellular matrix to consist of a unique NCP combination which makes a distinction from cartilaginous and other connective tissues. This discovery stimulated further study of this problem which allowed formulation of the concept of NCP structure and expression as well as determination of the protein function in normal bone tissue [22].
This paper presents recent findings concerning the structure, functions, synthesis regulation and clinical significance of basic bone NCP, such as osteonectin (ON), osteopontin (OP), bone sialoprotein (BSP) and osteocalcin (OC).
ON is a bone matrix protein participating in normal bone tissue mineralization. It is a tissue-specific protein contributing to bone morphogenesis. Bone ON function is based on its ability to bind type I collagen and hy-droxyapatite. The affinity to these substances suggests that ON contributes to nidus formation (nucleation) in the bone tissue mineralization [1,16,22].
Analysis of ON expression demonstrates this protein to be present in mature osteoblasts and their progenitors, in young though functionally active osteocytes, in hypertrophic chondrocytes, and thus can play the role of a marker of bone osteogenic cell differentiation.
As shown experimentally ON can regulate cell proliferation and growth in vitro [1]. ON immunocytochemi-cal and electron microscopic in vitro analysis in some normal and neoplastic cell types showed this protein to be expressed in all cell cultures studied including osteoblastoma, osteogenic sarcoma, neuroectodermal cells and normal fibroblasts [17]. The same studies demonstrated that ON in vitro syntheses by non-osteogenic cells might be considered a non-specific event in the cell culture, probably related to a particular state of the microenvironment. This phenomenon, when cells normally unable to produce ON in vivo do produce it in cell culture, is often called a “cultural shock" [17].
Thus, the ON function is not restricted to participation in bone tissue mineralization only and may change depending upon the environment.
OC is a second common (after ON) bone protein that is normally located in osteoblasts, osteocytes and extracellular matrix while being absent in neoplastic ma-
же исследованиях показано, что /'/; п/го синтез ОН не остеогенными клетками можно считать как неспеци-фическое явление в культуре клеток, возможно, связанное с каким-то особым состояние микроокружения. Таком феномен иногда называют «культуральный шок», когда клетки, в норме иепродуцнрующие ОН /'« г/г», обладают этой способностью в культуре клеток [17].
Таким образом, функция ОН не ограничена лишь участием в минерализации костной ткани, а может изменяться в зависимости от окружающей среды.
ОК — НКБ, который занимает второе место после ОН по распространенности в кости и локализован в норме в остеобластах, остеоцитах и внеклеточном пространстве, в матриксе новообразований не обнаружен [17]. Окончательно роль ОК не изучена, но известно, что он принимает участие в модуляции минерализации и увеличении массы костной ткани [23]. Такое заключение сформулировали на основании нескольких фактов: во-первых, экспрессия ОК ограничена в местах минерализации и повышена в растущих тканях кости; во-вторых, ОК присоединяется к кальцию и гидрок-сиапатиту, ингибируя при этом минерализацию, и, в третьих, при снижении синтеза ОК отмечается усиленная минерализация кости. Кроме вышеуказанного, известно, что ОК обладает хемотаксическим действием на остеокласты и принимает участие в резорбции кости [17].
Белок ОП раньше называли костным сиалопроте-ином I, затем показали, что он имеет отношение к активации клеток, может связываться с гидроксиапа-титом и был переименован в ОП [8]. Б настоящее время с помощью современных методов исследования показано, что в центре белковой молекулы находится пептид Глу-Арг-Гли-Асп-Сер, который обладает способностью промотора адгезии клеток, определяющего главную роль ОП — связывание клеток кости с гидроксиапа-титом внеклеточного пространства [9]. Иммуногисто-химический анализ распространенности ОП в кости показал, что много его содержится в энхондральной и мембранозной кости, в ядрах окостенения [22]. ОП обнаружен в остеобластах, остеоцитах и фибробласто-подобных клетках между трабекулами кости. Локализация ОП в кости в соседстве с остеокластами не исключает их связи посредством рецепторов на мембране остеокластов [22]. Также выявлена положительная корреляция между уровнем мРНК ОП и метастазированием опухолей кости, что свидетельствует о возможности участия ОП в процессах метастазирования путем облегчения адгезии клеток в процессе инвазии [8, 9].
КСП — белок с большим содержанием сиаловой кислоты (20%), он составляет более 15% НКБ кости человека, синтезируется остеобластами и одонтоблас-тами, а также обнаружен в остеокластах, хондроцитах и неминерализованой ткани [1, 13]. Широкое распространение этого белка обусловливает его функции. Доказано, что он не только принимает участие в минерализации и резорбции кости, но также относится к числу гликопротеинов, опосредующих связывание клеток с коллагеном в нормальных и неоплазированных тканях[12].
Таким образом, КСП присутствует в зрелых клетках, формирующих кость, и не обнаружен в их предшественниках, что дает возможность использовать этот белок в качестве маркера поздней дифференцировки
trix [17]. The OC role is unclear though it is known to contribute to modulation of bone tissue mineralization and growth of bone mass [23]. This conclusion is made basing on several findings: first, OC expression is limited to mineralization sites and is elevated in growing bone tissue; secondly, OC binds to calcium and hydroxyapatite thus inhibiting the bone mineralization; thirdly, decrease in OC synthesis is accompanied by enhancement of bone mineralization. Besides, OC is known to exert a chemo-tactic action on osteoclasts and to participate in bone resorption [17].
OP is a protein previously called bone sialoprotein I. It was further shown to be related to cell activation, to bind to hydroxyapatite and therefore was renamed OP [8]. As is known by now, there is a peptide Glu-Arg-Gly-Asp-Ser in the protein molecule central part, that demonstrates cell adhesion promoter activity which determines the OP principal role as binding of bone cells with hydroxyapatite of the extracellular space [9]. It is shown immunohistochemically that there is a large amount of OP in enchondrial and membranous bone, in ossification nidi [22]. OP was also found in osteoblasts, osteocytes and fibroblast-like cells between bone tra-becules. The bone OP location in the vicinity of osteoblasts may suggest its binding by osteoclast membrane receptors [22]. There is also a positive correlation between OP mRNA and bone tumor metastasis which is evidence of OP possible contribution to the metastasis by facilitating cell adhesion in the invasion processes [8,9].
BSP is a protein with a large amount of sialic acid (20%). It is more than 15% of human bone NCP, is synthesized by osteoblasts and odontoblasts, is also present in osteoclasts, chondrocytes and non-mineralized tissue [1,13]. The large prevalence of this protein determines its functions as a contributor to bone mineralization and resorption as well as a mediator of cell-collagen binding in normal and neoplastic tissues like some other'glycoproteins [12].
Thus, BSP is present in bone-forming mature cells and absent in their progenitors. This suggests that the protein may be used as a marker of late bone cell differentiation, while large BSP content in osteoclasts is evidence of its participation in bone matrix resorption [16].
Bone tissue growth and development are controlled by systemic and local regulators, with osteoblasts, chondrocytes and osteoclasts that are responsible for matrix formation, bone mineralization and resorption playing an important part in this process [23]. The systemic regulatory factors include hormones: parathyroid hormone (PTH), calcitonin, thyroxine (T4), 17beta-estradiol,
1,25-dihydroxyvitamin D:„ while the local regulators include a variety of cytokines and growth factors.
Many hormones are known to influence bone turnover, but in this paper we should like to speak about hormones producing the greatest effect on bone tissue, regulating both calcium homeostasis and cell functioning and metabolism.
Parathyroid hormone is a potential stimulator of in vivo and in vitro bone resorption by osteoclasts. The published reports failed to discover PTH receptors on osteoclast surface which suggested that an indirect mechanism of action might be involved. A supposition was made that osteoblasts might participate in this process as they had surface PTH receptors and responded to the hormone action by morphological and functional
клеток кости, а наличие большого количества КСП в остеокластах говорит о его участии и в процессах резорбции матрикса кости [16].
Рост и развитие тканей кости осуществляется под контролем системных и локальных регуляторов и важная роль в этом процессе отведена клеткам: остеобластам, хондроцитам и остеокластам, отвечающим за формирование матрикса, минерализацию и резорбцию кости [23]. К числу системных факторов регуляции относятся гормоны — паратиреоидный гормон (ПТГ), кальцитонин, тироксин (Т4), 17Р-эстрадиол, 1,25-дигид-роксивитамин D3, а местные регуляторы включают множество цитокинов и факторов роста.
Известно влияние многих гормонов на обмен веществ в кости, но в данной работе мы хотим остановиться на гормонах, оказывающих наиболее выраженное действие на ткани кости, регулирующие и гомеостаз кальция, и функции и метаболизм клеток.
ПТГ — это потенциальный стимулятор резорбции кости остеокластами in vivo и in vitro. В описанных в литературе исследованиях не удалось обнаружить рецепторы к ПТГ на поверхности остеокластов, что натолкнуло экспериментаторов на мысль о том, что здесь присутствует непрямой механизм действия. Было высказано предположение о возможном участии в этом процессе остеобластов, они имеют на своей поверхности рецепторы ПТГ и реагируют на его воздействие изменением морфологии и функции [6]. Влияние ПТГ на метаболизм клеток кости варьирует в зависимости от времени, дозы и метода определения. В общем в высоких дозах ПТГ замедляет процесс формирования кости путем ингибирования синтеза и секреции коллагена и НКБ, а также снижения активности щелочной фосфатазы в остеобластах. Кроме того, остеобласты секретируют коллагеназу и активатор плазминогена, которые могут включаться в инициацию резорбции, возможно, путем подготовки поверхности кости для воздействия остеокластов [7]. Низкое содержание ПТГ — это результат анаболических процессов, сопровождающихся увеличением количества и активности остеобластов. В экспериментальных работах также показано, что ПТГ стимулирует синтез ОП в клетках остеогенной саркомы крыс и индуцирует увеличение синтеза КСП и протеогликана в клетках остеогенной саркомы крыс UMR 106 [17].
Известно, что Т4 также стимулирует процессы резорбции кости [6], но имеются исследования, показывающие влияние этого гормона на синтез НКБ в клетках кости. Модуляция экспрессии НКБ Т4 хорошо изучена в клетках кости крыс, в которых под действием гормона снижается активность щелочной фосфатазы и увеличивается синтез ОП и ОК [23]. Эти результаты показывают, что у крыс Т4 супрессирует дифференцировку остеобластов из их предшественников и увеличивает функциональную активность зрелых остеобластов.
Кроме ПТГ и Т4, резорбцию кости остеокластами стимулирует in vivo и in vitro 1,25-дигидроксивитамин D3 (кальцитриол, 1,25-дигидроксивитамин D-,). Механизм его действия полностью не изучен, но на основании данных о наличии рецепторов к 1,25-дигидрок-сивитамину D, в ядрах остеобластов и преостеобластов, а не в остеокластах [15], можно предположить, что
changes [6]. The PTH effect on bone cell metabolism varies with respect to time, dose and assay. In general high-dose PTH slows down bone formation by inhibiting collagen and NCP synthesis and secretion as well as by reducing osteoblast alkaline phosphatase activity. Besides, osteoblasts release collagenase and plasminogen activator that may join the resorption initiation, probably, by preparing bone surface for osteoclast action
[7]. Low PTH content is a result of anabolic processes accompanied by osteoblast increase in number and ac-tivization. It is also shown experimentally that PTH stimulates OP synthesis in rat osteosarcoma cells and induces enhancement of BSP and proteoglycane synthesis in cells of rat osteosarcoma UMR 106 [17].
T4 is also known to stimulate bone resorption [6], though there is evidence of the hormone effect on bone cell NCP synthesis. T4 modulation of NCP expression on bone cells is well studied in rats: the hormone reduces alkaline phosphatase activity and enhances OP and OC synthesis [23]. These findings show that T4 suppresses differentiation of osteoblasts from their progenitors and increases functional activity of mature osteoblasts in rats.
Beside PTH and T4, the bone resorption by osteoclasts is stimulated in vivo and in vitro by 1,25-dihy-droxyvitamin D3 (calcitriol, 1,25-dihydroxyvitamin D3). Its mechanism of action'is unclear, though the presence of 1,25-dihydroxyvitamin D3 receptors on osteoblast and preosteoblast nuclei rather than in osteoclasts [15] suggests that the process is somehow mediated. There is also evidence of the presence of 1,25-dihydroxyvitamin D3 receptors in human osteogenic sarcoma cells. The calcitriol effect on osteosarcoma cells was studied by analysis of NCP expression in 5 cell lines (MG-63, U-20S, SaOS-2, IOROS9, SARG) [17]. 1,25-dihydroxyvitamin D3 inhibited cell growth in vitro in all five cultures though its effect on NCP expression was equivocal. NCP expression was increased in IOR/OS9, decreased in SARG and unchanged in the remaining three cultures. Of all the cell lines studied only MG-63 demonstrated increased OC synthesis as compared to the control after addition of 1,25-dihydroxyvitamin D3 [17].
Calcitriol is also known to modulate NCP synthesis in normal osteogenic tissues, namely: it induces OP synthesis and inhibits BSP synthesis in osteoblasts [18].
1,25-Dihydroxyvitamin D3 affects differentiation and antitumor activity processes in human osteogenic sarcoma cells [22]. Calcitriol inhibited in vitro growth of OST cells, increased alkaline phosphatase activity and OC synthesis in these cells. Besides, it produced antitumor in vivo effect on OST growth in athymic mice: tumors of the same size were growing slower in 1,25-dihydroxyvitamin D3-treated mice than in untreated animals. However, further study should be performed to decide whether this biologically active agent may be used as an adjunct in treatment of osteosarcoma.
Estrogens play an important (though not yet quite clear) role in bone metabolism. The osteoblast expression of estrogen receptors suggests that these hormones may exert a direct action on bone cells.
Effect of 17beta-estradiol on NCP expression in vitro was studied in normal and transformed osteoblasts. 17Beta-estradioi enhanced alkaline phosphatase and type I collagen activities in murine osteoblast-like cells MC3T3-Ei [11] as well as produced inconsiderable effect on OP synthesis in human osteogenic sarcoma cells MG-63
указанным процесс осуществляется с помощью посредников. Имеются также сведения о наличии рецепторов 1,25-дигидроксивитамнна D- в клетках остеогенной саркомы человека. Для доказательства влияния кальцнт-риола на клетки остеогенной саркомы изучали экспрессию НКБ в 5 линиях клеток (MG-63, U-20S, SaOS-2, IOR/OS9, SARG) [17]. 1,25-Дигидроксивитамин Dr, способствовал ингибированию in vitro роста клеток во всех пяти средах, но оказывал различное действие на экспрессию НКБ. В частности, экспрессия НКБ была повышена в клетках IOR/OS9, снижена в SARG и не изменялась в трех остальных средах. Среди всех изученных линий клеток только в MG-63 наблюдали высший уровень синтеза ОК после добавления 1,25-дигидрокси-витамина D3 по сравнению с контрольной средой [17].
Известно также, что кальцитриол модулирует синтез НКБ в нормальных остеогенных клетках, а именно: он индуцирует синтез ОП и ингибирует синтез КСП в остеобластах [18].
1,25-Дигидроксивитамин D, может оказывать влияние и на процессы дифференцировки и противоопухолевой активности в клетках остеогенной саркомы человека [22]. При использовании линии клеток OST показано, что кальцитриол ингибировал их рост in vitro, увеличивал активность щелочной фосфатазы и синтез ОК в этой среде. Кроме того, он проявлял и противоопухолевый эффект in vivo на рост OST у бестимусных мышей: опухоль одинаковых размеров у животных, леченных 1,25-дигидроксивитамином D3, росла медленнее, чем у нелеченых. Однако для обсуждения вопроса о включении этого биологически активного вещества в качестве дополнительного средства при лечении остеогенной саркомы необходимы дальнейшие исследования.
Важную, но недостаточно изученную роль в обмене веществ в кости играют эстрогены. Факт экспрессии остеобластами рецепторов эстрогенов демонстрирует возможность непосредственного действия данного класса гормонов на клетки кости.
Изучено влияние 17[}-эстрадиола на экспрессию НКБ in vitro в нормальных и трансформированных остеобластах. Под действием 17|3-эстрадиола в мышиных остеобластоподобных клетках МСЗТЗ-Ei увеличиваются активность щелочной фосфатазы и синтез коллагена I типа [11] и только незначительно изменяется синтез ОП в MG-63-клетках остеогенной саркомы человека [8]. 17(3-Эстрадиол регулирует индуцированный 1,25-дигид-роксивитамином D3 синтез щелочной фосфатазы и НКБ при добавлении в среду с MG-63-клетками 17Р-эстра-диола, а затем 1,25-дигидроксивитамина D~„ активность щелочной фосфатазы и синтез ОК увеличились в 4 раза. Однако сам 17[}-эстрадиол не оказывал влияния на базальную активность щелочной фосфатазы и секрецию ОК. Не дало большего результата, чем сам 1,25-дигид-роксивитамин D3, и одновременное введение в среду указанных биологически активных веществ. Эти результаты указывают на то, что наличие 17(}-эстрадиола в культуре клеток перед добавлением 1,25-дигидроксивитамина D-необходимо для индукции его действия, возможно, каким-то образом влияя на уровень рецепторов 1,25-дигидрок-сивитамина D3 в MG-63-клетках остеогенной саркомы.
Глюкокортикоиды — группа гормонов, обладающих способностью влиять на метаболизм и функции
[8]. 17Beta-estradiol regulated 1,25-dihydroxyvitainin D3-induced alkaline phosphatase and NCP synthesis; addition of 17beta-estradiol and then 1,25-dihydroxyvi-tamin D3 into a MG-63-containing medium led to a 4-fold increase in alkaline phosphatase activity and OC secretion. Simultaneous addition of the above-mentioned biologically active substances failed to increase the effect of 1,25-di-hydroxyvitamin D3 alone. These findings suggest that the presence of 17beta-estradiol in cell culture before the addition of 1,25-dihydroxyvitamin D3 is needed to induce its action probably by influencing the level of 1,25-dihydroxyvitamin D, receptors in MG-63 osteosarcoma cells.
Glucocorticoids are a group of hormones able to influence bone tissue metabolism and functioning at cell level with osteoblasts as their targets [22]. Synthetic glucocorticoid analogs, such as dexamethasone demonstrate similar properties. Like 17beta-estradiol it influences NCP expression. This process is well studied in human osteosarcoma cells MG-63 [17]. Administration of dexamethasone in this cell culture enhances alkaline phosphatase activity both in intact cells and in cells further undergoing 17beta-estradiol treatment. This hormone reduces OC synthesis in MG-63. Besides these properties, dexamethasone produces other effects on NCP synthesis and bone cell metabolism: it increases alkaline phosphatase activity and synthesis of OP, BSP, OC in osteoblast progenitors from bone marrow stromal cells; increases BSP synthesis, but unlike 1,25-dihydroxy-vitamin DJ inhibits OP expression in rat osteosarcoma cells.
The systemic regulation by the hormones is effected via mediators including paracrine and autocrine factors that are present in bone matrix and released in bone resorption. Most important local bone cell activity (including NCP synthesis) regulators are cytokines and growth factors [14]. The following cytokines play the leading role: interleukin-1, tumor necrosis factor-alpha, tumor necrosis factor-beta and gamma-interferon.
Interleukin-1 induces osteoblast proliferation and OP synthesis, stimulates bone resorption in synergism with PTH and OC production in osteoblasts, reduces prostaglandin synthesis [2].
Tumor necrosis factor-alpha reduces OP synthesis in osteoblasts, stimulates bone resorption, inhibits alkaline phosphatase activity, collagen and OC synthesis in osteoblasts, OC production in osteoblasts under the action of 1,25-dihydroxyvitamin D3 [5].
Tumor necrosis factor-beta stimulates bone resorption, reduces NCP and collagen synthesis, alkaline phosphatase activity in rat osteogenic sarcoma cells [5].
Gamma-interferon inhibits collagen and NCP synthesis, stimulates bone resorption mediated by interleukin-1, tumor necrosis factors-alpha and -beta as well as prostaglandin- and PTH-induced bone resorption [2,3,5].
There are reports about the effect of growth factors on bone metabolism. Transforming growth factor-beta increases activity of alkaline phosphatase and collagen synthesis in rat osteosarcoma cells, NCP synthesis in normal bone cells, stimulates bone resorption, inhibits proliferation of osteosarcoma cells, OC synthesis and reduces stimulation of OC synthesis by 1,25-dihydroxy-vitamin D3 in human osteosarcoma cells [20].
Transforming growth factor-alpha stimulates bone resorption and induces formation of osteoclast-like mult-inuclear cells in long-term culture of human bone marrow cells [16].
гкапен кости на уровне клеток, при этом остеобласты могут служить для них мишенью [22]. Подобными свойствами обладают и синтетические аналоги глюкокор-тикоидов, например дексаметазон. Как и 17(3-эстрадиол он оказывает влияние на экспрессию НКБ. Этот процесс хорошо изучен в МО-63-клетках остеогенной саркомы человека [17]. Предварительное введение в указанную культуру клеток дексаметазона приводит к увеличению активности щелочной фосфатазы и в интактных клетках, и в последующем леченных 17[3-эстрадиолом. Однако под действием этого гормона снижается синтез ОК в клетках МО-63. Кроме указанных свойств, дексаметазон обладает и другими эффектами на синтез НКБ и метаболизм клеток кости: увеличивает активность щелочной фосфатазы и блокирует стимулируемый
1,25-дигидроксивитамином Э-,синтез ОК в остеобластах человека; увеличивает активность щелочной фосфатазы и синтез ОП, КСП, ОК в предшественниках остеобластов из стромальных клеток костного мозга; увеличивает синтез КСП, но ингибирует экспрессию ОП в клетках остеогенной саркомы крыс, в противоположность 1,25-дигидроксивитамину Б,.
Системная регуляция указанными гормонами осуществляется посредством медиаторов, включающих пара-кринные и аутокринные факторы, которые находятся в матриксе кости и освобождаются в процессе резорбции. К наиболее важным локальным регуляторам активности клеток кости, включая синтез НКБ, относятся цитокины и факторы роста [14]. Среди цитокинов необходимо выделить следующие: интерлейкин-1, а-фактор некроза опухоли, Р-фактор некроза опухоли и у-интерферон.
Интерлейкин-1 индуцирует пролиферацию остеобластов и синтез ОП, стимулирует резорбцию кости в синергизме с ПТГ и продукцию ОК в остеобластах, снижает синтез простагландинов [2].
а-Фактор некроза опухоли снижает синтез ОП в остеобластах, стимулирует резорбцию кости, ингибирует активность щелочной фосфатазы, синтез коллагена и ОК в остеобластах, продукцию ОК в остеобластах под действием 1,25-дигидроксивитамина Б, [5].
Р-Фактор некроза опухоли стимулирует резорбцию кости, снижает синтез НКБ и коллагена, активность щелочной фосфатазы в клетках остеогенной саркомы крысы [5].
у-Интерферон ингибирует синтез коллагена и НКБ, стимуляцию резорбции кости, медиированную интерлейкином-1, а- и Р-факторами некроза опухоли и резорбцию кости под действием простагландинов и ПТГ [2, 3, 5,].
В литературе представлены данные о влиянии факторов роста на метаболизм в костях. Так, Р-трансфор-мирующий фактор роста повышает активность щелочной фосфатазы и синтез коллагена в клетках остеогенной саркомы крыс, синтез НКБ в нормальных клетках кости; стимулирует резорбцию кости; ингибирует пролиферацию в клетках остеогенной саркомы крыс, пролиферацию клеток, синтез ОК и снижает стимуляцию синтеза ОК 1,25-дигидроксивитамином Б, в клетках остеосаркомы человека [20].
а-Трансформирующий фактор роста стимулирует резорбцию кости и индуцирует образование остеокла-
Epidermal growth factor as well as fibroblast growth factor increase cell proliferation, collagen and NCP synthesis in bone cells in rats [22].
Platelet-derived growth factor produces the same effects as the epidermal growth factor in bone cells of rats [22].
Insulin, insulin-like factors I and II increase cell proliferation and collagen and NCP synthesis in bone cells, increase 1,25-dihydroxyvitamin D3-stimulated OC synthesis in MG-63 cells of human osteosarcoma [17].
Leukemia inhibition factor reduces alkaline phosphatase activity and type I collagen synthesis while increasing OP synthesis by osteoblasts [4,7,19].
Clinical study of NCP is currently in the focus of attention as the protein’s effect on bone tissue differentiation and morphogenesis arises no doubt. The NCP is known to be expressed at different quantities in bones during osteogenic cell differentiation which may be indicative of corresponding stages of osteoblast differentiation. The different contents of NCP synthesis are preserved in bone neoplastic cells [17] which is also of importance for tumor diagnosis.
The role of NCP as diagnostic markers of bone tumors was determined in study of ON, OP, BSP and OC expression by immunohistochemical assay in a series of bone neoplastic tissues [17]. The expression was evaluated using polyclonal antiserum. Osteogenic tumors (osteoblastoma and osteosarcoma) had positive NCP tests both as concerns tumor cells and extracellular matrix with no statistically significant differences with respect to tumor histology. More valuable information was obtained by comparing NCP synthesis in small-cell osteogenic sarcoma and Ewing sarcoma. Ewing sarcoma had completely negative NCP immunohistochemical tests, while osteogenic sarcoma was mainly positive. Other investigators demonstrated that OC tests were positive in osteogenic sarcoma and always negative in malignant fibrous histiocytoma [17]. These tests may be used to differentiate the mentioned nosological forms for timely and adequate treatment.
Interesting data were obtained in a similar study of chondrosarcoma. Poorly differentiated chondrosarcoma had positive NCP tests much less frequently than well differentiated tumors. The positive correlation of NCP cell expression and chondrosarcoma grading may be explained by osteoblast and chondroblast origin from a common osteogenic progenitor: poorly differentiated cells in well differentiated chondrosarcomas bear a greater resemblance to their progenitors and an increase in NCP expression is therefore observed during the neoplastic disease. Besides, chondroid matrix had negative tests for all NCP, while osteosarcoma osteoid demonstrated positive reactivity. The absence of immune reactions in chondrosarcoma chondroid matrix may be elucidated after further study of NCP role in bone rather than cartilage mineralization.
Immunohistochemical assay was also performed in specimens of giant-cell tumors with unknown histogenesis. Positive NCP tests were obtained for tumors with osteoblast predominance or with very poorly differentiated cells [23].
Thus, evaluation of NCP expression may be useful in bone tumor diagnosis, in particular to differentiate osteosarcoma and Ewing sarcoma, as well as in grading chondrosarcoma anaplasia.
стоподобных многоядерных клеток в долгосрочной культуре клеток костного мозга человека [16].
Эпидермальный фактор роста, так же как п фактор роста фибробластов, повышает пролиферацию клеток, синтез коллагена и НКБ в клетках кости крысы [22].
Фактор роста, выделенный из тромбоцитов, вызывает те же эффекты, что и эпидермальный фактор роста в клетках кости крысы [22].
Инсулин, инсулиноподобные факторы роста I и II увеличивают пролиферацию клеток и синтез коллагена и НКБ в клетках кости, повышают стимулированный
1,25-дигидроксивитамином синтез ОК в МСт-63-клет-ках остеогенной саркомы человека [17].
Фактор ингибирования лейкемии снижает активность щелочной фосфатазы и синтез коллагена I типа и увеличивает синтез ОП в остеобластах [4, 7, 19].
Исследованиям НКБ в клинике уделяется в настоящее время очень много внимания, так как их влияние на морфогенез и дифференцировку костной ткани не вызывает никаких сомнений. Например, известно, что НКБ в костях экспрессируются на протяжении процесса дифференцировки остеогенных клеток в разном количестве и это может служить показателем соответствующих этапов дифференцировки остеобластов. Кроме того, различные уровни синтеза НКБ сохраняются и в неоплазированных клетках кости [17], и это тоже может иметь значение для диагностики опухолей.
Для определения роли НКБ, как диагностических маркеров опухолей костей, изучали экспрессию ОН, ОП, КСП и ОК иммуногистохимическим методом в серии костных неоплазированных тканей [17]. Экспрессию оценивали с использованием поликлональной антисыворотки. В остеогенных опухолях (остеобластома и остеогенная саркома) получили положительную реакцию на НКБ и в клетках, и в матриксе без каких-либо достоверных различий в зависимости от гистологического строения. Более ценную информацию получили при сравнении экспрессии НКБ при мелкоклеточной остеогенной саркоме и саркоме Юинга. Саркома Юинга иммуногистохимически дает полностью отрицательные реакции на НКБ, а мелкоклеточная остеогенная саркома в большинстве случаев — положительные. Другие исследователи показали, что определение ОК было положительным при остеогенной саркоме и всегда отрицательным — при злокачественной фиброзной гисти-оцитоме [17]. Эти данные могут быть использованы в качестве признаков отличия указанных нозологических вариантов опухолей для своевременного и правильного выбора тактики лечения больных.
Интересные данные аналогичного исследования получены при хондросаркоме. Так, при низкой степени дифференцировки хондросаркомы намного реже выявлялись положительные реакции на НКБ, чем при высокодифференцированных опухолях. Положительная корреляция между экспрессией клетками НКБ и градацией хондросаркомы может быть объяснена происхождением остеобластов и хондробластов из общего остеогенного предшественника: низкодифференцированные клетки в высокодифференцированных хондро-саркомах имеют большое сходство с их предшественниками и поэтому наблюдается увеличение экспрессии НКБ на протяжении развития неопластического процесса. Кроме того, при хондросаркоме хондроидный
матрикс давал отрицательные реакции на все определяемые НКБ, тогда как остеоид остеогенной саркомы— положительные. Отсутствие иммунных реакции в хондроидном матриксе хондросаркомы может быть объяснено после детального изучения роли НКБ в процессах минерализации в кости, но не в хряще.
Иммуногистохимические исследования проводились и с материалом гигантоклеточной опухоли, гистогенез которой окончательно не доказан. Положительные реакции на НКБ наблюдали в случаях, когда имелся в основном остеобластический компонент в опухоли или клетки с признаками очень низкой степени дифференцировки [23].
Таким образом, определение экспрессии НКБ может оказать помощь при постановке диагноза опухоли кости, в частности при дифференциальном диагнозе между остеосаркомой и опухолью Юинга, а также при определении степени анаплазии хондро-сарком.
ЛИТЕРА ТУРА / REFERENCES
1. Aiibin J. Е., Gupta A., Zirngibl R., Roxxant J. //Bone. — 1995. — Vol. 17, N 6.— P. 557—596.
2. Campbell I. K., Waring P., Novak U., Hamilton J. A. //Arthritis. Rheum. — 1993.— Vol. 36, N 6. — P. 790—794.
3. Cantin E. М., Hinton D. R., Chen J., Openslum H. Hi. Virol. — 1995, —Vol. 69, N 8.— P. 4898—4905.
4. Cornish J., Callon К. E., Edgar S. G., Reid I. R. //Bone. —
1995. — Vol. 17, N 6.— P. 557—596.
5. Ding G. J.-F., Schmidt J. A., Goldring М. B. et al. //Ibid.
6. Fermor B., Skerry Т. M. //Ibid.
7. Halton J. М., Atkinson S. A., Fraher L. et. al. Hi. Pediatr.— 1995.— Vol. 126, N 4.— P. 557—564.
8. Gardner H. A., Berse B., Scnger D. R. //Oncogene.— 1994.— Vol. 9, N 8.— P. 2321—2326.
9. Gardner H. A., Senger D. R. //FASEB. J. — 1993. — Vol. 7, ,N 3. — A. 371.
10. Kanaxhima A., Veda Y, Tsuchiya H. et al. Hi. Cancer Res. Clin. Oncol. — 1993.— Vol. 120, N 1—2. — P. 35—40.
11. Lajcunessc D. //Bone and mineral. — 1994. — Vol. 24. — P. 1—16.
12. Majeska R. J., Port М., Einhorn T. A. Hi. Bone Miner. Res. — 1993.— Vol. 8, N 3. — P. 277—289.
13. Mintz K. P., Grzesik W. J., Midura R. J. et al. //Ibid. — N8. — P. 985—995.
14. Punicciu R., Colucci S., Grano M. et al. //Am. J. Physiol.— 1993. —Vol. 265, N 5. Pt 1. — 1289—1297.
15. Popo/f S. N.. Osier L. K., Zenvekh J. E., Marks S. C. Jr. //Bone. —1994.— Vol. 15, N 5. — P. 515—522.
16. Sato М., Garsky V., Majeska R. J. et al. Hi. Bone Miner. Res. —1994.— Vol. 9, N 9. — P. 1441 — 1449.
17. Serra М., Scotlandi К., Manara М. C. et al. //Anticancer Res. —
1993.— Vol. 13, N 2.— P. 323—329.
18. Shakoori A. R., van Wijnen A. J., Bortell R. et al. Hi. Cell. Biochem. —1994.— Vol. 55, N 2. — P. 218—229.
19. Silla L. A/., Chen J., Zhong R. K. et al. //Br. J. Haematol.— 1995.— Vol. 89, N 4. — P. 712—718.
20. IVestergren-Thorsxon G., Hernnax J., Sarnstrand B. et al. Hi. Clin. Invest. — 1993. — Vol. 92, N 2. — P. 632—637.
21. IVewer V. A/., lbaruki K., Schjrring P. ct al. Hi. Cell Biol.—
1994.— Vol. 127, N 6, Pt 1, —P. 1767—1775.
22. Young Marian F., Janet M. P. D., Kerr P. D. et al. //Clinical orthopaedics and related research. — 1992. — N 281. — P. 275—294.
23. Zambonin-Zallone A., Grano М., Colucci S. et al. //Calcif. Tissue Int. — 1995. — Vol. 56, Suppl. I.—S. 24.
Поступила 31.03.97/Submitted 31.03.97
