Differenzierung von knochenbildenden Zellen: Systeme und Regulatoren

Zusammenfassung

Der Knochen ist ein komplexes Netzwerk aus unterschiedlichen Zelltypen in einer definierten extrazellulären Matrix. Die Zellen interagieren untereinander und mit der extrazellulären Matrix. Die Koordination von Proliferation und nachfolgender Differenzierung ist ein wesentliches Charakteristikum für die Entwicklung und Etablierung eines Gewebes. Eine Anzahl von Modellen wurden etabliert, in denen diskrete Elemente dieses Netzwerks studiert werden können. In dem experimentellen Modell der ektopischen Knochenbildung kann die Bildung von neuem Knochen induziert werden. Die Proteine sind als zugehörig zu der TGF-β-Superfamilie charakterisiert. Mittels der Zellkulturtechnik konnten während der Ausbildung des osteogenen Potentials eine zeitliche Abfolge von drei unterschiedlichen Perioden charakterisiert werden. Das Zellkulturmodell wird intensiv genutzt, um Effekte von Substanzen auf Osteoblasten-Zellproliferation und Differenzierung zu studieren. Die Ergebnisse können nicht leicht auf den Knochen als Ganzes übertragen werden, da sie keine Hinweise über die Differenzierungskinetik einer Zelle in ihrer natürlichen Umgebung geben. In vitro-Organkulturmodelle, in denen die unterschiedlichen Stadien der Differenzierung anwesend sind, könnten in Zukunft eine stärkere Bedeutung bei der Aufklärung der Zell/Zell- und Zell/Matrix-Interaktion für die Osteoblasten-Differenzierung bekommen. Das Kaskade der Ereignisse im Differenzierungsprozeß muß strikt reguliert sein. Der Differenzierungsprozeß ist durch Kombination des endokrinen Systems und lokal wirkender Faktoren kontrolliert. Die Effekte der klassischen Calcium-regulierenden Hormone, Vitamin D und PTH an der Osteoblasten-Differenzierung sind besprochen. Von einer großen Anzahl von Wachstumsfaktoren wurde gezeigt, daß sie regulatorische Agentien sind, die die Knochenzellaktivität modulieren. Wachstumsfaktoren, die lokal von Knochenzellen synthetisiert werden, sind von besonderem Interesse für das Studium der Knochenbildung.

Abstract

Bone formation comprises a complex but ordered sequence of events, beginning with the proliferation of chondrogenic and osteogenic precursor cells followed by their subsequent differentiation, ultimately leading to extracellular matrix maturation and mineralisation. Several models have been established which recreate discrete elements of this network. Factors induce ectopic bone formation, when implanted into muscle pouches, have been characterized as members of the TGF-β-superfamily. Detailed information about the couse of OB-differentiation has been obtained from an in vitro model system. The process of mineralisation was found to consist of three distinct time periods: a proliferative phase, a period of extracellular matrix maturation and mineralisation. The development of each states depends on each other. This model is not as complex as the whole organ and cannot of course lead to any conclusion about the kinetic differentiation path of a cell in its normal spatial environment. Different organ culture systems are described and through the application of sensitive methods the differentiation can be studied in the normal spatial environment. The cascade of events in the differentiation process must be strictly regulated. Hormones and growth factors in many cases show a bone-forming and/or bone-resorbing action. The effects of the classical calcium regulating hormones Vitamin D and PTH on OB-differentiation are reviewed. A large number of growth factors have been shown to effect OB. Growth factors, that have been isolated from the bone matrix are of particular interest to bone formation.