WEEFSELS – WERKCOLLEGES
WC 5 STEUNWEEFSELS
Opdracht 1: Osteoclast: herkomst, (sub)microscopische bouw en functie, en regulatie
daarvan
Osteoclasten ontstaan net als macrofagen uit hematopoetische
stamcellen in het beenmerg. Uit het beenmerg ontstaan
allereerst monocyten die zich ontwikkelen tot progenitor
osteoclasten. Progenitor osteoclasten bezitten een receptor
genaamd c-FMS. Deze receptor bindt M-CSF die uitgescheiden
wordt door osteoblasten. Na het binden van M-CSF aan de c-FMS
receptor komt de receptor RANK op de precursor osteoclasten
tot uiting. De RANK receptor kan RANKL binden die wederom
wordt uitgescheiden door osteoblasten (en osteocyten). Na het
binden van RANKL aan RANK-receptor en de co-stimulatie door
andere factoren differentieren de progenitor osteoclasten zich
tot precursor osteoclasten. Deze precursor cellen zullen fuseren
en zo een volwassen osteoclast vormen. De volwassen osteoclast
bezit dan ook meerdere kernen.
Naast de rekrutering van osteoclasten door osteoblasten met behulp van M-CSF en RANKL zijn er nog
aanvullende mechanismen nodig om daadwerkelijk op plek van bestemming te komen. Zo moet o.a.
de endotheellaag geactiveerd worden en moeten de volwassen osteoclasten transmigreren. Het is
nog niet duidelijk welke factoren verantwoordelijk zijn voor dit processen. Wel denken onderzoekers
dat in ieder geval de volgende factoren een rol zouden kunnen spelen; VEGF, IL-6 en RANKL. Deze
factoren zijn o.a. betrokken bij de angiogenese, endotheel activatie en osteoclastogenese.
In botweefsel waar bone remodeling plaatsvindt liggen de osteoclasten in resorption lacunae. Dit
zijn een soort kanaaltjes die de osteoclasten ‘graven’. In de resorption lacunae komen ook andere
cellen en een bloedvaatje te liggen. Osteoblasten bedekken de wand van de lacunae, en vullen hem
weer op met matrix. Uiteindelijk blijft er een klein kanaaltje over, dat het bloedvaatje nog bevat.
De osteoclast is aan het bot verbonden via een sealing zone,
oftewel het membraandomein van osteoclasten dat in direct
contact staat met de botmatrix. Via integrines zit de osteoclast
vast aan de botmatrix. De sealing zone omringt de ruffled border:
een gerafeld stuk sealing zone waarin microvili naar buiten
projecteren. Dit deel van het membraan domein maakt het
mogelijk dat er een speciaal micromileu ontstaat tussen de
osteoclast en de botmatrix waarin afbraak plaats kan vinden. In
dit micromileu zorgt de osteclast voor een zuur milieu door de
aanvoer van protonen via een protonenpomp.
Verder screteert de osteoclast lysosome-related vesicles waarin hydrolytische enzymen zitten. Deze
enzymen zijn betrokken bij de afbraak van organische bestanddelen uit het botmatrix. Ook komen
hierbij zuren vrij die betrokken zijn bij de afbraak van mineralen uit de botmatrix. De
afbraakproducten van collageen en andere polypeptiden worden via endocytose naar de lysosomen
gebracht, waar ze verder worden afgebroken. Ionen als Ca2+ worden via het bloed afgevoerd.
,Review: osteocyt-osteoclast communicatie
Lange tijd was nog onbekend welk verband er bestond tussen osteoclasten en osteocyten. Uit
onderzoek bleek dat osteoclasten vaak te lokaliseren waren op plekken waar osteocyten apoptose
ondergingen. In eerste instantie was nog niet met met zekerheid te zeggen dat apoptotische
osteocyten de activatie van osteoclasten bevorderen.
Tot Cardoso met zijn onderzoek de hypothese bevestigde. Hij
deed dit door apoptose in osteocyten te hinderen met behulp
van een pan-caspase. Doordat de osteocyten niet in apoptose
gingen werd botresorptie door osteoclasten geremd. Hierdoor
kon met zekerheid gezegd worden dat apoptose van
osteocyten lijdt tot de activatie van osteoclasten.
Onderzoekers vermoeden dat meerdere factoren een rol
spelen bij de activatie van osteoclasten door osteocyten. Deze
factoren zijn te verdelen in twee groepen: find-me (ATP) en
eat-me (LPC).
Wanneer er een kleine beschadiging (“microcrack”) optreedt
in bot, zullen de osteocyten op de plek van beschadiging in
apoptose gaan. De osteocyten die om de apoptotische
osteocyten heen liggen en overleven, zullen meer RANKL
produceren. Hierdoor wordt differentiatie tot osteoclasten
gestimuleerd. Er zullen dus meer osteoclasten ontstaan.
Apoptotische osteocyten stimuleren dus de lokale osteoclastresorptie. Dit doen ze door overlevende
naastgelegen osteocyten te stimuleren RANKL uit te scheiden. Door RANKL ontstaat differentiatie tot
osteoclasten en kunnen ze bot gaan resorberen. Het is echter nog onbekend welke factoren worden
uitgescheiden door apoptotische osteocyten om naburige osteocyten te stimuleren RANKL te
produceren.
Andere onderzoeken hebben daarnaast bewijs aangevoerd dat osteocyten niet alleen de activatie
van osteoclasten reguleren maar ook hun inhibitie. Osteocyten scheiden inhiberende factoren uit en
voorkomen daarmee de activatie van osteoclasten. Daarnaast inhiberen levende osteocyten
sowieso de activatie van osteoclasten.
, Opdracht 2: Fractuurgenezing
De verschillende stappen van fractuurherstel
Stap 1: Bloedvaten in de fractuur kunnen scheuren. Er komt vervolgens bloed vrij dat
gaat stollen en een fractuurhematoom vormt. Het hematoom bevat een fibrine-
netwerk dat de fractuur afsluit, en zorgt dat ontstekingscellen worden aangetrokken,
samen met de komst van fibroblasten en proliferatie van capillairen. De
bloedplaatjes en ontstekingscellen die hier naartoe zijn gekomen geven bepaalde
groeifactoren af (PDGF, TGF- beta, en FGF) die osteoprogenitorcellen activeren, die
op hun beurt osteoclasten en osteoblasten activeren.
Stap 2: Het hematoom wordt verwijderd door macrofagen en wordt vervangen door
een fibreus-kraakbeenachtige massa wat ook wel procallus weefsel wordt genoemd.
Stap 3: De herstellende bloedvaten en delende osteoblasten gaan de massa
(procallus) betreden en trabeculae (schotten) van geweven bot afzetten. Het
kraakbeen wordt nu vervangen door geweven bot.
Stap 4: Nu zal remodeling plaatsvinden. Het geweven bot wordt vervolgens
omgevormd tot compact en poreus bot die nu weer hetzelfde is als de aangrenzende
niet-verwonde gebieden. Ook wordt het vaatstelsel volledig hersteld door vasculaire
remodeling.
Engineered bone grafts
Bottransplantaten zouden een oplossing bieden voor het (te) slome herstel van botbreuken. Hierbij
kan bot nagemaakt worden door middel van organ/tissue printing. Het gaat om een techniek waarbij
de complexiteit van de organisatie van weefsel op een gelijkwaardige manier (voor zo ver mogelijk)
nagebootst kan worden. Om een stukje functionerend bot te kunnen maken, moet het transplantaat
bepaalde eigenschappen bevatten. Het moet bijvoorbeeld flexibel en sterk zijn, het matrix moet
collageen bevatten, er moet sprake kunnen zijn van mineralisatie en vascularisatie en het
transplantaat moet poriën bevatten die met elkaar verbonden zijn voor de uitwisseling van zuurstof
en voedingsstoffen en vasculaire groei.
Voor het creëren van implantaten worden hydrogels en cellen gebruikt, waardoor implantaten
ontstaan met een 3D-structuur dat kan bestaan uit meerdere celtypes en matrix. Hydrogel is een 3D-
netwerk van polymeerketens die aan elkaar zitten door middel van crosslinks. De hydrogel dient als
milieu waarin het geschikt is voor de overleving en differentiatie van de cellen, zoals osteogene
cellen, endotheliale progenitor cellen en mesenchymale stamcellen. Om deze cellen te stimuleren
kan er gebruik gemaakt worden van groeifactoren, zoals BMP, VEGF. VEGF is belangrijk voor het
vormen van bloedvaten.
WC 5 STEUNWEEFSELS
Opdracht 1: Osteoclast: herkomst, (sub)microscopische bouw en functie, en regulatie
daarvan
Osteoclasten ontstaan net als macrofagen uit hematopoetische
stamcellen in het beenmerg. Uit het beenmerg ontstaan
allereerst monocyten die zich ontwikkelen tot progenitor
osteoclasten. Progenitor osteoclasten bezitten een receptor
genaamd c-FMS. Deze receptor bindt M-CSF die uitgescheiden
wordt door osteoblasten. Na het binden van M-CSF aan de c-FMS
receptor komt de receptor RANK op de precursor osteoclasten
tot uiting. De RANK receptor kan RANKL binden die wederom
wordt uitgescheiden door osteoblasten (en osteocyten). Na het
binden van RANKL aan RANK-receptor en de co-stimulatie door
andere factoren differentieren de progenitor osteoclasten zich
tot precursor osteoclasten. Deze precursor cellen zullen fuseren
en zo een volwassen osteoclast vormen. De volwassen osteoclast
bezit dan ook meerdere kernen.
Naast de rekrutering van osteoclasten door osteoblasten met behulp van M-CSF en RANKL zijn er nog
aanvullende mechanismen nodig om daadwerkelijk op plek van bestemming te komen. Zo moet o.a.
de endotheellaag geactiveerd worden en moeten de volwassen osteoclasten transmigreren. Het is
nog niet duidelijk welke factoren verantwoordelijk zijn voor dit processen. Wel denken onderzoekers
dat in ieder geval de volgende factoren een rol zouden kunnen spelen; VEGF, IL-6 en RANKL. Deze
factoren zijn o.a. betrokken bij de angiogenese, endotheel activatie en osteoclastogenese.
In botweefsel waar bone remodeling plaatsvindt liggen de osteoclasten in resorption lacunae. Dit
zijn een soort kanaaltjes die de osteoclasten ‘graven’. In de resorption lacunae komen ook andere
cellen en een bloedvaatje te liggen. Osteoblasten bedekken de wand van de lacunae, en vullen hem
weer op met matrix. Uiteindelijk blijft er een klein kanaaltje over, dat het bloedvaatje nog bevat.
De osteoclast is aan het bot verbonden via een sealing zone,
oftewel het membraandomein van osteoclasten dat in direct
contact staat met de botmatrix. Via integrines zit de osteoclast
vast aan de botmatrix. De sealing zone omringt de ruffled border:
een gerafeld stuk sealing zone waarin microvili naar buiten
projecteren. Dit deel van het membraan domein maakt het
mogelijk dat er een speciaal micromileu ontstaat tussen de
osteoclast en de botmatrix waarin afbraak plaats kan vinden. In
dit micromileu zorgt de osteclast voor een zuur milieu door de
aanvoer van protonen via een protonenpomp.
Verder screteert de osteoclast lysosome-related vesicles waarin hydrolytische enzymen zitten. Deze
enzymen zijn betrokken bij de afbraak van organische bestanddelen uit het botmatrix. Ook komen
hierbij zuren vrij die betrokken zijn bij de afbraak van mineralen uit de botmatrix. De
afbraakproducten van collageen en andere polypeptiden worden via endocytose naar de lysosomen
gebracht, waar ze verder worden afgebroken. Ionen als Ca2+ worden via het bloed afgevoerd.
,Review: osteocyt-osteoclast communicatie
Lange tijd was nog onbekend welk verband er bestond tussen osteoclasten en osteocyten. Uit
onderzoek bleek dat osteoclasten vaak te lokaliseren waren op plekken waar osteocyten apoptose
ondergingen. In eerste instantie was nog niet met met zekerheid te zeggen dat apoptotische
osteocyten de activatie van osteoclasten bevorderen.
Tot Cardoso met zijn onderzoek de hypothese bevestigde. Hij
deed dit door apoptose in osteocyten te hinderen met behulp
van een pan-caspase. Doordat de osteocyten niet in apoptose
gingen werd botresorptie door osteoclasten geremd. Hierdoor
kon met zekerheid gezegd worden dat apoptose van
osteocyten lijdt tot de activatie van osteoclasten.
Onderzoekers vermoeden dat meerdere factoren een rol
spelen bij de activatie van osteoclasten door osteocyten. Deze
factoren zijn te verdelen in twee groepen: find-me (ATP) en
eat-me (LPC).
Wanneer er een kleine beschadiging (“microcrack”) optreedt
in bot, zullen de osteocyten op de plek van beschadiging in
apoptose gaan. De osteocyten die om de apoptotische
osteocyten heen liggen en overleven, zullen meer RANKL
produceren. Hierdoor wordt differentiatie tot osteoclasten
gestimuleerd. Er zullen dus meer osteoclasten ontstaan.
Apoptotische osteocyten stimuleren dus de lokale osteoclastresorptie. Dit doen ze door overlevende
naastgelegen osteocyten te stimuleren RANKL uit te scheiden. Door RANKL ontstaat differentiatie tot
osteoclasten en kunnen ze bot gaan resorberen. Het is echter nog onbekend welke factoren worden
uitgescheiden door apoptotische osteocyten om naburige osteocyten te stimuleren RANKL te
produceren.
Andere onderzoeken hebben daarnaast bewijs aangevoerd dat osteocyten niet alleen de activatie
van osteoclasten reguleren maar ook hun inhibitie. Osteocyten scheiden inhiberende factoren uit en
voorkomen daarmee de activatie van osteoclasten. Daarnaast inhiberen levende osteocyten
sowieso de activatie van osteoclasten.
, Opdracht 2: Fractuurgenezing
De verschillende stappen van fractuurherstel
Stap 1: Bloedvaten in de fractuur kunnen scheuren. Er komt vervolgens bloed vrij dat
gaat stollen en een fractuurhematoom vormt. Het hematoom bevat een fibrine-
netwerk dat de fractuur afsluit, en zorgt dat ontstekingscellen worden aangetrokken,
samen met de komst van fibroblasten en proliferatie van capillairen. De
bloedplaatjes en ontstekingscellen die hier naartoe zijn gekomen geven bepaalde
groeifactoren af (PDGF, TGF- beta, en FGF) die osteoprogenitorcellen activeren, die
op hun beurt osteoclasten en osteoblasten activeren.
Stap 2: Het hematoom wordt verwijderd door macrofagen en wordt vervangen door
een fibreus-kraakbeenachtige massa wat ook wel procallus weefsel wordt genoemd.
Stap 3: De herstellende bloedvaten en delende osteoblasten gaan de massa
(procallus) betreden en trabeculae (schotten) van geweven bot afzetten. Het
kraakbeen wordt nu vervangen door geweven bot.
Stap 4: Nu zal remodeling plaatsvinden. Het geweven bot wordt vervolgens
omgevormd tot compact en poreus bot die nu weer hetzelfde is als de aangrenzende
niet-verwonde gebieden. Ook wordt het vaatstelsel volledig hersteld door vasculaire
remodeling.
Engineered bone grafts
Bottransplantaten zouden een oplossing bieden voor het (te) slome herstel van botbreuken. Hierbij
kan bot nagemaakt worden door middel van organ/tissue printing. Het gaat om een techniek waarbij
de complexiteit van de organisatie van weefsel op een gelijkwaardige manier (voor zo ver mogelijk)
nagebootst kan worden. Om een stukje functionerend bot te kunnen maken, moet het transplantaat
bepaalde eigenschappen bevatten. Het moet bijvoorbeeld flexibel en sterk zijn, het matrix moet
collageen bevatten, er moet sprake kunnen zijn van mineralisatie en vascularisatie en het
transplantaat moet poriën bevatten die met elkaar verbonden zijn voor de uitwisseling van zuurstof
en voedingsstoffen en vasculaire groei.
Voor het creëren van implantaten worden hydrogels en cellen gebruikt, waardoor implantaten
ontstaan met een 3D-structuur dat kan bestaan uit meerdere celtypes en matrix. Hydrogel is een 3D-
netwerk van polymeerketens die aan elkaar zitten door middel van crosslinks. De hydrogel dient als
milieu waarin het geschikt is voor de overleving en differentiatie van de cellen, zoals osteogene
cellen, endotheliale progenitor cellen en mesenchymale stamcellen. Om deze cellen te stimuleren
kan er gebruik gemaakt worden van groeifactoren, zoals BMP, VEGF. VEGF is belangrijk voor het
vormen van bloedvaten.
