Chemical and Biochemical Basis of Cell-Bone Matrix Interaction in Health and Disease

Abstract

Bone, a calcified tissue composed of 60% inorganic component (hydroxyapatite), 10% water and 30% organic component (proteins), has three functions: providing mechanical support for locomotion, protecting vital organs, and regulating mineral homeostasis. A lifelong execution of these functions depends on a healthy skeleton, which is maintained by constant bone remodeling in which old bone is removed by the bone-resorbing cell, osteoclasts, and then replaced by new bone formed by the bone-forming cell, osteoblasts. This remodeling process requires a physical interaction of bone with these bone cells. Moreover, numerous cancers including breast and prostate have a high tendency to metastasize to bone, which is in part attributable to the capacity of the tumor cells to attach to bone. The intensive investigation in the past two decades has led to the notion that the cell-bone interaction involves integrins on cell surface and bone matrix proteins. However, the biochemical composition of bone and emerging evidence are inconsistent with this belief. In this review, I will discuss the current understanding of the molecular mechanism underlying the cell-bone interaction. I will also highlight the facts and new findings supporting that the inorganic, rather than the organic, component of bone is likely responsible for cellular attachment.

Gelatin‐coating increases in‐vivo bone formation capacity of three‐dimensional 45S5‐bioactive glass‐based crystalline scaffolds

“…By alteration of their surface characteristics, scaffolds can be tailored towards specific needs: It was demonstrated that different coatings of scaffold surfaces have individual impacts on their osteogenic properties—Gelatin coating improved the osteogenic properties of BG‐based scaffolds compared with coatings with other biocompatible polymers (Westhauser, Weis, et al, ). Gelatin is a naturally occurring biopolymer composed of hydrolysed Type 1 collagen, which also represents the main portion of the organic osseous ECM (Echave, Burgo, Pedraz, & Gorka, ; Feng, ). During the process of cell migration on scaffold surfaces, cells form clots in order to adhere (Salgado António et al, ).…”

Síntese e caracterização de membranas biopoliméricas híbridas contendo apatitas e nanopartículas de prata

“…O osso é um tecido conjuntivo que continuamente sofre remodelação através do acoplamento preciso e localizado da reabsorção (remoção do material envelhecido), promovida pelas células denominadas osteoclastos, com a substituição pelo novo tecido ósseo formado, decorrente da ação de células intituladas osteoblastos. 11,12 Materialmente, é constituído, em peso, 90% pela matriz extracelular e 10% água. 12,13 Essa matriz, conhecida como matriz óssea, é um material híbrido orgânico-inorgânico tridimensional, que consiste em cerca de 60% de componente inorgânico e 30 % de fase orgânica.…”

“…11,12 Materialmente, é constituído, em peso, 90% pela matriz extracelular e 10% água. 12,13 Essa matriz, conhecida como matriz óssea, é um material híbrido orgânico-inorgânico tridimensional, que consiste em cerca de 60% de componente inorgânico e 30 % de fase orgânica. 12,13 É reportado que a fase mineral, que está sob a forma de hidroxiapatita carbonatada, é nucleada seletivamente e depositada na superfícies e nos interstícios de uma rede altamente ordenada formada pela a auto-organização supramolecular das cadeias de macromoléculas.…”

“…12,13 Essa matriz, conhecida como matriz óssea, é um material híbrido orgânico-inorgânico tridimensional, que consiste em cerca de 60% de componente inorgânico e 30 % de fase orgânica. 12,13 É reportado que a fase mineral, que está sob a forma de hidroxiapatita carbonatada, é nucleada seletivamente e depositada na superfícies e nos interstícios de uma rede altamente ordenada formada pela a auto-organização supramolecular das cadeias de macromoléculas. 14 No caso, essa fase orgânica é composta por lipídeos, uma série de proteínas não-colagênicas, como glicosaminoglicanos sulfatados e não sulfatados, e, majoritariamente, colágeno tipo-I, organizadas tridimensionalmente em estruturas fibrosas.…”

“…14 Nessa perspectiva, vale ressaltar que o osso não é isolado no corpo e sua manutenção e função requerem uma interação próxima com os componentes celulares do corpo, incluindo osteoblastos e osteoclastos. 12 Dessa forma, o equilíbrio entre reabsorção e regeneração, denominado homeostase óssea, nesse tecido calcificado promovido pela ação dessas células ósseas, que é dependente de sua fixação na matriz óssea, acarreta na capacidade de auto reparação e adaptação. 11,12,15,16 Além disso, é apontado por Elango et al 11 que a falha deste sistema pode ajudar a explicar as fraturas osteoporóticas que ocorrem, por exemplo, em mulheres pós-menopausa e idosos.…”