Быков- гистология( общая)
.pdf1.Образование хрящевой модели кости происходит из мезенхимы в соответствии с закономерностями гистогенеза хряща (см. выше). Сформировавшаяся модель по форме сходна с будущей костью и отличается от нее лишь отсутствием диафизарной полости. Она образована гиалиновым хрящом, который снаружи покрыт надхрящницей и в течение определенного времени увеличивается в размерах (путем как аппозиционного, так и интерстициального роста).
2.Образование перихондральной костной манжетки начинается в середине диафиза хрящевой модели с дифференцировки во внутреннем слое ее надхрящницы остеобластов, которые приступают к продукции костного межклеточного вещества. Формирующиеся трабекулы из грубоволокнистой костной ткани образуют ажурную манжетку, которая в виде цилиндра охватывает диафиз хрящевой модели, располагаясь перихондралъно (от греч. peri - вокруг и chondios - хрящ). Перихондральная кость непрерывно утолщается
иразрастается от центра диафиза в сторону эпифизов. В дальнейшем она подвергается перестройке: грубоволокнистая костная ткань в ней замещается пластинчатой; остеоны образуются вокруг врастающих кровеносных сосудов, ориентированных вдоль кости.
Дистрофические изменения и обызвествление хрящевой модели
начинаются в центральной части диафиза в результате нарушения ее трофики. Обычно это нарушение считают следствием того, что между хрящом и питающей его путем диффузии надхрящницей разрастается перихондральная кость, которая (как и дистрофические процессы в хряще) распространяется от центра диафиза хрящевой модели в сторону эпифизов. По мнению некоторых авторов, однако, дегенеративные изменения хряща не вызываются, а лишь усугубляются появлением перихондральной манжетки.
Морфологические изменения хряща при нарушении его трофики
характеризуются увеличением размера (в 5-10 раз) и округлением его клеток, которые превращаются в так называемые пузырчатые (гипертрофированные) хондроциты (см. выше). Следующая, более глубокая, стадия дистрофических изменений сопровождается гибелью хондроцитов и обызвествлением межклеточного вещества хряща, приобретающего резкую базофилию. На границе дистрофически изменяющегося хряща с неизмененным (в эпифизе) хондроциты образуют колонки. в пределах которых клетки активно делятся и вырабатывают матрикс.
3. Образование эндохондральной (энхондральной) кости в диафизе
происходит в результате проникновения внутрь хрящевой модели
- 381 -
остеогенных клеток. Они попадают туда вместе с мезенхимой, окружающей кровеносные сосуды, которые врастают из надкостницы в центральной части диафиза. Сосуды способны проникать в плотный обызвествленный хрящ благодаря его разрушению клетками типа остеокластов (здесь их правильнее именовать хондрокластами). Остеогенные клетки дифференцируются в остеобласты, которые образуют кость внутри разрушающегося хряща - эндо-, или энхондрально (от греч. endon - внутри и chondros - хрящ). Область начального образования костной ткани в диафизе называется первичной точкой окостенения. Далее процесс обызвествления хряща, его разрушения и замещения эндохондральной костью продвигается по направлению к эпифизам.
Изменения хрящевой ткани, взаимодействующей с надвигающейся на нее эндохондральной костной тканью, максимально выражены в участке контакта с костной тканью и минимально - в области эпифиза. В соответствии с выраженностью и характером этих изменений в хряще выделяют четыре не резко отграниченных друг от друга слоя, или зоны (в направлении от эпифиза к диафизу):
(1)зона неизмененного хряща (резервная зона) - сравнительно узкая,
прилежащая к костной ткани эпифиза;
(2)зона хрящевых колонок (пролиферативная) - широкая, содержащая колонки (столбики) уплощенных хондроцитов, которые активно делятся и продуцируют межклеточное вещество;
(3)зона пузырчатого (гипертрофированного) хряща состоит из крупных округлых дегенеративно измененных хондроцитов;
(4)зона обызвествленного хряща (прилежит к эндохондральной кости диафиза), непрерывно разрушается и замешается разрастающейся эндохондральной костью.
Разрушение эндохондральной кости в центральной части диафиза остеокластами приводит к образованию костномозговой полости, которая заполняется элементами красного костного мозга. Эндохондральная кость, имеющая пластинчатое строение, сохраняется только в области границы с обызвествляющимся и разрушающимся хрящом, остатки которого она окружает, а часто и "замуровывает". Эта граница, которая соответствует линии наступления эндохондральной кости на обызвествленный хрящ (фронт, или линия окостенения), имеет сложный зигзагообразный ход из-за неравномерности процесса.
4. Образование эндохондральной (энхондральной) кости в эпифизах и формирование эпифизарных пластинок роста. Образование эндохондральной
(энхондральной) кости в эпифизах отмечается
- 382 -
вскоре после рождения, когда в верхних, а затем в нижних эпифизах возникают вторичные точки окостенения в результате процесса, сходного с ранее происходившим в диафизе. В дегенеративно измененный и обызвествляющийся эпифизарный хрящ врастают кровеносные сосуды, в окружении которых находятся остеогенные клетки. Последние дифференпируются в остеобласты, образующие эндохондральную кость внутри эпифиза. В дальнейшем в эпифизах формируются пластинки губчатой кости. Неизмененный гиалиновый хрящ в эпифизе сохраняется только на суставной поверхности и в области, прилежащей к диафизу (метафизе).
Формирование эпифизарной (метаэпифизарной) хрящевой пластинки роста происходит в результате разрастания навстречу друг другу эндохондральной кости из эпифиза и диафиза. Между ними сохраняется дисковидная пластинки роста, образованная гиалиновой хрящевой тканью, размножение клеток которой обеспечивает рост кости в длину. Строение эпифизарной хрящевой пластинки роста характеризуется зональностью - ее клетки располагаются в виде четырех описанных выше зон (неизмененного хряща, хрящевых колонок, пузырчатого хряща и обызвествленного хряща).
РОСТ, ФОРМИРОВАНИЕ И ПЕРЕСТРОЙКА КОСТНОЙ ТКАНИ И КОСТЕЙ
Рост костей
Рост трубчатой кости в длину осуществляется благодаря постоянной пролиферации клеток хрящевых колонок в эпифизарной пластинке роста, которые активно продуцируют матрикс и смещаясь, становятся пузырчатыми хондроцитами, а в дальнейшем разрушаются в зоне обызвествленного хряща. Тем самым образование хрящевой ткани в пластинке роста компенсирует ее убыль со стороны диафиза, где на месте обызвествленного хряща развивается эндохондральная костная ткань. Поэтому в течение всего периода роста кости в длину хрящевая пластинка роста сохраняет сравнительно постоянную ширину.
Регуляция роста кости в длину осуществляется путем изменения скорости пролиферации хоидроцитов в хрящевых колонках. В растущем организме она поддерживается на необходимом уровне благодаря сбалансированному комплексу регуляторных сигналов, в частности, гормональных (гормон роста, половые и тиреоидные гормоны, инсулин и др.).
- 383 -
Гормон роста (соматотропный гормон), вырабатываемый гипофизом, служит важнейшим регулятором роста костей в длину; его влияние на пролиферацию клеток хрящевой пластинки опосредовано соматомединами - инсулиноподобными факторами роста). Недостаточная выработка гормона роста обусловливает карликовость, избыточная - гигантизм.
Роль половых гормонов остается недостаточно изученной: с одной стороны, они необходимы для роста костей, с другой - их резкое повышение при преждевременном половом созревании вызывает прекращение роста и замещение хрящевой пластинки роста костной тканью. Напротив, лица с гипогонадизмом (недостаточностью функции гонад) обычно имеют высокий рост.
Завершение роста трубчатой кости в длину (после полового созревания)
обусловливается снижением пролиферативной активности хондроцитов в эпифизарной хрящевой пластинке при сохранении прежнего темпа дегенеративных изменений и процессов обызвествления. В результате пластинка истончается, а в дальнейшем полностью исчезает, замещаясь костной тканью, связывающей диафиз с эпифизом в единое костное образование. После этого дальнейший рост кости в длину становится невозможным. Способность кости к росту в толщину сохраняется.
Рост трубчатой кости в толщину в процессе развития сочетается с ее ростом в длину. Он осуществляется благодаря процессу аппозиционного роста - постоянному отложению новых слоев костной ткани на наружной поверхности диафиза. Одновременно происходит разрушение костной ткани со стороны костномозговой полости, которая при этом постепенно расширяется. Так как отложение костной ткани снаружи происходит более активно, чем ее разрушение изнутри, в итоге увеличивается не только диаметр диафиза, но и толщина компактной кости, образующей его стенку.
ФОРМИРОВАНИЕ И ПЕРЕСТРОЙКА КОСТНОЙ ТКАНИ
В костной ткани в течение всей жизни человека непрерывно происходят процессы ее разрушения и образования (физиологической регенерации), регуляция которых осуществляется внешними (механическая нагрузка) и внутренними (гормоны, факторы роста, цитокины) факторами. Выделяют периоды (1) формирования (моделирования) костной ткани, начинающийся ее развитием в эмбриональном периоде и завершающийся примерно к 25 годам, и
(2) перестройки (ремоделирования) во взрослом возрасте, который продолжается всю оставшуюся жизнь.
- 384 -
Формирование (моделирование) костной ткани
Описание гистогенеза костной ткани и ее основных изменений в течение пренатального и постнатального роста костей приведено выше. По завершении основных этапов гистогенеза кости ее дальнейшее развитие связано не только с количественным ростом в длину и ширину, но и с постоянной внутренней перестройкой, сочетающей процессы образования костной ткани и ее разрушения (резорбции). При этом участки грубоволокнистой костной ткани замещаются пластинчатой тканью, в которой также происходит непрерывное разрушение старых и формирование новых остеонов и трабекул. В течение периода формирования образование костной ткани преобладает над ее резорбцией и происходит в несколько раз быстрее, чем в зрелом организме. Скорость обновления костной ткани в детском возрасте достигает 30-100% в год и осуществляется на 100% ее поверхности (в отличие от перестройки костной ткани у взрослых, которая затрагивает менее 20% костной поверхности).
Перестройка (ремоделирование) костной ткани во взрослом возрасте
У взрослого постоянно происходит внутренняя перестройка костей, причем по сравнению с детским возрастом скорость обновления костной ткани резко снижается, составляя в среднем около 2-5% в год (для трабекулярной кости и кости на эндостальной поверхности - больше, чем для кортикальной кости). Это означает, что за 10-20 лет у человека обновляется примерно половина скелета.
Максимум массы костной ткани в организме достигается примерно к 25
годам; его абсолютное значение зависит от пола, расовой принадлежности, наследственных факторов, физической активности и количества Са, полученного в детском и подростковом возрасте.
Динамика перестройки костной ткани после 25 лет характеризуется некоторым превышением процессов ее резорбции над образованием (что означает постепенную потерю части массы костной ткани), в особенности, в области трабекулярной кости. При этом отмечаются выраженные различия, связанные с полом и возрастом. Так, у молодых женщин потеря костной ткани происходит с такой же скоростью, как и у мужчин (0.4% массы костной ткани в год), а после менопаузы резко ускоряется (1% в год). К старости у мужчин теряется 5-15% кортикальной кости и 15-45% трабекулярной, а у женщин - 2530%
- 385 -
и 35-50%, соответственно. Кости при этом становятся ломкими, легко деформируются. Особенно опасно разрежение костной ткани в позвонках, предплечья и в шейке бедра, где оно достигает 40-60% (что предрасполагает к частым переломам). Скорость потери костной ткани увеличивается при курении, злоупотреблении алкоголем, неправильной диете, сидячем образе жизни.
Остеопороз - избыточная потеря костной ткани (по отношению к нормальному показателю возрастной группы), при которой данный объем кости содержит меньшую массу костной ткани). Остеопороз является самым распространенным обменным заболеванием костной системы, поражающим преимущественно пожилых людей, в особенности, женщин. По разным данным, он выявляется у 30-80% людей в возрасте 70-80 лет. В мире им поражено более 100 млн. человек; только в США от него страдает около 20 млн. женщин.
Факторы, способствующие развитию остеопороза, включают сниженные нагрузки, гормональные и связанные с ними обменные нарушения, воздействие вредных веществ.
Снижение нагрузок на кости при иммобилизации вызывает уменьшение массы костной ткани на 10-20% за 3-6 нед., часто с неполным восстановлением в течение многих месяцев. При длительном пребывании в постели потеря массы костной ткани достигает порядка 30% за 6 мес. Продолжительные (более 2 мес.) космические полеты обусловливают потерю до 35%. которая может выявляться даже спустя 5 лет после полета.
Гормональные и метаболические нарушения, вызывающие или усиливающие остеопороз, включают: гиперпаратиреоз, повышенную продукцию (или введение) кортикостероидов, гипертиреоз, снижение функции яичек (гипогонадизм) и, в особенности, яичников (в частности, в постменопаузальном периоде остеопороз поражает 30-80% женщин). Остеопороз возникает при недостаточном поступлении Са в организм, в том числе в связи с заболеваниями пищеварительного тракта, гиповитаминозом D.
Лечение остеопороза представляет значительные трудности и ставит своей целью снижение скорости потери массы костной ткани, так как увеличения массы этой ткани обычно достичь не удается. Для этого используют кальцитонин, анаболические стероиды, фторид натрия (угнетает резорбцию костной ткани), бифосфонаты (индуцируют апоптоз остеокластов), у женщин - эстрогены, у мужчин - андрогены.
- 386 -
Клеточные механизмы перестройки кости
Функциями непрерывно осуществляемой перестройки кости у
взрослого человека служат:
1)постоянное обновление структуры кости (осуществление ее физиологической регенерации) и ее приведение в соответствие с действующими на кость нагрузками;
2)поддержание гомеостаза минеральных веществ в организме за счет постоянного отложения Са и других неорганических веществ в костное депо и извлечения из него.
Перестройка кости обеспечивается сочетанием процессов ее разрушения и образования, которые осуществляются остеокластами и остеобластами, соответственно. Современные данные о клеточных механизмах процесса перестройки кости обобщены в теории сопряжения функции остеокластов и остеобластов.
Теория сопряжения функции остеокластов и остеобластов основана на представлении о координации деятельности этих клеток, которая обеспечивается благодаря тому, что остеобласты стимулируют дифференцировку и активность остеокластов, а остеокласты, в свою очередь, индуцируют деятельность остеобластов. Регуляция такого сопряжения обеспечивается как непосредственным влиянием клеток этих двух типов друг на друга, так и через сложную систему контроля, опосредованную гормонами и факторами роста.
Перестройка кости - циклический процесс, который включает четыре последовательно развивающиеся этапа (фазы) - (1) активацию, (2) резорбцию,
(3)реверсию и (4) формирование, или остеогенез (рис. 12-18).
1.Фаза активации характеризуется выходом клеток в небольшом участке костной ткани (в намечающейся зоне перестройки) из состояния покоя (в котором пребывают клетки на 80-95% поверхности кости), повышением их функциональной активности и дифференцировкой. Предполагают, что ведущая роль в определении локализации этого участка принадлежит остеоцитам (возможно, и остеобластам), которые интегрируют разнообразные общие и локальные механические и гуморальные сигналы и запускают местный процесс перестройки кости. Активация происходит в различных участках скелета примерно каждые 10 секунд и является каскадным процессом, который включает:
- 387 -
(а) активацию клеток, выстилающих кость (покоящихся остеобластов),
которые изменяют свою форму, становясь из плоских звездчатыми, сметаются и обнажают небольшой участок костной поверхности - место последующего прикрепления остеокластов;
(б) подготовку поверхности кости для деятельности остеокластов,
которая осуществляется активированными клетками, выстилающими кость, выделяющими ряд ферментов, разрушающих органическую пленку (эндостальную мембрану), покрывающую кость и препятствующую прикреплению остеокластов;
(в) активацию предшественников остеокластов, которые под влиянием хемотаксических факторов, выделяемых неактивными остеобластами, и поверхностью кости после удаления эндостальной мембраны, мигрируют к участку перестройки, прикрепляются к нему и, сливаясь друг с другом, начинают дифференцироваться в зрелые остеокласты.
Рис. 12-18. Циклический процесс перестройки кости. В состоянии покоя (ПОК) поверхность кости покрыта неактивными остеобластами (клетками, выстилающими кость - КВК). Фаза активации (АКТ): активация и смещение КВК на небольшом участке костной ткани с обнажением ее поверхности (стрелки). Предшественники остеокластов (ПОКЛ) мигрируют в участок перестройки, прикрепляются к нему и, сливаясь друг с другом, дифференцируются в зрелые остеокласты (ОКЛ). В фазе резорбции (РЕЗ) костная ткань активно разрушается зрелыми ОКЛ с формированием резорбционной лакуны (РЛ). В течение фазы реверсии (РЕВ) клетки типа макрофагов (МФ) подготавливают РЛ и способствуют привлечению остеобластов (ОБЛ). В начале фазы формирования (ФОР1) происходит локальная дифференцировка ОБЛ, которые на более поздних сроках (ФОР2) заполняют РЛ остеоидом (ОИ) и далее подвергают его минерализации.
- 388 -
2.Фаза резорбции (от лат. resorptio - рассасывание) характеризуется высокой активностью процессов разрушения костной ткани зрелыми остеокластами, которые образуют глубокие резорбционные лакуны (Хаушипа). Резорбция включает начальную деминерализацию межклеточного вещества и последующее ферментное разрушение органического матрикса (см. выше) и продолжается около 6 нед.
3.Фаза реверсии (от лат. reversio - обратный ход, возвращение) сравнительно краткий (1-2 нед.) период времени, который характеризуется переходом от процессов резорбции костной ткани к ее формированию и служит проявлением сопряжения деятельности остеокластов и остеобластов. В течение этой фазы резорбционная лакуна подготавливается к последующему привлечению остеобластов и заполнению межклеточным веществом в результате их деятельности. Этот процесс осуществляется клетками типа макрофагов, которые замещают остеокласты (по мнению некоторых авторов, они могут образовываться в результате расщепления остеокластов). Указанные клетки сглаживают неровности на поверхности лакун и откладывают на ней особое цементирующее вещество, которое способствует привлечению остеобластов.
4.Фаза формирования (остеогенеза) начинается с локальной дифференцировки остеобластов из преостеобластов и их миграции в область резорбционной лакуны. Благодаря высокой синтетической и секреторной активности остеобластов лакуна постепенно заполняется межклеточным веществом, которое начально образуется как органический матрикс - остеоид (откладывается со скоростью до 2-3 мкм/сут.), а в дальнейшем спустя 5-15 сут. начинает минерализоваться (средняя продолжительность процесса - около 20 нед.). Впоследствии активные остеобласты утрачивают способность к секреции
иминерализации костного матрикса, уплощаются и превращаются в неактивные остеобласты (клетки, выстилающие кость).
Индукция процессов образования костной ткани обеспечивается еще в течение фазы ее резорбции посредством механизма сопряжения, в основе которого, по-видимому, лежит действие на преостеобласты продуктов ферментного переваривания костного матрикса, в том числе ТФРР и ряда других связанных с ним факторов роста.
Перестройка трабекулярной кости происходит описанным выше путем и включает точно отрегулированную последовательность процессов разрушения костного матрикса, сменяющихся его образованием.
Перестройка компактной кости осуществляется сходным образом, однако клетки, участвующие в этом процессе, в определенных участках образуют особые специализированные группы, внутри которых
- 389 -
одни из них разрушают, а другие - в дальнейшем образуют костную ткань. Каждая из таких клеточных групп получила название единицы перестройки кости - ЕПК (в англоязычной литературе - Bone Remodelling Unit - BRU) или базовой многоклеточной единицы - БМЕ (Basic Multicellular Unit - BMU). Подсчитано, что в скелете человека одновременно активно функционируют порядка 35 млн. ЕПК (БМЕ).
Рис. 12-19. Базовая многоклеточная единица (БМЕ) компактной кости на продольном (1) и поперечных (2) разрезах. В центре БМЕ проходит кровеносный капилляр (КАП), окруженный остеогенными клеткамипредшественниками (ОКП). Передняя часть БМЕ - режущий конус (РК) - выстлана остеокластами (ОКЛ), перемещающимися в направлении, указанном стрелкой, и разрушающими кость с образованием резорбционного канала. Средняя часть БМЕ - зона реверсии (ЗР) - выстлана клетками типа макрофагов (МФ). Задняя часть БМЕ - замыкающий конус (ЗК) - выстлана остеобластами (ОБЛ), заполняющими резорбционный тоннель от его периферии (цементирующей линии - ЦЛ) концентрически расположенными костными пластинками (КП). Поперечные срезы соответствуют (слева направо): формирующейся резорбционной полости (А), зрелой резорбционной полости (Б), формирующемуся остеону (В), зрелому остеону (Г).
ЕПК (БМЕ) имеет форму цилиндра с двумя конусовидными краями, в центре которого проходит кровеносный капилляр, окруженный остеогенными клетками-предшественниками (рис. 12-19). Передняя часть ЕПК (режущий конус) выстлана остеокластами, которые разрушают компактную кость, образуя в ней резорбционный канал (тоннель).
- 390 -