24.1. Общие сведения

В соответствии с преобладающей частотой и важностью за­болеваний костной системы по сравнению с поражениями мышц и мягких тканей большая часть этой главы посвящена костной патологии.

Скелет состоит из 206 костей, отличающихся по размерам и форме (трубчатые, плоские, кубовидные). Кости играют важную роль в минеральном гомеостазе, являются местом гемопоэза, обеспечивают механическую поддержку движения и защиту, оп­ределяют величину и форму тела человека. Они связаны множе­ством суставов, которые участвуют в обеспечении движений и устойчивости.

Костная ткань относится к одному из типов соединительной ткани, которая обызвествляется (минерализуется) в нормальных условиях. С помощью биохимических методов установлено, что костная ткань состоит из органического матрикса (35 %) и не­органических элементов (65 %). Один из неорганических ком­понентов — гидроксиапатит кальция [Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂] — мине­рал, который не только обеспечивает прочность и твердость, но и является «хранилищем» 99 % ионов кальция, 80 % фосфора, 65 % натрия и магния. Формирование в костях кристаллов гид- роксиапатита происходит путем превращения жидкого материа­ла в плотный (по аналогии с кристаллизацией воды при замер­зании). Этот процесс вызывается с помощью органического матрикса и регулируется множеством факторов, многие из ко­торых пока неизвестны. Уровень минерализации может варьи­ровать, но продолжительность ее, как правило, составляет 12— 15 дней. Кость, остающаяся неминерализованной, называется остеоидом. Органические компоненты костной ткани включают белки матрикса и клетки. Большинство белков костного мат­рикса представлены коллагеном I типа и небольшим количест­вом неколлагеновых белков. Клеточные элементы составляют лишь 2 % массы костной ткани. Они обеспечивают обновление и поддержание этой ткани в течение всей жизни. Костеобразую­щие элементы — это клетки-предшественники, остеобласты и остеокласты.

Клетки-предшественники — плюрипотентные (тотипотент- ные, полипотентные; имеются в виду их разные возможности в отношении направлений дифференцировки) мезенхимальные стволовые клетки. Они располагаются вблизи от костных по­верхностей и при соответствующей стимуляции способны путем деления давать потомство, дифференцирующееся в остеоблас­ты, что крайне важно для физиологического роста, обновления и восстановления кости.

Остеобласты расположены на поверхности кости. Они син­тезируют, транспортируют и распределяют многие протеины матрикса. Эти клетки инициируют также процесс минерализа­ции. В определенное время остеобласты собираются в группы до 400 клеток. Функциональная активность этих групп коорди­нируется, так как к этому времени кость уже состоит из струк­турных единиц, придающих ей большую прочность и устойчи­вость. Остеобласты имеют рецепторы для гормонов (паратирео- идного гормона, эстрогенов), витамина D, цитокинов и факто­ров роста, которые регулируют дифференцировку, рост и мета­болизм костных клеток. Как только остеобласты окружаются матриксом, они становятся остеоцитами. У них появляются длинные цитоплазматические отростки, придающие клеткам паукообразный вид.

Остеоциты не участвуют в метаболизме, однако играют важ­ную роль в контроле суточных колебаний сывороточных уров­ней кальция и фосфора. Будучи заключенными в костную ткань, остеоциты сообщаются с поверхностными клетками и между собой с помощью сложной сети канальцев, проходящих через матрикс. Отростки остеоцитов пересекают канальцы, и контакты этих клеток в зонах щелевидных соединений (нексу­сов) обеспечивают перенос субстратов и потенциалов поверх­ностной мембраны (плазмолеммы).

Остеокласты — клетки, ответственные за резорбцию (расса­сывание) кости. Это дериваты клеток — предшественников гра- нулоцитарных моноцитов, локализованных в кроветворной части костного мозга. Они содержат по 6—12 ядер и тесно свя­заны с костной поверхностью. Резорбционные ямки, которые создаются и нередко заселяются этими клетками, фигурируют в морфологической литературе под названием гаушиповых лакун (J.Howship). Они обычно имеют фестончатые края. На той части плазмолеммы остеокластов, которая находится на резорб- тивной поверхности, появляется множество ворсинчатых от­ростков. Так создаете я* гофрированная кайма, служащая для уве­личения площади поверхностной мембраны. Плазмолемма, ок­ружающая этот участок по всему краю, образует зону герметич­ного смыкания с подлежащей костью, предотвращая «расшире­ние» остеолитического действия ферментов и других субстан­ций, осуществляющих резорбцию. Самоподдерживающееся внеклеточное резорбционное пространство, герметично ограни­ченное со всех сторон, напоминает вторичную лизосому. Остео­класты окисляют среду этого пространства с помощью «накачи­вания» туда ионов водорода, что способствует растворению ми­нералов. Кроме того, остеокласты выделяют в указанное про­странство множество ферментов, катализирующих расщепление белкового матрикса на аминокислоты, а также освобождение и активацию факторов роста и ферментов. Среди последних назо­вем коллагеназу, которая к моменту освобождения депонирова­на и связана с матриксом с помощью остеобластов. Таким обра­зом, как только кость разрушается на элементарные единицы, высвобождаются определенные субстанции, которые иницииру­ют ее обновление (регенерацию).

Коллаген I типа образует остов матрикса и составляет 90 % его органического компонента. Остеобласты способны депони­ровать коллаген либо в виде беспорядочного сплетения, форми­рующего грубоволокнистую кость, либо в виде связанного и сложного комплекса, образующего пластинчатую кость. Грубо­волокнистая кость встречается в скелете зародышей и плодов. У взрослого человека ее можно обнаружить в зонах роста кости (рис. 24.1, А). Преимущества грубоволокнистой кости выража­ются в быстроте формирования и равной прочности по всем на­правлениям. Наличие участков такой кости у взрослых людей всегда указывает на патологический процесс, но не является диагностическим маркером. Например, при обстоятельствах, требующих быстрой репаративной стабилизации, таких как перелом, в первую очередь формируется грубоволокнистая кость. Она также формируется вокруг участков инфекции и со­ставляет матрикс костеобразующих опухолей.

Пластинчатая кость, которая постепенно в процессе роста замещает грубоволокнистую кость, образуется значительно мед­леннее, но зато обладает большей прочностью. Эта ткань пред­ставлена во взрослом организме двумя главными типами: ком­пактной и губчатой костью. Компактная кость формирует кор­тикальный (поверхностный) слой трубчатых костей. Этот слой построен из трех систем. Под наружными костными пластинками располагается система остеонов (гаверсова система; С.Havers). Остеоны образованы концентрическими костными пластинка­ми и содержат в центре сосудистые каналы остеона (гаверсовы каналы). Между остеонами имеются вставочные костные плас­тинки. Под системой остеонов располагается система внутрен­них общих пластинок. Кроме сосудистых каналов остеона, ком­пактную кость пронизывают питательные каналы (фолькман- новские каналы; A.W.Volkmann), по которым проходят крове­носные сосуды и нервы (рис. 24.1, Б, В).

Ниже системы остеонов располагаются костные трабекулы, представляющие собой губчатую кость. В длинных трубчатых костях скелета губчатая кость заполняет внутреннюю часть эпи­физа (наиболее широкого суставного конца этих костей) и ме- тафиза (части диафиза, прилегающей к эпифизарному хрящу). Диафазы таких трубчатых костей содержат губчатую кость в ос

-

Рис. 24.1. Строение кости.

А — грубоволокнистая кость; Б — компактная кость. 372

Рис. 24.1. Продолжение.

В — два остеона компактной кости, в центре которых видны костные канальцы (гаверсовы каналы), а в концентрических пластинках отростчатые остеоциты.

новном по краям костномозговых полостей, т.е. ближе к мета- физам. В плоских костях (например, в теменной кости или ло­патке) пространство между двумя пластинами компактного ве­щества целиком занято губчатой костью.

Неколлагеновые белки костной ткани связаны с матриксом и группируются согласно своим функциям как адгезивные, кальцийсвязанные, минерализованные, ферменты, цитокины и факторы роста. Специфичным для костной ткани является только остеокальцин. Он определяется в сыворотке крови и слу­жит надежным маркером остеобластной активности. Цитокины и факторы роста контролируют пролиферацию клеток кости, их дифференцировку и метаболизм. Они играют важную роль в передаче (трансляции) механических и метаболических сигна­лов для обеспечения местной активности клеток кости и адап­тационных процессов.

Формирование (моделирование) и обновление (ремоделирова­ние) костной ткани. Остеобласты и остеокласты взаимодейству­ют скоординированно и в настоящее время расцениваются в ка­честве единой функциональной системы кости, известной как «основная многоклеточная единица». Процессы формирования и резорбции кости тесно связаны между собой, и их баланс оп­ределяет скелетную массу в разные периоды жизни. Во время роста и увеличения скелета (моделирование) преобладает косте­образование. Когда скелет созревает, процессы разрушения и обновления (ремоделирование) уравниваются. Происходит это так. Пик массы кости достигается в молодом взрослом организ­ме, и в нем ежегодно обновляется 5—10 % всей массы скелета. При этом количество костного вещества, рассасывающегося и вновь создающегося основными многоклеточными единицами, становится примерно равным. Однако с III декады жизни ре­зорбция начинает преобладать над остеогенезом, что выражает­ся в постепенном уменьшении скелетной массы.

Наибольшую часть местного контроля в формировании и поддержании системы скелета обеспечивают остеобласты, так как они не только продуцируют костный матрикс, но и играют важную роль в медиации активности остеокластов. Многие из первичных стимуляторов костной резорбции — паратиреоид- ный гормон или паратиреоидный гормон со связанным белком, интерлейкин-1, интерлейкин-6 и фактор некроза опухоли-р (ФНО-р) — имеют минимальный эффект или не оказывают прямого действия на остеокласты. Действительно, остеобласты обладают рецепторами для этих субстанций и как только полу­чают соответствующий сигнал освобождают растворимый меди­атор, индуцирующий резорбцию кости остеокластами. Цитоки­ны и факторы роста [особенно трансформирующий фактор роста-p (ТФР-р)], освобожденные из матрикса в ходе расщепле­ния остеоида, по принципу обратной связи запускают актива­цию остеобластов для синтеза и отложения в резорбтивных щелях эквивалентного количества новой кости [по Cotran R.S., Kumar V., Collins Т., 1998]. Обновление и резорбция костной ткани, осуществляемые в описанном порядке, не только связа­ны друг с другом во времени и пространстве, но и подвержены контролю со стороны местных и системных факторов.

Рост и развитие костей. Костная ткань создается остеоблас­тами. После ее создания дальнейшее увеличение массы костной ткани достигается только за счет отложения новой кости на предсуществующую матрицу. Такой механизм аппозиционного роста костной массы служит ключом к пониманию различных механизмов развития скелета.

Предшественником раннего скелета является примитивная мезенхима. Такие кости, как черепные и некоторые части клю­чиц, происходят из внутримембранной формации и образуются остеобластами непосредственно из мезенхимы. Напротив, в процессе создания энхондралъной кости мезенхима вначале об­разует хрящевую модель, или зачаток будущей кости. Впослед­ствии, примерно на 8-й неделе беременности, хрящ в центре кости плода подвергается дегенеративным изменениям, мине­рализуется и удаляется клетками типа остеокластов. Этот про­цесс, который прогрессирует по направлению к обоим будущим эпифизам, сопровождается врастанием кровеносных сосудов и предшественников остеогенных элементов, которые обеспечи­вают создание костеобразующих клеток.

Сходная последовательность событий встречается в эпифи­зе. Пластинка хрящевой модели замуровывается между расши­ряющимися зонами оссификации и известна как physis, или пластинка роста. Хондроциты в пределах пластинок роста пре­терпевают ряд изменений: пролиферацию, рост, деградацию и минерализацию. Минерализация хряща становится сигналом для физиологического противовеса — резорбции минерализую­щегося хряща. Остатки минерализованного хряща служат осно­вой для отложения кости на их поверхностях. Эти структуры формируют первичную губчатую кость. Процесс энхондральной оссификации встречается также в основании суставного хряща. Посредством этих механизмов кости увеличивают длину, а сус­тавные поверхности — диаметр.