Гистология / кость

ростки проходят в костных канальцах. Остеогенные клетки-предшественники постепенно дифференцируются в новые остеобласты, секретирующие межклеточное вещество на поверхности балок, а далее погружающиеся в него и превращающиеся в остеоциты. Таким путем осуществляется аппозиционный рост костной ткани. В некоторых участках трабекулы частично подвергаются разрушению вследствие деятельности остеокластов, дифференцировавшихся из гематогенных предшественников (см. рис. 12-15).

Рис. 12-15. Костная трабекула (прямой остеогенез). КОМ - клетки остеогенной мезенхимы, ОБЛ - остеобласты (активные), КВК - клетки, выстилающие кость (неактивные остеобласты), ЛОЦ - лакуны с остеоцитами, ОКЛ - остеокласт (в резорбционной лакуне), ОИ - остеоид, ОМВ - обызвествленное межклеточное вещество, КРС - кровеносный сосуд.

Формирование кости происходит благодаря слиянию трабекул друг с другом в единую сеть, промежутки которой заполнены волокнистой соединительной тканью (дифференцируется из мезенхимы) с высоким содержанием сосудов (рис. 12-16). Мезенхима вокруг формирующейся кости дает начало надкостнице, которая обеспечивает ее питание и регенерацию. Сформированная таким путем кость образована грубоволокнистой костной тканью и называется первичной губчатой костью. В дальнейшем грубоволокнистая костная ткань в большинстве участков замещается пластинчатой костной тканью, а образовавшаяся при этом кость носит название вторичной губчатой кости (взрослых).

- 378 -

Этот процесс иногда рассматривают как четвертую (последнюю) стадию остеогенеза.

Рис. 12-16. Формирование кости при прямом остеогенезе. Костные трабекулы (КТ) сливаются друг с другом, располагаясь среди остеогенной ткани (ОТ) с высоким содержанием кровеносных сосудов (КРС). ОБЛ - остеобласты (активные), ОЦ - остеоциты, ОКЛ - остеокласт.

Развитие кости на месте ранее образованной хрящевой модели (непрямой остеогенез)

Непрямой остеогенез характерен для развития подавляющего большинства костей скелета человека (длинных и коротких трубчатых, костей таза, основания черепа, позвонков). Первоначально формируется хрящевая модель будущей кости, которая служит основой для ее развития, а в дальнейшем она разрушается и замещается костью. Непрямой остеогенез начинается на 2-м мес. эмбрионального развития и включает следующие стадии: (1) образование хрящевой модели кости; (2) образование перихондральной костной манжетки; (3) образование эндохондральной кости в диафизе; (4) образование эндохондральной кости в эпифизах и формирование эпифизарных пластинок роста (рис. 12-17).

- 379 -

Рис. 12-17. Развитие кости на месте хряща (непрямой остеогенез). 1 - образование хрящевой модели кости (ХМК), покрытой надхрящницей (ИХ). 2 - образование перихондральной костной манжетки (ПКМ) в области диафиза, дистрофические изменения в хряще; ОХ - обызвествленный хрящ, КХЦ - колонки хондроцитов. За и 36 - образование эндохондральной кости (ЭХК) в диафизе. Проникновение внутрь хряща остеогенных клеток (ОГК) с кровеносными сосудами (КРС), врастающими в нее из надкостницы (НК) благодаря разрушению хряща хондрокластами (ХКЛ). Дифференцировка ОГК в остеобласты (ОБЛ), образующие ЭХК. Зональность изменений хряща: ЗНХ - зона неизмененного хряща, ЗХК - зона хрящевых колонок, ЗПХ - зона пузырчатого хряща, ЗОХ - зона обызвествленного хряща. Образование костномозговой полости в центральной части диафиза, заполняющейся элементами красного костного мозга (ККМ).

- 380 -

1.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 -