Остеогенез: развитие кости

Кости наиболее четко выраженные производные соматической мезодермы. В этой главе будут рассмотрены только самые общие механизмы формирования костей. Студенты, желающие получить более подробные сведения, могут обратиться к учебникам по гистологии, где этой теме посвящены целые главы. Существуют два способа формирования костей (остеогенеза), и оба включают в себя трансформацию предсуществующей соединительной ткани в костную ткань. Превращение малодифференцированной соединительной ткани в костную называется интрамембранным окостенением, а замещение хряща костью — эндохондральным окостенением. Образование плоских костей, например костей черепа, осуществляется посредством интрамембранного окостенения. Рыхло расположенные мезенхимные клетки пролиферируют и образуют плотные скопления. Некоторые из этих клеток дают начало капиллярам, а другие изменяют свою форму и становятся остеобластами — клетками, способными секретировать костный матрикс. Синтезируемый ими коллагено-гликозаминогликановый матрикс обладает способностью связывать соли кальция, приносимые капиллярами в область окостенения. Таким образом, матрикс становится кальцифицированным (обызвествленным). В большинстве случаев остеобласты отделяются от области обызвествления слоем предкостного (остеоидного) матрикса. который они секретируют. Однако время от времени остеобласты захватываются костным матриксом, и тогда они становятся остеоцитами — костными клетками. По мере обызвествления костные спикулы распространяются радиально от центра, где началось окостенение (рис. 6.10). Кроме того, целая область обызвествленных спикул окружается плотно лежащими над ней мезенхимными клетками, формирующими периост, или надкостницу. Клетки на внутренней поверхности надкостницы также становятся остеобластами и секретируют костный матрикс параллельно с матриксом уже образовавшихся спикул. Таким образом формируется много слоев кости.

Эндохондральное окостенение заключается в замещении хрящевой ткани костной. В данном случае хрящ служит моделью для последующего формирования кости. Сначала образуется хрящевой зачаток

Рис. 6.10. Схема, иллюстрирующая внутримембранное окостенение. А. В скоплениях мезенхимы образуются остеобласты, которые секретируют костеподобный (предкостный) матрикс. Эти остеобласты располагаются вдоль обызвествленного участка матрикса. Остеобласты, попавшие внутрь костного матрикса, становятся остеоцитами. Б. Распространение костных спикул от места первичного окостенения в костях черепа трехмесячного зародыша человека. Кости, образующиеся путем эндохондрального окостенения, обозначены черным цветом. (По Langman, 1969.)

Гилберт с.Биология развития: в 3-х т. Т. I: Пер. С англ. — м.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА___________________________ 195

Рис. 6.11. Схема, иллюстрирующая эндохондральное (внутрихрящевое) окостенение. А. Хрящевая «модель» кости. Б. Инвазия кровеносного сосуда в центр хрящевого диафиза, приводящая к образованию зон клеточной пролиферации, гипертрофии клеток и клеточной гибели. В. Формирование костного мозга в диафизе и центра вторичного окостенения в эпифизе. (По Langman. 1969.)

будущих костей позвоночного столба, таза и конечностей, а позже хрящ замещается костной тканью. Этот замечательный процесс координирует хондрогенез (образование хряща) с остеогенезом (ростом кости), в течение которого скелетные элементы одновременно испытывают нагрузку, растут в ширину и отвечают на локальные стрессы. Одна из гипотез, предложенная для объяснения механизма этой координации, постулирует сдвиг в функции митохондрий, вызываемый изменением количества кислорода и питательных веществ, доступных клеткам. У зародыша человека в возрасте 7 нед. «длинные кости» образованы только хрящем, окруженным оболочкой из плотной мезенхимы. Эта оболочка становится надкостницей (рис. 6.11). Затем капилляры из надкостницы проникают в центр хрящевого зачатка, ранее лишенного кровеносных сосудов. Хрящ реагирует на это формированием зон интенсивной клеточной пролиферации, гипертрофии клеток (увеличения их размеров) и клеточной гибели.

Если клетка находится в зоне пролиферации, то она лежит вблизи несущего кислород кровеносного сосуда и хорошо снабжается гликогеном — источником энергии. Митохондрии этих делящихся клеток синтезируют АТФ, необходимый для митоза. Однако в зоне гипертрофии снабжение клеток кислородом ухудшается. Согласно этой теории, дыхание клеток в зоне гипертрофии становится анаэробным, и митохондрии переключаются с образования АТФ на накопление кальция (Brighton, Hunt, 1974; Brighton. 1984). В анаэробном участке зоны гипертрофии снабжение клеток гликогеном полностью прекра-

Рис. 6.12. Отложение кальция хондроцитами в дистальной области зоны гипертрофии клеток. Кальций (окрашенный в черный цвет на смонтированной электронной микрофотографии) откладывается во внеклеточном матриксе крупными хондроцитами (Из Brighton, Hunt, 1974; фотография с любезного разрешения С. Т. Brighton.)