Формирование костной системы и суставов у детей и подростков. Учебное пособие

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования города Москвы «Московский городской педагогический университет» (ГОУ ВПО МГПУ)

Научно-исследовательский институт столичного образования

Лаборатория здоровьесберегающих технологий в образовании

В.М. Смирнов, Б.Н. Чумаков

ФОРМИРОВАНИЕ КОСТНОЙ СИСТЕМЫ И СУСТАВОВ У ДЕТЕЙ И ПОДРОСТКОВ

Учебное пособие

Москва

2010

ББК 28.860

УДК 611

Ф 79

Рекомендовано к печати Научно-методическим советом ГОУ ВПО МГПУ

Авторы:

доктор биологических наук, профессор В.М. Смирнов, доктор медицинских наук, профессор Б.Н. Чумаков

Заведующий лабораторией:

доктор медицинских наук, профессор Б.Н. Чумаков

Рецензенты:

профессор кафедры анатомии и физиологии с основами медицинских знаний Московского областного университета, доктор медицинских наук, профессор Ю.Д. Жилов, заведующий кафедрой адаптивной физической культуры ПИФК МГПУ, доктор медицинских наук, профессор М.М. Расулов

Ф79 Формирование костной системы и суставов у детей и подростков: учебное пособие / Авторы: В.М. Смирнов,

Б.Н. Чумаков. – М.: МГПУ, 2010. – 36 с.

©В.М. Смирнов, Б.Н. Чумаков

©ГОУ ВПО МГПУ, 2010

ПРЕДИСЛОВИЕ

Изучение организма человека в различные периоды онтогенеза не только важно, но и необходимо в силу поставленной цели и задач. Исследователь, изучая функциональные возможности отдельных систем или организма в целом, всегда сталкивается с вопросами изменений органов и систем в период роста и развития. Лаборатория «Здоровьесберегающих технологий в образовании НИИСО» в течение ряда лет изучает соматическое здоровье школьников г. Москвы. Назрела необходимость создания научно обоснованных публикаций по отдельным анатомо-физиологиче- ским особенностям организма детей, подростков и взрослых.

Данное пособие — первая попытка современного описания формирования костной системы и суставов у детей и подростков. Мы старались дать научно обоснованные описания опорнодвигательного аппарата, структурно-функционального развития костей, их гистологических и структурных изменений, развития костей, особенностей детского скелета, периодов развития, факторов риска и реабилитационных подходов в различные периоды онтогенеза. Также рассмотрена классификация суставов по нескольким признакам — в зависимости от числа суставных поверхностей, от сложности и по биомеханике. Сотрудниками лаборатории готовятся к изданию пособия, освещающие изменения мышечной структуры, отдельных органов и психофизиологические изменения организма детей и подростков.

Ценность данного и последующих изданий заключается в современной трактовке отдельных вопросов и простоте изложения. Считаем, что подобные пособия необходимы прежде всего для научных работников, занимающихся исследованиями различных функциональных возможностей организма детей и подростков. Авторы пособия надеются, что содержащаяся в нем информация окажется полезной читателям, и будут благодарны всем, кто выразит пожелания относительно последующих изданий.

3

ВВЕДЕНИЕ

Костная система организма — это составная часть опорнодвигательного аппарата.

Опорно-двигательный аппарат — комплекс, состоящий из костей, суставов, связок и мышц. Он обеспечивает опору тела и передвижение организма в пространстве, а также движения отдельных частей тела и органов. Однако любая физическая деятельность организма возможна только при поступлении к мышцам нервных импульсов из ЦНС. При этом кости конечностей выполняют роль рычагов, соединенных друг с другом с помощью суставов и связок, а мышцы приводят в движение опорный аппарат (совокупность костей и связок). Скелет (см. Приложение, рис. 1) составляет 10 % от массы тела. Скелетная (исчерченная) мускулатура — 40 %.

4

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ КОСТЕЙ

Кости состоят из неорганического и органического вещества (50 % — вода, 28 % — органические вещества, 16 % из них — жиры, 22 % — неорганическое вещество). Неорганическое вещество составляет 2/3 сухой массы кости, органическое, представленное оссеином, — 1/3.

Кость—этовидсоединительнойткани,основнымифунк- циями которой являются следующие.

1.Механическая защита внутренних органов (грудной полости, ЦНС, костного мозга).

2.Формирование опорно-двигательного аппарата (вместе с мышцами).

3.Резервуар неорганических веществ (кальция, фосфора и магния).

4.Защита от ацидоза (вспомогательная роль, как резерв организма, отличается очень высоким содержанием щелочной фосфатазы).

5.Ловушка и безопасное депо для чужеродных ионов, например тяжелых металлов.

6.Кости являются местом расположения красного костного мозга, который относится к кроветворным органам.

Сравнительная характеристика костной ткани детей и взрослых

Кости скелета плода и эмбриона являются губчатыми. Кости врослых — плотные.

Трабекулярная (губчатая) кость — представляет собой трех-

мерную решетчатую конструкцию трабекул, которые ветвятся и окружают сосуды. Остеоциты разбросаны беспорядочно или рассеяны в матриксе. По существу губчатая кость, как и энхондральный хрящ, и заживляющий мозольный хрящ, являются временнымиструктураминапутиобразованияплотнойкости.Трабекулярная костьсохраняетсявпозвонках,плоскихкостях,атакженаконцевых отделах всех длинных трубчатых костей (см. Приложение, рис. 3). Она передает давящую механическую нагрузку через суставы.

5

Плотная (окончательная) кость состоит из системы гавер-

совых каналов и построена из твердого кальцифицированного матрикса (до 80 % всей массы скелета), устойчивого к изгибам и скручиванию. Расположение остеоцитов упорядочено — они ориентированы по отношению к сосудистым каналам.

Основные структурные элементы костной ткани

Основные клеточные элементы костной ткани — остеобласт, остеоцит и остеокласт.

Остеобласт живет от нескольких дней до нескольких недель, он располагается на поверхности растущей кости. Имеет либо веретенообразную­ , либо кубовидную форму и размеры 15–20 мк. Его функцией является­ образование костного матрикса, для которого он секретирует коллаген, гликозоаминогликаны, гликопротеиды.

Остеоцит — это форма «останков» от остеобласта, которые включаются в лакуну и погружаются в минерализованный матрикс. Функционально способен к кратковременной регуляции гомеостазиса кальция как часть системы, обладающей каналами для его переноса из кости при остеолизе. Тело клетки имеет веретенообразную форму с многочисленными выступами.

Остеокластотличаетсябольшимиразмерамиимногоядерностыо,существуетотнесколькихчасовдонесколькихдней.Всегда располагается на поверхности кости. Характерной особенностью является наличие у клетки щеткообразного края или рифленой каймы с беспорядочно расположенными микроворсинками, обращенными в сторону матрикса. Обеспечивает долгосрочный гомеостазис кальция за счет рассасывания или перестройки кости.

Межклеточное вещество костной ткани состоит из основного вещества, в котором находятся коллагеновые или оссеиновые волокна и неорганические соли. Кристаллы гидрооксиапатита могут входить в состав фибрилл и располагаться вокруг них. При этом длинные оси кристаллов и фибрилл обычно совпадают.

Костные клетки и межклеточное вещество формируют пластинчатую костную ткань, состоящую из отдельных пластинок. В одной и той же пластинке волокна идут параллельно друг другу, а

6

направление их в разных пластинках различно. Это придает большую прочность костям. Так, бедренная кость в вертикальном по- ложениивыдерживаетдавление1,5т,абольшаяберцовая—1,8 т. Различают компактное и губчатое вещество кости.

Губчатое вещество находится в эпифизах длинных трубчатых костей, в коротких костях, в некоторых смешанных и плоских. Оно состоит из тонких костных пластинок, располагающихся параллельно линиям максимальных нагрузок. Это обеспечивает их функцию при наименьшем расходовании структурного материала.

Компактное вещество покрывает тонким слоем эпифизы, находится в диафизах, в некоторых плоских костях. В компактном веществе пластинки образуют три слоя. Пластинки среднего слоя формируют структурную единицу компактного вещества кости — остеон. Он представлен системой вставленных друг в друга цилиндров (от 5 до 20) с идущим в центре каналом остеона — гаверсовым. Остеоны отделены друг от друга посредством вставочных пластинок.

На поверхности кость покрыта надкостницей — это соединительнотканная оболочка, через которую внутрь кости проникают сосуды и нервы.

Общая характеристика развития костей

Остеогенез у человека уникален и не имеет аналогов у дру-

гих представителей животного мира (пластинчато-трабекулярное строение кости с каналами остеона — гаверсовыми каналами).

Во внутриутробном периоде закладка и начало образования костипроисходятна5-й неделе,т.е.позжедругихсистеморганизма. Окончательная структура костей формируется после рождения ребенка и совпадает с началом устойчивой ходьбы.

Будущий скелет формируется в определенных участках тела эмбриона из скопления мезенхимальных клеток, которые на 2-м месяце (5–8-й неделе­ ) внутриутробного развития превращаются в мембрану (перепонку). В процессе онтогенеза имеется два пути образования костной ткани: дермальный (соединительнотканный) и хондральный (хрящевой) остеогенез. Первый путь свойствен костям свода черепа, лицевым костям, нижней челюсти и

7

диафизу ключицы, т. е. непосредственно из мезенхимы, без предварительного преобразования в хрящ. Все остальные части скелета возникают через стадию хряща, образующегося из скопления мезенхимы.

Совокупность имеющихся у ребенка точек окостененияпред-

ставляетсобойважнуюхарактеристикууровняегобиологического развития и называется костным возрастом. К моменту рождения ребенка диафизы трубчатых костей уже представлены­ костной тканью, в то время как подавляющее большинство эпифизов, все губчатые кости кисти и часть губчатых костей стопы состоят еще только из хрящевой ткани. К рождению намечаются лишь точки окостенения в центральных участках смежных эпифизов бедренной и большеберцовой костей, в таранной, пяточной и кубовидной костях, в телах всех позвонков и их дугах. Уже после рождения появляются­ другие точки окостенения (см. Приложение, рис. 4).

Рост трубчатых костей в длину до появления в эпифизах точек окостенения осуществляется за счет развития ростковой хрящевой ткани, образующей концевые отделы костей. После появления точек окостенения­ в эпифизах удлинение происходит за счет развития ростковой хрящевой ткани, находящейся между частично окостеневшим эпифизом и метафизом, т. е.в метаэпифизарной зоне, а эпифизы увеличиваются в результате аналогичного процесса в ростковой соединительной ткани, окружающей соответствующие точки окостенения. Одновременно с удлинением диафизы длинных трубчатых костей увеличиваются и в поперечнике. Это происходит в результате продолжающегося костеобразовательного процесса со стороны надкостницы, при этом со стороны костномозгового пространства кортикальный слой подвергается постоянной­ резорбции. Следствием этих процессов являются увеличение поперечника­ кости и увеличение объема костномозгового пространства. В первые месяцы и годы жизни наряду с интенсивным ростом костного скелета происходит и многократная перестройка структуры костной ткани.

Биодинамика (обновление) костной ткани у детей 1-го года жизни происходит дважды на 100 %, 2-го — на 50–60 %, 3–7-го —

8

на 10 %, после 8-го года жизни — несколько раз более 1 % с некоторым нарастанием в период препубертатного вытягивания. Эти характеристики обновления относятся к кортикальной кости, а для трабекулярной костной ткани они в 3–10 раз меньше.

Интенсивный остеогенез и перемоделирование со­ провождаются существенным уменьшением плотности и твердости костной ткани у детей раннего возраста с одновременным увеличением гибкости костей и их склонностью к разнообразным деформациям. Твердость костей зависит от степени замещения хрящевой ткани остеоидной и степени ее минерализации с возрастом (химическим составом).

Химический состав костей взрослого. В скелете взрослого человека содержится около 1200 г Са, 530 г Р, 11 г Мg. На костную ткань приходится 99 % Са, 87 % Р и 58 % Мg от общего их количества, имеющегося в организме. Минеральные вещества кости представлены в основном кристаллами гидрооксиапатита.

Костная ткань содержит около 70 % лимонной кислоты, имеющейся ее в организме. Она способна растворять соли кальция, что обеспечивает ее влияние на процессы формирования и рассасывания костной ткани.

Органическое вещество костей (оссеин) состоит в основном (95 %) из фибриллярного белка — коллагена. Коллаген построен изпептидныхцепочек,закрученныхдругоколодругапоспирали.

К органическим веществам скелета относятся, кроме коллагена, углеводы и нуклеиновые кислоты. Удаление из костей путем прокаливания на огне органического вещества делает их очень хрупкими, а удаление неорганического (выдерживание в кислоте) — мягкими.

Особенностью детского скелета является и относительно большая толщина и функциональная активность надкостницы, за счет которой идут процессы новообразования костной ткани при поперечном росте костей. В то же время объемы внутрикостных пространств (полостей) сравнительно невелики и формируются с возрастом.

9

Кости детей сравнительно­ ровные по строению своих по-

верхностей. Костные выступы оформляются и вытягиваются по мере того, как укрепляются и начинают­ функционировать прикрепляющиеся к ним мышцы. Только к 12 годам, пройдя через несколько критических периодов развития (табл. 1), внешнее строение и гистологическая дифференцировка костной ткани приближаются к характеристикам кости взрослого человека.

В процессе остеогенеза выделяют 3 стадии

На первой стадии остеогенез представляет собой интенсивный анаболический процесс, в течение которого создается белковаяосновакостнойткани—матрикс,на90–95 %представ-

ленный коллагеном. Для этого процесса особо важно нормальное обеспечение ребенка белком, витаминами А, К, С, группы В. Гормонами, регулирующими процесс образования матрикса, являются тироксин, инсулиноподобные факторы роста, активированные СГГ, инсулин, в более поздние периоды роста — андрогены. Способствует остеогенезу механическая нагрузка.

На второй стадии происходит формирование центров кристаллизации гидроксиапатита с последующей минерализацией остеоида. Для этой стадии решающее значение имеет обеспеченность организма кальцием, фосфором­ , микроэлементами (фтор,

10