Тема лекции: эмбриональный хондрогенез. Десмальный и хондральный остеогенез.

План лекции:

1. Эмбриональный хондрогистогенез

2. Остеогенез, основные виды: десмальный остеогенез (периоды и стадии), хондральный остеогенез (стадии)

3. Перестройка кости в онтогенезе, факторы, влияющие на ее структуру

Эмбриональный хондрогистогенез

Источником развития хрящевых тканей является выселившиеся в мезенхиму клетки склеротомов сомитов мезодермы. В первой стадии они теряют свои отростки, плотно прилегают друг к другу и формируют в мезенхиме хондрогенные островки. Находящиеся в их составе стволовые клетки дифференцируются в хондробласты - в их цитоплазме сначала увеличивается количество свободных рибосом, затем появляются участки гранулярной эндоплазматической сети.

Во второй стадии хондрогистогенеза на месте хондрогенного островка образуется первичная хрящевая ткань: клетки центрального участка островка округляются, увеличиваются в размере, в них начинается синтез и секреция в окружающее пространство фибриллярных белков (коллагена). Образующееся таким образом межклеточное вещество раздвигает клетки и отличается оксифилией.

В третьей стадии развития хрящевой ткани хондробласты приобретают способность синтезировать и секретировать гликозаминогликаны, связанные с неколлагеновыми белками (протеогликаны). В это же время по периферии хрящевой закладки, на границе с мезенхимой, формируется надхрящница — оболочка, покрывающая развивающийся хрящ снаружи. Во внутренней зоне надхрящницы клетки интенсивно делятся, дифференцируясь в хондробласты. В процессе секреции и наслаивания на уже имеющийся хрящ сами клетки «замуровываются» в продукты своей деятельности. Так происходит рост хряща способом наложения, или его аппозиционный (периферический) рост. Хрящевые клетки, лежащие в центре молодого развивающегося хряща, сохраняют способность в течение некоторого времени делиться митотически, оставаясь в одной лакуне (изогенные группы клеток), и вырабатывать коллаген II типа. За счет увеличения количества этих клеток происходит увеличение массы хряща изнутри, что называется интерстициальным ростом. Интерстициальный рост наблюдается как в эмбриогенезе, а также и в постэмбриональном периоде при регенерации хрящевой ткани.

Виды остеогенеза

Различают эмбриональный, при котором костная ткань образуется двумя способами: прямой (десмальный) и непрямой (хондральный) остеогенез, и постнатальный после рождения ребенка при регенерации кости.

Развитие плоских костей (прямой или десмальный) остеогенез

При таком способе остеогенеза вначале развивается первичная грубоволокнистая костная ткань – прообраз будущей кости (поэтому остеогенез называется прямым) на месте которой позднее формируется вторичная пластинчатая костная ткань плоских костей скелета. Десмальным такой остеогенез называется, потому что развитие кости идет в эмбриональной соединительной ткани, которая развивается из мезенхимы – десмы. Начинается на 5 неделе эмбриогенеза и протекает в 3 периода:

1. Образование грубоволокнистой костной ткани

2. Разрушение (резорбция) грубоволокнистой костной ткани

3. Образование пластинчатой костной ткани

В первом периоде выделяют 3 стадии:

Первая стадия — образование остеогенного островка. В место развития будущей кости в мезенхиму из склеротома сомитов мезодермы выселяются стволовые клетки, и происходит очаговое их размножение митозом. В результате этого образуются плотные клеточные скопления – остеогенные островки, к которым подрастают первичные сосуды.

Вторая стадия - дифференцировка клеток остеогенного островка и образование межклеточного вещества или остеоидная стадия. Клетки внутри островка перестают делиться, теряют отростки, становятся округлыми и дифференцируются в остеобласты. В их цитоплазме образуется мощный синтетический аппарат для синтеза сложных углеводов, которые выбрасываются из клетки и формируют основное гомогенное межклеточное вещество - оссеомукоид. Позднее в остеобластах развивается гранулярная эндоплазматическая сеть и митохондрии и клетки синтезируют коллагеновые волокна I типа. Синтезированные коллагеновые волокна разные по толщине, чаще толстые, расположены хаотично, переплетаясь друг с другом. Мукопротеиды основного вещества соединяются с волокнами в одну прочную массу и образуют органическую фазу межклеточного вещества или остеоид. Оно раздвигает клетки остеогенного островка и превращает его в костную трабекулу, причем, снаружи ее находятся остеобласты, активно синтезирующие все новые порции органической фазы межклеточного вещества, а внутри, в незначительном количестве, остаются замурованные, потерявшие способность делиться и синтезировать остеоциты. В то же время из окружающей мезенхимы подходят новые генерации остеобластов, которые наращивают кость снаружи, увеличивая костную трабекулу, т.е. обеспечивают аппозиционный рост костной ткани. Отдельные костные трабекулы, разрастаясь, сливаются друг с другом под разным углом и формируют сетевидную органическую часть ретикулофиброзной костной ткани.

Третья стадия - минерализация или кальцификация межклеточного вещества с образованием грубоволокнистой (ретикулофиброзной) костной ткани. В минерализации органической основы костного матрикса ведущая роль принадлежит остеобластам. В органическую фазу катионы кальция попадают из кровотока, где находятся в связанном с белками состоянии. Остеобласты в составе матричных пузырьков выделяют ферменты, в частности, щелочную фосфатазу, расщепляющую содержащиеся в межклеточном веществе глицерофосфаты на углеводные соединения и фосфорную кислоту. Кроме фосфатазы в пузырьках содержится еще несколько десятков нефибриллярных белков, регулирующих процесс кристаллизации, это остеонектин, костный морфогенетический белок и др., а также аморфные фосфаты кальция. Образованная фосфорная кислота вступает в реакцию с солями кальция с образованием фосфата кальция, из которого образуются кристаллы гидроксиаппатита. Кристаллы откладываются на коллагеновых волокнах основного вещества, превращая их в минерализованные или оссеиновые волокна. В результате кальцификации из трабекул образуются костные перекладины или балки ретикулофиброзной костной ткани. Пространства между перекладинами оказываются занятыми волокнистой соединительной тканью с проходящими в ней кровеносными сосудами. К моменту завершения остеогенеза по периферии зачатка кости в эмбриональной соединительной ткани появляется большое количество волокон и остеогенных клеток. Часть этой волокнистой ткани, прилегающей непосредственно к костным перекладинам, превращается в надкостницу, или периост (periosteum), который обеспечивает трофику и регенерацию кости. Такая кость, появляющаяся на стадиях эмбрионального развития и состоящая из перекладин ретикулофиброзной костной ткани, называется первичной губчатой костью. Остеобласты расположены на поверхности трабекулы, остеоциты – внутри трабекулы.

Второй период

Разрушение (резорбция) грубоволокнистой костной ткани

Созданная ретикулофиброзная костная ткань сразу же начинает разрушаться специализированными клетками – тканевыми макрофагами, остеокластами. При превращении макрофага в остеокласт происходит увеличение его объема (симпласт) за счет эндомитоза, количество ядер при этом достигает 80 штук, а размеры клетки – 100-150 мкм. При работе остеокласт лизирует определенный ограниченный участок грубоволокнистой ткани со скоростью до 50 мкм в сутки с образованием полости напоминающую лакуну, поэтому такая резорбция называется лакунарной. В большинстве случает остеокласты не работают по-одиночке, а собираются группами – буровыми головками. В результате многодневной работы буровой головки в костной ткани образуется полый канал или туннель, в который постепенно втягивается кровеносный сосуд, окруженный остеобластами.

Третий период

Замещение ретикулофиброзной костной ткани на пластинчатую

Остеобласты, пришедшие с сосудом, мигрируют на стенку туннеля и начинают синтезировать межклеточное вещество, его органическую фазу, где тонкие коллагеновые волокна лежат упорядоченно, параллельно друг другу. Достигнув толщины 5-10 мкм, это вещество минерализуется с образованием костной пластинки. На ее поверхности оседают новые остеобласты, мигрирующие от кровеносного сосуда и процесс начинается с начала. Количество наслоенных друг на друга пластинок зависит от толщины туннеля и примерно составляет от 5 до 20. Таким образом, вокруг сосуда формируются как бы костные цилиндры, вставленные один в другой, - первичные остеоны. Создается один такой остеон за 5 – 8 недель, а замена грубоволокнистой костной ткани на пластинчатую завершается к моменту рождения. Со стороны надкостницы формируются общие, или генеральные, пластинки, охватывающие всю кость снаружи. Остеон живет 5 – 10 лет после этого он разрушается и замещается новым. Такая перестройка кости практически продолжается всю жизнь и полная смена костной ткани скелета человека происходит несколько раз.

Непрямой (хондральный) остеогенез

Непрямой хондральный остеогенез – развитие кости на месте ранее образованной костной модели, характерен для развития преимущественно трубчатых костей. Начинается на 2 месяце эмбриогенеза и протекает в 4 стадии:

1. Образование хрящевой модели

2. Образование перихондральной костной манжетки или перихондральное окостенение

3. Образование эндохондральной кости в диафизе или появление очагов «внутреннего» эндохондрального окостенения

4. Образование эндохондральной кости в эпифизах

Образование хрящевой модели

В эмбриональной соединительной ткани, на месте будущих конечностей в силу отсутствия кровеносных сосудов и доступа кислорода закладывается гиалиновый хрящевой зачаток (болванка), покрытый надхрящницей. Зачаток растет за счет клеток надхрящницы – хондробластов, а также за счет размножения клеток внутренних участков хряща и принимает форму трубчатой кости.

Образование перихондральной костной манжетки или перихондральное окостенение

Начинается с середины диафиза хрящевого зачатка. Образованию перихондральной костной манжетки предшествует разрастание кровеносных сосудов и, как следствие этого появление в результате дифференцировки во внутреннем слое надхрящницы остеобластов. Они начинают активно продуцировать межклеточное вещество в последующем минерализующееся с формированием костных трабекул ретикулофиброзной костной ткани. Эти трабекулы образуют костную манжетку, которая в виде цилиндра располагается вокруг диафиза хряща. Это нарушает питание хряща и в центре диафизарной части хрящевого зачатка возникают дистрофические изменения. Хондроциты увеличиваются в размерах, становятся округлыми, происходит пикноз ядер, в цитоплазме появляется большое количество вакуолей, такие хондроциты называются пузырчатые. Между пузырчатыми хондроцитами происходит отложение минеральных солей в межклеточном веществе, что приводит к гибели хондроцитов. Удлинение перихондральной костной манжетки сопровождается расширением зоны деструкции хряща, а появление остеокластов способствует очищению пути для врастающих в хрящевую модель трубчатой кости кровеносных сосудов и остеобластов. Рост хряща в центре диафиза прекращается, однако в неизмененных дистальных отделах диафиза рост продолжается. В связи с продолжающимся ростом соседних неизмененных дистальных отделов диафиза хондроциты на границе эпифиза и диафиза собираются в продольные колонки.

Образование эндохондральной кости в диафизе или появление очагов «внутреннего» эндохондрального окостенения (вторичные центры окостенения)

Связано с проникновением внутрь хряща остеогенных клеток (остеобластов). С момента разрастания сосудистой сети и появления остеобластов надхрящница перестраивается, превращаясь в надкостницу. В дальнейшем кровеносные сосуды с окружающими их остеогенными клетками и остеокластами врастают через отверстия костной манжетки и входят в соприкосновение с обызвествленным хрящом. Под влиянием ферментов, выделяемых остеокластами, происходит растворение (хондролиз) обызвествленного межклеточного вещества. Диафизарный хрящ разрушается, в нем возникают удлиненные пространства, в которых «поселяются» остеобласты, образующие на поверхности оставшихся участков обызвествленного хряща костную ткань.

В результате описанной перестройки в хрящевой модели выделяют 4 зоны:

1. зона неизмененного хряща расположеная в эпифизе

2. зона хрящевых колонок, пролиферативная или зона столбчатого хряща – содержит колонки уплощенных хондроцитов, которые могут делиться и образовывать межклеточное вещество

3. зона пузырчатого гипертрофированного хряща состоит из пузырчатых хондроцитов

4. зона минерализованного (омелевшего) хряща прилежит к эндохондральной кости диафиза.

Одновременно с процессом развития эндохондральной кости появляются и признаки ее разрушения остеокластами, что приводит к образованию еще больших полостей и пространств (полостей резорбции) с формированием в конечном итоге костномозговой полости. Из проникшей сюда мезенхимы образуется строма костного мозга, в которой поселяются стволовые клетки крови и соединительной ткани. В это же время по периферии диафиза со стороны надкостницы нарастают все новые и новые пластины костной ткани. Разрастаясь в длину, по направлению к эпифизам и увеличиваясь в толщину, они образуют плотный (компактный) слой кости. Дальнейшая организация периостальной кости протекает иначе, чем организация энхондральной костной ткани. Вокруг сосудов, которые идут по длинной оси зачатка кости из прилегающей к ним мезенхимы, на месте разрушающейся ретикулофиброзной кости начинают образовываться концентрические пластинки, состоящие из параллельно ориентированных тонких коллагеновых волокон и минерализованного межклеточного вещества. Так возникают первичные остеоны. Вслед за появлением первой генерации остеонов со стороны периоста начинается развитие общих (генеральных) пластинок, окружающих кость в области диафиза.

Образование эндохондральной кости в эпифизах

Образование ее начинается после рождения, когда в эпифизе появляются вторичные центры окостенения. Этому предшествуют сначала изменение морфологии хондроцитов, их гипертрофия, вызванная ухудшением питания, дистрофией и кальцинацией. В промежуточной области между диафизом и эпифизами сохраняется хрящевая ткань — метафизарный хрящ, являющийся зоной роста костей в длину.

Перестройка кости, факторы, влияющие на ее структуру

В костной ткани в течение всей жизни человека происходят взаимосвязанные процессы разрушения и образования, обусловленные функциональными нагрузками и другими факторами внешней и внутренней среды. Перестройка остеонов всегда связана с разрушением первичных остеонов и одновременным образованием новых. Под влиянием остеокластов, активизированных различными факторами, костные пластинки остеона разрушаются и на его месте образуется полость. Этот процесс называется резорбцией (от лат. resorptia — рассасывание) костной ткани. В образовавшейся полости вокруг оставшегося сосуда из кровотока появляются остеобласты и начинается построение новых пластинок, концентрически наслаивающихся друг на друга. Так возникают вторичные генерации остеонов. Между вновь созданными остеонами располагаются остатки разрушенных остеонов прежних генераций – вставочные пластинки.

Среди факторов, влияющих на перестройку костной ткани, существенную роль играет так называемый пьезоэлектрический эффект. Оказалось, что в костной пластинке при изгибах появляется определенная разность потенциалов между вогнутой и выпуклой стороной. Вогнутая сторона заряжается отрицательно, а выпуклая — положительно. На отрицательно заряженной поверхности всегда отмечаются активация остеобластов и процесса аппозиционного новообразования костной ткани, а на положительно заряженной, напротив, наблюдается ее резорбция с помощью остеокластов. Искусственное создание разности потенциалов приводит к такому же результату. Нулевой потенциал, отсутствие физической нагрузки на костную ткань (например, при продолжительной иммобилизации, пребывании в состоянии невесомости) обусловливают повышение функции остеокластов и деминерализацию костей.

На структуру костной ткани и костей оказывают влияние витамины (С, A, D), гормоны щитовидной, околощитовидной и других эндокринных желез.

Витамин С способствует созреванию коллагеновых волокон, влияет на деятельность остеобластов, увеличивает их фосфатазную активность, что приводит к росту кости; при его недостатке замедляется рост кости.

При дефиците витамина D не происходит полной кальцификации органической матрицы кости, что обусловливает размягчение костной ткани. Витамин А поддерживает рост костей, но избыток его способствует усилению разрушения остеокластами метаэпифизарных хрящей.

При избытке гормона паращитовидной железы — паратирина наблюдаются повышение активности остеокластов и резорбция кости.

Кальцитонин (гормон щитовидной железы), наоборот, способствует минерализации костной ткани. При гипофункции щитовидной железы замедляется рост длинных трубчатых костей в результате подавления активности остеобластов и торможения процесса оссификации. Регенерация кости в этом случае происходит слабо и неполноценно.

Определенную позитивную роль в росте костей имеет соматотропный гормон гипофиза (гормон роста), который стимулирует пропорциональное развитие скелета в детстве и непропорциональное у взрослых людей (акромегалия).

Женские половые гормоны - эстрогены снижают скорость резорбции костной ткани в результате подавления образования остеокластов. Прогестерон стимулирует пролиферацию и дифференцировку остеобластов.

Инсулин - активирует метаболизм остеобластов, стимулирует синтез костного матрикса, участвует в минерализации костной ткани. У больных сахарным диабетом (с абсолютным или относительным снижением концентрации инсулина) с длительностью заболевания более пяти лет отмечается уменьшение минеральной плотности костной ткани.

Контрольные вопросы по теме:

1. Перечислите стадии развития хрящевой ткани и охарактеризуйте их.

2. Сравните прямой и непрямой остеогенез, их основные характеристики и отличительные особенности.

3. Расскажите стадии развития костной ткани на месте хряща, их сущность.

4. Расскажите периоды и стадии развития костной ткани из мезенхимы, их сущность.

5. Назовите факторы, влияющие на перестройку кости