Неорганические вещества костной ткани. Анатомия. Кости и их соединения. Строение и классификация костей

Химические компоненты костной ткани

Костную ткань относят к очень плотной специализированной соединительной ткани и подразделяют на грубоволокнистую и пластинчатую. Грубоволокнистая костная ткань хорошо представлена у зародышей, а у взрослых она встречается лишь в местах прикрепления сухожилий к костям и заросших швов черепа. Пластинчатая костная ткань составляет основу большинства трубчатых и плоских костей.

Костная ткань выполняет в организме жизненно важные функции:

1.Опорно-двигательная функция определяется биохимическим составом органической и неорганической фазы костей, их архитектоникой и подвижным сочленением в систему рычагов.

2.Защитная функция костей заключается в формировании каналов и полостей для головного, спинного и костного мозга, а также для внутренних органов (сердце, лёгкие и др.).

3.Кроветворная функция основана на том, что участие в механизмах кроветворения принимает вся кость, а не только костный мозг.

4.Депонирование минералов и регуляция минерального обмена: в костях сосредоточено до 99 % кальция, свыше 85 % фосфора и до 60 % магния организма.

5.Буферная функция кости обеспечивается её способностью легко отдавать и принимать ионы с целью стабилизации ионного состава внутренней среды организма и поддержания кислотно-основного равновесия.

Костная ткань, как и другие виды соединительной ткани, состоит из клеток и внеклеточного вещества. В ней представлены три основных вида клеток – остеобласты, остеокласты и остеоциты. Внеклеточное вещество в своей основе содержит органическую матрицу, структурированную минеральной фазой. Прочные волокна коллагена I типа в кости устойчивы к растяжению, а кристаллы минеральных веществ устойчивы к сжатию. При вымачивании кости в разведённых растворах кислот её минеральные компоненты вымываются, и остаётся гибкий, мягкий, полупрозрачный органический компонент, сохраняющий форму кости.

Минеральная часть кости

Особенностью химического состава костной ткани является высокое содержание минеральных компонентов. Неорганические вещества составля­ют только около 1/4-1/3 объёма кости, а остальной объём занимает органический матрикс. Однако удельные массы органических и неорганических компонен­тов кости различны, поэтому в среднем на долю нерастворимых минералов приходится половина массы кости, а в плотных её частях ещё больше.

Функции минеральной фазы костной ткани представляют собой часть функций всей кости. Минеральные компоненты:

1)составляют остов кости,

2)придают форму и твёрдость кости,

3)придают прочность защитным костным каркасам для органов и тканей,

4)представляют собой депо минеральных веществ организма.

Минеральная часть кости состоит главным образом из фосфатов кальция. Кроме того, она включает карбонаты, фториды, гидроксиды и цитраты. В состав костей входит большая часть Mg 2+ , около четверти всего Na + организма и небольшая часть К + . Кристаллы кости состоят из гидроксиапатитов – Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 . Кристаллы имеют форму пластинок или палочек размерами 8-15/20-40/200-400 Ǻ. Вследствие особенностей неорганической кристаллической структуры упругость кости сходна с упругостью бетона. Подробно характеристика минеральной фазы кости и особенности минерализации представлены далее.

Органический матрикс кости

Органический матрикс кости на 90 % состоит из коллагена, остальная часть представлена неколлагеновыми белками и протеогликанами.

Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы коллагеном I типа , который входит также в состав сухожилий и кожи. Протеогликаны кости представлены в основном хондроитинсульфатом , который очень важен для обмена веществ костной ткани. Он образует с белками основное вещество кости и важен в обмене Са 2+ . Ионы кальция связываются с сульфатными группами хондроитинсульфата, который способен к активному ионному обмену, поскольку является полианионом. При его деградации нарушается связывание Са 2+ .

Белки матрикса, специфичные для костной ткани

Остеокальцин (молекулярная масса 5,8 кДа) присутствует только в костях и зубах, где является преобладающим белком и изучен наиболее хорошо. Это небольшая (49 аминокислотных остатков) белковая структура неколлагеновой природы, называемая также костным глута миновым белком или gla -белком. Для синтеза остеобластам необходим витамин К (филлохинон или менахинон). В молекуле остеокальцина обнаружены три остатка γ-карбоксиглутаминовой кислоты, что говорит о способности связывать кальций. Действительно, этот белок прочно связан с гидроксиапатитом и участвует в регуляции роста кристаллов за счёт связывания Са 2+ в костях и зубах. Синтезированный вклю чается во внеклеточное пространство кости, но часть его попада ет в кровоток, где может быть проанализирована. Высокий уровень паратгормона (ПТГ) ингибирует активность остеобластов, продуцирующих остеокальцин, и снижает его содержание в костной ткани и крови. Синтез остеокальцина управляется витамином Д 3 , что указывает на связь белка с мобилизацией кальция. Нарушения обмена этого белка вызывают нарушение функции костной ткани. Из костной ткани выделен ряд аналогичных белков, которые названы «белки, подобные остеокальцину».

Костный сиалопротеин (молекулярная масса 59 кДа) найден только в костях. Он отличается высоким содержанием сиаловых кислот, содержит трипептид АРГ-ГЛИ-АСП, типичный для белков, обладающих способностью связываться с клетками и получивших название «интегрины» (интегральные белки плазматических мембран, играющие роль рецепторов для белков межклеточного матрикса). В дальнейшем было установлено, что связывание сиалопротеина с клетками осуществляется через специальный рецептор, который содержит последовательность из 10 ГЛУ, придающую ему кальций-связывающие свойства.

Около половины остатков СЕР этого белка соединены с фосфатом, поэтому его можно считать фосфопротеином. Функция белка до конца неясна, но он тесно связан с клетками и апатитом. Полагают, что белок включается в анаболическую фазу образования костной ткани. Синтез белка тормозится активной формой витамина Д и стимулируется веществом гормональной природы – дексаметазоном. Костный сиалопротеин обладает свойством избирательно связывать стафилококк.

Остеопонтин (молекулярная масса 32,6 кДа) – ещё один анионный белок матрикса кости со свойствами, подобными костному сиалопротеину, но с более низким содержанием углеводов. Он содержит отрезки отрицательно заряженных АСП, фосфорилирован по СЕР, содержит трипептид АРГ-ГЛИ-АСП, локализованный в участке для специфического связывания с интегринами. Синтез остеопонтина стимулирует витамин Д, что отличает его от костного сиалопротеина. Этот белок найден в светлой зоне остеокластов, связанной с минеральным компонентом. Указанные факты наводят на мысль о том, что остеопонтин участвует в привлечении предшественников остеокластов и связывании их с минеральным матриксом. В пользу этой гипотезы свидетельствует и то обстоятельство, что остеокласты имеют большое количество интегриновых рецепторов, которые могут связываться с остеопонтином. Кроме костной ткани остеопонтин обнаружен в дистальных канальцах почек, плаценте, ЦНС.

Костный кислый гликопротеин (молекулярная масса 75 кДа) изолирован из минерализованного матрикса костной ткани, содержит много сиаловых кислот и фосфата. В костной ткани он участвует в процессах минерализации вместе со многими другими кислыми белками, богатыми фосфатом.

Остеонектин (молекулярная масса 43 кДа). Этот белок имеет Са-свя­зывающий домен и несколько участков, богатых ГЛУ. Домен не содержит γ-карбокси-глутаминовой кислоты, хотя и напоминает по структуре белки, участвующие в свертывании крови. Остеонектин связывается с коллагеном и апатитом. Этот белок широко представлен в тканях. Возможно, он синтезируется в любой растущей ткани.

Тромбоспондин (молекулярная масса 150 кДа). Белок широко распространён в организме, выделен из тромбоцитов и обнаружен в костях. Состоит из трёх субъединиц, имеет последовательность АРГ-ГЛИ-АСП, что позволяет ему связываться с поверхностями клеток. Он связывается и с другими белками костной ткани.

Моделирование и ремоделирование кости

Кость при всей её твердости подвержена изменениям. Весь её плотный внеклеточный матрикс пронизан каналами и полостями, заполненными клетками, которые составляют около 15 % веса компактной кости. Клетки участвуют в непрекращающемся процессе перестройки костной ткани. Процессы моделирования и ремоделирования обеспечивают постоянное обновление костей, а также модификацию их формы и структуры.

Моделированием называют образование новой кости, не связанное с предварительной деструкцией старой костной ткани. Моделирование имеет место в основном в детском возрасте и приводит к изменению архитектуры тела, тогда как у взрослых – к адаптивной модификации этой архитектуры в ответ на механические воздействия. Данный процесс ответственен также за постепенное увеличение размеров позвонков в зрелом возрасте.

Рис. 23. Процессы костного ремоделирования (по Bartl)

Ремоделирование является доминирующим процессом в скелете взрослых и не сопровождается изменением структуры скелета, так как в этом случае происходит лишь замена отдельного участка старой кости на новую (рис. 23 ). Такое обновление кости способствует сохранению её механических свойств. Ремоделированию подвергается от 2 до 10 % скелета в год. Паратгормон, тироксин, гормон роста и кальцитриол повышают скорость ремоделирования, тогда как кальцитонин, эстрогены и глюкокортикоиды снижают её. К стимулирующим факторам относятся возникновение микротрещин и в определённой мере механические воздействия.

Механизмы образования костной ткани

Костный матрикс регулярно обновляется (рис. 23 ). Образование кости – сложный процесс с участием многих компонентов. Клетки мезенхимального происхождения – фибробласты и остеобласты – синтезируют и выделяют в окружающую среду фибриллы коллагена, которые проникают в матрикс, состоящий из гликозаминогликанов и протеогликанов.

Минеральные компоненты поступают из окружающей жидкости, которая «пересыщена» этими солями. Сначала происходит нуклеация, т.е. образование поверхности с ядрами кристаллизации, на которой уже может легко происходить формирование кристаллической решётки. Образование кристаллов минерального остова кости запускает коллаген. Электронномикроскопические исследования показали, что формирование кристаллической решётки из минералов начинается в зонах, находящихся в регулярных промежутках, возникающих между волокнами коллагеновых фибрилл при их сдвиге на ¼ длины. Затем первые кристаллы становятся центрами нуклеации для тотального отложения гидроксиапатита между коллагеновыми волокнами.

Активные остеобласты продуцируют остеокальцин, который является специфическим маркером костного ремоделирования. Имея γ-карбоксиглутаминовую кислоту, остеокальцин соединён с гидроксиапатитом и связывает Са 2+ в костях и зубах. Попадая в кровь, он подвергается быстрому расщеплению на фрагменты разной длины (рис. 25 ), которые обнаруживают методами иммуноферментного анализа. В данном случае распознаются специфические участки N-MID и N-концевого фрагментов остеокальцина, поэтому С-концевой участок выявляют независимо от степени расщепления молекулы полипептида.

Формирование кости происходит только в непосредственной близости от остеобластов, причём минерализация начинается в хряще, который состоит из коллагена, погруженного в протеогликановый матрикс. Протеогликаны повы­шают растяжимость коллагеновой сети и увеличивают степень её набухания. По мере роста кристаллы вытесняют протеогликаны, которые деградируют под воздействием лизосомальных гидролаз. Вытесняется также и вода. Плотная, полностью минерализованная кость практически обезвожена. Коллаген составляет в ней 20 % по массе.

Рис. 25. Циркулирующие фрагменты остеокальцина (цифры – порядковый номер аминокислот в пептидной цепи)

Минерализация костихарактеризуется взаимодействием 3 факторов .

1). Местное повышение концентрации ионов фосфата . В процессе окостенения большую роль играет щелочная фосфатаза, которая содержится как в остеобластах, так и остеокластах. Щелочная фосфатаза принимает участие в образовании основного органического вещества кости и минерализации. Одним из механизмов её действия является локальное увеличение концентрации ионов фосфора до точки насыщения, за которым следуют процессы фиксации кальций-фосфорных солей на органической матрице кости. При восстановлении костной ткани после переломов содержание щелочной фосфатазы в костной мозоли резко увеличивается. При нарушении костеобразования уменьшается содержание и активность щелочной фосфатазы в костях, плазме крови и других тканях. При рахите, который характеризуется увеличением количества остеобластов и недостаточным обызвествлением основного вещества, содержание и активность щелочной фосфатазы в плазме крови увеличиваются.

2). Адсорбция ионов Са 2+ . Установлено, что включение Са 2+ в кости является активным процессом. Это отчётливо доказывается тем, что живые кости воспринимают Са 2+ более интенсивно, чем стронций. После смерти такой избирательности уже не наблюдается. Избирательная способность кости по отношению к кальцию зависит от температуры и проявляется только при 37 о С.

3). Сдвиг рН . В процессе минерализации имеет значение рН. При повышении рН костной ткани фосфат кальция быстрее откладывается в кости. В кости имеется относительно большое количество цитрата (около 1 %), который влияет на поддержание рН.

Процессы распада кости

В процессе разрушения матрикса кости коллаген I типа расщепляется, и его небольшие фрагменты поступают в кровяное русло. Пиридинолиновые сшивки, С- и N-телопептиды с поперечными сшивками и специфические аминокислоты выводятся с мочой. Количественный анализ продуктов деградации коллагена I типа позволяет оценивать скорость костной резорбции. Наиболее высокоспецифичные маркёры костной резорбции – пептидные фрагменты коллагена-I.

Отщепление С-телопептида происходит на самом начальном этапе деградации коллагена. Вследствие этого другие метаболиты коллагена практически не влияют на его концентрацию в сыворотке крови. Продукты расщепления С-телопептида коллагена I типа состоят из двух октапептидов, представленных в β-форме и связанных поперечной сшивкой (эти структуры называют β-Crosslaps). Они попадают в кровь, где их количество определяют методом иммуноферментного анализа. Во вновь сформированной кости концевые линейные последовательности октапептидов содержат α-аспарагиновую кислоту, но по мере старения кости α-аспарагиновая кислота изомеризуется в β-форму. Используемые в анализе моноклональные антитела специфически распознают октапептиды, содержащие именно β-аспарагиновую кислоту (рис. 26 ).

Рис. 26. Специфические β-октапептиды в составе С-телопептида коллагена

Различают маркёры формирования и резорбции кости, характеризующие функции остеобластов и остеокластов (табл. ).

Таблица. Биохимические маркёры метаболизма костной ткани

Маркёры образования кости	Маркёры резорбции кости
плазма : остеокальцин, общая и специфическая костная щелочная фосфатаза, проколлагеновые С- и N-пептиды	плазма : тартрат-резистентная кислая фосфатаза, пири динолин и дезокси­пиридинолин, продукты деградации коллагена I типа (N - и С-телопептиды); моча : пиридинолин и дезоксипиридино­лин, продукты деградации коллагена I типа – N - и С-телопептиды, кальций и гидроксипролин натощак и гликозиды гидроксилизина

Биохимические маркёры дают информацию о патогенезе заболеваний скелета и о скорости ремоделирования. Они могут использоваться для контроля эффективности лечения в короткие сроки и идентифицировать больных с быстрой потерей костной массы. Биохимические маркёры измеряют усреднённую скорость ремоделирования всего скелета, а не отдельных его областей.

Старение костей. В подростковом и юношеском возрасте костная масса постоянно увеличивается и достигает максимума к 30-40 годам. Как правило, общая костная масса у женщин меньше, чем у мужчин, как следствие меньшего объёма костей; но плотность костной ткани у лиц обоего пола одинакова. С возрастом и у мужчин, и у женщин начинается потеря костной массы, однако динамика этого процесса различается в зависимости от пола. Примерно с 50-летнего возраста у лиц обоего пола костная масса линейно снижается на 0,5-1,0 % в год. С биохимической точки зрения, состав и баланс органического и минерального компонентов костной ткани не меняются, а постепенно снижается его количество.

Патология костной ткани. В норме количество новообразованной костной ткани эквивалентно количеству разрушенной. Вследствие нарушений процессов минерализации кости может возникнуть избыточное накопление органического матрикса – остеомаляция.Вследствие неправильного образования органического матрикса и снижения его обызвествления может формироваться другой тип дизостеогенеза – остеопороз. И в первом, и во втором случае нарушения в обмене костной ткани сказываются на состоянии тканей зуба и альвеолярного отростка челюстной кости.

Остеомаляция – размягчение костей вследствие нарушения образования органического матрикса и частичного рассасывания минералов костной ткани. В основе патологии: 1) синтез избыточных количеств остеоида при ремоделировании кости, 2) снижение минерализации (вымывание минеральной фазы из кости). На заболевание влияют длительная неподвижность, плохое питание, особенно недостаточность аскорбата и витамина Д, а также нарушение метаболизма витамина Д и дефект кишечных или других рецепторов к кальцитриолу, кальцитонину.

Остеопороз – это общая дистрофия костной ткани, основанная на утрате части как органических, так и неорганических компонентов. При остеопорозе разрушение кости не компенсируется её формированием, баланс этих процессов становится отрицательным. Остеопороз часто возникает при недостатке витамина С, плохом питании, длительной неподвижности.

Остеопороз является системным заболеванием костей и включает не только потерю костной массы, но и нарушение костной микроархитектоники, что приводит к увеличению хрупкости костей и повышенному риску переломов. Для остеопороза характерно уменьшение костных перекладин в единице объёма кости, истончение и полное рассасывание части этих элементов без уменьшения размеров кости:

Рис. 27. Изменение структуры кости при остеопорозе (по Н. Fleish)

Регуляция остеогенеза кости и плотных тканей зуба белками

В костной ткани, разновидностью которой являются дентин и цемент зуба, содержится до 1% белков, регулирующих остеогенез. К ним относятся морфогены, митогены, факторы хемотаксиса и хемоаттракции. В основном это костные белки, но некоторые из них имеют значение при построении зубных тканей.

Морфогены – это гликопротеины, выделяющиеся из разрушающейся костной ткани и действующие на полипотентные клетки, вызывая их дифференцировку в нужном направлении.

Важнейший из них – морфогенетический белок кости , состоящий из четырёх субъединиц с общей молекулярной массой 75,5 кДа. Остеогенез под влиянием этого белка протекает по энхондральному типу, т.е. сначала образуется хрящ, а затем из него кость. Этот протеин получен в чистом виде и применяется при плохой регенерации кости.

Выделен, но мало изучен фактор Тильманна с молекулярной массой 500-1000 кДа, который быстро вызывает интрамембранозный остеогенез (без образования хряща), но в малом объёме. Так развивается кость нижней челюсти.

Из дентина также получен морфогенетический фактор – белок, стимулирующий рост дентина . В эмали морфогенов не обнаружено.

Митогены (чаще всего гликофосфопротеины) действуют на преддиф­ференцированные клетки, сохранившие способность к делению, увеличивают их митотическую активность. В основе биохимического механизма действия лежит инициация репликации ДНК. Из кости выделено несколько таких факторов: костно-экстрагируемый фактор роста, фактор роста скелета . В дентине и эмали митогенов пока не обнаружено.

Факторы хемотаксиса и хемоаттракции – это гликопротеины, определяющие движение и прикрепление новообразованных структур под действием морфо- и митогенов. Наиболее известны из них: фибронектин, остеонектин и остеокальцин. За счёт фибронектин а осуществляется взаимодействие между клетками и субстратами, этот белок способствует прикреплению ткани десны к челюсти. Остеонектин , являясь продуктом остеобластов, определяет миграцию преостеобластов и фиксацию апатитов на коллагене, то есть при его помощи происходит связывание минерального компонента с коллагеном. Остеокальцин – белок, маркирующий участки кости, которые должны подвергаться распаду (резорбции). Его присутствие в старом участке кости (к которому должен прикрепляться остеокласт для разрушения данного участка) способствует хемотаксису остеокластов в это место. Этот протеин содержит γ-карбоксиглутаминовую кислоту и является витамин-К-зависимым. Следовательно, остеокальцин принадлежит к группе так называемых gla -белков, являющихся инициаторами минерализации и создающих ядра кристаллизации. В эмали аналогичные функции выполняют амелогенины.

Морфогены, митогены, факторы хемотаксиса и хемоаттракции выполняют важную биологическую функцию, объединяя процесс деструкции и новообразования ткани. Разрушаясь, клетки выделяют их в среду, где эти факторы вызывают образование новых участков тканей, воздействуя на разные стадии дифференцировки клеток-предшественников.

Обнаружены соединения, называющиеся кейлонами , действие которых противоположно влиянию морфо- и митогенов. Они прочно связываются с морфо-, митогенами и препятствуют регенерации кости. В связи с этим возникает важная проблема разработки приёмов регуляции синтеза морфо-, митогенов, факторов хемотаксиса.

Известно, что синтез морфогенов кости стимулируется активными формами витамина Д (кальцитриолами) и тирокальцитонином, а подавляется глюкокортикостероидами и половыми гормонами. Следовательно, снижение продукции половых гормонов в период климакса, а также применение глюкокортикостероидов уменьшают регенерационные возможности кости и способствуют развитию остеопороза. Осложнения хода процессов сращения (консолидации) переломов возможно в тех случаях, когда больному уже проводили курс лечения глюкокортикостероидами или анаболическими стероидами. Кроме того, длительное использование анаболических стероидов может спровоцировать перелом, так как активный рост массы мышц будет сопровождаться уменьшением прочности скелета. Также необходимо отметить, что скорость и полнота замещения дефекта кости при костной пластике определяется количеством морфогенов в подсаженной ткани. Поэтому, чем старше возраст донора, тем меньше вероятность успешного замещения дефекта. Кость, взятая у молодых доноров, будет замещаться плохо, если у них в ближайшем анамнезе будет лечение глюкокортикостероидами или анаболическими гормонами. Эти моменты биохимической регуляции остеогенеза необходимо учитывать в практике дентальной имплантологии.

Влияние пирофосфата и бифосфонатов на резорбцию кости

Пирофосфат (пирофосфорная кислота) – метаболит, образующийся в ходе ферментативных реакций путём отщепления от АТФ. Далее его гидро­лизует пирофосфатаза, поэтому в крови и моче очень мало пирофосфата. Однако в костях пирофосфат (как представитель полифосфатов) связывается с кристаллами гидроксиапатита, ограничивая их излишне активный рост по типу эктопической кальцификации.

Строение пирофосфата(А ) и бифосфонатов(Б ), используемых в лечении остеопороза

Бисфосфонаты имеют высокое структурное сходство с пирофосфатом, но их связь Р-С-Р очень стабильна и устойчива к расщеплению, в отличие от связи Р-О-Р в пирофосфате. Подобно пирофосфату, бифосфонаты имеют отрицательные заряды (переход ОН → О – ) и легко связываются с ионами Са 2+ на поверхности кристаллов гидроксиапатита.

Сродство к кальцию усиливается присутствием групп -ОН на месте - R 1 . В результате останавливается не только рост кристаллов, но и их растворение, поэтому резорбция кости прекращается. Антирезорбтивные свойства бифосфонатов усиливаются за счёт влияния на остеокласты, особенно если на месте - R 2 расположен ароматический гетероцикл, включающий 1-2 атома азота. Накапливаясь в кислой среде зоны резорбции кости, бифосфонаты проникают в остеокласт (основной механизм – эндоцитоз), встраиваются наподобие пирофосфата в ферменты, АТФ и препятствуют их нормальному функционированию, что приводит к нарушению метаболизма, энергетического обмена клетки, а затем к её гибели. Снижение количества остеокластов способствует уменьшению их резорбтивного влияния в отношении костной ткани. Разные заместители R 1 и R 2 инициируют появление ряда дополнительных побочных эффектов у бифосфонатов.

Фосфаты кальция – основа минерального компонента межклеточного матрикса

Ортофосфаты кальция – соли трёхосновной фосфорной кислоты. В организме обнаруживаются ионы фосфата (PO 4 3– ) и их одно- и двузамещённые формы (H 2 PO 4 – и HPO 4 2– ). Все фосфорнокислые соли кальция представляют собой белые порошки, которые слаборастворимы или нерастворимы в воде, но растворяются в разбавленных кислотах. В состав тканей зубов, костей и дентина входят соли HPO 4 2– или PO 4 3– . В зубных камнях встречаются пирофосфаты. В растворах ион пирофосфата оказывает существенный эффект на кристаллизацию некоторых ортофосфатов кальция. Полагают, что этот эффект важен для контроля величины кристаллов в костях, содержащих небольшие количества пирофосфатов.

Природные формы фосфатов кальция

Витлокит – одна из форм безводного фосфата трикальций фосфата – βСа 3 (PO 4) 2 . Витлокит содержит дивалентные ионы (Mg 2+ Mn 2+ или Fe 2+), которые входят в состав кристаллической решётки, например, (СаMg ) 3 (РО 4) 2 . Около 10 % фосфата в нём находится в форме HPO 4 2– . В организме минерал встречается редко. Он образует ромбические кристаллы, которые обнаруживаются в составе зубных камней и в зонах кариозного повреждения эмали .

Монетит (CaHPO 4) и брушит (CaHPO 4 ·2H 2 O ) – вторичные соли фосфорной кислоты. Также редко встречаются в организме. Брушит обнаружен в составе дентина, зубных камней. Монетит кристаллизуется в форме треугольных пластинок, но иногда бывают палочки и призмы. Кристаллы брушита имеют клиновидную форму. Растворимость кристаллов монетита зависит от рН и быстро увеличивается при рН ниже 6,0. Растворимость брушита в этих условиях также увеличивается, но в ещё большей степени. При нагревании брушит превращается в монетит. При долгом хранении оба минерала гидролизуются в гидроксиапатит Ca 10 (PO 4) 6 (OH ) 2 .

Соответственно, наряду с монокальцийфосфатом в составе аморфных солей кости, зуба, зубного камня встречаются промежуточные гидратные ди-, три-, тетракальцийфосфаты . Кроме того, здесь присутствует кальций-пирофосфата дигидрат . Аморфная фаза кости является мобильным депо минералов в организме.

Октакальций фосфат Ca 8 (HPO 4) 2 (PO 4) 4 ·5H 2 O , его формулу изображают также в виде Са 8 Н 2 (РО 4) 6 ·5Н 2 О. Онпредставляет собой главное и последнее промежуточное связующее звено между кислыми фосфатами – монетитом и брушитом, и основной солью – гидроксиапатитом. Подобно брушиту и апатиту он входит в состав кости, зуба, зубных камней . Как видно из формулы, октакальций фосфат содержит кислый фосфатный ион, но не имеет гидроксильных. Содержание воды в нём колеблется в широких пределах, но чаще 5H 2 O . По своей структуре он напоминает кристаллы апатита, имеет слоистое строение с чередованием слоёв соли толщиной 1,1 нм и слоёв воды толщиной 0,8 нм. Учитывая тесную связь с апатитами, он играет важную роль в нуклеации апатитных солей. Кристаллы октакальций фосфата растут в форме тонких пластинок до 250 мкм длиной. Подобно монетиту и брушиту октакальций фосфат нестабилен в воде, но именно он наиболее легко гидролизуется в апатит, особенно в тёплом щелочном растворе. Низкие концентрации фтора (20-100 мкг/л) резко ускоряют скорость гидролиза, следовательно ионы F – необходимы для отложения апатитов в плотных тканях.

Апатиты . Апатиты имеют общую формулу Ca 10 (PO 4) 6 X 2 , где X – это чаще всего OH – или F – . Фторапатиты Ca 10 (PO 4) 6 F 2 широко распространены в природе, прежде всего, как почвенные минералы. Их используют для получения фосфора в промышленности. Гидроксиапатиты Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2 преобладают в животном мире. Они являются основной формой, в которой фосфаты кальция присутствуют в костях и зубах. Гидроксиапатиты образуют очень стабильную ионную решётку (температура плавления более 1600º С), ионы в ней удерживаются за счёт электростатических сил и тесно контактируют между собой. Фосфат-ионы РО 4 3– имеют наибольшие размеры, поэтому занимают доминирующее место в ионной решётке. Каждый фосфат-ион окружён 12-ю соседними ионами Са 2+ и ОН – , из которых 6 ионов находятся в том же слое ионной решётки, где расположен ион РО 4 3– , а в выше- и нижележащих слоях ионной решётки расположено ещё по 3 иона. Идеальный гидроксиапатит образует кристаллы, которые «на срезе» имеют гексагональную форму (рис. 31 ). Каждый кристалл покрыт гидратной оболочкой, между кристаллами имеются пространства. Размеры кристаллов гидроксиапатита в дентине меньше, чем в эмали.

Рис. 31. Гексагональная модель кристаллов гидроксиапатита

Апатиты являются довольно устойчивыми соединениями, но способны обмениваться с окружающей средой. В результате в решётке кристаллов гидроксиапатитов появляются другие ионы. Однако лишь некоторые ионы могут включаться в структуру гидроксиапатитов. Преимущественным фактором, определяющим возможность замены, является размер атома. Схожесть в зарядах имеет второстепенное значение. Такой принцип замены носит название изоморфного замещения, в ходе которого поддерживается общее распределение зарядов по принципу: Сa 10-х (HPO 4) х (PO 4) 6-х (OH ) 2-х, где 0<х<1. Потеря ионов Ca 2+ частично компенсируется потерей ионов OH – и присоединением ионов H + к фосфату.

Это приводит к изменению формы и размеров кристаллов, что отражается на свойствах гидроксиапатитов. Реакции изоморфного замещения ионов существенно влияют на прочность и рост кристаллов гидроксиапатита и определяют интенсивность процессов минерализации твёрдых тканей зуба.

Таблица 9. Замещаемые ионы и заместители в составе гидроксиапатитов

Замещаемые ионы	Заместители
Ca 2+	Mg 2+ , Sr 2+ , Na + , реже: Ba 2+ , Pb 2+ , M о 2+ , Cr 2+ , K + , H 3 O + , 2Н +
PO 4 3–	НРО 4 2– , CO 3 2– , С 6 Н 3 О 6 3– (цитрат), Н 2 РО 4 – , AsO 3 3–
OH –	F – , Cl – , Br – , J – , реже: H 2 O , CO 3 2– , О 2

1. Замещение ионов кальция (Са 2+) на протоны (Н +), ионы гидроксония (H 3 O +), стронция (Sr 2+), магния (Mg 2+) и другие катионы.

В кислой среде ионы кальция замещаются на протоны по схеме:

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + 2Н + → Са 9 Н 2 (РО 4) 6 (ОН) 2 + C а 2+ .

В конечном итоге кислотная нагрузка ведёт к разрушению кристаллов.

Ионы магния могут вытеснять кальций или вставать на вакантные места в составе кристаллов гидроксиапатита с формированием магниевого апатита :

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + Mg 2+ → Са 9 Mg (РО 4) 6 (ОН) 2 + C а 2+

Это замещение характеризуется уменьшением молярного коэффициента Са/Р и приводит к нарушению структуры и снижению резистентности кристаллов гидроксиапатита к неблагоприятным воздействиям физического и химического характера.

Кроме магниевого апатита в ротовой полости встречаются менее зрелые формы магниевых минералов: невберит – Mg НРО 4 · 3Н 2 О и струвит – Mg НРО 4 · 6Н 2 О. Вследствие наличия ионов магния в слюне эти минералы в небольшом количестве образуются в составе зубного налёта и далее по мере его минерализации до состояния камня могут созревать вплоть до апатитных форм.

Ионы стронция, аналогично магниевым, могут вытеснять кальций или заменять вакантные места в кристаллической решётке гидроксиапатитов, образуя стронциевый апатит :

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + Sr 2+ → Са 9 Sr (РО 4) 6 (ОН) 2 + C а 2+ .

Поступая в избыточном количестве, стронций хотя и вытесняет из кристаллической решётки кальций, но сам не удерживается в ней, что приводит к порозности костей. Этот эффект усугубляется недостатком кальция. Такие изменения характерны для болезни Кашина-Бека («уровская болезнь»), которая поражает людей, преимущественно в раннем детстве, живущих в долине реки Уров Забайкальского края, Амурской области и прилегающих провинциях Китая. Страдание начинается с болей в суставах, затем возникает поражение костной ткани с размягчением эпифизов, нарушаются процессы окостенения. Заболевание сопровождается короткопалостью. В эндемичных районах в почве и воде содержится в 2,0 раза меньше кальция, в 1,5-2,0 раза больше стронция, чем в норме. Существует и другая теория патогенеза «уровской болезни», согласно которой патология развивается в результате дисбаланса фосфатов и марганца в окружающей среде, что также характерно для данных районов. Вполне вероятно, что обе эти теории дополняют друг друга.

В местностях, загрязнённых радионуклидами, неблагоприятное влияние стронциевого апатита на организм человека усугубляется возможностью депонирования радиоактивного стронция.

2. Замещение фосфат-ионов (РО 4 3–) на гидрофосфат-ионы (НРО 4 2–) или на карбонат- и гидрокарбонат-ионы (СО 3 2– и НСО 3 –).

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + НРО 4 2– → Са 10 (НРО 4)(РО 4) 5 (ОН) 2 + РО 4 3–

Заряд катионов кальция в этом случае компенсируется анионами не полностью (важнее ионный радиус, а не заряд заместителя). Двойная замена приводит к неустойчивости иона Са 2+ , он может покинуть кристалл:

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + 2НРО 4 2– → Са 9 (НРО 4) 2 (РО 4) 4 (ОН) 2 + Са 2+ + 2РО 4 3–

Замещение на карбонат-ион приводит к образованию карбонатных апатитов и повышает коэффициент Са/Р, однако кристаллы становятся более рыхлыми и хрупкими.

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + СО 3 2– → Са 10 (РО 4) 5 (СО 3)(ОН) 2 + РО 4 3–

Интенсивность формирования карбонат-апатитов зависит от общего количества бикарбонатов в организме, пищевого рациона и стрессовых нагрузок.

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + 3 НСО 3 – +3Н + → Са 10 (РО 4) 4 (СО 3) 3 (ОН) 2 + 2Н 3 РО 4

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + 3СО 3 2– → Са 10 (РО 4) 4 (СО 3) 3 (ОН) 2 + 2РО 4 3–

В целом, если основная соль кальция фосфата осаждается при комнатной температуре или температуре тела в присутствии иона карбоната или гидрокарбоната, то образующийся апатит будет содержать в своём составе несколько процентов карбоната или гидрокарбоната. Карбонат уменьшает кристалличность апатита и делает его более аморфным. Такая структура напоминает структуру апатитов костей или эмали. С возрастом количество карбонат-апатитов увеличивается.

Из углерод-содержащих минералов кроме карбонатного апатита в полости рта встречаются гидрокарбонат кальция Са(НСО 3) 2 и веделит СаС 2 О 4 · Н 2 О в качестве минорного компонента зубного камня .

3. Замещение гидроксила (ОН –) на фториды (F –), хлориды (Cl –) и другие ионы:

В водной среде взаимодействие ионов F – с гидроксиапатитом зависит от концентрации фтора. Если содержание фтора сравнительно невысоко (до 500 мг/л), то происходят замены и образуются кристаллы гидроксифтор- или фторапатита:

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + F – → Са 10 (РО 4) 6 ОНF + ОН –

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + 2F – → Са 10 (РО 4) 6 F 2 + 2ОН –

Гидроксифторапатит – Ca 10 (PO 4) 6 (OH )F – промежуточный вариант между гидроксиапатитом и фторапатитом. Фторапатит – Ca 10 (PO 4) 6 F 2 – наиболее стабильный из всех апатитов, температура плавления 1680º С. Кристаллы фторапатита имеют гексагональную форму: ось a = 0,937 нм, ось c = 0,688 нм. Плотность кристаллов составляет 3,2 г/см 3 .

Обе реакции замещения в кристаллической решётке ионов ОН – на ионы F – резкоповышают резистентность гидроксиапатитов к растворению в кислой среде. Это свойство гидроксифтор- и фторапатитов рассматривается как ведущий фактор в профилактическом действии фторидов в отношении кариеса. Таким же, но значительно меньшим эффектом обладают ионы цинка, олова. Наоборот, в присутствии ионов карбоната, цитрата растворимость кристаллов апатитов повышается:

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + СО 3 2– + 2Н + → Са 10 (РО 4) 6 СО 3 + 2Н 2 О

Вместе с тем, высокие концентрации ионов F – (более 2 г/л) разрушают кристаллы апатитов:

Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH ) 2 + 20 F – → 10 CaF 2 +6 PO 4 3– + 2 OH – .

Образующийся фторид кальция – СаF 2 – нерастворимое соединение, может включаться в состав зубного налёта и зубного камня . Кроме того, в этих условиях ионы фтора будут связывать ионы кальция на поверхности зуба, препятствуя их проникновению в эмаль.

В составе зубного камня обнаруживается также восьмикальциевый фторапатит Са 8 (РО 4) 6 F 2 , этот вид минерала формируется постепенно по мере старения камня.

Этапы обмена элементов кристаллической решетки апатитов

Образуясь в растворах, кристаллы апатитов могут изменяться за счёт обмена с ионами, находящимися в этом же растворе. В живых системах это свойство апатитов делает их высоко чувствительными к ионному составу крови и межклеточной жидкости, а он, в свою очередь, зависит от характера пищи и состава потребляемой воды. Сам процесс обмена элементов кристаллической решётки протекает в несколько этапов, каждый из которых имеет свою скорость.

Первый этап протекает довольно быстро – в течение нескольких минут. Это обмен посредством диффузии между гидратной оболочкой кристалла и подвижной жидкостью, в которую погружен кристалл. Обмен ведёт к повышению концентрации отдельных ионов в непосредственной близости кристалла. В этом этапе участвуют многие ионы, разные по размерам и свойствам.

На втором этапе идёт обмен между ионами гидратной оболочки и поверхностью кристаллов. Здесь происходит отрыв элементов с поверхности кристалла и замена их на ионы, поступающие из гидратной оболочки. В процесс включаются преимущественно ионы кальция, магния, стронция, натрия, фосфорной и угольной кислот, фтора, хлора, иногда другие приблизительно равные им по размерам ионы. Многим ионам данный этап не под силу. Длительность этапа – несколько часов.

На третьем этапе происходит проникновение ионов вглубь кристаллической решётки. Это самый медленный процесс, длится недели, месяцы, иногда более года. Этап проходит в форме изоморфного замещения или заполнения вакантных мест. Главные здесь – ионы кальция, магния, фосфата, стронция, фтора.

Казалось бы, что интересного можно сказать о кости? Кость и кость. Ошибаетесь, сказать есть что.

Ведь именно благодаря костному скелету человек, звери, птицы, рыбы способны ходить, летать и плавать. Не будь его, они, как черви или слизни, были бы пленниками земной поверхности: ни тебе прыгнуть, ни на дерево влезть.

Далее, кости черепа защищают мозг и органы чувств, грудная клетка - грудные органы, а кости таза - поддерживают брюшные внутренности. Именно благодаря костям с прикреплёнными к ним мышцами образуются замкнутые полости со своим «микроклиматом», в котором единственно и могут жить и нервные клетки, и сердечные сократительные волокна, и нежная почечная ткань. За миллионы лет эволюции человека каждая кость приобрела свою неповторимую форму, единственно пригодную для решения стоящей перед ней задачи. Либо концы её «оделись» в толстый слой хряща для беспрепятственного скольжения при работе сустава, либо края костей (в черепе) образовали крепчайший шов (наподобие застёжки — «молнии»). А ещё в них образовались каналы для пропуска нервов и кровеносных сосудов, поверхность же покрылась бороздками и бугорками для прикрепления мышц.

Кость — орган, состоящий из нескольких тканей (костной, хрящевой и соединительной) и имеющий собственные сосуды и нервы. Каждая кость имеет определенные, присущие только ей строение, форму, положение.

Кости человека анатомия с изюминкой

Химический состав костей

Кости состоят из органических и не органических (минеральных) веществ. Кость - это синтез, «сплав» органических и неорганических веществ. Первые сообщают ей гибкость (после обработки кислотой и выхода неорганики кость можно запросто завязать узлом), вторые, минеральные (неорганические)– прочность: бедренная кость выдерживает осевую (продольную) нагрузку, равную весу «Волги».

К известным минеральным веществам принадлежит фосфор, магний, натрий и кальций. Они делают кость твердой и составляют почти 70% всей костной массы. Кости обладают способностью передавать в кровь минеральные вещества.

Органические вещества делают кость упругой и эластичной и от всей костной массы составляют 30%.

Химический состав кости во многом определяется возрастом человека. В детском и подростковом возрасте преобладают органические вещества, в пожилом — преобладают неорганические. Также на химический состав кости оказывают сильное влияние:

1. общее состояние организма,
2. уровень физических нагрузок.

Кость - «кладовая» фосфора и кальция. Без этих элементов невозможна ни работа почек, ни сердца, ни других органов. И когда в пище этих элементов не хватает, расходуются костные запасы. Следовательно, тогда кости «идут в пищу» этим органам, естественно, прочность их при этом уменьшается, описаны даже случаи переломов у просто повернувшегося в постели старика, настолько хрупкими становятся кости.

От правильности нашего питания и образа жизни зависят не только работа сердца или мозга, но и состояние костной ткани, которая неоднородна по структуре. Снаружи она покрыта крепчайшим веществом наподобие зубной эмали, а внутри представляет собой костную «губку». Здесь в ней между твёрдыми «арками» — перекладинами «плавает» красный или жёлтый костный мозг: жёлтый - это жировая ткань, красный - ткань кроветворная. Именно в ней, внутри плоских костей (рёбер, грудины, черепа, лопаток, костей таза) создаются клетки красной крови. Что такое для нас кровь, объяснять не надо. Опять «спасибо» кости!

Строение костей человека

Строение кости на примере трубчатой (рисунок ниже).

7 — надкостница,

6 — костный желтый мозг,

5 — костномозговая полость,

4 — компактное вещество диафиза,

3 — губчатое вещество эпифиза,

2 — суставной хрящ,

1 — метафиз.

Покрыта кость соединительно-тканевой оболочкой, которая называется надкостницей. Надкостница выполняет костеобразующую, защитную и трофическую функцию.

В состав наружного костного слоя входят коллагеновые волокна. Они придают кости прочность. Здесь же находятся кровеносные сосуды и нервы.

Внутренний костный слой - это костная ткань. В состав кости входит несколько видов тканей (костная, хрящевая и соединительная), однако костная ткань преобладает больше всего.

Состоит костная ткань из:

1. клеток (остеоцитов, остеокластов и остеобластов),
2. межклеточного вещества (основное вещество и коллагеновые волокна).

Здесь расположены клетки, с помощью которых в кости происходит рост и развитие. В толщину костный рост происходит при помощи деления клеток внутри надкостницы, а в длину - в результате клеточного деления хрящевых пластинок, которые находятся на конце костей. Рост кости зависит от гормонов роста. Костный рост продолжается до 25 лет. А замена костного старого вещества на новое, происходит всю жизнь человека. Чем сильнее на скелет нагрузка, тем быстрее происходят процессы костного обновления. Тем самым костное вещество становится прочнее.

Кость человека достаточно пластичный орган, который под действием различных факторов (внешних или внутренних) постоянно перестраивается. Так например при длительном лежачем положении во время болезни или сидячем образе жизни, когда действие мышц на кости уменьшается, — происходит перестройка как в плотном так и губчатом веществе кости. В результате чего кости истончаются и ослабевают.

Виды костей

Известно 5 групп костей:

I — воздухоносная (решетчатая) кость

II — длинная (трубчатая) кость

III — плоская кость

IV — губчатые (короткие) кости

V — смешанная кость

Воздухоносная кость

К воздухоносным относят следующие кости черепа: лобная кость, клиновидная, верхняя челюсть и решетчатая. Их особенность, является наличие заполненной воздухом полости.

Трубчатые кости

Трубчатые кости находятся в скелетном отделе, где происходят с большой амплитудой движения. Трубчатые кости бывают длинными и короткими. В предплечье, бедре, плече и голени находятся длинные кости. А короткие - в дистальной части фаланг пальцев. Состоит трубчатая кость из эпифиза и диафиза. Внутренняя часть диафиза наполнена костным мозгом желтого цвета, а эпифиз-костным мозгом красного цвета. Трубчатые кости очень прочные и могут выдержать любую физическую нагрузку.

Губчатые кости

Они бывают длинными и короткими. Из длинных губчатых костей состоит грудина и ребра. А из коротких- позвонки. Состоит вся кость из губчатого вещества.

Плоские кости

Плоские кости состоят из 2 пластинок костного компактного вещества. Между этими пластинами находится губчатое вещество. Из плоских костей состоит крыша черепа и грудина. Плоские кости выполняют функцию защиты.

Смешанные кости

Смешанные кости находятся в основании черепа. Они состоят из нескольких частей и выполняют различные функции.

Заболевания костей

Кость - это не камень, она - живая, она имеет свою разветвлённую нервную и сосудистую систему, и вместе с кровью в неё может попасть инфекция, вызвав остеомиелит - воспаление костного мозга и самой кости. Микробы вызывают повреждение стенок мельчайших кровеносных капилляров и их тромбоз - закупоривание (это всё равно, как на ручье поставить плотину: всё, что ниже её, высыхает и умирает).

Этот процесс приводит к тому, что часть губчатого вещества, получавшего питание из данной капиллярной сети, отмирает и частично рассасывается гноем - «адской» смесью погибших клеток крови с «осколками» погибших микробов. Накапливающийся гной быстро «выжигает» собой в кости полость, в которой, как тающий сахар, лежит частично «рассосанный» им костный фрагмент (секвестр), и движется дальше по пути наименьшего сопротивления, расплавляя всё впереди себя.

Но полость кости имеет границы. И гной, накопившийся в её замкнутом пространстве, ожесточённо «прогрызает» себе дорогу, ищет выход, вызывая этой своей деятельностью мучительные боли в поражённой кости: ноющие, распирающие, пульсирующие. К тому же остеомиелит, как любой гнойник, вызывает повышение температуры до 40 °C, озноб, жар, головную боль, тошноту и даже рвоту. Такому больному, ясно, не до еды и не до сна.

Кратковременное облегчение наступает, когда гной, наконец, «просверлит» кость, и, выйдя на её поверхность, заполнит собой межмышечные пространства, предварительно отслоив и расплавив надкостницу. Между мышцами свободного места, конечно, больше, но вот гной заполняет и его, заполняет туго (образуется флегмона). И тогда он начинает «простукивать» стены новой своей «темницы», ища слабое место. Боли возобновляются с новой силой. И, наконец, гной изнутри расплавляет кожу и вырывается на её поверхность.

Как учили врачи древности: где гной, там должен быть разрез. Так оно и получается: либо вскрытие гнойника делает хирург, либо больной доводит дело до самовскрытия полости в кости. Это благоприятный исход: кость очищается от инфекции, структура её восстанавливается, свищ (канал, что проложен гноем) зарастает.

Но возможен и другой вариант: инфекция «консервируется» в кости и ждёт своего часа. Пьянство, истощение, душевные потрясения и прочие причины приводят к обострению (хронического теперь уже) остеомиелита, и драма повторяется вновь и вновь. Здесь уже требуется частое выскабливание кости «добела» и всё равно гарантии полного излечения нет.

Итак, мы рассмотрели лишь один вариант поражения костей - остеомиелит. А ведь существует ещё великое множество других болезней: и туберкулёз, и сифилис, и ревматизм костей и суставов. Каковы же меры по защите костей?

• предотвращение переломов: если падаете, падайте «кулем», не думайте, что испачкается пальто. Или, падая, старайтесь присесть и «скататься» в шар, как ёжик.
• наблюдение за зубами.

Почему - за зубами? Потому что это единственные «кости», «торчащие» наружу и доступны обозрению. Хотя на самом деле зубы костями не являются, по их состоянию можно судить о «самочувствии» описанной системы. Пример? Сначала у детей и взрослых от избытка сладкого чернеют и крошатся зубы, потом развиваются ожирение и диабет, и скоро ослабленный таким «режимом» организм готов сдаться (и сдаётся) любой поселившейся в нём заразе (остеомиелит ведь приходит изнутри).

Говорят: маленькая неправда рождает большую ложь. Не лгите своему телу, будьте честны с ним, и оно всегда ответит благодарностью за проявленную заботу.

Типы костных соединений

В человеческом скелете имеется три типа костного соединения:

Неподвижное . Соединение происходит путем срастания костей. Соединяются кости черепа при помощи различных выступов одной из кости, входящей соответствующей формой в углубление другой. Это соединение называется костным швом. Он дает хорошую прочность соединениям костей черепа, которые защищают мозг.

Полуподвижное . Между собой кости соединяются хрящевыми прокладками, которые обладают эластичностью и упругостью. К примеру, хрящевые прокладки, находящиеся между позвонками, позвоночник делают гибким.

Подвижное соединение . Как правило, это суставы. В одной из сочлененных костей расположена суставная впадина, в которую помещается головка от другой кости. Головка и впадина подходят друг другу по размеру и по форме. Вся их поверхность покрыта гладким хрящом. Суставные кости близко соприкасаются между собой, и имеют прочные внутрисуставные связки из соединительной ткани. Вся костная поверхность находится в суставной сумке. В ней также имеется слизистая жидкость, которая выполняет роль смазки и уменьшает трение между впадиной одной кости и головкой другой кости. К примеру, это тазобедренный и плечевой сустав.

Костные ткани — специализированный тип соединитель­ной ткани с высокой минерализацией межклеточного веще­ства. Из этих тканей построены кости скелета.

Характеристика клеток и межклеточного вещества.

Костные ткани состоят из:

А. Клеток:

1) Остеоциты – преобладающие по количеству клетки костной ткани, утратившие способность к делению. Они имеют отростчатую форму, бедны органеллами. Располага­ются в костных полостях, или лакунах, которые повторяют контуры остеоцита. Отростки остеоцита проникают в ка­нальцы кости и играют роль в ее трофике.

2) Остео­бласты – молодые клетки, создающие костную ткань. В кости они встречаются в глубоких слоях надкост­ницы, в местах образования и регенерации костной ткани. Эти клетки бывают различной формы (кубической, пира­ми­дальной или угловатой), содержат одно ядро, а в цитоплазме хорошо развитую гранулярную эндоплазматическую сеть, митохондрии и комплекс Гольджи.

3) Остеокласты – клетки, способные разрушить обыз­вествленный хрящ и кость. Они имеют крупные размеры (диаметр их достигает 90 мкм), содержат от 3 до нескольких десятков ядер. Цитоплазма слабобазофильна, богата мито­хондриями и лизосомами. Гранулярная эндоплазматическая сеть развита относительно слабо.

Б. Межклеточного вещества, состоящего из:

основного вещества , где содержится относительно не­большое количество хондроитинсерной кислоты и много ли­монной и других кислот, образующих комплексы с кальцием (аморфный фосфат кальция, кристаллы гидроксиапатита).

коллагеновых волокон , образующих не­большие пучки.

В зависимости от расположения коллагеновых волокон в межклеточном веществе костные ткани классифициру­ются на:

1. Ретикулофиброзную костную ткань.

2. Пластинчатую костную ткань. костных пластинок

Ретикулофиброзная костная ткань.

В ней коллаге­новые волокна имеют беспорядочное расположение. Такая ткань встречается главным образом у зародышей. У взрос­лых ее можно обнаружить на месте черепных швов и в мес­тах прикрепления сухожилий к костям.

Строение пластинчатой костной ткани на примере диафиза трубчатой кости.

Это наиболее рас­пространенная разновидность костной ткани во взрослом ор­ганизме. Она состоит из костных пластинок , образованных костными клетками и минерализованным аморфным вещест­вом с коллагеновыми волокнами, ориентирован­ными в опре­деленном направлении. В соседних пластинках волок­на обычно имеют разное направление, благодаря чему достига­ется большая прочность пластинчатой костной ткани. Из этой ткани построены компактное и губчатое вещество большинства плоских и трубчатых костей скелета.

Кость как орган.

Кость – самостоятельный орган, состоит из тканей, главная – костная.

Гистологическое строение трубчатой кости

Она состоит из эпифизов и диафиза. С наружи диафиз покрыт надкостницей, или периостом (рис. 6-3). В надкост­нице разли­чают два слоя: наружный (волокнистый) – образо­ван в основном волокнистой соедини­тельной тканью и внут­ренний (клеточ­ный) – содержит клетки остеобласты. Через надкостницу проходят питающие кость сосуды и нервы, а также под разными углами проникают коллагеновые во­локна, которые получили название прободающих во­локон. Чаще всего эти волокна разветвляются только в наружном слое об­щих пластинок. Надкостница связывает кость с окру­жающими тканями и принимает участие в ее трофике, разви­тии, росте и регенерации.

Компактное вещество, образующее диафиз кости, со­стоит из костных пластинок, располагающихся в опре­делен­ном порядке, образуя три слоя:

наружный слой общих пластинок . В нем пластинки не об­разуют полных колец вокруг диафиза кости. В этом слое залегают прободающие каналы, по которым из надкостницы внутрь кости входят сосуды.

средний , остеонный слой — образо­ван концентрически на­слоенными вокруг сосудов кост­ными пластинками. Такие структуры называются остеонами , а пластинки, их обра­зующие — остеонные пластинки . Остеоны являются струк­турной единицей компактного вещества трубчатой кости. Каждый остеон отграничен от соседних остеонов так назы­ваемой спайной линией. В цент­ральном канале остеона про­ходят кровеносные сосуды с сопровож­дающей их соедини­тельной тканью. Все остеоны в основном расположены па­раллельно длинной оси кости. Каналы остеонов анастомози­руют друг с другом. Сосуды, расположенные в каналах ос­теонов, сообщаются друг с другом, с сосудами костного мозга и надкостницы. Кроме пластинок остеонов в этом слое располагаются также вста­вочные пластинки (остатки ста­рых разрушенных остеонов), которые лежат между остео­нами.

внутренний слой общих пластинок хорошо развит толь­ко там, где компактное вещество кости непосредственно граничит с костномозговой полостью.

Изнутри компактное вещество диафиза покрыто эндо­стом, имеющем такое же строение, как и периост.

Рис. 6-3. Строение трубчатой кости. А. Надкостница. Б. Компакное вещество кости. В. Эндост. Г. Костномозговая полость. 1. Наружный слой общих пластинок. 2. Остеонный слой. 3. Остеон. 4. Канал остеона. 5. Вставочные пластинки. 6. Внутренний слой общих пластинок. 7. Костная трабекула губчатой ткани. 8. Волокнистый слой надкостницы. 9. Кровеносные сосуды надкостницы. 10. Прободающий канал. 11. Остеоциты. (Схема по В. Г. Елисееву, Ю. И. Афанасьеву).

Клетки костной ткани (кости):

* остеобласты,

* остеоциты,

* остеокласты.

Основными клетками в сформированной костной ткани являются остеоциты. Это клетки отростчатой формы с крупным ядром и слабовыраженной цитоплазмой (клетки ядерного типа). Тела клеток локализуются в костных полостях - лакунах, а отростки - в костных канальцах. Многочисленные костные канальцы, анастомозируя между собой, пронизывают всю костную ткань, сообщаясь с периваскулярными пространствами, и образуют дренажную систему костной ткани. В этой дренажной системе содержится тканевая жидкость, посредством которой обеспечивается обмен веществ не только между клетками и тканевой жидкостью, но и межклеточным веществом. Для ультраструктурной организации остеоцитов характерно наличие в цитоплазме слабовыраженной зернистой эндоплазматической сети, небольшого числа митохондрий и лизосомы, центриоли отсутствуют. В ядре преобладает гетерохроматин. Все эти данные свидетельствуют о том, что остеоциты обладают незначительной функциональной активностью, которая заключается в поддержании обмена веществ между клетками и межклеточным веществом. Остеоциты являются дефинитивными формами клеток и не делятся. Образуются они из остеобластов.

Остеобласты содержатся только в развивающейся костной ткани. В сформированной костной ткани (кости) они отсутствуют, но содержатся обычно в неактивной форме в надкостнице. В развивающейся костной ткани они охватывают по периферии каждую костную пластинку, плотно прилегая друг к другу, образуя подобие эпителиального пласта. Форма таких активно функционирующих клеток может быть кубической, призматической, угловатой. В цитоплазме остеобластов содержится хорошо развитая зернистая эндоплазматическая сеть и пластинчатый комплекс Гольджи, много митохондрий. Такая ультраструктурная организация свидетельствует о том, что эти клетки являются синтезирующими и секретирующими.

Действительно, остеобласты синтезируют белок коллаген и гликозоаминогликаны, которые затем выделяют в межклеточное пространство. За счет этих компонентов формируется органический матрикс костной ткани. Затем эти же клетки обеспечивают минерализацию межклеточного вещества посредством выделения солей кальция. Постепенно, выделяя межклеточное вещество, они как бы замуровываются и превращаются в остеоциты. При этом внутриклеточные органеллы в значительной степени редуцируются, синтетическая и секреторная активность снижается и сохраняется функциональная активность, свойственная остеоцитам. Остеобласты, локализующиеся в камбиальном слое надкостницы, находятся в неактивном состоянии, синтетические и транспортные органеллы слабо развиты. При раздражении этих клеток (в случае травм, переломов костей и так далее) в цитоплазме быстро развивается зернистая эндоплазматическая сеть и пластинчатый комплекс, происходит активный синтез и выделение коллагена и гликозоаминогликанов, формирование органического матрикса (костная мозоль), а затем и формирование дефинитивной костной ткани (кости). Таким способом за счет деятельности остеобластов надкостницы, происходит регенерация костей при их повреждении.

Отеокласты - костеразрушающие клетки, в сформированной костной ткани отсутствуют. Но содержатся в надкостнице и в местах разрушения и перестройки костной ткани. Поскольку в онтогенезе непрерывно осуществляются локальные процессы перестройки костной ткани, то в этих местах обязательно присутствуют и остеокласты. В процессе эмбрионального остеогистогенеза эти клетки играют важную роль и определяются в большом количестве.

Остеокласты имеют характерную морфологию:

* эти клетки являются многоядерными (3-5 и более ядер);

* это довольно крупные клетки (диаметром около 90 мкм);

* они имеют характерную форму - клетка имеет овальную форму, но часть ее, прилежащая к костной ткани, является плоской.

При этом в плоской части выделяют две зоны:

* центральная часть - гофрированная, содержит многочисленные складки и островки;

* периферическая (прозрачная) часть тесно соприкасается с костной тканью.

В цитоплазме клетки, под ядрами, располагаются многочисленные лизосомы и вакуоли разной величины. Функциональная активность остеокласта проявляется следующим образом: в центральной (гофрированной) зоне основания клетки из цитоплазмы выделяются угольная кислота и протеолитические ферменты. Выделяющаяся угольная кислота вызывает деминерализацию костной ткани, а протеолитические ферменты разрушают органический матрикс межклеточного вещества. Фрагменты коллагеновых волокон фагоцитируются остеокластами и разрушаются внутриклеточно. Посредством этих механизмов происходит резорбция (разрушение) костной ткани и потому остеокласты обычно локализуются в углублениях костной ткани. После разрушения костной ткани за счет деятельности остеобластов, выселяющихся из соединительной ткани сосудов, происходит построение новой костной ткани.

Межклеточное вещество костной ткани состоит из:

* основного вещества

* и волокон, в которых содержатся соли кальция.

Волокна состоят из коллагена I типа и складываются в пучки, которые могут располагаться параллельно (упорядочено) или неупорядочено, на основании чего и строится гистологическая классификация костных тканей.

Основное вещество костной ткани, как и других разновидностей соединительных тканей, состоит из:

* гликозоаминогликанов

* и протеогликанов.

Однако химический состав этих веществ отличается. В частности в костной ткани содержится меньше хондроитинсерных кислот, но больше лимонной и других кислот, которые образуют комплексы с солями кальция. В процессе развития костной ткани вначале образуется органический матрикс-основное вещество и коллагеновые (оссеиновые, коллаген II типа) волокна, а затем уже в них откладываются соли кальция (главным образом фосфорнокислые). Соли кальция образуют кристаллы гидроксиаппатита, откладывающиеся как в аморфном веществе, так и в волокнах, но небольшая часть солей откладывается аморфно. Обеспечивая прочность костей, фосфорнокислые соли кальция одновременно являются депо кальция и фосфора в организме. Поэтому костная ткань принимает участие в минеральном обмене.

К сведению в организме (литературные данные):

1. От 208 до 214 индивидуальных костей.

2. Нативная кость состоит из 50% неорганического материала, 25% органических веществ и 25% воды, связанной с коллагеном и протеогликанами.

3. 90% органики составляет коллаген типа 1 и только 10% другие органические молекулы (гликопротеин остеокальцин, остеонектин, остеопонтин, костный сиалопротеин и другие пртеогликаны).

4. Костные компоненты представлены: органическим матриксом - 20-40%, неорганическими минералами – 50-70%, клеточными элементами 5-10% и жирами – 3%.

5. Макроскопически скелет состоит из двух компонентов – компактная или кортикальная кость; и сетчатая или губчатая кость.

6. В среднем вес скелета составляет 5 кг (вес сильно зависит от возраста, пола, строения тела и роста).

7. Во взрослом организме на долю кортикальной кости приходится 4 кг, т.е. 80% (в скелетной системе), тогда как губчатая кость составляет 20% и весит в среднем 1 кг.

8. Весь объем скелетной массы у взрослого человека составляет примерно 0.0014 м³ (1400000 мм³) или 1400 см³ (1.4 литра).

9. Поверхность кости представлена периостальной и эндостальной поверхностями – суммарно порядка 11,5 м² (11500000 мм²).

10. Периостальная поверхность покрывает весь внешний периметр кости и составляет 4.4% грубо 0,5 м² (500000 мм²) всей поверхности кости.

11. Внутренняя (эндостальная) поверхность состоит из трех составляющих – 1) внутрикортикальная поверхность (поверхность Гаверсовых каналов), которая составляет 30.4% или грубо 3,5 м² (3500000 мм²); 2) поверхность внутренней стороны кортикальной кости порядка 4.4% или грубо 0,5 м² (500000 мм²) и 3) поверхность трабекулярного компонента губчатой кости 60.8% или грубо 7 м² (7000000 мм²).

12. Губчатая кость 1 гр. в среднем имеет поверхность 70 см² (70000 см²: 1000 гр.), тогда как кортикальная кость 1 гр. имеет порядка 11.25 см² [(0.5+3.5+0.5) х 10000 см²: 4000 гр.], т.е. в 6 раз меньше. По мнению других авторов это соотношение может составлять 10 к 1.

13. Обычно при нормальном обмене веществ 0.6% кортикальной и 1.2% губчатой костной поверхности подвергается разрушению (резорбции) и, соответственно, 3% кортикальной и 6% губчатой костной поверхности вовлечены в формирование новой костной ткани. Остальная костная ткань (более 93% её поверхности) находится в состоянии отдыха или покоя.

Статья предоставлена ООО "Конектбиофарм"

43693 0

Скелет метаболически активен и постоянно обновляется, и оба процесса регулируются местными и системными факторами. Среди основных функций скелета выделяют структурные (опора, передвижение, дыхание и защита внутренних органов) и метаболические (хранилище для кальция, фосфора и карбоната; карбонатный костный буфер, связывание токсинов и тяжелых металлов). Тесная структурная связь с гемопоэтической системой определяет совместное использование клеток и локальных регулирующих факторов.

При нормальном развитии скелета уже в эмбриональном периоде хрящевая ткань замещается более твердой костной тканью (новообразование кости или моделирование). После рождения рост скелета продолжается, но основная клеточная активность направлена на ремоделирование кости, т.е. перестройку уже имеющейся структуры кости. Вновь сформированная на ранних стадиях равития из мезенхимы кость и кость, образующаяся во время быстрого восстановления, могут иметь относительно дезорганизованную структуру коллагеновых волокон в матриксе. Такая кость называется "тканой" (woven) костью. В то же время все другие кости закладываются организованным способом с последовательными слоями хорошо организованного коллагена и называется пластинчатой костью.

Типы костной ткани .

У взрослого человека различают 2 главных типа кости (рисунок 1):

1. Кортикальная кость (плотная и компактная) составляет внешнюю часть всех скелетных структур. На поперечном срезе компактной кости можно видеть, что она состоит из многочисленных цилиндров, образованных концентрическими костными пластинками, в центре каждого такого цилиндра имеется гаверсов канал, вместе с которым он составляет гаверсову систему или остеон. Через каждый гаверсов канал проходят одна артерия, вена, лимфатический сосуд и нервные волокна. До 80 % скелета состоит из кортикальной кости, главной функцией которой является обеспечение механической силы и защиты, но она может участвовать и в метаболическом ответе при тяжелом или длительном минеральном дефиците.

2. Трабекулярная или губчатая кость находится внутри длинных костей, особенно в концевых частях, в телах позвонков и во внутренних частях таза и в других крупных плоских костях. Она представляет собой сеть из тонких анастомозирующих костных элементов, называемых трабекулами. В ее основном веществе содержится меньше неорганического материала (60-65 %), чем в основном веществе компактной кости. Органическое вещество состоит главным образом из коллагеновых волокон. Пространства между трабекулами заполнены мягким костным мозгом. Трабекулярная кость обеспечивает механическую поддержку, особенно в позвоночнике. Метаболически она более активна, чем кортикальная кость и обеспечивает начальные поставки солей в условиях их острого дефицита.



Рисунок 1. Анатомия кости.

Состав кости .

Кость - это обызвествленная соединительная ткань, состоящая из клеток, погруженных в твердое основное вещество. Около 30 % основного вещества составляют органические соединения, преимущественно в форме коллагеновых волокон, а остальные 70 % - неорганические. Главный неорганический компонент кости представлен гидроксиапатитом, т.е. 3 Ca(OH)2, образованным из кальция и фосфата; но в кости также содержатся в различных количествах натрий, магний, калий, хлор, фтор, карбонат и цитрат.

Костный матрикс .

Органический матрикс в свою очередь состоит из коллагеновых волокон (90-95 %) и основного вещества, которое контролирует отложение солей в кость. Костные соли представлены преимущественно кальцием и фосфатом. Коллагеновые волокна дают кости прочность на разрыв, а соли основного вещества - прочность на сжатие. Коллаген откладывается пластинчатым способом и усилен множественными поперечными связями ("прошивками") внутри и между трехспиральными молекулами коллагена (рисунок 2). Эти поперечные связи представляют собой трехвалентные пиридинолины, которые стойки к деградации и высвобождаются во время резорбции кости в свободной или пептидной форме и могут определяться в сыворотке и моче.




Рисунок 2. Схема коллагеновых поперечных связей в кости. Адаптировано из Eyre D.R., 1996.

Матрикс содержит также неколлагеновые белки, которые важны для регуляции минерализации и укрепления основы коллагена. Кальцийсвязывающие белки включают остеокальцин (костный Gla-протеин) и матриксный Gla-протеин, которые содержат γ-карбоксиглютаминовую кислоту и витамин К зависимы подобно многим факторам свертывающей системы крови. Эти белки могут задерживать минерализацию и позволяют созреть костному матриксу. Даже при том, что остеокальцин является наиболее специфическим белковым продуктом остеобластов, подавление гена остеокальцина не ухудшает рост и минерализацию скелета. Костный сиалопротеин и остеопонтин связываются с кальцием и коллагеном и могут играть роль в процессе прилипания остеокластов к поверхности кости. Неорганическая основа кости представлена кристаллами гидроксиапатита. Эти кристаллы могут содержать карбонат, фторид и различные другие минералы в следовых количествах в зависимости от окружающей среды.

Соли фосфата кальция в костях находятся в 2 формах:

1. Легко обмениваемый пул, который находится в равновесии с внеклеточной жидкостью. Этот запас обеспечивает легкий обмен между костями и внеклеточной жидкостью. Таким образом, если концентрация Ca или фосфата во внеклеточной жидкости увеличивается, соли легко откладываются или, если эти концентрации снижаются, тогда соли легко мобилизуются из этого запаса.

2. Старая структурная кость, где соли фосфата кальция находятся в виде кристаллов гидроксиапатита. Эти кристаллы с трудом мобилизуются или обмениваются с внеклеточной жидкостью и для их мобилизации - резорбции необходим паратгормон.

Клетки костной ткани .

Костные клетки - остеоциты, находятся в лакунах, распределенных по всему основному веществу. Лакуны соединяются между собой тонкими канальцами, содержащими отростки остеоцитов. Через эти канальцы проходят кровеносные сосуды. От каждой лакуны отходит наподобие лучей много тонких канальцев, содержащих цитоплазму (отростки остеоцитов), которые могут соединяться с центральным гаверсовым каналом, с другими лакунами или тянуться от одной костной пластинки к другой.

Остеобласты.

Остеобласты образуются из мезенхимальных стволовых клеток, изначально плюрипотентных, которые могут также дифференцироваться в клетки мышечной, хрящевой и фиброзной ткани, а также в адипоциты. Вероятно имеются клетки предшественники, которые могут далее дифференцироваться только в остеобласты. Эти клетки предшественники остеобластов присутствуют в надкостнице и строме костного мозга.

Как только продукция остеобластами коллагеновых и неколлагеновых белков завершается, некоторые остеобласты внедряются в толщу матрикса и становятся остеоцитами. Остеобласты и остеоциты соединяются друг с другом многими клеточными отростками, которые лежат в канальцах в пределах кости. Этот синцитий взаимосвязанных клеток вероятно важен для ощущения механических сил. Большинство остеобластов либо остается на поверхности кости и рассредоточивается в виде расплющенных клеток, либо подвергается запрограммированной клеточной смерти (апоптозу). Остеобласты сохраняют соединения с остеоцитами, которые могут быть необходимы для передачи сигналов активации во время ремоделирования.

Остеобласты функционально и морфологически гетерогенны. Они имеют рецепторы для факторов (ПТГ, кальцитриол, глюкокортикоиды, половые гормоны, соматотропин и тиреотропин, интерлейкин-1, фактор некроза опухоли альфа, простагландины, инсулиноподобные факторы роста, трансформирующий фактор роста бета, факторы роста фибробластов), которые влияют на ремоделирование кости, и сами продуцируют много регуляторов роста кости.




Рисунок 3. Клетки костной ткани. Адаптировано из Афанасьев Ю.И., Елисеев В.Г., 1989.

Остеокласты.

Остеокласты - это крупные многоядерные клетки, которые резорбируют кость, растворяя соли и разрушая матрикс. Активные остеокласты обычно имеют от 2 до 5 ядер, но могут иметь и больше. Они богаты цитоплазмой, имеют множество аппаратов Гольджи и много митохондрий и лизосом. Активно резорбирующие остеокласты крепко прикреплены к кости зоной мембраны, которая относительно лишена субклеточных частиц. Эта область называется "чистой" зоной, хотя лучший термин - зона "изолирования"; так как она как бы герметизирует область действия ферментов. Вторая (внутренняя) зона - наиболее обширная, богатая цитоплазматическими выростами (гофрированная каемка), является областью абсорбции и секреции гидролитических ферментов, где имеет место резорбция кости. В том месте, где остеокласт соприкасается с костным веществом, образуется лакуна. Часто наблюдаются группы остеокластов, которые либо располагаются на поверхности лакун Хоушипа, либо образуют туннели в кортикальной кости, формируя гаверсовы каналы. Продолжительность жизни остеокластов может составлять от 3 до 4 недель, затем они теряют ядро апоптозом и становятся неактивными. Остеокласты связаны с моноцитарно-макрофагальными клетками и образуются из гранулоцит - макрофагальных колониеобразующих единиц. Макрофагальный колониестимулирующий фактор необходим для начала дифференциации остеокластов. Клетки предшественники остеокластов присутствуют в костном мозге, селезенке, и в небольшом количестве в циркуляции. Во время развития предшественники остеокластов вероятно мигрируют в кость из экстрамедуллярных участков гемопоэза.

Ремоделирование кости .

В костной ткани в течение всей жизни человека происходят взаимосвязанные процессы разрушения и созидания, объединяемые термином ремоделирование костной ткани. Цикл ремоделирования кости начинается с активации, опосредованной клетками остеобластного происхождения (рисунок 15). Активация может включать остеоциты, "обкладочные клетки" (отдыхающие остеобласты на поверхности кости), и преостеобласты в костном мозге. Точно ответственные клетки остеобластного происхождения не были полностью определены. Эти клетки подвергаются изменениям формы и секретируют коллагеназу и другие ферменты, которые лизируют белки на поверхности кости; они также выделяют фактор, который назван остеокласт дифференцирующим фактором (ОДФ). Последующий цикл ремоделирования состоит из трех фаз: резорбция, реверсия и формирование (рисунок 4).




Рисунок 4. Схема ремоделирования кости. Адаптировано из Raisz L.G., 1999.

Резорбция кости .

Резорбция костной ткани связана с активностью остеокластов, которые являются фагоцитами для кости. Энзимы из остеокластов растворяют органический матрикс, а кислоты растворяют костные соли. Остеокласты регулируются ПТГ; увеличение ПТГ вызывает увеличение количества и активности остеокластов, и таким образом, увеличение костной резорбции; снижение ПТГ производит обратный эффект. Постоянный обмен костных солей обеспечивает ремоделирование кости для поддержания прочности ее на протяжении жизни. Остеокластическая резорбция per se может начинаться с миграции частично дифференцированных мононуклеарных преостеобластов к поверхности кости, которые затем сливаются с образованием крупных многоядерных остеокластов, которые требуются для резорбции кости. Остеокласты удаляют минералы и матрикс до ограниченной глубины на трабекулярной поверхности или в пределах кортикальной кости; в результате пластинки остеона разрушаются и на его месте образуется полость. Пока неясно, что останавливает этот процесс, но вероятно могут вовлекаться высокие местные концентрации кальция или веществ, высвобождаемых из матрикса.

Реверсия кости .

После завершения остеокластической резорбции имеется фаза реверсии, во время которой мононуклеарные клетки (МК), возможно моноцитарно/макрофагального происхождения, появляются на поверхности кости. Эти клетки готовят поверхность для новых остеобластов, чтобы начать образование кости (остеогенез). Слой богатого гликопротеидами вещества откладывается на резорбированной поверхности, так называемая "цементирующая линия", к которой могут приклеиваться новые остеобласты. Остеопонтин может быть ключевым белком в этом процессе. Клетки на месте реверсирования могут также обеспечивать сигналы для дифференциации и миграции остеобластов.

Образование кости .

Фаза формирования продолжается до полного замещения резорбированной кости и пока полностью не сформируется новая костная структурная единица. Когда эта фаза завершена, поверхность покрывается сглаженными выравнивающими клетками, и имеется длительный период отдыха с небольшой клеточной деятельностью на поверхности кости, пока новый цикл ремоделирования не начинается. Основные этапы образования кости представлены ниже:

Шаги кальцификации кости.

- Остеокласты секретируют молекулы коллагена и основного вещества.

- Молекулы коллагена образуют коллагеновые волокна, называемые остеоидом.

- Остеобласты секретируют энзим - щелочную фосфатазу (ЩФ), которая увеличивает локальную концентрацию фосфата, активирует коллагеновые волокна, вызывая отложение солей фосфата кальция.

- Соли фосфата кальция преципитируют на коллагеновых волокнах и окончательно становятся кристаллами гидроксиапатита.

Стадии цикла моделирования имеют различную продолжительность. Резорбция вероятно продолжается приблизительно две недели. Фаза реверсии может длиться до четырех или пяти недель, в то время как фаза формирования может продолжаться в течение четырех месяцев до тех пор пока новая структурная единица полностью не сформируется.

Регуляция функции костных клеток .

В норме процессы отложения и резорбции солей находятся в равновесии, и костная масса остается постоянной. Обычно процессы ремоделирования оккупируют 10-15 % поверхности кости. ПТГ является одним из важнейших факторов, влияющих на количество участков ремоделирования и может увеличивать оборот кости в 7-10 раз, увеличивая поверхность ремоделирования до 100 % всей поверхности кости.

Существует как системная, так и местная регуляция функции костной клетки. Главные системные регуляторы - кальций регулирующие гормоны, ПТГ и кальцитриол; в меньшей степени кальцитонин. Другие системные гормоны также оказывают влияние на скелет, особенно соматотропин, глюкокортикоиды, гормоны щитовидной железы и половые гормоны. Более того, некоторые факторы, такие как ИПФР, имеют, и системные и местные эффекты, а другие имеют главным образом или исключительно местные эффекты, особенно простагландины, ТФР-БЕТА, отдельные морфогенные белки, и цитокины.

Паратгормон (ПТГ) - наиболее важный регулятор гомеостаза кальция. Он поддерживает сывороточную концентрацию кальция, стимулируя резорбцию кости остеокластами, увеличивая почечную канальцевую реабсорбцию кальция, и увеличивая почечную продукцию кальцитриола. ПТГ также стимулирует экспрессию генов и увеличивает производство нескольких местных факторов, включая ИЛ-6, ИФР-1 и ИФР-связывающегоглобулина, IGF-BP-5, и простагландинов.

Кальцитриол - увеличивает кишечную абсорбцию кальция и фосфатов, таким образом поддерживая минерализацию кости. В высоких концентрациях, при условиях дефицита кальция и фосфора, он также стимулирует резорбцию кости, таким образом помогая поддерживать поставку этих ионов к другим тканям. Кальцитриол стимулирует остеокластогенез в культурах клеток, но животные, испытывающие недостаток витамина Д, имеют относительно нормальный рост костей и ремоделирование во время своего развития.

Кальцитонин - ингибирует остеокласты и поэтому резорбцию костей в фармакологических дозах. Однако, его физиологическая роль минимальна. Его эффекты являются преходящими, вероятно из-за сниженной регуляции рецепторов. В результате, он только кратковременно эффективен для коррекции гиперкальцемии из-за чрезмерной резорбции кости.

Соматотропин и ИФР - Системы Ст/ИФР-1 и ИФР-2 важны для роста скелета, особенно роста конечной пластинки хряща и эндохондрального остеогенеза. Действия ИФР определяются в частности наличием различных IGF-BP: IGF-BP-3 - главная детерминанта сывороточных концентраций ИФР, в то время как IGF-BP-5 может облегчать, а IGF-BP-4 может ингибировать локальные действия ИФР.

Глюкокортикоиды - имеют и стимулирующие, и подавляющие эффекты на клетки кости. Они важны для дифференцировки остеобластов, и они сенсибилизируют костные клетки к регуляторам ремоделирования кости, включая ИФР-1 и ПТГ. Ингибиция остеогенеза - главная причина индуцированного глюкокортикоидами остеопороза. Гормоны щитовидной железы - стимулируют и резорбцию, и формирование кости.

Таким образом, оборот кости увеличивается при гипертиреозе и могут происходить потери кости.

Половые гормоны - оказывают глубокое влияние на кость. Эстрогены влияют на развитие скелета как у мужчин, так и у женщин. В позднем пубертатном периоде эстрогены уменьшают оборот кости, ингибируя резорбцию кости; они необходимы для эпифизарного закрытия у юношей и девушек. Таким образом, мужчины с генетической потерей эстрогеновых рецепторов или фермента ароматазы, который преобразует андрогены в эстрогены, имеют задержку развития кости и остеопороз, и запаздывание эпифизарного закрытия. Многие местные факторы также находятся под влиянием эстрогенов, включая цитокины и простагландины. Андрогены могут стимулировать остеогенез как прямо, так и посредством их влияния на примыкающие мышечные ткани.

Цитокины - Как описано выше, цитокины, продуцируемые костными клетками и прилегающими гематопоэтическими и сосудистыми клетками, имеют множественные регулирующие эффекты на скелет. Многие из этих факторов вовлечены в потери кости, связанные с овариэктомией у грызунов. Регулирование может происходить в результате изменяющегося производства агонистов и изменений рецепторов или связывающих белков (антагонисты рецептора) для этих факторов.

Другие - Множество других факторов играет важную роль в метаболизме кости:

- Простагландины, лейкотриены и окись азота могут быть важны в быстрых ответах клеток кости на воспаление и механические силы. Простагландины имеют бифазные эффекты на резорбцию и образование кости, но доминирующими эффектами in vivo является стимуляция. Образование простагландинов может увеличиваться под влиянием нагрузки и воспалительных цитокинов. Окись азота может ингибировать функцию остеокластов, в то время как лейкотриены стимулируют резорбцию кости.

- ТФР-бета и семейство костных морфогенных белков, состоящее, по крайней мере, из десяти белков, которые продуцируются множеством различных клеток, и которые оказывают множественное влияние на рост и развитие. ТФР-бета может регулироваться эстрадиолом и может замедлять резорбцию кости и стимулировать остеогенез. Костные морфогенный белок - 2 и другие члены этого семейства увеличивают дифференциацию остеобластов и остеогенез, когда вводятся подкожно или внутримышечно.

Факторы роста фибробластов - другое семейство белков, вовлеченных в развитие скелета. Мутации рецепторов для этих факторов приводят к патологическим скелетным фенотипам, таким как ахондроплазия. В костной ткани образуются другие факторы роста, такие как эндотелиальный фактор роста, который может играть роль в ремоделировании кости.



Лашутин С.В., 27.05.01 г.