Неорганічні речовини кісткової тканини. анатомія. Кістки та їх сполуки. Будова та класифікація кісток

Хімічні компоненти кісткової тканини

Кісткову тканину відносять до дуже щільної спеціалізованої сполучної тканини і поділяють на грубоволокнисту та пластинчасту. Грубоволокниста кісткова тканина добре представлена ​​у зародків, а у дорослих вона зустрічається лише в місцях прикріплення сухожиль до кісток та зарослих швів черепа. Пластинчаста кісткова тканина складає основу більшості трубчастих та плоских кісток.

Кісткова тканина виконує в організмі життєво важливі функції:

1.Опорно-рухова функція визначається біохімічним складом органічної та неорганічної фази кісток, їх архітектонікою та рухомим зчленуванням у систему важелів.

2.Захисна функція кісток полягає у формуванні каналів і порожнин для головного, спинного та кісткового мозку, а також для внутрішніх органів (серце, легені та ін.).

3.Кровотворна функція заснована на тому, що участь у механізмах кровотворення приймає вся кістка, а не лише кістковий мозок.

4.Депонування мінералів та регуляція мінерального обміну: у кістках зосереджено до 99 % кальцію, понад 85 % фосфору та до 60 % магнію організму.

5.Буферна функція кістки забезпечується її здатністю легко віддавати та приймати іони з метою стабілізації іонного складу внутрішнього середовища організму та підтримки кислотно-основної рівноваги.

Кісткова тканина, як і інші види сполучної тканини, складається з клітин та позаклітинної речовини. У ній представлені три основні види клітин – остеобласти, остеокласти та остеоцити. Позаклітинна речовина у своїй основі містить органічну матрицю, структуровану мінеральною фазою. Міцні волокна колагену I типу у кістки стійкі до розтягування, а кристали мінеральних речовин стійкі до стиснення. При вимочуванні кістки у розведених розчинах кислот її мінеральні компоненти вимиваються, і залишається гнучкий, м'який, напівпрозорий органічний компонент, що зберігає форму кістки.

Мінеральна частина кістки

Особливістю хімічного складу кісткової тканини є високий вміст мінеральних компонентів. Неорганічні речовини становлять лише близько 1/4-1/3 об'єму кістки, а решта об'єму займає органічний матрикс. Проте питомі маси органічних і неорганічних компонентів кістки різні, у середньому частку нерозчинних мінералів припадає половина маси кістки, а щільних її частинах ще більше.

Функції мінеральної фази кісткової тканини є частиною функцій всієї кістки. Мінеральні компоненти:

1) складають кістяк кістки,

2) надають форму та твердість кістки,

3) надають міцність захисним кістковим каркасам для органів та тканин,

4) є депо мінеральних речовин організму.

Мінеральна частина кістки складається головним чином із фосфатів кальцію. Крім того, вона включає карбонати, фториди, гідроксиди та цитрати. До складу кісток входить більша частина Mg 2+ , близько чверті всього Na + організму та невелика частина К + . Кристали кістки складаються з гідроксіапатитів - Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 . Кристали мають форму пластинок або паличок розмірами 8-15/20-40/200-400 Ǻ. Внаслідок особливостей неорганічної кристалічної структури гнучкість кістки подібна до пружності бетону. Детально характеристика мінеральної фази кістки та особливості мінералізації представлені далі.

Органічний матрикс кістки

Органічний матрикс кістки на 90% складається з колагену, решта представлена неколагеновимибілками та протеогліканами.

Колагенові фібрили кісткового матриксу утворені колагеном I типу, що входить також до складу сухожиль і шкіри. Протеоглікани кістки представлені в основному хондроїтинсульфатомякий дуже важливий для обміну речовин кісткової тканини. Він утворює з білками основну речовину кістки та важливий в обміні Са2+. Іони кальцію зв'язуються з сульфатними групами хондроїтинсульфату, який здатний до активного іонного обміну, оскільки є поліаніоном. За його деградації порушується зв'язування Са 2+ .

Білки матриксу, специфічні для кісткової тканини

Остеокальцин (молекулярна маса 5,8 кДа) є тільки в кістках і зубах, де є переважним білком і вивчений найбільш добре. Це невелика (49 амінокислотних залишків) білкова структура неколагенової природи,звана також кістковим глутаміновим білком або gla-білком. Для синтезу остеобластам необхідний вітамін К (філлохінон або менахінон). У молекулі остеокальцину виявлено три залишки γ-карбоксиглутамінової кислоти, що говорить про здатність зв'язувати кальцій. Справді, цей білок міцно пов'язані з гидроксиапатитом і бере участь у регуляції зростання кристалів рахунок зв'язування Са 2+ у кістках і зубах. Синтезований включно чается в позаклітинний простір кістки, алечастина його попадует у кровотік, де може бути проаналізована. Високий рівень паратгормону (ПТГ)інгібує активність остеобластів, що продукуютьостеокальцин, і знижує його вміст у кістковій тканині та крові. Синтез остеокальцину керується вітаміном Д 3 що вказує на зв'язок білка з мобілізацією кальцію. Порушення обміну цього білка викликають порушення функції кісткової тканини. З кісткової тканини виділено ряд аналогічних білків, які названі «білки, подібні до остеокальцину».

Кістковий сіалопротеїн (Молекулярна маса 59 кДа) знайдений тільки в кістках. Він відрізняється високим вмістом сіалових кислот, містить трипептид АРГ-ГЛІ-АСП, типовий для білків, що мають здатність зв'язуватися з клітинами і отримали назву «інтегрини» (інтегральні білки плазматичних мембран, що відіграють роль рецепторів для білків міжклітинного матриксу). Надалі було встановлено, що зв'язування сіалопротеїну з клітинами здійснюється через спеціальний рецептор, який містить послідовність з 10 ГЛУ, що надає йому кальцій-зв'язувальні властивості.

Близько половини залишків СЕР цього білка з'єднані з фосфатом, тому його можна вважати фосфопротеїном. Функція білка остаточно неясна, але він тісно пов'язані з клітинами і апатитом. Вважають, що білок включається в анаболічну фазу утворення кісткової тканини. Синтез білка гальмується активною формою вітаміну Д та стимулюється речовиною гормональної природи – дексаметазоном. Кістковий сіалопротеїн має властивість вибірково пов'язувати стафілокок.

Остеопонтин (молекулярна маса 32,6 кДа) – ще один аніонний білок матриксу кістки з властивостями, подібними до кісткового сіалопротеїну, але з нижчим вмістом вуглеводів. Він містить відрізки негативно заряджених АСП, фосфорильований СЕР, містить трипептид АРГ-ГЛИ-АСП, локалізований в ділянці для специфічного зв'язування з інтегринами. Синтез остеопонтину стимулює вітамін Д, що відрізняє його від кісткового сіалопротеїну. Цей білок знайдено у світлій зоні остеокластів, пов'язаної з мінеральним компонентом. Зазначені факти наводять на думку, що остеопонтин бере участь у залученні попередників остеокластів і зв'язуванні їх з мінеральним матриксом. На користь цієї гіпотези свідчить і те, що остеокласти мають велику кількість інтегринових рецепторів, які можуть зв'язуватися з остеопонтином. Крім кісткової тканини остеопонтин виявлено у дистальних канальцях нирок, плаценті, ЦНС.

Кістковий кислий глікопротеїн (молекулярна маса 75 кДа) ізольований з мінералізованого матриксу кісткової тканини, містить багато сіалових кислот та фосфату. У кістковій тканині він бере участь у процесах мінералізації разом з багатьма іншими кислими білками, багатими на фосфат.

Остеонектин (Молекулярна маса 43 кДа). Цей білок має Са-зв'язуючий домен і кілька ділянок, багатих на ГЛУ. Домен не містить γ-карбокси-глутамінової кислоти, хоча й нагадує за структурою білки, що беруть участь у згортанні крові. Остеонектин зв'язується з колагеном та апатитом. Цей білок широко представлений у тканинах. Можливо, він синтезується в будь-якій зростаючій тканині.

Тромбоспондін (Молекулярна маса 150 кДа). Білок широко поширений в організмі, виділений із тромбоцитів та виявлений у кістках. Складається із трьох субодиниць, має послідовність АРГ-ГЛІ-АСП, що дозволяє йому зв'язуватися з поверхнями клітин. Він зв'язується з іншими білками кісткової тканини.

Моделювання та ремоделювання кістки

Кістка при всій її твердості схильна до змін. Весь її щільний позаклітинний матрикс пронизаний каналами та порожнинами, заповненими клітинами, які становлять близько 15% ваги компактної кістки. Клітини беруть участь у безперервному процесі перебудови кісткової тканини. Процеси моделювання та ремоделювання забезпечують постійне оновлення кісток, а також модифікацію їх форми та структури.

Моделювання називають утворення нової кістки, не пов'язане з попередньою деструкцією старої кісткової тканини. Моделювання має місце в основному в дитячому віці і призводить до зміни архітектури тіла, тоді як у дорослих – адаптивної модифікації цієї архітектури у відповідь на механічні впливи. Цей процес відповідальний також за поступове збільшення розмірів хребців у зрілому віці.

Мал. 23.Процеси кісткового ремоделювання (за Bartl)

Ремоделирование є домінуючим процесом у скелеті дорослих і супроводжується зміною структури скелета, оскільки у разі відбувається лише заміна окремої ділянки старої кістки на нову ( рис. 23). Таке оновлення кістки сприяє збереженню її механічних властивостей. Ремоделювання піддається від 2 до 10% скелета на рік. Паратгормон, тироксин, гормон росту та кальцитріол підвищують швидкість ремоделювання, тоді як кальцитонін, естрогени та глюкокортикоїди знижують її. До стимулюючих факторів відносяться виникнення мікротріщин та певною мірою механічні впливи.

Механізми утворення кісткової тканини

Кістковий матрикс регулярно оновлюється ( рис. 23). Освіта кістки – складний процес за участю багатьох компонентів. Клітини мезенхімального походження – фібробласти та остеобласти – синтезують та виділяють у навколишнє середовище фібрили колагену, які проникають у матрикс, що складається з глікозаміногліканів та протеогліканів.

Мінеральні компоненти надходять із навколишньої рідини, яка «пересичена» цими солями. Спочатку відбувається нуклеація, тобто. утворення поверхні з ядрами кристалізації, де вже може легко відбуватися формування кристалічної решітки. Утворення кристалів мінерального кістяка кістки запускає колаген. Електронномікроскопічні дослідження показали, що формування кристалічних ґрат з мінералів починається в зонах, що знаходяться в регулярних проміжках, що виникають між волокнами колагенових фібрил при їх зрушенні на ¼ довжини. Потім перші кристали стають центрами нуклеації для тотального відкладення гідроксіапатиту між колагеновими волокнами.

Активні остеобласти продукують остеокальцин, що є специфічним маркером кісткового ремоделювання. Маючи γ-карбоксиглутамінову кислоту, остеокальцин з'єднаний з гідроксіапатитом і зв'язує Са2+ у кістках та зубах. Потрапляючи у кров, він піддається швидкому розщепленню на фрагменти різної довжини ( рис. 25), які виявляють методами імуноферментного аналізу. У цьому випадку розпізнаються специфічні ділянки N-MID та N-кінцевого фрагментів остеокальцину, тому С-кінцеву ділянку виявляють незалежно від ступеня розщеплення молекули поліпептиду.

Формування кістки відбувається лише в безпосередній близькості від остеобластів, причому мінералізація починається в хрящі, що складається з колагену, зануреного в протеоглікановий матрикс. Протеоглікани підвищують розтяжність колагенової мережі та збільшують ступінь її набухання. У міру зростання кристали витісняють протеоглікани, які деградують під впливом лізосомальних гідролазів. Витіснюється також вода. Щільна, повністю мінералізована кістка практично зневоднена. Колаген становить у ній 20% за масою.

Мал. 25.Циркулюючі фрагменти остеокальцину (цифри – порядковий номер амінокислот у пептидному ланцюзі)

Мінералізація кісткихарактеризується взаємодією 3 факторів.

1). Місцеве підвищення концентрації іонів фосфату. У процесі окостеніння велику роль грає лужна фосфатаза, яка міститься як в остеобластах, так і в остеокластах. Лужна фосфатаза бере участь в утворенні основної органічної речовини кістки та мінералізації. Одним із механізмів її дії є локальне збільшення концентрації іонів фосфору до точки насичення, за яким йдуть процеси фіксації кальцій-фосфорних солей на органічній матриці кістки. При відновленні кісткової тканини після переломів вміст лужної фосфатази у кістковій мозолі різко збільшується. При порушенні кісткоутворення зменшується вміст та активність лужної фосфатази в кістках, плазмі та інших тканинах. При рахіті, що характеризується збільшенням кількості остеобластів та недостатнім звапнінням основної речовини, вміст та активність лужної фосфатази у плазмі крові збільшуються.

2). Адсорбція іонів Са 2+. Встановлено, що включення Са 2+ у кістки є активним процесом. Це виразно доводиться тим, що живі кістки сприймають Са 2+ інтенсивніше, ніж стронцій. Після смерті такої вибірковості вже немає. Виборча здатність кістки по відношенню до кальцію залежить від температури і проявляється лише за 37 про С.

3). Зсув рН. У процесі мінералізації має значення рН. При підвищенні рН кісткової тканини фосфат кальцію швидше відкладається у кістки. У кістки є відносно велика кількість цитрату (близько 1%), який впливає на підтримку рН.

Процеси розпаду кістки

У процесі руйнування матриксу кістки колаген I типу розщеплюється, та його невеликі фрагменти надходять у кров'яне русло. Пиридинолінові зшивки, С- та N-телопептиди з поперечними зшивками та специфічні амінокислоти виводяться із сечею. Кількісний аналіз продуктів деградації колагену І типу дозволяє оцінювати швидкість кісткової резорбції. Найбільш високоспецифічні маркери кісткової резорбції – пептидні фрагменти колагену-I.

Відщеплення С-телопептиду відбувається на початковому етапі деградації колагену. Внаслідок цього інші метаболіти колагену практично не впливають на його концентрацію у сироватці крові. Продукти розщеплення С-телопептиду колагену I типу складаються з двох октапептидів, представлених у β-формі та пов'язаних поперечною зшивкою (ці структури називають β-Crosslaps). Вони потрапляють у кров, де їх кількість визначають шляхом імуноферментного аналізу. У новоствореній кістці кінцеві лінійні послідовності октапептидів містять α-аспарагінову кислоту, але в міру старіння кістки α-аспарагінова кислота ізомеризується в β-форму. моноклональні антитіла, що використовуються в аналізі, специфічно розпізнають октапептиди, що містять саме β-аспарагінову кислоту ( рис. 26).

Мал. 26.Специфічні β-октапептиди у складі С-телопептиду колагену

Розрізняють маркери формування та резорбції кістки, що характеризують функції остеобластів та остеокластів ( табл.).

Таблиця.Біохімічні маркери метаболізму кісткової тканини

Маркери утворення кістки	Маркери резорбції кістки
плазма: остеокальцин, загальна та специфічна кісткова лужна фосфатаза, проколагенові С- та N-пептиди	плазма: тартрат-резистентна кисла фосфатаза, пірі.динолін та дезоксипіридинолін, продукти деградації колагену I типу (N - та С-телопептиди); сеча: піридинолін та дезоксипіридинолін, продукти деградації колагену.І типу – N - і С-телопептиди, кальцій тагідроксипролін натще і глікозиди гідроксилізину

Біохімічні маркери дають інформацію про патогенез захворювань скелета та про швидкість ремоделювання. Вони можуть використовуватися для контролю ефективності лікування в короткі терміни та ідентифікувати хворих із швидкою втратою кісткової маси. Біохімічні маркери вимірюють усереднену швидкість ремоделювання всього скелета, а чи не окремих його областей.

Старіння кісток.У підлітковому та юнацькому віці кісткова масапостійно збільшується та досягаємаксимуму до 30-40 років. Як правило, загальна кісткова маса у жінокменше, ніж у чоловіків, як наслідок меншого обсягу кісток; алещільність кісткової тканини в осіб обох статей однакова.З віком і у чоловіків, і у жінок починається втратакісткової маси, проте динаміка цього процесу відрізняєтьсязалежно від статі. Приблизно з 50-річного віку в осібобох статей кісткова маса лінійно знижується на 0,5-1,0% на рік. З біохімічної точки зору, склад та баланс органічного та мінерального компонентів кісткової тканини не змінюються, а поступово знижується його кількість.

Патологія кісткової тканини.У нормі кількість новоутвореної кісткової тканиниеквівалентно кількості зруйнованої.Внаслідок порушень процесів мінералізації кістки може виникнути надмірне накопичення органічного матриксу – остеомаляція. Внаслідок неправильного утворення органічного матриксу та зниження його звапніння може формуватися інший тип дизостеогенезу – остеопороз. І в першому, і в другому випадку порушення в обміні кісткової тканини позначаються на стані тканин зуба та альвеолярного відростка щелепної кістки.

Остеомаляція - Розм'якшення кісток внаслідок порушення утворення органічного матриксу та часткового розсмоктування мінералів кісткової тканини. В основі патології: 1) синтез надлишкових кількостей остеоїду при ремоделюванні кістки; 2) зниження мінералізації (вимивання мінеральної фази з кістки). На захворювання впливають тривала нерухомість, погане харчування, особливо недостатність аскорбату та вітаміну Д, а також порушення метаболізму вітаміну Д та дефект кишкових або інших рецепторів до кальцитріолу, кальцитоніну.

Остеопороз - Це загальна дистрофія кісткової тканини, заснована на втраті частини як органічних, так і неорганічних компонентів. П при остеопорозі руйнація кістки не компенсується їїформуванням, баланс цих процесів стаєнегативним. Остеопороз часто виникає при нестачі вітаміну С, поганому харчуванні, тривалій нерухомості.

Остеопороз є системним захворюванням кісток і включає не лише втрату кісткової маси, а й порушення кісткової мікроархітектоніки, що призводить до збільшення крихкості кісток та підвищеного ризику переломів. Для остеопорозу характерно зменшення кісткових перекладин в одиниці об'єму кістки, стоншення та повне розсмоктування частини цих елементів без зменшення розмірів кістки:

Мал. 27.Зміна структури кістки при остеопорозі (за Н. Fleish)

Регуляція остеогенезу кістки та щільних тканин зуба білками

У кістковій тканині, різновидом якої є дентин та цемент зуба, міститься до 1% білків, що регулюють остеогенез. До них відносяться морфогени, мітогени, фактори хемотаксису та хемоатракції. В основному це кісткові білки, але деякі з них мають значення при побудові зубних тканин.

Морфогени - це глікопротеїни, що виділяються з кісткової тканини, що руйнується і діють на поліпотентні клітини, викликаючи їх диференціювання в потрібному напрямку.

Найважливіший з них – морфогенетичний білок кістки, Що складається з чотирьох субодиниць із загальною молекулярною масою 75,5 кДа. Остеогенез під впливом цього білка протікає по енхондральному типу, тобто. спочатку утворюється хрящ, та був із нього кістку. Цей протеїн отриманий у чистому вигляді та застосовується при поганій регенерації кістки.

Виділено, але мало вивчено фактор Тільманназ молекулярною масою 500-1000 кДа, що швидко викликає інтрамембранозний остеогенез (без утворення хряща), але у малому обсязі. Так розвивається кістка нижньої щелепи.

З дентину також отримано морфогенетичний фактор білок, що стимулює зростання дентину. У емалі морфогенів виявлено.

Мітогени (найчастіше глікофосфопротеїни) діють на переддиференційовані клітини, що зберегли здатність до поділу, збільшують їхню мітотичну активність. В основі біохімічного механізму дії є ініціація реплікації ДНК. З кістки виділено кілька таких факторів: кістково-екстрагований фактор росту, фактор росту скелета. У дентині та емалі мітогенів поки не виявлено.

Фактори хемотаксису та хемоатракції – це глікопротеїни, що визначають рух та прикріплення новостворених структур під дією морфо- та мітогенів. Найбільш відомі з них: фібронектин, остеонектин та остеокальцин. За рахунок фібронектина здійснюється взаємодія між клітинами та субстратами, цей білок сприяє прикріпленню тканини ясен до щелепи. Остеонектин, як продукт остеобластів, визначає міграцію преостеобластів і фіксацію апатитів на колагені, тобто за його допомогою відбувається зв'язування мінерального компонента з колагеном. Остеокальцин- Білок, що маркує ділянки кістки, які повинні зазнавати розпаду (резорбції). Його присутність у старій ділянці кістки (до якого повинен прикріплюватися остеокласт для руйнування даної ділянки) сприяє хемотаксису остеокластів у це місце. Цей протеїн містить γ-карбоксиглутамінову кислоту і є вітамін К-залежним. Отже, остеокальцин належить до групи про gla -білків, є ініціаторами мінералізації і створюють ядра кристалізації. У емалі аналогічні функції виконують амелогеніни.

Морфогени, мітогени, фактори хемотаксису та хемоатракції виконують важливу біологічну функцію, поєднуючи процес деструкції та новоутворення тканини. Руйнуючись, клітини виділяють в середу, де ці чинники викликають освіту нових ділянок тканин, впливаючи різні стадії диференціювання клітин-попередників.

Виявлено сполуки, що називаються кейлонами , дія яких протилежна впливу морфо- та мітогенів. Вони міцно зв'язуються з морфо-мітогенами і перешкоджають регенерації кістки. У зв'язку з цим виникає важлива проблема розробки прийомів регулювання синтезу морфо-, мітогенів, факторів хемотаксису.

Відомо, що синтез морфогенів кістки стимулюється активними формами вітаміну Д (кальцитріолами) та тирокальцитоніном, а пригнічується глюкокортикостероїдами та статевими гормонами. Отже, зниження продукції статевих гормонів у період клімаксу, а також застосування глюкокортикостероїдів зменшують регенераційні можливості кістки та сприяють розвитку остеопорозу. Ускладнення перебігу процесів зрощення (консолідації) переломів можливе у випадках, коли хворому вже проводили курс лікування глюкокортикостероїдами чи анаболическими стероїдами. Крім того, тривале використання анаболічних стероїдів може спровокувати перелом, оскільки активне зростання маси м'язів супроводжуватиметься зменшенням міцності скелета. Також необхідно відзначити, що швидкість та повнота заміщення дефекту кістки при кістковій пластику визначається кількістю морфогенів у підсадженій тканині. Тому, чим старший вік донора, тим менша ймовірність успішного заміщення дефекту. Кістка, взята у молодих донорів, заміщатиметься погано, якщо у них у найближчому анамнезі буде лікування глюкокортикостероїдами або анаболічними гормонами. Ці моменти біохімічної регуляції остеогенезу необхідно враховувати у практиці дентальної імплантології.

Вплив пірофосфату та біфосфонатів на резорбцію кістки

Пірофосфат (пірофосфорна кислота) – метаболіт, що утворюється під час ферментативних реакцій шляхом відщеплення від АТФ. Далі його гідролізує пірофосфатаза, тому в крові та сечі дуже мало пірофосфату. Однак у кістках пірофосфат (як представник поліфосфатів) зв'язується з кристалами гідроксіапатиту, обмежуючи їх надмірно активне зростання типу ектопічної кальцифікації.

Будова пірофосфату ( А) та біфосфонатів( Б), що використовуються в лікуванні остеопорозу

Бісфосфонати мають високу структурну подібність із пірофосфатом, але їхзв'язок Р-С-Р дуже стабільна і стійка до розщеплення, на відміну від зв'язку Р-О-Рпірофосфате. Подібно до пірофосфату, біфосфонати мають негативні заряди (перехід ВІН → О – ) і легко зв'язуються з іонами Са 2+ на поверхні кристалів гідроксіапатиту.

Спорідненість до кальцію посилюєтьсяприсутністю груп -ВІН на місці - R 1 . Через війну зупиняється як зростання кристалів, а й їх розчинення, тому резорбція кістки припиняється. Антирезорбтивні властивостібіфосфонатів посилюються рахунок впливу на остеокласти, якщо на місці - R 2 розташований ароматичний гетероцикл, що включає 1-2 атоми азоту. Нагромаджуючись у кислому середовищі зони резорбції кістки,біфосфонати проникають в остеокласт (основний механізм – ендоцитоз), вбудовуються на кшталт пірофосфату в ферменти, АТФ та перешкоджають їх нормальному функціонуванню, що призводить до порушення метаболізму, енергетичного обміну клітини, а потім до її загибелі. Зниження кількості остеокластів сприяє зменшенню їхнього резорбтивного впливу щодо кісткової тканини. Різні заступники R 1 та R 2 ініціюють появу додаткових побічних ефектів у біфосфонатів.

Фосфати кальцію – основа мінерального компонента міжклітинного матриксу

Ортофосфати кальцію – солі триосновної фосфорної кислоти. В організмі виявляються іони фосфату (PO 4 3 – ) та їх одно- та двозаміщені форми (H 2 PO 4 – та HPO 4 2 – ). Всі фосфорнокислі солі кальцію є білі порошки, які слаборозчинні або нерозчинні у воді, але розчиняються в розведених кислотах. До складу тканин зубів, кісток та дентину входять солі HPO 4 2 – або PO 4 3– . У зубних каменях зустрічаються пірофосфати. У розчинах іон пірофосфату має суттєвий ефект на кристалізацію деяких ортофосфатів кальцію. Вважають, що цей ефект є важливим для контролю величини кристалів у кістках, що містять невеликі кількості пірофосфатів.

Природні форми фосфатів кальцію

Вітлокіт - Одна з форм безводного фосфату трикальцій фосфату - βСа 3 (PO 4) 2 . Вітлокіт містить дивалентні іони (Mg 2 + Mn 2+ або Fe 2+), які входять до складу кристалічних ґрат, наприклад, (СаMg ) 3 (РО 4) 2 . Близько 10% фосфату в ньому знаходиться у формі HPO 4 2 – . В організмі мінерал трапляється рідко. Він утворює ромбічні кристали, які виявляються у складі зубного каміння та в зонах каріозного пошкодження емалі.

Монетит (CaHPO 4) та кидає (CaHPO 4 ·2H 2 O) – вторинні солі фосфорної кислоти. Також рідко трапляються в організмі. Брошує виявлений у складі дентину, зубного каміння.Монетит кристалізується у формі трикутних платівок, але іноді бувають палички та призми. Кристали брушиту мають клиноподібну форму. Розчинність кристалів монетиту залежить від рН та швидко збільшується при рН нижче 6,0. Розчинність брушита в цих умовах також збільшується, але ще більшою мірою. При нагріванні кидає перетворюється на монетит. При тривалому зберіганні обидва мінерали гідролізуються в гідроксіапатит Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2 .

Відповідно, поряд з монокальційфосфатом у складі аморфних солей кістки, зуба, зубного каменюзустрічаються проміжні гідратні ді-, три-, тетракальційфосфати . Крім того, тут є кальцій-пірофосфату дигідрат . Аморфна фаза кістки є мобільним депо мінералів в організмі.

Октакальцій фосфат Ca 8 (HPO 4) 2 (PO 4) 4 · 5H 2 O, його формулу зображують також у вигляді Са 8 Н 2 (РО 4) 6 · 5Н 2 О. Він являє собою головну і останню проміжну зв'язуючу ланку між кислими фосфатами - монетитом і брушитом, і основною сіллю гідроксиапатитом. Подібно до брушиту і апатиту він входить до складу кістки, зуба, зубного каміння. Як видно з формули, октакальцій фосфат містить кислий фосфатний іон, але не має гідроксильних. Вміст води в ньому коливається в широких межах, але частіше 5H2O. За своєю структурою він нагадує кристали апатиту, має шарувату будову з чергуванням шарів солі товщиною 1,1 нм та шарів води товщиною 0,8 нм. Враховуючи тісний зв'язок із апатитами, він відіграє важливу роль у нуклеації апатитних солей. Кристали октакальцій фосфату ростуть у формі тонких пластин до 250 мкм завдовжки. Подібно до монетиту і брушиту октакальцій фосфат нестабільний у воді, але саме він найбільш легко гідролізується в апатит, особливо в теплому лужному розчині. Низькі концентрації фтору (20-100 мкг/л) різко прискорюють швидкість гідролізу, отже іони F – необхідні відкладення апатитів у щільних тканинах.

Апатити . Апатити мають загальну формулу Ca 10 (PO 4) 6 X 2 де X - це найчастіше OH – або F – . Фторапатити Ca 10 (PO 4) 6 F 2 широко поширені у природі, передусім, як ґрунтові мінерали. Їх використовують для отримання фосфору у промисловості. Гідроксиапатити Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2 переважають у тваринному світі. Вони є основною формою, в якій фосфати кальцію присутні в кістках та зубах. Гідроксіапатити утворюють дуже стабільну іонну решітку (температура плавлення більше 1600º С), іони в ній утримуються за рахунок електростатичних сил і тісно контактують між собою. Фосфат-іони РВ 4 3 – мають найбільші розміри, тому займають домінуюче місце в іонній решітці. Кожен фосфат-іон оточений 12-ма сусідніми іонами Са 2+ та ВІН – , з яких 6 іонів знаходяться в тому ж шарі іонної ґрат, де розташований іон РО 4 3 – , а в вище-і нижчих шарах іонної решітки розташовано ще по 3 іони. Ідеальний гідроксіапатит утворює кристали, які «на зрізі» мають гексагональну форму ( рис. 31). Кожен кристал покритий гідратною оболонкою, між кристалами є простори. Розміри кристалів гідроксіапатиту в дентині менші, ніж в емалі.

Мал. 31.Гексагональна модель кристалів гідроксіапатиту

Апатити є досить стійкими сполуками, але здатні обмінюватися з довкіллям. В результаті в ґратах кристалів гідроксіапатитів з'являються інші іони. Однак лише деякі іони можуть включатися до структури гідроксіапатитів. Переважним фактором, який визначає можливість заміни, є розмір атома. Схожість у зарядах має другорядне значення. Такий принцип заміни носить назву ізоморфного заміщення, під час якого підтримується загальний розподіл зарядів за принципом: Сa 10-х (HPO 4) х (PO 4) 6-х (OH ) 2-х, де 0<х<1. Потеря ионов Ca 2+ частично компенсируется потерей ионов OH – и присоединением ионов H + к фосфату.

Це призводить до зміни форми та розмірів кристалів, що відбивається на властивостях гідроксіапатитів. Реакції ізоморфного заміщення іонів суттєво впливають на міцність та зростання кристалів гідроксіапатиту та визначають інтенсивність процесів мінералізації твердих тканин зуба.

Таблиця 9.Замісні іони та заступники у складі гідроксіапатитів

Заміщувані іони	Заступники
Ca 2+	Mg 2+ , Sr 2+ , Na + , рідше: Ba 2+ , Pb 2+ , M про 2+ , Cr 2+ , K + , H 3 O + , 2Н +
PO 4 3–	НРО 4 2– , CO 3 2– , С 6 Н 3 Про 6 3– (цитрат), Н 2 РО 4 – , AsO 3 3–
OH –	F – , Cl – , Br – , J – ,рідше: H 2 O , CO 3 2– , Про 2

1. Заміщення іонів кальцію (Са 2+) на протони (Н+), іони гідроксонію (H 3O +), стронцію (Sr 2+), магнію (Mg 2+) та інші катіони.

У кислому середовищі іони кальцію заміщаються на протони за схемою:

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

Зрештою кислотна навантаження веде до руйнації кристалів.

Іони магнію можуть витісняти кальцій або вставати на вакантні місця у складі кристалів гідроксиапатиту з формуванням магнієвого апатиту :

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

Це заміщення характеризується зменшенням молярного коефіцієнта Са/Р і призводить до порушення структури та зниження резистентності кристалів гідроксиапатиту до несприятливих впливів фізичного та хімічного характеру.

Крім магнієвого апатиту в ротовій порожнині зустрічаються менш зрілі форми магнієвих мінералів: не вбере - Mg НРО 4 · 3Н 2 Про та струвит - Mg НРО 4 · 6Н 2 О. Внаслідок наявності іонів магнію в слині ці мінерали у невеликій кількості утворюються у складі зубного нальотуі далі в міру його мінералізації до стану каменюможуть дозрівати до апатитних форм.

Іони стронцію, аналогічно магнієвим, можуть витісняти кальцій або замінювати вакантні місця в кристалічній решітці гідроксіапатитів, утворюючи стронцієвий апатит :

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

Поступаючи в надмірній кількості, стронцій хоч і витісняє з кристалічних ґрат кальцій, але сам не утримується в ній, що призводить до порізності кісток. Цей ефект посилюється недоліком кальцію. Такі зміни характерні для хвороби Кашина-Бека («урівська хвороба»), яка вражає людей, переважно в ранньому дитинстві, що живуть у долині річки Урів Забайкальського краю, Амурської області та прилеглих провінціях Китаю. Страждання починається з болю у суглобах, потім виникає ураження кісткової тканини з розм'якшенням епіфізів, порушуються процеси окостеніння. Захворювання супроводжується короткопалістю. В ендемічних районах у ґрунті та воді міститься у 2,0 рази менше кальцію, у 1,5-2,0 рази більше стронцію, ніж у нормі. Існує й інша теорія патогенезу «рівівської хвороби», згідно з якою патологія розвивається внаслідок дисбалансу фосфатів та марганцю у навколишньому середовищі, що також характерне для цих районів. Цілком ймовірно, що обидві ці теорії доповнюють одна одну.

У місцевостях, забруднених радіонуклідами, несприятливий вплив стронцієвого апатиту на організм людини посилюється можливістю депонування радіоактивного стронцію.

2. Заміщення фосфат-іонів (РО 4 3–) на гідрофосфат-іони (НРО 4 2–) або на карбонат- та гідрокарбонат-іони (СО 3 2– та НСО 3 –).

Са 10 (РВ 4) 6 (ВІН) 2 + НРВ 4 2– → Са 10 (ВРВ 4)(РВ 4) 5 (ВІН) 2 + РВ 4 3–

Заряд катіонів кальцію у разі компенсується аніонами в повному обсязі (важливіше іонний радіус, а чи не заряд заступника). Подвійна заміна призводить до нестійкості іона Са 2+ він може залишити кристал:

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–

Заміщення на карбонат-іон призводить до утворення карбонатних апатитів і підвищує коефіцієнт Са/Р, проте кристали стають більш пухкими та крихкими.

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

Інтенсивність формування карбонат-апатитів залежить від загальної кількості бікарбонатів в організмі, харчового раціону та стресових навантажень.

Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + 3 НСО 3 – +3Н + → Са 10 (РО 4) 4 (СО 3) 3 (ВІН) 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 цілому, якщо основна сіль кальцію фосфату осідає при кімнатній температурі або температурі тіла в присутності іона карбонату або гідрокарбонату, то апатит, що утворюється, буде містити у своєму складі кілька відсотків карбонату або гідрокарбонату. Карбонат зменшує кристалічність апатиту і робить його більш аморфним. Така структура нагадує структуру апатитів кісток чи емалі. З віком кількість карбонат-апатити збільшується.

З вуглець-мінералів, що містять, крім карбонатного апатиту в порожнині рота зустрічаються гідрокарбонат кальцію Са(НСО 3) 2 та веде СаС 2 Про 4 · Н 2 Про як мінорний компонент зубного каменю.

3. Заміщення гідроксилу (ОН –) на фториди (F –), хлориди (Cl –) та інші іони:

У водному середовищі взаємодія іонів F – із гідроксіапатитом залежить від концентрації фтору. Якщо вміст фтору порівняно невисокий (до 500 мг/л), то відбуваються заміни і утворюються кристали гідроксифтор- або фторапатиту:

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

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

Гідроксифторапатит – Ca 10 (PO 4) 6 (OH )F – проміжний варіант між гідроксіапатитом та фторапатитом. Фторапатит - Ca 10 (PO 4) 6 F 2 - найбільш стабільний з усіх апатитів, температура плавлення 1680 º С. Кристали фторапатиту мають гексагональну форму: вісь a = 0,937 нм, вісь c = 0,688 нм. Щільність кристалів становить 3,2 г/см 3 .

Обидві реакції заміщення в кристалічній решітці іонів ВІН - на іони F - різко підвищують резистентність гідроксиапатитів до розчинення в кислому середовищі. Ця властивість гідроксифтор-і фторапатити розглядається як провідний фактор у профілактичній дії фторидів щодо карієсу. Так само, але значно менший ефект мають іони цинку, олова. Навпаки, у присутності іонів карбонату, цитрату розчинність кристалів апатитів підвищується:

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

Водночас високі концентрації іонів F – (більше 2 г/л) руйнують кристали апатитів:

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

Той, хто утворюється фторид кальцію - СаF 2 - нерозчинне з'єднання, може включатися до складу зубного нальоту та зубного каменю. Крім того, в цих умовах іони фтору зв'язуватимуть іони кальцію на поверхні зуба, перешкоджаючи їх проникненню в емаль.

У складі зубного каменю виявляється також восьмикальцієвий фторапатит Са 8 (РО 4) 6 F 2 цей вид мінералу формується поступово в міру старіння каменю.

Етапи обміну елементів кристалічних ґрат апатитів

Утворюючись у розчинах, кристали апатитів можуть змінюватися рахунок обміну з іонами, що у цьому розчині. У живих системах ця властивість апатитів робить їх високо чутливими до іонного складу крові та міжклітинної рідини, а він, у свою чергу, залежить від характеру їжі та складу споживаної води. Сам процес обміну елементів кристалічної решітки протікає кілька етапів, кожен із яких має власну швидкість.

Перший етаппротікає досить швидко – протягом кількох хвилин. Це обмін шляхом дифузії між гідратною оболонкою кристала і рухомою рідиною, в яку занурений кристал. Обмін веде до підвищення концентрації окремих іонів у безпосередній близькості кристала. У цьому етапі беруть участь багато іонів, різні за розмірами та властивостями.

На другому етапійде обмін між іонами гідратної оболонки та поверхнею кристалів. Тут відбувається відрив елементів з поверхні кристала та заміна їх на іони, що надходять із гідратної оболонки. У процес включаються переважно іони кальцію, магнію, стронцію, натрію, фосфорної та вугільної кислот, фтору, хлору, іноді інші приблизно рівні їм за розмірами іони. Багатьом іонам цей етап не під силу. Тривалість етапу – кілька годин.

На третьому етапівідбувається проникнення іонів углиб кристалічних ґрат. Це найповільніший процес, що триває тижні, місяці, іноді більше року. Етап проходить у формі ізоморфного заміщення чи заповнення вакантних місць. Головні тут – іони кальцію, магнію, фосфату, стронцію, фтору.

Здавалося б, що цікавого можна сказати про кістки? Кістка та кістка. Помиляєтесь, сказати є що.

Адже саме завдяки кістковому скелету людина, звірі, птахи, риби здатні ходити, літати та плавати. Якби не було його, вони, як черви або слимаки, були б бранцями земної поверхні: ні тобі стрибнути, ні на дерево влізти.

Далі, кістки черепа захищають мозок та органи почуттів, грудна клітка – грудні органи, а кістки таза – підтримують черевні начинки. Саме завдяки кісткам з прикріпленими до них м'язами утворюються замкнуті порожнини зі своїм «мікрокліматом», у якому єдино і можуть жити і нервові клітини, і скоротливі серцеві волокна, і ніжна ниркова тканина. За мільйони років еволюції людини кожна кістка набула своєї неповторної форми, єдино придатної для вирішення завдання, що стоїть перед нею. Або кінці її «одяглися» в товстий шар хряща для безперешкодного ковзання під час роботи суглоба, чи краю кісток (в черепі) утворили міцний шов (на кшталт застібки — «блискавки»). А ще в них утворилися канали для пропуску нервів та кровоносних судин, поверхня ж покрилася борозенками та горбками для прикріплення м'язів.

Кістка- Орган, що складається з декількох тканин (кісткової, хрящової і сполучної) і має власні судини та нерви. Кожна кістка має певні, властиві лише їй будову, форму, становище.

Кістки людини анатомія з родзинкою

Хімічний склад кісток

Кістки складаються з органічних та не органічних (мінеральних) речовин. Кістка - це синтез, «сплав» органічних та неорганічних речовин. Перші повідомляють їй гнучкість (після обробки кислотою і виходу неорганіки кістку можна запросто зав'язати вузлом), другі, мінеральні (неорганічні) – міцність: стегнова кістка витримує осьове (поздовжнє) навантаження, що дорівнює вазі «Волги».

До відомих мінеральних речовин належить фосфор, магній, натрій та кальцій. Вони роблять кістку твердою і становлять майже 70% усієї кісткової маси. Кістки мають здатність передавати в кров мінеральні речовини.

Органічні речовини роблять кістку пружною та еластичною і від усієї кісткової маси становлять 30%.

Хімічний склад кістки багато чому визначається віком людини. У дитячому та підлітковому віці переважають органічні речовини, у літньому – переважають неорганічні. Також на хімічний склад кістки мають сильний вплив:

1. загальний стан організму,
2. рівень фізичних навантажень.

Кістка - «комора» фосфору та кальцію. Без цих елементів неможлива робота нирок, ні серця, ні інших органів. І коли їжі цих елементів бракує, витрачаються кісткові запаси. Отже, тоді кістки «йдуть в їжу» цим органам, природно, міцність їх при цьому зменшується, описані навіть випадки переломів у старого, що просто повернувся в ліжку, настільки крихкими стають кістки.

Від правильності нашого харчування та способу життя залежать не лише робота серця чи мозку, а й стан кісткової тканини, яка неоднорідна за структурою. Зовні вона покрита міцною речовиною на зразок зубної емалі, а всередині є кістковою «губкою». Тут у ній між твердими «арками» — перекладинами «плаває» червоний чи жовтий кістковий мозок: жовтий – це жирова тканина, червоний – тканина кровотворна. Саме в ній усередині плоских кісток (ребер, грудини, черепа, лопаток, кісток таза) створюються клітини червоної крові. Що таке кров, пояснювати не треба. Знову «дякую» кістки!

Будова кісток людини

Будова кістки на прикладі трубчастої (рисунок нижче).

7 - окістя,

6 - кістковий жовтий мозок,

5 - кістковомозкова порожнина,

4 - компактна речовина діафіза,

3 - губчаста речовина епіфіза,

2 - суглобовий хрящ,

1 - метафіз.

Покрита кістка сполучно-тканинною оболонкою, яка називається окістям. Окістя виконує костеутворюючу, захисну та трофічну функцію.

До складу зовнішнього кісткового шару входять колагенові волокна. Вони надають кістки міцність. Тут же знаходяться кровоносні судини та нерви.

Внутрішній кістковий шар – це кісткова тканина. До складу кістки входить кілька видів тканин (кісткова, хрящова та сполучна), проте кісткова тканина переважає найбільше.

Складається кісткова тканина з:

1. клітин (остеоцитів, остеокластів та остеобластів),
2. міжклітинної речовини (основна речовина та колагенові волокна).

Тут розташовані клітини, за допомогою яких у кістки відбувається зростання та розвиток. У товщину кісткове зростання відбувається за допомогою поділу клітин усередині окістя, а в довжину - в результаті клітинного поділу хрящових пластинок, що знаходяться на кінці кісток. Зростання кістки залежить від гормонів росту. Кісткове зростання триває до 25 років. А заміна кісткової старої речовини на нову відбувається все життя людини. Чим сильніше на скелет навантаження, то швидше відбуваються процеси кісткового оновлення. Тим самим кісткова речовина стає міцнішою.

Кістка людини досить пластичний орган, який під впливом різних чинників (зовнішніх чи внутрішніх) постійно перебудовується. Так наприклад при тривалому лежачому положенні під час хвороби або сидячому способі життя, коли дія м'язів на кістки зменшується, відбувається перебудова як в щільній так і губчастій речовині кістки. В результаті чого кістки стоншуються і слабшають.

Види кісток

Відомо 5 груп кісток:

I - повітроносна (решітчаста) кістка

II - довга (трубчаста) кістка

III - плоска кістка

IV - губчасті (короткі) кістки

V - змішана кістка

Повітроносна кістка

До повітроносних відносять такі кістки черепа: лобова кістка, клиноподібна, верхня щелепа і гратчаста. Їх особливість є наявність заповненої повітрям порожнини.

Трубчасті кістки

Трубчасті кістки знаходяться у скелетному відділі, де відбуваються з великою амплітудою руху. Трубчасті кістки бувають довгими та короткими. У передпліччі, стегні, плечі та гомілки знаходяться довгі кістки. А короткі – у дистальній частині фаланг пальців. Складається трубчаста кістка з епіфіза та діафіза. Внутрішня частина діафізу наповнена кістковим мозком жовтого кольору, а епіфіз-кістковим мозком червоного кольору. Трубчасті кістки дуже міцні та можуть витримати будь-яке фізичне навантаження.

Губчасті кістки

Вони бувають довгими та короткими. З довгих губчастих кісток складається грудина та ребра. А з коротких-хребці. Складається вся кістка із губчастої речовини.

Плоскі кістки

Плоскі кістки складаються з 2 пластинок компактної кісткової речовини. Між цими пластинами знаходиться губчаста речовина. З плоских кісток складається дах черепа та грудина. Плоскі кістки виконують функцію захисту.

Змішані кістки

Змішані кістки знаходяться в основі черепа. Вони складаються з кількох частин та виконують різні функції.

Захворювання кісток

Кістка - це не камінь, вона - жива, вона має свою розгалужену нервову та судинну систему, і разом з кров'ю до неї може потрапити інфекція, викликавши остеомієліт - запалення кісткового мозку та самої кістки. Мікроби викликають пошкодження стін найдрібніших кровоносних капілярів та їх тромбоз - закупорювання (це все одно, як на струмку поставити греблю: все, що нижче за неї, висихає і вмирає).

Цей процес призводить до того, що частина губчастої речовини, що отримувала харчування з цієї капілярної мережі, відмирає і частково розсмоктується гноєм - «пекельною» сумішшю загиблих клітин крові з «уламками» загиблих мікробів. Гній, що накопичується, швидко «випалює» собою в кістки порожнину, в якій, як цукор, що тане, лежить частково «розсмоктаний» ним кістковий фрагмент (секвестр), і рухається далі шляхом найменшого опору, розплавляючи все попереду себе.

Але порожнина кістки має межі. І гній, що накопичився в її замкнутому просторі, запекло «прогризає» собі дорогу, шукає вихід, викликаючи цією своєю діяльністю болісний біль у враженій кістці: ниючий, розпираючий, пульсуючий. До того ж остеомієліт, як і будь-який гнійник, викликає підвищення температури до 40 °C, озноб, жар, головний біль, нудоту і навіть блювання. Такому хворому, зрозуміло, не до їжі та не до сну.

Короткочасне полегшення настає, коли гній, нарешті, просвердлить кістку, і, вийшовши на її поверхню, заповнить собою міжм'язові простори, попередньо відшарувавши і розплавивши окістя. Між м'язами вільного місця, звичайно, більше, але гній заповнює і його, заповнює туго (утворюється флегмона). І тоді він починає «простукувати» стіни нової своєї «темниці», шукаючи слабке місце. Болі поновлюються з новою силою. І, нарешті, гній зсередини розплавляє шкіру і виривається її поверхню.

Як навчали лікарі давнини: де гній, там має бути розріз. Так воно і виходить: або розтин гнійника робить хірург, або хворий доводить справу до саморозкриття порожнини кістки. Це сприятливий результат: кістка очищається від інфекції, структура її відновлюється, нориця (канал, що прокладений гноєм) заростає.

Але можливий і інший варіант: інфекція «консервується» в кістки і чекає свого часу. Пияцтво, виснаження, душевні потрясіння та інші причини призводять до загострення (хронічного тепер) остеомієліту, і драма повторюється знову і знову. Тут вже потрібне часте вишкрібання кістки «доробила» і все одно гарантії повного лікування немає.

Отже, ми розглянули лише один варіант ураження кісток – остеомієліт. Адже існує ще безліч інших хвороб: і туберкульоз, і сифіліс, і ревматизм кісток і суглобів. Які ж заходи захисту кісток?

• запобігання переломам: якщо падаєте, падайте «кулем», не думайте, що забрудниться пальто. Або, падаючи, намагайтеся сісти і «скататися» в кулю, як їжачок.
• спостереження за зубами.

Чому – за зубами? Тому що це єдині кістки, що стирчать назовні і доступні огляду. Хоча насправді зуби кістками не є, за їхнім станом можна судити про самопочуття описаної системи. Приклад? Спочатку у дітей і дорослих від надлишку солодкого чорніють і кришаться зуби, потім розвиваються ожиріння і діабет, і незабаром ослаблений таким «режимом» організм готовий здатися (і здається) будь-якій оселитися в ньому заразі (адже остеомієліт приходить зсередини).

Говорять: маленька неправда народжує велику брехню. Не брехайте своєму тілу, будьте чесні з ним, і воно завжди відповість подякою за виявлену турботу.

Типи кісткових сполук

У людському скелеті є три типи кісткового з'єднання:

Нерухоме. З'єднання відбувається шляхом зрощення кісток. З'єднуються кістки черепа за допомогою різних виступів однієї з кістки, що входить відповідною формою в поглиблення іншої. Ця сполука називається кістковим швом. Він дає хорошу міцність сполукам кісток черепа, які захищають мозок.

Напіврухливе. Між собою кістки з'єднуються хрящовими прокладками, які мають еластичність і пружність. Наприклад, хрящові прокладки, що знаходяться між хребцями, роблять хребет гнучким.

Рухоме з'єднання. Як правило, це суглоби. В одній із зчленованих кісток розташована суглобова западина, в яку міститься головка від іншої кістки. Головка та западина підходять один одному за розміром та формою. Вся їхня поверхня покрита гладким хрящем. Суглобові кістки близько стикаються між собою, і мають міцні внутрішньосуглобові зв'язки із сполучної тканини. Вся кісткова поверхня знаходиться у суглобовій сумці. У ній також є слизова рідина, яка виконує роль мастила і зменшує тертя між западиною однієї кістки та головкою іншої кістки. Наприклад, це кульшовий і плечовий суглоб.

Кісткові тканини – спеціалізований тип сполучної тканини з високою мінералізацією міжклітинної речовини. З цих тканин збудовані кістки скелета.

Характеристика клітин та міжклітинної речовини.

Кісткові тканини складаються з:

А. Кліток:

1) Остеоцити -переважають за кількістю клітини кісткової тканини, що втратили здатність до поділу. Вони мають відростчасту форму, бідні на органели. Розташовуються в кісткових порожнин,або лакунах,які повторюють контури остеоциту. Відростки остеоциту проникають у канальці кістки і відіграють роль її трофіці.

2) Остеобласти –молоді клітини, створюючи кісткову тканину. У кістки вони зустрічаються в глибоких шарах окістя, в місцях утворення та регенерації кісткової тканини. Ці клітини бувають різної форми (кубічної, пірамідальної або незграбної), містять одне ядро, а в цитоплазмі добре розвинену гранулярну ендоплазматичну мережу, мітохондрії та комплекс Гольджі.

3) Остеокласти -клітини, здатні зруйнувати обвапнений хрящ і кістку. Вони мають великі розміри (діаметр їх досягає 90 мкм), містять від 3 до кількох десятків ядер . Цитоплазма слабобазофільна, багата на мітохондрії та лізосоми. Гранулярна ендоплазматична мережа розвинена відносно слабо.

Б. Міжклітинної речовини,що складається з:

основної речовиниде міститься відносно невелика кількість хондроїтинсерної кислоти та багато лимонної та інших кислот, що утворюють комплекси з кальцієм (аморфний фосфат кальцію, кристали гідроксіапатиту).

колагенових волокон, що утворюють невеликі пучки

Залежно від розташування колагенових волокон у міжклітинній речовині кісткові тканини. класифікуютьсяна:

1. Ретикулофіброзну кісткову тканину.

2. Пластинчасту кісткову тканину. кісткових платівок

Ретикулофіброзна кісткова тканина.

У ній колагенові волокна мають безладне розташування. Така тканина зустрічається головним чином зародків. У дорослих її можна знайти на місці черепних швів і в місцях прикріплення сухожиль до кісток.

Будова пластинчастої кісткової тканини з прикладу діафіза трубчастої кістки.

Це найпоширеніший різновид кісткової тканини у дорослому організмі. Вона складається з кісткових платівок, утворених кістковими клітинами та мінералізованою аморфною речовиною з колагеновими волокнами, орієнтованими у певному напрямку. У сусідніх пластинках волокна зазвичай мають різний напрямок, завдяки чому досягається велика міцність пластинчастої кісткової тканини. З цієї тканини побудовано компактну та губчасту речовину більшості плоских і трубчастих кісток скелета.

Кістка як орган.

Кістка – самостійний орган, складається з тканин, головна – кісткова.

Гістологічна будова трубчастої кістки

Вона складається з епіфізів та діафізу. З зовні діафіз покритий окістям, або періостом(Рис. 6-3). У окісті розрізняють два шари: зовнішній(волокнистий) – утворений в основному волокнистою сполучною тканиною та внутрішній(клітинний) – містить клітини остеобласти.Через окістя проходять судини і нерви, що живлять кістку, а також під різними кутами проникають колагенові волокна, які отримали назву волокон, що прободають.Найчастіше ці волокна розгалужуються лише у зовнішньому шарі загальних пластин. Окістя пов'язує кістку з навколишніми тканинами і бере участь у її трофіці, розвитку, зростанні та регенерації.

Компактна речовина, що утворює діафіз кістки, складається з кісткових пластинок, що розташовуються в певному порядку, утворюючи три шари:

зовнішній шар загальних платівок. У ньому пластинки не утворюють повних кілець навколо діафізу кістки. У цьому шарі залягають канали, що прободають,за якими з окістя всередину кістки входять судини.

середній,остеонний шар -утворений концентрично нашарованими навколо судин кістковими пластинками . Такі структури називаються остеонами, а платівки, що їх утворюють остеонні платівки. Остеони є структурною одиницею компактної речовини трубчастої кістки. Кожен остеон відмежований від сусідніх остеонів так званої спайною лінією.У центральному каналі остеону проходять кровоносні судини з сполучною тканиною, що їх супроводжує. . Всі остеони переважно розташовані паралельно довгій осі кістки. Канали остеонів анастомозують один з одним. Судини, розташовані в каналах остеонів, повідомляються один з одним, з судинами кісткового мозку та окістя. Крім пластинок остеонів у цьому шарі розташовуються також вставні платівки(Залишки старих зруйнованих остеонів) , лежать між остеонами.

внутрішній шар загальних платівокдобре розвинений тільки там, де компактна речовина кістки безпосередньо межує з кістковомозковою порожниною.

Зсередини компактна речовина діафіза покрита ендостом, що має таку ж будову, як і періост.

Мал. 6-3. Будова трубчастої кістки. А. Окістя. Б. Компакна речовина кістки. В. Ендост. Г. Кістномозкова порожнина. 1. Зовнішній шар загальних платівок. 2. Остеонний шар. 3. Остеон. 4. Канал остеону. 5. Вставні платівки. 6. Внутрішній шар загальних платівок. 7. Кісткова трабекула губчастої тканини. 8. Волокнистий шар окістя. 9. Кровоносні судини окістя. 10. Пробіжний канал. 11. Остеоцити. (Схема за В. Г. Єлісєєвим, Ю. І. Афанасьєвим).

Клітини кісткової тканини (кістки):

* остеобласти,

* остеоцити,

* остеокласти.

Основними клітинами у сформованій кістковій тканині є остеоцити. Це клітини відростчастої форми з великим ядром та слабовираженою цитоплазмою (клітини ядерного типу). Тіла клітин локалізуються у кісткових порожнинах – лакунах, а відростки – у кісткових канальцях. Численні кісткові канальці, анастомозуючи між собою, пронизують всю кісткову тканину, сполучаючись з периваскулярними просторами, і утворюють дренажну систему кісткової тканини. У цій дренажній системі міститься тканинна рідина, за допомогою якої забезпечується обмін речовин не тільки між клітинами та тканинною рідиною, а й міжклітинною речовиною. Для ультраструктурної організації остеоцитів характерна наявність у цитоплазмі слабовираженої зернистої ендоплазматичної мережі, невеликого числа мітохондрій та лізосоми, центріолі відсутні. У ядрі переважає гетерохроматин. Всі ці дані свідчать про те, що остеоцити мають незначну функціональну активність, яка полягає в підтримці обміну речовин між клітинами і міжклітинною речовиною. Остеоцити є дефінітивними формами клітин та не діляться. Утворюються вони з остеобластів.

Остеобласти містяться тільки в кістковій тканині, що розвивається. У сформованій кістковій тканині (кістки) вони відсутні, але містяться зазвичай у неактивній формі в окістя. У кістковій тканині, що розвивається, вони охоплюють по периферії кожну кісткову пластинку, щільно прилягаючи один до одного, утворюючи подобу епітеліального пласта. Форма таких клітин, що активно функціонують, може бути кубічною, призматичною, незграбною. У цитоплазмі остеобластів міститься добре розвинена зерниста ендоплазматична мережа та пластинчастий комплекс Гольджі, багато мітохондрій. Така ультраструктурна організація свідчить про те, що ці клітини є синтезуючими та секретуючими.

Дійсно, остеобласти синтезують білок колаген та глікозоаміноглікани, які потім виділяють у міжклітинний простір. За рахунок цих компонентів формується органічний матрикс кісткової тканини. Потім ці клітини забезпечують мінералізацію міжклітинної речовини за допомогою виділення солей кальцію. Поступово, виділяючи міжклітинну речовину, вони ніби замуровуються і перетворюються на остеоцити. При цьому внутрішньоклітинні органели значною мірою редукуються, синтетична та секреторна активність знижується та зберігається функціональна активність, властива остеоцитам. Остеобласти, що локалізуються в камбіальному шарі окістя, знаходяться в неактивному стані, синтетичні та транспортні органели слабо розвинені. При подразненні цих клітин (у разі травм, переломів кісток і так далі) у цитоплазмі швидко розвивається зерниста ендоплазматична мережа та пластинчастий комплекс, відбувається активний синтез та виділення колагену та глікозоаміногліканів, формування органічного матриксу (кісткова мозоль), а потім і формування дефінітивної (Кістки). Таким способом за рахунок діяльності остеобластів окістя відбувається регенерація кісток при їх пошкодженні.

Отеокласти - костеруйнуючі клітини, у сформованій кістковій тканині відсутні. Але містяться в окісті і в місцях руйнування та перебудови кісткової тканини. Оскільки в онтогенезі безперервно здійснюються локальні процеси перебудови кісткової тканини, то у цих місцях обов'язково присутні й остеокласти. У процесі ембріонального остеогістогенезу ці клітини відіграють важливу роль і визначаються у великій кількості.

Остеокласти мають характерну морфологію:

* Ці клітини є багатоядерними (3-5 і більше ядер);

* Це досить великі клітини (діаметром близько 90 мкм);

* вони мають характерну форму - клітина має овальну форму, але частина її, що прилягає до кісткової тканини, є плоскою.

При цьому в плоскій частині виділяють дві зони:

* центральна частина - гофрована, містить численні складки та острівці;

* периферична (прозора) частина тісно стикається з кістковою тканиною.

У цитоплазмі клітини, під ядрами, розташовуються численні лізосоми та вакуолі різної величини. Функціональна активність остеокласту проявляється так: у центральній (гофрованій) зоні основи клітини з цитоплазми виділяються вугільна кислота та протеолітичні ферменти. Вугільна кислота, що виділяється, викликає демінералізацію кісткової тканини, а протеолітичні ферменти руйнують органічний матрикс міжклітинної речовини. Фрагменти колагенових волокон фагоцитуються остеокластами та руйнуються внутрішньоклітинно. За допомогою цих механізмів відбувається резорбція (руйнування) кісткової тканини і тому остеокласти зазвичай локалізуються у поглибленнях кісткової тканини. Після руйнування кісткової тканини за рахунок діяльності остеобластів, що виселяються із сполучної тканини судин, відбувається побудова нової кісткової тканини.

Міжклітинна речовина кісткової тканини складається з:

* основної речовини

* і волокон, у яких містяться солі кальцію.

Волокна складаються з колагену I типу і складаються в пучки, які можуть розташовуватись паралельно (упорядковано) або неупорядковано, на підставі чого й будується гістологічна класифікація кісткових тканин.

Основна речовина кісткової тканини, як і інших різновидів сполучних тканин, складається з:

* глікозоаміногліканів

* І протеогліканів.

Проте хімічний склад цих речовин відрізняється. Зокрема в кістковій тканині міститься менше хондроїтинсерних кислот, але більше лимонної та інших кислот, які утворюють комплекси із солями кальцію. У процесі розвитку кісткової тканини спочатку утворюється органічний матрикс-основна речовина та колагенові (осеїнові, колаген II типу) волокна, а потім уже в них відкладаються солі кальцію (головним чином фосфорнокислі). Солі кальцію утворюють кристали гідроксиаппатиту, що відкладаються як в аморфній речовині, так і в волокнах, але невелика частина солей відкладається аморфно. Забезпечуючи міцність кісток, фосфорнокислі солі кальцію одночасно є депо кальцію та фосфору в організмі. Тому кісткова тканина бере участь у мінеральному обміні.

До уваги в організмі (літературні дані):

1. Від 208 до 214 індивідуальних кісток.

2. Нативна кістка складається з 50% неорганічного матеріалу, 25% органічних речовин та 25% води, пов'язаної з колагеном та протеогліканами.

3. 90% органіки становить колаген типу 1 і лише 10% інші органічні молекули (глікопротеїн остеокальцин, остеонектин, остеопонтин, кістковий сіалопротеїн та інші пртеоглікани).

4. Кісткові компоненти представлені: органічним матриксом – 20-40%, неорганічними мінералами – 50-70%, клітинними елементами 5-10% та жирами – 3%.

5. Макроскопічно скелет складається з двох компонентів – компактна чи кортикальна кістка; і сітчаста чи губчаста кістка.

6. У середньому вага скелета становить 5 кг (вага сильно залежить від віку, статі, будови тіла та зростання).

7. У дорослому організмі частку кортикальной кістки припадає 4 кг, тобто. 80% (у скелетній системі), тоді як губчаста кістка становить 20% і важить у середньому 1 кг.

8. Весь об'єм скелетної маси у дорослої людини становить приблизно 0.0014 м3 (1400000 мм3) або 1400 см3 (1.4 літра).

9. Поверхня кістки представлена ​​періостальною та ендостальною поверхнями – сумарно близько 11,5 м² (11500000 мм²).

10. Періостальна поверхня покриває весь зовнішній периметр кістки і становить 4.4% грубо 0,5 м (500000 мм) всієї поверхні кістки.

11. Внутрішня (ендостальна) поверхня складається з трьох складових – 1) внутрішньокортикальна поверхня (поверхня Гаверсових каналів), яка становить 30.4% або приблизно 3,5 м² (3500000 мм²); 2) поверхня внутрішньої сторони кортикальної кістки порядку 4.4% або грубо 0,5 м2 (500000 мм2) і 3) поверхня трабекулярного компонента губчастої кістки 60.8% або грубо 7 м2 (7000000 мм2).

12. Губчаста кістка 1 гр. у середньому має поверхню 70 см² (70000 см²: 1000 гр.), Тоді як кортикальна кістка 1 гр. має близько 11.25 см ² [(0.5 +3.5 + 0.5) х 10000 см ²: 4000 гр.], тобто. у 6 разів менше. На думку інших авторів, це співвідношення може становити 10 до 1.

13. Зазвичай при нормальному обміні речовин 0.6% кортикальної та 1.2% губчастої кісткової поверхні піддається руйнуванню (резорбції) і, відповідно, 3% кортикальній та 6% губчастої кісткової поверхні залучені у формування нової кісткової тканини. Решта кісткової тканини (понад 93% її поверхні) знаходиться в стані відпочинку або спокою.

Стаття надана ТОВ "Конектбіофарм"

43693 0

Скелет метаболічно активний і постійно оновлюється, і обидва процеси регулюються місцевими та системними факторами. Серед основних функцій скелета виділяють структурні (опора, пересування, дихання та захист внутрішніх органів) та метаболічні (сховище для кальцію, фосфору та карбонату; карбонатний кістковий буфер, зв'язування токсинів та важких металів). Тісний структурний зв'язок з гемопоетичною системою визначає спільне використання клітин та локальних регулюючих факторів.

При нормальному розвитку скелета вже в ембріональному періоді хрящова тканина заміщається твердішою кістковою тканиною (новоутворення кістки або моделювання). Після народження зростання кістяка триває, але основна клітинна активність спрямовано ремоделювання кістки, тобто. перебудову вже існуючої структури кістки. Знову сформована на ранніх стадіях равития з мезенхіми кістка та кістка, що утворюється під час швидкого відновлення, можуть мати відносно дезорганізовану структуру колагенових волокон у матриксі. Така кістка називається "тканою" (woven) кісткою. У той же час всі інші кістки закладаються організованим способом з послідовними шарами добре організованого колагену і називають пластинчастою кісткою.

Типи кісткової тканини .

У дорослої людини розрізняють 2 основних типи кістки (рисунок 1):

1. Кортикальна кістка (щільна і компактна) становить зовнішню частину всіх структурних структур. На поперечному зрізі компактної кістки можна бачити, що вона складається з численних циліндрів, утворених концентричними кістковими пластинками, в центрі кожного такого циліндра є канал, гаверсів, разом з яким він становить гаверсову систему або остеон. Через кожен гаверс канал проходять одна артерія, вена, лімфатична судина і нервові волокна. До 80% скелета складається з кортикальної кістки, головною функцією якої є забезпечення механічної сили та захисту, але вона може брати участь і в метаболічній відповіді при тяжкому або тривалому мінеральному дефіциті.

2. Трабекулярна або губчаста кістка знаходиться всередині довгих кісток, особливо в кінцевих частинах, в тілах хребців і у внутрішніх частинах тазу та інших великих плоских кістках. Вона являє собою мережу з тонких кісткових елементів, що анастомозують, званих трабекулами. У її основному речовині міститься менше неорганічного матеріалу (60-65%), ніж у основному речовині компактної кістки. Органічна речовина складається головним чином із колагенових волокон. Простір між трабекулами заповнений м'яким кістковим мозком. Трабекулярна кістка забезпечує механічну підтримку, особливо у хребті. Метаболічно вона активніша, ніж кортикальна кістка і забезпечує початкові поставки солей в умовах їх гострого дефіциту.



Малюнок 1. Анатомія кістки.

Склад кістки .

Кістка- це обвапнена сполучна тканина, що складається з клітин, занурених у тверду основну речовину. Близько 30% основної речовини становлять органічні сполуки, переважно у формі колагенових волокон, інші 70% - неорганічні. Головний неорганічний компонент кістки представлений гідроксіапатитом, тобто. 3 Ca(OH)2, утвореним з кальцію та фосфату; але кістки також містяться у різних кількостях натрій, магній, калій, хлор, фтор, карбонат і цитрат.

Кістковий матрикс .

Органічний матрикс у свою чергу складається з колагенових волокон (90-95 %) та основної речовини, яка контролює відкладення солей у кістку. Кісткові солі представлені переважно кальцієм та фосфатом. Колагенові волокна дають кістки міцність на розрив, а солі основної речовини – міцність на стиск. Колаген відкладається пластинчастим способом і посилений множинними поперечними зв'язками ("прошивками") усередині та між триспіральними молекулами колагену (рисунок 2). Ці поперечні зв'язки є тривалентними піридинолінами, які стійкі до деградації і вивільняються під час резорбції кістки у вільній або пептидній формі і можуть визначатися в сироватці та сечі.




Малюнок 2. Схема колагенових поперечних зв'язків кістки. Адаптовано з Eyre DR, 1996.

Матрикс містить також неколагенові білки, які важливі для регуляції мінералізації та зміцнення основи колагену. Кальційзв'язуючі білки включають остеокальцин (кістковий Gla-протеїн) і матриксний Gla-протеїн, які містять γ-карбоксиглютамінову кислоту і вітамін К залежні подібно до багатьох факторів системи згортання крові. Ці білки можуть затримувати мінералізацію і дозволяють дозріти кістковому матриксу. Навіть при тому, що остеокальцин є найбільш специфічним білковим продуктом остеобластів, пригнічення гена остеокальцину не погіршує зростання та мінералізацію кістяка. Кістковий сіалопротеїн та остеопонтин зв'язуються з кальцієм та колагеном і можуть відігравати роль у процесі прилипання остеокластів до поверхні кістки. Неорганічна основа кістки представлена ​​кристалами гідроксіапатиту. Ці кристали можуть містити карбонат, фторид та інші мінерали в слідових кількостях залежно від навколишнього середовища.

Солі фосфату кальцію в кістках знаходяться у 2 формах:

1. Пул, що легко обмінюється, який знаходиться в рівновазі з позаклітинною рідиною. Цей запас забезпечує легкий обмін між кістками та позаклітинною рідиною. Таким чином, якщо концентрація Ca або фосфату у позаклітинній рідині збільшується, солі легко відкладаються або якщо ці концентрації знижуються, тоді солі легко мобілізуються з цього запасу.

2. Стара структурна кістка, де солі фосфату кальцію знаходяться у вигляді кристалів гідроксіапатиту. Ці кристали важко мобілізуються або обмінюються з позаклітинною рідиною і для їх мобілізації - резорбції необхідний паратгормон.

Клітини кісткової тканини .

Кісткові клітини - остеоцити, що знаходяться в лакунах, розподілених по всій основній речовині. Лакуни з'єднуються між собою тонкими канальцями, що містять відростки остеоцитів. Через ці канальці проходять кровоносні судини. Від кожної лакуни відходить на кшталт променів багато тонких канальців, що містять цитоплазму (відростки остеоцитів), які можуть з'єднуватися з центральним гаверсовим каналом, з іншими лакунами або тягтися від кісткової пластинки до іншої.

Остеобласти.

Остеобласти утворюються з мезенхімальних стовбурових клітин, спочатку плюрипотентних, які можуть диференціюватися в клітини м'язової, хрящової і фіброзної тканини, а також в адипоцити. Ймовірно, є клітини попередники, які можуть далі диференціюватися тільки в остеобласти. Ці клітини попередники остеобластів присутні в окісті і стромі кісткового мозку.

Як тільки продукція остеобластами колагенових та неколагенових білків завершується, деякі остеобласти впроваджуються в товщу матриксу та стають остеоцитами. Остеобласти та остеоцити з'єднуються один з одним багатьма клітинними відростками, які лежать у канальцях у межах кістки. Цей синцит взаємопов'язаних клітин ймовірно важливий для відчуття механічних сил. Більшість остеобластів або залишається на поверхні кістки і розосереджується у вигляді розплющених клітин, або піддається запрограмованій клітинній смерті (апоптозу). Остеобласти зберігають сполуки з остеоцитами, які можуть бути необхідні передачі сигналів активації під час ремоделювання.

Остеобласти функціонально та морфологічно гетерогенні. Вони мають рецептори для факторів (ПТГ, кальцитріол, глюкокортикоїди, статеві гормони, соматотропін і тиреотропін, інтерлейкін-1, фактор некрозу пухлини альфа, простагландини, інсуліноподібні фактори росту, трансформуючий фактор росту бета, фактори росту фібробласти і продукують багато регуляторів зростання кістки.




Малюнок 3. Клітини кісткової тканини. Адаптовано з Афанасьєв Ю.І., Єлісєєв В.Г., 1989.

Остеокласти.

Остеокласти – це великі багатоядерні клітини, які резорбують кістку, розчиняючи солі та руйнуючи матрикс. Активні остеокласти мають від 2 до 5 ядер, але можуть мати і більше. Вони багаті на цитоплазму, мають безліч апаратів Гольджі і багато мітохондрій і лізосом. Астетично резорбуючі остеокласти міцно прикріплені до кістки зоною мембрани, яка відносно позбавлена ​​субклітинних частинок. Ця область називається "чистою" зоною, хоча найкращий термін - зона "ізолювання"; оскільки вона герметизує область дії ферментів. Друга (внутрішня) зона - найбільш велика, багата на цитоплазматичні вирости (гофрована облямівка), є областю абсорбції та секреції гідролітичних ферментів, де має місце резорбція кістки. Там, де остеокласт стикається з кістковою речовиною, утворюється лакуна. Часто спостерігаються групи остеокластів, які розташовуються на поверхні лакун Хоушипа, або утворюють тунелі в кортикальній кістці, формуючи гаверсові канали. Тривалість життя остеокластів може становити від 3 до 4 тижнів, потім вони втрачають ядро ​​апоптозом і стають неактивними. Остеокласти пов'язані з моноцитарно-макрофагальними клітинами і утворюються з гранулоцитів - макрофагальних колонієутворюючих одиниць. Макрофагальний колонієстимулюючий фактор необхідний для початку диференціації остеокластів. Клітини попередники остеокластів присутні в кістковому мозку, селезінці, та в невеликій кількості в циркуляції. Під час розвитку попередники остеокластів, ймовірно, мігрують у кістку з екстрамедулярних ділянок гемопоезу.

Ремоделювання кістки .

У кістковій тканині протягом усього життя людини відбуваються взаємопов'язані процеси руйнування та творення, що поєднуються терміном ремоделювання кісткової тканини. Цикл ремоделювання кістки починається з активації, опосередкованої клітинами остеобластного походження (рис. 15). Активація може включати остеоцити, "клітини обкладинки" (відпочиваючі остеобласти на поверхні кістки), і преостеобласти в кістковому мозку. Точно відповідальні клітини остеобластного походження були повністю визначені. Ці клітини піддаються змінам форми та секретують колагеназу та інші ферменти, які лізують білки на поверхні кістки; вони також виділяють фактор, названий остеокласт диференціюючим фактором (ОДФ). Наступний цикл ремоделювання складається з трьох фаз: резорбція, реверсія та формування (рисунок 4).




Малюнок 4. Схема ремоделювання кістки. Адаптовано із Raisz L.G., 1999.

Резорбція кістки .

Резорбція кісткової тканини пов'язана з активністю остеокластів, які є фагоцитами кістки. Ензими з остеокластів розчиняють органічний матрикс, а кислоти розчиняють кісткові солі. Остеокласти регулюються ПТГ; збільшення ПТГ викликає збільшення кількості та активності остеокластів, і таким чином збільшення кісткової резорбції; зниження ПТГ справляє зворотний ефект. Постійний обмін кісткових солей забезпечує ремоделювання кістки для підтримки її міцності протягом життя. Остеокластична резорбція per se може починатися з міграції частково диференційованих мононуклеарних преостеобластів до поверхні кістки, які зливаються з утворенням великих багатоядерних остеокластів, які потрібні для резорбції кістки. Остеокласти видаляють мінерали та матрикс до обмеженої глибини на трабекулярній поверхні або в межах кортикальної кістки; в результаті пластинки остеону руйнуються і на його місці утворюється порожнина. Поки незрозуміло, що зупиняє цей процес, але, ймовірно, можуть залучатися високі місцеві концентрації кальцію або речовин, що вивільняються з матриксу.

Реверсія кістки .

Після завершення остеокластичної резорбції є фаза реверсії, під час якої мононуклеарні клітини (МК), можливо моноцитарно/макрофагального походження, з'являються на поверхні кістки. Ці клітини готують поверхню нових остеобластів, щоб почати утворення кістки (остеогенез). Шар багатої глікопротеїдами речовини відкладається на резорбованій поверхні, так звана "цементуюча лінія", до якої можуть приклеюватися нові остеобласти. Остеопонтин може бути ключовим білком у цьому процесі. Клітини на місці реверсування можуть також забезпечувати сигнали для диференціації та міграції остеобластів.

Освіта кістки .

Фаза формування триває до повного заміщення резорбованої кістки і поки що повністю не сформується нова кісткова структурна одиниця. Коли ця фаза завершена, поверхня покривається згладженими клітинами, що вирівнюють, і є тривалий період відпочинку з невеликою клітинною діяльністю на поверхні кістки, поки новий цикл ремоделювання не починається. Основні етапи утворення кістки представлені нижче:

Кроки кальцифікації кістки.

- Остеокласти секретують молекули колагену та основної речовини.

- Молекули колагену утворюють колагенові волокна, які називаються остеоїдом.

- Остеобласти секретують ензим – лужну фосфатазу (ЛФ), яка збільшує локальну концентрацію фосфату, активує колагенові волокна, викликаючи відкладення солей фосфату кальцію.

- Солі фосфату кальцію преципітують на колагенових волокнах і остаточно стають кристалами гідроксіапатиту.

Стадії циклу моделювання мають різну тривалість. Резорбція певно триває приблизно два тижні. Фаза реверсії може тривати до чотирьох або п'яти тижнів, у той час як фаза формування може тривати протягом чотирьох місяців, доки нова структурна одиниця повністю не сформується.

Регулювання функції кісткових клітин .

У нормі процеси відкладення та резорбції солей перебувають у рівновазі, і кісткова маса залишається постійною. Зазвичай процеси ремоделювання окупують 10-15% поверхні кістки. ПТГ є одним з найважливіших факторів, що впливають на кількість ділянок ремоделювання і може збільшувати оберт кістки в 7-10 разів, збільшуючи поверхню ремоделювання до 100% всієї поверхні кістки.

Існує як системна, і місцева регуляція функції кісткової клітини. Головні системні регулятори - кальцій регулюючі гормони, ПТГ та кальцитріол; меншою мірою кальцитонін. Інші системні гормони також впливають на скелет, особливо соматотропін, глюкокортикоїди, гормони щитовидної залози та статеві гормони. Більш того, деякі фактори, такі як ІПФР, мають системні та місцеві ефекти, а інші мають головним чином або виключно місцеві ефекти, особливо простагландини, ТФР-БЕТА, окремі морфогенні білки, і цитокіни.

Паратгормон (ПТГ) – найважливіший регулятор гомеостазу кальцію. Він підтримує сироваткову концентрацію кальцію, стимулюючи резорбцію кістки остеокластами, збільшуючи ниркову канальцеву реабсорбцію кальцію, та збільшуючи ниркову продукцію кальцитріолу. ПТГ також стимулює експресію генів та збільшує виробництво кількох місцевих факторів, включаючи ІЛ-6, ІФР-1 та ІФР-зв'язуючого глобуліну, IGF-BP-5, та простагландинів.

Кальцитріол – збільшує кишкову абсорбцію кальцію та фосфатів, таким чином підтримуючи мінералізацію кістки. У високих концентраціях, за умов дефіциту кальцію та фосфору, він також стимулює резорбцію кістки, таким чином допомагаючи підтримувати постачання цих іонів до інших тканин. Кальцитріол стимулює остеокластогенез у культурах клітин, але тварини, які відчувають нестачу вітаміну Д, мають відносно нормальне зростання кісток та ремоделювання під час свого розвитку.

Кальцитонін – інгібує остеокласти і тому резорбцію кісток у фармакологічних дозах. Проте його фізіологічна роль мінімальна. Його ефекти є скороминущими, ймовірно через знижену регуляцію рецепторів. В результаті він лише короткочасно ефективний для корекції гіперкальцемії через надмірну резорбцію кістки.

Соматотропін та ІФР - Системи Ст/ІФР-1 та ІФР-2 важливі для зростання скелета, особливо зростання кінцевої пластинки хряща та ендохондрального остеогенезу. Дії ІФР визначаються зокрема наявністю різних IGF-BP: IGF-BP-3 - головна детермінанта сироваткових концентрацій ІФР, тоді як IGF-BP-5 може полегшувати, а IGF-BP-4 може пригнічувати локальні дії ІФР.

Глюкокортикоїди – мають і стимулюючі, і пригнічуючі ефекти на клітини кістки. Вони важливі для диференціювання остеобластів і сенсибілізують кісткові клітини до регуляторів ремоделювання кістки, включаючи ІФР-1 і ПТГ. Інгібіція остеогенезу – головна причина індукованого глюкокортикоїдами остеопорозу. Гормони щитовидної залози стимулюють і резорбцію, і формування кістки.

Таким чином, оберт кістки збільшується при гіпертиреозі і можуть відбуватися втрати кістки.

Статеві гормони – надають глибокий вплив на кістку. Естрогени впливають на розвиток скелета як у чоловіків, так і у жінок. У пізньому пубертатному періоді естрогени зменшують оборот кістки, інгібуючи резорбцію кістки; вони необхідні для епіфізарного закриття у юнаків та дівчат. Таким чином, чоловіки з генетичною втратою естрогенових рецепторів або ферменту ароматази, який перетворює андрогени на естрогени, мають затримку розвитку кістки та остеопороз, та запізнення епіфізарного закриття. Багато місцевих факторів також знаходяться під впливом естрогенів, включаючи цитокіни та простагландини. Андрогени можуть стимулювати остеогенез як прямо, так і за допомогою їх впливу на м'язові тканини, що примикають.

Цитокіни - Як описано вище, цитокіни, що продукуються кістковими клітинами та прилеглими гематопоетичними та судинними клітинами, мають множинні регулюючі ефекти на скелет. Багато з цих факторів залучені до втрати кістки, пов'язані з оваріектомією у гризунів. Регулювання може відбуватися в результаті виробництва агоністів і змін рецепторів або зв'язувальних білків (антагоністи рецептора) для цих факторів.

Інші - Безліч інших факторів відіграє важливу роль у метаболізмі кістки:

- Простагландини, лейкотрієни та окис азоту можуть бути важливими у швидких відповідях клітин кістки на запалення та механічні сили. Простагландини мають біфазні ефекти на резорбцію та утворення кістки, але домінуючими ефектами in vivo є стимуляція. Освіта простагландинів може збільшуватися під впливом навантаження та запальних цитокінів. Окис азоту може інгібувати функцію остеокластів, тоді як лейкотрієни стимулюють резорбцію кістки.

- ТФР-бета та сімейство кісткових морфогенних білків, що складається, принаймні, з десяти білків, які продукуються безліччю різних клітин, і які мають множинний вплив на ріст та розвиток. ТФР-бета може регулюватися естрадіолом і може уповільнювати резорбцію кістки та стимулювати остеогенез. Кісткові морфогенний білок - 2 та інші члени цього сімейства збільшують диференціацію остеобластів та остеогенез, коли вводяться підшкірно або внутрішньом'язово.

Чинники зростання фібробластів - інше сімейство білків, залучених у розвиток скелета. Мутації рецепторів для цих факторів призводять до патологічних скелетних фенотипів, таких як ахондроплазія. У кістковій тканині утворюються інші фактори росту, такі як ендотеліальний фактор росту, який може грати роль ремоделювання кістки.



Лашутін С.В., 27.05.01 р.