|
В соответствии с преобладающей частотой и важностью заболеваний костной системы по сравнению с поражениями мышц и мягких тканей большая часть этой главы посвящена костной патологии.
Скелет состоит из 206 костей, отличающихся по размерам и форме (трубчатые, плоские, кубовидные). Кости играют важную роль в минеральном гомеостазе, являются местом гемопоэза, обеспечивают механическую поддержку движения и защиту, определяют величину и форму тела человека. Они связаны множеством суставов, которые участвуют в обеспечении движений и устойчивости.
Костная ткань относится к одному из типов соединительной ткани, которая обызвествляется (минерализуется) в нормальных условиях. С помощью биохимических методов установлено, что костная ткань состоит из органического матрикса (35 %) и неорганических элементов (65 %). Один из неорганических компонентов — гидроксиапатит кальция [Са10(РО4)6(ОН)2] — минерал, который не только обеспечивает прочность и твердость, но и является «хранилищем» 99 % ионов кальция, 80 % фосфора, 65 % натрия и магния. Формирование в костях кристаллов гидроксиапатита происходит путем превращения жидкого материала в плотный (по аналогии с кристаллизацией воды при замерзании). Этот процесс вызывается с помощью органического матрикса и регулируется множеством факторов, многие из которых пока неизвестны. Уровень минерализации может варьировать, но продолжительность ее, как правило, составляет 12— 15 дней. Кость, остающаяся неминерализованной, называется остеоидом. Органические компоненты костной ткани включают белки матрикса и клетки. Большинство белков костного матрикса представлены коллагеном I типа и небольшим количеством неколлагеновых белков. Клеточные элементы составляют лишь 2 % массы костной ткани. Они обеспечивают обновление и поддержание этой ткани в течение всей жизни. Костеобразующие элементы — это клетки-предшественники, остеобласты и остеокласты.
Клетки-предшественники — плюрипотентные (тотипотентные, полипотентные; имеются в виду их разные возможности в отношении направлений дифференцировки) мезенхимальные стволовые клетки. Они располагаются вблизи от костных поверхностей и при соответствующей стимуляции способны путем деления давать потомство, дифференцирующееся в остеобласты, что крайне важно для физиологического роста, обновления и восстановления кости.
Остеобласты расположены на поверхности кости. Они синтезируют, транспортируют и распределяют многие протеины матрикса. Эти клетки инициируют также процесс минерализации. В определенное время остеобласты собираются в группы до 400 клеток. Функциональная активность этих групп координируется, так как к этому времени кость уже состоит из структурных единиц, придающих ей большую прочность и устойчивость. Остеобласты имеют рецепторы для гормонов (паратиреоидного гормона, эстрогенов), витамина D, цитокинов и факторов роста, которые регулируют дифференцировку, рост и метаболизм костных клеток. Как только остеобласты окружаются матриксом, они становятся остеоцитами. У них появляются длинные цитоплазматические отростки, придающие клеткам паукообразный вид.
Остеоциты не участвуют в метаболизме, однако играют важную роль в контроле суточных колебаний сывороточных уровней кальция и фосфора. Будучи заключенными в костную ткань, остеоциты сообщаются с поверхностными клетками и между собой с помощью сложной сети канальцев, проходящих через матрикс. Отростки остеоцитов пересекают канальцы, и контакты этих клеток в зонах щелевидных соединений (нексусов) обеспечивают перенос субстратов и потенциалов поверхностной мембраны (плазмолеммы).
Остеокласты клетки, ответственные за резорбцию (рассасывание) кости. Это дериваты клеток — предшественников гранулоцитарных моноцитов, локализованных в кроветворной части костного мозга. Они содержат по 6—12 ядер и тесно связаны с костной поверхностью. Резорбционные ямки, которые создаются и нередко заселяются этими клетками, фигурируют в морфологической литературе под названием гаушиповых лакун (J.Howship). Они обычно имеют фестончатые края. На той части плазмолеммы остеокластов, которая находится на резорбтивной поверхности, появляется множество ворсинчатых отростков. Так создаете я-гофрированная кайма, служащая для увеличения площади поверхностной мембраны. Плазмолемма, окружающая этот участок по всему краю, образует зону герметичного смыкания с подлежащей костью, предотвращая «расширение» остеолитического действия ферментов и других субстанций, осуществляющих резорбцию. Самоподдерживающееся внеклеточное резорбционное пространство, герметично ограниченное со всех сторон, напоминает вторичную лизосому. Остеокласты окисляют среду этого пространства с помощью «накачивания» туда ионов водорода, что способствует растворению минералов. Кроме того, остеокласты выделяют в указанное пространство множество ферментов, катализирующих расщепление белкового матрикса на аминокислоты, а также освобождение и активацию факторов роста и ферментов. Среди последних назовем коллагеназу, которая к моменту освобождения депонирована и связана с матриксом с помощью остеобластов. Таким образом, как только кость разрушается на элементарные единицы, высвобождаются определенные субстанции, которые инициируют ее обновление (регенерацию).
Коллаген I типа образует остов матрикса и составляет 90 % его органического компонента. Остеобласты способны депонировать коллаген либо в виде беспорядочного сплетения, формирующего грубоволокнистую кость, либо в виде связанного и сложного комплекса, образующего пластинчатую кость. Грубоволокнистая кость встречается в скелете зародышей и плодов. У взрослого человека ее можно обнаружить в зонах роста кости. Преимущества грубоволокнистой кости выражаются в быстроте формирования и равной прочности по всем направлениям. Наличие участков такой кости у взрослых людей всегда указывает на патологический процесс, но не является диагностическим маркером. Например, при обстоятельствах, требующих быстрой репаративной стабилизации, таких как перелом, в первую очередь формируется грубоволокнистая кость. Она также формируется вокруг участков инфекции и составляет матрикс костеобразующих опухолей.
Пластинчатая кость, которая постепенно в процессе роста замещает грубоволокнистую кость, образуется значительно медленнее, но зато обладает большей прочностью. Эта ткань представлена во взрослом организме двумя главными типами: компактной и губчатой костью. Компактная кость формирует кортикальный (поверхностный) слой трубчатых костей. Этот слой построен из трех систем. Под наружными костными пластинками располагается система остеонов (гаверсова система; С.Havers). Остеоны образованы концентрическими костными пластинками и содержат в центре сосудистые каналы остеона (гаверсовы каналы). Между остеонами имеются вставочные костные пластинки. Под системой остеонов располагается система внутренних общих пластинок. Кроме сосудистых каналов остеона, компактную кость пронизывают питательные каналы (фолькманновские каналы; A.W.Volkmann), по которым проходят кровеносные сосуды и нервы (рис. 24.1, Б, В).
Ниже системы остеонов располагаются костные трабекулы, представляющие собой губчатую кость. В длинных трубчатых костях скелета губчатая кость заполняет внутреннюю часть эпифиза (наиболее широкого суставного конца этих костей) и метафиза (части диафиза, прилегающей к эпифизарному хрящу). Диафазы таких трубчатых костей содержат губчатую кость в основном по краям костномозговых полостей, т.е. ближе к метафизам. 13 плоских костях (например, в теменной кости или лопатке) пространство между двумя пластинами компактного вещества целиком занято губчатой костью.
Неколлагеновые белки костной ткани связаны с матриксом и группируются согласно своим функциям как адгезивные, кальцийсвязанные, минерализованные, ферменты, цитокины и факторы роста. Специфичным для костной ткани является только остеокальцин. Он определяется в сыворотке крови и служит надежным маркером остеобластной активности. Цитокины и факторы роста контролируют пролиферацию клеток кости, их дифференцировку и метаболизм. Они играют важную роль в передаче (трансляции) механических и метаболических сигналов для обеспечения местной активности клеток кости и адаптационных процессов.
Формирование (моделирование) и обновление (ремоделирование) костной ткани. Остеобласты и остеокласты взаимодействуют скоординированно и в настоящее время расцениваются в качестве единой функциональной системы кости, известной как «основная многоклеточная единица». Процессы формирования и резорбции кости тесно связаны между собой, и их баланс определяет скелетную массу в разные периоды жизни. Во время роста и увеличения скелета (моделирование) преобладает костеобразование. Когда скелет созревает, процессы разрушения и обновления (ремоделирование) уравниваются. Происходит это так. Пик массы кости достигается в молодом взрослом организме, и в нем ежегодно обновляется 5—10 % всей массы скелета. При этом количество костного вещества, рассасывающегося и вновь создающегося основными многоклеточными единицами, становится примерно равным. Однако с III декады жизни резорбция начинает преобладать над остеогенезом, что выражается в постепенном уменьшении скелетной массы.
Наибольшую часть местного контроля в формировании и поддержании системы скелета обеспечивают остеобласты, так как они не только продуцируют костный матрикс, но и играют важную роль в медиации активности остеокластов. Многие из первичных стимуляторов костной резорбции — паратиреоидный гормон или паратиреоидный гормон со связанным белком, интерлейкин-1, интерлейкин-6 и фактор некроза опухоли-р (ФНО-р) — имеют минимальный эффект или не оказывают прямого действия на остеокласты. Действительно, остеобласты обладают рецепторами для этих субстанций и как только получают соответствующий сигнал освобождают растворимый медиатор, индуцирующий резорбцию кости остеокластами. Цитокины и факторы роста [особенно трансформирующий фактор роста-p (ТФР-р)], освобожденные из матрикса в ходе расщепления остеоида, по принципу обратной связи запускают активацию остеобластов для синтеза и отложения в резорбтивных щелях эквивалентного количества новой кости [по Cotran R.S., Kumar V., Collins Т., 1998]. Обновление и резорбция костной ткани, осуществляемые в описанном порядке, не только связаны друг с другом во времени и пространстве, но и подвержены контролю со стороны местных и системных факторов.
Рост и развитие костей. Костная ткань создается остеобластами. После ее создания дальнейшее увеличение массы костной ткани достигается только за счет отложения новой кости на предсуществующую матрицу. Такой механизм аппозиционного роста костной массы служит ключом к пониманию различных механизмов развития скелета.
Предшественником раннего скелета является примитивная мезенхима. Такие кости, как черепные и некоторые части ключиц, происходят из внутримембранной формации и образуются остеобластами непосредственно из мезенхимы. Напротив, в процессе создания энхондралъной кости мезенхима вначале образует хрящевую модель, или зачаток будущей кости. Впоследствии, примерно на 8-й неделе беременности, хрящ в центре кости плода подвергается дегенеративным изменениям, минерализуется и удаляется клетками типа остеокластов. Этот процесс, который прогрессирует по направлению к обоим будущим эпифизам, сопровождается врастанием кровеносных сосудов и предшественников остеогенных элементов, которые обеспечивают создание костеобразующих клеток.
Сходная последовательность событий встречается в эпифизе. Пластинка хрящевой модели замуровывается между расширяющимися зонами оссификации и известна как physis, или пластинка роста. Хондроциты в пределах пластинок роста претерпевают ряд изменений: пролиферацию, рост, деградацию и минерализацию. Минерализация хряща становится сигналом для физиологического противовеса — резорбции минерализующегося хряща. Остатки минерализованного хряща служат основой для отложения кости на их поверхностях. Эти структуры формируют первичную губчатую кость. Процесс энхондральной оссификации встречается также в основании суставного хряща. Посредством этих механизмов кости увеличивают длину, а суставные поверхности — диаметр.
|
