Механизмы роста и развития кости

Костная ткань формируется двумя различными способами: в результате окостенения первично хрящевой структуры или хрящевой мозоли (эндохондральное окостенение) и путем оссификации в соединительнотканной мембране.

а) Энхондральное окостенение. Это типичный механизм роста трубчатых костей. При рождении структура кости полностью состоит из хряща, но окостенение в центре диафиза уже началось. После начала вторичного окостенения эпифизарных концов, дальнейший рост в длину происходит за счет хрящевой зоны между областью диафиза и эпифиза кости.

Таким образом, хрящевая зона между диафизом и эпифизом постепенно сужается, но не исчезает до конца подросткового возраста. Этот активно растущий хрящевой диск, расположенный между эпифизом и диафизом, называется физисом.

Физис (обычно называемый «ростковая пластина», «зона роста») состоит из четырех отдельных слоев. Вдоль эпифиза идет зона неактивных, беспорядочно расположенных хондроцитов. Этот слой сливается с зоной пролиферации, в которой хондроциты выстраиваются продольно; благодаря способности к интерстициальному росту они постепенно увеличивают общую длину кости. Более зрелые клетки в этой зоне («опережающие»ближайший слой новой костной ткани) постепенно увеличиваются и составляют гипертрофическую зону.

Ближе к границе хряща и кости хрящ кальцифицируется (вероятно, при участии щелочной фосфатазы, выделяемой гипертрофированными клетками); эта зона кальцинированного хряща, в итоге, подвергается резорбции остеокластами, а после врастания новых кровеносных сосудов из метафиза — окостенению. Незрелая кость формируется в кальцинированной ткани, а затем, в свою очередь, замещается пластинчатой костной тканью, образуя самую молодую часть кости, с этого момента обозначаемую как метафиз.

Следует отметить, что аналогичный процесс происходит в поздней стадии восстановления перелома.

Энхондральное окостенение
Эндохондральное окостенение.
Гистологический срез растущей хрящевой кости со схематическим изображением слоев растущего диска (пластинки роста).

б) Внутримембранное окостенение. С ростом длины кость также увеличивается в обхвате, а поскольку трубчатая кость имеет форму цилиндра, это неизбежно ведет к пропорциональному увеличению диаметра костномозгового канала. Новая кость добавляется к внешнему слою за счет прямого окостенения в глубоком слое надкостницы, где мезенхимальные клетки дифференцируются в остеобласты (внутримембранный, или «аппозиционный» рост костей), а старая кость удаляется из внутренней стенки цилиндра за счет эндостальной резорбции остеокластами.

Внутримембранное периостальное костеобразование также происходит в ответ на отслоение надкостницы в связи с травмой, инфекцией или опухолью, и ее появление на рентгенограмме является полезным диагностическим признаком.

в) Резорбция кости. Резорбции костной ткани осуществляется остеокластами под влиянием стромальных клеток (в том числе остеобластов), а также местных и системных активаторов. Хотя давно известно, что ПТГ стимулирует костную резорбцию и остеокласты не имеют рецепторов к ПТГ, но гормон действует опосредованно, воздействуя на метаболит витамина D 1,25-дигидрохолекальциферол [1,25 (OH)2D3] и остеобласты.

Пролиферация клеток-предшественников остеокластов требует наличия факторов их дифференциации, вырабатываемых стромальными остеобластами после стимуляции, например, ПТГ, глюкокортикоидами и провоспалительными цитокинами. В настоящее время известно, что этот «фактор дифференциации остеокластов» является активатором рецептора лиганда ядерного фактора-κβ (сокращенно RANKL), и что он должен связываться с рецептором RANK предшественника остеокластов в присутствии колониестимулирующих макрофагов (M-CSF) до полного созревания остеокластов и начала резорбции.

Считается, что остеобласты первыми «подготавливают» место резорбции путем удаления остеоида с поверхности кости, в то время как другие компоненты матрикса действуют в качестве аттракторов остеокластов. Во время резорбции каждый остеокласт герметично связывается с поверхностью кости, где его клеточная мембрана образует характерную фестончатую границу, внутри которой секретируются соляная кислота и протеолитические ферменты. В этой кислой среде минеральные вещества матрикса растворяются, а органические компоненты разрушаются под действием лизосомальных ферментов.

Ионы кальция и фосфатов поглощаются остеокластами, откуда они поступают во внеклеточную жидкость и, в конечном счете, попадают в кровоток.

В губчатой кости этот процесс приводит к истончению (а иногда и фактической перфорации) имеющихся трабекул. В кортикальной кости клетки либо расширяют существующий гаверсов канал, либо прорезаются в компактную кость, образуя режущий конус наподобие того, как шахтеры разрабатывают новую шахту в грунте. Во время гиперактивной резорбции эти процессы отражаются появлением гидроксипролина в моче и повышением уровня кальция и фосфатов в сыворотке.

г) Моделирование и ремоделирование кости. Последовательный процесс резорбции и костеобразования костной ткани сравнивали с ваянием, и действительно, здесь имеет место воспроизведение модели и (последующее) изменение. Во время роста каждая кость непрерывно подвергается «лепке» до получения формы необходимой для функции определенной части скелета. Каким еще образом длинным костям удалось бы сохранить основную форму в период роста, когда расширяющиеся концы постоянно меняются при удалении от центра?

Внутренняя структура кости также подвержена ремоделированию и не только во время роста, но и в течение всей жизни. Это служит для нескольких важных целей: «старая» костная ткань постоянно замещается «новой» и таким образом скелет защищен от воздействия частых кумулятивных нагрузок и стрессовых переломов; костный обмен чувствителен к функциональным потребностям и строение трабекул моделируется (или ремоделируется) в соответствии с нагрузками на кость; более толстые и прочные трабекулы располагаются на траектории сжимающих нагрузок, а более тонкие трабекулы лежат в плоскостях растяжения кости. Кроме того, кальциевый гомеостаз требует постоянного обновления отложений минералов, которые иначе оставались бы запертыми в кости.

В каждой области ремоделирования процесс происходит в упорядоченной последовательности. Активированные остеобластами остеокласты собираются на свободной поверхности кости и приступают к формированию полости. После 2-4 недель резорбция прекращается, остеокласты подвергаются апоптозу и фагоцитированию. Существует короткий период покоя, когда сформированная полость покрывается остеобластами и в течение следующих трех месяцев заполняется остеоидом, который затем минерализуется, оставляя на своем месте новую «единицу» кости (или остеон). Весь цикл ремоделирования занимает 4-6 месяцев и в завершении процесса граница между «старой» и «новой» костью проявляется гистологически определяемой «цементной стяжкой».

Остеобласты и остеокласты совместно участвуют в каждом цикле костного обмена, действуя как единица костного ремоделирования (более миллиона раз во взрослом скелете). Резорбция и костеобразование связаны, один процесс неизбежно следует за другим. Системные гормоны и местные факторы роста участвуют в координации этого процесса; наиболее вероятно, что в инициирование костеобразования и резорбции вовлечены ПТГ и 1,25-(OH)2D. Это гарантирует подержание (по крайней мере, на ближайшее время) равновесия, хотя в любой момент и на любом участке скелета может преобладать та или иная фаза костного обмена.

В долгосрочной перспективе возможны существенные изменения. Скорость обмена костной ткани у здоровых взрослых составляет 4% для кортикальной кости и 25 % для трабекулярной кости в год (Parfitt). Этот показатель может увеличиваться или уменьшатся в зависимости от количества функциональных единиц или времени ремоделирования. В течение первой половины жизни костеобразование несколько превышает резорбцию и костная масса увеличивается, а в последующие годы резорбция преобладает над формированием и костная масса постоянно уменьшается.

Задействованные балки могут быть перфорированными или полностью резорбироваться, что еще больше снижает прочность и увеличивает вероятность переломов из-за хрупкости. Быстрая потеря костной массы происходит, как правило, из-за чрезмерной резорбции, а не уменьшения костеобразования.

Закон Вольфа
Закон Вольфа.
Закон Вольфа отражается в расположении трабекул у нижнего конца бедренной кости.
Самые плотные трабекулы выстраиваются вдоль траекторий максимальной нагрузки.

д) Местная регуляция ремоделирования кости. Скоординированное взаимодействие между остеобластами формирующими кость и остеокластной резорбцией во многом объясняли связью RANKL/RANK. Однако в механизме регулирования этой системы играет роль другой цитокин — остеопротегерин (ОПТ, OPG). ОПТ, который также выделяется остеобластами, способен подавлять дифференциацию предшественников остеокластов на основе преимущественного связывания с RANKL (действует как конкурентный рецептор-«приманка»), тем самым снижает резорбцию костной ткани, предотвращая RANKL от связывания с рецепторами предшественников остеокластов.

Таким образом, на ремоделирование кости оказывает постоянное воздействие последовательность гормонов, систем цитокинов, компонентов пищи, лекарственных веществ и сигналов от механической нагрузки, которые влияют на любую часть триады RANKL/RANK/OPG. Теории о возникновении остеопороза у больных с метастатическим поражением костей, миеломатозом, ревматоидным артритом и другими воспалительными заболеваниями с участием этой системы уже получили свое дальнейшее развитие. В связи с этим перспективной является гипотеза о том, что подавление остеокластогенеза может предложить эффективные методы лечения возрастного остеопороза.

Поэтому вполне обосновано высказывание, что RANKL/RANK/OPG сигнальная система является «... одним из самых важных открытий в биологии кости за последнее десятилетие» (Boyce и Xing).

- Рекомендуем далее ознакомиться со статьей "Минеральный обмен и питание кости"

Оглавление темы "Патофизиология кости":
  1. Симптомы отека костного мозга и его диагностика
  2. Стадии роста и развития кости
  3. Состав и строение кости
  4. Механизмы роста и развития кости
  5. Минеральный обмен и питание кости