Костная ткань составляет основу опорно-двигательного аппарата; защищает органы центральной нервной системы и грудной полости; депонирует минеральные соли; участвует в трофических, электролитических, обменных процессах; стабилизирует ионный состав внутренней среды; в костномозговой полости локализован костный мозг, где происходят кроветворение и дифференциация клеток иммунной системы.
В составе костной ткани различают клетки и межклеточное вещество (матрикс). В костной ткани около 30...35 % приходится на клетки и органические соединения, в основном белки и жиры; минеральные компоненты составляют 65...70 % сухой массы ткани.
В составе костной ткани различают: остеобласты, осте- оциты, остеокласты. В процессе остеогенеза (от лат. os - кость, genesis - развитие) остеогенные клетки на ранней стадии дифференциации мезенхимы локализованы в зонах формирования костной ткани: в рыхлой волокнистой соединительной ткани, покрывающей кость снаружи и выстилающей костномозговую полость, а также в центральных костных каналах с кровеносными сосудами. Остеогенные клетки имеют овальное ядро, их цитоплазма слабо окрашивается как основными, так и кислыми красителями. Остеогенные клетки дифференцируются в остеобласты, обеспечивающие рост и перестройку костной ткани.
Остеобласты (от лат. os - кость, blastos - росток) - малодифференцированные клетки, представляющие собой камбиальные элементы, способные продуцировать органические элементы межклеточного вещества костной ткани (коллаген, гликозамино- гликаны, белки и др.). Крупные призматической формы остеобласты в период эмбриогенеза располагаются на поверхности формирующихся костных балок и остеогенных островков. В постэмбриональный период развития остеобласты обнаруживают во внутренних слоях надкостницы, а также в участках регенерации костной ткани. Остеобласты содержат округлые ядра, многочисленные митохондрии, развитую гранулярную эндоплазматическую сеть, что определяет базофилию цитоплазмы.
Остеоциты (от лат. os -кость, cytus - клетка) - дифференцированные, отростчатые клетки, содержащие крупное ядро (рис. 33). Структурная организация остеоцитов соответствует степени дифференциации клеток. Так, на ранней стадии формирующиеся остеоциты по составу и степени развития цитоплазмы близки к остеобластам. По мере дифференциации остеоциты утрачивают способность делиться, и в цитоплазме содержится все меньше органоидов, что свидетельствует о снижении уровня обмена веРис. 33. Строение остеонитов (по Г. Г. Тиняхову):
I - ядро; 2 - отростки
ществ, в частности синтеза белков. Остеоциты длиной 22...55 мкм и шириной 6...15 мкм располагаются в костных полостях - лакунах (от лат. lacuna - полость). Остеоциты уплощенной формы соединяются между собой многочисленными отростками, располагающимися в костных канальцах. Система лакун и костных канальцев содержит тканевую жидкость и обеспечивает необходимый уровень обмена веществ.
Остеокласты (от лат. os - кость, classis - делить, дробить, разрушать) - «костедробители» - способны своими ферментами разрушать обызвествленный хрящ и кость. Остеокласты образуются из клеток костного мозга макрофагально-моноцитарной линии. Это крупные клетки округлой формы диаметром 98...100 мкм, содержащие до десяти ядер. Остеокласты обнаруживают в участках резорбции ткани. Поверхность остеокласта, обращенная к разрушаемой ткани, - имеет большее количество тонких, плотно расположенных, ветвящихся отростков, образующих в совокупности гофрированную структуру. В этой области синтезируются гидролитические ферменты, разрушающие кость. Гормоны паращитовидной железы (паратгормон) усиливают секрецию ферментов ли- зосом, стимулируют резорбцию кости. Гормон щитовидной железы - кальцитонин снижает активность остеокластов, отростки гофрированной части клетки в этих условиях сглаживаются, и клетка отделяется от поверхности кости.
В костной ткани межклеточное вещество представлено коллагеновыми волокнами (оссеиновыми) и основным аморфным веществом (матриксом). Органический компонент межклеточного вещества - оссеоида представлен преимущественно коллагеновыми волокнами (90 %), гликопротеинами (сиалопротеины, остеонектин) и протеогликанами (гиалуроновая кислота), которые вместе с минеральными веществами образуют прочную ткань, способную противостоять растяжению и сжатию. Промежутки между клетками и волокнами заполнены аморфным веществом, или матриксом, в котором содержатся гликопротеиды, сульфатированные гликозаминогликаны, белки и др.
Неорганические компоненты представлены соединениями фосфата кальция и различными микроэлементами (медь, цинк, барий, магний и др.). Минеральные соли располагаются между фибриллами коллагена, к которым прочно прикрепляются.
В костной ткани сосредоточено 98 % всех неорганических соединений, содержащихся в организме. Костная ткань депонирует почти весь кальций организма; при определенных условиях кальций из костей может выделяться, затем поступать в другие ткани. Соли, содержащиеся в костной ткани, образуют сложные соединения из субмикроскопических кристаллов, структура минералов кости сходна со структурой гидрооксиапатита.
При удалении из кости неорганических веществ, например солей кальция, т. е. декальцинировании кости, остающаяся органическая часть сохраняет форму, но кость становится мягкой, легко сгибается и даже скручивается. При удалении органических веществ (например, при прокаливании на огне) кость также сохраняет форму, но становится хрупкой и легко рассыпается. Как органические, так и неорганические компоненты сами по себе не могут составлять скелетный материал, но в сочетании друг с другом образуют прочную и легкую опорную ткань.
В соответствии со структурной организацией межклеточного вещества костные ткани классифицируют: на ден- тоидную, ретикулофиброзную (грубоволокнистую), пластинчатую (тонковолокнистую).
Дентоидная костная ткань -дентин (от лат. dens, dentis -зуб) представляет собой минерализованное вещество, продуцируемое клетками одонтобластами. Дентин пронизан канальцами, в которых расположены лишь отростки одонтобластов, тогда как ядро и цитоплазма клеток находятся на границе с пульпой.
Минерализованное вещество дентина представлено преимущественно солями фосфата кальция и вдается в неминерализованную часть в виде шаровидных образований - глобул. Вблизи наружной поверхности дентина имеется незначительная неминерализованная часть - это интерглобулярные пространства, участвующие в обменных процессах. Такая часть дентина располагало ется преимущественно в корне зуба, где формируется зернистый слой, выполняющий защитную функцию.
Ретикулофиброзная (грубоволокнистая) костная ткань характерна для костей ранней стадии онтогенеза. В постэмбриональный период она встречается в незначительных участках организма: зубных альвеолах, костях черепа вблизи костных швов, костном лабиринте внутреннего уха, в области прикрепления сухожилий и связок.
Отличительной характеристикой этой ткани является наличие толстых пучков коллагеновых волокон, называемых оссеиновыми, которые беспорядочно ориентированы в толще минерализованного аморфного вещества, за счет чего кость приобретает грубую структуру в виде войлока. Между пучками оссеиновых волокон расположены остеоциты, тела которых находятся в костных полостях, а отростки - в костных канальцах.
Пластинчатая (тонковолокнистая) костная ткань характеризуется наличием костных пластинок - продукта жизнедеятельности костных клеток. Костная пластинка толщиной 3...7 нм представляет собой склеенные минерализованным аморфным веществом пучки коллагеновых волокон, направленных в одну сторону. Смежные костные пластинки имеют различную ориентацию волокон, что придает кости дополнительную прочность. Между костными пластинками расположены остеоциты, тела которых располагаются в лакунах, а отростки - в костных канальцах.
Пластинчатая костная ткань наиболее распространена в организме. Она составляет основу кости - пассивного органа опоры и движения в скелете (от гр. skeletos - высохший, высушенный).
Кость как орган образована тесно связанными компонентами: надкостницей, костной тканью, представленной компактным и губчатым веществом; костным мозгом; суставным хрящом, соединяющим кости.
Надкостница, или периост (periosteum), - оболочка из волокнистой соединительной ткани, с преобладанием плотного волокнистого материала. Надкостница покрывает костную ткань без хрящевой ткани. Наиболее прочно надкостница срастается с костью в участках прикрепления связок и сухожилий мышц. В указанных участках соединительная ткань, пронизывая надкостницу, глубоко внедряется в костную ткань, за счет так называемых прободающих (Шарпеевских) волокон. Прободающие волокна обеспечивают механическую прочность связи надкостницы с костью.
В надкостнице содержатся кровеносные сосуды, нервы, чувствительные нервные окончания, что и определяет чувствительность и регуляцию обмена веществ в костной ткани. Надкостница участвует в питании кости и восстановлении ее поврежденных участков.
Надкостница состоит из двух слоев: наружного фиброзного и внутреннего остеогенного, прилегающего непосредственно к костной ткани. Наружный фиброзный слой более плотный, построен из толстых пучков коллагеновых волокон. В этом слое проходят кровеносные сосуды и нервы, которые направляются в глубокие, внутренние части кости.
Внутренний остеогенный слой содержит тонкие пучки коллагеновых, эластических волокон и характеризуется наличием большого числа камбиальных клеток, называемых остеобластами; в этом слое встречаются и остеокласты.
В процессе роста надкостница строит кость, накладывая на нее все новые и новые ряды костных пластинок (аппозиционный рост кости). По надкостнице проходят многочисленные сосуды и нервы, поэтому без надкостницы кость «мертва». Благодаря надкостнице кость восстанавливается при переломах.
Компактное, или плотное, вещество находится на периферии костей, непосредственно под надкостницей. Компактное вещество образовано тремя слоями: наружный слой общих генеральных костных пластинок, остеонный слой, внутренний слой общих генеральных костных пластинок (рис. 34).
Наружный слой общих генеральных костных пластинок состоит из остеоцитов, расположенных параллельными рядами и образующих несколько тонкостенных трубчатых пластин, вложенных одна в другую. Слой общих наружных пластин окружает всю поверхность кости, в некоторых местах слой прободают Фолькмановские каналы, через которые из надкостницы в кость входят кровеносные сосуды.
Остеонный слой образован многочисленными остеонами, содержащими от 4 до 20 костных пластинок. На поперечных разрезах компактного вещества остеоны определяют как чередующиеся более светлые волокнистые слои с концентрическим положением волокон и более темные зернистые слои в соответствии с ориентацией коллагеновых волокон.
Остеон - структурно-функциональная единица костной ткани. В центре остеона располагается центральный гаверсов канал, окруженный наслаивающимися друг на друга костными пластинками, расположенными концентрическими рядами. В остеонном слое в основном по длине кости проходят многочисленные кровеносные сосуды, питающие кость, анастомозирующие и проходящие по гаверсовым каналам.
Между пластинками остеона в лакунах располагаются остеоци- ты, связанные друг с другом отростками, проходящими в костных
Рис. 34.
а - схема; б- микрофотография (увеличение х400); 1 - гаверсов канал; 2 - слой общих наружных пластин; 3- вставочные пластины; 4- остеоны, или гаверсовы системы
канальцах. В центральной части остеона, с внутренней стороны, располагаются остеобласты, которые образуют костную ткань, т. е. новообразование остеогенной соединительной ткани происходит в центральной части остеона.
В периферической части, с выпуклой наружной стороны, остеона, в так называемых «эрозийных» лакунах, находятся остеокласты, участвующие в резорбции костной ткани. Периферическая часть остеона постепенно разрушается и формирует систему вставочных костных пластинок.
Системы вставочных костных пластинок, или интерстициальные системы костных пластинок, располагаются в промежутках между отдельными остеонами. Вставочные костные пластинки не связаны с кровеносными сосудами и представляют собой остатки разрушенных остеонов, подвергшихся резорбции. Вставочные костные пластинки образуются из-за изменения функциональной нагрузки на кость в процессе роста организма, что обусловливает перестройку костной ткани с образованием «дочерних» остеонов.
Часть остеона резорбируется, и слои нового матрикса откладываются вокруг сместившихся сосудов. Нерезорбированные остатки остеона преобразуются во вставочные костные пластинки. Образование «дочерних» остеонов и вставочных костных пластинок обусловлено тем, что с внутренней поверхности остеона имеется отрицательный заряд, обусловливающий процесс аппозиционного новообразования костной ткани остеобластами, напротив, на выпуклой наружной стороне остеона - положительный заряд, стимулирующий резорбцию кости остеокластами.
Внутренний слой общих генеральных костных пластинок имеет сходную структуру с наружным слоем общих генеральных костных пластинок и граничит с эндоостом - слоем рыхлой волокнистой соединительной ткани, выстилающим костномозговую полость.
Губчатое вещество (спонгиоза) представлено костными балками и трабекулами, формирующими ячейки, в которых находятся костный мозг и кровеносные сосуды. Губчатое вещество имеет прочное строение. Прочность обеспечивают костные пластинки, расположенные в соответствии с законами механики. Механические нагрузки кость может выдерживать из-за того, что костные балки губчатого вещества направлены, как правило, параллельно линиям напряжений и имеют векторную ориентацию. Костные пластинки содержат подвижные соединения фосфора, которые циркулируют из губчатого вещества в кровяное русло и наоборот. В губчатом веществе больше неминерализованных структур, чем в компактном, поэтому в губчатом веществе обменные процессы протекают более интенсивно.
Внутренние полости костей и ячеи губчатого вещества выстланы эндоостом - слоем плоских остеогенных клеток, расположенных на эластических волокнах рыхлой волокнистой соединительной ткани. В этом слое содержатся остеобласты и тонкие пучки волокон, переходящие в ткань костного мозга.
Во внутриутробный и ранний постнатальный периоды развития животных в костных полостях находится красный костный мозг. У взрослых животных красный костный мозг находится лишь в ячейках губчатого вещества, а костномозговые полости в диафизе трубчатых костей заполнены желтым костным мозгом, цвет которого обусловлен наличием жировых клеток.
По форме и в связи с выполняемой функцией различают шесть типов костей: трубчатые, губчатые, изогнутые, плоские, смешанные, пневматизированные.
Трубчатые кости расположены в конечностях, где выполняют функции рычагов движений. На длинной трубчатой кости различают удлиненную среднюю часть - диафиз, или тело, и обычно утолщенные части - эпифизы, покрытые суставным хрящом для сочленения с другими костями. Между диафизом и эпифизом расположен метафиз, который за счет гиалинового метафизарного хряща обеспечивает у молодых животных рост костей в длину. В зависимости от количества эпифизов различают моноэпифизарные короткие кости (кости пясти, плюсны, фаланги пальцев) и биэпифизарные длинные кости (плечевая, бедренная, кости предплечья и голени). Устойчивость и малая удельная плотность кости обеспечиваются трубчатой структурой. Например, известно, что стальная труба почти в два раза устойчивее, чем аналогичный стержень при одинаковой массе.
Губчатые (короткие) кости состоят из губчатого вещества и имеют лишь тонкий слой компактного вещества на поверхности. Кости неправильной кубической и многогранной форм расположены в участках, где большая подвижность сочетается с сопротивлением силам и сдавливающим скелет. К этому типу относят сеса- мовидные кости, развивающиеся за счет окостенения сухожилий мышц.
Изогнутые кости - ребра формируют боковые поверхности грудной клетки, выполняют функции опоры и зашиты внутренних органов (сердца, легких), а также участвуют в дыхательных движениях.
Плоские кости участвуют в образовании полостей, поясов конечностей, создают значительную поверхность для закрепления мышц (кости крыши черепа, грудина, лопатка).
Смешанные кости имеют несколько частей, различающихся строением и происхождением. К этому типу относят симметричные непарные кости - позвонки и некоторые кости основания черепа.
Пневматизированные кости характеризуются наличием полостей, выстланных слизистой оболочкой и заполненных воздухом; значение таких костей - облегчение веса. К таким костям относят лобную, клиновидную, верхнечелюстную кости черепа млекопитающих, а также плечевую, бедренную и позвонки птиц.
В длинных трубчатых костях компактное вещество наиболее сильно развито в диафизах и располагается на периферии, в центре диафиза - костная полость; в эпифизах компактное вещество постепенно истончается и образует тонкий поверхностный пласт. В коротких костях, так же как и в эпифизах, компактное вещество располагается тонким слоем по периферии. В плоских костях компактное вещество образует наружную и внутреннюю пластинки, обычно соединенные перекладинами. Губчатое вещество обнаруживают в эпифизах трубчатых и внутренних частях плоских костей.
В процессе развития костной ткани различают четыре фазы: пролиферацию (размножение) остеобластов; образование коллагеновых волокон; образование аморфного склеивающего белково-углеводного вещества; пропитывание межклеточного вещества минеральными солями.
Костная ткань развивается двумя способами: прямой остеогенез - из мезенхимы на ее месте развиваются ретикулофиброзные
(грубоволокнистые) кости; непрямой остеогенез - из мезенхимы на месте хрящевой ткани - пластинчатые (тонковолокнистые) кости.
Прямой остеогенез начинается с интенсивного размножения клеток мезенхимы путем митоза и образования большого количества кровеносных сосудов. Отростки клеток мезенхимы переплетаются между собой и образуют сеть, погруженную в аморфное межклеточное вещество с пучками коллагеновых волокон. Так формируются уплотненные остеогенные балки, или островки, сильно отличающиеся от окружающей мезенхимы.
Уплотненное межклеточное вещество оттесняет на поверхность остеогенного островка часть клеток мезенхимы. Из клеток мезенхимы дифференцируются остеобласты, характеризующиеся зернистой базофильной цитоплазмой. Остеобласты располагаются рядами в один слой на поверхности остеогенной балки. Часть остеобластов дифференцируется в остеоциты, и они оказываются «замурованными» со всех сторон в межклеточном веществе и теряют способность к делению.
Межклеточное вещество развивающейся кости импрегнируется фосфатом кальция, который накапливается в кости вследствие распада глицерофосфата крови под действием щелочной фосфатазы, выделяемой фибробластами. Освобождающийся остаток фосфорной кислоты реагирует с хлоридом кальция, образующиеся при этом фосфат кальция и карбонат кальция импрегнируют основное вещество кости. Остеогенные островки разрастаются и соединяются в губчатую массу грубоволокнистой кости.
Из мезенхимы дифференцируются клетки рыхлой волокнистой соединительной ткани, окружают формирующуюся кость со всех сторон и образуют надкостницу.
Образовавшаяся таким образом из мезенхимы на месте мезенхимы ретикулофиброзная (грубоволокнистая) костная ткань представляет собой временное образование, которое в дальнейшем с участием остеокластов и остеобластов замещается пластинчатой (тонковолокнистой) костью (рис. 35).
Непрямым остеогенезом развивается тонковолокнистая (пластинчатая) кость, в которой смежные костные пластинки всегда имеют различную ориентацию фибрилл. Прежде всего из мезенхимы образуется хрящевая модель, или «болванка», в точности повторяющая форму будущей кости (см. цв. вкл., рис. V).
Остеогенез начинается в надхрящнице и называется перихондральным окостенением. Оно характеризуется усиленным кровоснабжением надхрящницы, дифференциацией клеток, в том числе остеобластов, формированием межклеточного вещества.
В трубчатых костях этот процесс начинается в области диафиза с формирования под надхрящницей сети перекладин грубоволокнистой кости, так называемой костной манжетки. Хрящ в области
Рис. 35.
1 - мезенхима; 2,3 - костная ткань; 4 - остеобласты
диафиза оказывается плотно окруженным костной тканью манжетки, вследствие этого режим питания хряща нарушается. Хрящевые клетки набухают и разрушаются. Размножающиеся хрящевые клетки располагаются параллельными рядами - клеточными колонками, которые состоят из уплощенных клеток, и поэтому напоминают монетные столбики. Между монетными столбиками залегают тяжи межклеточного вещества хряща (хрящевые балки). По мере развития костной манжетки в середине хрящевой модели в центре окостенения хрящевая ткань закономерно изменяется, формируется зона пузырчатого хряща.
Клетки хряща увеличиваются в размерах, обогащаются гликогеном, ядра сморщиваются, клеточные полости увеличиваются.
По мере набухания и гибели многих хрящевых клеток, собранных в колонки, начинается процесс обызвествления промежуточного вещества хряща. Через щели костной манжетки из надкостницы внутрь разрушающегося хряща проходят кровеносные сосуды и тяжи скелетогенной ткани, состоящей из мезенхимных клеток, остеобластов, остеокластов и др.
Остеокласты, гигантские многоядерные клетки оказываются внутри разрушающегося хряща и начинают энергично разрушать широкие ходы и каналы в обызвествленном веществе хряща. Затем начинается этап замещения хряща изнутри - остеобласты, выстилающие внутреннюю поверхность продольных каналов, начинают формировать эндохондральную кость.
Эндохондральная кость по строению подобна перихондральной грубоволокнистой костной ткани, но отличается более тонковолокнистой структурой. В эндохондральной кости клетки мезенхимы образуют первичный костный мозг, расположенный во множественных лабиринтных ходах, которые впоследствии разрушаются остеокластами и формируются в один общий канал. Так образуется вторичная костномозговая полость (дефинитивная), остающаяся на всю жизнь животного, ее выстилает эндоост, и заполняется она дефинитивным костным мозгом.
По мере развития костномозговой полости перихондральная кость становится толще и длиннее и разрастается к эпифизам.
В гаверсовых каналах из мезенхимы образуются остеобласты, которые начинают формировать тонковолокнистую пластинчатую кость. Направление и форма таких пластинок определяются ходом кровеносных сосудов. Пластинки формируются последовательно с периферии канала к центру, наслаиваясь одна на другую концентрическими рядами.
Вокруг кровеносных сосудов образуются гаверсовы системы пластинок, или системы первой генерации, на месте которых возникают новые системы. От первичных систем сохраняются небольшие остатки в виде промежуточных, или вставочных, систем.
По мере приближения перихондральной кости к эпифизам также происходит окостенение. Кость образуется почти во всей области эпифизов, за исключением суставного хрящевого участка, расположенного на границе между диафизом и эпифизом. Эта узкая хрящевая полоска называется метэпифизарной пластинкой роста, клетки здесь располагаются в виде характерных колонок. Хрящевая полоска сохраняется долгое время, у некоторых животных в течение нескольких лет после рождения.
Физиологические свойства костной ткани меняются в зависимости от возраста, мышечной деятельности, условий питания, а также при нарушениях иннервации, деятельности желез внутренней секреции и др.
В костной ткани происходят постоянное обновление веществ, приспособление к изменяющимся условиям, под влиянием которых перестраивается внутренняя структура и изменяется форма кости. Суть перестройки заключается в постоянно происходящих двух противоположных процессах резорбции (от лат. resorbtion - разрушение) и регенерации (от лат. regeneration - создание). Эти процессы обеспечивают обновление костного вещества, исключая возможность изнашивания.
Под действием механической нагрузки в костной ткани возникают упругие деформации, служащие источником генерирования электрических потенциалов.
Регенеративные процессы в костях осуществляют камбиальные элементы надкостницы, которые реагируют активным митозом на повреждение кости. При переломах непосредственного срастания разошедшихся участков не происходит, так как клетки в этих участках гибнут. В надкостнице, расположенной рядом с переломом, примерно через 1 сут камбиальные клетки интенсивно делятся и формируется костная мозоль. При быстром врастании кровеносных сосудов среди делящихся клеток появляются остеобласты, которые и участвуют в формировании остеогенной балки, связывающей участки поврежденной кости. В случае, когда задерживается врастание кровеносных сосудов, между участками сломанной кости развивается хрящевая ткань, которая в дальнейшем замещается костной тканью, по типу эндохондрального окостенения.
В эпифизе эндохондральное окостенение направляется к мет- эпифизарной пластинке. Причем в эпифизе окостенение происходит значительно дольше, чем в диафизе.
Иногда в организме развиваются кости в нетипичных участках, например в оболочках глазного яблока, оболочках кровеносных сосудов, почках, щитовидной и молочной железах. Такой нетипичный рост костной ткани называют эктопическим развитием костной ткани, которое происходит на основе митоза камбиальных клеток, расположенных по ходу кровеносных сосудов.
Кости выполняют функции опоры и движения за счет соединения между собой (учение о соединении костей - синдесмология). Соединения костей подразделяют на непрерывные, переходного типа - полусуставы, или симфизы, прерывные, или синовиальные (суставы).
Непрерывные соединения, или синартроз,-неподвижное или малоподвижное соединение с помощью плотной соединительной ткани между костями осевого скелета. Такое соединение является наиболее древним в филогенезе. Особенность синарт- роза - отсутствие суставной щели между соединяющимися костями.
В зависимости от ткани, формирующей синартроз, различают фиброзные, хрящевые и костные соединения.
Фиброзные соединения, или синдесмозы, - соединения с помощью связок, межкостных перепонок (мембран), швов и так называемых вколачиваний.
Связки представляют собой толстые пучки волокон, называемые пластинками, которые «переходят» от одной кости к другой, укрепляя или ограничивая движения суставов. В участках, где наблюдают «расхождение» при движении костных элементов, например желтые связки, выйная связка, имеется большое количество эластических волокон.
Межкостные перепонки представляют собой обширные пластины из плотной соединительной ткани, называемые мембранами, которые натянуты между костями атлантозатылочного сустава, запирателей тазовых костей, предплечья, голени.
Швы соединяют края костей крыши мозгового и лицевого отделов черепа между собой с помощью тонких прослоек плотной соединительной ткани. Линию костного шва, не прерываясь, покрывает надкостница. С возрастом животного происходит «зарастание швов» - коллагеновые волокна плотной соединительной ткани замещаются на кальцифицированную ткань и превращаются в ретикулофиброзную, или грубоволокнистую, костную ткань.
Костный шов имеет различную структуру и прочность; по строению соприкасающихся костей различают швы: чешуйчатый, зубчатый, гладкий. В частности, мозговой отдел связан с лицевым с помощью чешуйчатого шва, между костями крыши - зубчатые швы, кости лицевого отдела между собой соединяются гладким, или гармоничным, швом.
Самым прочным является чешуйчатый шов: истонченный край одной кости надвигается в виде чешуи на истонченный край другой кости. Чешуйчатый шов находится там, где требуется особая прочность, - между височной и теменной костями, так как височная кость участвует в формировании челюстного сустава. Второй по прочности - зубчатый шов. Он встречается там, где зубцы на краю одной из соприкасающихся костей входят в вырезки между зубцами другой кости. Зубчатый шов находится между лобной и теменной костями. Гладкий шов соединяет более или менее ровные края костей, например носовые кости. Прочность гладкого шва незначительная.
Вколачивание (гомофозис) - соединение зуба с костной тканью альвеолы, где между корнем зуба и альвеолой имеется плотная соединительная ткань, так называемая луночковая надкостница. Края надкостницы врастают с одной стороны в луночку, с другой - в цемент, покрывающий корень зуба.
Хрящевые соединения, или синхондрозы, различают постоянные (между ребрами и реберными хрящами, телами позвонков, сегментами грудины) и временные - сохраняются лишь до определенного возраста, затем замещаются костной тканью (соединяют эпифиз и диафиз трубчатой кости, кости черепа, кости таза).
Синхондрозы отличаются прочностью, которая зависит от толщины хрящевой прослойки между костями. Различают следующие типы синхондрозов: симфизы, синостозы, суставы или прерывные синовиальные соединения.
Костные соединения, или синостозы (от гр. sym - вместе, os - кость), образуются по мере окостенения синхондрозов. При этом в межклеточном веществе хрящевой ткани откладываются кристаллы гидроксиапатита и аморфного трикальций- фосфата.
Соединения переходного типа, или симфизы (от гр. symphisis - срастание), образуют соединения между ребрами и реберными хрящами, а также тазовый шов. Симфизы представляют собой хрящевые соединения, лишенные суставной капсулы. В толще хряща имеется щелевидная полость, заполненная синовиальной жидкостью.
Прерывные соединения, или суставы, представляют собой подвижные соединения костей, при которых между костями имеется суставная щель.
Суставы широко представлены в организме животных и отличаются разнообразием структуры, которое связано с выполняемой функцией. В зависимости от количества, структурных особенностей и взаимоотношений суставных поверхностей костей различают следующие типы суставов: простые, комбинированные, сложные, комплексные. Простые суставы имеют две суставные поверхности (плечевой, тазобедренный); комбинированные - одна суставная поверхность сочетает в себе движения в различных направлениях (локтевой); сложные - более двух суставных поверхностей (запястный, заплюсневый). Комплексные суставы - между суставными поверхностями имеется диск, или мениск, разделяющий полость сустава на два отдела (височно-нижнечелюстной, коленный).
В суставах имеются вспомогательные образования, предназначенные для устранения несоответствия суставных поверхностей по форме: синовиальные складки, суставные диски, мениски, суставные губы и синовиальные сумки. Например, в коленном суставе имеются синовиальные складки, содержащие скопления жировой ткани.
По форме суставных поверхностей, определяющих число осей вращения, суставы делят на одно-, двух- и многоосные.
Одноосные суставы различают: цилиндрические (атлантоосевой), блоковидные (межфаланговые) и винтообразные (берцовотаранный).
Двухосные суставы различают: мыщелковые (атлантозатылочный и коленный) и эллипсоидные (лучезапястный, пястно-фаланговый, плюснефаланговый).
Многоосные суставы классифицируют на шаровидные (плечевой, тазобедренный) и плоские (дугоотросчатый, крестцово- подвздошный, межзапястный, запястно-пястные, предплюсне- плюсневые).
Сустав состоит из суставных хрящей, покрывающих контактирующие между собой части костей, суставной капсулы и суставной полости, заполненной синовиальной жидкостью.
Суставной хрящ представлен гиалиновым хрящом, исключение составляет височно-нижнечелюстной сустав, образованный волокнистым хрящом. Суставной хрящ имеет гладкую поверхность, за счет чего уменьшается трение. Суставной хрящ лишен кровеносных сосудов и отделен от подлежащей кости извилистой линией, которая образует выпячивания в сторону хряща. В имеющиеся выпячивания проникают клубочковидные кровеносные капилляры костной ткани. Питание хряща происходит двумя способами: за счет синовиальной среды сустава (диффузно-компрессионный); за счет сосудов субхондральной кости.
Суставная капсула прочно срастается с надкостницей и герметично закрывает суставную полость. Как и в надкостнице, в суставной капсуле имеется множество сосудов и нервов, нервные окончания проникают в синовиальный слой. Суставная капсула состоит из двух слоев: наружной фиброзной мембраны и внутренней синовиальной мембраны.
Наружный фиброзный слой, или фиброзная мембрана, состоит из плотной волокнистой соединительной ткани. В ряде участков фиброзная мембрана имеет утолщения - связки, укрепляющие суставную капсулу. В зависимости от расположения различают связки следующих типов: капсульные (располагаются в толще капсулы), внекапсульные, внутрикапсульные (внутри сустава).
Внутренний слой капсулы образован тонкой гладкой блестящей синовиальной мембраной, выстилающей изнутри наружную фиброзную мембрану капсулы сустава и продолжающуюся на поверхности кости, не покрытой суставным хрящом.
Синовиальная мембрана состоит из плоской и ворсинчатой поверхностей, имеющих множество выростов - синовиальных ворсинок с кровеносными сосудами и вырабатывающих синовиальную жидкость за счет ультрафильтрации. Количество ворсинок прямо пропорционально степени подвижности сустава.
Синовиальная мембрана представляет собой пластинку, герметично закрывающую узкую щель - суставную полость с синовиальной жидкостью.
На поверхности пластинки, образованной коллагеновыми и ретикулярными волокнами, располагается слой клеток - синовио- цитов двух типов. Первый тип - секреторные клетки, вырабатывающие синовиальную жидкость; второй тип - фагоцитарные, выполняющие защитную функцию.
Суставная полость - герметично закрытая синовиальной мембраной щель, располагающаяся между суставными поверхностями костей и имеющая форму, зависящую от формы сочленяющихся поверхностей, наличия вспомогательных образований или связок внутри капсулы. Суставная полость может вмещать в себя лишь небольшое количество синовиальной жидкости, например полость коленного сустава вмещает 2,0...2,5 см 3 .
Синовиальная жидкость содержит около 95 % воды, остальная часть представлена белками, солями и гиалуроновой кислотой. Функции синовиальной жидкости заключаются в обеспечении трофики поверхностных слоев суставного хряща и универсальной суставной смазки.
Важной характеристикой сустава является подвижность и соответствие размеров и формы суставных поверхностей. Подвижность сустава с возрастом животного уменьшается, что связано со склерозом сосудов (от лат. sclerosis - уплотнение или отвердение ткани или органа), а также с деструктивными изменениями (от лат. destruxi - разрушение) в тканях сустава. Несоответствие размеров и формы суставных поверхностей сопровождается дисплазией (от лат. dysplasia - нарушение развития органов или тканей).
КОСТНЫЕ ТКАНИ
Строение: клетки и межклеточное вещество.
Виды костной ткани: 1) ретикулофиброзная, 2) пластинчатая.
Также к костным тканям относятся специфические для зубов ткани: дентин, цемент.
В костной ткани 2 дифферона клеток : 1) остеоцит и его предшественники, 2) остеокласт.
Дифферон остеоцита : стволовые и полустволовые клетки, остеогенные клетки, остеобласты, остеоциты.
Клетки образуются из малодифференцированных клеток мезенхимы; у взрослых стволовые и полустволовые клетки имеются во внутреннем слое надкостницы, во время образования кости находятся на ее поверхности и вокруг внутрикостных сосудов.
Остеобласты способны к делению, располагаются группами, имеют неровную поверхность и короткие отростки, связывающие их с соседними клетками. В клетках хорошо развит синтетический аппарат, т.к. остеобласты участвуют в образовании межклеточного вещества: синтезируют белки матрикса (остеонектин, сиалопротеин, остеокальцин), коллагеновые волокна, ферменты (щелочная фосфатаза и др.).
Функция остеобластов: синтез межклеточного вещества, обеспечение минерализации.
Основные факторы, активирующие остеобласты: кальцитонин, тироксин (гормоны щитовидной железы); эстрогены (гормоны яичников); витамины С, Д; пьезо-эффекты, возникающие в кости при сжимании.
Остеоциты – замурованные в минерализованное межклеточное вещество остеобласты. Клетки находятся в лакунах – полостях межклеточного вещества. Своими отростками остеоциты контактируют друг с другом, вокруг клеток в лакунах находится межклеточная жидкость. Синтетический аппарат развит слабее, чем в остеобластах.
Функция остеоцитов: поддержание гомеостаза в костной ткани.
Остеокласт. Дифферон остеокласта включает дифферон моноцита (развивается в красном костном мозге), затем моноцит выходит из кровеносного русла и трансформируется в макрофаг. Несколько макрофагов сливаются, и образуется многоядерный симпласт – остеокласт. В остеокласте много ядер, большой объём цитоплазмы. Характерна полярность (наличие функционально неравнозначных поверхностей): зона цитоплазмы, прилегающая к костной поверхности, называется гофрированной каёмкой, здесь много цитоплазматических выростов и лизосом.
Функции остеокластов : разрушение волокон и аморфного вещества кости.
Резорбция кости остеокластом: первый этап – прикрепление к кости с помощью белков (интегрины, витронектины и др.) для обеспечения герметизации; второй этап – закисление и растворение минералов в участке разрушения путем накачивания ионов водорода с участием АТФаз мембран гофрированного края; третий этап – растворение органического субстрата кости с помощью ферментов лизосом (гидролазы, коллагеназы и др.), которые остеокласт выводит экзоцитозом в зону разрушения.
Факторы, активирующие остеокласты: гормон паращитовидной железы паратирин; пьезо-эффекты, возникающие в кости при ее растяжении; невесомость; отсутствие физической нагрузки (иммобилизация) и др.
Факторы, угнетающие остеокласты: гормон щитовидной железы кальциотонин, гормоны яичников эстрогены.
Межклеточное вещество кости состоит из коллагеновых волокон (коллаген I, V типов) и основного (аморфного) вещества, состоящего из 30% органических и 70% неорганических веществ. Органические вещества кости: гликозаминогликаны, протеогликаны; неорганические вещества: фосфат кальция, в основном в виде кристаллов гидроксиапатита.
Наибольший объем у взрослого человека составляет пластинчатая костная ткань, которая бывает компактная и губчатая. На поверхности пластинчатых костей в зоне прикрепления сухожилий, а также в швах черепа находится ретикулофиброзная костная ткань.
Кость как орган состоит из нескольких тканей: 1) костная ткань, 2) надкостница: 2а) наружный слой – ПВНСТ, 2б) внутренний слой – РВСТ, с кровеносными сосудами и нервами, а также стволовыми и полустволовыми клетками.
1. РЕТИКУЛОФИБРОЗНАЯ (ГРУБОВОЛОКНИСТАЯ) КОСТНАЯ ТКАНЬ
Эта ткань формируется у плодов человека как основа костей. У взрослых она представлена незначительно и находится в швах черепа в местах прикрепления сухожилий к костям.
Строение: остеоциты и межклеточное вещество, в котором пучки коллагеновых минерализованных волокон расположены хаотично. Остеоциты находятся в костных полостях. С поверхности участки кости покрыты надкостницей, из которой ретикулофиброзная костная ткань получает питательные вещества путем диффузии.
ПЛАСТИНЧАТАЯ (ТОНКОВОЛОКНИСТАЯ) КОСТНАЯ ТКАНЬ – основной вид костной ткани во взрослом организме. Строение: остеоциты и межклеточное вещество, состоящее из волокон (коллагеновые или оссеиновые) и аморфного вещества. Межклеточное вещество представлено пластинками толщиной 3-10 мкм. В пластинке волокна располагаются параллельно друг другу, волокна соседних пластинок лежат под углом друг к другу. Между пластинками находятся тела остеоцитов в лакунах, а костные канальцы с отростками остеоцитов пронизывают пластинки под прямым углом.
Виды пластинчатой костной ткани . Из пластинчатой костной ткани построены компактное и губчатое вещество большинства плоских и трубчатых костей.
В губчатом веществе костные пластинки прямые, входят в состав трабекул – комплекс 2-3 параллельно расположенных пластинок. Трабекулы отграничивают полости заполненные красным костным мозгом.
В компактной кости наряду с прямыми пластинками находятся концентрические пластинки, образующие остеоны .
Гистологическое строение трубчатой кости как органа . Трубчатая кость состоит из диафиза – полой трубки, состоящей из прочной компактной кости, и эпифизов – расширяющихся концов этой трубки, построенные из губчатого вещества.
Кость как орган состоит из пластинчатой костной ткани, снаружи и со стороны костномозговой полости она покрыта соединительнотканными оболочками (надкостница, эндост). В полости кости находится красный и жёлтый костный мозг, кровеносные и лимфатические сосуды и нервы.
В кости различают компактное (кортикальное) вещество кости и губчатое (трабекулярное) вещество , которые образованы пластинчатой костной тканью. Надкостница, или периост , состоит из наружного (ПВНСТ или ПВОСТ) и внутреннего слоя (РВСТ). Внутренний слой содержит остеогенные камбиальные клетки, преостеобласты, остеобласты. Надкостница принимает участие в трофике костной ткани, развитии, росте и регенерации. Эндост – оболочка, покрывающая кость со стороны костного мозга, образован рыхлой волокнистой соединительной тканью, где имеются остеобласты и остеокласты, а также другие клетки РВСТ. Суставные поверхности эпифизов не имеют надкостницы и надхрящницы. Они покрыты разновидностью гиалинового хряща – суставным хрящом.
Строение диафиза . Диафиз состоит из компактного вещества (кортикальной кости), в котором различают три слоя: 1) наружный слой общих пластинок; 2) средний слой –остеонный; 3) внутренний слой общих пластинок.
Наружные и внутренние общие пластинки – это прямые пластинки, в них остеоциты получат питание из надкостницы и эндоста. В наружных общих пластинках находятся прободающие (фолькмановы) каналы, по которым из надкостницы внутрь кости входят сосуды. В среднем слое большинство костных пластинок располагаются в остеонах, а между остеонами лежат вставочные пластинки – остатки старых остеонов после перестройки кости.
Остеоны являются структурными единицами компактного вещества трубчатой кости. Они представляют собой цилиндрические образования, состоящие из концентрических костных пластинок, как бы вставленных друг в друга. В костных пластинках и между ними располагаются тела костных клеток и их отростки, проходящие в межклеточном веществе. Каждый остеон отграничен от соседнего остеона спайной линией, образованной основным веществом. В центре каждого остеона находится канал (Гаверсов канал ), где проходят кровеносные сосуды с РВСТ и остеогенными клетками. Сосуды каналов остеонов сообщаются друг с другом и с сосудами костного мозга и надкостницы. На внутренней поверхности диафиза, граничащей с костномозговой полостью, находятся костные перекладины губчатого вещества кости.
Строение эпифиза. Эпифиз состоит из губчатого вещества, костные трабекулы (балки) которого ориентированы вдоль силовых линий нагрузки, обеспечивая прочность эпифизу. В пространствах между балками находится красный костный мозг.
Васкуляризация костной ткани. Кровеносные сосуды образуют во внутреннем слое надкостницы густую сеть. Отсюда берут начало тонкие артериальные веточки, которые кровоснабжают остеоны, проникают в костный мозг через питательные отверстия и образуют питающую сеть капилляров, проходящую по остеонам.
Иннервация костной ткани. В надкостнице миелиновые и безмиелиновые нервные волокна образуют сплетения. Часть волокон сопровождают кровеносные сосуды и проникают с ними через питательные отверстия в каналы остеонов и далее достигают костного мозга.
Перестройка и обновление костной ткани. В течение всей жизни человека происходит перестройка и обновление костной ткани. Разрушаются первичные остеоны и одновременно появляются новые, как на месте старых остеонов, так со стороны периоста. Под влиянием остеокластов костные пластинки остеона разрушаются, и на этом месте образуется полость. Этот процесс называется резорбцией костной ткани. В полости вокруг оставшегося сосуда появляются остеобласты, которые начинают строить новые пластинки, концентрически наслаивающиеся друг на друга. Так возникают вторичные генерации остеонов. Между остеонами располагаются остатки разрушенных остеонов прежних генераций – вставочные пластинки .
Надо отметить, в невесомости (в отсутствие силы тяжести и сил притяжения Земли) происходит разрушение костной ткани остеокластами, что предотвращается у космонавтов физическими упражнениями.
Возрастные изменения. С возрастом увеличивается общая масса соединительнотканных образований, изменяется соотношение типов коллагена, гликозаминогликанов, больше становится сульфатированных соединений. В эндосте стареющей кости уменьшается популяция остеобластов, но возрастает активность остеокластов, что ведет к истончению компактного слоя и перестройке губчатого вещества кости.
У взрослых полная смена образований кости зависит от ее размера и для бедра составляет 7-12 лет, для ребра 1 год. У пожилых лиц, у женщин в менопаузе происходит выраженная декальцинация костей – остеопороз.
Развитие костной ткани в эмбриогенезе и в постнатальный период
У зародыша человека к началу органогенеза (3-5 недели) нет костной ткани. На месте будущих костей находятся остеогенные клетки или же хрящевые образования (гиалиновый хрящ). На 6 неделе эмбриогенеза создаются необходимые условия (активное развитие хориона – будущей плаценты, и прорастание сосудов с обеспечением кислородом), и начинается развитие костной ткани в эмбриогенезе, а затем после рождения (постэмбриональное развитие).
Развитие костной ткани у эмбриона осуществляется двумя способами: 1) прямой остеогенез – непосредственно из мезенхимы; и 2) непрямой остеогенез – на месте ранее развившейся из мезенхимы хрящевой модели кости. Постэмбриональное развитие костной ткани происходит при физиологической регенерации.
Прямой остеогенез характерен при формировании плоских костей (например, костей черепа). Он наблюдается уже в первый месяц эмбриогенеза и включает три основные стадии: 1) формирование остеогенных островков из размножающихся клеток мезенхимы; 2) дифференцировка клеток остеогенных островков в остеобласты и образование органического матрикса кости (остеоида), при этом часть остеобластов превращаются в остеоциты; другая часть остеобластов оказывается не поверхности межклеточного вещества, т.е. на поверхности кости, эти остеобласты войдут в состав надкостницы; 3) обызвествление (кальцификация) остеоида – межклеточное вещество пропитывается солями кальция; образуется ретикулофиброзная костная ткань; 4) перестройка и рост кости – старые участки грубоволокнистой кости постепенно разрушаются и на их месте образуются новые участки пластинчатой кости; за счет надкостницы образуются общие костные пластинки, за счет остеогенных клеток, находящихся в адвентиции сосудов кости, образуются остеоны.
Развитие кости на месте ранее образованной хрящевой модели (непрямой остеогенез). Этот вид развития кости характерен для большинства костей скелета человека (длинные и короткие трубчатые кости, позвонки, кости таза). Первоначально формируется хрящевая модель будущей кости, которая служит основой для ее развития, а в дальнейшем хрящ разрушается и замещается костной тканью.
Непрямой остеогенез начинается на втором месяце эмбрионального развития, заканчивается к 18-25 годам и включает следующие стадии:
1) образование хрящевой модели кости из мезенхимы в соответствии с закономерностями гистогенеза хряща;
2) образование перихондральной костной манжетки : во внутреннем слое надхрящницы дифференцируются остеобласты, которые начинают образовывать костную ткань; надхрящница заменяется надкостницей;
3) образование энхондральной кости в диафизе : перихондральная кость нарушает питание хряща, в результате в диафизе появляются остеогенные островки из врастающей сюда мезенхимы с кровеносными сосудами. Параллельно этому остеокласты разрушают кость с образованием костно-мозговой полости;
4) образование энхондральной кости в эпифизе ;
5) формирование эпифизарной пластинки роста в хряще (метаэпифизарный хрящ): на границе эпифиза и диафиза хондроциты собираются в колонки, так как рост неизмененных дистальных отделов хряща продолжается. В колонке хондроцитов идут два противоположно направленных процесса: с одной стороны размножение хондроцитов и рост хряща (столбчатые клетки ) в его дистальном отделе и в околокостной зоне дистрофические изменения (пузырчатые хондроциты ).
6) перестройка ретикулофиброзной костной ткани в пластинчатую: старые участки кости постепенно разрушаются и на их месте образуются новые; за счет надкостницы образуются общие костные пластинки, за счет остеогенных клеток, находящихся в адвентиции сосудов кости, образуются остеоны.
Со временем в метаэпифизарной пластинке хряща процессы разрушения клеток начинают преобладать над процессом новообразования; хрящевая пластинка истончается и исчезает: кость перестаёт расти в длину. Периост обеспечивает рост трубчатых костей в толщину путём аппозиционного роста . Количество остеонов после рождения невелико, но уже к 25 годам их число значительно увеличивается.
Регенерация костной ткани. Физиологическая регенерация костных тканей и их обновление происходят медленно за счет остеогенных клеток надкостницы и остеогенных клеток в канале остеона. Посттравматическая регенерация (репаративная) протекает быстрее. Последовательность регенерации соответствует схеме остеогенеза. Процессу минерализации кости предшествует формирование органического субстрата (остеоида), в толще которого могут образоваться балки хряща (при нарушенном кровоснабжении). Оссификация в этом случае будет идти по типу непрямого остеогенеза (см. схему непрямого остеогенеза).
Костные ткани (textus ossei) -- это специализированный тип соединительной ткани с высокой минерализацией межклеточного органического вещества, содержащего около 70% неорганических соединений, главным образом фосфатов кальция. В костной ткани обнаружено более 30 микроэлементов (медь, стронций, цинк, барий, магний и др.), играющих важнейшую роль в метаболических процессах в организме.
Органическое вещество -- матрикс костной ткани -- представлено в основном белками коллагенового типа и липидами. По сравнению с хрящевой тканью в нем содержится относительно небольшое количество воды, хондроитинсерной кислоты, но много лимонной и других кислот, образующих комплексы с кальцием, импрегнирующим органическую матрицу кости.
Таким образом, твердое межклеточное вещество костной ткани (в сравнении с хрящевой тканью) придает костям более высокую прочность, и в тоже время - хрупкость.
Органические и неорганические компоненты в сочетании друг с другом определяют механические свойства костной ткани -- способность сопротивляться растяжению и сжатию.
Несмотря на высокую степень минерализации, в костных тканях происходят постоянное обновление входящих в их состав веществ, постоянное разрушение и созидание, адаптивные перестройки к изменяющимся условиям функционирования. Морфофункциональные свойства костной ткани меняются в зависимости от возраста, физических нагрузок, условий питания, а также под влиянием деятельности желез внутренней секреции, иннервации и других факторов.
Классификация
Существует два основных типа костной ткани:
- · ретикулофиброзная (грубоволокнистая),
- · пластинчатая.
Эти разновидности костной ткани различаются по структурным и физическим свойствам, которые обусловлены главным образом строением межклеточного вещества. В грубоволокнистой ткани коллагеновые волокна образуют толстые пучки, идущие в разных направлениях, а в пластинчатой ткани костное вещество (клетки, волокна, матрикс) образуют системы пластинок.
К костной ткани относятся также дентин и цемент зуба, имеющие сходство с костной тканью по высокой степени минерализации межклеточного вещества и опорной, механической функции.
Клетки костной ткани: остеобласты, остеоциты и остеокласты. Все они развиваются из мезенхимы, как и клетки хрящевой ткани. Точнее - из мезенхимных клеток склеротома мезодермы. Однако остеобласты и остеоциты связаны в своём диффероне так же, как фибробласты и фиброциты (или хондробласты и ходроциты). А остеокласты имеют иное, - гематогенное происхождение.
Костный дифферон и остеогистогенез
Развитие костной ткани у эмбриона осуществляется двумя способами:
- 1) непосредственно из мезенхимы, - прямой остеогенез;
- 2) из мезенхимы на месте ранее развившейся хрящевой модели кости, - это непрямой остеогенез.
Постэмбриональное развитие костной ткани происходит при ее физиологической и репаративной регенерации.
В процессе развития костной ткани образуется костный дифферон:
- · стволовые клетки,
- · полустволовые клетки (преостеобласты),
- · остеобласты (разновидность фибробластов),
- · остеоциты.
Вторым структурным элементом являются остеокласты (разновидность макрофагов), развивающиеся из стволовых клеток крови.
Стволовые и полустволовые остеогенные клетки морфологически не идентифицируются.
Остеобласты (от греч. osteon -- кость, blastos -- зачаток), -- это молодые клетки, создающие костную ткань. В кости они встречаются только в надкостнице. Они способны к пролиферации. В образующейся кости остеобласты покрывают почти непрерывным слоем всю поверхность развивающейся костной балки.
Форма остеобластов бывает различной: кубической, пирамидальной или угловатой. Размер их тела около 15--20 мкм. Ядро округлой или овальной формы, часто располагается эксцентрично, содержит одно или несколько ядрышек. В цитоплазме остеобластов хорошо развиты гранулярная эндоплазматическая сеть, митохондрии и аппарат Гольджи. В ней выявляются в значительных количествах РНК и высокая активность щелочной фосфатазы.
Остеоциты (от греч. osteon -- кость, cytus -- клетка) -- это преобладающие по количеству зрелые (дефинитивные) клетки костной ткани, утратившие способность к делению. Они имеют отростчатую форму, компактное, относительно крупное ядро и слабобазофильную цитоплазму. Органеллы развиты слабо. Наличие центриолей в остеоцитах не установлено.
Костные клетки лежат в костных лакунах, которые повторяют контуры остеоцита. Длина полостей колеблется от 22 до 55 мкм, ширина -- от 6 до 14 мкм. Канальцы костных лакун заполнены тканевой жидкостью, анастомозируют между собой и с периваскулярными пространствами сосудов, заходящих внутрь кости. Обмен веществ между остеоцитами и кровью осуществляется через тканевую жидкость этих канальцев.
Остеокласты (от греч. osteon -- кость и clastos -- раздробленный), - это клетки гематогенной природы, способные разрушать обызвествленный хрящ и кость. Диаметр их достигает 90 мкм и более, и они содержат от 3 до нескольких десятков ядер. Цитоплазма слабобазофильна, иногда оксифильна. Остеокласты располагаются обычно на поверхности костных перекладин. Та сторона остеокласта, которая прилежит к разрушаемой поверхности, богата цитоплазматическими выростами (гофрированная каемка); она является областью синтеза и секреции гидролитических ферментов. По периферии остеокласта находится зона плотного прилегания клетки к костной поверхности, которая как бы герметизирует область действия ферментов. Эта зона цитоплазмы светлая, содержит мало органелл, за исключением микрофиламентов, состоящих из актина.
Периферический слой цитоплазмы над гофрированным краем содержит многочисленные мелкие пузырьки и более крупные -- вакуоли.
Полагают, что остеокласты выделяют СО2 в окружающую среду, а фермент карбоангидраза способствует образованию угольной кислоты (Н2СО3) и растворению кальциевых соединений. Остеокласт богат митохондриями и лизосомами, ферменты которых (коллагеназа и другие протеазы) расщепляют коллаген и протеогликаны матрикса костной ткани.
Считается, что один остеокласт может разрушить столько кости, сколько создают 100 остеобластов за это же время. Функции остеобластов и остеокластов взаимосвязаны и регулируются гормонами, простагландинами, функциональной нагрузкой, витаминами и др.
Межклеточное вещество (substantia intercellularis) состоит из основного аморфного вещества, импрегнированного неорганическими солями, в котором располагаются коллагеновые волокна, образующие небольшие пучки. Они содержат в основном белок -- коллаген I и V типов. Волокна могут иметь беспорядочное направление - в ретикулофиброзной костной ткани, или строго ориентированное направление - в пластинчатой костной ткани.
костный ткань остеогистогенез кровь клетка
Костная ткань состоит из клеток и твердого межклеточного вещества, содержащего неорганические соединения; выполняет функцию опоры, участвует в трофических и обменных процессах, обеспечивает механическую защиту органов центральной нервной системы и грудной полости. В красном костном мозге осуществляются кроветворение и дифференциация клеток иммунной системы. Костная ткань содержит три вида клеток: остеобласты, остеоциты, остеокласты. Остеобласты (от лат. os - кость; blastos - росток) - малодифференцированные клетки, продуцирующие органические элементы межклеточного вещества костной ткани. Остеоциты (от лат. os - кость; cytus - клетка) располагаются в особых полостях межклеточного вещества - лакунах (от лат. lacuna - полость). Клетки имеют соответствующую лакуне форму уплощенного овала, соединяются между собой многочисленными отростками, расположенными в костных канальцах. Остеокласты (от лат. os - кость; classis - делить, дробить, разрушать) - «костедробители» - крупные, многоядерные клетки, располагаются на поверхности костной ткани в участках резорбции. Поверхность, обращенная к разрушаемой кости, имеет большее количество тонких, плотно расположенных ветвящихся отростков, образующих в совокупности гофрированную структуру. Здесь происходит синтез гидролитических ферментов, участвующих в процессах разрушения кости. Межклеточное вещество костной ткани состоит из осеиновых (коллагеновых) волокон и обызвествленного аморфного вещества, причем минеральные вещества составляют 65-70% сухой массы.
В соответствии со структурной организацией различают грубо- и тонковолокнистую кости; первые развиваются из мезенхимы на месте мезенхимы, вторые - из мезенхимы на месте хрящевой ткани. Грубоволокнистая костная ткань отличается беспорядочной ориентацией грубых пучков осеиновых волокон. Эта ткань характерна для костей ранней стадии онтогенеза, в постэмбриональный период встречается в незначительных участках организма - зубных альвеол, костей черепа вблизи костных швов, костного лабиринта внутреннего уха, области прикрепления сухожилий и связок. Тонковолокнистые (пластинчатые) кости характеризуются тем, что тонкие осе- иновые волокна, располагаясь параллельно, формируют слои - костные пластинки, смежные костные пластинки имеют различную ориентацию фибрилл. В пластинках закономерно расположены клеточные полости - лакуны, в которых находятся костные клетки и отростки, присутствующие в костных канальцах. В зависимости от положения костных пластинок различают компактное и губчатое вещество. В компактном, или плотном веществе костные пластинки сильно спрессованы между собой. Губчатое вещество обнаруживается в эпифизах трубчатых и во внутренних областях плоских костей. Губчатое вещество имеет рыхлое, но весьма прочное строение, состоит из костных пластин, расположенных в строгом соответствии с законами механики, что обеспечивает этой части кости большую сопротивляемость на разлом и значительную легкость. В ячейках между перекладинами губчатого вещества располагаются костный мозг и кровеносные сосуды.
Препарат «Костные клетки жаберной крышки селедки» (без окраски). Косточку жаберной крышки рыбы отмывают, высушивает и без окраски заключают в бальзам. При такой обработке структура межклеточного вещества на препарате не выявляется и клетки не сохраняются, но отчетливо видны костные полости, в которых располагались тела клеток. Костные клетки соединяются друг с другом посредством отростков, расположенных в костных канальцах, клетки имеют форму уплощенного овала, соответствующую костной полости (лакуне) (рис. 34).
Рис. 34
Препарат «Декальцинированная кость бедра кошки» (окраска тио- нином и пикриновой кислотой). При слабом увеличении микроскопа (х10) можно рассмотреть и зарисовать упорядоченное строение компактного вещества трубчатой кости на поперечном срезе. Снаружи кость окружена надкостницей (периост) - оболочкой из неоформленной соединительной ткани, с преобладанием плотного волокнистого материала. Наружный, более плотный слой построен из переплета толстых пучков коллагеновых волокон, здесь проходят кровеносные сосуды и нервы, которые направляются в глубокие, внутренние части кости. Внутренний слой надкостницы содержит тонкие пучки коллагеновых, эластических волокон и характеризуется наличием большого числа камбиальных клеток, называемых остеобластами, которые осуществляют рост кости. Из надкостницы пучки коллагеновых волокон, называемые прободающими (шарпе- евскими), внедряются глубоко в костную ткань, особенно обильны такие связующие волокна в участках прикрепления сухожилий. Прободающие волокна обеспечивают механическую прочность связи надкостницы с костью. Под надкостницей в диафизе выявляется компактное вещество, образованное тремя слоями: наружный слой общих генеральных костных пластин, остеонный слой, внутренний слой общих генеральных костных пластин (рис. 35).
Рис. 35 а - компактное вещество; б - структура остеона
Наружный слой общих генеральных костных пластин состоит из остеоцитов, расположенных параллельными рядами и образующих несколько тонкостенных трубчатых пластин, вложенных одна в другую. Этот слой окружает, как футляр, кость со всех сторон, в некоторых участках слой прободается фолькмановскими каналами, через которые из надкостницы входят в кость кровеносные сосуды.
Остеонный слой образован многочисленными остеонами. Ос- теон - структурно-функциональная единица костной ткани. В центре остеона располагается центральный гаверсов кровеносный канал, окруженный костными пластинами, расположенными концентрическими рядами. В промежутках между отдельными остеонами обнаруживаются системы вставочных костных пластин (или интерстициальные системы костных пластин), которые непосредственно не связаны с кровеносными сосудами или с гаверсовыми каналами и представляют собой остатки разрушенных остеонов.
Внутренний слой общих генеральных костных пластин имеет структуру, сходную со структурой с наружного слоя общих пластин.
В центре трубчатой кости располагается костно-мозговая полость, выстланная рыхлой волокнистой соединительной тканью, называемая эндоостом. В костно-мозговой полости располагается красный и желтый костный мозг.
Контрольные вопросы
- 1. Дайте структурно-функциональную характеристику клеткам и межклеточному веществу костной ткани.
- 2. Дайте классификацию костной ткани.
- 3. Как дифференцируются клетки костной ткани?
- 4. Какую функцию выполняет основное вещество костной ткани?
- 5. Назовите отличительные признаки клеток костной ткани.
- 6. Каковы основные этапы дифференцировки костной ткани?
- 7. Каковы особенности остеобластов, остеоцитов, остеокластов?
- 8. Охарактеризуйте понятия «остеон», «вставочные костные пластины», «гаверсов канал».
- 9. Что собой представляет периост и эндоост?
Различают две разновидности костных тканей:
ретикулофиброзную (грубоволокнистую);
пластинчатую (параллельно волокнистую).
В ретикулофиброзной костной ткани пучки коллагеновых волокон толстые, извилистые и располагаются неупорядочено. В минерализованном межклеточном веществе в лакунах беспорядочно располагаются остеоциты.Пластинчатая костная ткань состоит из костных пластинок, в которых коллагеновые волокна или их пучки располагаются параллельно в каждой пластинке, но под прямым углом к ходу волокон в соседних пластинках. Между пластинками в лакунах располагаются остеоциты, тогда как их отростки проходят в канальцах через пластинки.
В организме человека костная ткань представлена почти исключительно пластинчатой формой. Ретикулофиброзная костная ткань встречается только как этап развития некоторых костей (теменных, лобных). У взрослых людей они находятся в области прикрепления сухожилий к костям, а также на месте окостеневших швов черепа (стреловидный шов чешуи лобной кости).
При изучении костной ткани следует дифференцировать понятия костная ткань и кость.
3. Кость - это анатомический орган, основным структурным компонентом которого являетсякостная ткань . Кость как орган состоит изследующих элементов :
костная ткань;
надкостница;
костный мозг (красный, желтый);
сосуды и нервы.
Надкостница (периост) окружает по периферии костную ткань (за исключением суставных поверхностей) и имеет строение сходное с надхрящницей. В надкостнице выделяют наружный фиброзный и внутренний клеточный или камбиальный слои. Во внутреннем слое содержатся остеобласты и остеокласты. В надкостнице локализуются выраженная сосудистая сеть, из которой мелкие сосуды через прободающие каналы проникают в костную ткань. Красный костный мозг рассматривается как самостоятельный орган и относится к органам кроветворения и иммуногенеза.
Костная ткань в сформированных костях представлена только пластинчатой формой, однако в разных костях, в разном участке одной кости она имеет разное строение. В плоских костях и эпифизах трубчатых костей костные пластинки образуют перекладины(трабекулы) , составляющие губчатое вещество кости. В диафизах трубчатых костей пластинки прилежат друг к другу и образуют компактное вещество. Однако и в компактном веществе одни пластинки образуют остеоны, другие пластинки являются общими.
Строение диафиза трубчатой кости
На поперечном срезе диафиза трубчатой кости различают следующие слои :
надкостница (периост);
наружный слой общих или генеральных пластин;
слой остеонов;
внутренний слой общих или генеральных пластин;
внутренняя фиброзная пластинкаэндост.
Наружные общие пластинки располагаются под надкостницей в несколько слоев, не образуя однако полные кольца. Между пластинками располагаются в лакунах остеоциты. Через наружные пластинки проходят прободающие каналы, через которые из надкостницы в костную ткань проникают прободающие волокна и сосуды. С помощью прободающих сосудов в костной ткани обеспечивается трофика, а прободающие волокна связывают надкостницу с костной тканью.
Слой остеонов состоит из двух компонентов: остеонов и вставочных пластин между ними.Остеон - является структурной единицей компактного вещества трубчатой кости. Каждый остеонсостоит из :
5-20 концентрически наслоенных пластин;
канала остеона, в котором проходят сосуды (артериолы, капилляры, венулы).
Между каналами соседних остеонов имеются анастомозы. Остеоны составляют основную массу костной ткани диафиза трубчатой кости. Они располагаются продольно по трубчатой кости соответственно силовым и гравитационным линиям и обеспечивают выполнение опорной функции. При изменении направления силовых линий в результате перелома или искривления костей остеоны не несущие нагрузку разрушаются остеокластами. Однако такие остеоны разрушаются не полностью, а часть костных пластин остеона по его длине сохраняется и такие оставшиеся части остеонов называютсявставочными пластинками . На протяжении постнатального онтогенеза постоянно происходит перестройка костной ткани - одни остеоны разрушаются (резорбируются), другие образуются и потому всегда между остеонами находятся вставочные пластины, как остатки предшествующих остеонов.
Внутренний слой общих пластинок имеет строение аналогичное наружному, но он менее выражен, а в области перехода диафиза в эпифизы общие пластинки продолжаются в трабекулы.
Эндост - тонкая соединительно-тканная пластинка , выстилающая полость канала диафиза. Слои в эндосте четко не выражены, но среди клеточных элементов содержатся остеобласты и остеокласты.
4. Развитие костной ткани и костей (остеогистогенез)
Все разновидности костной ткани развиваются из одного источника - из мезенхимы, но развитие разных костей осуществляется неодинаково. Различают два способа остеогистогенеза :
развитие непосредственно из мезенхимы - прямой остеогистогенез;
развитие из мезенхимы через стадию хряща - непрямой остеогистогенез.
Посредством прямого остеогистогенеза развиваются небольшое количество костей (покровные кости черепа). При этом вначале образуется ретикулофиброзная костная ткань, которая вскоре разрушается и замещается пластинчатой.
Прямой остеогистогенез протекает в IV стадии :
I стадия образования скелетогенных островков в мезенхиме;
II стадия образования оссеоидной ткани - органического матрикса;
III стадия минерализации (кальцификации) оссеоидной ткани и образование ретикулофиброзной костной ткани;
IV стадия преобразования ретикулофиброзной костной ткани в пластинчатую костную ткань.
Непрямой остеогистогенез начинается со 2-го месяца эмбриогенеза. Вначале в мезенхиме за счет деятельности хондробластов закладывается хрящевая модель будущей кости из гиалиновой хрящевой ткани, покрытая надхрящницей. Затем происходит замена хрящевой ткани костной, вначале в диафизах, а затем в эпифизах. Окостенение в диафизе осуществляется двумя способами:перихондрально илиэнхондрально.
Вначале в области диафиза хрящевой закладки кости из надхрящницы выселяются остеобласты и образуют ретикулофиброзную костную ткань, которая в виде манжетки охватывает по периферии хрящевую ткань. В результате этого надхрящница превращается в надкостницу. Такой способ образования костной ткани называется перихондральным . После образования костной манжетки нарушается трофика глубоких частей гиалинового хряща, в области диафиза, в результате чего здесь происходит отложение солей кальция - омеление хряща. Затем, под индуктивным влиянием обызвествленного хряща, в эту зону из надкостницы через отверстие в костной манжетке прорастают кровеносные сосуды, в адвентиции которых содержатся остеокласты и остеобласты. Остеокласты разрушают омелевший хрящ, за счет деятельности остеобластов, формируется пластинчатая костная ткань в виде первичных остеонов, которые характеризуются широким просветом (каналом) в центре и нечеткими границами между пластинками. Такой способ образования костной ткани в глубине хрящевой ткани и носит названиеэнхондрального . Одновременно с энхондральным окостенением происходит перестройка грубоволокнистой костной манжетки в пластинчатую костную ткань, составляющую наружный слой генеральных пластин. В результате перихондрального и энхондрального окостенения хрящевая ткань в области диафиза замещается костной. При этом формируется полость диафиза, заполняющаяся вначале красным костным мозгом, сменяющимся затем на желтый костный мозг.
Эпифизы трубчатых костей и губчатые кости развиваются только энхондрально. Вначале в глубоких частях хрящевой ткани эпифиза отмечается омеление. Затем туда проникают сосуды с остекластами и остеобластами и за счет их деятельности происходит замена хрящевой ткани пластинчатой в виде трабекул. Периферическая часть хрящевой ткани сохраняется в виде суставного хряща. Между диафизом и эпифизом длительное время сохраняется хрящевая ткань - метаэпифизарная пластинка , за счет постоянного размножения клеток метафизарной пластинки происходит рост костей в длину. В метафизарной пластинке выделяюттри зоны клеток :
пограничная зона;
зона столбчатых клеток;
зона пузырчатых клеток.
Примерно к 20-ти годам метаэпифизарные пластинки редуцируются, происходит синостозирование эпифизов и диафиза, после чего рост костей в длину прекращается. В процессе развития костей за счет деятельности остеобластов надкостницы происходит рост костей в толщину.
Регенерация костей после их повреждения и переломов осуществляется за счет деятельности остеобластов надкостницы. Перестройка костной ткани осуществляется постоянно на протяжении всего онтогенеза - одни остеоны или их части разрушаются, другие образуются.
Факторы, влияющие на процесс остеогистогенеза и состояние костной ткани:
содержание витаминов С, D, А. Недостаток в пище витамина С приводит к нарушению синтеза коллагеновых волокон и к распаду уже существующих, что проявляется хрупкостью и усиленной ломкостью костей. Недостаточное образование витамина D в коже приводит к нарушению кальцинации костной ткани и сопровождается недостаточностью костей, их гибкостью (при рахите). Избыточное содержание витамина А активирует деятельность остеокластов, что сопровождается резорбцией костной ткани;
искривление костей приводит к развитию пьезоэлектрического эффекта, стимуляции остекластов и резорбции костной ткани;
социальные факторы - питание, освещение и другие;
факторы окружающей среды - экология.