Костная ткань и кроветворный мозг
Термином «костный мозг» обозначают содержимое костномозговых полостей. Костный мозг многокомпонентен по составу, в него входят кроветворная, жировая, ретикулярная ткани, кровеносные сосуды и очень разнообразные клеточные элементы — периваскулярные адвентициальные клетки, недифференцированные полипотентные и дифференцирующиеся точные элементы.
Анатомотопографическая близость костной и кроветворной тканей не случайна: она отражает своеобразие структурно-функциональных связей между этими двумя видами тканей.
Среди многочисленных клеточных элементов костного мозга остеогенетическими свойствами обладают определенные клеточные элементы |костномозговых пространств - недифференцированные, адвентициальные и ретикулярные клетки. Таким образом, лишь эти клетки могут быть отнесены к эндостальным элементам.
В эмбриональном периоде костный мозг возникает в непосредственной связи с эндохондральным остеогенезом, так как первичные очаги миелогенеза в энхондральном процессе формируются на основе кровеносных капилляров.
Теснейшая связь между кровеносными капиллярами, синусоидами и костномозговым кроветворением сохраняется и у взрослого человека Вместе с тем существуют доказательства того, что адвентициальные клетки кровеносных капилляров — предшественники преостеобластов и остеобластов.
Костномозговое кроветворение и костеобразовательный процесс объединены единой системой кровоснабжения кости и костного мозга. Костный мозг имеет богатую и своеобразную сосудистую сеть. Схема структурной организации кровоснабжения костного мозга следующая. От артерии, проходящей в центре костномозгового канала в направлении эндостальной поверхности кортикального слоя, распространяются кровеносные Капилляры. В области эндостальной поверхности и во внутренних отделах кортикального слоя капилляры анастомозируются с другими капиллярами, также несущими артериальную кровь и проходящими со стороны периоста. Вблизи эндостальных поверхностей кортикального слоя «объединившиеся» капилляры впадают в широкие венозные синусоиды. Из синусоидов кровь по венам поступает в центральные вены. А.В.Русаков (1959) отмечал, что своеобразные взаимоотношения между сравнительно слабо развитой артериальной сетью и мощным разветвлением венозных капилляров создают условия для замедления тока крови в костномозговых пространствах. Причем наиболее широкими венозные синусы становятся при интенсификации перестройки кости.
Стромой кроветворной ткани служит широкопетлистая сеть ретикулярных клеток, в петлях, ячейках которой как бы «упакованы» дольки кроветворной ткани. Взаиморасположение ретикулярных волокон и клеток по отношению к капиллярам таково, что ретикулярные клетки фактически являются адвентициальными по отношению к наружной поверхности капилляров и синусоидов.
Таким образом, остеогенетические свойства недифференцированных клеточных элементов и перицитарных ретикулярных клеток костного мозга зависят, наряду с рядом других факторов, от уровня кровоснабжения костного мозга и функционального состояния костной ткани.
Васкуляризация кости
Жизнедеятельность костной ткани, костных органов во все возрастные периоды неотделима от их кровоснабжения. Причем напряженность кровотока и кости достаточно высока — 5% крови от сердечного выброса размещено в костной ткани. Скорость кровотока в костях лишь в 2 раза меньше, чем в головном мозге.
Корреляция между сосудистой архитектоникой и общей архитектурой кости прослеживается в виде:
1) образования обильной сети мелких, анастомозирующих сосудов и надкостнице;
2) особенностей распределения сосудов в костной ткани - расположении магистральных сосудистых стволов соответственно распределению силовых внутрикостных нагрузок;
3) кровоснабжения каждого участка кости из нескольких источников, образующих многочисленные анастомозы;
4) однотипности распределения сосудов, идущих радиально к выпуклой поверхности кости, и соединение поперечными анастомозами;
5) локальных особенностей кровоснабжения (М.Г. Привес, 1938).
Возрастная эволюция внутрикостного кровообращения может быть представлена в виде нескольких этапов.
1) Неонатальный (фетальный), свойственен плоду, когда сосудистое русло кости разделено на ряд сосудистых районов, не сообщающихся между собой. Сосуды в таких «замкнутых» зонах имеют концевой характер.
2) Инфантильный, присущ детям, наблюдается в связи (окостенением эпифизов у детей до формирования синостозов. Сосудистые районы еще разобщены, но в пределах каждого из них сосуды анастомозируют друг с другом.
3) Ювенильный, свойствен юношам, соответствует началу образования синостозов. Между сосудами эпифиза и метафиза, через метаэпифизарный хрящ устанавливается связь. Замкнутость эпи-, мета- и диафизарных сосудов исчезает.
4) Зрелый, присущ взрослым, при нем, параллельно синостозированию, все внутрикостные сосуды соединяются в единую систему.
5) Сенильный, свойственен старикам, характеризуется уменьшением количества сосудов, истончением магистралей.
А.В. Русаков (1959) подчеркивает, что судьба костной ткани, ее формирование зависят не только от количества притекающей крови, но и от смены гиперемических, застойных и анемических состояний, регулируемых нервной системой.
Важно отметить, что степень кровоснабжения зоны регенерации при повреждениях кости определяет тканевую направленность регенераторного процесса и тип образования костной ткани в формирующейся мозоли.
Сложная структура кости находится в прямой зависимости от ее микроциркуляторного русла. Степень заинтересованности сосудов при повреждении кости имеет существенное значение для качественной и количественной стороны регенераторного процесса и его конечных результатов.
По мнению большинства авторов, длинные трубчатые кости получают питание из трех источников. В длинных трубчатых костях обычно имеется одна питательная артерия (у человека в бедренной кости их может быть две), которая является непосредственным продолжением артерии системного кровообращения. Войдя в костномозговое пространство, артерия делится на две ветки — восходящую и нисходящую, которые снабжают длинную кость кровью на всем протяжении диафиза. Питательная артерия является главной артерией — источником крови для широкой сети синусоидальных сосудов костного мозга.
Значительная часть ее мелких ветвей проникает через эндостальную поверхность, обеспечивая питание 50-70% толщины кортикальной пластинки кости.
Многочисленные перфорирующие артерии метафиза и эпифиза возникают из околосуставных сосудистых сплетений и входят в расширенные концы трубчатых костей, кровоснабжая метафиз и эпифиз. Показано наличие сосудов, проникающих из надкостницы.
Несмотря на то, что костное вещество и заключенный в него костный мозг представляют собой различные органные системы, их сосудистые сети во многих отношениях тесно взаимосвязаны.
Остеон — система, морфологические компоненты которого находятся в постоянном функциональном взаимодействии Соседние остеоны анастомозируют друг с другом. Объединение отдельных остеонов в единую систему обусловлено непосредственной связью гаверсовых каналов между собой Характерной особенностью гаверсовых каналов остеонов длинных трубчатых костей является их продольная ориентация относительно длинной оси кости.
Характер связи между соседними каналами остеонов может быть различным. Это могут быть короткие прямые анастомозы с диаметром, равным диаметру гаверсова канала, имеются дугообразные соединяющие капы, идущие под острым углом к длинной оси кости, и каналы, имеющие сравнительно небольшой просвет и без определенной ориентации, для которых характерно сложное пространственное расположение в толще костного вещества. Эти каналы носят название — фолькмановские, или прободающие, проникающие в кость со стороны надкостницы и костномозговой полости, а также каналы, прободающие костные пластинки и обеспечивающие дополнительные межостеонные связи. Протяженность сосудистых каналов различна (рис 5).
К особенностям микроциркуляторного русла компактною вещества можно отнести наличие своеобразных «узлов связи» между несколькими сосудами соседних каналов остеонов. Эти расширения расцениваются как «сосудистые коллекторы», исполняющие роль функциональных распределителей крови, которые, возможно, способствуют ее депонированию при затруднении венозного оттока. Как регулирующую систему микроциркуляторного русла в компактном веществе кости можно рассматривать сеть капилляров фолькмановских каналов.
Между стенкой сосудов и волокнистым каркасом остеона имеются соединительные элементы - своеобразные «струны», которые поддерживают сосуд в «подвешенном» состоянии в просвете канала. Кровоток кости близок по напряженности к кровотоку скелетной мышцы. Учитывая, что значительная часть скелета состоит из неорганического вещества, кровоток на единицу клеток клеточной массы значительно выше. Таким образом, кость в определенном смысле обладает более высокой метаболической активностью и ее кровоснабжение в пересчете на массу активных клеток более чем в 10 раз превышает кровоснабжение мышцы (Г.И. Лаврищева с соавт, 1981).
Ошибочность бытовавших в течение длительного времени представлений о «брадитрофности», метаболической инертности кости подтверждают также данные биохимического изучения кости.
Пересчет энзиматической активности костной ткани на массу активных клеточных элементов показывает активность гликолитических ферментов, сравнимую с активностью этих ферментов в тканях печени и сердца, энзиматические системы, имеющие отношение к генерации аденозинтрифосфорной кислоты, при таком способе расчета в костной ткани даже более активны, чем в печени и миокарде
Метаболизм костной ткани обеспечивается не только сосудами, но и сетью костных канальцев, пронизывающих толщу остеонов, вставочных и генеральных пластинок. При пространственном изучении гаверсовых каналов наряду с довольно крупными каналами, которые являются начальными отделами фолькмановских каналов, можно обнаружить огромное количество устьевых отделов костных канальцев, перфорирующих поверхность канала.
В эти канальцы проникают отростки остеобластов и остеоцитов. В толще костной ткани канальцы образуют развитую сеть, обеспечивающую единство и взаимосвязь отдельных остеонов. Наличие широко разветвленной, анастомозирующей системы костных канальцев является фактором, обеспечивающим тесное морфофункциональное единство структурных элементов компактного вещества (Некачалов).
Такая сеть наряду с микроциркуляторным руслом обеспечивает поддержание метаболизма костной ткани. Предполагают, что узкое пространство между матриксом и цитоплазматическими отростками содержит интерстициальную жидкость, по которой метаболиты поступают к клеткам (Ревел).
Особая роль принадлежит остеоцитарно-канальцевой системе в обеспечении жизнедеятельности вставочных и генеральных пластинок, не находящихся в связи с сосудистой системой остеонов (Некачалов).
НОРМАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ СКЕЛЕТА
Скелет развивается из мезенхимы путем внутримембранного, либо внутрихрящевого окостенения в зависимости от особенностей кости.
Расчленение околоосевой мезодермы на сомиты происходит к началу 4-й недели развития эмбриона, и вентромедиальные части сомитов образуют склеротомы, из которых в дальнейшем развиваются голова и туловище. Мезенхимальный позвоночный столб формируется вокруг остова спинной струны, а рудиментарные тела позвонков образуются как отдельные клеточные образования из склеротомов. Скопления клеток мезенхимы распространяются - в дорсальном направлении и окружают нервную трубку, образуя рудиментарные позвонковые дуги. Мезенхимная ткань сначала превращается в хрящевую, а затем в костную с центрами окостенения в телах и дугах позвонков. Спинная струна, закрытая окостеневшими телами позвонков, исчезает, в то же время часть ее, находящаяся между костями остается в студенистых ядрах межпозвонковых дисков. К моменту рождения все позвонки состоят из костной ткани, однако, хрящевая ткань сохраняется в местах соединения тел и дуг позвонков, в поперечных и остистых отростках и в области эпифизов. Соединение костных частей каждого позвонка начинается в раннем детстве и завершается к 14 – 15 годам. Череп состоит из двух разных частей — базального хрящевого черепа и свода. Хрящевой череп развивается как парахордовая часть, содержащая «замурованные» остатки спинной струны, и как прехордовая часть, располагающаяся кпереди от хорды. Свод формируется путем внутримембранозного окостенения. Костные трабекулы организуются в момент установления процессов остеогенеза в центрах окостенения и заполнения межбалочных пространств костным мозгом. Передний и задний роднички, имеющиеся при рождении, закрываются фиброзной тканью, а в дальнейшем окостеневают. Задний родничок окостеневает в течение 2 первых месяцев жизни, а передний – к 2 годам. Площадь поверхности черепа увеличивается в процессе роста кости вдоль линий швов в течение первых 7 лет жизни.
Конечности развиваются как выросты боковых частей эмбриона и заключают в себе мезенхимальное ядро, покрытое эктодермой. Пролиферация клеток мезенхимы вызывает увеличение конечности в проксимодистальном направлении, мезенхима трансформируется в предхрящ, затем в хрящ, который принимает форму будущих костей (хрящевая модель) пятипалой конечности. Каждая хрящевая модель окружена надхрящницей, которая затем васкуляризуется, что приводит к возникновению кольца костной ткани вокруг средней части хряща в процессе внутрихрящевого окостенения. Костная манжета, образующая поверхностный слой, продвигается к концам кости раньше ее срединной части, которая частично резервируется для формирования костномозговой полости. Поперечный ободок хряща обрисовывается на конце кости и образует эпифизальную пластинку, представляющую собой область продольного роста длинных костей. Эпифизы развиваются из концов хрящевой модели выше эпифизальной пластинки, а эпифизальный хрящ пронизывается каналами с мелкими кровеносными сосудами, происходящими из надхрящницы. Через разные промежутки времени, что зависит от особенностей кости, в васкуляризированных эпифизах возникают центры окостенения. Центры оссификации обладают способностью центробежного роста; в то же время увеличиваются размеры эпифизов за счет новообразованного хряща. Слияние окостеневшего эпифиза с диафизом связано с исчезновением промежуточной хрящевой пластинки, которая замещается костной тканью.
МИНЕРАЛИЗАЦИЯ КОСТИ
Повышение уровня сывороточной щелочной фосфатазы рассматривается как показатель активной минерализации ткани при условии отсутствия заболеваний печени или других причин его подъема. Раньше предполагали, что щелочная фосфатаза гидролизует фосфорнокислые эфиры и продуцирует избыток свободного неорганического фосфата, повышая содержание ионов кальция и фосфора в центрах, подвергающихся обызвествлению, до уровня, достаточного для осуществления отложения гидроксиаппатита.
В настоящее время стало ясно, что процесс минерализации включает гораздо большее число взаимосвязанных факторов и от механизмов, которые можно разделить на три основные группы:
1. Локальное увеличение содержания ионов кальция и фосфатных ионов до уровня, при котором могла бы произойти спонтанная преципитация минералов.
2. Наличие веществ, которые могли бы обеспечить сайты для формирования ядер минералов.
3. Наличие веществ, препятствующих образованию минералов, и их удаление или инактивация для последующего обызвествления.
Свойства ядрообразующих систем были изучены A.S. Posner и соавт. (1978). Исследования кальцийсвязывающих белков в процессе минерализации показали, что соединения фосфолипидов с кальцием и фосфатом, а также некоторые фосфопротеины и коллаген костной ткани могут играть в этом процессе важную роль. Кислые фосфолипиды были выделены из обызвествленного хряща, кости и дентина. Комплексы кальций — фосфолипид — фосфат, вероятно, происходят из мембранных компонентов ткани и могут играть важную роль в обызвествлении.
Матриксные пузырьки
Являются производными комплекса Гольджи остеобластов, имеют мембранное строение и содержат различные ферменты, необходимые для реакций минерализации или их ингибирования, а также аморфные фосфаты кальция. Матриксные пузырьки выходят из клеток во внеклеточное пространство и высвобождают заключенные в них продукты. Последние инициируют процессы минерализации [Хэм А., Кормак Д., 1983; Ревелл П.А., 1993].
Концепция кальцификации в мембранно-связанных пузырьках была выдвинута в начале 70-х годов, эти реально существующие пузырьки стали известны как матриксные пузырьки (Ревелл). Они представляют собой мельчайшие (менее 100 нм в диаметре) внеклеточные частицы, впервые идентифицированные как «цитоплазматические фрагменты» и «осмиофильные тельца». Ранние электронно-микроскопические и биохимические исследования этих структур обобщены Н.С. Anderson (1970). Изучение ультра структуры показало, что образование матриксных пузырьков ограничивается той областью матрикса, которая в конечном счете обызвествляется. Впервые идентифицированные игольчатые кристаллы апатита располагались внутри или вблизи мембран этих пузырьков.
Большинство исследователей считают, что пузырьки матрикса формируются путем отпочковывания от плазматической мембраны пролиферирующих или гипертрофических хондроцитов. Матриксные пузырьки богаты 5-АМФазой и сфингомиелином, оба этих вещества концентрируются в плазматической мембране. Противники этой точки зрения считали, что пузырьки матрикса представляют собой исторгнутые лизосомные плотные тельца или что они происходят скорее из клеточных органелл, чем из клеточных мембран.
Мембраны матриксных пузырьков создают закрытую среду для аккумуляции ионов кальция и фосфата, которые первоначально превращаются в аморфные фосфаты кальция, а затем в апатиты. Мембраны обогащаются фосфолипидом, который служит ловушкой для ионов кальция, и также являются источником щелочной фосфатазы, пирофосфатазы и АТФазы. Эти ферменты могут играть двоякую роль в обызвествлении; во-первых, они гидролизуют фосфорные эфиры с образованием свободных фосфатов и, во-вторых, — ингибиторы образования кристаллов минерала, такие как пирофосфат и АТФ.
Процесс образования ядра кристаллов из ионов в растворе происходит двумя различными путями. При гомогенном ядрообразовании изредка агрегирующиеся ионы образуют ядра, достаточно большие, чтобы перерасти в кристаллы, тогда как при гетерогенном ядрообразовании ионы агрегируются на субстрате, образуя ядра, и впоследствии перерастают в кристаллы. Вероятно, что гетерогенное ядрообразование представляет собой основной механизм в биологических системах, а возможные ядрообразующие агенты были упомянуты выше (см. фосфолипиды, фосфопротеины и коллаген). Считается, что первой фазой окостенения является образование аморфного фосфата кальция. Длительное время считали, что митохондрии могут концентрировать кальций и фосфат и образовывать электронно-плотные гранулы. Митохондрии хондроцитов в ростовой зоне кости богаты этими минеральными гранулами, которые, как предполагают, наиболее вероятно содержат аморфный фосфат кальция, стабилизированный фосфолипидом. Пузырьки матрикса начинают аккумулировать кальций на уровне зоны гипертрофии, где митохондрии его теряют, и поэтому представляется вероятным, что митохондрии хондроцитов концентрируют кальций и фосфат, а затем отдают эти ионы для обеспечения локальных высоких уровней для роста кристаллов гидроксиапатита внутри и вблизи матриксных пузырьков. Первые кристаллы апатита в матриксных пузырьках могут формироваться в зоне пролиферации, а дальнейшее ядрообразование и полная минерализация происходят в зоне гипертрофии путем быстрого высвобождения фосфата кальция из митохондрий дегенерирующих хондроцитов.