Источником развития костной ткани является мезенхима. При развитии костной ткани образуется два дифферона клеток (гистогенетических рядов).
¨Первый ряд— стволовые остеогенные клетки, полустволовые стромальные клетки, остеобласты, остеоциты.
¨Второй ряд — гематогенного происхождения — стволовая кроветворная клетка, полустволовая кроветворная клетка (предшественница миелоидных клеток и макрофагов), унипотентная колониеобразующая моноцитарная клетка (монобласт), промоноцит, моноцит, остеокласт (макрофаги).
Различают эмбриональное и постэмбриональное развитие костной ткани.
Эмбриональное развитие костной ткани может происходить двумя путями:
1. Непосредственно из мезенхимы- прямой остеогистогенез.
2. Из мезенхимы на месте ранее развившейся хрящевой модели кости непрямой остеогистогенез.
Постэмбриональное развитие кости осуществляется при регенерации и эктопическом остеогистогенезе.
Эмбриональный остеогистогенез
Прямой остеогистогенез является характерным для развития грубоволокнистой костной ткани во время образования плоских костей (кости черепа) и происходит в течение первого месяца развития и характеризуется в начале первичной перепончатой остеоидной костной ткани, которая потом имрегнируется солями кальция и фосфора.
В течение прямого остеогенеза отмечают 4 стадии:
1) Образование скелетного островка,
3) Кальцификация межклеточного вещества, образование грубоволокнистой кости,
4) Образование вторичной губчатой кости,
¨Первая стадия (образование скелентного отровка) — На месте развития будущей кости происходит очаговое размножение мезенхимных клеток, в результате образуется скелетогенный островок и поисходит его васкуляризация.
¨Вторая стадия (остеоидная) — Клетки островков дифференцируются, образуется оксифильное межклеточное вещество с коллагоновыми фибриллами — органическая матрица костной ткани. Коллагеновые волокна разрастаются и раздвигают клетки, но они не теряют своих отростков и остаются связанными друг с другом. В основном веществе появляются мукопротеиды (оссеомукоид), который цементирует волокна в одну прочную массу. Одни клетки дифференцируются в остеоциты и некоторые из них могут быть включенными в толщу волокнистой массы. Другие располагаются на поверхности, дифференцируются в остеобласты и в течение некоторого времени располагаются по одну сторону волокнистой массы, но вскоре коллагеновые волокна появляются и с других сторон, отделяя остеобласты друг от друга, постепенно замуровывая их в межклеточное вещество при этом они теряют способность к размножению и превращаются в остеоциты. Параллельно с этим из окружающей мезенхимы образуются новые генерации остеобластов, которые наращивают кость снаружи (аппозиционный рост).
¨Третья стадия — кальцификация межклеточного вещества.
Остеобласты выделяют фермент фосфатазу, которая расщепляет глицерофосфат крови на сахар и фосфорную кислоту. Кислота реагирует с солями кальция, который содержится в основном веществе и волокнах,образуя вначале соединения кальция, потом кристаллы -гидрооксиситамиты.
Существенную роль концентрации оссеоида играют матриксные пузырьки типа лизосом, диаметром до 1мкм, которые имеют высокую активность щелочной фосфатазы и пирофосфатазы, содержат липиды и налаживают на внутренней поверхности мембраны кальций. Важное место в процессах концентрации занимает остеинектин — гликопротеид, который связывает соли кальция и фосфора с коллагеном.
Результатом кальцификации является образование костных перекладин или балок, от которых ответвляются выросты, соединяющиеся между собой и образующие широкую сеть. Пространство между перекладинами занято соединительной волокнистой тканью с проходящими в ней кровеносными сосудами.
На момент завершения гистогенеза по периферии зачатка кости, в эмбриональной соединительной ткани появляется большое количество волокон и остеогенных клеток. Часть волокнистой соединительной ткани,которая непосредственно прилегает к костным перекладинам превращается в периост, который обеспечивает трофику и регенерацию кости. Такая кость, которая образуется на ранних стадиях эмбрионального развития и состоит из перекладки ретикулофиброзной костной ткани называется первичной губчатой костью.
¨Четвертая стадия — образование вторичной губчатой кости (пластинчатой)
Образование этой кости сопровождается разрушением отдельных участков первичной кости и врастанием в толщу ретикулофиброзной кости кровеносных сосудов. В этом процессе, как в эмбриональном периоде, так и после рождения принимают участие остеокласты.
В следствие дифференциации мезенхимы, прилегающей к кровеносным сосудам, образуются костные пластинки на которые накладывается слой новых остеобластов, и возникает новая пластинка. Коллагеновые волокна в каждой пластинке ориентированны под углом к волокнам к предыдущей пластинки. В следствие этого, вокруг сосуда возникает подобие костных цилиндров вставленных друг в друга (первичный остеон). С этого момента ретикулофиброзная ткань перестает развиваться и заменяется пластинчатой костной.
Со стороны надкостницы формируются общие или генеральные пластинки, которые охватывают всю кость снаружи. По такому механизму происходит развитие плоской кости. Образованная в эмбриональном периоде кость подвергается в дальнейшем перестройке, происходит разрушение первичных остеонов и развитие новых. Этот процесс продолжается практически всю жизнь.
Гистогенез костной ткани реферат
Развитие костной ткани на месте хряща протекает несколько сложнее, чем остеогистогенез, совершающийся непосредственно в мезенхиме. В этом случае развитию костной ткани предшествует образование хрящевой модели трубчатой кости, выполняющей опорную функцию на докостной стадии формирования скелета. Исходными клетками являются камбиальные клетки надхрящницы — адвентициальные. При подрастании к надхрящнице кровеносных сосудов и улучшении условий трофики и оксигенации эти клетки дифференцируются не в хондробласты, а в остеобласты, вырабатывающие межклеточное вещество ретикулофиброзной костной ткани. Они образуют подобие костной манжетки, окружающей хрящевую модель будущей трубчатой кости. Так возникает перихондральная костная ткань и надкостница. Окруженные костной тканью хрящевые клетки, утратившие связь с источником питания, подвергаются дегенерации. В возникшие полости дегенерирующего хряща из надкостницы врастают кровеносные сосуды с расположенными вокруг них камбиальными клетками. Некоторые из них превращаются в остеобласты, обусловливающие энхондральное развитие ретикулофиброзной костной ткани. Клетки, которые замуровываются в межклеточное вещество, дифференцируются в остеоциты, а периферически расположенные клетки — остеобласты — размножаются и продолжают синтез и секрецию компонентов межклеточного вещества. Все эти процессы первоначально протекают в середине хрящевой модели трубчатой кости (диафизе) и распространяются в проксимальном и дистальном направлениях.
В зоне контакта хрящевой и костной тканей можно выделить зоны неизмененного хряща, размножающихся хондроцитов, формирующих клеточные колонки, зону дегенерации и замещения хряща костной тканью. Зона размножающихся хрящевых клеток определяет зону роста будущей кости и важна для формирования вектора роста кости.
Одновременно с формированием ретикулофиброзной костной ткани, содержащей остеобласты и остеоциты, возникает другой гистогенетический тип клеток — остеокласты. Это крупные многоядерные (до 20-100 ядер) клетки размером до 100 мкм в диаметре являются производными стволовой кроветворной клетки. Цитоплазма остеокластов оксифильна со слабо развитой эндоплазматической сетью. Хорошо развит комплекс Гольджи. В цитоплазме много лизосом, содержащих кислую фосфатазу, коллагеназу, карбоангидразу и другие ферменты. Особенно много лизосом в той части цитоплазмы остеокластов, которая обращена к разрушаемой ткани. На этой поверхности имеются многочисленные выросты цитоплазмы, образующие подобие «щеточной (гофрированной) каемки». Остеокласты специализированы на «внеклеточной работе» лизосом: гидролитические ферменты из них выходят и резорбируют межклеточное вещество. Методами микрокиносъемки показано, что остеокласты подвергают деминерализации и разрушению оссеиновые волокна и аморфное вещество, а затем макрофаги фагоцитируют остатки органического субстрата. Остеокласты разрушают хрящевую ткань и ретикулофиброзную костную ткань, формируя каналы для врастающих сосудов и проникновения остеобластов.
Последующие стадии гистогенеза складываются из процессов новообразования костной ткани, ее разрушения остеокластами и перестройки — ремоделирования. Важным фактором гистогенеза пластинчатой костной ткани, входящей в состав трубчатой кости, является вектор роста кости. Он определяет направление движения остеокластов, следовательно, формирования каналов и врастание в них кровеносных сосудов (по вектору роста). Кровеносный сосуд, в свою очередь, определяет упорядоченное (концентрическое) расположение остеобластов вокруг себя. При этом остеобласты синтезируют межклеточное вещество, оссеиновые волокна которого упорядоченно (параллельно) располагаются возле остеобласта и при минерализации формируют костную пластинку, толщиной 3-10 мкм. Соседняя костная пластинка содержит оссеиновые фибриллы, которые располагаются под углом по отношению к первым.
На протяжении гистогенеза и всей возрастной динамики костной ткани в ней происходит непрерывная перестройка благодаря согласованной деятельности остеобластов и остеоцитов, образующих межклеточное вещество, а также остеокластов, разрушающих костную ткань, что необходимо для процессов ее самообновления. Так происходит смена генераций костных пластинок и формирующихся структурно-функциональных единиц — остеонов, достигается упорядоченность расположения последних, следовательно, высокая механическая прочность костной ткани и кости как органа (см. кость).
Дентиноидная костная ткань отличается отсутствием тел костных клеток в толще межклеточного вещества. Дентин — это вещество, состоящее из коллагеновых волокон и основного аморфного вещества, пропитанного минеральными солями. Образующие дентин зуба клетки — одонтобласты (точнее — их ядросодержащая часть) — расположены вне дентина в пульпе зуба. Дентин пронизан дентинными канальцами, в которых проходят отростки одонтобластов. Сходное строение имеет цемент зуба.
Ретикулофиброзная (грубоволокнистая) костная ткань характеризуется беспорядочным расположением оссеиновых фибрилл в виде толстых, плотных пучков волокон и основного аморфного вещества. Такая костная ткань образует кости в зародышевом и раннем постнатальном периодах. У взрослого человека она сохраняется лишь на месте прикрепления сухожилии к кости, в зарастающих швах черепа, а также в составе тканевого регенерата на месте переломов костей.
Читайте также: Как делают ткань для тильды
Пластинчатая костная ткань отличается упорядоченным расположением оссеиновых фибрилл в составе костных пластинок. Последние образуют расположенные один за другим слои пропитанного солями кальция фибрилл, образованных остеобластами. Слои имеют толщину от 3-7 до нескольких сотен микрометров. Каждая костная пластинка состоит из параллельно ориентированных тонких оссеиновых (коллагеновых) волокон (коллаген 1-го типа). Но коллагеновые волокна двух прилежащих друг к другу костных пластинок ориентированы под разными углами. Костная пластинка соединяется с соседней пластинкой коллагеновыми фибриллами. Так создается прочная волокнистая основа кости. Костные пластинки располагаются концентрически вокруг сосудов, то есть формируют остеоны — структурно-функциональные единицы пластинчатой кости как органа. Кроме этого существуют наружные и внутренние окружающие и вставочные пластинки трубчатой кости (см. ниже).
Регенерация. В регенерации костной ткани участвуют детерминированные остеогенные элементы в составе надкостницы, механоциты костного мозга, которые размножаются и дифференцируются в остеобласты. Продуцируя межклеточное вещество, остеобласты дифференцируются в остеоциты и образуют ретикулофиброзную костную ткань. Кроме того, адвентициальные клетки волокнистой соединительной ткани надкостницы также принимают участие в регенерации костной ткани. Однако дифференцировка их во многом зависит от микроокружения, внетканевых и внеорганных факторов (например, от репозиции отломков, неподвижности отломков, оксигенации места перелома и др.).
Дифференцировка адвентициальных клеток возможна в трех направлениях: остеогенном, хондрогенном, фибробластическом. Этим определяется соотношение различных видов тканей в регенерате. При преимущественно остеобластическом гистогенезе формируется ретикулофиброзная костная ткань, которая постепенно ремоделируется с образованием костной ткани, напоминающей по своему строению пластинчатую.
VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2014
РЕГЕНЕРАЦИЯ КОСТИ: КЛЕТКИ И ФАКТОРЫ РОСТА
Регенерация кости является сложно организованным физиологическим процессом образования костной ткани, что можно увидеть во время нормального заживления переломов, и, кроме этого, при непрерывной реконструкции на протяжении всей жизни. Тем не менее, существуют клинические условия, в которых регенерация кости требуется в большем количестве, например, для реконструкции крупных дефектов скелетной костей вызванных травмой, инфекцией, удалением опухоли и скелетных аномалий или случаев, в которых регенеративный процесс находится под угрозой, в том числе при аваскулярном некрозе, остеопорозе.
Характеристика костной ткани.
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:
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:
полустволовые клетки (преостеобласты),
остеобласты (разновидность фибробластов),
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.
В основном веществе костной ткани, по сравнению с хрящевой, содержится относительно небольшое количество хондроитинсерной кислоты, но много лимонной и других кислот, образующих комплексы с кальцием, импрегнирующим органическую матрицу кости. Кроме коллагенового белка, в основном веществе костной ткани обнаруживают неколлагеновые белки (остеокальцин, сиалопротеин, остеонектин, различные фосфопротеины, протеолипиды, принимающие участие в процессах минерализации), а также гликозаминогликаны. Основное вещество кости содержит кристаллы гидроксиапатита, упорядоченно расположенные по отношению к фибриллам органической матрицы кости, а также аморфный фосфат кальция. В костной ткани обнаружено более 30 микроэлементов (медь, стронций, цинк, барий, магний и др.), играющих важнейшую роль в метаболических процессах в организме. Систематическое увеличение физической нагрузки приводит к нарастанию костной массы от 10 до 50% вследствие высокой минерализации.
Читайте также: Активное состояние возбудимых тканей сопровождающееся
Остеогенез в растущем организме. Эмбриональный гистогенез костной ткани начинается на 4 неделе внутриутробного развития. Источником развития костной ткани является остеогенная мезенхима. Необходимым условием остеобластической дифференцировки мезенхимоцитов является достаточная оксигенация ткани, поэтому остеогенез всегда происходит вблизи кровеносных сосудов.
Эволюционно выработано два механизма образования костной ткани: прямой(первичный, десмальный, интрамембранный) остеогистогенез – непосредственно из клеток скелетогенной мезенхимы. Так образуются кости крыши черепа, часть ключицы. Инепрямой(вторичный, энхондральный) остеогистогенез, при котором из скелетогенной мезенхимы сначала образуются хрящевые модели костей. Затем в ходе онтогенеза они замещаются костной тканью. Таким путем формируются кости конечностей, осевого скелета.
Постнатальный рост костей осуществляется в детском и юношеском возрастах. Рост в толщину происходит за счет функционирования периоста. Рост костей в длину происходит благодаря наличию в переходной между диафизом и эпифизом зоне метаэпифизарной хрящевой пластинки роста.
Процесс роста в длину является гормонозависимым. В случае развития гормонального дисбаланса с вовлечением кальцитонина, паратгормона, метаболитов витамина D возможна преждевременная минерализация зон роста и прекращение роста либо противоположный процесс с формированием гигантизма.
Низкая механическая прочность хрящевой ткани обусловливает у детей переломы по типу эпифизеолиза в области зоны роста (отломки как бы «съезжают»).
Регенерационный остеогенез в организме взрослых (физиологический и репаративный).
Физиологическая регенерация происходит в связи с постоянным изнашиванием и гибелью клеток в тканях (физиологическая дегенерация) для замены их новыми. Она бывает внутриклеточной (обновление органелл) или клеточной (обновление клеток) и завершается ремоделированием (перестройкой) костной ткани, которое осуществляется в связи с действующими на данный участок кости нагрузками и зависит от нескольких факторов, в том числе возраста. Этот тип регенерации наиболее выражен у спортсменов. Полностью цикл ремоделирования при условии адекватного кровоснабжения занимает около 40 дней.
Репаративная регенерация – это восстановление ткани после того или иного повреждения. Механизмы физиологической и репаративной регенерации качественно едины, осуществляются на основе общих закономерностей.
Полная регенерация (реституция) характеризуется возмещением дефекта идентичной тканью (в частности, костной). При неполной репаративной регенерации (субституции) дефект замещается плотной волокнистой соединительной тканью — рубцом. В костной ткани, в отличие от других, даже большие по протяженности дефекты могут быть восстановлены полностью благодаря участию остеобластического дифферона.
Консолидация механического перелома может происходить двумя путями. Первичное сращение возможно при плотном сопоставлении отломков, чтобы расстояние между ними было порядка 0,1 мм и в условиях незначительно нарушенного кровоснабжения. Именно к этому стремятся травматологи-ортопеды, выполняя репозицию и прочную фиксацию отломков. Участки кости, прилегающие к линии перелома, неизбежно гибнут вследствие гипоксии из-за нарушенного кровоснабжения. Чем меньше зона такого посттравматического некроза, тем лучше прогноз для первичного сращения перелома.
В случае многооскольчатых переломов, при наличии диастаза между отломками консолидация происходит путем вторичного сращения с образованием массивного костного регенерата (костной мозоли). Динамика остеорепарации в этом случае проходит ряд последовательных фаз:
Фаза ранних посттравматических изменений, обусловленных повреждениями тканей, нарушением кровообращения с гибелью остеоцитов по обе стороны от линии перелома уже через 2 суток.
Фаза регенерации. Со вторых суток клетки-источники костной регенерации начинают пролиферировать. Вначале постепенно формируется периостальная часть костного регенерата, образуя к седьмым суткам отчетливую манжетку вокруг костных отломков, которая стабилизирует перелом. Параллельно происходит медленное врастание кровеносных капилляров в регенерат. Если кровоток недостаточен, то клетки центральных участков регенерата дифференцируются в устойчивую к гипоксии гиалиновую хрящевую ткань, которая в дальнейшем замещается костной.
Фаза функциональной адаптации. Окончательное костное сращение подразумевает перестройку мозоли и восстановление органоспецифической структуры кости, которое может продолжаться до года и более.
Перестройка кости и факторы, влияющие на ее структуру
В костной ткани в течение всей жизни человека происходят взаимосвязанные процессы разрушения и созидания, обусловленные функциональными нагрузками и другими факторами внешней и внутренней среды. Перестройка остеонов всегда связана с разрушением первичных остеонов и одновременным образованием новых остеонов. Под влиянием остеокластов, активизированных различными факторами, костные пластинки остеона разрушаются и на его месте образуется полость. Этот процесс называется резорбцией (от лат. resorptia — рассасывание) костной ткани. В образовавшейся полости вокруг оставшегося сосуда появляются остеобласты и начинается построение новых пластинок, концентрически наслаивающихся друг на друга. Так возникают вторичные генерации остеонов. Между остеонами располагаются остатки разрушенных остеонов прежних генераций – вставочные пластинки.
Среди факторов, влияющих на перестройку костной ткани, существенную роль играет ее так называемый пьезоэлектрический эффект. Оказалось, что в костной пластинке при изгибах появляется определенная разность потенциалов между вогнутой и выпуклой стороной. Вогнутая сторона заряжается отрицательно, а выпуклая — положительно. На отрицательно заряженной поверхности всегда отмечаются активация остеобластов и процесс аппозиционного новообразования костной ткани, а на положительно заряженной, напротив, наблюдается ее резорбция с помощью остеокластов. Искусственное создание разности потенциалов приводит к такому же результату. Нулевой потенциал, отсутствие физической нагрузки на костную ткань (например при продолжительной иммобилизации, пребывании в состоянии невесомости) обусловливают повышение функции остеокластов и деминерализацию костей.
На структуру костной ткани и костей оказывают влияние витамины (С, A, D), гормоны щитовидной, околощитовидной и других эндокринных желез.
В частности, при недостаточном количестве витамина С в организме подавляется созревание коллагеновых волокон, ослабляется деятельность остеобластов, уменьшается их фосфатазная активность, что приводит к остановке роста кости. При дефиците витамина D не происходит полной кальцификации органической матрицы кости, что обусловливает размягчение костей. Витамин А поддерживает рост костей, но избыток этого витамина способствует усилению разрушения остеокластами метаэпифизарных хрящей.
При избытке гормона околощитовидной железы — паратирина — наблюдаются повышение активности остеокластов и резорбция кости. Тирокальцитонин, вырабатываемый щитовидной железой, действует противоположно. При гипофункции щитовидной железы замедляется рост длинных трубчатых костей в результате подавления активности остеобластов и торможения процесса оссификации. Регенерация кости в этом случае происходит слабо и неполноценно.
Определенную позитивную роль в росте костей имеет соматотропный гормон гипофиза (гормон роста), который стимулирует пропорциональное развитие скелета в молодом возрасте и непропорциональное у взрослых (акромегалия).
Комплексное влияние гормональных факторов ремоделирования костной ткани:
Место синтеза
Влияние на костную ткань
Половые гормоны женские (мужские)
Соматотропный гормон — СТГ
Современные клинические подходы к ускорению регенерации кости.
Для всех вышеупомянутых случаев, в которых нормальный процесс регенерации кости либо нарушен либо просто недостаточен, в настоящее время существует ряд методов лечения, доступных в арсенале хирурга.
Стандартные подходы широко используются в клинической практике для стимулирования или усиления регенерации кости включают дистракционный остеогенез и костный транспорт, аутологичные костные трансплантаты, аллотрансплантаты и трансплантато- заменители или факторы роста. Альтернативный метод регенерации кости и реконструкции дефектов длинных костей – это двухэтапная процедура, известная как техника Masquelet. Она основана на концепции «биологической» мембраны, которая возникает после применения цементной прокладки на первом этапе и действует как «камера» для введения неваскуляризированного аутотрансплантата на второй стадии. Есть даже неинвазивные методы биофизической стимуляции, такие как импульсный ультразвук низкой интенсивности и импульсные электромагнитные поля, которые используются в качестве дополнительных мер к ускорению регенерации кости.
Во время дистракционного остеогенеза и костного транспорта регенерация кости индуцируется между постепенно отдаляющимися костными поверхностями. Различные методы используются в настоящее время, в том числе внешние фиксаторы и техника академика Г.А. Илизарова, в сочетании с интрамедуллярными стержнями. Тем не менее, эти методы технически сложны и имеют ряд недостатков, в том числе осложнения, а также требование длительного лечения (1 мм в день) и периода консолидации, воздействие на психологию пациента.
Костная пластика является часто выполняемой хирургической процедурой для ускорения регенерации костной ткани в различных ортопедических и челюстно-лицевых операциях. Применение аутокости рассматривается как «золотой стандарт» прививочного материала, так как он сочетает в себе все свойства, необходимые для материала трансплантата: — остеоиндукция (костные морфогенетические белки и другие факторы роста), остеогенез (остеогенные клетки) и остеокондукции (“строительные леса”).
Альтернативой является аллогенная трансплантация кости, полученного из трупов или доноров. Аллогенная кость используется в деминерализованной костной матрице, костно-хрящевых и целых костных сегментов. Их биологические свойства различны, но в целом, они обладают меньшими остеоиндуктивными свойствами, потому что донорский трансплантат девитализируется с помощью облучения или сублимационной сушки. Проблемы: реакции отторжения, возможность инфекции, стоимость.
Читайте также: Чем опасна рубцовая ткань
Заменители костного трансплантата были также разработаны в качестве альтернативы аутологичных или аллогенных костных трансплантатов. Они состоят из синтетических или натуральных биоматериалов, которые способствуют миграции, пролиферации и дифференцировки стволовых клеток, и, следовательно регенерации костной ткани. В настоящее время используется широкий спектр биоматериалов и синтетических заменителей костной ткани, в том числе гидроксиапатит коллагенпа, бета-трикальцийфосфат, кальций-фосфатный цемент, в общем исследования в этой области продолжаются. Специально для реконструкции крупных дефектов остейиспользуют цилиндрический металлический титан в сочетании с ауто- или аллотрансплантатом губчатой кости.
Ограничения текущей стратегии по улучшению регенерации кости.
Большинство современных стратегий показывают относительно удовлетворительные результаты регенерации кости. Однако, есть недостатки и ограничения в их использовании, и даже спорные моменты относительно их эффективности и рентабельности. Кроме того, в настоящее время нет доступных гетерологичных или синтетических заменителей кости, которые имеют лучшие или хотя бы такие же биологические и механические свойства, как кости. Таким образом, уже многие десятилетия существует необходимость разработки новых методов лечения в качестве альтернативы или дополнения к стандартным методам, используемых для регенерации костной ткани, в попытке преодолеть эти ограничения. Еще в 1950-х годах профессор Charnley, пионер британской ортопедии, заявил, что «практически все классические операции уже были изучены, и если некоторые открытие в области контроля остеогенеза и будет сделано, скорее всего, оно будет исходить из модификации или детализации этих операций ».
С тех пор наше понимание костной регенерации на клеточном и молекулярном уровне чрезвычайно развилось, и все еще продолжает развиваться. Новые методы изучения этого процесса, такие как количественная трехмерная томография, нанотехнологии были развиты с целью дальнейшей оценки механических свойств регенерата на микроскопическом уровне. Кроме того, успехи, достигнутые в клеточной и молекулярной биологии позволили подробный гистологический анализ, in vitro и in vivo, определение транскрипции и трансляции генов и белков, участвующих в процессе регенерации костной ткани. Изучаются трансгенные животные, определяются роли ряда генов, необходимых в ходе восстановления кости.
Тем не менее, основные концепции лечения во всех клинических ситуациях, требующих регенерации костной ткани, особенно в сложных случаях остается такими же, и должны применяться. Стратегии лечения должны быть направлены на все предпосылки для оптимального заживления костей, в том числе остеокондуктивные матрицы, остеоиндуктивные факторы, остеогенные клетки и механическую стабильность.
Белки костного морфогенеза (БКМ) и другие факторы роста.
С улучшением понимания лечения переломов и регенерации костной ткани на молекулярном уровне, ряд ключевых молекул, которые регулируют этот сложный физиологический процесс были открыты, и уже используется в клинической практике.
Из этих молекул, БКМ были наиболее широко изучены, так как они являются мощными факторами остеоиндукции. Они вызывают митогенез мезенхимальных стволовых клеток (МСК) и их дифференциацию из остеобластов. С момента открытия БКМ, ряд экспериментальных и клинических испытаний показали безопасность и эффективность их использования в качестве индукторов регенерации заменителей костного трансплантата. С помощью технологии рекомбинантной ДНК, БКМ-2 и БКМ-7 были лицензированы для клинического применения в 2001-2 году. Эти два вещества были использованы в различных клинических условиях, включая несращение, открытые переломы, асептический некроз. Обширные исследования продолжаются, разработываются инъекционные препараты для минимально инвазивного применения, а также новые носители для длительной и целенаправленной локальной доставки.
Помимо БКМ, имеются другие факторы роста, участвующие в регенерации кости, с различными функциями в отношении клеточной пролиферации, хемотаксиса и ангиогенеза, в том числе фактор роста тромбоцитов, трансформирующий фактор роста, β-, инсулин-подобный фактор роста-1, фактор роста эндотелия сосудов и фактора роста фибробластов. Они были использованы по отдельности или в комбинации в ряде исследований in vitro и in vivo, но пока с противоречивыми результатами. Один из современных подходов к улучшению регенерации костей и мягких тканей – это использование обогащенной тромбоцитами плазмы, плазму фракции аутологичной крови с тромбоцитами (в концентрациях выше базового уровня), которые богаты многими из вышеупомянутых молекул.
Несколько вопросов необходимо дополнительно изучить, например, оптимальную дозировку и обеспечение устойчивой концентрации на участке регенерации, использование «коктейля» из других факторов роста. Нанотехнологии, кажется, перспективны в подходе оптимальной доставки факторов роста в будущем костно-тканевой инженерии. Тем не менее, из-за пробелов в нынешнем понимании этих факторов, пока не удается воспроизвести такую регенерацию in vivo.
Матрицы и заменители кости.
Хотя они не имеют остеоиндуктивных или остеогенных свойств, синтетические заменителей костной ткани и биоматериалы уже широко используются в клинической практике для остеокондукции. Деминерализированные костные матрицы (ДКМ) и биоколлаген используются в основном как удлинители костного трансплантата, так как они обеспечивают структурную поддержку. В настоящее время доступны большое количество синтетических заменителей костной ткани. Они используются в качестве дополнения или альтернативы для аутологичных костных трансплантатов, так как они способствуют миграции, пролиферации и дифференцировки стволовых клеток во время регенерации костной ткани. Специально для регенерации больших костных дефектов, где требования к прививочного материала являются существенными, эти синтетические материалы могут быть использованы в сочетании с ауто-трансплантатом, факторами роста. Кроме того, есть также небиологические остеокондуктивные субстраты, такие как биосовместимые металлы (например, пористый тантал), которые предлагают возможность абсолютного контроля над окончательной структурой без иммуногенности.
Тканевая инженерия.
Этот подход является перспективной стратегией в области регенеративной медицины, которая призвана выработать новые клетко-ориентированные функциональные ткани, а не просто имплантировать неживую матрицу.В сущности, костно-тканевая инженерия сочетает в себе клетки-предшественники, и зрелые клетки (для остеогенеза) в биосовместимой матрице, а в идеале в трехмерной ткане-подобный структуре, с соответствующими факторами роста. Потребность в таких улучшенных композитных трансплантатах очевидна, особенно для лечения больших дефектов костей.
В течение последнего десятилетия было несколько крупных технических успехов в области костно-тканевой инженерии, что позволяет проведение многочисленных исследований на животных и первые пилотные клинические исследования с использованием тканевой инженерии для регенерации кости. В целом, инженерия костной ткани находится в зачаточном состоянии, и есть много вопросов эффективности, безопасности и стоимости, которые должны быть рассмотрены. Трехмерные пористые материалы с конкретной архитектурой на нано-, микро-и макроуровне увеличивающие миграцию, пролиферацию и дифференцировку, проходят непрерывный процесс оценки.
Системное улучшение регенерации кости.
Также обширно исследуются системные средства, в том числе гормон роста (ГР) и паратиреоидный гормон (ПТГ). В настоящее время данные свидетельствуют положительной роли ГР в заживлении переломов, но есть вопросы о его безопасности и оптимальной дозе, при системном введении. Есть также многочисленные исследования на животных и клинические испытания которые показали, что прерывистое введение ПТГ вызывает регенерации губчатой и кортикальной костной массы, повышает костную массу, и увеличивает механическую прочность и костно-минеральную плотность, с относительно удовлетворительным профилем безопасности. В настоящее время два ПТГ: 1-34 (или teriparitide) и ПТГ 1-84 уже используются в клинической практике в качестве анаболических агентов для лечения остеопороза.В дополнение к анаболическим агентам для регенерации кости, антирезорбтивная терапия, которые уже используется в клинической практике для лечения остеопороза, может быть использована для увеличения минеральной плотности кости во время регенерации за счет снижения костной резорбции. Бифосфонаты, как известно, уменьшает активность остеокластов, ингибируют резорбцию костной ткани и стимулируют формирование кости, может быть полезным дополнением к восстановлению кости.
Другой подход для системного улучшения регенерации кости является применение агонистов рецепторов простагландина EP2 и EP4. Обнадеживающие результаты были замечены на животных, без побочных эффектов.
Есть несколько клинических состояний, которые требуют улучшения регенерации кости локально или системно, и различные методы в настоящее время используются для усиления или ускорения костного восстановления, в зависимости от конкретных требований каждого конкретного случая. Знание биологии кости значительно расширяет понимания на молекулярном уровне, в результате чего наблюдается развитие многих новых методов лечения.
В будущем, контроль регенерации кости с методиками, которые имитируют нормальный каскад формирования кости будет возможно предложен. Исследования продолжаются во всех соответствующих областях, и есть надежда, что многие заболевания костей будут успешно лечиться, с новым протоколом регенерации, который предусматривает местные и системные улучшения для оптимизации результатов.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом