Соединительные ткани скелета, их объем и основные функции Соединительные ткани скелета включают три типа хрящей и четыре типа костей; цемент и дентин относятся к костным тканям, связанным с зубами, но не являются основными в данном случае. Их функции - поддержка, защита (например, грудной клетки) и метаболическое хранение кальция и фосфатов. Структура соответствует функциям благодаря специализации внеклеточного матрикса, а не клеточным особенностям. Развитие происходит из мезодермы (включая склеротом) и краниальной мезенхимы; мезенхима - это эмбриональная ткань, а не синоним мезодермы. Клетки этих тканей принадлежат к растущей популяции, имеющей свои особенности в зависимости от типа ткани.
Механика ECM: минерализованная кость против гидратированного хряща Костный матрикс минерализован кристаллами гидроксиапатита, содержит мало воды и является жестким, что позволяет выдерживать нагрузку. Хрящевой матрикс может содержать до 80% воды и не обладает минерализацией, но поддерживается за счет несжимаемости воды, поддерживаемой гликозаминогликанами. При сжатии вода перераспределяется, обеспечивая амортизацию и упругость. Именно эти свойства матрицы, а не ячеек, определяют механические характеристики.
Васкуляризация, метаболизм и сроки развития Кость богато васкуляризирована и метаболически активна, в то время как в хряще отсутствуют сосуды и метаболизм значительно снижен. На ранних стадиях эмбриогенеза плохая васкуляризация и недостаток кислорода способствуют образованию хрящей, а не костей. По мере развития сосудов и улучшения насыщения кислородом хрящевые участки заменяются костью, образуя скелет. Этот сдвиг лежит в основе преобладания хрящей в пренатальном периоде и костей в постнатальном.
Контрасты между регенерацией и ремоделированием на протяжении всей жизни Костная ткань реконструируется на протяжении всей жизни и, как правило, успешно восстанавливается, в том числе при переломах, хотя с возрастом скорость восстановления замедляется. Способность хрящей к реорганизации и регенерации значительно снижается с возрастом. Эти различия обусловлены их отличным уровнем сосудистости и метаболизма. Клинические и физиологические результаты отражают эти внутренние ограничения, обусловленные матрицей.
Функции и общие свойства хряща Хрящ обеспечивает поддержку, участвует в движении, защищает, формирует такие структуры, как нос, и стимулирует гистогенез костей, выступая в качестве исходной модели. Его матрикс хорошо увлажнен, что способствует диффузии, заменяющей отсутствующие кровеносные сосуды и нервы. Вода придает устойчивость к сжатию и обратимой деформации. Во время эмбрионального развития хрящей становится больше из-за низкого содержания кислорода.
Хрящи как клетки плюс доминирующий внеклеточный матрикс Хрящ представляет собой систему клеток и внеклеточного матрикса (ВКМ); около 95% составляет ВКМ и 5% - клетки. ECM содержит воду (65-80%), коллаген (II типа в гиалиновых и эластичных хрящах и I типа в фибро-хрящевой ткани, а также незначительные коллагены для стенок лакун и фибриллогенеза) и аморфную основу. Агрегаты протеогликанов включают гиалуроновую кислоту, основные и связующие белки, а также сульфатированные GAG, такие как хондроитинсульфат и кератансульфат (например, аггрекан, бигликан, декорин). Адгезивные гликопротеины, такие как фибронектин и ламинин, а также специфичные для хрящевой ткани адгезивные белки обеспечивают сцепление матрикса. Этот состав регулирует гидратацию и сборку волокон, которые определяют механику.
Волокнистые системы и характеристики окрашивания Гиалиновый и эластичный хрящ содержит фибриллы коллагена II типа, в то время как фиброхрящ содержит прочные пучки коллагена I типа, похожие на плотную волокнистую соединительную ткань. В эластичном хряще преобладают эластичные волокна, которые окрашиваются орцеином в красно-коричневый цвет. В гиалиновом хряще многочисленные, но тонкие коллагеновые фибриллы не видны отчетливо при обычном осмотре, поскольку их показатель преломления близок к показателю преломления основного вещества. Эти микроскопические особенности соответствуют механике каждой ткани.
Хондрогенная линия, предшественники и обсуждаемые рассасыватели Хондробласты и хондроциты происходят из эмбриональной мезенхимы; после рождения адвентициальные стволовые клетки вокруг капилляров и венул служат источниками хондрогенных предшественников. Унипотентные хондропрогениторы дают начало хондробластам, а затем и хондроцитам. Молодые хондроциты сохраняют временную способность к делению. Существование и роль хондрокластоподобных клеток в хряще остаются неопределенными и оспариваются.
Изогенные группы и лакунарные микросреды Молодой хондроцит делится, образуя дочерние клетки, которые секретируют матрикс, создавая изогенную группу, происходящую от одного предшественника. Мелкие коллагены образуют перицеллюлярную фибриллярную оболочку, ограничивающую пространство, в котором находится группа. Контактное торможение, снижение способности к пролиферации и пространственная ограниченность ограничивают размер и форму группы. Такая клональная архитектура является отличительной чертой роста хряща изнутри.
Гиалиновый хрящ: расположение, матрикс и надхрящница Гиалиновый хрящ обладает эластичностью, основанной на фибриллах коллагена II и богатом протеогликанами матриксе. Гиалин содержится в соединениях ребер с грудиной, на суставных поверхностях и в воздухопроводящих путях, таких как кольца трахеи. Органы, построенные из гиалинового хряща, снаружи покрыты надхрящницей, которая несет сосуды, питающие бессосудистую ткань. Это покрытие является неотъемлемой частью поддержания и роста.
Эластичный хрящ: удлиненные группы и гибкая структура Эластичный хрящ содержит большое количество эластичных волокон с небольшой долей тонких фибрилл коллагена II. Изогенные группы обычно представляют собой вытянутые группы из двух-четырех клеток. Они встречаются в ушной раковине и некоторых хрящах гортани. Надхрящница обеспечивает тканям внешнюю сосудистую поддержку.
Волокнистый хрящ: прочность коллагена I и отсутствие перихондрия Фиброзный хрящ заполнен пучками коллагена I, которые сопротивляются растяжению и сильному стрессу. Хондроциты располагаются поодиночке или парами между пучками волокон; изогенные группы минимальны или отсутствуют. Она занимает межпозвоночные диски и участки, где сухожилия переходят в кости или гиалиновые хрящи. Из-за отсутствия надхрящницы она не растет соответствующим образом.
Хрящ как орган: слои и клеточные зоны Хрящевой орган состоит из гиалинового хряща и окружен надхрящницей. Наружный волокнистый слой представляет собой плотную соединительную ткань с сосудами; внутренний хондрогенный слой содержит стволовидные предшественники и хондробласты. Внутри хряща поверхностная зона из одиночных молодых хондроцитов уступает место более глубоким зонам с изогенными группами, расположенными в лакунах. Это расслоение отражает рост и созревание.
Надхрящница: трофическая поддержка и механическая изоляция Сосуды надхрящницы доставляют питательные вещества, которые диффундируют через гидратированный матрикс к бессосудистым хондроцитам. Хондрогенный слой обеспечивает клетки-предшественники, которые поддерживают обновление и рост. Коллагеновые пучки в волокнистом слое механически сдерживают растяжение при сжатии, обеспечивая упругую отдачу и сохранение формы. В совокупности эти функции стабилизируют как биологию, так и биомеханику.
Матриксные компартменты: перицеллюлярные, территориальные, межтерриториальные Перицеллюлярный (капсулярный) матрикс непосредственно вокруг хондроцитов содержит свежесинтезированные компоненты. Окружающий каждую изогенную группу территориальный матрикс богат сульфатированными GAG и окрашивает их более базофильно. В разных группах межтерриториальный матрикс содержит больше коллагеновых фибрилл и выглядит более ацидофильным. Эти различия отражают локальный состав и состояние сборки.
Ультраструктура хондроцитов и лакунарный "кокон" Хондроциты обладают обширной шероховатой эндоплазматической сетью и развитым комплексом Гольджи, который синтезирует компоненты матрикса. Коллагеновые фибриллы образуют стенку, которая определяет каждую лакуну, окружая изогенную группу подобно кокону. Адгезивные белки соединяют фибриллы и протеогликаны, объединяя матрикс в единую сеть. Эта ультраструктура обеспечивает устойчивое производство матрикса.
Сбалансированное питание и поддержание иммунитета Питательные вещества и газы диффундируют из капилляров надхрящницы через богатый водой матрикс; эффективно перемещаются только небольшие молекулы. Крупные белки, включая антитела, не проникают в матрикс. Поскольку такие антигены не достигают тканей, трансплантированный хрящ обычно предотвращает иммунное отторжение. Таким образом, аваскуляризация и диффузия формируют как физиологию, так и поведение трансплантата.
Механизмы роста: аппозиционный и интерстициальный Соответствующий рост происходит из внутреннего перихондрия, поскольку предшественники становятся хондробластами и молодыми хондроцитами, добавляя новые ткани снаружи. Интерстициальный рост происходит, когда хондроциты делятся, образуя изогенные группы, и выделяют дополнительный матрикс, расширяясь изнутри. Оба механизма увеличивают количество клеток и объем матрикса, но зависят от различных клеточных источников. В фиброзно-хрящевой ткани отсутствует путь прикрепления из-за отсутствия надхрящницы.
Гистология реберного среза: распознавание гиалинового строения В ребре, окрашенном H&E, гиалиновый хрящ образует основную массу органа. Во внешнем волокнистом слое надхрящницы видны сосуды; под ним находится хондрогенный слой. Зона одиночных молодых хондроцитов переходит в более глубокие области, заполненные изогенными группами. Эта картина демонстрирует скоординированное расположение хондроцитов и расширение интерстиция.
Ушной хрящ: двусторонний перихондрий и эластичные волокна Ушной хрящ тонкий и с обеих сторон покрыт надхрящницей. Окружающая кожа включает подкожно-жировую клетчатку. Внутри хряща преобладают эластические волокна, а изогенные группы представлены в виде удлиненных скоплений клеток. Эти особенности обеспечивают его гибкость и сохранение формы в ухе.
Контекст межпозвоночного диска: фиброзно-хрящевая ткань и ее соседи На предварительном срезе видны концентрические пластинки фиброзно-хрящевого вещества в фиброзном кольце с студенистым пульпозным ядром в центре. Рядом расположена плотная волокнистая межпозвоночная связка. Гиалиновые хрящи покрывают поверхности позвонков, образуя суставные области, в то время как в теле позвонка образуются костные трабекулы. Это поле фиксирует несколько тканей, сосуществующих в одном препарате.
Эндохондральная замена и переход от пренатального состояния к послеродовому Гиалиновый хрящ сначала образуется в условиях нехватки кислорода, создавая модель скелета. По мере улучшения васкуляризации хрящ в определенных областях заменяется костью путем непрямого (эндохондрального) остеогенеза. Эта замена объясняет пренатальное преобладание хряща и постнатальное преобладание кости. Выбор времени зависит от метаболических потребностей и специализации матрицы.
Межпозвоночный диск: Гиалиновая сердцевина и фиброзно-хрящевое кольцо При малом увеличении округлые изогнутые группы гиалинового хряща могут напоминать точки. Межпозвоночный диск состоит из фиброзно-хрящевого кольца и пульпозного ядра в центре. Прилегающие области могут включать ткани тела позвонка и зоны непрямого остеогенеза, в то время как межпозвоночные связки могут находиться вне поля зрения.
Фиброзно-хрящевая ткань: Пучки коллагена I типа с разреженным матриксом Фиброзно-хрящевая ткань содержит хондроциты, расположенные поодиночке или небольшими изогнутыми парами внутри матрикса, в котором преобладают толстые пучки коллагена I типа. Аморфное вещество в виде основы относительно мало по сравнению с коллагеном. Плотная коллагеновая структура лежит в основе его прочности и ограниченной базофильности.
Гиалиновый хрящ: Округлые изогенные группы в базофильном матриксе Гиалиновый хрящ состоит из округлых изогенных групп, расположенных в тонком фибриллярном матриксе. Хондробласты и хондроциты синтезируют препроколлаген, который собирается в тонкие фибриллы. Накопление сульфатированных гликозаминогликанов приводит к образованию сильно базофильного территориального матрикса.
Недостаток кислорода приводит к образованию мезенхимы в хряще В мезенхимальных областях с низкой оксигенацией клетки переходят к скелетогенетической программе, поскольку альтернативные потенциалы подавляются. Эти предшественники дифференцируются в хондрогенные клетки, которые формируются в хондробласты и созревают в хондроциты. Матрикс сначала становится афибриллярным, затем обрастает коллагеновыми фибриллами и протеогликанами.
Созревание хрящевого матрикса: От фибрилл до территориальной базофилии Вновь дифференцирующиеся хондробласты синтезируют преколлаген, который полимеризуется в отдельные коллагеновые фибриллы. Они усиливают выработку сульфатированных гликозаминогликанов, образуя гидратированный базофильный территориальный матрикс. Это созревание определяет механические свойства и окрашивание, характерные для хряща.
Кальцификация, связанная с коллагеном, и дегенерирующие суставы Кристаллы гидроксиапатита связаны с коллагеновыми волокнами матриксными белками, поэтому минерализация следует за распределением коллагена. С возрастом и нарушением насыщения кислородом содержание кальция увеличивается, и гиалиновый хрящ, особенно на суставных поверхностях, где отсутствует надхрящница, кальцифицируется, теряя эластичность и способность поглощать удары. Хрупкая поверхность повреждается под нагрузкой, провоцируя воспаление с болью (артрит) и последующий деформирующий артроз; фиброзно-хрящевая ткань также кальцифицируется, в то время как эластичный хрящ сопротивляется.
Защитные, кроветворные, метаболические и морфогенетические функции костей Кости защищают мозг и внутренние органы грудной клетки, поддерживают кроветворение в красном костном мозге и накапливают кальций и фосфор. Они придают телу форму, реконструируются на протяжении всей жизни и эффективно восстанавливаются благодаря надежной васкуляризации и высокой метаболической активности. Во время эмбриогенеза объем костной ткани ограничен до тех пор, пока не созреют сосудистые сети, после чего преобладает костная ткань.
Остеобласты накапливаются, остеоциты поддерживаются, остеокласты рассасываются Мезенхимальные остеогенные предшественники становятся остеобластами, а затем менее активными остеоцитами, в то время как гемопоэтические стволовые клетки дают моноциты, которые сливаются в многоядерные остеокласты. Остеобласты являются наиболее активными клетками, продуцирующими матрикс, богатыми органеллами, синтезирующими белок, которые генерируют остеоид и способствуют его минерализации. Остеоциты поддерживают гомеостаз матрикса за счет лакун, а остеокласты функционируют как синцитий, разрушая минерализованные ткани.
Минерализованный коллагеновый матрикс: состав и генетическая хрупкость Костный матрикс содержит около 30% органического материала и 70% минерального, при этом содержание воды снижается примерно до 20% благодаря плотному отложению гидроксиапатита на коллагене I типа. Протеогликаны и специфичные для кости гликопротеины дополняют коллагеновый каркас. Мутации в коллагене I типа нарушают связывание кристаллов и минерализацию, вызывая деформацию и склонность к переломам костей при несовершенном остеогенезе.
Тканая Структура По сравнению С Пластинчатой Определяет Механическое поведение Первичная ретикулофиброзная (тканая) кость формируется первой в процессе развития и восстановления, при этом толстые коллагеновые пучки расположены хаотично, а остеоциты разбросаны нерегулярно. Впоследствии она заменяется вторичной пластинчатой костью, где остеоциты выстраиваются в упорядоченные ряды, соединяющие параллельные костные пластинки. Чередующееся расположение коллагена между соседними пластинками обеспечивает устойчивость к нагрузкам, приложенным с разных сторон.
Лакуно‑канальцевый транспорт поддерживает остеоциты Остеоциты занимают лакуны в минерализованном матриксе и расширяют отростки через канальцы, сообщаясь с ними посредством щелевых и адгезионных контактов. Взаимосвязанные лакуны содержат тканевую жидкость, которая доставляет питательные вещества и газы в сосудистые каналы и из них. Тела клеток удлиняются вдоль пластинок, а отростки направлены перпендикулярно плоскостям пластинок для сохранения связности.
Остеоны образуют компактную костную ткань Вокруг Гаверсовых каналов Пластинки могут располагаться параллельными слоями или в виде переплетающихся цилиндров, образуя остеоны, каждый из которых расположен в гаверсовом канале, содержащем сосуды и рыхлую соединительную ткань. Каналы Фолькмана выводят сосуды с надкостничной поверхности и соединяют соседние остеоны. Компактная кость имеет наружные и внутренние пластинки по окружности, а интерстициальные пластинки являются остатками более ранних остеонов.
Трабекулярная архитектура и расположение длинных костей Пластинчатая кость также образует трабекулы, разделенные костномозговыми пространствами, создавая губчатую кость. Диафизы длинных костей представляют собой плотную кость снаружи и губчатую кость по направлению к костномозговой полости, заполненной желтым мозгом; эпифизы состоят из губчатой кости с красным мозгом между трабекулами. Суставные поверхности покрыты гиалиновым хрящом, в котором отсутствует надхрящница.
Надкостница, эндост и волокна Шарпея закрепляют и питают Надкостница состоит из плотного волокнистого наружного слоя и внутреннего остеогенного слоя; волокна коллагена Шарпея проникают в костный матрикс, надежно фиксируя его. Сосуды в обоих слоях проходят через каналы Фолькмана и соединяются с гаверсовыми каналами, обеспечивая перфузию. Эндост выстилает полости костного мозга и трабекулы и, подобно периваскулярным нишам, содержит остеогенные и адвентициальные стволовые клетки.
Ориентиры на слайде: Пятно Шморля выделяет остеоны На срезах, окрашенных по методу Шморля, видны тонкие параллельные коллагеновые пластинки, остеоциты с отростками в лакунах и яркие гаверсовы каналы, содержащие элементы крови. Цементные (обратные) линии образуют четкие минерализованные границы вокруг остеонов. Интерстициальные пластинки заполняют промежутки между остеонами, а в надкостнице видны волокнистые и остеогенные подслои.
Последовательность реконструкции Заменяет старое новым Остеокласты, происходящие из моноцитов, рассасывают минерализованный матрикс, создавая пространство для обновления. Адвентициальные клетки дифференцируются в остеобласты, которые откладывают остеоид, который впоследствии минерализуется. Некоторые остеобласты внедряются и созревают в остеоциты, в то время как активный синтез остается ограниченным поверхностью кости.
Коллагеновые зазоры Содержат кристаллы гидроксиапатита Остеобласты сначала формируют коллагеновые фибриллы, молекулы которых выстраиваются в линию с промежутками в четверть оборота. Остеокальцин повышает уровень внеклеточного кальция, а связанные с коллагеном белки связывают ионы с фибриллярными промежутками. Растущий фосфат, поддерживаемый щелочной фосфатазой, соединяется с кальцием, образуя кристаллы гидроксиапатита в этих местах.
Матричные пузырьки катализируют зарождение минералов и обезвоживают матрикс Остеобласты также выделяют матриксные пузырьки, содержащие кальций, щелочную фосфатазу и ферменты, ускоряющие образование минералов. Растущий гидроксиапатит вытесняет протеогликаны, а вместе с ними и воду, из внеклеточного матрикса. В результате образуется плотно минерализованный, почти обезвоженный костный матрикс.
Ультраструктура остеокластов обеспечивает целенаправленную Резорбцию Остеокласты имеют гофрированную границу, которая образует закрытую резорбционную лакуну, ограниченную прозрачной зоной, закрепленной интегринами. Везикулярные участки доставляют лизосомальные ферменты в этот компартмент, в то время как в базальной зоне находятся ядра и органеллы. Подкисление сначала растворяет гидроксиапатит; активированные лизосомальные протеазы, такие как катепсины, затем переваривают открытую органическую матрицу.
Остеопороз разрушает губчатую Структуру Когда потеря костной массы опережает ее формирование, трабекулы истончаются, а эпифизарная губчатая оболочка становится разреженной. Повышается хрупкость, поэтому незначительные движения могут привести к переломам. В таких условиях головка и шейка бедренной кости особенно уязвимы.
Внутримембранозное окостенение формирует кость на васкуляризированной мезенхиме Примерно на четвертой неделе эмбрионального развития мезенхима, достаточно васкуляризованная, становится остеогенной. Клетки формируются в остеобласты, образуют остеоид и образуют трабекулы из костной ткани, населенные остеоцитами. Остеокласты реконструируют эти трабекулы, которые затем остеобласты заменяют пластинчатой костью.
Эндохондральное окостенение и пластинка роста удлиняют длинные кости В плохо васкуляризованной мезенхиме под перихондрием образуется модель гиалинового хряща; сосудистая инвазия превращает внутренний перихондрий в остеогенный слой, образуя костный воротник. Хондроциты гипертрофируются и высвобождают пузырьки матрикса, хрящевой матрикс кальцифицируется, остеокласты рассасывают его, а остеобласты откладывают тканую кость, которая позже становится пластинчатой. Первичное окостенение начинается в диафизе, вторичные очаги развиваются в эпифизах, а метафизарная хрящевая пластинка стимулирует продольный рост до тех пор, пока она не минерализуется и не заменяется костью примерно в возрасте 20-25 лет.