Костная ткань, как и другие виды соединительной ткани, развивается из мезенхимы, состоит из клеток и межклеточного вещества, выполняет функцию опоры, защиты и активно участвует в обмене веществ организма. Кости скелета, черепа, грудной клетки, позвоночников обеспечивают механическую защиту органов цен тральной нервной системы и грудной полости. В губчатом веществе костей скелета локализован красный костный мозг, здесь осу ществляются процессы кроветворения и дифференцировки клеток иммунной защиты организма. Кость депонирует соли кальция, фосфора и др. В совокупности минеральные вещества составляют 65 - 70% сухой массы ткани, преимущественно в виде его фосфорных и углекислых соединений (солей). Кость активно участвует в обмене веществ организма, что определяет ее способность закономерно перестраиваться, отвечая на изменяющиеся условия его жизнедеятельности, динамику обмена веществ в связи с возрастом, диетой, активностью функции желез внутренней секреции и др.
Клетки костной ткани. Костная ткань содержит четыре раз личных вида клеток: остеогенные клетки, остеобласты, остеоциты и остеокласты.
Остеогенные клетки - клетки ранней стадии специ фической дифференцировки мезенхимы в процессе остеогенеза. Они сохраняют потенцию к митотическому делению Характеризу ются овальным, бедным хроматином ядром. Их цитоплазма слабо окрашивается основными или кислыми красителями. Локализуют ся эти клетки на поверхности костной ткани: в надкостнице, эндо-осте, в гаверсовых каналах и других зонах формирования костной ткани. Остеогенные клетки размножаются и, дифференцируясь, пополняют запас остео бластов, обеспечивающих рост и перестройку костно го скелета.
Остеобласты — клетки, продуцирующие органические элементы межклеточного вещества костной ткани: коллаген, гликозамингликаны, белки и др. Это крупные клетки кубической или призматической формы, расположенные по поверхности формирующихся костных балок. Их тонкие отростки анастомозируют друг с другом. Ядра остеобластов округлые с крупным ядрышком, расположены эксцентрично. Цитоплазма содержит хорошо разви тую зернистую эндоплазматическую сеть и свободные рибосомы, что определяет ее базофилию. Комплекс Голь джи рассредоточен в цитоплазме клеток между ядром и развиваю щейся костью. Многочисленные митохондрии овальной формы. Для цитоплазмы остеобластов специфична положительная реак ция на активность щелочной фосфатазы.
Остеоциты - клетки костной ткани - лежат в особых полостях межклеточного вещества - лакунах, соединенных между собой многочисленными костными канальцами. Остео циты имеют соответствующую лакуне форму уплощенного овала (22 - 55 мкм длины и 6 - 15 мкм ширины). Их многочисленные-тонкие отростки, распространяясь по костным канальцам, анастомозируют с отростками соседних клеток. Система лакун и костных канальцев содержит тканевую жидкость и обеспечивает уро-
— вень обмена веществ, неосбходимый для жизнедеятельности кост ных клеток Морфологическая организация цито плазмы остеоцитов соответствует степени их дифференцировки.. Молодые формирующиеся клетки по составу органелл и степени их развития близки к остеобластам. В более зрелой кости цитоплазма клеток беднее органеллами, что свидетельствует о снижении уровня обмена веществ, в частности синтеза белков.
Остеокласты - крупные, многоядерные клетки, от 20 до» 100 мкм в диаметре. Остеокласты находятся на поверхности кост ной ткани в местах ее резорбции. Клетки поляризованные. Поверх ность их, обращенная к резорбируемой кости, имеет большее количество тонких, плотно расположенных, ветвящихся отрост ков, образующих в совокупности гофрированную каемку. Здесь секретируются и сосредоточиваются гидролити ческие ферменты, участвующие в процессах разрушения кости. Область гофрированной каемки граничит с окружающей ее зоной поверхности клетки, плотно прилегающей к резорбцируемой кости светлой зоной, почти не содержащей органелл. Цитоплазма центральной части клетки и ее противоположного полюса содержит многочисленные ядра (до 100 ядер), несколько групп струк тур комплекса Гольджи, митохондрии, лизосомы. Ферменты лизо сом, поступающие в зону гофрированной каемки, активно участвуют в резорбции кости. Гормоны паращитовидной железы (ПТГ), усиливая процессы секреции ферментов лизосом, стиму лируют резорбцию кости. Кальцитонин щитовидной железы сни жает активность остеокластов. Отростки гофрированной каемки в. этих условиях сглаживаются, и клетка отделяется от поверхности кости. Резорбция кости замедляется.
Межклеточное вещество костной ткани состоит из.коллагено вых волокон и аморфного вещества: гликопротеидов, сульфатированных гликозамингликанов, белков и неорганических соедине ний - фосфата кальция, гидроапатита и различных микроэлементов (медь, цинк, барий, магний и др.). 97% всего кальция организма сосредоточено в костной ткани. В соответствии со структурной организацией межклеточного вещества различают грубо- волокнистую кость и пластинчатую.
Грубоволокнистая кость характеризуется значительным диа метром пучков коллагеновых фибрилл и разнообразием их ориентации. Она типична для костей ранней стадии онтогенеза животных и некоторых участков скелета взрослых: зубных альвеол, костей черепа вблизи костных швов, костного лабиринта внутреннего уха, области прикрепления сухожилий и связок. В пластин чатой кости коллагеновые фибриллы межклеточного вещества не образуют пучков. Располагаясь параллельно, они формируют слои - костные пластинки толщиной 3-7 мкм. Смежные пластинки всегда имеют различную ориентацию фибрилл. В пластинках, закономерно расположены клеточные полости - лакуны и со единяющие их костные канальца, в которых лежат костные-клетки - остеоциты и их отростки (рис. 126). По системе лакун и костных канальцев циркулирует тканевая жидкость, обеспечи вающая обмен веществ в ткани.
В зависимости от положения костных пластинок различают- губчатую и компактную костную ткань. В губчатом вещест ве, в частности в эпифизах трубчатых костей, группы костных пластинок располагаются под разными углами друг к другу в со ответствии с направлением основных механических нагрузок данного участка скелета. Ячеи губчатого вещества кости содержат красный костный мозг. Оно обильно снабжается кровью и актив но участвует в минеральном обмене организма.
В компактном веществе группы костных пластинок; 4-15 мкм толщиной плотно прилежат друг к другу. В соответствии с особенностями васкуляризации и локализации камбиаль ных клеток кости - остеобластов в компактном веществе диафизов трубчатых костей формируется три слоя: наружная общая систе ма пластинок, остеонный слой, содержащий остеоны и вставоч ные системы костных пластинок, и внутренняя общая (окружаю щая) система. Пластинки наружной общей системы формируются остеобластами надкостницы, при этом часть остеобластов превра щается в остеоциты и включается во вновь образованную костную ткань. Костные пластинки наружной общей системы следуют параллельно поверхности кости. Через этот слой кости из надкост ницы проходят прободающие канальца, несущие в кость кровеносные сосуды и грубые пучки коллагеновых волокон, замурованные в нее при формировании наружных общих пластинок.
В остеонном слое трубчатой кости каналы остеона, содержащие кровеносные сосуды, нервы и сопровождающие их соединительнотканные элементы, анастомозируя друг с другом, в основном ориентированы продольно. Системы трубкообразных костных пластинок, окружающие эти каналы, - остеоны содержат от 4 до 20 пластинок. На поперечных срезах компактного вещества труб чатых костей они определяются как чередующиеся более светлые волокнистые (с циркулярным положением волокон) и более темные зернистые слои в соответствии с ориентацией коллагеновых фибрилл межклеточного вещества. Остеоны отграничены друг от друга цементной линией основного вещества. Между остеонами включены вставочные, или промежуточные, системы кост ных пластинок, представляющих собой части ранее сформированных остеонов, сохранившихся в процессе перестройки кости. Последние очень разнообразны по размерам, форме и ориентации.
Внутренняя общая (окружающая) система костных пластинок граничит с эндоостом костной полости и и представлена пластинками, ориентированными параллельно поверхности костно-мозгового канала.
Гистогенез: Кость, как и другие виды соедииительной ткани, развивается из мезен химы. Различают два вида остеогенеза: непосредственно из мезенхимы и путем замещения костью эмбрионального хряща.
Развитие кости из мезенхимы - интермембрашкшоо окостене ние. Этот вид остеогонена характерен для развития груГнжолокпи- стой кости черепа и нижней челюсти. Процесс начинается с интенсивного ра:шития соединительной ткани и кровеносных сосу дов.
Мезенхимные клетки, анастомозируя между собой отростками, в совокупности образуют сеть, погруженную в аморфное межклеточное вещество, содержащее отдельные пучки коллагеновых волокон. Клетки, оттесненные межклеточным веществом на поверхность такого остеогенпого островка, становятся базофильными и дифференцируются в остеобласты, активно участвующие в остеогенезе.
Отдельные клетки, утрачивая способность синтеза межклеточного вещества, при активности смежных остеобластов замуровываются в него и дифференцируются в остеоциты. Межклеточное вещество молодой кости импрегнируется фосфатом кальция, который накапливается в кости вследствие распада глицерофосфата крови под действием выделяемой фибробластами щелочной фосфа-тазы. Освобождающийся остаток фосфорной кислоты реагирует с хлоридом кальция. Образующиеся при этом фосфат кальция и углекислый кальций импрегнируют основное вещество кости. Окружая формирующуюся кость, эмбриональная соединительная ткань образует периост.
В последующем первичная грубоволокнистая костная ткань замещается пластинчатой костью. Костные пластинки при этом образуются вокруг кровеносных сосудов, формируя первичные остеоны. Со стороны надкостницы развиваются наружные общие системы костных пластинок, ориентированные параллельно по верхности кости.
Энхондральное окостенение. Кости туловища, конечностей, ос нования черепа формируются на месте хрящевой ткани. Начало’ процесса характеризуется перихондральным окостенением, начинающимся усиленной васкуляризацией надхрящницы, пролиферацией и дифференциацией ее клеток и межклеточного вещества, в том числе остеобластов.
В трубчатых костях этот процесс начинается в области диафиза формированием под надхрящницей сети перекладин грубово-локнистой кости - костной манжетки. По мере развития периостальной кости в середине ее хрящевой модели в цен тре окостенения хрящевая ткань закономерно изменяется. Клетки хряща прогрессивно увеличиваются в размерах, обогащаются гликогеном и васкуляризуются. Их ядра сморщиваются. Клеточные полости увеличиваются. В области диафиза формируется зона пузырчатого хряща. Соединительная ткань надкостницы, проникая между перекладинами костной манжетки, вносит в зону дегенерирующего хряща различно дифференцированные мезенхимные клетки как гемопоэтического ряда, так и дифференцирующиеся клетки костной ткани: остеокласты и остео бласты. В смежных зонах хрящевого зачатка кости клетки, размно жаясь, образуют расположенные параллельными рядами, продоль но ориентированные клеточные колонки. Клетки к колонке раз граничены тонкими перегородками основного вещества. Межкле точное вещество между коликами клеток, уплотняясь и кальцефицируясь, формирует «хрящевые балки». Эпдохондральное окостенение распространяется от диафиза хрящевой закладки к его эпифизам, соответственно в составе клеточных колонок можно выделить наиболее удаленную от диафиза зону пролиферация- клеток (за которой ближе к диафиму следуют зоны созревания их), гипертрофии, дистрофии и распада. В образующиеся при этом1. лакуны врастают кровеносные сосуды с остеогенными клетками. Но мере дифференцировки остеобластов они локализуются на стенках лакун и, продуцируя межклеточное вещество кости, формируют на поверхно сти сохранившихся хрящевых пластинок костную ткань. Процесс замещения хряща костной тканью называется эыхондральным окостенением
Одновременно с развитием энхондральной кости со стороны надкостницы идет активный процесс перихордального остеогенеза, формирующий плотный слой периостальной кости, распространяющейся по всей ее длине до эпифизарной пластинки роста. Перио-стальная кость представляет компактное вещество кости скелета. В отличие от грубоволокнистой кости манжетки у нее строение типичной пластинчатой кости с характерными системами костных пластинок, выраженными в разной степени в зависимости от пида животного и специфичности отдельных костей скелета.
Позднее центры окостенения появляются в эпифизах кости. Развивающаяся здесь костная ткань замещает хрящевую ткань всего эпифиза. Последняя сохраняется лишь на суставной поверх ности ив эпифизарной пластинке роста, отграничивающей эпифиз от диафиза (рис. 133) в течение всего периода роста организма до половой зрелости животного.
Надкостница (периост) состоит из двух слоев. Ее внутренний слой содержит коллагеновые и эластические волокна, остеобласты, остеокласты и кровеносные сосуды. Последние проникают через питательные отверстия кости в костную ткань и в костный мозг. Наружный слой надкостницы образован плотной соединительной тканью. Она непосредственно связана с сухожилиями мышц и коллагеновыми волокнами связок. Отдельные пучки кол- лагеновых волокон надкостницы непосредственно включены в костную ткань в виде «прободающих» волокон, обеспечивающих механическую прочность связи надкостницы с костью.
Эндоост - слой соединительной ткани, выстилающий костномозговой канал. Он содержит остеобласты и тонкие пучки коллагеновых волокон, переходящих в ткань костного мозга.
Кость состоит из плотного компактного вещества, substantia compacta, расположенного по периферии, и губчатого, substantia spongiosa, находящегося в центре и представленного массой костных перекладин, расположенных в разных направлениях. Балки губчатого вещества проходят не беспорядочно, а соответствуют линиям сжатия и растяжения, которые действуют на каждом участке кости. Каждая кость имеет строение, наиболее соответствующее тем условиям, в которых она находится. В некоторых смежных костях кривые сжатия (или растяжения), а следовательно, и балки губчатого вещества составляют единую систему.
Рисунок: Строение бедренной кости на распиле.
1 - эпифиз; 2 - метафиз; 3 - апофиз; 4 - губчатое вещество; 5 - диафиз; 6 - компактное вещество; 7 - костномозговая полость.
Толщина компактного слоя в губчатых костях небольшая. Основная масса костей подобной формы представлена губчатым веществом. В трубчатых костях компактное вещество имеет большую толщину в диафизах, а губчатое, наоборот, более выражено в эпифизах. Костномозговой канал, находящийся в толще трубчатых костей, выстлан соединительнотканной оболочкой — эндостом, endosteum.
Ячейки губчатого вещества и костномозговой канал трубчатых костей заполнены костным мозгом. Различают два вида костного мозга: красный, medulla ossium rubra, и желтый, medulla ossium flava. У плодов и новорожденных костный мозг во всех костях красный. С 12-18-летнего возраста красный мозг в диафизах замещается желтым костным мозгом. Красный мозг построен из ретикулярной ткани, в ячейках которой находятся клетки, имеющие отношение к кроветворению и костеобразованию. Желтый мозг содержит жировые включения, придающие ему желтый цвет. Снаружи кость покрыта надкостницей, а в местах соединения с костями — суставным хрящом.
Надкостница, periosteum, представляет собой соединительнотканное образование, состоящее из двух слоев: внутреннего (росткового, или камбиального) и наружного (волокнистого). Она богата кровеносными и лимфатическими сосудами и нервами, которые продолжаются в толщу кости. С костью надкостница связана посредством соединительнотканных волокон, проникающих кость. Надкостница является источником роста кости в толщину и участвует в кровоснабжении кости. 3а счет надкостницы кость восстанавливается после переломов. В старческом возрасте надкостница становится волокнистой, ее способность вырабатывать костное вещество ослабевает. Поэтому переломы костей в старческом возрасте заживают с трудом.
Микроскопически кость состоит из расположенных в определенном порядке костных пластинок. Костные пластинки состоят из коллагеновых волокон, пропитанных основным веществом, и костных клеток. Костные клетки располагаются в костных полостях. От каждой костной полости расходятся во все стороны тонкие канальцы, соединяющиеся с канальцами соседних полостей. В этих канальцах находятся отростки костных клеток, которые анастомозируют между собой. По системе канальцев к костным клеткам доставляются питательные вещества и отводятся продукты обмена. Система костных пластинок, окружающих костный канал, называется остеоном, osteonum. Остеон — структурная единица костной ткани. Направление каналов остеонов соответствует направлению сил натяжения и сил опоры, создающихся в кости при ее функционировании. Помимо каналов остеонов, в кости выделяют прободающие питательные каналы, пронизывающие наружные общие пластинки. Они открываются на поверхности кости под надкостницей. Эти каналы служат для прохождения сосудов из надкостницы внутрь кости.
Костные пластинки делятся на пластинки остеона, концентрически расположенные вокруг костных каналов остеона, вставочные, расположенные между остеонами, и общие (наружные и внутренние), охватывающие кость с наружной поверхности и по поверхности мозговой полости.
Кость представляет собой ткань, внешнее и внутреннее строение которой подвергается изменению и обновлению на протяжении всей жизни человека. Это осуществляется за счет ведущих к перестройке кости взаимосвязанных процессов разрушения и созидания, характерных для живой кости. Перестройка костной ткани дает возможность кости приспосабливаться к изменяющимся условиям функции и обеспечивает высокую пластичность и реактивность скелета.
Рисунок: Строение кости (схема).
1 - губчатое вещество; 2 - канал остеона; 3 - перекладина губчатого вещества; 4 - вставочные костные пластинки; 5 - ячейки губчатого вещества; 6 - компактное вещество; 7 - прободающие питательные каналы; 8 - надкостница; 9 - общие наружные костные пластинки; 10 - остеоны; 11 - костные пластинки остеона.
Перестройка костей происходит на протяжении всей жизни человека. Наиболее интенсивно она протекает в первые 2 года постнатального периода, в 8-10 лет и в период полового созревания. Условия жизни ребенка, перенесенные заболевания, конституциональные особенности его организма влияют на развитие скелета. Большую роль в формировании костей растущего организма играют физические упражнения, труд и связанные с ними механические факторы. 3анятия спортом, физический труд ведут к усилению перестройки кости и более продолжительному периоду ее роста. Процессы образования и разрушения костного вещества регулируются нервной и эндокринной системой. При нарушении их функции возможны расстройства развития и роста костей вплоть до образования уродств. Профессиональная и спортивная нагрузка оказывает влияние на особенности строения костей. Кости, испытывающие большую нагрузку, претерпевают перестройку, ведущую к утолщению компактного слоя.
Кровоснабжение и иннервация костей. Кровоснабжение костей осуществляется из ближайших артерий. В надкостнице сосуды образуют сеть, тонкие артериальные ветви которой проникают через питательные отверстия кости, проходят в питательных каналах, каналах остеонов, достигая капиллярной сети костного мозга. Капилляры костного мозга продолжаются в широкие синусы, от которых берут начало венозные сосуды кости.
В иннервации костей принимают участие ветви ближайших нервов, образующие в надкостнице сплетения. Одна часть волокон этого сплетения заканчивается в надкостнице, другая, сопровождая кровеносные сосуды, проходит через питательные каналы, каналы остеонов и достигает костного мозга.
Является основной опорной тканью и структурным материалом для костей, т. е. для скелета. Полностью дифференцированная кость является самым прочным материалом организма, за исключением зубной эмали. Она очень устойчива к сжатию и растяжению и исключительно устойчива к деформациям. Поверхность кости (за исключением сочлененных поверхностей) покрыта оболочкой (надкостницей), которая обеспечивает заживление кости после переломов.
Костные клетки и межклеточное вещество
Костные клетки (остеоциты) соединяются между собой длинными отростками и со всех сторон окружены основным веществом кости (внеклеточным матриксом). По составу и строению основное вещество кости своеобразно. Внеклеточный матрикс заполнен коллагеновыми волокнами, расположенными в основном веществе, богатом неорганическими солями (соли кальция, в первую очередь фосфат и карбонат).
Он содержит 20-25% воды, 25-30% органических веществ и 50% различных неорганических соединений. Минеральные вещества кости находятся в кристаллической форме, таким образом обеспечивая ее высокую механическую прочность.
Благодаря хорошему кровоснабжению, которое благоприятствует усиленному обмену, кость обладает биологической пластичностью. Жесткий и крайне прочный материал кости представляет собой живую ткань, которая способна легко приспосабливаться к изменению статических нагрузок, в том числе при изменении их направления. Отчетливых границ между органическими и минеральными компонентами кости не существует, и поэтому их присутствие может быть установлено лишь при микроскопическом исследовании. При сжигании кость сохраняет только минеральную основу и становится хрупкой. Если кость поместить в кислоту, то остаются лишь органические вещества, и она становится гибкой, как резина.
Строение трубчатой кости
Строение кости особенно наглядно видно на продольном распиле длинной кости. Различают плотный наружный слой (substantia соmpacta, compacts, компактное вещество) и внутренний (губчатый) слой (substancia spongiosa, spongiosa). В то время как плотный наружный слой характерен для длинных костей и особенно заметен на теле кости (диафизе), губчатый слой в основном находится внутри ее концов (эпифизов).
Такая «облегченная конструкция» обеспечивает прочность кости при минимальном расходе материала. Кость адаптируется к возникающим нагрузкам посредством ориентации костных перекладин (трабекул). Трабекулы располагаются по линиям сжатия и растяжения, возникающим при нагрузке. Пространство между трабекулами в губчатых костях заполнено красным костным мозгом, обеспечивающим кроветворение. Белый костный мозг (жировой мозг) в основном находится в полости диафизов.
У длинных костей наружный слой обладает ламеллярной (пластинчатой) структурой. Поэтому кости также называются ламеллярными. Архитектура ламеллярной сети (остеон, или гаверсова система) хорошо видна на спилах. В центре каждого остеона проходит кровеносный сосуд, через который в кость из крови поставляются питательные вещества.
Вокруг него группируются остеоциты и внеклеточный матрикс. Остеоциты всегда располагаются между пластинками, в которых находятся спирализованные коллагеновые фибриллы. Клетки соединены друг с другом посредством отростков, проходящих через мельчайшие костные канальцы (каналикулы). Через эти канальцы из внутренних кровеносных сосудов поступают питательные вещества. При развитии остеона клетки, образующие кость (остеобласты), в больших количествах начинают поступать из внутренней части кости, образуя наружную пластинку остеона. На эту пластинку накладываются коллагеновые фибриллы, которые спирализуются. Между фибриллами упорядоченно располагаются кристаллы неорганических солей.
Затем с внутренней стороны образуется следующая пластинка, в которой коллагеновые фибриллы располагаются перпендикулярно фибриллам первой пластинки. Процесс продолжается до тех пор, пока в центре останется только место для так называемого гаверсова канала, через который проходит кровеносный сосуд. Также в канале находится небольшое количество соединительной ткани. Зрелый остеон достигает около 1 см в длину и состоит из 10-20 цилиндрических пластинок, вставленных одна в другую. Костные клетки как бы замурованы между пластинками и соединяются с соседними клетками посредством длинных тончайших отростков. Остеоны связаны друг с другом каналами (фолькмановы каналы), через которые ответвления сосудов проходят в гаверсовы каналы.
Губчатые кости также обладают пластинчатой структурой, однако в этом случае пластинки расположены слоями, как в листе фанеры. Поскольку клетки губчатой кости также обладают высокой метаболической активностью и нуждаются в питательных веществах, пластинки в этом случае тонкие (около 0,5 мм). Связано это с тем, что обмен питательными веществами между клетками и костным мозгом происходит исключительно за счет диффузии.
На протяжении жизни организма остеоны плотного слоя и пластинки губчатых костей могут хорошо приспосабливаться к изменениям статических нагрузок (например, к переломам). При этом в плотном и губчатом веществе старые ламеллярные структуры подвергаются разрушению, и возникают новые. Пластинки разрушаются специальными клетками остеокластами, а остеоны, находящиеся в процессе обновления, называются интерстициальными пластинками.
Развитие костной ткани
На первой стадии дифференцировки кости человека пластинчатая ткань не образуется. Вместо этого возникает ретикулофиброзная (грубоволокнистая) кость. Это происходит в эмбриональном периоде, а также при заживлении переломов. В грубоволокнистой кости сосуды и коллагеновые волокна располагаются неупорядоченно, чем она напоминает прочную, богатую волокнами соединительную ткань. Грубоволокнистая кость может образоваться двумя путями.
1. Непосредственно из мезенхимы развивается мембранная кость. Этот тип окостенения называется интрамембранной оссификацией или десмальным окостенением (прямой путь).
2. Вначале в мезенхиме образуется хрящевой зачаток, который затем превращается в кость (эндохондральная кость). Процесс называется эндохондральным или непрямым окостенением .
Приспосабливаясь к нуждам растущего организма, развивающиеся кости постоянно меняют формы. Пластинчатые кости также изменяются в соответствии с функциональной нагрузкой, например, по мере увеличения веса тела.
Развитие длинных костей
Большинство костей развивается из хрящевого зачатка по непрямому пути. Лишь некоторые кости (черепа и ключицы) образуются путем интрамембранной оссификации. Однако части длинных костей могут образовываться по прямому пути даже в том случае, если хрящ уже заложен, например, в виде перихондральной костной манжетки, за счет которой происходит утолщение кости (перихондральная оссификация).
Внутри кости ткань закладывается по непрямому пути, причем вначале хрящевые клетки удаляются хондрокластами, а затем замещаются за счет хондральной оссификации. На границе диафиза и эпифиза развивается эпифизарная пластинка (хрящ). В этом месте кость начинает расти в длину за счет деления хрящевых клеток. Деление продолжается до остановки роста. Поскольку эпифизарная хрящевая пластинка не содержит кальция, она не видна на рентгеновском снимке. Рост кости в пределах эпифизов (центры оссификации) начинается лишь с момента рождения. Многие центры оссификации развиваются только в первые годы жизни. В местах присоединения мышц к костям (апофизы) образуются специальные центры оссификации.
Различия между костью и хрящом
Клетки аваскулярной кости образуют плотное вещество, выполняющее транспортные функции. Такая кость хорошо регенерирует и постоянно адаптируется к изменению статических условий. В аваскулярном хряще клетки изолированы друг от друга и от источников питательных веществ. По сравнению с костью хрящ в меньшей степени способен к регенерации и обладает небольшими адаптационными возможностями.
Костная ткань состоит из клеток и межклеточного вещества. Чтобы получить общее представление о костных клетках - остеоцитах, целесообразнее всего рассмотреть тонкую костную пластинку, например из решетчатой кости. На рисунке видно, что остеоциты сильно уплощены, неправильно округлой или овоидной формы, с множеством отростков.
У молодых животных отростки соседних клеток соприкасаются друг с другом, создавая впечатление сети. Позже отростки укорачиваются или исчезают, а на их месте в межклеточном веществе остается система тонких костных канальцев, по которым протекает питающая клетки тканевая жидкость. Если клетки разрушить мацерацией, вместо них в межклеточном веществе видны пустоты - костные полости, соединенные костными канальцами. Клетки и костные канальцы окружены тонкой капсулой, отличающейся по свойствам от остального межклеточного вещества. Она состоит из полисахарида, соединенного с белком, и из тончайших коллагеновых фибрилл. Хотя эти фибриллы продолжаются в окружающее межклеточное вещество, капсулы все же можно изолировать вывариванием кости в щелочи. Все остальное межклеточное вещество состоит из коллагеновых волокон, небольшого количества аморфного вещества и солей кальция, откладывающихся в волокнах. Из-за особой плотности межклеточного вещества при изготовлении гистологических препаратов приходится растворять соли кальция кислотами (декальцинировать кость) или использовать тончайшие шлифы.
Рисунок 25. Костная пластинка из решетчатой кости белой мыши (по А.А. Максимову). Видны клетки и межклеточное вещество.
У зародышей и у новорожденных животных коллагеновые волокна в межклеточном веществе костной ткани еще грубее и идут в разных направлениях; такую ткань называют грубоволокнистой. По мере роста и развития животного грубоволокнистая кость заменяется более совершенной пластинчатой костью, состоящей из пластинок костной ткани, в межклеточном веществе которых проходят ориентированные и одном направлении тонкие и ровные коллагеновые волокна.
Костное вещество может быть губчатым и компактным. Как в том, так и в другом случае кость состоит из пластинок, образующих целые системы, тесно связанные с кровеносными сосудами и нервами.
В губчатом веществе расположение костных пластинок может быть очень разнообразным. Они образуют идущие в равных направлениях костные перекладины и трубочки. Их распределение соответствует направлению основных линии сжатия и растяжения ткани. Губчатое вещество богато лабильным (подвижным) фосфором, образующим соединения, легко выводимые в кровь и легко осаждающиеся из крови.
В компактном веществе лабильного фосфора втри раза меньше, чем в губчатом. Следовательно, компактное вещество в меньшей степени участвует в минеральном обмене. Оно состоит из плотно прилегающих друг к другу систем костных пластинок. Строение этих систем удобнее всего рассмотреть в диафизе трубчатой кости. Снаружи кость одета соединительнотканной надкостницей; (периостом), состоящей из камбиальных клеток и сплетения коллагеновых пучков. В местах прикрепления сухожилии периост особенно плотно срастается с костной тканью, посылая в ее поверхностные слои мощные пучки коллагеновых волокон - шарпеевых волокон.
Самый наружный слой кости состоит на системы одевающих всю кость костных пластинок в виде трубок, плотно вставленных одна в другую. Это - наружная общая (генеральная) система (рис.). В пластинках этой системы местами проходят шарпеевы волокна и довольно широкие фолькмановские каналы, содержащие кровеносные сосуды и нервы. В этих каналах нет собственных костных пластинок, они проходят в кости в радиальном направлении и соединяются с системой гаверсовых каналов, идущих преимущественно вдоль кости и анастомозирующих друг с другом. Гаверсовы каналы расположены по оси остеонов (гаверсовых систем), то есть систем, образованных костными пластинками трубчатой формы, вставленных одна в другую.
Рисунок 26. Схема строения трубчатой кости (частично по Тере Имре): 1 – надкостница; 2 – кровеносные сосуды; 3 – наружная общая система костных пластинок; 4 – гаверсова система; 5 – вставочная система; 6 – гаверсов канал; 7 - фолькмановский канал; 8 – компактная кость; 9 – губчатая кость; 10 – внутренняя общая система костных пластинок.
Светлыми пластинки кажутся в том случае, если заключенные в них коллагеновые волокна образуют очень пологую спираль, то есть лежат почти горизонтально в плоскости среза. Такие пластинки представляются продольно исчерченными и сильно блестят в поляризованном свете, создавая типичную фигуру креста. Темные пластинки кажутся зернистыми, так как коллагеновые волокна в них перерезаны почти поперек, то есть образуют сильно вытянутую в длину спираль. Такое чередование пластинок обеспечивает остеону значительную прочность и упругость.
Остеоны, состоящие из пластинок с почти горизонтальным и почти вертикальным ходом волокон, особенно типичны для копытных животных. У животных, конечности которых выполняют более сложные движения, встречаются остеоны с иным расположением волокон. Например, самые внутренние и самые наружные пластинки гаверсовой системы содержат волокна, поднимающиеся очень полого, тогда как волокна средних пластинок идут почти вертикально. Такой остеон будет светлым в центральной и периферической частях и темным в области средних пластинок.
Костные клетки лежат между пластинками, а костные канальцы пронизывают всю толщу остеона (рис. 26), но обычно не выходят за его пределы. Снаружи остеон одет тонким слоем склеивающего аморфного вещества, лишенного волокон. Строение остеона во многом зависит от состояния минерального обмена. Так, у птиц во время линьки благодаря рассасыванию минеральных солей гаверсовы каналы увеличиваются, иногда весь остеон превращается в гаверсов канал.
Рисунок 27. Схема гаверсовой системы (по Штеру): в левой половине изображены костные полости и канальцы; в правой – направление волокон в отдельных пластинах; в центре – вскрытый гаверсов канал.
Между остеонами находятся вставочные, или интерстициальные системы костных пластинок, представляющие собой остатки существовавших ранее и частично разрушенных остеонов.
Рисунок 28. Схема расположения фибрилл в костных пластинках, составляющих гаверсову систему (по Гебхардту).
Наконец, внутренняя поверхность кости одета внутренней общей (генеральной) системой, аналогичной наружной системе. Она покрыта эндостом, сходным по строению с периостом.
Таким образом, в компактной кости различают четыре основных типа расположения костных пластинок, образующих: 1) наружную общую систему; 2) гаверсовы системы (остеоны); 3) вставочные системы и 4) внутреннюю общую систему. Разумеется, при изучении костей могут встретиться значительные видовые и возрастные особенности, подчас довольно далеко отступающие от приведенной выше схемы.
Рисунок 29. Гаверсовы состемы различного возраста (плечевая кость человека). Старые системы окрашены светлее (снимок А.Н. Миславского).
Классификация костных тканей основана на различиях строения межклеточного вещества, в частности, степени упорядоченности расположения в нем коллагеновых волокон. Выделяют (1) грубоволокнистую (ретикулофиброзную) костную ткань и (2) пластинчатую костную ткань (рис. 6.9).
Грубоволокнистая кость встречается у человека в эмбриональном периоде или при развитии патологических процессов (болезнь Педжета).
Рис. 6.9. Грубоволокнистая ткань (W) и пластинчатая (L) костная ткань (х120)
1) Грубоволокнистая (ретикулофиброзная) костная ткань (рис. 6.9) характеризуется неупорядоченным расположением коллагеновых волокон в матриксе. Она отличается относительно небольшой механической прочностью и обычно образуется тогда, когда остеобласты формируют остеоид с высокой скоростью.
В норме это происходит при образовании костной ткани у плода, в патологических условиях при заживлении перелома кости или при болезни Педжета. Лакуны с телами остеоцитов не имеют закономерной ориентации. Содержание остеоцитов в грубоволокнистой костной ткани выше, чем в пластинчатой, а в ее матриксе больше основного вещества и меньше минеральных компонентов. В ходе нормального развития и при регенерации костной ткани грубоволокнистая костная ткань постепенно замещается пластинчатой. У взрослого она сохраняется лишь в заросших швах черепа и участках прикрепления некоторых сухожилий к костям.
2) Пластинчатая костная ткань у взрослого образует практически весь костный скелет. Ее минерализованное межклеточное вещество состоит из особых костных пластинок толщиной 3-10 мкм, каждая из которых содержит параллельно расположенные тонкие коллагеновые волокна. Волокна соседних пластинок лежат под углом друг к другу, что способствует равномерному распределению действующих на них нагрузок. Пластинки в кости образуют нескольких систем. Лакуны, содержащие тела остеоцитов, располагаются между пластинками упорядоченно, а костные канальцы, в которых находятся отростки клеток, пронизывают пластинки под прямыми углами.
КОСТЬ КАК ОРГАН
Кость как орган обладает сложной архитектоникой и тканевым составом. Функционально ведущей тканью кости служит пластинчатая костная ткань, снаружи и со стороны костномозговой полости она покрыта соединительнотканными оболочками (надкостницей и эндостом) Кость содержит костный мозг, кровеносные и лимфатические сосуды и нервы. В кости как органе различают компактное (кортикальное) вещество кости и губчатое (трабекулярное) вещество, которые образованы пластинчатой костной тканью и плавно переходят друг в друга.
Компактное вещество (кортикальная кость) – сравнительно плотное, тяжелое (составляет 80% массы скелета взрослого человека); мягкие ткани занимают в нем менее 10% объема. Оно образует диафизы трубчатых костей и формирует наружный слой костной ткани всех других костей. Его обновление протекает значительное медленнее, чем губчатого вещества, метаболически оно более стабильно и в меньшей степени подвергается изменениям при старении. Компактное вещество обладает большей механической прочностью и, располагаясь кнаружи от менее прочного губчатого вещества, защищает его от возможных повреждении.
Высокие механические свойства компактного вещества обеспечиваются особой архитектоникой образующих его структурных компонентов - костных пластинок, которые формируют три пространственно и функционально взаимосвязанные системы.
Рис.6.11. Строение кости как органа: диафиз трубчатой кости. О - остеон, КО – канал остеона, ВП - вставочные пластинки, НОП - наружные общие пластинки, ВОП - внутренние общие пластинки, НК - надкостница, Э - эндост, ПВ - прободающие (шарпеевские) волокна, ПК - прободающий (фолькмановский) канал, КРС кровеносный сосуд, ГВ - губчатое вещество (трабекулярная кость).
1. Остеоны (гаверсовы системы) образуют основную массу компактного вещества и рассматриваются как его морфофункционалъные единицы. Они имеют вид цилиндров (иногда разветвляющихся и анастомозирующих) диаметром 100-500 мкм и длиной до нескольких сантиметров, которые располагаются вдоль длинной оси кости (рис. 14). Каждый остеон состоит из 3-25 костных пластинок, расположенных концентрически вокруг канала остеона (гаверсова канала). Между пластинками остеона залегают лакуны с остеоцитами; отростки ближайших к каналу остеоцитов проникают в его периваскулярное (окружающее сосуд) пространство, откуда получают питательные вещества и кислород. Наружной границей остеона (отделяющей его от соседних остеонов и вставочных пластинок) является спайная (цементирующая) линия толщиной 1-2 мкм, образованная преимущественно основным веществом и почти не содержащая волокон.
 |
Рис. 6.12. Схема строения остеона (по P.Stohr, 1959, с изменениями). Остеон состоит из костных пластинок (КП), расположенных концентрически вокруг канала остеона (КО). Коллагеновые волокна (KB) соседних КП лежат под углом друг к другу (показано в правой части схемы). Между КП находятся костные лакуны (КЛ) с телами остеоцитов (ОЦ); отростки ОЦ проходят в костных канальцах (КК), связывающих ОЦ в единую систему. Наружной границей остеона является спайная линия (СЛ). В КО верхнюю часть схемы) проходят кровеносный сосуд (КРС) и нервное волокно (НВ), окруженные небольшим количеством рыхлой волокнистой соединительной ткани, содержащей остеогенные клетки-предшественники, покоящиеся остеобласты, макрофаги и остеокласты.
Канал остеона (гаверсов канала) диаметром 20-120 мкм проходит через его центр и содержит один или два мелких кровеносных сосуда (артериолу, венулу или капилляр), окруженные небольшим количеством рыхлой волокнистой соединительной ткани. В последней находятся остеогенные клетки-предшественники, покоящиеся остеобласты, макрофаги, остеокласты, а также нервные волокна и лимфатические капилляры. Каналы остеонов сообщаются друг с другом, с надкостницей и костномозговой полостью за счет поперечно или косо идущих прободающих (фолькмановских) каналов, содержащих сосуды. В отличие от каналов остеона, прободающие каналы не окружены концентрически расположенными костными пластинками.
2. Вставочные (интерстициальные) пластинки заполняют пространства между остеонами (рис. 13) и являются остатками ранее существовавших остеонов, разрушенных в процессе перестройки кости.
3. Наружные и внутренние общие (генеральные, или окружающие) пластинки образуют самый наружный и самый внутренний компактного вещества кости и располагаются параллельно поверх кости под надкостницей и эндостом, соответственно. Внутренние общие пластинки имеются лишь на границе с костномозговой полостью диафиза и слабо выражены в участках перехода компактного вещества в губчатое.
Губчатое вещество (трабекулярная кость) – относительно легкое (образует 20% массы скелета взрослого человека); мягкие ткани составляют в нем 75% объема. Оно состоит из трехмерной сети анастомозирующих трабекул (дуг, арок), разделенных межтрабекулярными пространствами, содержащими костный мозг. Такое строение обеспечивает не только большую площадь поверхности (порядка 10 м 2), на которой осуществляются метаболические процессы, происходящие в кости, но и придает высокую механическую прочность при относительно небольшой массе. Наиболее толстые и мощные трабекулы располагаются в направлении действия максимальных механических нагрузок.
Трабекулы губчатого вещества кости образованы параллельно лежащими костными пластинками неправильной формы, объединенными в трабекулярные пакеты (морфофункциональные единицы губчатого вещества). Границей между пакетами служит цементирующая линия, аналогичная окружающей остеон. Типичный пакет имеет форму уплощенной дуги с радиусом 600 мкм, достигает в толщину 50 мкм и в длину 1 мм.
Лакуны с телами остеоцитов располагаются между пластинками губчатого вещества кости. Большая часть трабекул - тонкие (менее 0.2 мм) и не содержит кровеносных сосудов. Питание клеток осуществляется путем диффузии с поверхности трабекул через костные канальцы идущие к их поверхности. Трабекулы толще 0.2 мкм в центральной части обычно содержат структуру, сходную с остеоном, расположенную вокруг кровеносного сосуда. Поверхность костных трабекул губчатого вещества покрыта на большем протяжении слоем покоящихся остеобластов.
Площадь поверхности губчатого вещества значительно больше,чем аналогичный показатель компактного вещества (в пересчете на единицу объема в 10 раз), содержит более крупные популяции клеток, подвергается более выраженным динамическим изменениям и чаще, чем компактное, служит местом развития патологических изменений в кости.
Надкостница покрывает кость снаружи и прочно прикреплена к ней толстыми пучками коллагеновых прободающих (шарпеевских) волокон, которые проникают и вплетаются в слой наружных общих пластинок кости. В надкостнице имеются два слоя.
Наружный слой надкостницы образован плотной волокнистой неоформленной соединительной тканью, в которой преобладают волокна, идущие параллельно поверхности кости. Надкостница без резких границ переходит в участки прикрепления связок и мышц.
Внутренний слой надкостницы (у взрослых различим слабо) состоит из рыхлой волокнистой соединительной ткани, в которой располагаются плоские веретеновидные клетки - покоящиеся остеобласты и их предшественники (преостеобласты).
Функции надкостницы:
1. трофическая – надкостница обеспечивает питание кости, поскольку она содержит сосуды, которые (вместе с нервами) проникают из нее в кость через особые питательные отверстия на ее поверхности и направляются в прободающие (фолькмановские) каналы, расположенные под углом (часто прямым) к длиннику диафиза. Эта каналы внутри кости содержат сосуды, связывающие между собой сосуды остеонов и питающие костный мозг. Травматическое отделение надкостницы от кости на значительном протяжении лишает последнюю питания и вызывает в ней некротические изменения;
2. регенераторная – обусловлена наличием в ее внутреннем слое камбиальные элементов - остеогенных клеток, которые при стимуляции превращаются в активные остеобласты, продуцирующие костный матрикс и обеспечивающие регенерацию кости;
3. механическая, опорная – надхрящница обеспечивает механическую связь кости с другими структурами (сухожилиями, связками, мышцами), прикрепляющимся к ней.
Эндост – тонкая выстилка кости со стороны костного мозга аналогичная надкостнице, состоящая из непрерывного слоя плоских клеток. Содержит остеогенные клетки и остеокласты.
ГИСТОГЕНЕЗ, ПЕРЕСТРОЙКА