а) Костная ткань. Костная ткань — специализированная соединительная ткань, состоящая из органических и неорганических элементов, которые минерализуются. Она включает узкоспециализированные клетки, регулирующие ее стабильность (рис. 3, а).
1. Матрикс. Органический матрикс кости составляет приблизительно 30-35% общей массы костной ткани и формируется на 90% из коллагена I типа и на 10% из неколлагеновых белков, протеогликанов, гликопротеинов, углеводов и липидов. Органический матрикс синтезируется остеобластами. Еще не минерализованный костный матрикс называют остеоидом. Внутри коллагеновых волокон минеральная нуклеация начинается с ионов кальция и фосфата, которые откладываются и в конечном счете образуют кристаллы гидроксиапатита.
Неколлагеновые белки вдоль поверхности коллагеновых волокон помогают в распространении минералов и полной минерализации матрикса.
- Неорганические компоненты. Гидратированный кальций и фосфат в виде кристаллов гидроксиапатита [3Са3(РО4)2(ОН)2] служат основным неорганическим компонентом костного матрикса. Минерализация четко показана при сканирующей электронной микроскопии как яркий сигнал (рис. 3, б). В зрелой кости происходит минерализация различной степени.
Конкретные элементы внутри минеральной части можно дополнительно выявить с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.
Рисунок 3. Костный матрикс. а — Внеклеточный матрикс в костной ткани заполнен существеннее, чем его клеточный аналог: костный матрикс обладает уникальной способностью к минерализации — процессу, который требует поддержки органических компонентов и помощи узкоспециализированных клеток; б — кальций и фосфор присутствуют в виде кристаллов гидроксиапатита. Эти кристаллы имеют тенденцию отлагаться по ходу органического каркаса в костном матриксе. Оранжевая пунктирная линия представляет собой линейную развертку, подчеркивающую высокое содержание кальция и фосфора в зрелой кости, как показано с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии; в — в матриксе в изобилии присутствуют коллагеновые волокна, а также неколлагеновые белки. Они часто находятся в ориентированном направлении, как это показано с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния.
На рис. 3, б в кости значительно выражены характерные пики кальция и фосфора, как и следовало ожидать при их высоком содержании в пределах кристаллов гидроксиапатита.
- Органические компоненты. Кость изначально заложена как органический матрикс, богатый коллагеном и неколлагеновыми молекулами (рис. 3, в). Химический анализ костной ткани с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния четко выделяет органическую часть в матриксе. Переход от органического матрикса к минерализованному четко отображен при трансмиссионной электронной микроскопии на рис. 3, а: как остеоцит начинает внедряться в минерализованный зрелый матрикс.
По мере того как матрикс созревает, образование и распространение минералов опосредуется органическими компонентами ВМ. Рис. 3, а демонстрирует агрегацию минеральных кристаллов, образующих кольцевые структуры. По мере того как минералы распространяются вдоль коллагеновых фибрилл, линия минерализации четко разграничивает переход между областями остеоидной и зрелой кости.
2. Минерализация. Инициирование минеральной нуклеации в остеоиде обычно происходит в течение нескольких дней после откладывания ионов кальция и фосфора, но созревание завершается с распространением кристаллов гидроксиапатита в течение нескольких месяцев, как только синтезируется новый матрикс (см. рис. 3, а). Дополнительно с целью обеспечения прочности и ригидности кости для защиты высокочувствительных органов минерализация остеоида обеспечивает сохранность минералов, которые вносят вклад в системный гомеостаз.
3. Клетки. В пределах кости можно идентифицировать различные клеточные компоненты. Популяции различных клеток включают остеогенные клетки-предшественники, остеобласты, остеокласты, остеоциты и кроветворные элементы костного мозга. В этой главе основное внимание будет уделено трем основным функциональным клеткам, которые в конечном счете отвечают за нормальный скелетный гомеостаз.
Рисунок 4. Остеобласт. а — Остеобласты формируются из остеопрогениторных клеток костного мозга и ответственны за синтез незрелого костного матрикса, известного как остеоид: группа остеобластов, выстилающих зрелую кость, которая содержит клетки, встроенные в минерализованный матрикс; б — будущий фрагмент остеобластов, выстилающих зрелую кость, четко визуализирующихся при просвечивающей электронной микроскопии; обширная шероховатая эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи внутри этих клеток отражают их высокую метаболическую активность; в — основные молекулы, участвующие в дифференциации остеопрогениторной клетки до зрелого окончательно дифференцированного остеоцита.
- Остеобласты. Остеобласты (рис. 4) — первичные клетки, ответственные за образование костной ткани; они синтезируют компоненты органического ВМ и контролируют минерализацию матрикса (см. рис. 4, а, б). Остеобласты расположены на поверхности кости, участвуют в активном формировании матрикса и в дальнейшем могут дифференцироваться в два различных типа клеток: мезенхимальные клетки кости (выстилающие/остеогенные/адвентициальные) и остеоциты.
Мезенхимальные клетки кости вытянутой формы, покрывают поверхность костной ткани и не проявляют синтетической активности. Остеобласты — полностью дифференцированные клетки, у них отсутствует способность к миграции и пролиферации. Таким образом, для формирования костной ткани на данном участке недифференцированные мезенхимальные клетки-предшественники, движимые экспрессией гена, известного под названием «индийский еж» (//г/г), а позднее — фактор транскрипции RUNX2, и остеопрогениторные клетки мигрируют к месту и пролиферируют, чтобы стать остеобластами (см. рис. 4, в).
Определенные остеопрогениторные клетки присутствуют в костном мозге, эндосте и надкостнице, которая покрывает поверхность кости. Такие клетки обладают внутренней способностью к размножению и дифференциации в остеобласты. Дифференциация и развитие остеобластов из остеопрогениторных клеток зависят от высвобождения остеоиндуктивных или остеопромоторных факторов роста, таких как костные морфогенетические белки (BMP — от англ. Bone Morphogenetic Proteins), а также другие факторы роста, например инсулиноподобный фактор роста, тромбоцитарный фактор роста (PDGF — от англ. Platelet Derived Growth Factor), фактор роста фибробластов.
Рисунок 5. Остеоциты. Остеоцит может быть определен как «дирижер» процесса ремоделирования в кости. а — По мере синтеза костного матрикса остеобласты встраиваются в остеоид, который впоследствии минерализуется и находится в зрелом матриксе в качестве остеоцита, как показано с помощью сканирующей электронной микроскопии на препарате, обработанном осмием для визуализации клетки; б — остеоциты находятся в пределах точно определенного пространства в кости, известного как остеоцитарная лакуна; в — трансмиссионная электронная микроскопия дендрита внутри канальцев, показывающая пространство, через которое течет жидкая среда; напряжение сдвига от этого стимулирует поверхность клеточной мембраны остеоцита; такая уникальная биологическая архитектоника остеоцитарной и лакунарно-канальцевой системы представляет собой основу, которая позволяет преобразовать механические стимулы в биохимические сигналы, необходимые для гомеостаза кости; г, д — сканирующая электронная микроскопия сформированной лакунарно-канальцевой системы позволяет визуализировать степень связанности между остеоцитами и постоянно расположенными канальцевыми структурами.
Рисунок 6. Остеоциты. Лакунарно-канальцевая система при заболевании. а — В здоровой костной ткани, высокая плотность остеоцитарной системы устанавливается по всему зрелому матриксу и характеризуется высокой клеточной взаимосвязанностью; при болезни система значительно нарушается, что приводит к важным функциональным изменениям; б, в — при остеопорозе остеоцитар-ная плотность изменяется, происходит уменьшение клеточной взаимосвязи; г — при остеоартрите канальцевая система изменяется, но существенных изменений в лакунах не происходит; д — при остеомаляции вся остеоцитарная лакунарно-канальцевая система разрушается из-за изменения схемы минерализации.
- Остеоциты. Остеоциты (рис. 5) — клетки звездчатой формы, которые встроены в минерализованный костный матрикс — в пространства, известные как лакуны (см. рис. 5, а, б). Они содержат сеть цитоплазматических отростков, называемых дендритами (рис. 5, в). Эти цитоплазматические выросты проходят через цилиндрические участки, обычно называемые канальцами (Bonewald, 2007). Они распространяются в различные области и контактируют с кровеносными сосудами и другими остеоцитами (см. рис. 5, г, д). Таким образом, сеть остеоцитов — меж- и внутриклеточный канал связи, чувствительный на мембранном уровне к напряжению сдвига, вызванного потоком жидкой среды внутри пространства канальцев, что служит следствием механических стимулов и деформации костей.
Остеоциты переводят механические сигналы на уровень биохимических медиаторов, которые будут участвовать в согласовании анаболических и катаболических процессов внутри кости. Такое расположение позволяет остеоцитам (1) участвовать в регуляции гомеостаза кальция в крови и (2) чувствовать механическую нагрузку, передавая эту информацию другим клеткам внутри кости для дальнейшего согласования функционирования остеобластов и остеокластов (Burger et al., 1995, Marotti, 2000). Различные заболевания и нарушения костей влияют на состояние лакунарно-канальцевой системы остеоцитов, вызывая значительные изменения в этой важной клеточной сети (рис. 6).
Рисунок 7. Остеокласты. а — Гистологическая картина, остеокласты в виде многоядерных клеток, прикрепленных к костному матриксу, могут быть представлены морфологически с помощью специального окрашивания, такого как тартрат-резистентная кислая фосфатаза (TRAP), — пятно (стрелка); б — электронная микрофотография многоядерного остеокласта, прикрепленного к минерализованному костному матриксу (очерчен пунктирной линией); в — гофрированная граница заканчивающейся резорбции клеток; г — остеокласты получены из клеток моноцитарно-макрофагального ростка и представлены в резорбции костного блока. Показаны основные молекулы, участвующие на ранних этапах дифференцировки клетки-предшественника гемопоэза до зрелого функционального остеокласта).
Рисунок 8. Взаимосвязь остеогенеза/резорбции. Процессы формирования и резорбции кости тесно связаны между собой. Остеобластные/стромальные клетки обеспечивают остеокластогенную микросреду, поставляя лиганд рецептора-активатора ядерного транскрипционного фактора кВ (RANKL) предшественникам остеокластов, вызывая их дальнейшую дифференцировку и синтез, приводят к образованию мультиядерных и активных остеокластов. Этот процесс модулируют ингибиторы этих взаимодействий, такие как остеопротегерин (OPG). Кроме того, образование костной ткани остеобластами зависит от предшествующей резорбции остеокластами.
- Остеокласты. Активность формирования костной ткани сопряжена с резорбцией кости, которая инициируется и поддерживается остеокластами. Эти клетки обладают способностью развивать и поддерживать костный матрикс, а затем секретировать кислоты и литические ферменты, которые разрушают минеральные и органические компоненты кости и кальцифицированный хрящ (рис. 7, a-в). Результаты деградации матрикса отражаются на формировании специализированных внеклеточных ниш, известных как лакуны Хаушипа (Rodan, 1992; Vaananen, Laitala-Leinonen, 2008).
Остеокласты — специализированные многоядерные клетки, которые берут начало от моноцитарно-макрофагальных ростков кроветворения. Процесс дифференцировки приводится в движение сначала с помощью экспрессии фактора транскрипции PU-1. Макрофагальный колониестимулирующий фактор захватывает остеокласты в процессе дифференциации и способствует их пролиферации и экспрессии RANKL. На данном этапе RANKL, экспрессируемый клетками стромы, взаимодействует с преостеокластами и далее способствует их дифференцировке вдоль линии остеокластов (рис. 7, г, 8).
P.S. RANKL — лиганд рецептора-активатора ядерного транскрипционного фактора каппа В (Receptor Activator of NF-кВ Ligand). Система RANK состоит из самого рецептора, его лиганда RANKL и остеопротегерина (OPG). RANKL — член суперсемейства лигандов фактора некроза опухолей (TNF), a RANK — рецептор, родственный рецептору TNF.
Видео лекция гистология скелетных тканей (хрящевой ткани и костной ткани)
б) Периост (надкостница). Надкостница представляет собой волокнистую оболочку, которая выстилает наружную поверхность длинной кости (диафиз), но не суставную поверхность. Эндост граничит с внутренней поверхностью всех костей. Надкостница состоит из плотной соединительной ткани. Первая делится на плотный, фиброзный, сосудистый слои (волокнистый слой) и внутренний слой — более свободно расположенные соединительные ткани («остеогенный слой») (см. рис. 1). Волокнистый слой формируется в основном из фибробластов, в то время как внутренний содержит остеопрогениторные клетки.
Остеобласты, полученные из остеогенного слоя, несут ответственность за увеличение ширины длинных костей и общий размер других типов костей. При переломе клетки-предшественники из надкостницы дифференцируются в остеобласты и хондробласты, которые играют важную роль в процессе заживления раны.
В отличие от костной ткани, надкостница имеет ноцицептивные нервные окончания, что делает ее очень чувствительной к воздействию. Она также несет в себе лимфатические и кровеносные сосуды, обеспечивая питание кости. Надкостница прикрепляет сухожилия и связки к кости прочными коллагеновыми волокнами в остеогенном слое, называемыми шарпеевыми волокнами, которые простираются на внешнюю окружность и интерстициальную пластинку. Она также обеспечивает прикрепление мышц и сухожилий.
в) Костный мозг. Костный мозг состоит из островков кроветворной ткани, стромальных клеток и клеток жировой ткани, окруженных сосудистыми синусами, вкрапленными в сетчатую губчатую кость (см. рис. 1). Костный мозг — основной орган гемопоэтической, первичной лимфоидной ткани (ответственной за образование эритроцитов, гранулоцитов, моноцитов, лимфоцитов и тромбоцитов). Это важный источник стволовых клеток.
1. Типы. Есть два типа костного мозга: красный костный мозг, который состоит в основном из кроветворной ткани, и желтый костный мозг, преимущественно состоящий из адипоцитов. Эритроциты, лейкоциты, тромбоциты возникают в красном костном мозге. Оба типа костного мозга содержат многочисленные кровеносные сосуды и капилляры. При рождении ребенка весь костный мозг красный. С возрастом он постепенно превращается в желтый, лишь около половины костного мозга у взрослого человека имеет красный цвет. При массивной потере крови организм может снова преобразовать желтый костный мозг в красный, чтобы увеличить образование клеток крови.
2. Клетки. Строма костного мозга непосредственно не участвует в основной функции кроветворения. Однако она играет косвенную роль, обеспечивая идеальную кроветворную микросреду. К примеру, она создает колониестимулирующие факторы, которые оказывают существенное влияние на кроветворение. Клетки, составляющие строму костного мозга, включают следующие:
• фибробласты;
• макрофаги;
• адипоциты;
• остеобласты;
• остеокласты;
• эндотелиальные клетки.
- Стволовые клетки. Строма костного мозга содержит мезенхимальные стволовые клетки (MSC — от англ. Mesenchymal Stem Cells), называемые также стромальными клетками костного мозга. Это мультипотентные стволовые клетки, которые могут дифференцироваться в различные типы клеток. Показано, что MSC способны дифференцироваться in vitro или in vivo в остеобласты, хондроциты, миоциты, адипоциты и р-клетки панкреатических островков поджелудочной железы. MSC также могут трансформироваться в нейрональные клетки. Кроме того, костный мозг содержит гемопоэтические стволовые клетки, которые дают начало трем классам клеток крови, находящихся в циркулирующем состоянии: лейкоцитам, эритроцитам и тромбоцитам.
