Развитие кости - интрамембранозный и энхондральный остеогенез
Кость — сложный орган, состоящий из специализированных структур (костной ткани, надкост-ницы/эндоста и костного мозга). Образуя систему, эти ткани обеспечивают множество функций (рис. 1).
Рисунок 1. Кость как орган. Кость как орган включает сложные ткани, которые в здоровом состоянии действуют вместе и выполняют ряд функций. Она служит источником стволовых клеток, резервуаром минералов и питательных веществ, защищает ряд чувствительных органов. Кроме того, кость действует как механосенсорная единица, которая адаптируется к окружающей среде и индивидуальным требованиям. На данном рисунке выделены три основные ткани, клетки которых участвуют в осуществлении этих функций, а также в поддержании структуры и функционирования кости как органа.
Уникальное строение кости позволяет ей: (1) сопротивляться нагрузке; (2) обеспечивать защиту органов от внешних сил и (3) участвовать в поддержании системного гомеостаза, выступая в качестве резервуара необходимых клеток и минералов. Таким образом, структурно-динамический характер кости, способствующий выполнению ею механических и метаболических функций, обеспечивающих важные эффекты на местном и системном уровнях, позволяет представить «кость как живой орган».
На данную систему оказывает влияние множество факторов (например, биохимические, гормональные, клеточные, биомеханические), в том числе определяющих ее качество (Ammann, Rizzoli, 2003; Marotti, Palumbo, 2007; Bonewald, Johnson, 2008; Ma et al., 2008). Цель этой главы — ознакомить читателя с базовыми (фундаментальными) знаниями о развитии костей, их структуре, функциях, заживлении и гомеостазе.
В период эмбриогенеза остеогенез осуществляется прямым (непосредственно из мезенхимы — интра-мембранозный остеогенез) и непрямым (на месте гиалинового хряща — энхондральный остеогенез) путями.
В случае нижней челюсти, в/ч кости, черепа и ключицы полипотентные мезенхимальные клетки-предшественники конденсируются и дифференцируются в остеобласты, а процесс известен как интрамембранозный остеогенез (прямой путь).
В отличие от этого, мыщелок нижней челюсти, длинные кости и позвонки формируются первоначально через хрящевую модель, которая служит в качестве зачатка, который постепенно замещается костными тканями.
Формирование кости вместо заложенного ранее хряща известно как эндохондральный остеогенез (непрямой путь; Ranly, 2000) (рис. 2).
Рисунок 2. Развитие костей. В развитии костной ткани участвует два типа процессов: интрамембранозное окостенение (зеленая стрелка) и эндохондральное окостенение (оранжевая стрелка). В своей основе они различаются присутствием хрящевой модели во время эндохондрального роста костей. Во время интрамембранозного остеогенеза центр окостенения развивается через мезенхимальную конденсацию. По мере того как богатый коллагеном внеклеточный матрикс развивается и созревает, остеопрогениторные клетки подвергаются дальнейшей остеобластической дифференциации. Субпопуляции остеобластов начинают внедряться в органический матрикс и дают отростки к остеоцитам лакунарно-канальцевой системы. В рамках краниофациального комплекса большинство костей развивается и растет, используя этот механизм. С другой стороны, длинные кости внутри скелета и мыщелок нижней челюсти первоначально развиваются через формирование хрящевой модели, которая минерализуется, впоследствии резорбируется остеокластами и замещается костью. Эндохондральный рост кости приводит к образованию первичных и вторичных центров окостенения, которые разделены хрящевой структурой, известной как пластинки роста. Развитие и созревание кости происходит с помощью этих двух процессов, структурно различные области компактной и губчатой кости формируются и поддерживаются с помощью аналогичных механизмов костного ремоделирования. Периостальная полоса утолщается и простирается в сторону эпифиза для компенсации продолжающегося увеличения первичной полости.
а) Интрамембранозый остеогенез. Во время интрамембранозного остеогенеза точки окостенения развиваются путем минерализации и конденсации мезенхимальных клеток.
По мере того как богатый коллагеном внеклеточный матрикс (ВМ) развивается и созревает, клетки-предшественники (остеопрогениторы) подвергаются дальнейшей остеобластической дифференциации. На внешних поверхностях центра окостенения волокна надкостницы образуют слой остеобластов. Таким образом, по мере формирования новых остеобластов со стороны внутренней поверхности надкостницы возникает аппозиционный рост.
Субпопуляции остеобластов начинают внедряться в органическую матрицу и дают отростки к остеоцитам лакунарно-канальцевой системы. Большинство костей в пределах краниофациальной области развивается и растет по подобному механизму.
б) Энхондральный остеогенез. Во время эндохондрального остеогенеза кости развиваются путем формирования хрящевой модели (модель гиалинового хряща), которая минерализуется, впоследствии резорбируется остеокластами и замещается костью. Этот процесс начинается в течение 3-го месяца беременности.
Эндохондральный рост кости приводит к образованию первичных и вторичных центров окостенения, которые разделены хрящевой структурой, известной как пластинка роста (хрящевая пластинка). После формирования первичного центра оссификации образование кости проходит в направлении обоих концов кости от центра диафиза. Хрящевые клетки на передних кромках окостенения погибают.
Остеобласты покрывают хрящевую трабекулу с незрелой губчатой костью. В то же время на фоне окостенения остеокласты поглощают губчатую кость и увеличивают объем первичной костно-мозговой полости. Периостальная манжетка утолщается и разрастается в направлении эпифизов, уравновешивая увеличение объема первичной полости.
Процессы остеогенеза и резорбции происходят во всех направлениях. Пространства между трабекулами заполняются костномозговой тканью.
Поскольку новая матрица кости перестраивается, остеокласты помогают в формировании первичных сердцевинных полостей, которые быстро заполняются гемопоэтической тканью костного мозга. Волокнистую неминерализованную оболочку костномозговой полости называют эндостом. Остеобласты образуются в эндосте и начинают формирование эндостальной кости.
Аппозиционный рост эндостальной кости строго регулируется для предотвращения закрытия первичных костномозговых полостей и разрушения костного мозга.
