Кость

Введение

Скелет человека

Функция костной ткани заключается как в поддержке, так и в обеспечении движения.^[1] Кости не только обеспечивают физический каркас тела, но и позволяют движению, предоставляя места для прикрепления мышц, сухожилий и связок.^[2] Кроме того, кости обеспечивают двигательную способность, защищают жизненно важные органы, способствуют дыханию, играют роль в поддержании гомеостаза и производят различного рода клетки в костном мозге, критически важные для выживания.^[3] Костная ткань уникальна тем, что она может регенерировать, восстанавливая полностью функциональное состояние, существовавшее до травмы.^[2]

Кость - это метаболически активная соединительная ткань, которая обеспечивает структурную поддержку, облегчает движение и защищает жизненно важные органы. Кость состоит из внеклеточного матрикса и костных клеток (остеоцитов).^[4] При правильных условиях костная ткань проходит процесс минерализации и затвердевает за счет отложения кальция. Кость тверда, и многие ее функции зависят от этой характерной твердости.^[5]

Скелет взрослого человека состоит из 206 костей. При рождении их примерно 270, причем окончательное количество уменьшается, так как часть этих костей срастается во время фаз роста и созревания скелета. На протяжении жизни кости постоянно обновляются, и примерно каждые 10 лет большая часть скелета взрослого человека заменяется.^[6]

Посмотрите это 10-минутное видео о скелетной системе и о том, почему астронавты Скотт Келли и Михаил Корниенко находятся в космосе, изучая ее. Оно также включает анатомию скелетной системы, включая плоские, короткие и неправильные кости, и их индивидуальное расположение компактных и губчатых костей.

^[7]

Строение кости

Анатомия длинной кости

Кость состоит из двух типов ткани:

1. Компактная (кортикальная) кость: составляет 80% от общего количества кости в организме и намного крепче, чем губчатая/трабекулярная кость. Она очень устойчива к изгибу, кручению и сжатию. Она намного более плотная и имеет минимальную роль в метаболизме. В основном наблюдается в стержне длинных костей, таких как бедренная кость и большеберцовая кость, а также во внешней оболочке трабекулярной кости.
2. Губчатая (трабекулярная или губчатая) кость: составляет лишь 20% от общей массы кости, но имеет в десять раз большую поверхность/объемное соотношение, чем кортикальная кость. Она реагирует в восемь раз быстрее на изменения нагрузки, что делает её более динамичной. Она встречается в местах, подверженных большей компрессии, таких как тело позвонка, таз и метафизы.^[8]

Надкостница, ярко-зеленая

Кости также содержат:

• Остеобласты и остеоциты, отвечающие за создание кости
• Остеокласты или костные резорбирующие клетки
• Остеоид, смесь коллагена и других белков
• Неорганические минеральные соли в внеклеточном матриксе (ECM)
• Нервы и кровеносные сосуды
• Костный мозг
• Хрящ
• Мембраны, включая эндост и надкостницу^[9]

Типы костей

Классификация костей

В человеческом организме существуют пять типов костей:

1. Длинные кости: В основном состоят из компактной кости и имеют немного костного мозга. Большинство костей в конечностях являются длинными костями. Эти кости поддерживают вес и помогают в движении (например, бедренная кость, большеберцовая кость, малоберцовая кость, плечевая кость).
2. Короткие кости: Имеют только тонкий слой компактной кости (например, кости запястья и лодыжки).
3. Плоские кости: Обычно кости, которые тонкие и изогнутые. Они состоят из двух наружных слоев компактной кости и внутреннего слоя губчатой кости. Плоские кости включают большинство костей черепа и грудину. Они часто имеют защитную роль (например, грудина, ребра).
4. Сесамовидные кости: Эти кости встраиваются в сухожилия (например, надколенник). Они защищают сухожилия от износа и нагрузок.
5. Неправильные кости: Как следует из названия, это кости, которые не подходят к первым четырем категориям и имеют необычную форму. К ним относятся кости позвоночника и таз. Они часто защищают органы или ткани.

Гросс-анатомия

Длинная кость имеет две части: диафиз и эпифиз. Кости, проходящие эндохондральное окостенение, также имеют фису (зону роста).

1. Диафиз — это трубчатый стержень, который проходит между проксимальными и дистальными концами кости. Полая область в диафизе называется медуллярной полостью, которая заполнена жёлтым костным мозгом. Стенки диафиза состоят из плотной и твёрдой компактной кости.^[10]
2. Фисы (в единственном числе: фиса) или зоны роста встречаются в костях, которые проходят через эндохондральное окостенение (процесс, при котором эмбриональная хрящевая модель большинства костей содействует продольному росту и постепенно заменяется костью).^[11]  
3. Эпифиз — это часть или процесс кости, который окостеневает отдельно и позже анкилозируется с основной частью кости. Эпифиз участвует в соединении сустава, в отличие от апофиза, который является местом прикрепления сухожилий или связок. После слияния зоны роста эпифиз и метафиз соединяются.

Состав кости

Состав кости

Кость состоит из клеток и внеклеточного матрикса (ECM), который содержит как органические, так и неорганические вещества. Остеобласты синтезируют ECM кости.

ECM состоит из:

1. Коллагена типа I, смешанного с матрицей фосфата кальция (который составляет до 70% от сухого веса)
2. Протеогликанов и гликопротеинов, которые менее распространены, но важны для организации коллагеновых волокон, минерализации и резорбции кости. Хондроитинсульфат составляет 67-97% от костных гликозаминогликанов.^[12]

Клетки Кости 

Клетки Кости

Клетки кости составляют около 10% от общего объема кости. Кости не являются статической тканью, они нуждаются в постоянном обслуживании и ремоделировании. Существует три основных типа клеток, участвующих в этом процессе.

1. Остеобласты: Стволовые клетки костного мозга могут дифференцироваться в остеобласты. Остеобласты отвечают за создание новой кости и ремонт старой кости. Остеобласты производят белковую смесь, называемую остеоидом, которая минерализуется и становится костью. Другой функцией является производство гормонова, включая простагландины.
2. Остеоциты: Неактивные остеобласты, которые оказались захваченными в той кости, которую они создали. Они поддерживают связи с другими остеоцитами и остеобластами. Они важны для коммуникации в костной ткани.
3. Остеокласты: Крупные клетки с более чем одним ядром, которые разрушают кость. Они выделяют ферменты и кислоты для растворения минералов в костях и их переваривания в процессе, называемом резорбцией. Остеокласты помогают ремоделировать поврежденные кости и создавать проходы для нервов и кровеносных сосудов.^[9]

Внеклеточный Матрикс

Кости на самом деле представляют собой живые клетки, встроенные в органическую матрицу, основанную на минералах. Этот внеклеточный матрикс состоит из:

• органических компонентов, представляющих собой в основном коллаген типа 1
• неорганических компонентов, включая гидроксиапатит и другие соли, такие как кальций и фосфат

Коллаген придает кости растяжимость, а именно сопротивление растяжению. Гидроксиапатит придает костям прочность на сжатие или сопротивление сжатию.^[9]

Костный Мозг и Гемопоэз

Костный мозг находится почти во всех костях, где присутствуют губчатые кости. Костный мозг отвечает за гемопоэз, или производство эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов.^[8] Он производит около 2 миллионов эритроцитов в секунду, а также производит тромбоциты и лейкоциты. Дефектные и старые эритроциты также разрушаются в костном мозге.^[9][8]

Это видео продолжительностью 4 минуты объясняет Гемопоэз: Образование Кровяных Клеток

^[13]

Функциональная Единица Компактной Кости

Остеон: структурная единица кости, состоящая из гаверсового канала и соответствующих ламелей компактной кости.

Остеоны представляют собой отдельную функциональную единицу костной ткани. Они расположены с концентрическими ламелями ориентаций коллагеновых волокон вокруг центрального канала, "состоящего из кровоснабжения остеоцитов артерий, вен, и нервов",^[8] который известен как гаверсов канал. Эта система также включает канальцы и канал Фолькмана. Они обеспечивают коммуникацию между соседними остеоцитами и остеонами, соответственно. Остеоны имеют длину несколько миллиметров и диаметр около 0,2 миллиметра (0,008 дюйма); они, как правило, параллельны длинной оси кости.^[8]

Механические Функции

Череп защищает мозг

1. Защита. Кости жизненно важны для защиты важных и хрупких органов в теле. Например, кости защищают сердце и мозг.
2. Структура. Без костей наше тело не имело бы рамы и фактически было бы неподвижной массой плоти и ткани.
3. Движение. Кости соединяются с суставами, связками, сухожилиями и мышцами, позволяя телу двигаться так, как оно это делает.
4. Проведение звука. Кости также важны для проведения вибраций, которые позволяют нам слышать.^[14][8]

Метаболические Функции

Метаболические функции костей многочисленны:

1. Костная матрица может хранить несколько минералов, главным образом кальций и фосфор, а также железо в форме ферритина.
2. Хондроитинсульфат, углеводный компонент, также является часто встречающимся элементом в матрицах.
3. Специфические факторы роста, включая инсулиноподобный фактор роста или IGF-1, хранятся в кости и периодически выделяются.
4. Баланс pH также регулируется, поскольку кости могут изменять состав щелочных солей в сыворотке для поддержания оптимального уровня pH.
5. Остеоциты могут поглощать токсичные молекулы и тяжелые металлы из сыворотки в качестве способа детоксикации.
6. Хранение жира.^[8]

Ремоделирование

Это физиологический процесс, при котором старая или поврежденная кость удаляется остеокластами, а затем заменяется новой костью, образованной остеобластами.^{[15] [16]} Имеется тесная связь формирования кости с резорбцией кости для обеспечения отсутствия изменения в массе или качестве кости после каждого ремоделирования. Это требует скоординированного действия четырех типов клеток кости. Процесс включает четыре основных, но взаимосвязанных этапа:

1. Инициация/активация ремоделирования кости в определенном месте. Прекурсоры остеокластов привлекаются в зоны ремоделирования кости (BRC).
2. Резорбция кости и одновременный набор остеопредшественников. Резорбция кости представляет собой основное событие, но вербовка мезенхимальных стволовых клеток (MSCs) и/или остеопредшественников в BRC также начинается.
3. Дифференциация остеобластов и функция (синтез остеоида). Выкопанная кость заменяется на остеоид, произведенный остеобластами.
4. Минерализация остеоида и завершение ремоделирования кости.^[4]

Смотрите это 8-ми минутное видео о ремоделировании кости.

^[17]

Клиническая значимость

Костная ткань подвержена множеству патологий, которые могут варьироваться по этиологии, включая эмбриологическую, метаболическую, аутоиммунную, неопластическую или идиопатическую. К ним относятся, но не ограничиваются, следующие состояния.

• Ахондроплазия — это генетическое расстройство, часто связанное с карликовостью. У пораженных индивидов может наблюдаться укорочение конечностей из-за уменьшенного развития энхондральной кости.
• Болезнь Педжета характеризуется нарушением баланса между активностью остеобластов и остеокластов. С неизвестной этиологией, это состояние поражает только локализованные участки костной ткани, обычно затрагивая одну или несколько соседних костей, а не всю костную систему.
• Если не лечить, болезнь Педжета может быть фактором риска остеосаркомы, злокачественного разрастания остеобластов.
• Скелетная неоплазия начинается в метафизе длинных костей. Пациенты могут жаловаться на боль в костях с отеком или может произойти патологический перелом (то есть перелом кости, вызванный слабостью кости из-за заболевания, а не травмы). Это гораздо более распространено у подростков, чем у пожилых людей.^[8]
• Переломы костей
• Остеопороз. Это распространенное расстройство ремоделирования костной ткани, характеризующееся низкой костной массой и структурным ухудшением кости. Это вызывает хрупкость костей и повышенную уязвимость к переломам.^[4]
• Остеоартрит
• Остеомаляция
• Рахит
• Расстройства эпифизарной пластинки

Ссылки