Остеогенез: развитие кости

Кости наиболее четко выраженные производные соматической мезодермы. В этой главе будут рассмотрены только самые общие механизмы формирования костей. Студенты, желающие получить более подробные сведения, могут обратиться к учебникам по гистологии, где этой теме посвящены целые главы. Существуют два способа формирования костей (остеогенеза), и оба включают в себя трансформацию предсуществующей соединительной ткани в костную ткань. Превращение малодифференцированной соединительной ткани в костную называется интрамембранным окостенением, а замещение хряща костью — эндохондральным окостенением. Образование плоских костей, например костей черепа, осуществляется посредством интрамембранного окостенения. Рыхло расположенные мезенхимные клетки пролиферируют и образуют плотные скопления. Некоторые из этих клеток дают начало капиллярам, а другие изменяют свою форму и становятся остеобластами — клетками, способными секретировать костный матрикс. Синтезируемый ими коллагено-гликозаминогликановый матрикс обладает способностью связывать соли кальция, приносимые капиллярами в область окостенения. Таким образом, матрикс становится кальцифицированным (обызвествленным). В большинстве случаев остеобласты отделяются от области обызвествления слоем предкостного (остеоидного) матрикса. который они секретируют. Однако время от времени остеобласты захватываются костным матриксом, и тогда они становятся остеоцитами — костными клетками. По мере обызвествления костные спикулы распространяются радиально от центра, где началось окостенение (рис. 6.10). Кроме того, целая область обызвествленных спикул окружается плотно лежащими над ней мезенхимными клетками, формирующими периост, или надкостницу. Клетки на внутренней поверхности надкостницы также становятся остеобластами и секретируют костный матрикс параллельно с матриксом уже образовавшихся спикул. Таким образом формируется много слоев кости.

Эндохондральное окостенение заключается в замещении хрящевой ткани костной. В данном случае хрящ служит моделью для последующего формирования кости. Сначала образуется хрящевой зачаток

Рис. 6.10. Схема, иллюстрирующая внутримембранное окостенение. А. В скоплениях мезенхимы образуются остеобласты, которые секретируют костеподобный (предкостный) матрикс. Эти остеобласты располагаются вдоль обызвествленного участка матрикса. Остеобласты, попавшие внутрь костного матрикса, становятся остеоцитами. Б. Распространение костных спикул от места первичного окостенения в костях черепа трехмесячного зародыша человека. Кости, образующиеся путем эндохондрального окостенения, обозначены черным цветом. (По Langman, 1969.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА___________________________ 195

Рис. 6.11. Схема, иллюстрирующая эндохондральное (внутрихрящевое) окостенение. А. Хрящевая «модель» кости. Б. Инвазия кровеносного сосуда в центр хрящевого диафиза, приводящая к образованию зон клеточной пролиферации, гипертрофии клеток и клеточной гибели. В. Формирование костного мозга в диафизе и центра вторичного окостенения в эпифизе. (По Langman. 1969.)

будущих костей позвоночного столба, таза и конечностей, а позже хрящ замещается костной тканью. Этот замечательный процесс координирует хондрогенез (образование хряща) с остеогенезом (ростом кости), в течение которого скелетные элементы одновременно испытывают нагрузку, растут в ширину и отвечают на локальные стрессы. Одна из гипотез, предложенная для объяснения механизма этой координации, постулирует сдвиг в функции митохондрий, вызываемый изменением количества кислорода и питательных веществ, доступных клеткам. У зародыша человека в возрасте 7 нед. «длинные кости» образованы только хрящем, окруженным оболочкой из плотной мезенхимы. Эта оболочка становится надкостницей (рис. 6.11). Затем капилляры из надкостницы проникают в центр хрящевого зачатка, ранее лишенного кровеносных сосудов. Хрящ реагирует на это формированием зон интенсивной клеточной пролиферации, гипертрофии клеток (увеличения их размеров) и клеточной гибели.

Если клетка находится в зоне пролиферации, то она лежит вблизи несущего кислород кровеносного сосуда и хорошо снабжается гликогеном — источником энергии. Митохондрии этих делящихся клеток синтезируют АТФ, необходимый для митоза. Однако в зоне гипертрофии снабжение клеток кислородом ухудшается. Согласно этой теории, дыхание клеток в зоне гипертрофии становится анаэробным, и митохондрии переключаются с образования АТФ на накопление кальция (Brighton, Hunt, 1974; Brighton. 1984). В анаэробном участке зоны гипертрофии снабжение клеток гликогеном полностью прекра-

Рис. 6.12. Отложение кальция хондроцитами в дистальной области зоны гипертрофии клеток. Кальций (окрашенный в черный цвет на смонтированной электронной микрофотографии) откладывается во внеклеточном матриксе крупными хондроцитами (Из Brighton, Hunt, 1974; фотография с любезного разрешения С. Т. Brighton.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

196_______________ ГЛАВА 6________________________________________________________________________________

Рис. 6.13. Минерализация скелета у 17-дневных куриных зародышей: нормальных (справа) и культивировавшихся без скорлупы (слева). Зародышей фиксировали и окрашивали ализарином красным для выявления обызвествленного матрикса. (Из Tuan, Lynch, 1983; фотография с любезного разрешения R. Tuan.)

Рис. 6.14. Пролиферация клеток в эпифизарной пластинке, стимулированная гормоном роста. А. Участок хряща в кости молодой крысы, у которой удалением гипофиза вызван дефицит гормона роста. Б. Такой же участок хряща у крысы после инъекции ей гормона роста. (Фотографии J. Gersh из Bloom, Faweett, 1975.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА___________________________ 197

Рис. 6.15. Активность остеокластов в костном матриксе. А. Ундулирующая мембрана куриного остеокласта, культивируемого на реконструированном костном матриксе. Б. Участок ундулирующей мембраны, окрашенной на присутствие АТФазы, способной к транспорту Η+ из клетки. АТФаза локализована только в мембране клеточного отростка. (А и Б - фотографии получены с помощью просвечивающего электронного микроскопа). В. Растворение неорганического и коллагенового компонентов матрикса (измеряемое соответственно по высвобождению 45Ca и 3H-пролина из 10 000 остеокластов, инкубированных на меченых фрагментах кости). (А и В - из Blair et.al., 1986; Б - из Baron et al., 1986; фотографии с любезного разрешения авторов.)

щается и митохондрии более не могут накапливать кальций (его накопление - активный энергоемкий процесс). В результат отмирающие хондроциты высвобождают кальций, и за его счет формируется провизорный обызвествленный (кальцифицированный) матрикс (рис. 6.12). Остеобласты выстраиваются в ряд вдоль обызвествленных полос матрикса и начинают откладывать на них кость. В конечном счете эти полосы исчезают и остается лишь кость, сформированная остеобластами. Таким образом, кость оказывается там, где ранее находился хрящ.

Другая гипотеза подчеркивает различное происхождение начальных запасов фосфита кальция во внеклеточном матриксе. Согласно этой гипотезе, главными действующими агентами в накоплении кальция являются не митохондрии хондроцитов, а пузырьки матрикса.Считают, что эти пузырьки представляют собой специализированные участки плазматической мембраны хондроцита, которые отпочковываются от клетки и прилипают к внеклеточному матриксу. Попав на это место, они накапливают большие количества кальция и фосфита из окружающей лимфы (Dereszewski, Howell, 1978; Wuthier et al., 1985). Действительно, ли пузырьки связаны с самыми начальными отложениями кальция в хряще и кости. Недавно обнаружено (Wuthier et. al., 1985), что некоторые пузырьки содержат кальций из хондроцитов. Это позволяет предположить, что обе модели могут быть правильными и что накопление кальция может осуществляться с помощью не одного, а двух или более механизмов. Замещение хондроцитов остеобластами зависит, по-видимому, от минерализации внеклеточного матрикса. У куриных зародышей источником кальция

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

198 ГЛАВА 6

служит углекислый кальций скорлупы яйца. За время развития кровеносная система зародыша переносит около 120 мг кальция от скорлупы к скелету (Tuan, 1987). Если у развивающегося куриного зародыша на третьи сутки инкубации удалить скорлупу, поместить его в пластиковую оболочку и культивировать до конца эмбриогенеза, то в условиях дефицита кальция большая часть хрящевого скелета не превращается в костную ткань (Tuan. Lynch. 1983; рис. 6.13). Остеогенез в длинных костях начинается в диафизе и постепенно распространяется к концам хрящевого зачатка. У новорожденного младенца диафизы длинных костей обызвествлены, тогда как их концы (называемые эпифизами) все еще образованы хрящом. Вскоре после рождения в хрящевых эпифизах (по мере того как в них проникают кровеносные сосуды) возникают вторичные центры окостенения. Между кальцинированной тканью в эпифизах и диафизом продолжает сохраняться хрящевая пластинка. Эта эпифизарная пластинка играет важную роль в росте ребенка после рождения, так как она отвечает пролиферацией на поступающий в нее гормон роста (рис. 6.14). Гормоны также ответственны и за прекращение роста: высокие концентрации эстрогена или тестостерона вызывают слияние центров окостенения в эпифизах и диафизе, что приводит к утрате эпифизарной пластинки. Такое эпифизарное слияниепроисходит в юношеском возрасте, причем у девушек на два года раньше, чем у юношей.

По мере увеличения костного матрикса на периферии кости в ее внутренней части образуются полости и формируется костный мозг. Эта деструкция костной ткани осуществляется остеокластами многоядерными клетками, поступающими в кость по кровеносным сосудам (Kahn, Simmons, 1975).

	Рис. 6.16. Сравнение развития мезодермы узародышей лягушки и курицы. А. Нейрула лягушки: видно прогрессивное развитие мезодермы и целома. Б. Поперечный разрез через куриный зародыш, которого отделили от желтка и сблизили края разреза. Лишенный огромной массы желтка, он напоминает нейрулу амфибий на сходной стадии. (А —по Rugh, 1951; Б — по Patten, I95I.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА___________________________ 199

Остеокласты, вероятно, происходят из тех же клеток-предшественников, что и клетки крови; они растворяют как неорганические, так и белковые компоненты костного матрикса (Ash et al., 1980; Blair et al.. 1986). Остеокласт направляет многочисленные отростки в матрикс и накачивает ионы водорода в окружающий его материал, тем самым окисляя и растворяя его (Baron et al.. 1985. 1986: рис. 6.15). Кровеносные сосуды поставляют в костный мозг также кроветворные клетки, которые остаются в нем на всю жизнь.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: