Местонахождение костной ткани у человека: Костная ткань: строение и морфология. Зависимость костного метаболизма от питания

Содержание

Структура костной ткани и кровообращение

Кость представляет собой сложную материю, это сложный анизотропный неравномерный жизненный материал, обладающий упругими и вязкими  свойствами, а также хорошей адаптивной функцией. Все превосходные свойства костей составляют неразрывное единство с их функциями.

Функции костей главным образом имеет две стороны: одна из них – это образование скелетной системы, используемой для поддержания тела человека и сохранения его нормальной формы, а также для защиты его внутренних органов. Скелет является частью тела, к которой крепятся мышцы и которая обеспечивает условия для их сокращения и движения тела. Скелет сам по себе выполняет адаптивную функцию путем последовательного изменения своей формы и структуры. Вторая  сторона функции костей состоит в том, чтобы путем регулирования концентрации Ca2+ , H, HPO4в электролите крови поддерживать баланс минеральных веществ в теле человека, то есть функцию кроветворения, а также сохранения и обмена кальция и фосфора.

Форма и структура костей являются различными  в зависимости от выполняемых ими функций. Разные части одной и той же кости вследствие своих функциональных различий имеют разную форму и структуру, например, диафиз бедренной кости и головка бедренной кости. Поэтому полное описание свойств, структуры и функций костного материала является важной и сложной задачей.

Структура костной ткани

«Ткань» представляет собой комбинированное образование, состоящее из особых однородных клеток и выполняющих определенную функцию. В костных тканях содержатся три компонента: клетки, волокна и костный матрикс. Ниже представлены характеристики каждого из них:

Клетки: В костных тканях существуют три вида клеток, это остеоциты, остеобласт и остеокласт. Эти три вида клеток взаимно превращаются и  взаимно сочетаются друг с другом, поглощая старые кости и порождая новые кости.

Костные клетки находятся внутри костного матрикса, это основные клетки костей в нормальном состоянии, они имеют форму сплющенного эллипсоида. В костных тканях они обеспечивают обмен веществ для поддержания нормального состояния костей, а в особых условиях они могут превращаться в два других вида клеток.

Остеобласт имеет форму куба или карликового столбика, они представляют собой маленькие клеточные выступы, расположенные в довольно правильном порядке и имеют большое и круглое клеточное ядро. Они расположены в одном конце тела клетки, протоплазма имеет щелочные свойства, они могут образовывать межклеточное вещество из волокон и мукополисахаридных белков, а также из щелочной цитоплазмы. Это приводит к осаждению солей кальция в идее игловидных кристаллов, расположенных среди межклеточного вещества, которое затем окружается клетками остеобласта и постепенно превращается в остеобласт.

Остеокласт представляет собой многоядерные гигантские клетки, диаметр может достигать 30 – 100 µm, они чаще всего расположены на поверхности абсорбируемой костной ткани. Их цитоплазма имеет кислотный характер, внутри ее содержится кислотная фосфотаза, способная растворять костные неорганические соли и органические вещества, перенося или выбрасывая их в другие места, тем самым ослабляя или убирая костные ткани в данном месте.

Костный матрикс также называется межклеточным веществом, он содержит неорганические соли и органические вещества. Неорганические соли также называются неорганическими составными частями костей, их главным компонентом являются кристаллы гидроксильного апатита длиной около 20-40 nm и шириной около 3-6  nm. Они главным образом состоят из кальция, фосфорнокислых радикалов и гидроксильных групп, образующих [Ca10 (PO4) (OH)2], на поверхности которых находятся ионы Na, K+, Mg2+ и др. Неорганические соли составляют примерно65% от всего костного матрикса. Органические вещества в основном представлены мукополисахаридными белками, образующими коллагеновое волокно в кости. Кристаллы гидроксильного апатита располагаются рядами вдоль оси коллагеновых волокон. Коллагеновые волокна расположены неодинаково, в зависимости от неоднородного характера кости. В переплетающихся ретикулярных волокнах костей коллагеновые волокна связаны вместе, а в костях других  типов они обычно расположены стройными рядами. Гидроксильный апатит соединяется вместе с коллагеновыми волокнами, что придает кости высокую прочность на сжатие.

Костные волокна в основном состоит из коллагенового волокна, поэтому оно называется костным коллагеновым волокном, пучки которого расположены послойно правильными рядами. Это волокно плотно соединено с неорганическими составными частями кости, образуя доскообразную структуру, поэтому оно называется костной пластинкой или ламеллярной костью. В одной и той же костной пластинке большая часть волокон расположена параллельно друг другу, а слои волокон в двух соседних пластинках переплетаются в одном направлении, и костные клетки зажаты между пластинками. Вследствие того, что костные пластинки расположены в разных направлениях,  то костное вещество обладает довольно высокой прочностью и пластичностью, оно способно рационально воспринимать сжатие со всех направлений.

У взрослых людей костная ткань почти вся представлена в виде ламеллярной кости, и в зависимости от формы расположения костных пластинок и их пространственной структуры эта ткань подразделяется на плотную кость и губчатую кость. Плотная кость располагается на поверхностном слое ненормальной плоской кости и на диафизе длинной кости. Ее костное вещество плотное и прочное, а костные пластинки расположены в довольно правильном порядке и тесно соединены друг с другом, оставляя лишь небольшое пространство в некоторых местах для кровеносных сосудов и нервных каналов. Губчатая кость располагается в глубинной ее части, где пересекается множество трабекул, образуя сетку в виде пчелиных сот с разной величиной отверстий. Отверстия сот заполнены костным мозгом, кровеносными сосудами и нервами, а расположение трабекул совпадает с направлением силовых линий, поэтому хотя кость и рыхлая, но она в состоянии выдерживать довольно большую нагрузку. Кроме того, губчатая кость имеет огромную поверхностную площадь, поэтому она также называется Костю, имеющей форму морской губки. В качестве примера можно привести таз человека, средний объем которого составляет 40 см

3 , а поверхность плотной кости  в среднем составляет 80 см, тогда как поверхностная площадь губчатой кости достигает 1600 см.

Морфология кости

С точки зрения морфологии, размеры костей неодинаковы, их можно подразделить на длинные, короткие, плоские кости и кости неправильной формы. Длинные кости имеют форму трубки, средняя часть которых представляет собой диафиз, а оба конца – эпифиз. Эпифиз сравнительно толстый, имеет суставную поверхность, образованную вместе с соседними костями. Длинные кости главным образом располагаются на конечностях. Короткие кости имеют почти кубическую форму, чаще всего находятся в частях тела, испытывающих довольно значительное давление, и в то же время они должны быть подвижными, например, это кости запястья рук и кости предплюсны ног. Плоские кости имеют форму пластинок, они образуют стенки костных полостей и выполняют защитную роль для органов, находящихся внутри этих полостей, например, как кости черепа.

Кость состоит из костного вещества, костного мозга и надкостницы, а также имеет разветвленную сеть кровеносных сосудов и нервов, как показано на рисунке. Длинная бедренная кость состоит из диафиза и двух выпуклых эпифизарных концов. Поверхность каждого эпифизарного конца покрыта хрящом и образует гладкую суставную поверхность. Коэффициент трения в пространстве между хрящами в месте соединения сустава очень мал, он может быть ниже 0.0026. Это самый низкий известный показатель силы трения между твердыми телами, что позволяет хрящу и соседним костным тканям создать высокоэффективный сустав. Эпифизарная пластинка образована из кальцинированного хряща, соединенного с хрящом. Диафиз представляет собой полую кость, стенки которой образованы из плотной кости, которая является довольно толстой по всей ее длине и постепенно утончающейся к краям.

Костный мозг заполняет костномозговую полость и губчатую кость. У плода и у детей в костномозговой полости находится красный костный мозг, это важный орган кроветворения в человеческом организме. В зрелом возрасте мозг в костномозговой полости постепенно замещается жирами и образуется желтый костный мозг, который утрачивает способность к кроветворению, но в костном мозге по-прежнему имеется красный костный мозг, выполняющий эту функцию.

Надкостница представляет собой уплотненную соединительную ткань, тесно прилегающую к поверхности кости. Она содержит кровеносные сосуды и нервы, выполняющие питательную функцию. Внутри надкостницы находится большое количество остеобласта, обладающего высокой активностью, который в период роста и развития человека способен создавать кость и постепенно делать ее толще. Когда кость повреждается, остеобласт, находящийся в состоянии покоя внутри надкостницы, начинает активизироваться и превращается в костные клетки, что имеет важное значение для регенерации и восстановления кости.

Микроструктура кости

Костное вещество в диафизе большей частью представляет собой плотную кость, и лишь возле костномозговой полости имеется небольшое количество губчатой кости. В зависимости от расположения костных пластинок, плотная кость делится на три зоны, как показано на рисунке: кольцевидные пластинки, гаверсовы (Haversion) костные пластинки и межкостные пластинки.

Кольцевидные пластинки представляют собой пластинки, расположенные по окружности на внутренней и внешней стороне диафиза, и они подразделяются на внешние и внутренние кольцевидные пластинки. Внешние кольцевидные пластинки имеют от нескольких до более десятка слоев, они располагаются стройными рядами на внешней стороне диафиза, их поверхность покрыта надкостницей. Мелкие кровеносные сосуды в надкостнице пронизывают внешние кольцевидные пластинки и проникают вглубь костного вещества. Каналы для кровеносных сосудов, проходящие через внешние кольцевидные пластинки, называются фолькмановскими каналами (Volkmann’s Canal). Внутренние кольцевидные пластинки располагаются на поверхности костномозговой полости диафиза, они имеют небольшое количество слоев. Внутренние кольцевидные пластинки покрыты внутренней надкостницей, и через эти пластинки также  проходят фолькмановские каналы, соединяющие мелкие кровеносные сосуды с сосудами костного мозга. Костные пластинки, концентрично расположенные между внутренними и внешними кольцевидными пластинками, называются гаверсовыми пластинками. Они имеют  от нескольких до более десятка слоев, расположенных параллельно оси кости. В гаверсовых пластинках имеется  один продольный маленький канал, называемый гаверсовым каналом, в котором находятся кровеносные сосуды, а также нервы и небольшое количество рыхлой соединительной ткани. Гаверсовы пластинки и гаверсовы каналы образуют гаверсову систему. Вследствие того, что в диафизе имеется большое число гаверсовых систем, эти системы называются остеонами (Osteon). Остеоны имеют цилиндрическую форму, их поверхность покрыта слоем цементина, в котором содержится большое количество неорганических составных частей кости, костного коллагенового волокна и крайне незначительное количество костного матрикса.

Межкостные пластинки представляют собой пластинки неправильной формы, расположенные между остеонами, в них нет гаверсовых каналов и кровеносных сосудов, они состоят из остаточных гаверсовых пластинок.

Внутрикостное кровообращение

В кости имеется система кровообращения, например, на рисунке показа модель кровообращения в плотной длинной кости. В диафизе есть главная питающая артерия и вены. В надкостнице нижней части кости имеется маленькое отверстие, через которое внутрь кости проходит питающая артерия. В костном мозге эта артерия разделяется на верхнюю и нижнюю ветви, каждая из которых в дальнейшем расходится на множество ответвлений, образующих на конечном участке капилляры, питающие ткани мозга и снабжающие питательными веществами плотную кость.

Кровеносные сосуды в конечной части эпифиза соединяются с питающей артерией, входящей в костномозговую полость эпифиза. Кровь в сосудах надкостницы поступает из нее наружу, средняя часть эпифиза в основном снабжается кровью из питающей артерии и лишь небольшое количество крови поступает в эпифиз из сосудов надкостницы. Если питающая артерия повреждается или перерезается при операции, то, возможно, что  снабжение кровью  эпифиза будет заменяться на питание из надкостницы, поскольку эти кровеносные сосуды взаимно связываются друг с другом при развитии плода.

Кровеносные сосуды в эпифизе проходят в него из боковых частей эпифизарной пластинки, развиваясь, превращаются в эпифизарные артерии, снабжающие кровью мозг эпифиза. Есть также большое количество ответвлений, снабжающих кровью хрящи вокруг эпифиза и его боковые части.

Верхняя часть кости представляет собой суставный хрящ, под которым находится эпифизарная артерия, а еще ниже ростовой хрящ, после чего имеются три вида кости: внутрихрящевая кость, костные пластинки и надкостница. Направление кровотока в этих трех видах кости неодинаково: во внутрихрящевой кости движение крови происходит вверх и наружу, в средней части диафиза сосуды имеют поперечное направление, а в нижней части диафиза сосуды направлены вниз и наружу. Поэтому кровеносные сосуды во всей плотной кости расположены в форме зонтика и расходятся лучеобразно.

Поскольку кровеносные сосуды в кости очень тонкие, и их невозможно наблюдать непосредственно, поэтому изучение динамики кровотока в них довольно затруднительно. В настоящее время с помощью радиоизотопов, внедряемых в кровеносные сосуды кости, судя по количеству их остатков и количеству выделяемого ими тепла в сопоставлении с пропорцией кровотока, можно измерить распределение температур в кости, чтобы определить состояние кровообращения.

В процессе лечения дегенеративно-дистрофических заболеваний суставов безоперационным методом в головке бедренной кости создается внутренняя электрохимическая среда, которая способствует восстановлению нарушенной микроциркуляции и активному удалению продуктов обмена разрушенных заболеванием тканей, стимулирует деление и дифференциацию костных клеток, постепенно замещающих дефект кости.

 

Из чего состоят кости

автор: PD Dr. med. Gesche Tallen, erstellt am: 2013/04/12, редактор: Dr. Natalie Kharina-Welke, Переводчик: Dr. Natalie Kharina-Welke, Последнее изменение: 2017/08/29

В первую очередь наши кости состоят из костного вещества, которое содержит соли кальция. В целом кость как орган состоит ещё из таких мягких тканей как суставные хрящи и надкостница (на языке специалистов периост), костного мозга внутри костей, а также кровеносных сосудов и нервов, которые проходят через надкостницу и костный мозг‎.

Костное вещество


Костное вещество составляет основную массу наших костей. Оно очень прочное, так как содержит кальций (специалисты говорят о солях кальция), его вес может доходить до 70% веса костей. Костное вещество бывает в костях в основном в двух формах: компактное костное вещество и губчатое костное вещество.

Компактное костное вещество – это твёрдая, плотная беловатая масса. В первую очередь она как бы окутывает (покрывает) толстым слоем костномозговые полости внутри длинных трубчатых костей (например, бедренных костей или плечевых костей). Зато губчатое костное вещество состоит из достаточно тонких пластинок/перекладинок. Его можно найти в наших коротких, плоских костях, например, в позвонках.

Костное вещество состоит из зрелых костных клеток, они называются остеоциты. У остеоцитов есть отростки и с помошью этих отростков они соединяются между собой. Работая вместе с молодыми клетками остеобластами, которые отвечают за формирование костей, начинает расти новая кость. А разрушается костная ткань с помощью клеток, которые называются остеокласты.

Суставные хрящи


Суставные хрящи есть практически во всех костях, за исключением костей черепа. Они покрывают суставные поверхности и являются последней оставшейся частью скелета из эмбрионального (зародышевого, эмбриональный‎) развития.

Надкостница


Надкостница (которую специалисты называют периостом) покрывает снаружи все наши кости. Поэтому нигде не видно самого костного вещества. Его покрывает либо надкостница, либо суставной хрящ.

Костный мозг


Костный мозг – это мягкая масса, которая находится в полостях внутри костей. Костный мозг бывает красным и жёлтым. Красный костный мозг отвечает в организме за кроветворение. А жёлтый костный мозг – это в основном жировая ткань.

Жёлтый костный мозг появляется у человека не сразу, а постепенно в ходе развития человека красный костный мозг заменяется на жёлтый. Поэтому чем старше становится человек, тем больше у него становится жёлтого костного мозга. У взрослых жёлтый костный мозг заполняет центральную часть длинных трубчатых костей (это могуть быть, например, плечевые кости), которую специалисты называют диафизом. Красный костный мозг находится в основном внутри коротких и плоских костей (например, внутри позвонков).

Кровеносные сосуды и нервы


Кровеносные сосуды и нервы находятся и в костном веществе, и в надкостнице, и в костном мозге. Они передают костным клеткам информацию, питательные вещества и кислород. Через мельчайшие отверстия на поверхности костей они попадают внутрь кости, а из кости выходят в систему кровообращения или соответственно в нервы, которые их соединяют с нервной системой.

КОСТНАЯ ТКАНЬ. «БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ», Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.

Костная ткань – особый вид соединительной ткани. Необходимо различать понятия «кость как орган» и «костная ткань».

Кость как орган – это сложное структурное образование, в которое наряду со специфической костной тканью входят надкостница, костный мозг, кровеносные и лимфатические сосуды, нервы и в ряде случаев хрящевая ткань.

Костная ткань является главной составной частью кости. Она образует костные пластинки. В зависимости от плотности и расположения пластинок различают компактное и губчатое костное вещество. В телах длинных (трубчатых) костей в основном содержится компактное костное вещество. В эпифизах длинных костей, а также в коротких и широких костях преобладает губчатое костное вещество.

Клеточными элементами костной ткани являются остеобласты, остео-циты и остеокласты.

Остеобласт – клетка костной ткани, участвующая в образовании межклеточного вещества. Отличительной чертой остеобластов является наличие сильно развитого эндоплазматического ретикулума и мощного аппарата белкового синтеза. В остеобластах синтезируется проколлаген, который затем перемещается из эндоплазматического ретикулума в комплекс Гольджи, включается в секретируемые гранулы (везикулы). В результате действия группы специальных пептидаз от проколлагена отщепляются сначала N-концевой, а затем С-концевой домены и формируется тропо-коллаген. Последний в межклеточном пространстве образует фибриллы. В дальнейшем после образования поперечных сшивок формируется зрелый коллаген (см. гл. 21).

В остеобластах синтезируются также гликозаминогликаны, белковые компоненты протеогликанов, ферменты и другие соединения, многие из которых затем быстро переходят в межклеточное вещество.

Остеоцит (костная клетка) – зрелая отростчатая клетка костной ткани, вырабатывающая компоненты межклеточного вещества и обычно замурованная в нем.

Как известно, остеоциты образуются из остеобластов при формировании костной ткани.

Остеокласт – гигантская многоядерная клетка костной ткани, способная резорбировать обызвествленный хрящ и межклеточное вещество костной ткани в процессе развития и перестройки кости. Это основная функция остеокласта. Следует отметить, что остеокласты, так же как и остеобласты, синтезируют РНК, белки. Однако в остеокластах этот процесс протекает

менее интенсивно, так как у них слабо развит эндоплазматический ре-тикулум и имеется небольшое число рибосом, но содержится много лизосом и митохондрий.

Предыдущая страница | Следующая страница

СОДЕРЖАНИЕ

особенности строения соединительной костной ткани и какую она выполняет функцию в организме

Клеточный состав костной ткани представлен остеоцитами, остеокластами и остеобластами. Они располагаются в межклеточном матриксе, на 70% состоящем из неорганических соединений (преимущественно кристаллов фосфатов кальция — гидроксиапатита) и на 30% — из органических веществ (коллагеновых волокон, межклеточного матрикса). Костная ткань выполняет в организме 2 основных функции — скелетная (опорная) и защитная (грудная клетка, череп), а также участвует в процессах кроветворения.

Под влиянием возрастных изменений, системных заболеваний и неблагоприятных факторов, кости способны разрушаться, что может приводить к необратимым последствиям для организма.
 

Почему важна профилактика заболеваний опорно-двигательной системы

Костная и хрящевая ткани выполняют важную функцию в организме. Вместе с мышцами и связками они формируют опорно-двигательный аппарат, который испытывает огромную нагрузку в течение всей жизни человека. Чтобы предупредить заболевания опорно-двигательного аппарата, врачи рекомендуют проводить ежедневную профилактику и придерживаться принципов здорового образа жизни.

Человек должен давать организму адекватную физическую нагрузку, правильно питаться, отказаться от вредных привычек и исключить факторы, негативно влияющие на состояние костно-хрящевой системы (подъём тяжестей, перепады температур, недостаток витаминов и минералов и т.д.). Основой профилактики является лечебная физическая культура (ЛФК).

Существуют специальные комплексы упражнений, направленные на укрепление костной, хрящевой и мышечной ткани, разработку суставов и увеличение их мобильности, лечение определённых патологий (остеохондроз, артроз, плоскостопие и другие). Любой гимнастический комплекс содержит в себе разминку (7-10 минут) и основную часть. Тренировки проводятся 2-3 раза в неделю во второй половине дня. В одно занятие обычно включается 5-10 упражнений, которые повторяются по кругу. Каждый подход состоит из 20-30 повторений. Отдых между упражнениями составляет не более 2 минут. [2].

При наличии конкретного заболевания гимнастический комплекс подбирается индивидуально врачом ЛФК. Также назначаются медикаментозные средства, направленные на уменьшение симптомов болезни и восстановление хрящевой ткани. Одним из таких препаратов является Терафлекс. Он стимулирует регенерацию хрящевых структур, замедляет процессы разрушения хрящевой ткани. После приёма Терафлекса в течение 3-6 мес снижается интенсивность боли в суставах, улучшается функция сустава[3]. (раздел фармакологическое действие) 
 

32.Костная ткань

32.1.Виды костной ткани

1)Грубоволокнистая костная ткань

Коллагеновые волокна образуют толстые пучки, идущие в разных направлениях. Локализация:

Плоские кости эмбриона. Бугорки костей; места заросших черепных швов.

2)Пластинчатая костная ткань

Костное вещество (клетки, волокна, основное вещество) организовано в пластинки. Причём, в пределах одной пластинки волокна имеют одинаковое направление, а в пределах соседних пластинок — разное.

Локализация — почти все кости взрослого человека: плоские (лопатка, тазовые кости, кости черепа), губчатые (рёбра, грудина, позвонки) и трубчатые.

32.2.Функционльное значение

Костные ткани: Образуют скелет, защищающий внутренние органы от повреждений, входящий в локомоторный аппарат и являющийся важнейшим депо минеральных веществ в организме.

32.3.Структурные компоненты: клетки, особенности межклеточного вещества

Межклеточное вещество костей представлено не только обычными компонентами (коллагеновыми волокнами, протеогликанами, гликопротеинами), но и (на 70 %) минеральными солями — главным образом, кристаллами гидроксиапатита. Содержание воды — очень низкое (от 6 до 20 %). Поэтому межклеточное вещество находится в твёрдом состоянии, что придаёт костям, по сравнению с хрящом, более высокую прочность и в то же время — хрупкость.

Клетки костной ткани — остеобласты, остеоциты и остеокласты. Остеобласты и остеоциты — последовательные стадии развития клеток соответствующего дифферона — т.н. дифферона механоцитов. В отличие от хондробластов и хондроцитов, но так же , как зрелые фибробласты и фиброциты, остеобласты и остеоциты не способны к митотическим делениям.

32.4.Строение ретикулофиброзной костной ткани

Грубоволокнистая (ретикулофиброзная) костная ткань 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.

32.5.Локализация ретикулофиброзной костной ткани в организме

У взрослого она сохраняется лишь в заросших швах черепа и участках прикрепления некоторых сухожилий к костям, у эмбриона формирует плоские кости.

33.Клеточные элементы костной ткани

33.1.Остеоцит, его строение

Остеобласты и остеоциты — последовательные стадии развития клеток соответствующего дифферона — т.н. дифферона механоцитов.

В отличие от хондробластов и хондроцитов, но так же, как зрелые фибробласты и фиброциты, остеобласты и остеоциты не способны к митотическим делениям.

Остеоциты — основной тип клеток зрелой костной ткани. Они образуются из остеобластов, когда те в результате своей синтетической активности и минерализации остеоида оказываются окруженными со всех сторон обызвествленным матриксом. При этом остеобласты утрачивают способность к делению, уменьшаются в размерах, их органеллы редуцируются, а интенсивность синтетических процессов резко падает. Уплощенные тела остеоцитов лишены полярности и находятся в узких костных полостях лакунах, где они окружены коллагеновыми фибриллами и узкой полоской остеоида (см. рис. 12-7). Их отростки (числом до нескольких сотен) располагаются в узких костных канальцах и связывают соседние клетки благодаря щелевым соединениям между ними (через которые передаются низкомолекулярные питательные вещества и ионы).

Импланты из нового сплава смогут заменить человеческие кости — Российская газета

Ученые из НИТУ «МИСиС» вместе с канадскими коллегами создали сплав с такой упругостью, что его впервые можно использовать как полноценную замену костям. Области его применения очень перспективные. Например, новый сплав пригодится в системах поддержки позвоночника для лечения тяжелых форм сколиоза и в других медицинских имплантах.

Новый сплав: заправляешь порошком 3D-принтер и печатаешь любой металлический имплант. Фото: Сергей Савостьянов/ТАСС

— Группа молодых исследователей под руководством профессора Сергея Прокошкина на основе титана, циркония и ниобия разработала сплав с памятью формы, максимально похожий по биомеханическим свойствам на костную ткань, — рассказала ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. — Материал может применяться в качестве медицинского имплантата для замены костной ткани.

Человеческий организм — достаточно агрессивная среда, поэтому для костных имплантов подойдут только биосовместимые и прочные материалы. Именно поэтому в последние годы самыми распространенными «заменителями» костей стали титановые конструкции.

Однако у них есть существенный недостаток: мало гибкости. Из-за этого равновесие в организме человека может быть серьезно нарушено. Как? Костная ткань перестает получать нагрузки (их берет на себя более жесткий материал имплантата), и ее клетки постепенно отмирают. Как следствие — связь имплантата с костью пропадает, он расшатывается и нуждается в замене.

Именно эту проблему удалось решить российским ученым. Сплав титан-цирконий-ниобий полностью биосовместим. При этом из-за одинаковой с костью упругости сделанные из этого сплава имплантаты получатся намного более долговечными. Его можно будет использовать даже в персонализированной медицине: заправляешь порошком 3D-принтер и печатаешь любой металлический имплант с любой степенью пористости.

Человеческий организм — достаточно агрессивная среда, поэтому для костных имплантов подойдут только биосовместимые и прочные материалы

— Сейчас наша международная научная группа разрабатывает промышленную технологию получения заготовок — прутков круглого сечения для будущих имплантатов, — говорит старший научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением НИТУ «МИСиС» Вадим Шереметьев. — Эти прутки нужны для систем транспедикулярной фиксации позвоночника, которые крепятся через ножку (педикулу) позвонка и применяются для лечения сложных форм сколиоза. Балки из сплава титан-цирконий-ниобий будут долговечными и упругими, благодаря чему риск нанести травму пациенту снизится, а качество его жизни улучшится.

Мамонты страдали заболеваниями, которые характерны для людей

Палеонтолог ТГУ Сергей Лещинский изучил коллекцию остатков якутских мамонтов, собранную на одном из самых крупных в мире местонахождений мамонтовой фауны — Берелёх. Исследование показало, что почти половина костей древних млекопитающих имеет признаки серьезных патологий, типичных и для скелетной системы человека

Палеонтолог ТГУ Сергей Лещинский изучил коллекцию остатков якутских мамонтов, собранную на одном из самых крупных в мире местонахождений мамонтовой фауны — Берелёх. Исследование показало, что почти половина костей древних млекопитающих имеет признаки серьезных патологий, типичных и для скелетной системы человека.

— Захоронение шерстистых мамонтов было обнаружено в древней старице реки Берелёх, — говорит заведующий лабораторией континентальных экосистем мезозоя и кайнозоя ГГФ ТГУ Сергей Лещинский. — В ходе первых экспедиций в начале 1970-х годов исследователи собрали более восьми тысяч остатков, но вывезти весь материал сразу не было возможности. В итоге его большую часть складировали на месте работ. Только полторы тысячи костей и зубов удалось отправить в Ленинград (ныне Санкт-Петербург) для хранения в фондах Зоологического музея РАН.

По словам ученого, остатки мамонтов, живших около 13–12 тыс. лет назад на территории современной Якутии, имеют прекрасную сохранность. Кости животных сносило в старицу Берелёха, перекрывало отложениями, это и спасало их от выветривания и повреждения хищниками. В условиях многолетней мерзлоты разложение тканей идет медленно, поэтому даже спустя тысячелетия на некоторых костях уцелели хрящи.

В процессе работы с коллекцией установлено, что на 42% образцов присутствуют признаки заболеваний скелетной системы. Среди них есть две патологии, которые на остатках данного вида животных никто в мире еще не выявлял.

— Одно из заболеваний у врачей называется «суставная мышь», или «рисовое зерно». Это свободно расположенный в полости сустава фрагмент отделившейся костной или хрящевой ткани, — объясняет Сергей Лещинский. — Довольно часто эта патология отмечается у людей. При попадании такого кусочка в суставную полость возникает сильнейшая боль. Это свидетельствует о серьезном заболевании, например, некрозе субхондральной кости. Животное с таким недугом было ограничено в движении и часто становилось легкой добычей хищников.

Еще одна аномалия, впервые описанная у мамонтов, — незамкнутость поперечных отверстий шейных позвонков, в которых в норме расположены кровеносные сосуды и нервные сплетения. Позвонков с таким отклонением несколько, и очевидно, что они принадлежат разным особям. Однако в большинстве случаев у мамонтов встречаются признаки суставных деструкций, остеопороз, остеофиброз, остеомаляция, остеолиз, ложные суставы и другие заболевания, вызванные нарушениями обмена веществ из-за недостатка или избытка жизненно важных макро- и микроэлементов.

Данные результаты подтверждают гипотезу палеонтологов ТГУ о том, что причиной массового вымирания мамонтов стал геохимический стресс, возникший из-за минерального голодания вследствие серьезных экологических изменений на планете.

Результаты исследования доступны online в одном из престижных журналов издательства Elsevier в области наук о четвертичном периоде Земли — Quaternary International.

Bones — Better Health Channel

Кости обеспечивают структуру нашего тела. Скелет взрослого человека состоит из 206 костей. К ним относятся кости черепа, позвоночник (позвонки), ребра, руки и ноги. Кости состоят из соединительной ткани, усиленной кальцием и специализированными костными клетками. Большинство костей также содержат костный мозг, в котором образуются клетки крови.

Кости работают с мышцами и суставами, чтобы удерживать наше тело вместе и поддерживать свободу движений. Это называется опорно-двигательной системой.Скелет поддерживает и формирует тело и защищает хрупкие внутренние органы, такие как мозг, сердце и легкие.

Кости содержат большую часть кальция, поступающего в наш организм. Организм постоянно наращивает и разрушает костную ткань по мере необходимости. Здоровые кости нуждаются в сбалансированном питании, регулярных упражнениях с весовой нагрузкой и правильном уровне различных гормонов.

Скелет

Человеческий скелет состоит из 206 костей, включая кости:

  • Череп — включая челюстную кость
  • Позвоночник — шейный, грудной и поясничный позвонки, крестец и копчик (копчик)
  • Грудь — ребра и грудина (грудина)
  • Руки — лопатка (лопатка), ключица (ключица), плечевая, лучевая и локтевая кости
  • Руки — кости запястья (запястья), пястные кости и фаланги
  • Таз — бедра
  • Ноги — бедренная кость (бедренная кость), коленная чашечка (надколенник), большеберцовая кость (большеберцовая кость) и малоберцовая кость.
  • Ступни — предплюсны, плюсны и фаланги.

Типы костей

В человеческом теле есть четыре различных типа костей:

  • Длинная кость — имеет длинную и тонкую форму. Примеры включают кости рук и ног (исключая запястья, лодыжки и коленные чашечки). С помощью мышц длинные кости работают как рычаги, позволяющие двигаться.
  • Кость короткая — приземистая, кубовидная. Примеры включают кости, составляющие запястья и лодыжки.
  • Плоская кость — имеет уплощенную широкую поверхность.Примеры включают ребра, лопатки, грудину и кости черепа.
  • Кость неправильной формы — имеет форму, не соответствующую указанным выше трем типам. Примеры включают кости позвоночника (позвонки).

Костная ткань

К различным слоям костной ткани относятся:

  • Надкостница — плотная жесткая внешняя оболочка, которая содержит кровеносные сосуды и нервы
  • Компактная или плотная ткань — твердый гладкий слой, который защищает ткань в пределах
  • Губчатая или губчатая ткань — пористый сотовый материал, находящийся внутри большинства костей, который позволяет кости быть прочной, но легкой
  • Костный мозг — желеобразное вещество, находящееся внутри полостей некоторых костей (включая таз), который производит клетки крови.

Костный мозг

Костный мозг — это место, где образуются клетки крови. К трем различным типам клеток крови, производимым костным мозгом, относятся:

  • Красные кровяные тельца — переносят кислород по всему телу.
  • Лейкоциты — составляют иммунную систему организма.
  • Тромбоциты — используются для свертывания крови.

Костные клетки

Наше тело постоянно реконструирует свой скелет, наращивая и разрушая костную ткань по мере необходимости.В результате примерно каждые десять лет каждая кость восстанавливается с нуля. Костные клетки, участвующие в этом процессе, включают:

  • Остеобласты — клетки, которые строят костную ткань
  • Остеоциты — клетки, которые поддерживают костную ткань, контролируя содержание минералов и кальция
  • Остеокласты — клетки, которые разрушить старую костную ткань.

Плотность костей

Многие факторы работают вместе, обеспечивая прочность и здоровье костей.Плотность костей зависит от:

  • Постоянное снабжение диетическим кальцием
  • Достаточное количество витамина D от солнечного света и еды
  • Здоровая диета с большим количеством витаминов и минералов
  • Различные гормоны, включая паратиреоидный гормон, гормон роста, кальцитонин, эстроген и тестостерон
  • Регулярные упражнения с отягощением.

Состояние костей

Некоторые состояния костей включают:

  • Переломы — переломы костей разных типов
  • Остеопороз — потеря плотности и прочности кости
  • Остеомиелит — инфекция кости
  • Остит — воспаление костей, например, костная болезнь Педжета
  • Акромегалия — разрастание костей лица, рук и ног
  • Фиброзная дисплазия — аномальный рост или отек кости
  • Рахит — a растущие кости ребенка не развиваются из-за нехватки витамина D
  • Множественная миелома — рак плазматических клеток в костном мозге
  • Рак кости — Первичный рак кости включает остеосаркомы и хондросаркомы.Однако большинство раковых образований, обнаруживаемых в костях, распространилось из других органов, таких как грудь, простата, легкие или почки.

Куда обратиться за помощью

Костная структура — анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определить анатомические особенности кости
  • Определите и перечислите примеры маркировки костей
  • Описать гистологию костной ткани
  • Сравните и сравните компактную и губчатую кость
  • Определить структуры, составляющие компактную и губчатую кость
  • Опишите, как питаются и иннервируются кости

Костная ткань (костная ткань) сильно отличается от других тканей организма.Кость твердая, и многие ее функции зависят от этой характерной твердости. Дальнейшие обсуждения в этой главе покажут, что кость также динамична в том смысле, что ее форма приспосабливается к нагрузкам. В этом разделе сначала исследуется общая анатомия кости, а затем перейдем к ее гистологии.

Общая анатомия кости

Структура длинной кости позволяет лучше всего визуализировать все части кости ((Рисунок)). Длинная кость состоит из двух частей: диафиза и эпифиза.Диафиз — это трубчатый стержень, который проходит между проксимальным и дистальным концом кости. Полость в диафизе называется медуллярной полостью, которая заполнена желтым костным мозгом. Стенки диафиза состоят из плотной и твердой компактной кости.

Анатомия длинной кости

Типичная длинная кость показывает общие анатомические характеристики кости.

Более широкий участок на каждом конце кости называется эпифизом (множественное число = эпифиз), он заполнен губчатой ​​костью.Красный костный мозг заполняет пустоты в губчатой ​​кости. Каждый эпифиз встречается с диафизом у метафиза, узкой областью, которая содержит эпифизарную пластинку (пластину роста), слой гиалинового (прозрачного) хряща в растущей кости. Когда кость перестает расти в раннем взрослом возрасте (примерно 18–21 год), хрящ заменяется костной тканью, и эпифизарная пластинка становится эпифизарной линией.

Медуллярная полость имеет нежную мембранную выстилку, называемую эндостом (конец- = «внутри»; oste- = «кость»), где происходит рост, восстановление и ремоделирование кости.Наружная поверхность кости покрыта фиброзной оболочкой, называемой надкостницей (peri — = «вокруг» или «вокруг»). Надкостница содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды, питающие компактную кость. Сухожилия и связки также прикрепляются к костям в надкостнице. Надкостница покрывает всю внешнюю поверхность, за исключением тех мест, где эпифизы встречаются с другими костями, образуя суставы ((Рисунок)). В этой области эпифизы покрыты суставным хрящом, тонким слоем хряща, который снижает трение и действует как амортизатор.

Надкостница и эндост

Надкостница образует внешнюю поверхность кости, а эндост выстилает костномозговую полость.

Плоские кости, как и кости черепа, состоят из слоя диплоэ (губчатой ​​кости), выстланного с обеих сторон слоем компактной кости ((Рисунок)). Два слоя компактной кости и внутренняя губчатая кость работают вместе, чтобы защитить внутренние органы. Если внешний слой черепной кости ломается, мозг все еще защищен неповрежденным внутренним слоем.

Анатомия плоской кости

На этом поперечном сечении плоской кости показана губчатая кость (диплоэ), выстланная с обеих сторон слоем компактной кости.

Отметины костей

Поверхность костей значительно различается в зависимости от функции и расположения в теле. (Рисунок) описывает отметки костей, которые проиллюстрированы на ((Рисунок)). Есть три основных класса маркировки костей: (1) суставы, (2) выступы и (3) отверстия.Как следует из названия, сочленение — это место соединения двух поверхностей кости (articulus = «сустав»). Эти поверхности имеют тенденцию приспосабливаться друг к другу, например, одна закругленная, а другая чашеобразная, чтобы облегчить функцию сочленения. Выступ — это область кости, которая выступает над поверхностью кости. Это точки крепления сухожилий и связок. Как правило, их размер и форма указывают на силы, действующие через прикрепление к кости. Отверстие — это отверстие или бороздка в кости, через которую кровеносные сосуды и нервы входят в кость.Как и в случае с другими отметинами, их размер и форма отражают размер сосудов и нервов, проникающих в кость в этих точках.

Отметины костей
Маркировка Описание Пример
Шарниры Где встречаются две кости Коленный сустав
Головка Выступающая закругленная поверхность Головка бедра
Фацет Плоская поверхность Позвонки
Мыщелок Скругленная поверхность Затылочные мыщелки
Проекции Рельефная маркировка Остистый отросток позвонков
Выступ выступающий Подбородок
Процесс Выдающийся элемент Поперечный отросток позвонка
Позвоночник Острая обработка седалищный отдел позвоночника
Бугорок Маленький округлый отросток Бугорок плечевой кости
Бугристость Шероховатая поверхность Бугристость дельтовидной мышцы
Линия Легкий удлиненный гребень Височные линии теменных костей
Крест Ридж Подвздошный гребень
Отверстия Отверстия и углубления Foramen (отверстия, через которые могут проходить кровеносные сосуды)
Ямка Раковина удлиненная Нижнечелюстная ямка
Ямка Малая яма Ямка головы на головке бедренной кости
Борозда Паз Сигмовидная борозда височных костей
Канал Проход в кости Слуховой канал
Трещина Прорезание кости Ушная щель
Отверстие Отверстие в кости Большое затылочное отверстие в затылочной кости
Мясо Выход в канал Внешний слуховой проход
Синус Воздушное пространство в кости Носовые пазухи

Особенности кости

Поверхность костей зависит от их функции, расположения, прикрепления связок и сухожилий или проникновения кровеносных сосудов и нервов.

Костные клетки и ткани

Кость содержит относительно небольшое количество клеток, закрепленных в матрице коллагеновых волокон, которые обеспечивают поверхность для прикрепления кристаллов неорганической соли. Эти кристаллы соли образуются, когда фосфат кальция и карбонат кальция объединяются с образованием гидроксиапатита, который включает другие неорганические соли, такие как гидроксид, фторид и сульфат магния, когда он кристаллизуется или кальцифицируется на коллагеновых волокнах. Кристаллы гидроксиапатита придают костям твердость и прочность, а волокна коллагена придают им гибкость, поэтому они не становятся хрупкими.

Хотя костные клетки составляют небольшую часть объема кости, они имеют решающее значение для функционирования костей. В костной ткани обнаружены четыре типа клеток: остеобласты, остеоциты, остеогенные клетки и остеокласты ((Рисунок)).

Костные клетки

В костной ткани обнаружены клетки четырех типов. Остеогенные клетки недифференцированы и развиваются в остеобласты. Когда остеобласты попадают в кальцифицированный матрикс, их структура и функция изменяются, и они становятся остеоцитами.Остеокласты развиваются из моноцитов и макрофагов и отличаются по внешнему виду от других костных клеток.

Остеобласт — это костная клетка, ответственная за формирование новой кости, которая находится в растущих частях кости, включая надкостницу и эндост. Остеобласты, которые не делятся, не синтезируют и не секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция. Когда секретируемый матрикс, окружающий остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке внутри него; в результате он изменяет структуру и становится остеоцитом, первичной клеткой зрелой кости и наиболее распространенным типом костной клетки.Каждый остеоцит расположен в пространстве, называемом лакуной, и окружен костной тканью. Остеоциты поддерживают минеральную концентрацию матрикса за счет секреции ферментов. Как и остеобласты, остеоциты не обладают митотической активностью. Они могут общаться друг с другом и получать питательные вещества через длинные цитоплазматические отростки, которые проходят через canaliculi (единичный = canaliculus), каналы в костном матриксе.

Если остеобласты и остеоциты неспособны к митозу, то как они пополняются, когда умирают старые? Ответ кроется в свойствах третьей категории костных клеток — остеогенных клеток.Эти остеогенные клетки недифференцированы с высокой митотической активностью и являются единственными костными клетками, которые делятся. Незрелые остеогенные клетки находятся в глубоких слоях надкостницы и костного мозга. Они дифференцируются и развиваются в остеобласты.

Динамический характер кости означает, что новая ткань постоянно образуется, а старая, поврежденная или ненужная кость растворяется для восстановления или высвобождения кальция. Клеткой, ответственной за резорбцию или разрушение кости, является остеокласт.Они находятся на поверхности костей, являются многоядерными и происходят из моноцитов и макрофагов, двух типов белых кровяных телец, а не из остеогенных клеток. Остеокласты постоянно разрушают старую кость, в то время как остеобласты постоянно образуют новую кость. Постоянный баланс между остеобластами и остеокластами отвечает за постоянное, но тонкое изменение формы кости. (Рисунок) рассматривает костные клетки, их функции и расположение.

Костные клетки
Тип ячейки Функция Расположение
Остеогенные клетки Развиваются в остеобласты Глубокие слои надкостницы и костного мозга
Остеобласты Костеобразование Растущие части кости, включая надкостницу и эндост
Остеоциты Поддержание концентрации минералов в матрице В матрице
Остеокласты Костная резорбция Костные поверхности и участки старой, поврежденной или ненужной кости

Компактная губчатая кость

Различия между компактной и губчатой ​​костью лучше всего изучать с помощью их гистологии.Большинство костей содержат плотную и губчатую костную ткань, но их распределение и концентрация зависят от общей функции кости. Компактная кость плотная, поэтому она может выдерживать сжимающие усилия, в то время как губчатая (губчатая) кость имеет открытые пространства и поддерживает сдвиги в распределении веса.

Компактная кость

Компактная кость — более плотная и прочная из двух типов костной ткани ((Рисунок)). Его можно найти под надкостницей и в диафизах длинных костей, где он обеспечивает поддержку и защиту.

Схема компактной кости

(a) На этом разрезе компактной кости показана основная структурная единица — остеон. (b) На этой микрофотографии остеона вы можете ясно видеть концентрические пластинки и центральные каналы. LM × 40. (Микрофотография предоставлена ​​Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012)

Микроскопическая структурная единица компактной кости называется остеоном или гаверсовской системой. Каждый остеон состоит из концентрических колец кальцифицированного матрикса, называемого ламелями (единичное число = ламелла).По центру каждого остеона проходит центральный канал, или гаверсовский канал, который содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды. Эти сосуды и нервы ответвляются под прямым углом через перфорирующий канал, также известный как каналы Фолькмана, до надкостницы и эндоста.

Остеоциты расположены внутри пространств, называемых лакунами (единичное число = лакуна), на границах соседних ламелл. Как описано ранее, канальцы соединяются с канальцами других лакун и, в конечном итоге, с центральным каналом.Эта система позволяет транспортировать питательные вещества к остеоцитам и удалять из них отходы.

Губчатая (губчатая) кость

Как и компактная кость, губчатая кость, также известная как губчатая кость, содержит остеоциты, расположенные в лакунах, но они не расположены концентрическими кругами. Вместо этого лакуны и остеоциты находятся в решетчатой ​​сети матричных шипов, называемых трабекулами (единичное число = трабекула) ((Рисунок)). Трабекулы могут казаться случайной сетью, но каждая трабекула формируется вдоль линий напряжения, чтобы обеспечить прочность кости.Пространства трабекулярной сети обеспечивают баланс плотной и тяжелой компактной кости, делая кости более легкими, чтобы мышцы могли легче перемещать их. Кроме того, полости в некоторых губчатых костях содержат красный костный мозг, защищенный трабекулами, в которых происходит кроветворение.

Диаграмма губчатой ​​кости

Губчатая кость состоит из трабекул, содержащих остеоциты. Красный костный мозг заполняет пустоты в некоторых костях.

Старение и…

Скелетная система: болезнь Педжета Болезнь Педжета обычно возникает у взрослых старше 40 лет.Это нарушение процесса ремоделирования кости, которое начинается с гиперактивных остеокластов. Это означает, что резорбируется больше кости, чем откладывается. Остеобласты пытаются компенсировать это, но новая кость, которую они закладывают, является слабой и хрупкой и поэтому склонна к переломам.

В то время как некоторые люди с болезнью Педжета не имеют симптомов, другие испытывают боль, переломы костей и деформации костей ((Рисунок)). Чаще всего поражаются кости таза, черепа, позвоночника и ног. Болезнь Педжета, возникающая в черепе, может вызывать головные боли и потерю слуха.

Болезнь Педжета

Нормальные кости ног относительно прямые, но кости, пораженные болезнью Педжета, пористые и изогнутые.

Что заставляет остеокласты становиться сверхактивными? Ответ пока неизвестен, но наследственные факторы, похоже, играют роль. Некоторые ученые считают, что болезнь Педжета вызвана еще не идентифицированным вирусом.

Болезнь Педжета диагностируется с помощью визуальных исследований и лабораторных тестов. Рентген может показать деформации костей или участки резорбции кости.Также полезно сканирование костей. В этих исследованиях в организм вводят краситель, содержащий радиоактивный ион. Области резорбции кости имеют сродство к ионам, поэтому они будут светиться при сканировании, если ионы абсорбируются. Кроме того, у людей с болезнью Педжета обычно повышен уровень в крови фермента, называемого щелочной фосфатазой.

Бисфосфонаты, препараты, снижающие активность остеокластов, часто используются при лечении болезни Педжета. Однако в небольшом проценте случаев сами бисфосфонаты связаны с повышенным риском переломов, поскольку старая кость, оставшаяся после введения бисфосфонатов, изнашивается и становится хрупкой.Тем не менее, большинство врачей считают, что польза от бисфосфонатов более чем перевешивает риск; медицинский работник должен взвесить преимущества и риски в каждом конкретном случае. Лечение бисфосфонатами может снизить общий риск деформаций или переломов, что, в свою очередь, снижает риск хирургического вмешательства и связанные с ним риски и осложнения.

Кровоснабжение и нервное питание

Губчатая кость и костномозговая полость получают питание из артерий, которые проходят через компактную кость.Артерии входят через питательные отверстия (множественное число = отверстия), небольшие отверстия в диафизе ((рисунок)). Остеоциты в губчатой ​​кости питаются кровеносными сосудами надкостницы, которые проникают в губчатую кость, и кровью, которая циркулирует в полостях костного мозга. Когда кровь проходит через полости костного мозга, она собирается венами, которые затем выходят из кости через отверстия.

Помимо кровеносных сосудов, нервы проходят по тем же путям в кость, где они, как правило, концентрируются в более метаболически активных областях кости.Нервы ощущают боль, и, похоже, нервы также играют роль в регулировании кровоснабжения и роста костей, следовательно, их концентрация в метаболически активных участках кости.

Диаграмма кровоснабжения и нервного кровоснабжения костей

Кровеносные сосуды и нервы входят в кость через питательное отверстие.

Посмотрите это видео, чтобы увидеть микроскопические особенности кости.

Обзор главы

Полая костномозговая полость, заполненная желтым костным мозгом, проходит по длине диафиза длинной кости.Стенки диафиза представляют собой компактную кость. Эпифизы, представляющие собой более широкие участки на каждом конце длинной кости, заполнены губчатой ​​костью и красным костным мозгом. Эпифизарная пластинка, слой гиалинового хряща, заменяется костной тканью по мере увеличения длины органа. Медуллярная полость имеет нежную мембранную выстилку, называемую эндостом. Наружная поверхность кости, за исключением областей, покрытых суставным хрящом, покрыта фиброзной оболочкой, называемой надкостницей. Плоские кости состоят из двух слоев компактной кости, окружающих слой губчатой ​​кости.Маркировка костей зависит от функции и расположения костей. Сочленения — это места, где встречаются две кости. Выступы выступают из поверхности кости и служат точками крепления сухожилий и связок. Отверстия — это отверстия или углубления в костях.

Костный матрикс состоит из коллагеновых волокон и основного органического вещества, в основном гидроксиапатита, образованного из солей кальция. Остеогенные клетки развиваются в остеобласты. Остеобласты — это клетки, из которых состоит новая кость. Когда они попадают в матрикс, они становятся остеоцитами, клетками зрелой кости.Остеокласты участвуют в резорбции кости. Компактная кость плотная и состоит из остеонов, а губчатая кость менее плотная и состоит из трабекул. Кровеносные сосуды и нервы входят в кость через питательные отверстия, питая и иннервируя кости.

Вопросы для обзора

Что из следующего встречается в губчатой ​​кости эпифиза?

  1. Рост кости
  2. Ремоделирование кости
  3. кроветворение
  4. амортизация

Диафиз содержит ________.

  1. метафиз
  2. жировых запасов
  3. кость губчатая
  4. компактная кость

Фиброзная оболочка, покрывающая внешнюю поверхность кости, ________.

  1. надкостница
  2. эпифиз
  3. эндост
  4. диафиз

Какие из нижеперечисленных неспособны к митозу?

  1. остеобласты и остеокласты
  2. Остеоциты и остеокласты
  3. Остеобласты и остеоциты
  4. Остеогенные клетки и остеокласты

Какие клетки не происходят из остеогенных клеток?

  1. остеобласты
  2. Остеокласты
  3. Остеоциты
  4. Клетки-остеопрогениторы

Что из следующего встречается в компактной кости и губчатой ​​кости?

  1. Гаверсовы системы
  2. Гаверские каналы
  3. ламелей
  4. лакуны

Что из перечисленного только найдено в губчатой ​​кости?

  1. каналов
  2. Каналы Фолькмана
  3. трабекулы
  4. соли кальция

Какая маркировка на кости образует область кости, через которую проходит питательное отверстие?

  1. отверстие
  2. грань
  3. канал
  4. трещина

Вопросы о критическом мышлении

Если бы суставной хрящ на конце одной из ваших длинных костей дегенерировал, какие симптомы, по вашему мнению, вы бы испытали? Почему?

Если бы суставной хрящ на конце одной из ваших длинных костей разрушился, что на самом деле происходит при остеоартрите, вы испытаете боль в суставе на конце этой кости и ограничение движения в этом суставе, потому что хряща не будет. чтобы уменьшить трение между соседними костями, и не будет хряща, который будет действовать как амортизатор.

Каким образом структурный состав компактной и губчатой ​​кости хорошо соответствует их функциям?

Плотно расположенные концентрические кольца матрицы в компактной кости идеально подходят для противодействия силам сжатия, которые являются функцией компактной кости. Открытые пространства трабекулярной сети губчатой ​​кости позволяют губчатой ​​кости поддерживать сдвиги в распределении веса, что является функцией губчатой ​​кости.

Глоссарий

суставной хрящ
тонкий хрящевой слой, покрывающий эпифиз; снижает трение и действует как амортизатор
шарнирное соединение
, где встречаются две поверхности кости
каналов
(singular = canaliculus) каналов в костном матриксе, в которых размещается одно из многих цитоплазматических расширений остеоцита, которые он использует для связи и получения питательных веществ
центральный канал
продольный канал в центре каждого остеона; содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды; также известный как Гаверсский канал
компактная кость
плотная костная ткань, выдерживающая силу сжатия
диафиз
трубчатый стержень, проходящий между проксимальным и дистальным концами длинной кости
диплоэ
слой губчатой ​​кости, зажатый между двумя слоями компактной кости, обнаруженный в плоских костях
эндост
нежная перепончатая выстилка костномозгового канала
эпифизарная пластина
(также пластина роста) лист гиалинового хряща в метафизе незрелой кости; заменяется костной тканью по мере увеличения длины органа
эпифиз
широких секций на каждом конце длинной кости; наполнен губчатой ​​костью и красным мозгом
отверстие
отверстие или углубление в кости
пробелов
(единичное число = лакуна) пространств в кости, в которых находится остеоцит
костномозговая полость
полая область диафиза; с желтым кабачком
питательное отверстие
небольшое отверстие в середине внешней поверхности диафиза, через которое артерия входит в кость для обеспечения питания
остеобласт
Клетка, отвечающая за формирование новой кости
остеокласт
Клетка, отвечающая за резорбцию кости
остеоцит
первичная клетка в зрелой кости; отвечает за поддержание матрицы
остеогенные клетки
недифференцированная клетка с высокой митотической активностью; единственные костные клетки, которые делятся; они дифференцируются и развиваются в остеобласты
остеон
(также гаверсова система) основная структурная единица компактной кости; из концентрических слоев кальцинированной матрицы
перфорирующий канал
(также канал Фолькмана) канал, который ответвляется от центрального канала и вмещает сосуды и нервы, идущие к надкостнице и эндосту
надкостница
фиброзная оболочка, покрывающая внешнюю поверхность кости и непрерывная связками
выступ
отметки на костях, где часть поверхности выступает над остальной поверхностью, где прикрепляются сухожилия и связки
губчатая кость
(также губчатая кость) трабекулярная костная ткань, поддерживающая сдвиги в распределении веса
трабекулы
(единичное число = трабекула) шипы или участки решетчатой ​​матрицы в губчатой ​​кости

Анатомия кости | Спросите у биолога

Основы костей и анатомия костей


Вы когда-нибудь видели окаменелые останки динозавров и древних человеческих костей в учебниках, на телевидении или лично в музее? На них легко смотреть и думать о костях как о сухих мертвых палках в вашем теле, но это далеко от истины.Кости состоят из активных живых клеток, которые растут, восстанавливают себя и взаимодействуют с другими частями тела. Давайте внимательнее посмотрим, что делают ваши кости и как они это делают.

Сколько костей в теле человека?


Скелет взрослого человека состоит из 206 костей самых разных форм и размеров. В совокупности ваши кости составляют около 15% веса вашего тела. Новорожденные дети на самом деле рождаются с гораздо большим количеством костей, чем это (около 300), но многие кости срастаются или срастаются по мере того, как дети становятся старше.Некоторые кости длинные и толстые, как бедренные кости. Другие тонкие, плоские и широкие, как лопатки.

Скелет взрослого человека состоит из 206 костей. Кликните на картинку чтобы открыть ее в полный размер.

Опора: Подобно тому, как дом построен вокруг поддерживающего каркаса, необходим прочный каркас для поддержки остальной части человеческого тела. Без костей вашему телу было бы сложно сохранять форму и стоять прямо.

Защита: Кости образуют прочный слой вокруг некоторых органов вашего тела, помогая защитить их, когда вы падаете или получаете травму.Например, грудная клетка действует как щит вокруг груди, защищая важные внутренние органы, такие как легкие и сердце. Ваш мозг — еще один орган, который нуждается в большой защите. Толстый слой кости черепа защищает ваш мозг. Для этого очень хорошо быть «тупоголовым».

Механизм: Многие из ваших костей складываются вместе, как кусочки пазла. Каждая кость имеет очень специфическую форму, которая часто совпадает с соседними костями. Место, где встречаются две кости, позволяя вашему телу сгибаться, называется суставом.

Сколько разных способов вы можете двигать суставами? Некоторые кости, например локоть, соединяются вместе, как шарнир, который позволяет вам сгибать руку в одном определенном направлении. Другие кости соединяются вместе, как шар и впадина, например, сустав между плечом и рукой. Этот тип сустава позволяет поворачивать плечо во многих направлениях или вращать им по кругу, как это делают питчеры для софтбола.

Движение нашего тела возможно благодаря как суставам, так и мышцам. Мышцы часто прикрепляются к двум разным костям, поэтому, когда мышца сгибается и укорачивается, кости двигаются.Это позволяет сгибать руки в локтях и коленях или поднимать предметы. В скелете много суставов, но без мускулов нет ничего, что могло бы тянуть кости в разные стороны. Более половины костей вашего тела на самом деле расположены в ваших руках и ногах. Эти кости прикреплены ко многим маленьким мышцам, которые дают вам очень точный контроль над тем, как вы двигаете пальцами и ступнями.

Примеры различных суставов вашего тела.

Образование клеток крови: Знаете ли вы, что большинство красных и белых кровяных телец в вашем теле были созданы внутри ваших костей? Это делается с помощью специальной группы клеток, называемых стволовыми клетками, которые в основном находятся в костном мозге, который является самым внутренним слоем ваших костей.

Хранение: Кости похожи на склад, в котором хранятся жир и многие важные минералы, поэтому они доступны, когда они нужны вашему организму. Эти минералы постоянно перерабатываются в ваших костях — откладываются, а затем выводятся и перемещаются по кровотоку, чтобы добраться до других частей вашего тела, где они необходимы.

Поперечный разрез кости.

Из чего сделаны ваши кости?


Теперь, когда вы знаете, что делают кости, давайте посмотрим, из чего они сделаны и какова их анатомия.

Каждая кость в вашем теле состоит из трех основных типов костного материала: компактной кости, губчатой ​​кости и костного мозга.

Поперечное сечение остеонов. Большие темные пятна — это проходы для кровеносных сосудов и нервов. Маленькие черные точки — это остеоциты.

Компактная кость

Компактная кость — это самый тяжелый и самый твердый тип кости. Он должен быть очень сильным, так как он поддерживает ваше тело и мышцы при ходьбе, беге и движении в течение дня. Около 80% кости в вашем теле компактны.Он составляет внешний слой кости, а также помогает защитить более хрупкие внутренние слои.

Если бы вы посмотрели на кусок компактной кости без помощи микроскопа, он бы казался полностью твердым. Однако если вы посмотрите на него в микроскоп, вы увидите, что на самом деле он заполнен множеством очень крошечных проходов или каналов для нервов и кровеносных сосудов. Компактная кость состоит из особых клеток, называемых остеоцитами. Эти клетки выстроены кольцами вокруг каналов.Вместе канал и окружающие его остеоциты называются остеонами. Остеоны похожи на толстые трубки, идущие в одном направлении внутри кости, они похожи на пучок соломинок с кровеносными сосудами, венами и нервами в центре.

При изучении остеонов в кости (A) под микроскопом можно обнаружить трубчатые остеоны (B), состоящие из остеоцитов (C). Эти костные клетки имеют длинные ответвления (D), которые позволяют им общаться с другими клетками.

Губчатая кость

Губчатая кость крупным планом.

Губчатая кость находится в основном на концах костей и суставов. Около 20% костей в вашем теле губчатые. В отличие от компактной кости, которая в основном твердая, губчатая кость полна открытых участков, называемых порами. Если вы посмотрите на него под микроскопом, он будет очень похож на вашу кухонную губку. Поры заполнены костным мозгом, нервами и кровеносными сосудами, которые переносят клетки и питательные вещества в кость и из нее. Хотя губчатая кость может напоминать кухонную губку, эта кость довольно твердая и твердая и совсем не мягкая.

Костный мозг

Внутренняя часть ваших костей заполнена мягкой тканью, называемой костным мозгом. Костный мозг бывает двух типов: красный и желтый. Красный костный мозг — это место, где производятся все новые красные кровяные тельца, белые кровяные тельца и тромбоциты. Тромбоциты — это маленькие кусочки клеток, которые помогают остановить кровотечение при порезе. Красный костный мозг находится в центре плоских костей, таких как лопатки и ребра. Желтый костный мозг состоит в основном из жира и находится в полых центрах длинных костей, таких как бедренные кости.Он не производит клетки крови или тромбоциты. И желтый, и красный костный мозг имеют множество мелких и крупных кровеносных сосудов и вен, проходящих через них, чтобы питательные вещества и отходы попадали в кость и выходили из нее.

Когда вы родились, весь костный мозг в вашем теле был красным костным мозгом, из которого образовывалось множество клеток крови и тромбоцитов, помогающих вашему телу расти. По мере того, как вы становитесь старше, все больше и больше красного костного мозга заменяется желтым. Костный мозг взрослых взрослых примерно наполовину красный, наполовину желтый.

The Inside Story

Кости состоят из четырех основных типов клеток: остеокластов, остеобластов, остеоцитов и выстилающих клеток. Обратите внимание, что имена трех из этих типов клеток начинаются с «остео». Это греческое слово, обозначающее кость. Когда вы видите слово «остео» как часть слова, это дает вам понять, что это слово имеет какое-то отношение к костям.

Остеобласты отвечают за образование новых костей по мере роста вашего тела.Они также восстанавливают существующие кости, когда они сломаны. Вторая часть слова «взрыв» происходит от греческого слова, означающего «рост». Чтобы создать новую кость, многие остеобласты объединяются в одном месте, а затем начинают образовывать гибкий материал, называемый остеоидом. Затем в остеоид добавляют минералы, делая его прочным и твердым. Когда остеобласты заканчивают формировать кость, они становятся либо выстилающими клетками, либо остеоцитами.

Остеоциты представляют собой звездообразные костные клетки, наиболее часто встречающиеся в компактной кости.На самом деле это старые остеобласты, которые перестали формировать новую кость. По мере того, как остеобласты наращивают кость, они накапливают ее вокруг себя, а затем застревают в центре. На данный момент они называются остеоцитами. Остеоциты имеют длинные ветвящиеся ветви, которые соединяют их с соседними остеоцитами. Это позволяет им обмениваться минералами и общаться с другими клетками в этом районе.

Клетки выстилки — очень плоские костные клетки. Они покрывают внешнюю поверхность всех костей и также образованы из остеобластов, которые закончили создание костного материала.Эти клетки играют важную роль в управлении движением молекул в кости и из кости.

Остеокласты разрушают и реабсорбируют существующую кость. Вторая часть слова «обломок» происходит от греческого слова «разрыв», означающего, что эти клетки разрушают костный материал. Остеокласты очень большие и часто содержат более одного ядра, что происходит, когда две или более клетки сливаются вместе. Эти клетки работают вместе с остеобластами, изменяя форму костей.Это может произойти по ряду причин:

  • Когда кость ломается, вокруг трещины в процессе заживления образуется толстый кусок кости, называемый твердой костной мозолью. Костная мозоль медленно разрушается остеокластами, пока кость не вернется к своей первоначальной форме.
  • Когда в определенной области необходимы новые кровеносные сосуды, нервы и вены, остеокласты разрушают костный материал, чтобы создать новые проходы.
  • Кости, которые используются чаще и которым необходимо выдерживать больший вес, например, кости спортсменов, со временем становятся толще и сильнее.Кости, которые используются реже, например те, которые нужно накладывать на гипс на длительное время, ломаются, становятся меньше и тоньше.

Не совсем понятно, как костные клетки в вашем теле могут работать вместе и оставаться организованными, но давление и нагрузка на кость могут иметь какое-то отношение к этому.

Bone Facts

Самая маленькая кость в человеческом теле, называемая костью стремени, расположена глубоко внутри уха.У взрослого человека его длина составляет всего около 3 миллиметров.

Самая длинная кость человека называется бедренной костью. Это кость в ноге, которая идет от бедра до колена. У среднего взрослого это около 20 дюймов в длину.


Ссылки :

Marieb. E.N. (1989) Анатомия и физиология человека, CA: Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc

Heller, HC, Orians, GH, Purves, WK, Sadava, D. (2003) Life: The Science of Biology, 7th Edition . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc. и У. Х. Фриман и компания

Изображение скелета: Сделано леди шляп — Мариана Руис Вильярреал, через Wikimedia Commons.

Структура костной ткани | SEER Training

Есть два типа костной ткани: плотная и губчатая. Названия подразумевают, что эти два типа различаются по плотности или по тому, насколько плотно ткань упакована вместе. Есть три типа клеток, которые способствуют гомеостазу костей.Остеобласты представляют собой костеобразующие клетки, остеокласты резорбируют или разрушают кость, а остеоциты — зрелые костные клетки. Равновесие между остеобластами и остеокластами поддерживает костную ткань.

Компактная кость

Компактная кость состоит из плотно расположенных остеонов или гаверсовых систем. Остеон состоит из центрального канала, называемого остеоническим (гаверсовым) каналом, который окружен концентрическими кольцами (ламелями) матрикса. Между кольцами матрикса костные клетки (остеоциты) расположены в пространствах, называемых лакунами.Небольшие каналы (canaliculi) исходят от лакун к остеоническому (гаверсовскому) каналу, обеспечивая проходы через твердый матрикс. В компактной кости гаверсовы системы плотно упакованы вместе, образуя то, что кажется твердой массой. Остеонические каналы содержат кровеносные сосуды, параллельные длинной оси кости. Эти кровеносные сосуды соединяются посредством перфорирующих каналов с сосудами на поверхности кости.

Губчатая (губчатая) кость

Губчатая (губчатая) кость легче и менее плотна, чем компактная кость.Губчатая кость состоит из пластин (трабекул) и костных стержней, прилегающих к небольшим полостям неправильной формы, которые содержат красный костный мозг. Канальцы соединяются с соседними полостями, а не с центральным гаверсовым каналом, чтобы получать кровоснабжение. Может показаться, что трабекулы расположены случайным образом, но они организованы таким образом, чтобы обеспечивать максимальную прочность, как скобы, которые используются для поддержки здания. Трабекулы губчатой ​​кости следуют по линиям напряжения и могут перестроиться, если направление напряжения изменится.

Bone Tissue — обзор

2.5.2 Механическое поведение костной ткани

Костная ткань подвергается широкому спектру механических нагрузок во время повседневной деятельности и во время нестандартных сценариев, таких как травмы. Эксперименты по механическому поведению костной ткани определяют способность ткани соответствовать этим требованиям. При работе с костной тканью можно избежать мешающего влияния размера и формы образца, подготовив образцы ткани правильной геометрии, так что геометрию можно легко учесть.При таком подходе приложенные нагрузки могут быть легко выражены в терминах напряжения , а не силы, а деформация, которой подвергается образец в результате приложенных нагрузок, может быть выражена в терминах деформации , а не смещения. Напряжение — это сила на единицу площади, действующая на образец, и, таким образом, количественно определяет интенсивность силы. Для образца правильной геометрии это легко вычислить, разделив приложенную силу на площадь поперечного сечения (рис. 2.16).Есть два вида напряжений: нормальные напряжения и напряжения сдвига. Нормальные напряжения действуют либо для разрыва образца (растягивающее напряжение), либо для его укорачивания или сжатия (сжимающее напряжение), а напряжения сдвига действуют для скольжения одной части образца относительно другой части. Как правило, при нормальной функции скелета участки костной ткани подвергаются как нормальному, так и сдвиговому напряжению (рис. 2.17).

Рисунок 2.16. Нормальные напряжения и напряжения сдвига, действующие на образец ткани, вызывают нормальные деформации и деформации сдвига.Пунктирными линиями показан образец, который деформируется под действием приложенных сил. Независимо от того, является ли приложенная сила растягивающей, сжимающей или сдвигающей, напряжение рассчитывается путем деления величины силы на площадь, на которую действует сила (обозначенная здесь A ). Напряжения растяжения и сжатия вызывают деформации растяжения и сжатия соответственно в направлении приложенной силы; однако они также вызывают сжатие и расширение, соответственно, в перпендикулярных направлениях.Последний эффект количественно выражается коэффициентом Пуассона, который определяется как отношение поперечной деформации к продольной. Деформация сдвига представляет собой деформацию образца, которая состоит из изменения угла между двумя линиями, которые изначально были перпендикулярны друг другу.

Рисунок 2.17. Во время нормальной функции скелета, включая походку, участки костной ткани подвергаются сочетанию нормального напряжения и напряжения сдвига. В наиболее общем случае область ткани подвергается нормальным напряжениям и напряжениям сдвига на каждом лице.Напряженное состояние, показанное для этого образца, представляет собой многоосное напряженное состояние.

Деформация — это мера того, как деформируется образец, но, в отличие от смещения, деформация выражается через относительное изменение размера или формы образца (рис. 2.16). Нормальные деформации, будь то растяжение или сжатие, количественно определяют изменение длины образца относительно его исходной длины. Деформация сдвига количественно определяет изменение угла двух линий в материале, которые изначально были перпендикулярны друг другу.Деформация безразмерна и часто выражается в микродеформации (10 −6 мм / мм) или процентах (10 −2 мм / мм).

Степень деформации образца костной ткани в ответ на приложенное напряжение зависит от жесткости ткани. Свойством материала, которое описывает жесткость, является модуль упругости или модуль Юнга (рис. 2.18). Для сдвиговой нагрузки соответствующим свойством материала является модуль сдвига. Как вкратце упоминалось в разделе 2, большинство типов костной ткани демонстрируют упругую анизотропию, в которой модуль упругости различается в зависимости от направления приложенной нагрузки.В наиболее общем случае тип анизотропии, проявляемой костной тканью, — ортотропия [86,87], что означает, что существует различный модуль упругости вдоль каждого из трех взаимно перпендикулярных направлений (рис. 2.19). Некоторые типы костной ткани (например, тканая кость) изотропны, в которых модуль упругости одинаков во всех направлениях. Наконец, некоторые типы костной ткани (например, кортикальная кость с вторичной структурой остеона и губчатая кость из тела позвонка) демонстрируют промежуточный класс анизотропии, известный как поперечная изотропия.Для трансверсально изотропных материалов модуль упругости различен вдоль направления основного волокна ткани, но одинаков во всех направлениях, перпендикулярных оси зерна.

Рисунок 2.18. Кривые напряжение – деформация кортикальной кости при сжатии и растяжении в продольном направлении (направлении, параллельном диафизарной оси). Модуль упругости — это наклон начального участка кривой. Два показателя прочности, предел текучести и предельное напряжение, представляют собой значения напряжения в точках текучести и предела соответственно.На практике предел текучести определяется с использованием метода смещения: эта точка является пересечением кривой напряжения-деформации с линией, имеющей наклон, равной модулю упругости, но смещенной вдоль оси деформации на определенную величину (обычно 0,2%). Для этого материала (кортикальной кости) точки текучести и предела совпадают для сжимающей нагрузки.

Источник: данные предоставлены Morgan EF, Lee JJ, Keaveny TM. Чувствительность нескольких параметров повреждения к сжимающей перегрузке в кортикальном слое кости.J Biomech Eng 2005; 127: 557–62 [128].

Рисунок 2.19. В костной ткани обычно встречаются три типа анизотропии. Если минерализованные фибриллы коллагена не имеют определенной ориентации (например, в тканой кости), ткань изотропна, и модуль упругости, измеренный в каждом из трех показанных направлений, одинаков. Если все фибриллы имеют единую последовательную ориентацию, ткань трансверсально изотропна. Модуль упругости выше в направлении фибрилл (оси зерна), но одинаков во всех направлениях, перпендикулярных этой оси.Кортикальная кость, содержащая вторичные остеоны, почти трансверсально изотропна; в данном случае остеоны — это «фибриллы». Наконец, если существует несколько предпочтительных ориентаций фибрилл, как показано здесь на схематическом изображении пластинчатой ​​кости, ткань является ортотропной. В этом случае модуль упругости различен в каждом из трех показанных направлений. В целом губчатая кость тоже ортотропна.

В контексте остеопороза, несомненно, представляет интерес определение прочности образца костной ткани.Для одноосного испытания (нагрузка в одном направлении) прочность определяется либо как предельное напряжение (максимальное значение напряжения, которое может выдержать образец), либо как предел текучести. Последнее технически представляет собой напряжение, выше которого ткань больше не ведет себя эластично, то есть, если образец нагружен выше предела текучести, а затем разгружен до нулевого напряжения, образец будет демонстрировать некоторую остаточную деформацию и / или снижение жесткости при повторной нагрузке. . На практике предел текучести и деформация текучести определяются по кривой зависимости напряжения от деформации с использованием метода смещения (рис.2.18).

Определение прочности образца, когда он подвергается многоосному напряженному состоянию (сочетание нормальных и / или касательных напряжений, действующих в нескольких направлениях), является более сложной задачей по сравнению с экспериментальными методами, но этот тип испытаний имеет клиническое значение. , учитывая сложность механической среды ткани in vivo. Эта задача еще больше усложняется тем фактом, что прочность, как и модуль упругости, является анизотропной, будучи сильнее вдоль оси зерна, чем под углом к ​​этой оси.Таким образом, отказ образца зависит не только от величин и типов приложенных напряжений, но и от ориентации этих напряжений по отношению к микроструктуре образца. Разработка критериев многоосевого разрушения костной ткани является предметом постоянных исследований [88–96].

Меры силы дают количественное, но по существу дихотомическое описание разрушения, и полезно дополнить эти измерения исследованиями механизмов разрушения для данного типа костной ткани.Механизмы разрушения продиктованы не только природой приложенных нагрузок, но также составом и микроструктурой ткани. И кортикальная кость, и губчатая кость сильнее при сжатии, чем при растяжении, что отражает тот факт, что неорганическая фаза сильнее при сжатии, чем при растяжении. Органическая фаза способствует пластичности и прочности тканей. Пластичность количественно определяется степенью деформации, которую образец может выдержать до полного разрушения. Прочность определяется одним из двух способов: либо как количество энергии, которое образец может поглотить до полного разрушения (также известное как работа до разрушения или энергия до разрушения), либо как сопротивление ткани разрушению. возникновение и распространение трещин. Последнюю часто называют вязкостью разрушения . И пластичность, и прочность интактной костной ткани значительно выше, чем у апатита и термически обработанной костной ткани [97,98], что позволяет предположить, что органическая фаза действительно имеет решающее значение в этих двух аспектах разрушения кости.Однако микроструктура костной ткани также играет роль. В кортикальной ткани рост трещин часто начинается в порах, таких как лакуны остеоцитов и каналы Фолькмана, и, по-видимому, останавливается, по крайней мере временно, на цементных линиях, оставляя вторичные остеоны нетронутыми [26,99,100]. При растягивающей нагрузке вдоль оси зерна продолжающийся рост трещины приводит к отслаиванию остеонов от интерстициальной кости и поперечному перелому самих остеонов, создавая на поверхности излома образца вид, что остеоны «вырвались» из окружающей ткани. [101,102].При сжимающей нагрузке остеоны имеют тенденцию ломаться под углом к ​​их продольной оси, и наблюдается небольшое вырывание [102]. Инициирование и распространение трещин также наблюдается в трабекулах до полного макроскопического разрушения губчатой ​​кости, что приводит к снижению жесткости и прочности [103]; более того, степень микротрещин в данной области губчатой ​​кости, по-видимому, связана с величиной деформаций, которые эта область испытала во время нагрузки [104].

Хотя большая часть работы по изучению механических свойств костной ткани на сегодняшний день выполнена на образцах размером 1–10 мм, быстро растущее количество исследований сосредоточено на микро- и наноразмерных свойствах.Микромеханические тесты на остеонах и отдельных трабекулах стремятся охарактеризовать эластичность и свойства разрушения этих небольших структур в кортикальной и трабекулярной костях [105–112]. Испытания Osteon на выталкивание были разработаны для количественной оценки прочности цементных строп на сдвиг [113,114]. Кроме того, несколько методов, включая акустическую микроскопию, наноиндентирование и «микропиллярное» сжатие, позволяют измерять механические свойства участков костной ткани, состоящих только из одной или нескольких пластинок [115–126].В сочетании с другими методами визуализации и измерения состава с высоким разрешением, такими как рентгеновская томография, рамановская микроспектроскопия, визуализация обратно-рассеянных электронов, рентгеновское рассеяние и инфракрасная спектроскопия, эти методы тестирования в наномасштабе позволяют исследовать взаимосвязи между составом, структурой и механическая функция с очень высокой степенью детализации.

Обзор скелета | Изучение анатомии скелета

Из чего состоит скелетная система ? Что делает скелетная система? На простейшем уровне скелет — это каркас, который обеспечивает структуру остальной части тела и облегчает движение.Скелетная система включает более 200 костей, хрящей и связок.

Прочтите, чтобы узнать 10 ключевых фактов о человеческом скелете.

1. Скелетная система состоит из более чем костей

Когда вы смотрите на человеческий скелет, выделяются 206 костей и 32 зуба. Но присмотритесь поближе, и вы увидите еще больше структур. Скелет человека также включает связки и хрящи. Связки — это связки плотной и волокнистой соединительной ткани, которые играют ключевую роль в функционировании суставов.Хрящ более гибкий, чем кость, но жестче, чем мышцы. Хрящ помогает структурировать гортань и нос. Он также находится между позвонками и на концах костей, таких как бедренная кость.

2. Скелет взрослого человека состоит из 206 костей

Эти кости обеспечивают структуру и защиту, а также облегчают движение. Кости сочленяются, образуя структуры. Череп защищает мозг и придает форму лицу. Грудная клетка окружает сердце и легкие. Позвоночный столб, обычно называемый позвоночником, состоит из более чем 30 мелких костей.Затем идут конечности (верхняя и нижняя) и пояса, которые прикрепляют четыре конечности к позвоночнику.

3. Скелет защищает жизненно важные органы

Мозг окружен костями, которые составляют часть черепа. Сердце и легкие расположены в грудной полости, а позвоночный столб обеспечивает структуру и защиту спинного мозга.

4. Взаимодействие между скелетом, мышцами и нервами, перемещающее тело

Как движется скелет? Мышцы человеческого тела прикреплены к костям.Нервы вокруг мышцы могут сигнализировать о движении. Когда нервная система посылает команды скелетным мышцам, они сокращаются. Это сокращение вызывает движение в суставах между костями.

5. Кости сгруппированы в осевой скелет и аппендикулярный скелет

Кости аппендикулярного скелета облегчают движение, а кости осевого скелета защищают внутренние органы. Все скелетные структуры принадлежат либо аппендикулярному скелету (пояса и конечности), либо осевому скелету (череп, позвоночник и грудная клетка).

6. Кости можно разделить на пять типов

Кости скелетной системы человека делятся на пять типов по форме и функциям. Бедренная кость является примером длинной кости. Лобная кость — плоская кость. Коленная чашечка, также называемая коленной чашечкой, представляет собой сесамовидную кость. Запястья (в руке) и предплюсны (на ступнях) являются примерами коротких костей.

7. У длинных костей три основные части

Внешняя сторона длинной кости состоит из слоя компактной кости, окружающей губчатую кость.Внутри длинной кости находится костномозговая полость, заполненная желтым костным мозгом.

8. Некоторые кости производят красные кровяные тельца

Красный костный мозг — это мягкая ткань, расположенная в сетях губчатой ​​костной ткани внутри некоторых костей. У взрослых красный костный мозг в костях черепа, позвонков, лопаток, грудины, ребер, таза и на эпифизарных концах больших длинных костей продуцирует клетки крови.

9. Некоторые суставы не двигаются или очень мало двигаются

Один из способов классификации суставов — по диапазону движений.К неподвижным суставам относятся швы черепа, суставы между зубами и нижней челюстью, а также сустав, расположенный между первой парой ребер и грудиной. Некоторые суставы имеют небольшое движение; пример — дистальный сустав между большеберцовой и малоберцовой костью. Суставы, которые позволяют много двигаться (подумайте о плече, запястье, бедре и лодыжке), расположены в верхних и нижних конечностях.

10. У младенцев больше костей, чем у взрослых

В скелете младенца почти на сто костей больше, чем в скелете взрослого человека.Формирование костей начинается примерно с трех месяцев беременности и продолжается после рождения до зрелого возраста. Примером нескольких костей, которые со временем сливаются в одну кость, является крестец. При рождении крестец — это пять позвонков с дисками между ними. Крестец полностью срастается в одну кость обычно к четвертому десятилетию жизни.

кость, структурный каркас верхней конечности

Реферат

Кость — это соединительная ткань, содержащая клетки, волокна и основное вещество. В организме есть множество функций, в которых участвует кость, например, хранение минералов, обеспечение внутренней поддержки, защита жизненно важных органов, обеспечение движения и обеспечение мест прикрепления мышц и сухожилий.Кость уникальна, потому что ее коллагеновый каркас поглощает энергию, а минералы, заключенные в матрицу, позволяют кости сопротивляться деформации. В этой статье представлен обзор структуры и функции костной ткани от макроскопического до микроскопического уровня и обсуждаются физиологические процессы, способствующие здоровью костей верхних конечностей. В заключение обсуждаются общие условия, влияющие на здоровье костей верхних конечностей.

Введение

Кость — это специализированная соединительная ткань, состоящая из клеток, волокон и основного вещества.В отличие от других соединительных тканей, его внеклеточные компоненты минерализованы, что придает ему значительную прочность и жесткость. Это делает кость идеально подходящей для выполнения своей наиболее известной функции в организме — механической опоры. В верхней конечности кость обеспечивает структурный каркас, позволяющий переносить вес, когда рука функционирует в замкнутой кинетической цепи, и обеспечивает места прикрепления мышц для создания движения в специализированных связях между костью. Последний позволяет руке перемещаться в пространстве против силы тяжести и других внешних сил.Чтобы выполнять свою механическую роль, кость должна быть жесткой, чтобы противостоять деформации, но гибкой, чтобы поглощать энергию. В данной статье представлен обзор анатомии и физиологии костной ткани перед обсуждением общих состояний и факторов, влияющих на здоровье костей верхних конечностей.

Анатомия костей верхней конечности

Скелет верхней конечности включает в себя все кости дистальнее лопатки и ключицы и включает в себя набор длинных (например, плечевой, лучевой и локтевой костей), коротких (т.е. запястья), плоские (т. е. лопатки) и сесамовидные (т. е. гороховидные) кости. Анатомию или морфологию этих костей можно рассматривать иерархически, начиная с грубого, макроскопического уровня и постепенно прогрессируя под микроскопом до наноразмерного уровня. Макроскопически кости верхней конечности можно разделить на два различных типа костной ткани — кортикальную и трабекулярную (и). Эти два типа тканей имеют одинаковый матричный состав; однако они существенно различаются по своей структуре и функциям, а также по относительному распределению как между костями, так и внутри них.

Макроскопическая анатомия длинной кости. Относительно цилиндрический стержень или диафиз состоит преимущественно из кортикальной кости, тогда как расширенные эпифизы имеют большую долю губчатой ​​кости, заключенной в относительно более тонкую кортикальную оболочку. Изображения бедра мыши получены с помощью микрокомпьютерной томографии.

Микроскопическая анатомия кости. А) Принципиальная схема микроструктуры кости. Б) Кортикальный костный остеон или гаверсовская система с центральным гаверсовским каналом, концентрическими пластинками и равномерно расположенными лакунами.C) Остеон кортикальной кости в поперечном сечении с помощью световой микроскопии. D) Трабекулы показаны в разрезе с пластинками кости, лакунами и наружным покрытием эндоста. E) Остеоны или «пакеты» губчатой ​​кости при визуализации с помощью обратно рассеянных электронов. F) Изображение под световым микроскопом фиброзных и клеточных слоев надкостницы, покрывающих внешнюю поверхность кортикальной кости. G) Изображение под световым микроскопом эндоста, выстилающего костномозговую полость и губчатую кость (Панели A, B, D воспроизведены с разрешения McGraw-Hill Companies из McKinley M и O’Loughlin VD: Human Anatomy (2 nd ed.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Высшее образование Макгроу-Хилл, 2008. Панель E воспроизведена с разрешения Elsevier Inc. из Roschger P, et al. : Распределение плотности минерализации костей при здоровье и болезнях. Кость 2008; 42: 456–466).

Кортикальная кость

Кортикальная (или компактная) кость составляет примерно 80% массы скелетной ткани. Он имеет высокую матричную массу на единицу объема и низкую пористость (микроскопические поры составляют примерно 10% от общего объема кортикальной кости).Эти особенности наделяют кортикальную кость большой прочностью на сжатие, что позволяет ей вносить значительный вклад в механическую роль кости. Это отражается в его распределении в основном в цилиндрическом стержне (диафизе) длинных костей верхних конечностей, где он образует толстую оболочку (кору), окружающую костномозговой канал (). Трубчатая конструкция отводит костный минерал от осей изгиба, что приводит к значительному увеличению сопротивления изгибу без сопутствующего увеличения костной массы. Конечный результат — длинные кости, обладающие прочностью и жесткостью, необходимой для работы мышц и опорой на вес, и в то же время легкостью, необходимой для энергоэффективного движения.Кортикальная кость утончается по направлению к расширенным концам (эпифизам) и промежуточной развивающейся области (метафизу) длинных костей, где она играет меньшую, но клинически значимую механическую роль. Лучшим примером последнего является дистальный отдел лучевой кости, где толщина кортикального слоя является важным отличительным признаком между пациентами с остеопоротическим переломом и без него. 1

Трабекулярная кость

Трабекулярная кость имеет высокую пористость относительно кортикальной кости, при этом поры составляют 50–90% объема губчатой ​​кости.Поры разбросаны между упорядоченной сетью вертикальных и горизонтальных структурных элементов, называемых трабекулами, которые придают губчатой ​​кости вид губки (). Уменьшенная масса матрицы на единицу объема и высокая пористость губчатой ​​кости снижает ее прочность на сжатие примерно до одной десятой прочности кортикальной кости; 2 однако губчатая кость вносит свой вклад в механическую роль кости, обеспечивая внутреннюю поддержку. Эта поддерживающая роль способствует способности кости равномерно распределять нагрузку и поглощать энергию, особенно в области суставов.Это также важно во время старения, поскольку губчатая кость теряется раньше и быстрее, чем кортикальная кость, что в конечном итоге способствует остеопорозу на участках, богатых трабекулярами, таких как дистальный отдел лучевой кости. 3

Покровы костей

Поверхности костей покрыты специализированными соединительными тканями. Надкостница покрывает внешние поверхности большинства костей и делится на два отдельных слоя — внешний фиброзный и внутренний клеточный слой (). Клеточный или «камбиевый» слой расположен в непосредственном контакте с поверхностью кости и представляет особый интерес, поскольку он содержит мезенхимальные стволовые клетки (МСК), которые могут дифференцироваться в остеобласты и хондроциты, а также в дифференцированные остеогенные клетки-предшественники.Локализация этих типов клеток сделала клеточный слой мишенью для лекарственной терапии и сбора клеток для целей тканевой инженерии.

Эндокортикальная поверхность кости обращена к костномозговому каналу и выстлана эндостом, единственным тонким слоем выстилающих костную ткань клеток (зрелых остеобластов) и остеобластов, которые образуют мембрану на поверхностях эндокортикальной и трабекулярной костей, окружая костный мозг () . Эндост содержит клетки-остеопрогениторы, но, по-видимому, не содержит ни МСК, ни гемопоэтических стволовых клеток (ГСК).Однако часть HSC может быть обнаружена рядом с эндостом, что указывает на реципрокную связь между клетками внутри эндоста и мультипотентными HSC. 4 Тесная связь между клетками образует так называемую «нишу для стволовых клеток», посредством которой клетки эндоста физически поддерживают и влияют на активность стволовых клеток. 5

Микроскопическая структура кости

Микроскопическая визуализация как кортикальной, так и губчатой ​​кости выявляет ткань, имеющую тканую или пластинчатую структуру.Тканая кость имеет неорганизованное расположение фибрилл коллагена и не типична для скелета взрослого человека, за исключением патологических состояний (таких как болезнь Педжета и остеосаркома) или после травмы (например, перелома). Дезорганизация тканой кости возникает из-за скорости, с которой она формируется, что препятствует упорядоченному отложению фибрилл коллагена. Конечный результат — костная ткань, которая обладает повышенной гибкостью за счет жесткости. 6 Это ценно после травмы, так как быстрое и раннее формирование тканой кости способствует раннему восстановлению механической целостности скелета до его замещения пластинчатой ​​костью. 7

Пластинчатая кость характеризуется организованным расположением коллагеновых волокон в слои или ламели. Такое расположение придает пластинчатой ​​кости большую жесткость по сравнению с неорганизованной структурой тканой кости. Пластинки в кортикальном слое кости образуют остеоны или костные структурные единицы (BSU), которые состоят из центрального канала, окруженного концентрическими пластинками костной ткани. Наружные пластинки формируются сначала вдоль границы остеона, известной как цементная линия, при этом каждая последующая пластинка укладывается концентрически внутри предыдущей ().В губчатой ​​кости ламели уложены в тарелки, образованные костными пакетами, которые разделены цементными линиями. Первые ламели формируются по направлению к центру трабекулы, причем каждая последующая пластинка уложена параллельными слоями по направлению к поверхности кости (). В ламеллах равномерно расположены чечевицеобразные полости, называемые лакунами, от которых во всех направлениях расходятся ветвящиеся канальцы. Канальцы проникают в ламели интерстициального вещества и анастомозируют с канальцами соседних лакунов, образуя непрерывную сеть соединяющихся полостей.

Костный матрикс

Костный матрикс — это композит, состоящий из органических и неорганических компонентов. Органический матрикс составляет ~ 20% от сырого веса кости и состоит в основном из коллагена типа I, который придает костям гибкость. 8 Неорганический матрикс составляет примерно 65–70% от сырого веса кости и служит резервуаром для ионов. Ионы образуют кристаллические структуры преимущественно в форме гидроксиапатита кальция [Ca 10 PO 4 OH 2 ], которые окружают и пропитывают волокна коллагена, придавая кости большую часть ее жесткости. 9–10 Без добавления минералов к коллагену костная ткань имела бы свойства, подобные резиновой ленте, а без коллагена кость хрупкая, как мел. Таким образом, варьируя количество и распределение коллагена и минералов, кость получает способность уравновешивать требования к гибкости и жесткости. Изменения в структуре коллагена и / или его минерализации, которые происходят в результате старения или генетических аномалий, таких как несовершенный остеогенез, могут поставить под угрозу структурную целостность костной ткани, что приводит к более слабой структуре и большей, чем обычно, склонности к переломам.

Клеточные элементы

Костные клетки происходят либо из гемопоэтических стволовых клеток (HSC), либо из мезенхимальных стволовых клеток (MSC). HSC и MSC дают начало основным клеткам, которые опосредуют резорбцию кости (остеокласты) и формирование (включая клетки-остеопрогениторы, остеобласты, остеоциты и клетки выстилки кости), соответственно.

Остеокласты — это большие многоядерные клетки, которые исключительно опосредуют процесс резорбции кости. Остеокластогенез начинается, когда HSC стимулируется с образованием мононуклеарных клеток, которые затем становятся коммитированными преостеокластами и вводятся в кровоток.Циркулирующие предшественники выходят из периферического кровообращения в месте резорбции или рядом с ним и сливаются друг с другом с образованием многоядерного незрелого остеокласта. Зрелые остеокласты создают микросреду между собой и подлежащей костью, периферически прикрепляясь к матрице с помощью интегринов. 11 Насадка создает отсек между взъерошенной базальной границей остеокласта и поверхностью кости, которая изолирована от общего внеклеточного пространства. 12 Электрогенный протонный насос транспортирует ионы H + для подкисления компартмента, который действует для мобилизации минерализованного компонента кости.Это обнажает органический матрикс, который впоследствии разрушается с помощью протеаз. Конечным результатом является удаление костного матрикса и развитие характерных неглубоких полостей, известных как лакуны Ховшипа.

Остеобласты представляют собой костеобразующие клетки и развиваются локально после пролиферации МСК, находящихся в строме и надкостнице костного мозга. Зрелые остеобласты экспрессируют матричные белки коллаген I типа и остеокальцин, а также щелочную фосфатазу — ключевой фермент в процессе минерализации.Ряды активных остеобластов секретируют неминерализованный матрикс (остеоид) перед тем, как стать либо клетками выстилки кости, либо включиться в костный матрикс. Клетки, которые включаются в матрикс, постепенно развивают длинные цитоплазматические процессы, чтобы оставаться в контакте с окружающими клетками, и считаются незрелыми остеоцитами. По мере созревания и минерализации матрикса и дальнейшего удаления остеоидного шва остеоцит погружается в костный матрикс.

Остеоциты являются наиболее многочисленными костными клетками и рассредоточены по всему матриксу, занимая лакуны ().Лакуны связаны между собой сложной сетью тонких туннелей, называемых канальцами, через которые остеоциты проходят цитоплазматические или дендритные отростки. 13 Эти процессы соединяют отдельные остеоциты с соседними клетками через щелевые соединения, чтобы облегчить как транспорт питательных веществ для жизнеспособности остеоцитов, так и передачу межклеточных сообщений. Межклеточная коммуникация также облегчается остеоцитарным высвобождением сигнальных молекул во внеклеточную жидкость, которая протекает через лакуно-канальцевую систему. 14–15 Функция остеоцитов остается неясной; однако их основная роль, по-видимому, заключается в восприятии механических раздражителей. 16–17 Кроме того, недавние данные также показали, что остеоциты обладают способностью регулировать минеральный метаболизм и изменять окружающий их матрикс. 17–19

Физиология костей верхней конечности

Кость — это динамическая ткань, способная изменять свою структуру и массу, чтобы адаптироваться к меняющимся требованиям. Адаптация достигается за счет различных основных действий на тканевом уровне, включая рост, моделирование, ремоделирование и заживление.

Рост костей верхней конечности

Кости верхней конечности преимущественно развиваются за счет эндохондральной оссификации, при которой конденсации мезенхимальных клеток дифференцируются в хондроциты с образованием хрящевой матрицы (или «зачатка»). Исключение составляют части ключиц и лопаток, которые образуются в результате внутримембранозной оссификации, которая не связана с хрящевым предшественником. В зачатке гипертрофия хондроцитов и центр окостенения формируется за счет неоваскуляризации изначально бессосудистой хрящевой матрицы.Остеобласты, связанные с недавно развившейся сосудистой сетью, начинают секрецию и минерализацию внеклеточного матрикса, содержащего коллаген I типа. По мере продолжения развития центр окостенения распространяется по направлению к эпифизарным пластинкам роста.

Эпифизарные пластинки роста отвечают за продольный рост кости. Ближе к концу развивающейся кости покоящийся пул хондроцитов поставляет клетки в популяцию пролиферирующих хондроцитов, которые, в свою очередь, дифференцируются, чтобы сформировать пул гипертрофических хондроцитов.В конечном итоге гипертрофические хондроциты погибают в результате апоптоза и заменяются губчатой ​​костью. Пока скорость пролиферации хондроцитов внутри пластинки роста опережает скорость гипертрофии, пластинка роста остается «открытой» и продолжается продольный рост кости. В этот период пластинка роста является участком относительной слабости и подвержена травмам. Это уже не относится к зрелости скелета, когда последние хондроциты в пластине роста гипертрофируются и становятся апоптозными, что приводит к прекращению продольного роста кости и закрытию пластинки роста.

Моделирование кости верхней конечности

Функции моделирования для перемещения костной ткани в пространстве, изменяя размер и форму кости в поперечном сечении, а не длину кости. В основном это происходит во время роста, но продолжается до некоторой степени на протяжении всей жизни, о чем свидетельствует пожизненное расширение периоста. 20 Моделирование осуществляется с помощью «моделирования дрейфов», когда костная ткань выборочно добавляется или удаляется с существующей поверхности. 21 Добавление или удаление кости достигается за счет независимого во времени и пространстве действий остеобластов, образующих кость, и остеокластов, резорбирующих кость, соответственно.Поскольку образование и резорбция во время моделирования не происходят в одном и том же месте, эти два процесса считаются «несвязанными».

На моделирование влияют стимулы, включая механическую нагрузку, введение паратиреоидного гормона (ПТГ) и вывод эстрогена, а также является важной деятельностью на тканевом уровне, так как может изменять прочность костей без явного увеличения общей массы скелета. Это достигается за счет стратегического размещения костной ткани там, где она больше всего необходима. Например, в результате надкостницы получается кость большего диаметра, что полезно, поскольку способность кости противостоять изгибающим и скручивающим силам связана с четвертой степенью ее диаметра.Добавление материала к внешней поверхности кости приводит к непропорциональному увеличению ее способности противостоять механическим силам для увеличения массы.

Ремоделирование кости верхней конечности

Ремоделирование представляет собой реконструкцию кости, при которой дискретные поддающиеся измерению «пакеты» кости удаляются и заменяются новой костью. Это происходит постоянно на протяжении всей жизни в ответ на стимулы, включая механические силы, микроскопические повреждения костей (микроповреждения) и системные гормоны, 22 , и включает в себя координированные во времени и пространстве действия остеокластов и остеобластов.Эти клетки образуют группы, известные как базовые многоклеточные единицы (BMU) (). Поскольку остеобласты всегда следуют за остеокластами в BMU, и вся структура движется как единое целое, говорят, что процессы резорбции и образования связаны друг с другом. Соединение при ремоделировании — это строго контролируемый процесс, который гарантирует, что там, где удаляется кость, откладывается новая кость. 23 Чистое количество старой удаленной кости и восстановленной новой кости в цикле ремоделирования — это величина, называемая костным балансом. 22

Ремоделирование кости с помощью базовой многоклеточной единицы (BMU). Стимул активирует предшественники остеокластов, чтобы дифференцироваться и сформировать передний фронт активно резорбирующихся остеокластов. Резорбтивный отсек, созданный резорбцией остеокластической кости, выстлан мононуклеарными клетками (не показаны) до образования остеоида (неминерализованного костного матрикса) остеобластами (Воспроизведено с разрешения Медицинского общества Массачусетса [© 2007; все права защищены] от Canalis E , et al.: Механизмы анаболической терапии остеопороза. N Engl J Med 2007; 357: 905–916)

Хотя сцепление нарушается редко, баланс костей изменяется в зависимости от болезненных состояний. Например, при остеопорозе, длительном наилучшем отдыхе или геми-, пара- или квадриплегии резорбция и образование взаимосвязаны, но существует отрицательный костный баланс, так что резорбируется больше кости, чем заменяется типичным BMU. Результатом является чистая потеря костного минерала, которую можно оценить клинически, выполнив неинвазивную оценку костной массы.Логично, что многие фармацевтические агенты для лечения состояний, при которых наблюдается чистая потеря костной массы, пытаются создать положительный баланс костной ткани, в результате чего образование костной ткани превышает резорбцию в типичном BMU. Результатом является чистый прирост костного минерала, который может быть достигнут либо путем ингибирования резорбции кости (например, происходит при применении терапии бисфосфонатами), либо путем стимуляции остеобластов для образования большего количества кости (например, при введении ПТГ). . 24

Заживление кости верхней конечности

Кость является частым участком травмы, наиболее распространенной травмой является перелом.Кость заживает в ответ на травму путем регенерации, а не восстановления. Это важное различие, поскольку регенерация восстанавливает естественные ткани и механические свойства в поврежденном месте, позволяя кости удовлетворять постоянные механические требования.

Два основных типа заживления костей — первичный и вторичный. Первичное или прямое заживление происходит, когда концы перелома жестко фиксируются с помощью раннего хирургического вмешательства, так что между костными фрагментами очень мало движения. В этом сценарии потребность в ранней стабилизации костной мозоли внешнего хряща обходится без заживления, происходящего за счет прямого синтеза ламеллярной кости, параллельной длинной оси кости. 25 Напротив, когда между костными фрагментами разрешены макро- и микродвижение, происходит вторичное или непрямое заживление, которое включает в себя различное количество внутримембранозных и эндохондральных костных образований.

Вторичное заживление переломов костей происходит чаще и происходит после трех перекрывающихся фаз: 1) воспаления, 2) репарации и 3) ремоделирования. Воспаление начинается во время травмы и запускает сложный каскад событий, приводящих к соответствующему привлечению клеток, синхронизированной генетической экспрессии и последовательному синтезу множества соединений.Последующая репаративная фаза сочетает хондрогенез и остеогенез с первоначальным образованием моста (или первичной костной мозоли), который охватывает и окружает место перелома. Фаза включает внутримембранозную тканую кость, которая закладывается под надкостницей, немного удаленная от щели перелома, и формирование большой хрящевой массы как снаружи (внешняя мозоль), так и внутри (внутренняя мозоль) коры. Хрящевая мозоль служит для стабилизации места перелома, что способствует последующему формированию кости.Завершение этого процесса приводит к клиническому объединению. После сращения преобладает остеогенез, при этом хрящ, образованный во время образования первичной костной мозоли, заменяется новой костью в процессе эндохондральной оссификации, которая повторяет развитие кости. Результатом является формирование вторичной или окончательной костной мозоли и консолидация перелома клинически. Заключительный этап процесса восстановления включает преобразование тканой кости в пластинчатую кость, резорбцию больше не необходимой внешней костной мозоли и ремоделирование кости с образованием естественной ткани с остеонами. 25

Факторы, влияющие на здоровье костей верхних конечностей

Предыдущие разделы демонстрируют процессы, наделяющие кость способностью изменять свою массу и структуру в ответ на преобладающую среду. Поскольку костная масса и структура определяют прочность кости, клиническим следствием изменения этих свойств является изменение риска перелома. Общие состояния, изменяющие здоровье костей верхних конечностей и риск переломов, включают остеопороз, моторный паралич и комплексный регионарный болевой синдром (CRPS).

Остеопороз

Остеопороз является наиболее значимым заболеванием, влияющим на риск перелома верхней конечности. Это метаболическое заболевание костей, характеризующееся снижением костной массы и структурным разрушением скелета, что приводит к повышенному риску травматических переломов. В то время как основное внимание в отношении остеопороза уделяется переломам бедра и позвоночника, верхняя конечность представляет собой важное место для остеопороза. Переломы плечевой кости и предплечья составили более четверти переломов, связанных с остеопорозом, в 2000 г., 26 с пожизненным риском переломов плечевой кости и предплечья, связанных с остеопорозом, у 45-летних женщин в возрасте 13 лет.3% и 21,5% соответственно. 27 За последние 3 десятилетия число случаев остеопоротических переломов проксимального отдела плечевой кости увеличилось в 3 раза, а в следующие 3 десятилетия ожидается еще 3-кратное увеличение. 28

Остеопоротические переломы верхней конечности являются многофакторными и обычно возникают в результате чрезмерных нагрузок на механически поврежденную кость. Чрезмерные нагрузки обычно возникают в результате падений на вытянутую верхнюю конечность, а недавние исследования показывают, что падения являются самым большим фактором риска остеопоротических переломов. 29 Однако для того, чтобы кость сломалась во время ничем не примечательного падения, должны быть нарушены лежащие в основе механические свойства кости.

Прочность кости определяется сочетанием ее вещественного состава и структуры. Как указывалось ранее, существует отрицательный костный баланс при ремоделировании BMU во время старения, так что происходит чистая потеря костной массы. Однако, поскольку потеря костной массы в пределах отдельных BMU невелика, потеря костной массы во время старения в большей степени определяется скоростью ремоделирования (т.е.е. количество BMU), чем на величину отрицательного баланса в отдельных BMU. 30 Увеличение количества участков ремоделирования во время старения увеличивает риск переломов независимо от костного баланса в пределах BMU за счет: 1) замены плотно минерализованной кости более молодой, менее плотной костью, тем самым снижая жесткость материала; 2) создание областей концентрации напряжения, восприимчивых к образованию микроповреждений из-за времени задержки между резорбцией кости и последующим формированием внутри BMU, и 3) нарушение изомеризации и созревания коллагена, что увеличивает хрупкость костей. 30

Сочетание отрицательного костного баланса в BMU и увеличения их частоты в конечном итоге приводит к механической деградации кости, которая особенно заметна после менопаузы. Дефицит эстрогена, связанный с менопаузой, увеличивает скорость ремоделирования, увеличивает объем резорбированной кости в пределах BMU за счет увеличения продолжительности жизни остеокластов и уменьшает объем кости, образованной в BMU, за счет сокращения продолжительности жизни остеобластов. 31

Структурный распад скелета во время старения присутствует как на трабекулярных, так и на корковых участках.Поскольку ремоделирование происходит на поверхностях кости, а губчатая кость имеет большую поверхность, чем кортикальная кость, губчатая кость имеет больше участков ремоделирования на единицу объема, чем кортикальная кость. Следовательно, трабекулярная кость при старении теряется быстрее, чем кортикальная кость. Потеря трабекулярной кости не только снижает массу, но также снижает трабекулярную соединяемость, что вызывает больший дефицит прочности кости, чем простое истончение трабекулярной кости. 32 Как только трабекулы начинают исчезать, продолжается ремоделирование на эндокортикальных и интракортикальных поверхностях, что приводит к трабекуляризации кортикальной кости.Конечным результатом является уменьшение толщины кортикальной кости и увеличение ее пористости, что, как считается, способствует риску остеопоротического перелома верхней конечности. 33 Сопутствующее наложение кости на поверхности кости во время старения частично компенсирует истончение кортикального слоя, возникающее при старении; однако в конечном итоге происходит чистая потеря прочности кости на сжатие и изгиб и, как следствие, повышение риска перелома.

Моторный паралич

Скелет чувствителен к механическим воздействиям, реагирует и приспосабливается к своей механической среде.Механическая нагрузка, связанная с упражнениями во время роста, в основном представляет собой моделирование анаболической стимуляции на периостальной поверхности. Конечным результатом является структурная оптимизация скелета, при которой костный материал распределяется таким образом, чтобы он мог лучше выдерживать внешние нагрузки без чрезмерного увеличения общей массы скелета. В зрелом скелете нагрузка может ограничивать потерю костной массы за счет уменьшения отрицательного баланса костной ткани в пределах BMU за счет уменьшения количества резорбированной кости или увеличения количества кости, формируемой каждой группой клеток.

Учитывая анаболические и антирезорбтивные свойства механической нагрузки, связанной с упражнениями, можно предположить, что механическая разгрузка вредна для скелета. Мышцы считаются основным источником механических стимулов, которые вызывают адаптацию костей в верхних конечностях. Следовательно, неудивительно, что снижение мышечной нагрузки из-за моторного паралича представляет собой значительное нарушение работы костей.

Об изменениях костей в результате моторного паралича у детей чаще всего сообщалось в связи с церебральным параличом — состоянием, описывающим группу постоянных непрогрессирующих нарушений в развивающемся мозге, которые способствуют нарушениям движения и развития осанки.Детский церебральный паралич препятствует росту и моделированию скелета, что приводит к развитию костей с уменьшенной длиной, массой и размером. 34 Например, Demir et al. 35 сообщил, что у детей в возрасте 4–8 лет со спастической гемиплегией в результате церебрального паралича кости верхних конечностей на 4,5% короче по сравнению с контрольной группой, в то время как Golomb et al. 36 сообщил, что подростки с тяжелым гемиплегическим церебральным параличом имеют на 39% меньшую массу лучевой кости и на 30% меньшую площадь проекции кости в плечевой руке по сравнению с не-плегической рукой.Следствием такого дефицита костной ткани является повышение риска переломов с малой травмой у лиц с церебральным параличом. 37

Изменения костей в результате моторного паралича у взрослых чаще всего связаны с инсультом. Инсульт означает нарушение кровоснабжения любой части мозга и часто приводит к гемиплегии, особенно поражающей верхние конечности. В скелете взрослого человека моторный паралич препятствует ремоделированию и стимулирует новое моделирование для уменьшения костной массы и изменения костной структуры.Например, в первый год после инсульта потеря костной массы в проксимальном отделе плечевой кости гемиплегической верхней конечности составляет в среднем 17%, а у пациентов с тяжелым параличом — 27%. 38 Конечный результат — повышение риска переломов с малой травмой у людей после инсульта.

Комплексный регионарный болевой синдром

КРБС — важное состояние, влияющее на здоровье костей верхних конечностей. Характеризуясь признаками и симптомами регионарной боли, обесцвечивания, отека, изменений температуры и снижения функции, CRPS обычно поражает дистальные области конечностей, такие как рука.Он подразделяется на тип I (рефлекторная симпатическая дистрофия) и тип II (каузалгия), которые возникают после незначительных травм или переломов и повреждения основного периферического нерва, соответственно. Предполагается, что основная патология двух подтипов КРБС схожа, с основным различием в наличии повреждения нервов при КРБС типа II. 39

Локальное снижение костной массы является признанным следствием КРБС и, вероятно, является многофакторным результатом как увеличения резорбции остеокластической кости, так и снижения образования остеобластической кости.Неиспользование способствует наблюдаемым изменениям скелета, при этом степень повреждения нервов при КРБС типа II потенциально особенно важна, учитывая предыдущее обсуждение скелетных эффектов паралича мышц. Помимо неиспользования, изменения костей, связанные с CRPS, вероятно, также являются результатом изменений в симпатической нервной системе и сенсорных нейронах, которые оба вовлечены в патологию CRPS.

Между нервной системой и костной тканью существует тесная взаимосвязь, при этом кость в значительной степени иннервируется как симпатическими, так и сенсорными нейронами. 40 Эти нервы выполняют сенсорные и сосудистые функции, но также могут влиять на активность костных клеток. Например, симпатическая нервная система оказывает прямое влияние на скелет. 41 Функция симпатической нервной системы опосредуется адренергическими рецепторами, а остеобласты обладают функциональными адренергическими рецепторами. Активация симпатической нервной системы, например, при КРБС, и последующая активация адренорецепторов остеобластов приводит к потере костной массы.И наоборот, ингибирование адренорецепторов с помощью бета-адренергических антагонистов увеличивает костную массу. На здоровье костей при CRPS также могут влиять немиелинизированные сенсорные нейроны, которые выделяют многочисленные нейропептиды в непосредственной близости от костных клеток, включая пептиды вазоактивного кишечника, пептиды, активирующие аденилатциклазу гипофиза, нейропептид Y, вещество P и пептид, связанный с геном кальцитонина, чтобы назвать несколько. Избирательное поражение немиелинизированных сенсорных нейронов отрицательно влияет на метаболизм костей. 42

Заключение

Кость — это специализированная соединительная ткань, которая обеспечивает структурный каркас верхней конечности. Без жесткой, но все же гибкой костной ткани, обеспечивающей сопротивление механическим силам и обеспечивающих места прикрепления мышц, рука не могла бы выполнять свои многие важные функции. Следовательно, терапевтам важно осознавать важность здоровья костей верхних конечностей. Понимая структуру скелета и лежащие в основе средства, с помощью которых костная ткань способна реагировать и адаптироваться к преобладающей среде, терапевты могут разработать новые методы лечения, чтобы компенсировать скелетные последствия различных состояний, поражающих верхние конечности.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.