Строение костей таблица: Таблицa по биологии Типы костей

Содержание

Таблица по соединениям костей — Docsity

Непрерывные соединения костей черепа Отдел черепа Вид соединения Способ соединения Крыша черепа Синдесмозы Зубчатые швы: венечный сагиттальный (стреловидный) ламбдовидный Чешуйчатый шов Лицевой отдел черепа Синдесмозы Плоский (гармоничный) шов Соединения зубов с альвеолами челюстей Синдесмозы Вколачивание (зубоаль- веолярное соединение) Основание черепа Синхондрозы (временные), замещающиеся синостозами: клиновидно- затылочный клиновидно-каменистый каменисто-затылочный межзатылочный клиновидно-решетчатый Прерывные соединения (суставы) костей черепа и черепа с позвоночником Соединения Суставные поверхности Вид сустава Оси движения Движения в суставах Височно-нижнече- люстной сустав Нижнечелюстная ямка височной кос- ти, головка нижней челюсти (имеет- ся внутрисуставной диск) Эллипсовидный, двухосный, комбини- рованный Фронтальная, вертикальная Опускание и поднимание нижней челюсти, смеще- ние вперед и назад, бо- ковые движения Атлантозатылочный сустав Мыщелок затылочной кости, верх- няя суставная ямка I шейного поз- вонка (атланта) Эллипсовидный, двухосный, комбини- рованный Фронтальная, сагиттальная Кивательные движения, боковые наклоны головы Срединный атланто- осевой сустав Ямка дуги атланта, передняя сустав- ная поверхность зуба осевого поз- вонка Цилиндрический, одноосный Вертикальная (продольная) Вращательные движения головы Боковые атлантоосе- вые суставы Нижняя суставная ямка атланта, верхняя суставная поверхность осе- вого позвонка Плоский, комбини- рованный Многоосный, малоподвижный Вращательные движения головы Суставы позвоночного столба и грудины Суставы Суставные поверхности Вид сустава Оси движения Движения в суставах Сустав головки ребра Суставная поверхность ребра; верхняя и нижняя реберные ямки двух соседних грудных позвонков, кроме I, XI и XII ребер, головки которых сочленяются с реберными ямками I, XI, XII позвонков Шаровидный, комбинированный Многоосный Поднимание и опускание ребра (ось движения проходит вдоль шейки ребра) Реберно-поперечный сустав Суставная поверхность бугорка ребра; реберная ямка поперечного отростка. Ребра XI и XII этого сустава не имеют Плоский, комбинированный Многоосный Поднимание и опускание ребра (ось движения проходит вдоль шейки ребра) Грудино-реберный сустав Передние концы хрящей II—VII ребер, реберные вырезки грудины (I ребро соединяется с рукояткой грудины синхондрозом) Плоский Многоосный, малоподвижный Поднимание и опускание ребра Межхрящевые суставы Хрящи VIII, IX, X ребер соединяются между собой, а хрящ VIII ребра — с хрящом лежащего выше VII ребра — — Ограничены Таблица IV. Суставы верхней конечности Название сустава Суставные поверхности Вид сустава Оси движения Движения в суставах Грудинная суставная Плоский, комплексный Многоосный Поднимание и опускание Грудино-ключичный сустав поверхность ключицы, ключичная вырезка- грудины (имеется внутрисуставной диск) ключицы, движение ключицы вперед и назад, круговое движение ключицы Акромиально- ключичный сустав Суставная поверхность акромио-на, акромиальная суставная поверхность ключицы Плоский Многоосный Поднимание и опускание ключицы, движение ключицы вперед и назад, вращение ключицы Плечевой сустав Головка плечевой кости, суставная впадина лопатки (имеет суставную губу) Шаровидный Многоосный Плечелоктевой сустав Блок плечевой кости, блоковидная вырезка локтевой кости Сложный Блоковидный (винтообразный) Одноосный (фронталь- ная) Сгибание и разгибание руки, отведение до горизонтального уровня, приведение, вращение кнаружи и внутрь, круговое движение Плечелучевой сустав Головка мыщелка плечевой кости, суставная ямка головки лучевой кости Шаровидный Многоосный Сгибание и разгибание предплечья Проксимальный луче- локтевой сустав Суставная окружность лучевой кости, лучевая вырезка локтевой кости Цилиндрический Одноосный (продольная) Вращение лучевой кости (предплечья) вокруг продольной оси, сгибание, разгибание предплечья Вращение лучевой кости (предплечье и кисть) — пронация, супинация Название сустава Суставные поверхности Вид сустава Оси движения Движения в суставах Дистальный лучелокте- вой сустав Суставная окружность локтевой кости, локтевая вырезка лучевой кости Цилиндри- ческий Одноосный (продольная) То же Лучезапястный сустав Запястная суставная поверхность лучевой кости, проксимальные по- верхности первого ряда костей запястья: ладьевидной, полулун- ной, трехгранной Эллипсовид- ный, сложный, комплексный Двухосный (сагитталь- ная, фрон- тальная) Приведение и отведение, сгибание и разгибание кисти Среднезапястный сустав Суставные поверхности первого и второго рядов костей запястья (кроме гороховидной) Блоковидный, сложный Одноосный (фронталь- ная) Сгибание и разгибание кисти Запястно-пястные суставы Суставные поверхности второго ряда костей запястья и оснований II — V пястных костей Плоские Многоосные Малоподвижные Запястно-пястный сустав большого пальца кисти Суставные поверхности кости- трапеции и основания I пястной кости Седловидный Двухосный (фронталь- ная, сагит- тальная) Сгибание и разгибание большого пальца, отведение и приведение большого пальца (противопостав- ление V пальцу) Межзапястные суставы Обращенные друг к другу сустав- ные поверхности костей запястья Плоские Многоосные Малоподвижные Пястно-фаланговые суставы Суставные поверхности головок пястных костей и оснований прок- симальных фаланг Эллипсовид- ные Двухосные (фронталь- ная, сагит- тальная) Сгибание и разгибание, отведение и приведение пальцев

Кости: строение, состав, типы костей, типы соединений и их характеристика | Биология.

Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

1. Охарактеризуйте строение и состав костей.

В состав костей входят минеральные и органические вещества. Минеральные вещества (в костях содержится весь фосфор и кальций организма, 0,5% магния и натрия) придают кости твердость, составляют 70% от массы кос­тей. Кости способны отдавать минеральные вещества в кровь. Органические вещества придают кости эластич­ность и упругость, составляют 30% от массы костей. Кость состоит из всех видов тканей, но костная преобладает. Костная ткань — соединительная ткань, состоит из клеток (остеоциты, остеобласты, остеокласты) и межклеточного вещества (коллагеновые и осеиновые волокна). Кость по­крыта надкостницей (соединительно-тканной оболоч­кой). Наружный слой состоит из коллагеновых волокон (придают прочность), здесь проходят нервы и кровенос­ные сосуды. Внутренний слой — костная ткань. В нем на­ходятся клетки костной ткани, за счет которых происхо­дит развитие, рост в толщину и регенерация костей после повреждения.

Функции надкостницы:

а) защитная;

б) трофическая;

в) костеобразующая.

Рост костей в толщину происходит за счет деления кле­ток внутренней поверхности надкостницы, в длину — за счет деления клеток хрящевых пластинок, расположенных вблизи концов костей.

На рост костей влияют гормоны роста, например гор­моны, выделяемые гипофизом. Рост костей происходит до 22-25 лет. Замена старого костного вещества новым про­должается в течение всей жизни человека.

Чем больше нагрузка на скелет, тем активнее происхо­дят процессы обновления костей и тем прочнее становится костное вещество.

2. Какие типы костей различают?

В зависимости от формы, строения, функции и разви­тия выделяют 4 группы костей:

а) Трубчатые кости располагаются в отделах скелета, где совершаются движения с большой амплитудой (конечности). Делятся на длинные (плечо, предплечье, бедро, голень) и ко­роткие (дистальная часть фаланги пальцев).

Трубчатая кость состоит из диафиза (тело кости) и эпифиза. Внутри диафиза — полость, заполненная желтым костным мозгом. В эпифизе — красный костный мозг — орган кроветворения.

Трубчатые кости — основа скелета конечностей. Они очень прочны и способны выдерживать большую физиче­скую нагрузку. Полость внутри костей, не снижая прочно­сти, значительно уменьшает их массу.

б) Губчатые кости состоят из губчатого вещества, по­крыты тонким слоем компактного. Длинные (ребра, грудина) и короткие (позвонки).

в) Плоские кости представляют собой 2 пластинки компактного костного вещества, между которыми — губчатое вещество (грудина, крыша черепа). Основная функция защитная.

г) Смешанные кости состоят из нескольких частей, имеющих разную функцию и развитие (кости основания черепа).

3. Какие типы соединения костей различают в скелете че­ловека? Дайте характеристику каждому из них. Приведите примеры.

В скелете человека различают три типа соединения костей:

а) Неподвижные соединения образуются путем сраста­ния костей (позвонки копчика). Кости черепа соединяются благодаря многочисленым выступам одной кости, входя­щим в углубления соответствующей формы и размера дру­гой. Такое соединение носит название костного шва. Он обеспечивает большую прочность соединения костей чере­па, защищающих мозг.

б) Полуподвижные соединения. Многие кости соединены между собой хрящевыми прокладками, обладающими упру­гостью и эластичностью. Например, хрящевые прокладки между позвонками обеспечивают гибкость позвоночника. Материал с сайта //iEssay.ru

в) Подвижные соединения — суставы. Наиболее типич­ный план строения сустава таков: на одной из сочленяющих­ся костей находится суставная впадина, куда входит головка другой кости. Суставная впадина и головка соответствуют друг другу по форме и размеру, а их поверхность покрыта сло­ем гладкого хряща. Суставные поверхности костей тесно со­прикасаются друг с другом. Это обеспечивается наличием внутрисуставных связок — прочных тяжей из соединитель­ной ткани. Сочленяющиеся поверхности костей окружены суставной сумкой. В ней находится небольшое количество слизистой жидкости, выполняющей роль смазки, которая уменьшает трение и обеспечивает скольжение головки одной кости в суставной впадине другой кости при движениях в сус­таве. Примеры: плечевой, тазобедренный суставы.

На этой странице материал по темам:
  • типы костей
  • № п/п соединения между… типы виды примеры
  • розвиток кісткового скелету. типи з’єднання кісток.
  • виды костей (примеры)
  • характеристика видов костей

Живая арматура Урок на тему “Состав, строение, типы соединения костей”. 8-й класс

Задачи: изучить строение, состав, типы соединения костей, выявить взаимосвязь строения костей с выполняемой функцией, развивать навыки работы с текстом, умение логически мыслить, высказывать свое мнение, работать в группе.
Оборудование: таблица “Строение костей и типы их соединений”, прокаленная и деминерализованная кости, магнитная доска.

Ход урока
Актуализация знаний.
– На прошлом уроке мы начали изучать опорно-двигательную систему. Какие ключевые слова, по-вашему, отражают содержание этого понятия?
Учитель записывает на доске: скелет, мышцы, опора, защита, движение.

– Используя эти слова, попробуйте дать определение опорно-двигательной системы. (Ответы). Сегодня мы продолжаем разговор о скелете и более подробно изучим кость. При массе человека 70 кг масса скелета составляет всего 8-9 кг, то есть скелет легок, но несет на себе огромную нагрузку. Давайте попробуем выяснить, чем объясняется большая прочность костей при такой легкости. Как вы думаете, какие вопросы нужно рассмотреть, чтобы найти ответ? (Ответы: состав, строение и т.д.) Итак, запишите тему урока.

Изучение нового материала
Состав кости.
– Как вы думаете, из каких веществ состоят кости? (Органических и неорганических).
Для выяснения роли этих веществ в составе кости демонстрируется мягкая деминерализованная кость, вымоченная в растворе соляной кислоты, и хрупкая, прокаленная.
– Какие же свойства придают кости органические и неорганические вещества?

Выслушивая мнения, учитель делает запись на доске:
Органические пластичность, гибкость.
Неорганические твердость, прочность.
После дополнения учителя о том, что органических веществ в кости должно быть примерно 1/3 по массе, а неорганических – 2/3, а также о возрастных изменениях в составе костей, ученикам предлагается придумать мини-рассказ о составе костей. Затем выслушивается вариант ответа ученика.

Строение костей
Учитель предлагает посмотреть на схематичный рисунок кости на доске и перенести его в тетрадь, а затем попробовать распределить названия частей кости (укрепляются на магнитах рядом с рисунком в произвольном порядке), опираясь на свои знания:

Затем выслушиваются мнения, согласно которым учитель укрепляет названия частей кости на рисунке. Далее ученикам предлагается найти подтверждение их мнений в учебнике (текст на стр.94 с пятого абзаца до статьи “Соединение костей”, рисунок на стр. 94) и внести коррективы в свои записи.

– А теперь, опираясь на прочитанное, попробуйте для каждой части кости найти соответствующую функцию (записаны на доске рядом с рисунком):

питание, рост кости
придает легкость
опора, место прикрепления мышц
соединение с другими костями
запас питательных веществ
кроветворная функция
придает прочность
(Выслушиваются мнения, и учитель соединяет соответствующую функцию и название части кости стрелочками, ученики делают записи в тетради).

– Обратите внимание на интересную закономерность в расположении пластинок губчатого вещества. Что это вам напоминает? (Демонстрируется рисунок Эйфелевой башни, следует вывод об использовании человеком этой закономерности для построения высоких, прочных и легких конструкций).
– А теперь, получив сведения о составе и строении кости, попробуйте ответить уже подробнее на вопрос, прозвучавший в начале урока: “Почему при такой легкости наблюдается большая прочность кости?” (Ответы).

Форма костей.
– В скелете около 220 костей. Вы видите на рисунках в учебнике, что они не одинаковы. По форме и строению их можно разделить на три типа, что соответствует данной схеме на доске. Попробуйте заполнить ее самостоятельно, слушая мой рассказ.

Учитель рассказывает о трубчатых, плоских и смешанных костях, затем заслушиваются варианты заполнения схемы.
– А теперь я вам предлагаю рассмотреть рисунки костей на стр.93 и распределить их названия соответственно схеме. Есть два варианта выполнения этого задания:
1) опираясь только на рисунки (для учеников, лучше воспринимающих зрительную информацию),
2) используя текст статьи “Форма костей” (для тех, чьи знания еще недостаточны, и тех, кто лучше работает с текстовой информацией).
После трехминутной работы заслушиваются мнения, и скорректированный вариант вносится в схему.

Типы соединения костей.
1. Ученикам предлагается заполнить таблицу “Типы соединения костей”, используя текст и рисунки на стр. 95, затем обсудить “в парах”.
Типы соединения костей

2. Проверка правильности заполнения таблицы (выслушиваются мнения от групп, вносятся коррективы).
3. В качестве закрепления ученики в ходе групповой работы ищут ответы на дополнительные вопросы, затем выслушиваются версии разных групп:
1) Некоторые считают, что кость – мертвый орган. Правильно ли это утверждение?
2) Каким образом кости могут участвовать в поддержании постоянства состава внутренней среды?
3) Почему маленьких детей нельзя заставлять слишком рано ходить?
4) Почему у пожилых людей переломы возникают легче, чем у молодых?

Домашнее задание.
На выбор: 1. Выполнить задание “Проверьте свои знания” на стр. 96.
2. Повторно изучить текст (стр.93-95), задание “Выбери правильный ответ”.

3. Решить задачу: “Между костями мозгового отдела черепа соединение неподвижное. Какое это имеет биологическое значение? Назовите кости черепа, между которыми соединение подвижное (сустав). Какое биологическое значение имеет наличие этого сустава?”
Ольга ПАВЛОВА,
учитель биологии школы N 18
Псков

6.

3 Структура костей – анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определение анатомических особенностей кости
  • Дайте определение и перечислите примеры маркировки костей
  • Опишите гистологию костной ткани
  • Сравните и сопоставьте компактную и губчатую кость
  • Определите структуры, составляющие компактную и губчатую кость
  • Опишите, как происходит питание и иннервация костей

Костная ткань (костная ткань) сильно отличается от других тканей организма.Кость твердая, и многие ее функции зависят от этой характерной твердости. Последующие 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 переходят к ее гистологии.

Общая анатомия кости

Структура длинной кости позволяет лучше всего визуализировать все части кости ([ссылка]). Длинная кость состоит из двух частей: диафиза и эпифиза.Диафиз представляет собой трубчатый стержень, который проходит между проксимальным и дистальным концами кости. Полая область в диафизе называется мозговой полостью, которая заполнена желтым костным мозгом. Стенки диафиза состоят из плотной и твердой компактной кости.

Фигура 6.7 Анатомия длинной кости Типичная длинная кость демонстрирует общие анатомические характеристики кости.

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

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

Фигура 6,8 Надкостница и эндост Надкостница образует наружную 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 ([ссылка]). Два слоя компактной кости и внутренняя губчатая кость работают вместе, чтобы защитить внутренние органы. Если внешний слой черепной кости сломается, мозг все еще защищен неповрежденным внутренним слоем.

Фигура 6,9 Анатомия плоской кости На этом поперечном сечении плоской кости показана губчатая кость (diploë), окруженная с обеих сторон слоем компактной кости.

Маркировка костей

Поверхностные характеристики костей значительно различаются в зависимости от функции и расположения в организме. [ссылка] описывает отметины на костях, которые показаны на ([ссылка]). Есть три основных класса отметин на костях: (1) сочленения, (2) выступы и (3) отверстия. Как следует из названия, сочленение — это место соединения двух поверхностей костей (articulus = «сустав»).Эти поверхности имеют тенденцию соответствовать друг другу, например, одна закругленная, а другая чашеобразная, чтобы облегчить функцию артикуляции. Выступ — это участок кости, выступающий над поверхностью кости. Это точки крепления сухожилий и связок. Как правило, их размер и форма указывают на силы, возникающие при прикреплении к кости. Отверстие — это отверстие или бороздка в кости, через которое в кость проходят кровеносные сосуды и нервы. Как и в случае с другими отметинами, их размер и форма отражают размер сосудов и нервов, пронизывающих кость в этих точках.

Маркировка костей

Маркировка Описание Пример
Сочленения Где встречаются две кости Коленный шарнир
Головка Выступающая закругленная поверхность Головка бедренной кости
Фасетка Плоская поверхность Позвонки
Мыщелок Закругленная поверхность Затылочные мыщелки
Выступы Рельефная маркировка Остистые отростки позвонков
Выступ Выступающий Подбородок
Процесс Выдающаяся функция Поперечный отросток позвонка
Позвоночник Острый процесс Седалищная кость
Бугорок Небольшой закругленный отросток Бугорок плечевой кости
Бугристость Шероховатая поверхность Дельтовидная бугристость
Линия Небольшой удлиненный гребень Височные линии теменных костей
Герб Ридж Подвздошный гребень
Отверстия Отверстия и углубления Отверстия (отверстия, через которые проходят кровеносные сосуды)
Фосса Удлиненная чаша Нижнечелюстная ямка
Фовеа Яма маленькая Fovea capitis на головке бедренной кости
Борозда Канавка Сигмовидная борозда височных костей
Канал Проход в кости Слуховой проход
Трещина Прорези кости Трещина ушной раковины
Отверстие Отверстие в кости Большое затылочное отверстие в затылочной кости
Меатус Отверстие в канал Наружный слуховой проход
Синус Заполненное воздухом пространство в кости Носовые пазухи

Стол 6. 2

Фигура 6.10 Особенности костей Особенности поверхности костей зависят от их функции, расположения, прикрепления связок и сухожилий или проникновения кровеносных сосудов и нервов.

Костные клетки и ткани

Кость содержит относительно небольшое количество клеток, встроенных в матрицу коллагеновых волокон, которые обеспечивают поверхность для прикрепления кристаллов неорганической соли. Эти кристаллы соли образуются, когда фосфат кальция и карбонат кальция объединяются для создания гидроксиапатита, который включает другие неорганические соли, такие как гидроксид магния, фторид и сульфат, по мере того, как он кристаллизуется или кальцифицируется на коллагеновых волокнах.Кристаллы гидроксиапатита придают костям твердость и прочность, а волокна коллагена придают им гибкость, чтобы они не были ломкими.

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

Фигура 6.11 Костные клетки В костной ткани обнаружены четыре типа клеток. Остеогенные клетки недифференцированы и развиваются в остеобласты.Когда остеобласты попадают в кальцифицированный матрикс, их структура и функция меняются, и они становятся остеоцитами. Остеокласты развиваются из моноцитов и макрофагов и по внешнему виду отличаются от других костных клеток.

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

Если остеобласты и остеоциты неспособны к митозу, то как они восполняются, когда старые умирают? Ответ кроется в свойствах третьей категории костных клеток — остеогенных клеток.Эти остеогенные клетки недифференцированы, обладают высокой митотической активностью и являются единственными делящимися костными клетками. Незрелые остеогенные клетки обнаруживаются в глубоких слоях надкостницы и костном мозге. Они дифференцируются и развиваются в остеобласты.

Динамическая природа кости означает, что постоянно формируется новая ткань, а старая, поврежденная или ненужная кость растворяется для восстановления или высвобождения кальция. Клеткой, ответственной за резорбцию или разрушение кости, является остеокласт.Они обнаруживаются на поверхности костей, являются многоядерными и происходят из моноцитов и макрофагов, двух типов лейкоцитов, а не из остеогенных клеток. Остеокласты постоянно разрушают старую кость, а остеобласты постоянно формируют новую кость. Текущий баланс между остеобластами и остеокластами отвечает за постоянное, но тонкое изменение формы кости. [ссылка] рассматривает костные клетки, их функции и расположение.

Костные клетки

Тип ячейки Функция Местоположение
Остеогенные клетки Развиваются в остеобласты Глубокие слои надкостницы и костный мозг
Остеобласты Костнообразование Растущие части кости, включая надкостницу и эндост
Остеоциты Поддержание минеральной концентрации матрицы Застрял в матрице
Остеокласты Резорбция кости Костные поверхности и участки старой, поврежденной или ненужной кости

Стол 6. 3

Компактная и губчатая кость

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

Компактная кость

Компактная кость является более плотной и прочной из двух типов костной ткани ([ссылка]).Его можно найти под надкостницей и в диафизах длинных костей, где он обеспечивает поддержку и защиту.

Фигура 6.12 Схема компактной кости (а) На этом поперечном сечении компактной кости показана основная структурная единица — остеон. (б) На этой микрофотографии остеона хорошо видны концентрические пластинки и центральные каналы. LM × 40. (Микрофотография предоставлена ​​Регентами Медицинской школы Мичиганского университета © 2012 г.)

Микроскопическая структурная единица компактной кости называется остеоном, или гаверсовой системой.Каждый остеон состоит из концентрических колец кальцинированного матрикса, называемых пластинками (единственное число = пластинка). По центру каждого остеона проходит центральный канал, или гаверсов канал, который содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды. Эти сосуды и нервы отходят под прямым углом через перфорирующий канал, также известный как каналы Фолькмана, и распространяются на надкостницу и эндост.

Остеоциты расположены внутри пространств, называемых лакунами (единственное число = лакуна), которые находятся на границах соседних пластинок.Как описано ранее, канальцы соединяются с канальцами других лакун и, в конечном счете, 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 шипов матрикса, называемых трабекулами (единственное число = трабекулы) ([ссылка]).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 легче, чтобы мышцы могли легче их двигать. Кроме того, пространства в некоторых губчатых костях содержат красный костный мозг, защищенный трабекулами, где происходит кроветворение.

Фигура 6.13 Схема 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 гиперактивности остеокластов. Это означает, что резорбируется больше кости, чем откладывается. Остеобласты пытаются компенсировать это, но новая кость, которую они откладывают, слаба и ломка и поэтому склонна к переломам.

В то время как у некоторых людей с болезнью Педжета симптомы отсутствуют, другие испытывают боль, переломы и деформацию костей ([ссылка]).Чаще всего поражаются кости таза, черепа, позвоночника и ног. Поражая череп, болезнь Педжета может вызывать головные боли и потерю слуха.

Фигура 6.14 Болезнь Педжета Нормальные кости ног относительно прямые, но при болезни Педжета они пористые и изогнутые.

Что вызывает гиперактивность остеокластов? Ответ до сих пор неизвестен, но, похоже, свою роль играют наследственные факторы. Некоторые ученые считают, что болезнь Педжета связана с пока еще не идентифицированным вирусом.

Болезнь Педжета диагностируется с помощью визуализирующих исследований и лабораторных анализов. Рентгеновские снимки могут показать деформацию кости или участки резорбции кости. Сканирование костей также полезно. В этих исследованиях в организм вводят краситель, содержащий радиоактивный ион. Области резорбции кости имеют сродство к иону, поэтому они будут светиться на скане, если ионы поглощаются. 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 были связаны с повышенным риском переломов, потому что 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 взвешивать преимущества и риски в каждом конкретном случае. Лечение бисфосфонатами может снизить общий риск деформаций или переломов, что, в свою очередь, снижает риск хирургического восстановления и связанные с ним риски и осложнения.

Кровь и нервы

Губчатая кость и костномозговая полость получают питание от артерий, проходящих через компактную кость. Артерии входят через питательные отверстия (множественное число = foramina), небольшие отверстия в диафизе ([ссылка]). Остеоциты в губчатой ​​кости питаются кровеносными сосудами надкостницы, проникающими в губчатую кость, и кровью, циркулирующей в полостях костного мозга. Когда кровь проходит через полости костного мозга, она собирается венами, которые затем выходят из кости через отверстия.

В дополнение к кровеносным сосудам нервы следуют теми же путями в кость, где они имеют тенденцию концентрироваться в более метаболически активных областях кости. Нервы чувствуют боль, и, по-видимому, нервы также играют роль в регулировании кровоснабжения и в росте костей, следовательно, их концентрация в метаболически активных участках кости.

Фигура 6.15 Схема кровоснабжения и кровоснабжения костей Кровеносные сосуды и нервы входят в кость через питательное отверстие.

Интерактивная ссылка

Посмотрите это видео, чтобы увидеть микроскопические особенности кости.

Структура и прочность длинных костей зависят от BMP2 из остеобластов и остеоцитов, но не эндотелиальных клеток сосудов

Abstract

Значение костного морфогенетического белка 2 (BMP2) в скелете хорошо известно. BMP2 экспрессируется в различных тканях во время развития, роста и заживления. В этом исследовании мы стремились лучше определить роль тканеспецифического BMP2 во время постнатального роста и определить, влияет ли нокаут BMP2 на способность терминально дифференцированных клеток создавать высококачественный костный материал.Мы нацелились на нокаут BMP2 для двух дифференцированных типов клеток, которые, как известно, экспрессируют BMP2 во время роста и заживления, остеобластов на ранней стадии и их потомства (Cre, стимулируемых osterix) и клеток эндотелия сосудов (Cre, стимулируемых сосудистым эндотелием-кадгерином). Нашей целью было оценить постнатальный рост, структуру и прочность костей. Мы предположили, что удаление BMP2 из остеогенных и сосудистых клеток (отдельно) приведет к уменьшению скелета с худшими свойствами костного материала. В возрасте 12 и 24 недель остеобластный нокаут BMP2 снижал массу тела на 20%, но сосудистый нокаут не имел эффекта.Анализ кости большеберцовой кости выявил уменьшение размера и объема кортикальной и губчатой ​​кости при нокауте остеобластов, но не при нокауте сосудистого эндотелия. Кроме того, тестирование силы передних конечностей выявило 30%-ное снижение предельной силы как через 12, так и через 24 недели при нокауте BMP2 остеобластами, но никаких изменений при нокауте сосудистого эндотелия. Более того, испытания на механическую прочность бедренных костей мышей с нокаутом остеобластов продемонстрировали увеличение модуля Юнга (более 35%), но снижение смещения после выхода (более 50%) в возрасте 12 и 24 недель.Таким образом, нокаут BMP2 остеобластами уменьшает размер кости и изменяет механические свойства на уровне всей кости и материала. BMP2, происходящий из остеобластов, играет важную роль в постнатальном росте, структуре и силе скелета, в то время как BMP2, происходящий из эндотелия сосудов, не играет такой роли.

Образец цитирования: McBride SH, McKenzie JA, Bedrick BS, Kuhlmann P, Pasteris JD, Rosen V, et al. (2014) Структура и прочность длинных костей зависят от BMP2 из остеобластов и остеоцитов, но не эндотелиальных клеток сосудов.ПЛОС ОДИН 9(5): е96862. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0096862

Редактор: Гвендолен Рейли, Шеффилдский университет, Соединенное Королевство

Поступила в редакцию: 6 декабря 2013 г.; Принято: 13 апреля 2014 г.; Опубликовано: 16 мая 2014 г.

Авторские права: © 2014 McBride et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Эта работа финансировалась из следующих источников: Программа обучения метаболическим нарушениям скелета T32 Вашингтонского университета (NIH 1T32AR060719-01) (SM), Национальные институты здравоохранения/Национальный институт артрита, скелетно-мышечных и кожных заболеваний (NIH/ NIAMS) AR050211 (SM, JM, MJS), Центр исследований опорно-двигательного аппарата Вашингтонского университета (NIH P30 AR057235) и Программа ученых Amgen (PK). Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Костный морфогенетический белок 2 (BMP2) играет важную роль в скелете. Обширные исследования были сосредоточены на способности BMP2 обеспечивать дифференцировку клеток-предшественников в остеобласты и усиливать функцию остеобластов [1]–[5]. BMP2 высоко экспрессируется в остеобластах [6]–[8], но мало известно о том, как дефицит BMP2 влияет на дифференцированные остеогенные клетки [9]–[11]. Кроме того, исследования показали, что BMP2 экспрессируется в различных некостных тканях во время развития, роста и заживления [3], [6], [12], [13]. Неизвестно, влияет ли отсутствие BMP2 в этих других типах тканей на постнатальный рост костей.

BMP2 нулевые мыши являются эмбриональными летальными из-за дефектов развития сердца и мезодермы [14]. Таким образом, условно нокаутных мышей необходимо использовать для изучения влияния дефицита BMP2 на развитие и рост костей [9], [10]. Tsuji и его коллеги нокаутировали BMP2 во всех остео- и хондро-прогениторных клетках и их линиях (например,грамм. хондроциты, остеобласты и остеоциты) с использованием специфического для конечностей промотора Prx1-Cre [10]. Удивительно, но эти мыши с нокаутом были похожи на мышей дикого типа при рождении. Однако уже через неделю после рождения у них начинают проявляться дефекты образования хрящей и костей, и по мере взросления фенотип ухудшается. У мышей с нокаутом были более тонкие и менее плотные кости, которые спонтанно ломались. Однако неясно, является ли один тип клеток (предшественники, хондроциты, остеобласты, остеоциты) основным источником BMP2, вызывающим фенотип, или фенотип является результатом нокаута всех хондро- и остеоклеток.Кроме того, неизвестно, были ли спонтанные переломы вызваны исключительно меньшим размером нокаутных костей или имел место дефект костного материала нокаутных мышей [9], [10]. В поддержку последнего в недавнем отчете указано, что делеция BMP2 в клетках линии остеобластов приводит к фенотипу хрупких костей [15].

Развитие, рост, ремоделирование и заживление костей зависят от сосудистых клеток и ангиогенеза. Например, минерализация хрящевой матрицы следует за сосудистой инвазией [16].Кроме того, надкостница, двухслойная мембрана, окружающая кости, которая отвечает за периферический рост на протяжении всей жизни, хорошо васкуляризирована [17]. Ингибирование ангиогенеза или вазодилатации во время заживления кости снижает образование новой кости [18]–[21]. Интересно, что существует также сильная связь между BMP2 и сосудистыми клетками. Как упоминалось ранее, глобальная потеря BMP2 приводит к тяжелым порокам развития сердца [14]. Мыши, у которых отсутствует экспрессия BMP2 в остеобластах и ​​остеоцитах, имеют редуцированную сосудистую сеть [15]; а недавняя работа нашей и других лабораторий показала, что BMP2 экспрессируется в сосудистых клетках во время внутримембранозного заживления костей (заживление стрессовых переломов и дистракционный остеогенез) [12], [13].Более того, существует множество исследований, связывающих артериальную кальцификацию с повышенной локальной экспрессией BMP2 [22], [23]. Насколько нам известно, нет исследований, в которых изучалась бы роль BMP2 сосудистого происхождения в скелете.

В этом исследовании мы стремились лучше определить роль тканеспецифического BMP2 во время постнатального роста скелета и определить, влияет ли нокаут BMP2 на способность терминально дифференцированных клеток создавать костный материал нормального качества. Мы нацелились на нокаут BMP2 в двух дифференцированных типах клеток, которые, как известно, экспрессируют BMP2 во время роста и заживления, остеобластах на ранней стадии (и их потомстве) и эндотелиальных клетках сосудов. Затем мы оценили рост костей, их структуру и прочность. Мы предположили, что удаление BMP2 из остеогенных и сосудистых клеток (отдельно) приводит к уменьшению скелета с худшими свойствами костного материала.

Методы

Заявление об этике

Это исследование было проведено в строгом соответствии с рекомендациями Руководства по уходу и использованию лабораторных животных Национального института здравоохранения. Протокол был одобрен IACUC Вашингтонского университета Св.Луи (номер протокола: 20110209). Были предприняты все усилия, чтобы минимизировать страдания. Мышей содержали в стандартных помещениях с 12-часовыми циклами свет/темнота и кормом и водой вволю. Все эксперименты по двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии, микроКТ и нагрузке передних конечностей проводились на живых животных под наркозом (кетамин и ксилазин — двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия или 1–3% изофлуоран — микроКТ и нагрузка передних конечностей). Эвтаназия проводилась путем удушения CO 2 . Трехточечное изгибание и спектроскопию комбинационного рассеяния были выполнены после смерти на собранных костях.

Трансгенных мышей с геном Bmp2 floxed (полученных по соглашению о передаче материалов с Гарвардским университетом) скрещивали либо с промотированным osterix Cre (Osx-Cre, B6.Cg-Tg(Sp7-tTA,tetO-EGFP/Cre)1Amc /J) [24] или Cre, стимулируемый сосудисто-эндотелиальным кадгерином (VEC-Cre, B6.Cg-Tg(Cdh5-Cre)7Mlia/J) [25]. У мышей Osx-Cre была целенаправленная делеция BMP2 в остеобластах на ранней стадии, которая продолжается по мере того, как клетки развиваются в зрелые остеобласты и остеоциты. У мышей VEC-Cre была целенаправленная делеция BMP2 в эндотелиальных клетках сосудов.

Были исследованы

самца и самки мышей с Bmp2 flox на одном (fl/+, гетерозиготном) или двух (fl/fl, гомозиготном) аллелях. На протяжении всей статьи мыши с генотипом Bmp2 fl/fl ; Osx -Cre+ обозначаются как Osx-Cre cKO, тогда как однопометные мыши с генотипом Bmp2 fl/fl без Cre обозначаются как Osx-Cre дикого типа (WT). Кроме того, мыши с генотипом Bmp2 fl/fl ; VEC -Cre+ обозначаются как VEC-Cre cKO, тогда как однопометные мыши с генотипом Bmp2 fl/fl без Cre обозначаются как VEC-Cre WT.

Проверка нокаута

Тканеспецифический нокаут BMP2 был подтвержден двумя способами. Во-первых, была проверена предполагаемая клеточно-специфическая экспрессия Cre. Для Osx-Cre метка зеленого флуоресцентного белка (GFP) уже была прикреплена к белку Cre; клетки, в настоящее время производящие Cre, отображаются зеленым цветом. VEC-Cre скрещивали с трансгенной мышью mTmG ( Gt(ROSA)26Sor tm4(ACTB-tdTomato,-EGFP)Luo /J) [26]. У мыши mTmG все нормальные клетки, не экспрессирующие Cre, продуцируют красный флуоресцентный белок (RFP) в клеточной мембране, тогда как клетки, экспрессирующие Cre, переключаются на продукцию GFP вместо RFP.Для обеих линий мышей собирали передние конечности (локтевая и лучевая кости с окружающими мышцами) (n = 3–6/генотип), фиксировали в 10% нейтральном забуференном формалине в течение ночи, декальцинировали в 14% EDTA и заливали в среду ОСТ для криосрезов. Поперечные срезы исследовали вблизи середины локтевой кости. Перед визуализацией предметные стекла промывали водой для удаления среды ОКТ и закрывали покровным стеклом. Затем их визуализировали с 10-кратным, 20-кратным и 40-кратным увеличением объектива (IX51, Olympus, Center Valley, PA) с использованием фильтров TRITC и FITC.

Во-вторых, было подтверждено снижение экспрессии белка BMP2 в клетках-мишенях. Для обеих линий собирали передние конечности, фиксировали в течение ночи в 10% формалине, декальцинировали в 14% ЭДТА и заливали в парафин. Поперечные срезы исследовали вблизи середины локтевой кости (n = 3/генотип). Иммуноокрашивание проводили с использованием системы окрашивания ABC для коз (Santa Cruz, sc-2023, Santa Cruz, CA) с антителом BMP2 (Santa Cruz, sc-6895, разведение 1∶100 в течение ночи при 4°C) в соответствии с инструкциями производителя.После гидратации выполняли извлечение антигена с использованием камеры для снятия маскировки (Biocare Medical, 95°C, 10 мин, Concord, CA), содержащей цитратно-натриевый буфер (pH 6,0). Для визуализации белка применяли DAB на 5 мин. Срезы не контрастировали. Визуализация выполнялась с увеличением 40× (BX51, Olympus).

Измерения всего тела

Для измерения роста была зарегистрирована масса тела. Двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия in vivo (DXA, Lunar PIXImus GE) использовалась для измерения процентного содержания жира, содержания минералов в костях (BMC) и площадной минеральной плотности костей (aBMD) для всего тела мыши (за исключением головы). .Были измерены две отдельные когорты мышей Osx-Cre в возрасте 12 и 24 недель (n = 4–10/группа). Когорта мышей VEC-Cre была измерена в возрасте 4, 8, 12, 16, 20 и 24 недель (n = 4–5/группа).

МикроКТ

МикроКТ in vivo была проведена на левой большеберцовой кости мышей для определения длины большеберцовой кости, размеров кортикального слоя и губчатой ​​кости (VivaCT 40, Scanco Medical, Wayne, PA; потенциал рентгеновской трубки 70 кВ, время интегрирования 100 мс, рентгенологическое исследование). интенсивность луча 114 мкА, изотропный размер вокселя 21 мкм, усреднение кадра 1, проекции 500, сканирование среднего разрешения) в соответствии с опубликованными рекомендациями [27].Следующие показатели кортикальной кости были определены для 200 мкм в средней точке большеберцовой кости: общий объем (TV), объем кости (BV), объем кости по отношению к общему объему (BV/TV) и минеральная плотность ткани (TMD). Следующие показатели губчатого вещества кости определяли на расстоянии 600 мкм дистальнее проксимальной зоны роста: общий объем (TV), объем кости (BV), отношение объема кости к общему объему (BV/TV), объемная минеральная плотность кости (vBMD), трабекулярное число. (Tb.N), плотность трабекулярной связности (Conn.D), индекс структурной модели (SMI), толщина трабекулы (Tb.Th) и трабекулярное разделение (Tb.Sp). Были измерены две отдельные когорты мышей Osx-Cre в возрасте 12 и 24 недель (n = 6–9/группа). Когорта мышей VEC-Cre была измерена в возрасте 8, 16 и 24 недель (n = 4–5/группа).

Механические испытания

Для оценки прочности всей кости передние конечности мышей нагружали до отказа с использованием установленной методики [28]. Вкратце, мышей анестезировали, а локоть и запястье удерживали между двумя нагружающими чашками таким образом, чтобы осевые сжимающие нагрузки создавали изгиб изогнутых костей передних конечностей.Верхнюю чашечку смещали со скоростью 0,5 мм/с для сжатия всей конечности до полного перелома (DynaMight 8841, Instron, Norwood, MA). Во время нагрузки смещения записывалась сила (LabVIEW, National Instruments, Остин, Техас). Последующий анализ определил максимальную силу, выдерживаемую всей передней конечностью. Две отдельные когорты мышей Osx-Cre нагружали до перелома в возрасте 12 и 24 недель (n = 3–4/группа). Когорту мышей VEC-Cre нагрузили до перелома в возрасте 24 недель (n = 3–4/группа).Мышей подвергали эвтаназии сразу после загрузки.

Для оценки как прочности всей кости, так и предполагаемых свойств материала правое и левое бедро мышей Osx-Cre извлекали после смерти и нагружали при трехточечном изгибе (длина размаха  = 7 мм). Перед тестированием среднюю часть бедренной кости (35 срезов, 0,56 мм) сканировали с помощью микроКТ (µCT40, Scanco Medical; потенциал рентгеновской трубки 55 кВпик, время интегрирования 200 мс, интенсивность рентгеновского излучения 145 мкА, размер изотропного вокселя 16). гм, усреднение кадров 1, проекции 500, сканирование среднего разрешения).Бедренные кости нагружались до отказа со скоростью 0,1 мм/с (DynaMight 8841, Instron), при этом собирались данные о силе и смещении (LabVIEW). Ненормализованные свойства были собраны из кривой сила-смещение, включая жесткость, предельную силу, смещение после текучести, энергию при предельной силе и энергию до разрушения. Площадь морфологических параметров и толщину коры рассчитывали непосредственно по поперечным микроКТ-изображениям. Кроме того, были определены момент инерции площади вокруг оси изгиба и расстояние (с) до самой дальней точки поперечного сечения от нейтральной оси, которые использовались для расчета свойств материала предельного напряжения и модуля Юнга. Две отдельные когорты мышей Osx-Cre были нагружены в возрасте 12 и 24 недель (n = 3–8/группа).

Рамановская спектроскопия

Одиннадцать двусторонних плечевых костей от шести 24-недельных мышей и 11 односторонних бедер от одиннадцати 12-недельных мышей использовали для спектроскопического анализа комбинационного рассеяния. Плечевые кости в возрасте 24 недель были взяты из смешанной группы самцов и самок мышей и предназначались для экспериментального исследования (см. дополнительные данные в таблицах S1). 12-недельные бедренные кости были теми же костями, которые использовались для испытаний на трехточечный изгиб, так что можно было установить прямую корреляцию между прочностью и составом.Сочленяющиеся концы плечевых костей удаляли, а образцы центрифугировали для удаления костного мозга. После трехточечного изгиба неровную поверхность излома образцов бедренной кости удаляли с помощью пилы Isomet (Buehler, Lake Bluff, IL), а затем центрифугировали при 12 000 об/мин для удаления костного мозга. Если органический материал, такой как кровь или костный мозг, все еще был виден, образец промывали PBS. Если образец сильно флуоресцировал под воздействием лазера, образец пропитывали PBS, сушили и повторно анализировали.Таким образом, спектры комбинационного рассеяния, полученные и проинтерпретированные в этом исследовании, показали относительно низкую флуоресценцию. Для каждого образца плечевой кости собирали шесть спектров: два вблизи внутреннего края коры, два в середине коры и два вблизи наружного края коры. Изучение спектров плечевых костей показало, что внутренний край коры имел более высокую флуоресценцию, чем другие области, вероятно, из-за близости этой области к полости костного мозга, и не было существенных различий между правой и левой плечевой костью.Таким образом, для каждого образца бедренной кости было получено только четыре спектра: два в середине коры и два у наружного края. Для каждого параметра были получены медианы по всем спектрам, снятым на отдельном образце, и использованы для статистического анализа. Четыре спектра бедренных костей и шесть спектров плечевых костей были признаны аномальными и не были включены в статистический анализ.

спектра были собраны с использованием рамановского микрозонда HoloLab Series 5000 (Kaiser Optical Systems Inc., Анн-Арбор, Мичиган).Лазер с возбуждением 532 нм, работающий при мощности 10 мВт (подаваемый на поверхность образца), фокусировался с помощью 80-кратного объектива (N.A. = 0,75) в пятно луча диаметром приблизительно 1 мкм. 2048-канальный ПЗС-детектор контролировал сигнал в спектральном диапазоне 100–4000 ∆см -1 . Каждый проанализированный спектр представляет собой среднее значение 32 измерений по 4 секунды каждое.

Grams32 R (Galactic Software, Inc., Salem, NH) использовали для всей спектральной обработки. Базовая коррекция выполнялась на каждом спектре.Спектральные пики были преобразованы в полосы наилучшего соответствия с использованием смешанного алгоритма Гаусса-Лоренца. Для оценки относительных пропорций коллагена и минерала полоса 1003 Δсм -1 использовалась для представления коллагена, а полоса 960 Δсм -1 использовалась для представления минерала [29]. Ширина полосы 960 Δсм -1 полоса указывала на степень кристаллической организации минерала. Для оценки степени карбонатного замещения в минерале площадь полосы 1070 Δсм –1 (для карбонатного замещения типа Б) использовали для представления доли карбоната, а площадь полосы 960 Δсм –1 полоса, представляющая минерал апатит [30].

Статистика

Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение. Результаты DXA и microCT были проанализированы с использованием двустороннего дисперсионного анализа (факторы: генотип и пол) (StatView v. 5.0, SAS Institute, Cary, NC). Отдельные ANOVA были выполнены для штаммов Osx-Cre и VEC-Cre и для каждой временной точки. Значения p, указанные в основной части текста, основаны на этих дисперсионных анализах. Если эффект основного генотипа был значимым (p<0,05), проводили апостериорный тест Фишера PLSD. В целом у мужчин кости были крупнее, чем у женщин, а эффекты генотипа были одинаковыми для разных полов. Кроме того, гетерозиготные контрольные мыши (fl/+, Cre-отрицательные) были сходны с гомозиготными контрольными мышами (fl/fl, Cre-отрицательными) в обеих линиях Cre. Результаты для гетерозиготных Cre положительных мышей были либо аналогичны контрольным, либо были промежуточными между гомозиготными контролями и гомозиготными нокаутами. Для краткости в основных таблицах и рисунках представлены данные только для гомозиготных самцов мышей для двух моментов времени (12 и 24 недели для Osx-Cre; 16 и 24 недели для VEC-Cre). (См. дополнительные данные в таблицах S1 для всех дополнительных групп.) В случае 3-точечного изгиба данные правой и левой бедренной кости усреднялись, и для объединенных наборов выполнялись непарные t-тесты. Для рамановской спектроскопии различия между двумя генотипами оценивали с помощью двухвыборочных t-тестов средних значений спектральных параметров с использованием системы статистического анализа (SAS, версия 9.3 для Windows; Институт SAS, Кэри, Северная Каролина).

Результаты

Делеция BMP2 в остеобластах и ​​сосудистых клетках

BMP2 был успешно нокдаун в интересующих нас клетках, остеобластах ранней стадии и их потомстве (включая остеоциты) и клетках эндотелия сосудов. Osx- и VEC-Cres экспрессировались в ожидаемых тканях-мишенях (рис. 1А, сигнал GFP). Как видно на рисунке 1A, сигнал GFP OSX-Cre не появляется во всех клетках выстилки кости или остеоцитах в любой момент времени. Это связано с тем, что слитый белок GFP::Cre находится под контролем промотора Osterix, который временно экспрессируется. Как только белок GFP::Cre больше не создается (т. е. Osterix больше не экспрессируется) и весь белок GFP::Cre деградировал, клетка не будет флуоресцировать, даже если произошел нокаут и клетка больше не может продуцировать функциональный белок BMP2.Недавно сообщалось об успешном воздействии этого Osx-Cre на остеобласты и остеоциты у постнатальных мышей [24], [31]. С другой стороны, в образцах mTmG;VEC-Cre GFP выделяет любую клетку, которая когда-либо экспрессировала Cre. (под контролем промоутера VECAD). Рекомбинация Cre вызывает переключение продукции мембранного белка с RFP на GFP. Экспрессия GFP поддерживается конститутивной активностью локуса Rosa и, таким образом, «включена» до конца жизни клетки и любых дочерних клеток. Иммуногистохимия показала белок BMP2 как в мышечных капиллярах, так и в клетках костной выстилки контрольных мышей Bmp2 fl/fl (рис. 1B, контроль). BMP2 отсутствовал в клетках костной выстилки мышей Osx-Cre cKO, но, как и ожидалось, оставался в мышечных капиллярах (рис. 1В). Напротив, BMP2 отсутствовал в мышечных капиллярах мышей VEC-Cre cKO, но, как и ожидалось, оставался в клетках костной выстилки. Хотя экспрессия BMP2 в остеоцитах отсутствовала во всех образцах IHC, предполагается, что если происходит успешный нокаут BMP2 в остеобластах линии OSX-Cre, то он также нокаутируется из остеоцитов.

Рисунок 1. Делецию BMP2 оценивали в остеогенных клетках (Osx-Cre) и сосудистых клетках (VEC-Cre).

(A) Во-первых, активация Cre была подтверждена путем исследования кортикальной кости (локтевой кости) и мышц на поперечных срезах средней части передней конечности. В контрольных образцах кость полностью черная. Мышь Osx-Cre имеет слитый белок GFP::Cre, который продемонстрировал текущую экспрессию Cre в некоторых остеоцитах внутри кости и остеобластах, выстилающих поверхность кости (открытые белые стрелки). Мышь VEC-Cre была скрещена с репортерной мышью mTmG и продемонстрировала активацию Cre в компартментах мышц и надкостницы, окружающих кость (заполненные белые стрелки). (B) Подтверждение делеции белка BMP2 было сделано с помощью иммуногистохимии. В контрольном образце экспрессия BMP2 наблюдалась в мышцах (синие закрашенные стрелки) и клетках, выстилающих кости (тонкие черные стрелки). При использовании Osx-Cre экспрессия BMP2 отсутствовала в клетках костной выстилки, но обильно экспрессировалась по всему мышечному компартменту (синие закрашенные стрелки).Напротив, при использовании VEC-Cre экспрессия BMP2 была ограничена остеобластами, выстилающими поверхность кости (тонкие черные стрелки). Изображения репрезентативны для 3–5 секций от 3–6 животных/группу.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0096862.g001

Нокаут остеобластов BMP2 уменьшает размер кости, но нокаут сосудистого

Мыши

Osx-Cre cKO имели на 20% меньшую массу тела в возрасте 12 и 24 недель (p = 0,04 и 0,004 соответственно) по сравнению с контрольными однопометниками ( Bmp2 fl/fl ). Напротив, мыши VEC Cre cKO и однопометные контрольные мыши имели одинаковый вес в каждый момент времени (рис. 2A–12- и 24-недельные самцы, таблица SA в таблицах S1 – все группы). В возрасте 12 недель мыши OSX-Cre cKO имели такой же процент жира, что и контрольная группа, но к 24-недельному возрасту у нокаутированных мышей процент жира был на 6% ниже (p = 0,03). Мыши VEC-Cre имели тот же процент жира, что и контрольная группа, в каждый момент времени (рис. 2B–самцы в возрасте 12 и 24 недель, таблица SA в таблицах S1 – все группы). Измерения DXA aBMD и BMC были ниже у мышей Osx-Cre cKO в возрасте 12 и 24 недель по сравнению с контролем (p = 0.0,20 и 0,005 соответственно в 12 недель; p = 0,009 и 0,015 соответственно в 24 недели). VEC-Cre cKO не оказывал влияния на aBMD или BMC в любой момент времени (рис. 2C – 12- и 24-недельные самцы, таблица SA в таблицах S1 – все группы).

Рис. 2. Результаты DXA всего тела через 12 и 24 недели для самцов мышей WT и cKO.

(A) Масса тела была значительно снижена у мышей Osx-Cre cKO и не изменилась у мышей VEC-Cre. (B) Процент жира не был значительно снижен у самцов мышей Osx-Cre cKO в возрасте 12 и 24 недель (хотя он достиг значимости через 24 недели, когда данные по самцам и самкам были объединены (ANOVA)).(C) Самцы мышей Osx-Cre cKO показали значительное снижение BMC через 12 недель с незначительной тенденцией через 24 недели (которая была значимой при объединении данных по самцам и самкам (ANOVA)). BMC не изменился для мышей VEC-Cre в любой момент времени.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0096862.g002

Большеберцовая кость Osx Мыши Cre cKO были короче в возрасте 12 и 24 недель, чем контрольная группа (p = 0,01 и p<0,0001, соответственно, рис. 3A–самцы 12 и 24 недель, таблица SB в таблицах S1 – все группы).У мышей Osx-Cre cKO через 12 недель кости были меньше, на что указывало снижение кортикального ТВ, кортикального БВ, губчатого ТВ и губчатого БВ по сравнению с контролем (p = 0,006, 0,02, 0,02, 0,06 соответственно; рис. 3B, 3C и таблица 1 — – 12- и 24-недельные кобели, таблицы SB и SC в таблицах S1 – все группы). Интересно, что кортикальный BV/TV был выше, что указывает на относительно меньшую полость костного мозга (p = 0,005). Губчатый BV/TV не был затронут, что указывает на нормальную пространственную плотность трабекул. К 24 неделям у мышей Osx-Cre cKO по сравнению с контрольной группой сохранялись аналогичные различия в уменьшении размера коры (p = 0.0005 для TV и p = 0,017 для BV). Однако губчатые BV и TV теперь были аналогичны контрольным. Корковая TMD кортикальной кости Osx-Cre cKO была такой же, как у однопометников Bmp2 fl/fl в контроле в обоих возрастах (рис. 3D). В линии мышей VEC-Cre мыши cKO имели более низкую BV/TV кортикальной кости через 24 недели (p = 0,016) и более низкую vBMD губчатого вещества (p = 0,042), но, в отличие от Osx-Cre cKO, все другие исходы, включая относительно размера кости были одинаковыми между VEC-Cre и контрольными группами (таблицы SB и SC в таблицах S1 — все группы).

Рис. 3. МикроКТ использовали для оценки структурных свойств большеберцовой кости через 12/16 и 24 недели.

(данные Osx-Cre показаны через 12 недель, данные VEC-Cre показаны через 16 недель). Мыши Osx-Cre cKO имели (A) более короткую большеберцовую кость и (B) уменьшенный объем кортикальной кости без изменений (C) губчатого BV /TV или (D) корковая ВНЧС. Мыши VEC-Cre не показали различий ни по одному параметру. (E) Иллюстрации геометрии кортикальной кости показывают меньшую полость костного мозга у мышей Osx-Cre cKO.

https://дои.org/10.1371/journal.pone.0096862.g003

Кости Osx-Cre cKO имеют измененные механические свойства на уровне цельной кости и материала

Прочность всей передней конечности оценивали по осевому сжатию до отказа. Предельная сила (мера прочности всей конструкции) была значительно снижена у мышей Osx Cre cKO в возрасте 12 и 24 недель (40% и 34%, p = 0,013 и 0,050 соответственно) по сравнению с контрольными однопометниками (рис. 4). ). Не было никаких различий в предельной силе для мышей VEC-Cre cKO по сравнению с WT.

Снижение прочности передних конечностей Osx Cre может быть связано с уменьшением размера кости или ухудшением свойств костного материала. Для оценки этих двух факторов на бедрах мышей Osx-Cre выполняли микроКТ и трехточечное сгибание. Учитывая, что структура большеберцовой кости и сила передних конечностей мышей VEC-Cre не были затронуты BMP2 cKO, предполагалось, что какие-либо различия в свойствах материала маловероятны, и дальнейшие испытания на мышах VEC-Cre не проводились.

Измерения MicroCT среднего диафиза бедренной кости подтвердили данные для большеберцовой кости, подтвердив меньший размер кости в Osx-Cre cKO по сравнению с WT (рис. 5, таблица 2).В частности, бедренная кость Osx-Cre cKO имела меньшую площадь кости и момент инерции (p = 0,004 и 0,006 соответственно; рис. 5A). Данные силы-смещения при трехточечном изгибе (рис. 5B) показали, что бедренная кость Osx-Cre cKO имеет нормальную жесткость всей кости (рис. 5C), но снижает предельную силу (p = 0,004; рис. 5D) и резко снижает смещение после деформации. (p = 0,002; рис. 5E). В сочетании эти свойства привели к значительно более низкой энергии при предельной силе и энергии до разрушения (p = 0.004 и 0,002 соответственно, таблица 2), свойства, отражающие общую устойчивость к отказам. Несмотря на худшие механические свойства цельной кости, бедренная кость мышей Osx-Cre cKO на самом деле имела превосходную жесткость и прочность на уровне материала (т. е. после учета различий в размерах), о чем свидетельствует повышенный модуль Юнга (p = 0,008; рис. 5F). ) и предельное напряжение (p = 0,017, рис. 5G). Таким образом, на уровне материала кости Osx-Cre cKO жесткие и прочные, но их уменьшенное смещение после выхода указывает на то, что они хрупкие.Эти свойства материала в сочетании с их меньшим размером приводят к тому, что цельная кость имеет нормальную жесткость, но меньшую прочность и пониженную энергию разрушения.

Рис. 5. Бедренные кости мышей 12 и 24-Cre тестировали на трехточечный изгиб. У мышей

cKO момент инерции (А) был значительно снижен по сравнению с контрольной группой дикого типа. (B) Примеры кривых сила-смещение для мышей WT и cKO демонстрируют различия в структурных свойствах (C) Жесткость не изменилась в любой момент времени.Однако предельная сила (D) и смещение после текучести (E) уменьшились. (F) Модуль Юнга для мышей cKO кажется более жестким в обе временные точки, но становится значимым только через 12 недель. И наоборот, предельный стресс (G) выше при cKO, но значителен только на 24-й неделе.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0096862.g005

Рамановская спектроскопия

Чтобы определить, могут ли различия в свойствах материала костей Osx Cre быть связаны с дефектами минерального или коллагенового аспекта кости, мы провели рамановскую спектроскопию.Во-первых, в качестве пилотного исследования был проанализирован набор плечевых костей 24-недельных мышей. Затем мы проанализировали те же самые 12-недельные бедра, которые использовались для трехточечного изгиба (таблица SD в таблицах S1). Карбонизированный гидроксилапатит был единственным минералом, присутствующим как в образцах WT, так и в образцах cKO. Положение полосы деконволюции 960 Δcm -1 варьировалось от 960,5 до 961,3 волновых чисел для 12-недельной бедренной кости, что является нормальным для кости. Этот диапазон указывает на некоторую изменчивость химических компонентов кости, например за счет включения натрия в результате замещения карбонатом [32], [33].92). Точно так же ширина полосы 960 Δсм -1 варьировалась, указывая на небольшую разницу в атомном порядке, но не отличалась статистически по генотипу (p = 0,25). Отношение минерала к матриксу, представленное соотношением гидроксиапатита (площадь полосы 960∆см -1) к коллагену (площадь полосы 1003∆см -1), было ниже у мышей cKO, чем у мышей cKO. WT для наших пилотных исследований с 24-недельными плечами (p = 0,04), однако соотношение не различалось по генотипу для 12-недельных бедер (p = 0.37). Между мышами WT и cKO не наблюдалось существенных различий в характеристиках в области спектра коллагена. Для оценки степени карбонатного замещения площадь полосы 1070 Δсм –1 (для карбонатного замещения типа Б) делили на площадь полосы 960 Δсм –1 . Доля карбоната в минерале незначительно варьировала внутри и между образцами, что является нормальным для кости, но не различалась по генотипу (p = 0,84). Таким образом, рамановская спектроскопия не выявила явных дефектов коллагена или минерального состава костей Osx-Cre cKO, которые могли бы объяснить различия в механических свойствах и свойствах материала.

Обсуждение

Наша работа показывает, что BMP2, полученный из остеобластов, важен для постнатального роста, структуры и прочности скелета, тогда как BMP2, полученный из эндотелия сосудов, не важен. Нокаут BMP2 с помощью Osx-Cre повлиял как на структуру, так и на прочность длинных костей. Вопреки нашей гипотезе, нокаут BMP2 из сосудистых эндотелиальных клеток не влиял ни на какие исходы для всего тела и на несколько показателей длинных костей для любого пола, а также не изменялась сила всей передней конечности.

Конструктивно Osx-Cre cKO привел к уменьшению размера мыши с несколько более короткими конечностями. Это аналогичный, но менее тяжелый фенотип, чем когда BMP2 выбивается из всех остео- и хондро-клеток-предшественников с помощью Prx1-Cre ( Bmp2 fl/fl ; Prx1-Cre, также известный как Prx1-Cre cKO). [9], [10]. Наблюдаемая нами укороченность конечностей может быть связана с нецелевым нокаутом в некостных клетках, таких как гипертрофированные хондроциты [31], [34]. Сообщается, что мыши Osx-Cre нацелены на несколько типов клеток, не относящихся к кости [31].Однако предварительное изучение морфологии пластинки роста и пролиферации клеток не выявило каких-либо очевидных различий, которые могли бы объяснить умеренное (10%) влияние на длину большеберцовой кости. Что еще более важно, меньшая ширина кости и уменьшенный объем кортикальной кости, на который не влияют гипертрофированные хондроциты, подтверждает гипотезу о том, что BMP2 является ключевым фактором в периостальных остеобластах. Кроме того, сходство фенотипа Osx-Cre cKO с описанным фенотипом Col 1-Cre cKO [15] позволяет предположить, что эффекты связаны с делецией BMP2 в костных клетках.

Периостальные клетки отвечают за расширение лучевой кости на протяжении всей жизни [35] и вносят основной клеточный вклад в заживление переломов [36]. Меньший общий объем кортикальных костей Osx-Cre cKO указывает на то, что, если остеобласты и остеоциты неспособны продуцировать BMP2, костеобразующие клетки в периостальном слое не могут создать достаточное количество кости для расширения по окружности, как и в контроле. Недавняя работа предположила, что это может быть связано с косвенными эффектами нокаута BMP2 в периостальных клетках.Поведение клеток-предшественников и архитектура сосудов изменяются нокаутом BMP2 в остеобластах на ранней стадии [15]. Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить относительную важность прямых эффектов на функцию остеобластов по сравнению с косвенными эффектами из других источников, таких как дефектные сигналы от остеоцитов или костного матрикса, не содержащего BMP2.

Неожиданным открытием стало то, что BMP2, происходящий из остеобластов, влияет на качество костей. Механические свойства бедренных костей Osx-Cre cKO отражают сочетание их уменьшенного размера в сочетании с независимыми от размера свойствами, полученными в результате испытаний бедренных костей на трехточечный изгиб, которые показали, что костный материал из Osx-Cre cKO более жесткий (более высокий модуль Юнга), незначительно прочнее (более высокое предельное напряжение через 24 недели) и менее пластично (уменьшенное смещение после текучести).Это означает, что как материал кости Osx-Cre cKO ведут себя так же или даже лучше, чем их контрольные образцы, при небольших деформациях (т.е. при нормальных условиях нагрузки). Однако, поскольку они менее пластичны, после пластической деформации (т. е. травмы) костный материал разрушается с меньшим поглощением энергии. Хотя это и не измерялось напрямую, спонтанные переломы, полученные мышами Prx1-Cre cKO, указывают на аналогичный, но более серьезный дефект материала [9], [10]. Как в линиях Osx-, так и в линиях Prx1-Cre cKO несоответствие размеров и материальных различий в совокупности создают более слабую конечность.Наши результаты согласуются с недавним отчетом, в котором делеция BMP2 с использованием 3.6Col1a1-Cre оказывала аналогичный эффект на прочность кости после деформации [15].

В качестве первоначальной попытки определить источник различий в свойствах материалов мы проанализировали бедра с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, метода, который может характеризовать структурно-состав и степень кристалличности материала. Примечательно, что не было никаких явных спектроскопических различий в минеральных или коллагеновых аспектах кости у мышей cKO по сравнению с мышами WT.Интересно, что обнаружение нормального костного минерального состава при рамановском анализе интактных костей противоречит нарушенной минерализации in vitro в культурах дифференцированных мезенхимальных стволовых клеток из 3.6Col1a1-Cre; Мыши BMP2 cKO [15]. Тем не менее, учитывая сильную связь между прочностью кости и органической фазой костного материала [37], необходимы дальнейшие исследования выравнивания коллагена, перекрестных связей и структуры.

Предупреждением в этом исследовании было нецелевое воздействие на зубы Osx-Cre cKO.У всех мышей с нокаутом остеобластов развились аномалии прикуса, которые ухудшались с возрастом (рис. S1). Очевидное беспокойство вызывает то, что эти мыши могут недоедать, а фенотип обусловлен диетой, а не генетикой. Однако ряд наблюдений опровергают эту возможность. Во-первых, не было различий в процентном содержании жира у мышей Osx-Cre cKO в возрасте 12 недель и были лишь незначительные различия в возрасте 24 недель (рис. 2В). В моделях недоедания на мышах процент жира значительно ниже (∼10%) к 12-недельному возрасту [38]. Кроме того, ни у одной из гетерозиготных мышей с нокаутом ( Bmp2 fl/+ ; Osx-Cre+) не было выявлено нарушений прикуса, однако многие показатели их структуры и силы оказались между нокаутом и контролем (см. рис. S2).Это показывает возможный дозовый эффект нокаута BMP2. Наконец, предыдущее исследование Feng et al. задокументировано, что это нокаутирование вызывает не только нарушение прикуса, но и изменение самой минерализованной ткани; у нокаутированных зубов были обширные ямки, которые предполагают, что зубы хрупкие [39], как и в наших длинных костях OSX-Cre cKO. Дополнительным ограничением в результате аномалий прикуса было то, что у нас было несколько мышей Osx-Cre cKO в более поздний момент времени (24 недели). Как только тяжесть аномалий прикуса была задокументирована, экспериментальные группы для Osx cKO были переведены на 12-недельный срок.

Нокаут BMP2 из эндотелиальных клеток сосудов изменил несколько аспектов роста скелета до возраста 24 недель. Это было неожиданно, учитывая многочисленные связи между сосудистой сетью и ростом костей, а также между BMP2 и развитием сердца, заживлением костей и кальцификацией артерий. Возможно, что BMP2 из других типов клеток способен компенсировать потерю сосудистыми клетками во время развития и созревания. Альтернативно, другие BMP с перекрывающимися функциями (например, BMP4/7 [9]) могут компенсировать потерю BMP2.Дальнейшее различение этих возможностей потребует изучения передачи сигналов BMP на клеточном уровне, которую мы здесь не оценивали. Последствия потери BMP2 эндотелиальными клетками сосудов могут проявляться только в стрессовых ситуациях, таких как диета с высоким содержанием жиров или заживление костей. Известно, что BMP2 сильно повышен в эндотелиальных клетках сосудов в ранние моменты времени при заживлении посредством внутримембранного формирования кости (т. е. при заживлении стрессовых переломов и дистракционном остеогенезе) [13], [28]. Необходимы дальнейшие исследования для проверки потребности в сосудистом BMP2 в этих условиях.

Таким образом, нокаут BMP2 остеобластного происхождения влияет на структуру и прочность длинных костей, в то время как нокаут BMP2 сосудисто-эндотелиальных клеток не влияет. Мыши Bmp2 fl/fl ;Osx Cre+ cKO могут служить моделью для исследования взаимосвязи между плотностью костной массы и риском переломов, связанных с полиморфизмами Bmp2 у людей. Исследования, связывающие полиморфизмы Bmp2 с остеопорозом, являются спорными и противоречивыми [40]–[43].Частично это связано с редкостью генетической мутации, вкладом множества различных факторов и генов в МПК и относительно мягкими эффектами. Используя эту мышь, мы можем исследовать механизмы, которые могут объяснить повышенный риск переломов, а затем потенциально перенести эти результаты в клинику.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: SM JM BB JP VR MS. Выполнены опыты: SM JM BB PK JP. Проанализированы данные: SM JM BB PK JP. Предоставленные реагенты/материалы/инструменты для анализа: SM JM JP VR MS.Написал статью: SM JM BB JP VR MS.

Каталожные номера

  1. 1. Brochmann EJ, Behnam K, Murray SS (2009)Активность костного морфогенетического белка-2 регулируется секретируемым фосфопротеином-24 kd, внеклеточным псевдорецептором, ген которого картируется в области генома человека, важной для качества кости. Метаболизм 58: 644–50.
  2. 2. Doss MX, Gaspar JA, Winkler J, Hescheler J, Schulz H, et al. (2012) Специфические генные сигнатуры и пути в мезодермальных клетках и их производных, полученных из эмбриональных стволовых клеток.Стволовые клетки, ред. 8: 43–54.
  3. 3. Rosen V (2009)Передача сигналов BMP2 в развитии и восстановлении костей. Цитокиновый фактор роста, ред. 20: 475–80.
  4. 4. Lian J B, Stein GS, Javed A, van Wijnen AJ, Stein JL, et al. (2006) Сети и центры транскрипционного контроля остеобластогенеза. Преподобный Эндокр Метаб Дисорд 7: 1–16.
  5. 5. Ямагучи А., Катагири Т., Икеда Т., Возни Дж. М., Розен В. и др. (1991) Рекомбинантный человеческий костный морфогенетический белок-2 стимулирует созревание остеобластов и ингибирует миогенную дифференцировку in vitro.J Cell Biol 113: 681-7.
  6. 6. Chandler RL, Chandler KJ, McFarland KA, Mortlock DP (2007) Транскрипция Bmp2 в предшественниках остеобластов регулируется удаленным 3′-энхансером, расположенным на расстоянии 156,3 килобазы от промотора. Мол Селл Биол 27: 2934–51.
  7. 7. Фриц Д.Т., Цзян С., Сюй Дж., Роджерс М.Б. (2006)Полиморфизм в консервативном посттранскрипционном регуляторном мотиве изменяет взаимодействие РНК:белок костного морфогенетического белка 2 (BMP2). Мол Эндокринол 20: 1574–86.
  8. 8.Wohl GR, Towler DA, Silva MJ (2009)Заживление стрессовых переломов: усталостная нагрузка на локтевую кость крысы вызывает активацию экспрессии остеогенных и ангиогенных генов, которые имитируют внутримембранозную часть восстановления перелома. Кость 44: 320–30.
  9. 9. Bandyopadhyay A, Tsuji K, Cox K, Harfe BD, Rosen V, et al. (2006)Генетический анализ роли BMP2, BMP4 и BMP7 в формировании паттерна конечностей и скелетогенезе PLoS Genet. 2: е216.
  10. 10. Цудзи К., Бандйопадхьяй А., Харф Б.Д., Кокс К., Какар С. и соавт.(2006) Активность BMP2, хотя и необязательна для формирования кости, необходима для инициации заживления переломов. Нат Жене 38: 1424–1429.
  11. 11. У Л., Фэн Дж., Ван Л., Му Ю., Бейкер А. и др. (2011)Разработка и характеристика мышиной клеточной линии остеобластов Bmp2, которая сохраняет генотип и фенотип остеобластов. Cell Tissue Res 343: 545–58.
  12. 12. McKenzie JA, Silva MJ (2011)Сравнение гистологических, сосудистых и молекулярных ответов, связанных с образованием тканых и пластинчатых костей, вызванных механической нагрузкой в ​​локтевой кости крысы.Кость 48: 250–8.
  13. 13. Мацубара Х., Хоган Д.Е., Морган Э.Ф., Мортлок Д. П., Эйнхорн Т.А. и др. (2012) Сосудистые ткани являются основным источником экспрессии BMP2 во время формирования кости, индуцированного дистракционным остеогенезом. Кость 51: 168–80.
  14. 14. Zhang H, Bradley A (1996) Мыши с дефицитом BMP2 нежизнеспособны и имеют дефекты в развитии амниона/хориона и сердца. Развитие 122: 2977–86.
  15. 15. Yang W, Guo D, Harris MA, Cui Y, Gluhak-Heinrich J, et al.(2013) Ген Bmp2 в остеобластах надкостницы и трабекулярной кости связывает формирование кости с васкуляризацией и мезенхимальными стволовыми клетками. J Cell Sci 126: 4085–98.
  16. 16. Kronenberg HM (2003) Регуляция развития зоны роста. Природа 423: 332–36.
  17. 17. Simpson AH (1985) Кровоснабжение надкостницы. Дж Анат 140: 697–704.
  18. 18. Tomlinson RE, McKenzie JA, Schmieder AH, Wohl GR, Lanza GM, et al. (2013) Ангиогенез необходим для заживления стрессовых переломов у крыс.Кость 52: 212–9.
  19. 19. Томлинсон Р.Е., Маккензи Дж.А., Шмидер А.Х., Воль Г.Р., Ланца Г.М. и др.. (2013)Опосредованная оксидом азота вазодилатация увеличивает кровоток на ранних стадиях заживления стрессовых переломов. J приложение физио. EPub 19 декабря 2013 г.
  20. 20. Якобсен К.А., Аль-Акл З.С., Ван С., Fitch JL, Стэплтон С.Н. и др. (2008) Формирование кости во время дистракционного остеогенеза зависит от передачи сигналов как VEGFR1, так и VEGFR2. J Bone Miner Res 23: 596–609.
  21. 21.Hausman MR, Schaffler MB, Majeska RJ (2001)Предотвращение заживления переломов у крыс с помощью ингибитора ангиогенеза. Кость 29: 560–4.
  22. 22. Hruska KA, Mathew S, Saab G (2005)Костные морфогенетические белки при кальцификации сосудов. Циркуляр Рез. 97: 105–14.
  23. 23. Li X, Yang HY, Giachelli CM (2008) BMP-2 способствует поглощению фосфатов, фенотипической модуляции и кальцификации гладкомышечных клеток сосудов человека. Атеросклероз 199: 271–7.
  24. 24. Rodda SJ, McMahon AP (2006) Различная роль Hedgehog и канонической передачи сигналов Wnt в спецификации, дифференцировке и поддержании предшественников остеобластов. Развитие 133: 3231–44.
  25. 25. Alva JA, Zovein AC, Monvoisin A, Murphy T, Salazar A, et al. (2006)Трансгенная мышь с VE-Cadherin-Cre-рекомбиназой: инструмент для анализа происхождения и делеции генов в эндотелиальных клетках. Дев Дин 235: 759–767.
  26. 26. Muzumdar MD, Tasic B, Miyamichi K, Li L, Luo L (2007)Глобальная двойная флуоресцентная мышь-репортер Cre.Бытие 45: 593–605.
  27. 27. Bouxsein ML, Boyd SK, Christiansen BA, Guldberg RE, Jepsen KJ, et al. (2010) Руководство по оценке микроструктуры костей у грызунов с помощью микрокомпьютерной томографии. J Bone Miner Res 25: 1468–86.
  28. 28. Martinez MD, Schmid GJ, McKenzie JA, Ornitz DM, Silva MJ (2010)Заживление переломов без смещения, вызванных усталостной нагрузкой на локтевую кость мыши. Кость 46: 1604–1612.
  29. 29. Вопенка Б., Кент А., Пастерис Дж. Д., Юн Ю., Томопулос С. (2008) Переход сухожилия в кость ротаторной манжеты: предварительное спектроскопическое исследование комбинационного рассеяния, документирующее постепенную минерализацию через вставку в образцах ткани крысы.Appl Spectrosc 62: 1285–94.
  30. 30. Penel G, Leroy G, Rey C, Bres E (1998) Микрорамановское спектральное исследование колебательных мод PO4 и CO3 в синтетических и биологических апатитах. Calcif Tissue Int 63: 475–81.
  31. 31. Chen J, Shi Y, Regan J, Karuppaiah K, Ornitz DM, et al. (2014) Osx-Cre нацелен на несколько типов клеток, помимо линии остеобластов у постнатальных мышей. PLoS Один 9: e85161.
  32. 32. Skinner HCW (2005) Биоминералы. Минерал Маг 69: 621–641.
  33. 33. Ли З., Пастерис Дж. Д. (2014) Химия костного минерала на основе гиперминерализованного рострума клювовидного кита Mesoplodon densirostris. Ам Минерал: В печати.
  34. 34. Oh JH, Park S, de Crombrugghe B, Kim JE (2012)Аблация Osterix, специфичная для хондроцитов, приводит к нарушению эндохондральной оссификации. Biochem Biophys Res Commun 418: 634–40.
  35. 35. Seeman E (2007) Надкостница – поверхность на все времена года. Остеопорос Инт 18: 123–8.
  36. 36. Colnot C, Zhang X, Knothe Tate ML (2012) Текущие представления о регенеративном потенциале надкостницы: молекулярные, клеточные и эндогенные инженерные подходы. Дж. Ортоп. Рез. 30 (12): 1869–1878.
  37. 37. Найман Дж. С., Маковски А. Дж. (2012)Вклад внеклеточного матрикса в сопротивление переломам костей. Curr Osteoporos Rep 10: 169–77.
  38. 38. Девлин М.Дж., Клотье А.М., Томас Н.А., Панус Д.А., Лотинун С. и соавт. (2010) Ограничение калорийности приводит к высокому ожирению костного мозга и низкой костной массе у растущих мышей.J Bone Miner Res 25: 2078–88.
  39. 39. Фэн Дж., Ян Г., Юань Г. , Глухак-Генрих Дж., Ян В. и др. (2011)Аномалии эмали у мышей с дефицитом bmp2. Клетки Ткани Органы 194: 216–21.
  40. 40. Медичи М., ван Мерс Дж. Б., Риваденейра Ф., Чжао Х., Арп П. П. и соавт. (2006) Полиморфизм гена BMP-2 и остеопороз: Роттердамское исследование. J Bone Miner Res 21: 845–54.
  41. 41. McGuigan FE, Larzenius E, Callreus M, Gerdhem P, Luthman H, et al. (2007)Вариация гена BMP2: минеральная плотность костей и ультразвук у молодых взрослых и пожилых женщин.Calcif Tissue Int 81: 254–62.
  42. 42. Styrkarsdottir U, Cazier JB, Kong A, Rolfsson O, Larsen H, et al. (2003)Связь остеопороза с хромосомой 20p12 и связь с BMP2. PLoS Биол 1: E69.
  43. 43. Варанаси С.С., Так С.П., Мастана С.С., Деннисон Э., Купер С. и др. (2011)Отсутствие связи гаплотипов гена костного морфогенетического белка 2 с минеральной плотностью костей, потерей костной массы или риском переломов у мужчин. J Остеопорос 2011: 243465.

BME 332: Структура-функция кости


И. Обзор

            Начнем наш раздел о функции структуры ткани с костной ткани. Это происходит по двум причинам: 1) с механической точки зрения кость исторически является наиболее изученной тканью, и 2) из-за 1) более простого поведения кости по сравнению с мягкими тканями, больше известно о механике кости по отношению к ее структуре. . Кость также является хорошей отправной точкой, поскольку она иллюстрирует принцип функционирования иерархической структуры, общий для всех биологических тканей.В этом разделе мы иллюстрируем анатомию и структуру костной ткани как основу для изучения функции структуры ткани и механически опосредованной адаптации ткани. Сначала мы начнем с описания иерархических уровней костной структуры (анатомия), а затем опишем, как эти уровни строятся путем удаления и добавления матрикса костными клетками (физиология). Затем мы обсудим линейные упругие свойства кости и то, как структура кости (особенно трабекулярная кость) связана с ее механической функцией, охарактеризованной ее конститутивными моделями.

II. Кортикальная кость по сравнению со структурой трабекулярной кости

            Кости в организме человека и других млекопитающих обычно подразделяются на два типа: 1: кортикальная кость, также известная как компактная кость, и 2) трабекулярная кость, также известная как губчатая или губчатая кость. Эти два типа классифицируются на основе пористости и единичной микроструктуры. Кортикальная кость намного плотнее, ее пористость составляет от 5% до 10%. Кортикальная кость находится в основном в стволах длинных костей и образует внешнюю оболочку вокруг губчатой ​​кости на концах суставов и позвонков.Схема, показывающая кортикальную оболочку вокруг обычного сустава длинной кости, показана ниже:                             

                       

 

Основной структурой первого уровня кортикальной кости являются остеоны. Губчатая кость гораздо более пористая с пористостью от 50% до 90%. Он находится в концах длинных костей (см. рисунок выше), в позвонках и в плоских костях, таких как таз. Его основная структура первого уровня — трабекулы.

III.Иерархическая структура коры Bon e

            Как и все биологические ткани, кортикальная кость имеет иерархическую структуру. Это означает, что кортикальная кость содержит множество различных структур, которые существуют на многих масштабных уровнях. Иерархическая организация кортикальной кости определена в таблице ниже:

                                   Структурная организация кортикальной кости  

Уровень кортикальной структуры Размер размер H ____________________________________________________________________________________

                       0                     Твердый материал                > 3000 мм                    —

                       _________________________________________________________________

                       1                     Вторичные остеоны (A)   от 100 до 300 мм         < 0. 1
Основные остеоны (b)
сплетение (C)
Интерстициальная кость

                       _________________________________________________________________

2 NAMELLAE (A, B *, C *) 3-20 мм <0,1
LaCunae (A, B, C, D)
Цементные линии (A)

                       ____________________________________________________________

                       3                      Коллаген-                     0.От 06 до 0,6 мм <0,1 минерал
Композит (A, B, C, D)

A — обозначает структуры, обнаруженные в вторичной кортикальной кости
B — обозначает структуры, обнаруженные в первичной пластинческую костящую кости
C — обозначает структуры, найденные в сплетенном кости
D — обозначает структуры, найденные в тканой кости
* — указывает на то, что структуры присутствуют в b и c, но значительно меньше, чем в

                Таблица 1. Структурная организация кортикальной кости вместе с приблизительными физическими шкалами.
                                  Параметр h представляет собой отношение уровня i к следующему наиболее макроскопическому уровню i – 1.

 

Есть две причины для нумерации различных уровней микроструктурной организации. Во-первых, он обеспечивает последовательный способ сравнения различных тканей. Во-вторых, он обеспечивает последовательную схему определения уровней анализа для вычислительного анализа микромеханики ткани.Эта схема нумерации позже будет использоваться для определения уровней анализа для анализа микроструктуры кортикальной кости на основе RVE. 1-й и 2-й уровни организации отражают тот факт, что разные типы кортикальной кости существуют как для разных видов, так и для разных возрастов разных видов. Обратите внимание, что на самом базовом или третьем уровне вся кость, согласно нашему нынешнему пониманию, состоит из коллагеново-минерального композита типа I. И наоборот, вся костная ткань для целей классического континуального анализа считается твердым материалом с эффективной жесткостью нулевой структуры.Другими словами, анализ методом конечных элементов на уровне всей кости будет рассматривать всю кортикальную кость как твердый материал.

            Различные типы кортикальной кости сначала можно дифференцировать по структуре первого уровня. Однако различные типы структур первого уровня могут по-прежнему содержать общие объекты второго уровня, такие как лакуны и ламели. Далее мы опишем различные типы структур 1-го уровня на основе текста Мартина и Берра (1989). Как вы увидите, различные структурные организации на этом уровне обычно связаны либо с определенным возрастом, либо с видом, либо с тем и другим одновременно.

III.1       Структура кортикальной кости первого уровня

            Как обсуждалось Мартином и Берром (1989), существует четыре типа различных организаций на том, что мы описали как структурный уровень 1 st . Эти четыре типа структуры называются плетеной костью, первичной костью, плексиформной костью и вторичной костью.

Общий вид структуры кортикальной кости, показывающий некоторые структуры 1-го и 2-го уровня, показан ниже:

III.1.1    Кортикальная кость с плетеными волокнами

            Плетеная кортикальная кость лучше определяется на 1-м структурном уровне тем, чего ей не хватает, а не тем, что она содержит. Например, плетеная кость не содержит остеонов, как первичная и вторичная кость, а также не имеет кирпичной структуры плексиформной кости (рис. 1). Таким образом, плетеная кость представляет собой наиболее дезорганизованную костную ткань из-за обстоятельств, в которых она формируется. Тканая костная ткань является единственным типом костной ткани, которая может быть сформирована de novo, другими словами, она не должна формироваться на существующей костной или хрящевой ткани.Тканая костная ткань часто встречается у очень молодых растущих скелетов в возрасте до 5 лет. Она обнаруживается во взрослом скелете только в случаях травмы или заболевания, чаще всего в местах переломов костей. Плетеная кость — это, по сути, SOS-реакция организма на размещение механически жесткой структуры в нужной области за короткий период времени. Таким образом, плетеная кость укладывается очень быстро, что объясняет ее дезорганизованную структуру. Обычно он содержит больше остеоцитов (костных клеток), чем другие типы костной ткани.Считается, что плетеная кость менее плотная из-за рыхлой и неорганизованной упаковки коллагеновых волокон типа I (Martin and Burr, 1989). Однако он может стать сильно минерализованным, что может сделать его несколько более хрупким, чем другие кортикальные костные ткани с другой организацией первого уровня. Однако очень мало известно о механических свойствах тканой костной ткани. Christel et al. (1981) предположили, что тканая кость менее жесткая, чем другие типы костной ткани, основываясь на предположении, что костная мозоль перелома состоит в основном из тканой кости и гораздо менее жесткая, чем нормальная костная ткань. Прямые измерения жесткости костной ткани не проводились.

III.1.2    Плексиформная кортикальная костная ткань

            Подобно плетеной кости, плексиформная кость формируется быстрее, чем первичная или вторичная пластинчатая костная ткань. Однако, в отличие от плетеной кости, плексиформная кость должна обеспечивать повышенную механическую поддержку в течение более длительных периодов времени. Из-за этого плексиформная кость в основном встречается у крупных быстрорастущих животных, таких как коровы или овцы. Плексиформная кость редко встречается у человека.Плексиформная кость получила свое название из-за сосудистых сплетений, содержащихся в пластинчатой ​​кости, между непластинчатой ​​костью (Martin and Burr, 1989). На рисунке ниже от Мартина и Берра пластинчатая кость показана вверху, а тканая кость показана внизу:

Плексиформная кость возникает из минеральных зачатков, которые растут сначала перпендикулярно, а затем параллельно внешней поверхности кости. Этот растущий образец создает кирпичную структуру, характерную для плексиформной кости.Каждый «кирпичик» в плексиформной кости имеет диаметр около 125 микрон (мм) (Martin and Burr, 1989). Плексиформная кость, как первичная и вторичная кость, должна формироваться на существующих поверхностях кости или хряща и не может формироваться de novo, как тканая кость. Из-за своей организации плексиформная кость предлагает гораздо большую площадь поверхности по сравнению с первичной или вторичной костью, на которой может быть сформирована кость. Это увеличивает количество кости, которая может быть сформирована в заданный период времени, и обеспечивает способ более быстрого увеличения жесткости и прочности костей за короткий период времени.Хотя плексиформ может иметь большую жесткость, чем первичная или вторичная кортикальная кость, ему может не хватать свойств останавливать трещины, что делает его более подходящим для более активных видов, таких как псовые (собаки) и люди.

III.1.3    Первичная костная костная ткань остеона

            Когда костная ткань содержит кровеносные сосуды, окруженные концентрическими кольцами костной ткани, она называется костной костью. Структура, включающая центральный кровеносный сосуд и окружающую концентрическую костную ткань, называется остеоном.Что отличает первичную остеональную кортикальную кость от вторичной, так это способ формирования остеона и возникающие в результате различия в структуре уровней 2 и . Первичные остеоны, вероятно, образуются в результате минерализации хряща, то есть образуются там, где кости не было. Таким образом, они не содержат столько пластинок, сколько вторичные остеоны. Кроме того, сосудистые каналы в первичных остеонах, как правило, меньше, чем во вторичных остеонах. По этой причине Martin и Burr (1989) предположили, что первичная костная кортикальная кость может быть механически прочнее, чем вторичная костная кортикальная кость.

III.1.4    Вторичная остеональная кортикальная костная ткань

            Вторичные остеоны отличаются от первичных остеонов тем, что вторичные остеоны образуются путем замещения существующей кости. Вторичная кость возникает в результате процесса, известного как ремоделирование. При ремоделировании костные клетки, известные как остеокласты, сначала резорбируют или разъедают часть кости в туннеле, называемом режущим конусом. За остеокластами следуют костные клетки, известные как остеобласты, которые затем формируют кость, чтобы заполнить туннель.Остеобласты заполняют туннель в шахматном порядке, создавая ламеллы, которые существуют на уровне структуры 2 и . Остеобласты не полностью заполняют режущий конус, а оставляют его центральную часть открытой. Эта центральная часть называется гаверсовым каналом (см. схему кортикального слоя кости). Общий диаметр вторичного остеона колеблется от 200 до 300 микрон (обозначается как мм; равен от 0,2 до 0,3 миллиметра). В дополнение к остеонам вторичная кортикальная костная ткань также содержит интерстициальную кость, как показано на схеме кортикальной кости.Гистологическое изображение компактной кости (с http://www.vms.hr/vms/atl/a_hist/ah062.htm) показано ниже:

                                             

Некоторые другие гистологические изображения компактной кости можно просмотреть по адресу http://www. grad.ttuhsc.edu/courses/histo/cartbone/intro.html, например гистологический разрез кортикальной кости, показанный ниже:

                                   

, показывающий другой поперечный разрез костной кортикальной кости и следующий продольный разрез, показанный ниже:

                                    

Обратите внимание на гаверсовы каналы (большие темные круги) и окружающие их кольца ламелей, образующие остеон.Меньшие темные круги представляют собой лакунарные пространства внутри кости.

. Гаверсов канал в центре остеона имеет диаметр от 50 до 90 мм. Внутри гаверсова канала находится кровеносный сосуд обычно диаметром 15 мм (Martin and Burr, 1989). Поскольку питательные вещества, необходимые для поддержания жизни клеток и тканей, могут диффундировать на ограниченное расстояние через минерализованную ткань, эти кровеносные сосуды необходимы для доставки питательных веществ на разумное расстояние (около 150 мм) от остеоцитов или костных клеток, находящихся внутри костной ткани. В дополнение к кровеносным сосудам гаверсовы каналы содержат нервные волокна и другие костные клетки, называемые клетками костной выстилки. Клетки костной выстилки на самом деле представляют собой остеобласты, которые приобрели другую форму после того периода, когда они сформировали кость.

III.2       Кортикальная костная структура второго уровня

            Структура кортикальной кости второго уровня состоит из тех образований, которые составляют остеоны в первичной и вторичной костях и «кирпичики» в плексиформной кости.Плетеная кость снова отличается тем, что на втором структурном уровне не существует различимых объектов. В пределах костной (первичной и вторичной) и плексиформной кости четыре основные структурные единицы уровня матрикса 2 и представляют собой пластинки, лакуны остеоцитов, канальцы остеоцитов и линии цемента. Пластинки представляют собой полосы или слои кости, обычно толщиной от 3 до 7 мм. Пластинки расположены концентрически вокруг центрального гаверсова канала в костной кости. В плексиформной кости пластинки зажаты между непластинчатыми слоями кости.Пластинки в костной кости разделены тонкими межламеллярными слоями, в которых может быть изменена ориентация костного минерала. Пластинки содержат коллагеновые волокна I типа и минеральные вещества.

            Лакуны и канальцы остеоцитов на самом деле представляют собой отверстия в костном матриксе, содержащие костные клетки, называемые остеоцитами, и их отростки. Остеоциты развиваются из остеобластов, которые захватываются костным матриксом в процессе минерализации. Таким образом, размер лакун остеоцитов связан с первоначальным размером остеобласта, из которого развился остеоцит.Лакуны остеоцитов имеют эллипсоидальную форму. Максимальный диаметр лакун обычно колеблется от 10 до 20 мм. Внутри лакун остеоциты находятся во внеклеточной жидкости. Каналикулы представляют собой небольшие туннели, соединяющие одну лакуну с другой. Канальцевые отростки, начинающиеся в остеоцитах, проходят через канальцы остеоцитов, чтобы соединить остеоциты. Многие считают, что эти взаимосвязи обеспечивают путь, по которому остеоциты могут передавать информацию о состояниях деформации и, таким образом, каким-то образом координировать адаптацию кости.Цветное изображение кортикальной структуры кости 2-го уровня показано ниже (это изображение было размещено на веб-сайте http://medocs.ucdavis.edu/CHA/402/studyset/lab5/lab5.htm, где имеется хорошая коллекция костей и гистология хряща):

            Одной из самых интригующих структурных единиц уровня 2 и с механической точки зрения является цементная линия. Цементные линии обнаруживаются только во вторичной кости, потому что они являются результатом процесса ремоделирования, при котором остеокласты сначала резорбируют кость, а затем остеобласты формируют кость.Линия цемента возникает в точке, где заканчивается резорбция кости и начинается формирование кости. Цементные линии имеют толщину от 1 до 5 микрон. Цементные линии считаются структурами с дефицитом коллагена I типа. Помимо этого, природа цемента широко обсуждалась. Шаффлер и др. (1987) обнаружили, что цементные линии менее минерализованы, чем окружающая костная ткань. Многие люди предполагают, что цементные линии могут служить для остановки роста трещин в костях, поскольку они очень податливы и могут поглощать энергию.

III.3       Структура кортикальной кости третьего уровня

            Чем ниже мы спускаемся по иерархии структуры кортикальной кости, тем более отрывочной и менее количественной является информация. Это связано с тем, что становится все труднее измерять как структуру кости, так и механику на все более малых уровнях. Большая часть информации о механике кортикальной структуры кости третьего уровня основана на некоторых количественных измерениях, смешанных с большим количеством теории.

            Структура кортикальной кости третьего уровня может быть разделена на два основных типа: пластинчатую и тканую.Каждый тип содержит базовый композит коллагеновых волокон/минералов типа I. Эти две структуры различаются тем, как организован композит, в первую очередь коллагеновые волокна. В тканой кости волокна коллагена расположены случайным образом и очень рыхло упакованы. Ниже показано изображение формирования плетеной кости при переломе с сайта http://www.pathguy.com/lectures/bones.htm:

             

Как отмечалось ранее, это происходит из-за быстрого образования кости.Пластинчатая кость, встречающаяся в плексиформной, первичной и вторичной костной кости, уложена более организованно (как видно на рисунке выше) и очень четко контрастирует с плетеной костью выше. структуры между тканой и пластинчатой ​​костью, обе структуры кости чаще всего подразделяются на эти две категории. Структура пластинчатой ​​кости до сих пор широко обсуждается, поэтому здесь мы обсудим конкурирующие теории

.

III.3.1 Внутри- и межламеллярная ориентация коллагена I типа

            Одна из первых теорий, получивших признание, будет обозначена здесь как теория параллельной ориентации коллагеновых волокон. Это во многом основано на работах Асенци и Бонуччи (1970, 1976). Эта теория предполагает, что коллагеновые волокна в пределах одной ламеллы преимущественно параллельны друг другу и имеют предпочтительную ориентацию внутри ламелей. Ориентация коллагеновых волокон между ламелями может изменяться до 90 o в соседних ламелях.На основании этого были определены три типа остеонов, содержащих три разных типа ламеллярных субструктур, как показано в Martin et al. 1998:

. На приведенном выше рисунке a представляет собой тип T, b представляет собой тип A, а c представляет собой тип L. Остеоны типа L определяются потому, что пластинки содержат коллагеновые волокна, которые ориентированы перпендикулярно плоскости сечения или параллельно оси остеона. Эти остеоны кажутся темными в поляризованном свете. Остеоны типа А содержат переменную ориентацию пучков волокон и, таким образом, дают чередующийся светлый и темный узор в поляризованном свете.Наконец, остеоны типа Т содержат пластинки с пучками волокон, ориентированными параллельно плоскости разреза. По отношению к оси остеона эти пучки ориентированы по поперечной спирали или окружному кольцу, перпендикулярному центру остеона.

            Giraud-Guille (1988) представил скрученную и ортогональную фанерную модель ориентации коллагеновых фибрилл в пластинках кортикальной кости. Жиро-Гиль отметил, что скрученная фанерная модель, показанная в Martin et al., 1998:

допускает параллельные коллагеновые фибриллы, которые непрерывно вращаются под постоянным углом от плоскости к плоскости в спиральной структуре. Еще одна схема скрученной фанерной модели от Martin et al. (1998) показано ниже:

Ортогональная фанерная модель состоит из коллагеновых фибрилл, которые параллельны в заданной плоскости, но в отличие от скрученных фанерных фибрилл не вращаются непрерывно от плоскости к плоскости. Вместо этого фибриллы могут принимать только одно из двух направлений, которые не совпадают по фазе друг с другом.Жиро-Гиль полагал, что ортогональная фанерная модель больше всего напоминает остеоны типа L и типа Т из модели Асенци, в то время как скрученная фанерная модель, скорее всего, объясняет остеоны типа А или чередующиеся остеоны из модели Асенци. Однако вместо трех отдельных структур, создающих три разных поляризованных световых узора, теперь будет только два.

            В то время как Ascenzi с коллегами и Giraud-Guille предложили модели ориентации коллагена, предполагающие наличие параллельных волокон, Marotti и Muglia (1988) предположили, что коллагеновые фибриллы не параллельны друг другу, а имеют случайную ориентацию.Чередование темных и светлых узоров, наблюдаемых в поляризованном свете, по мнению Маротти и Муглии, не было результатом изменения ориентации, а скорее результатом различной плотности упаковки коллагеновых фибрилл. Они определили плотную и рыхлую пластинку (показано в Martin et al., 1998):

. Светлые полосы при микроскопии в поляризованном свете они приписывали рыхло упакованным пластинкам, тогда как темные полосы можно было отнести к плотно упакованным пластинкам.Marotti и Muglia пришли к выводу, что плотная и рыхлая пластинчатая модель лучше соответствует тому, как формируется кость. Они предположили, что чередующаяся ориентация коллагена требует, чтобы остеобласты каким-то образом вращались, когда они кладут кость. Их модель требовала, чтобы остеобласты устанавливали переплетенную сетку из коллагеновых волокон, но плотность, с которой остеобласты устанавливали коллагеновые волокна, изменялась.

III.4.2 Минеральная упаковка в коллагеновых фибриллах

            Очень подробный обзор структуры кости (насколько это возможно) от ангстремного уровня (минеральный кристалл) до микронного уровня (пластины) был недавно представлен Weiner and Traub (1992).В этой работе Винер и Трауб рассмотрели минеральную структуру, минеральный коллагеновый композит и то, как минеральный коллагеновый композит вписывается в пластинки. Коллагеновые волокна с типичной длиной 0,015 мм или 0,000015 мм и длиной 3 мм или 0,003 мм, упакованные вместе, образуют коллагеновые фибриллы. Внутри упаковки коллагеновых волокон имеются отчетливые промежутки, иногда называемые зонами отверстий (рис. 14). Структура этих отверстий в настоящее время является предметом споров. В одной модели отверстия полностью изолированы друг от друга.В другой модели отверстия соприкасаются и вместе образуют канавку толщиной около 0,015 мм и длиной 0,370 мм. Внутри этих отверстий образуются минеральные кристаллы. Кристаллы минерала в окончательной форме, как полагают, состоят из карбонатного апатитового минерала, называемого даллитом, который первоначально может напоминать кристалл октакальция. Кристалл октакальция естественным образом образует пластины. Эти минеральные пластины обычно имеют размеры 0,25 на 0,5 мм в длину и ширину и толщину от 0,02 до 0,03 мм. Именно эти пластинки упакованы в фибриллы коллагена I типа.Из-за природы упаковки ориентация коллагеновых фибрилл будет определять ориентацию минеральных кристаллов. Одна из таких моделей предоставлена ​​Вайнером и Траубом (показано в Martin et al., 1998):

              

IV. Структура трабекулярной кости

            Губчатая кость — это второй тип костной ткани в организме. Он заполняет концы длинных костей, а также составляет большую часть тел позвонков.Как и в случае с кортикальной костью, мы организуем структуру трабекулярной кости в соответствии с размером физического масштаба.

Структурная организация трабекулярной кости

            Уровень              Трабекулярная структура       Диапазон размеров                h

            ____________________________________________________________

            0                     Твердый материал                             > 3000 мм                   —

            ____________________________________________________________

            1                     Вторичные трабекулы  (A)    от 75 до 200 мм             < 0.1
Первичные Trabeculae (B)
Трабекулярные пакеты (D)

            ____________________________________________________________

2 NAMELLAE ( A, B *) 1-20 мм <0,1
Lacunae (A, B, C *)
Цементные линии (A)
Canaliculi

            ____________________________________________________________

            3                     Коллаген-                                0. От 06 до 0,4 мм <0,1 минерал
композит (A, B, C)

                       A – обозначает структуры, обнаруженные во вторичной трабекулярной кости

                       B – обозначает структуры, обнаруженные в первичной губчатой ​​кости

                       C – обозначает структуры, встречающиеся в костной ткани

                       D — трабекулярные пакеты находятся между уровнями 1 st и 2 nd в масштабе

                           , но мы классифицировали их как структуры первого уровня.

                       * — указывает, что структуры присутствуют в b и c, но значительно меньше, чем в

Таблица 2.            Структурная организация трабекулярной кости с приблизительными физическими шкалами. Параметр h представляет собой отношение между уровнем i и следующим наиболее макроскопическим уровнем i – 1. Этот параметр используется в анализе RVE.

            Основное различие между трабекулярной и кортикальной структурой кости обнаруживается на структурных уровнях 1 st и 2 nd .Следует отметить, что 3 rd уровень строения трабекулярной кости совпадает (насколько нам известно) с кортикальной структурой кости. Основные различия механических свойств (насколько нам известно) между трабекулярной и кортикальной костью заключаются в эффективной жесткости структурного уровня 0 th и 1 st . Трабекулярная кость более податлива, чем кортикальная кость, и считается, что она распределяет и рассеивает энергию суставных контактных нагрузок. Трабекулярная кость составляет около 20% от общей массы скелета в организме, в то время как кортикальная кость составляет оставшиеся 80%.Однако трабекулярная кость имеет гораздо большую площадь поверхности, чем кортикальная кость. В пределах скелета трабекулярная кость имеет общую площадь поверхности 7,0 x 10 6 мм 2 , а кортикальная кость имеет общую площадь поверхности 3,5 x 10 6 мм 2 . Сравнение общих характеристик кортикальной кости и трабекулярной кости, включая объемную долю и площадь поверхности, приведено ниже (Jee, 1983):

Структурный элемент                               Кортикальная кость                          Трабекулярная кость

Объемная доля                                  0. 6

(мм 2 )

Таблица 3.            Сравнение некоторых структурных особенностей кортикальной и трабекулярной костей.

IV.1       Трабекулярная костная структура первого уровня

            Одно из самых больших различий между трабекулярной и кортикальной костью заметно на уровне структуры 1 st . Как видно из первой таблицы, трабекулярная кость гораздо более пористая, чем кортикальная кость. Объемная доля трабекулярной кости может варьироваться от чуть более 5% до максимум 60%.Объемная доля кости определяется как объем костной ткани (включая внутренние поры, такие как лакуны и канальцы) на общий объем. Доля объема трабекулярной кости варьируется между разными костями, с возрастом и между видами. Основной структурной единицей на первом уровне трабекулярной кости является трабекула. Трабекулы чаще всего характеризуются стержневидными или пластинчатыми структурами (как видно на изображениях с веб-сайта http://www.npaci.edu/envision/v15.3/keaveny.html ).

                                 

Ранние конечно-элементные модели трабекулярной структуры уровня 1 -st действительно моделировали трабекулы с использованием пластинчатых и балочных конечных элементов. Трабекулы обычно имеют толщину не более 200 мм и длину около 1000 мм или 1 мм. В отличие от остеонов, основной структурной единицы кортикальной кости, трабекулы вообще не имеют центрального канала с кровеносным сосудом. (Примечание: мы характеризуем базовую или структурную единицу 1-го уровня трабекулярной кости как трабекулу, основываясь на том факте, что она имеет такие же диапазоны размеров, как и остеон. Jee (1983) определяет трабекулярный пакет как основную структурную единицу трабекулярной кости, основываясь на том факте, что это основная единица ремоделирования трабекулярной кости, точно так же, как остеон является основной единицей ремоделирования кортикальной кости). В редких случаях можно обнаружить необычно толстые трабекулы, содержащие кровеносный сосуд и некоторую остеоноподобную структуру с концентрическими ламелями.

            Другая структура, обнаруженная в трабекуле, — это трабекулярный пакет. Мы решили определить трабекулярный пакет как структуру уровня 1 из-за его размера.Трабекулярный пакет встречается только во вторичной трабекулярной кости, потому что он является продуктом ремоделирования кости, при котором костные клетки, называемые остеокластами, сначала удаляют кость, а костные клетки, называемые остеобластами, затем откладывают новую кость там, где старая кость была удалена. Трабекулярная кость может реконструироваться только с наружной поверхности трабекул. Типичный трабекулярный пакет имеет серповидную форму (Jee, 1983). Типичный трабекулярный пакет имеет толщину около 50 мм и длину около 1 мм. Трабекулярные пакеты содержат пластинки и прикрепляются к соседней кости цементными линиями, подобными остеонам в кортикальном слое кости.

IV.2       Трабекулярная костная структура второго уровня

            Структура трабекулярной кости на уровне 2 и имеет большинство тех же объектов, что и структура на уровне 2 и кортикальной кости, включая пластинки, лакуны, канальцы и цементные линии. Трабекулярная кость, как отмечалось ранее, обычно не содержит сосудистых каналов, как кортикальная кость. Что отличает трабекулярную кость от структуры кортикальной кости, так это расположение и размер этих образований.Например, хотя пластинки в трабекулярной структуре кости имеют примерно такую ​​же толщину, что и кортикальная кость (около 3 мм; Kragstrup et al., 1983), расположение пластинок различно. В трабекулярной кости ламеллы расположены не концентрически, как в кортикальной кости, а скорее продольно вдоль трабекул внутри трабекулярных пакетов (рис. 5). Крапструп и др. отмечено, что толщина ламелей имеет тенденцию к увеличению с возрастом у самок. Канноли и др. (1982) обнаружили более высокую плотность и большие лакуны в метафизарной и эпифизарной трабекулярной кости, чем в диафизарной или метафизарной кортикальной кости.Они обнаружили, что лакуны были эллипсоидальными в обеих областях. Площадь поперечного сечения лакун в губчатой ​​кости колебалась от 50,6 до 53,8 мм 2 , тогда как площадь поперечного сечения лакун в кортикальной кости колебалась от 35 до 26 мм 2 . Таким образом, пластинчатый рисунок, а также размер лакун различаются между трабекулярной и кортикальной костью.

IV.3       Структура трабекулярной кости третьего уровня

            Третий уровень трабекулярной структуры кости состоит из тех же объектов, что и третий уровень кортикальной структуры кости, а именно композита коллагеновых фибрилл и минералов.Поскольку детальных исследований трабекулярной кости на этом уровне не проводилось, на данный момент предполагается, что структура на этом уровне, то есть организация коллагеновых фибрилл в пластинках и коллагеново-минеральная структура, такая же, как и для кортикальной кости.

            В этом разделе мы обсудим, как различные аспекты кортикальной и трабекулярной структуры костей, описанные в предыдущем разделе, влияют на их функцию, представленную механическими свойствами жесткости и прочности. Очень важно отметить, что мы можем определить свойства материала, такие как жесткость и прочность, для каждого уровня конструкции.Например, участок кортикальной кости может иметь модуль упругости точно так же, как отдельный остеон может иметь модуль упругости. Еще одно важное замечание, которое следует сделать, заключается в том, что свойства материала на более макроскопическом уровне являются функцией как свойств материала, так и пространственного расположения или архитектуры материалов на более микроскопическом уровне. В этом суть функции структуры ткани. Таким образом, жесткость кортикальной кости, то есть жесткость на 0-м уровне, является функцией расположения остеонов (пространственное расположение или архитектура на 1-м уровне), жесткости отдельных остеонов (материальных свойств на 1-м уровне), степени минерализации остеоны (пространственное расположение и свойства материалов на 3-м уровне и др. Одна из целей биомеханики состоит в том, чтобы определить, как изменения данного структурного уровня, вызванные, возможно, болезнью или сознательным вмешательством для изменения структуры кости, влияют на несущую способность кости. Это вписывается в следующий сценарий обратной связи:

                            

Нагрузка на всю кость (определяемая, например, оптимизационным анализом, который мы обсуждали ранее) создает напряжение и деформацию на каждом уровне структуры. Уровень напряжения и деформации, создаваемые нагрузкой, зависит от иерархических свойств материала.Последующее напряжение или напряжение воспринимается клеткой, чтобы определить, находится ли оно в допустимых пределах, как нижних, так и верхних. В противном случае клетка может воздействовать на матрикс, изменяя структуру кости и тем самым изменяя механические свойства. Это изменяет (при условии, что нагрузка остается неизменной) напряжение и деформацию, испытываемые клеткой. Считается, что клетки, действующие вместе, регулируют структуру кости в ответ на механическое окружение. Это, в свою очередь, определяет жесткость и прочность ткани. Заболевания, которые влияют либо на способность клеток воспринимать механическое напряжение, либо на изменение костного матрикса, могут привести к ухудшению механических свойств.Далее мы опишем один аспект этой петли, а именно то, как различные аспекты структуры кости влияют на механические свойства, обычно известные как структурно-функциональные отношения. Мы начнем с определения напряжения, напряжения и определяющих свойств, рассматриваемых в иерархической перспективе.

V.       Иерархическое напряжение, деформация и определяющие свойства

            И кортикальная, и трабекулярная кости имеют иерархическую структуру, как и все биологические ткани.Точно так же, как они представляют собой структурные объекты разного масштаба длины от субмикрона до сантиметра, мы можем определить механическое поведение, включая напряжение, деформацию и свойства материала на каждом уровне структуры. Например, свойства кортикального слоя кости часто определяют путем механической обработки образца кортикального диафиза на растяжение. Этот образец может иметь рабочую площадь 5×5 мм и длину 5 мм. Схема показана ниже:

                                              

Напряжение в этой секции манометра вычисляется просто как усилие от тензодатчика при растяжении, деленное на площадь поперечного сечения манометра.Деформация измеряется как изменение длины контрольной секции, деленное на первоначальную длину контрольной секции. Однако калибровочная часть может содержать много остеонов. Очевидно, что экспериментальные напряжения и деформации являются средними по многим остеонам. Это указывает на то, что напряжение, которое мы измеряем в тестовой установке выше, не может представлять напряжение в одном остеоне. Мы можем связать среднее напряжение (структура 0-го уровня в организационной схеме кортикальной кости) с напряжением первого уровня на уровне костей, используя следующее уравнение:

                       

где обозначает эффективное напряжение, которое эквивалентно напряжению на 0-м уровне в нашей организационной диаграмме кортикальной кости, обозначает объем тестируемого куба кости, который эквивалентен объему на первом уровне шкалы, обозначает напряжение на уровень oseon, который эквивалентен стрессу 1-го уровня в организационной структуре кортикальной кости. Мы также можем записать то же соотношение для средней деформации:

                        

, где уровни такие же, как в уравнении среднего напряжения, а e — деформация.

Несмотря на то, что мы можем записать деформацию и напряжение для данного макроскопического уровня как среднее значение для следующего микроскопического уровня, мы, как правило, не можем сделать то же самое для определяющих уравнений. Это связано с тем, что конститутивные свойства различаются в разных фазах материала на микроскопическом уровне.Например, в кортикальной кости микроструктура содержит свойства жесткости для остеонов и пространства кровеносных сосудов в дополнение к интерстициальной кости. Если предположить, что существует n фаз микроструктуры, то когда определяющее уравнение для эффективного или макроскопического уровня можно записать в виде:

        

Мы можем переписать приведенные выше уравнения в матричной форме следующим образом:

                         

, где M известна как матрица локализации деформации или для краткости локальная матрица. Форма M может варьироваться в зависимости от предполагаемой модели (если мы делаем вычислительные или аналитические модели) или от экспериментальных мер, используемых для количественной оценки структуры. Приведенные выше уравнения представляют собой то, что мы знаем интуитивно, а именно, что эффективные свойства на макроскопическом уровне зависят от микроскопических свойств [C], пространственного расположения или архитектуры этих микроскопических свойств [M]. Важно отметить, что приведенное выше уравнение регулирует отношения между любыми структурными уровнями, определенными в диаграмме организации кортикальной и трабекулярной костей.То есть эффективные свойства остеонов могут быть связаны с распределением лакун, организацией коллагена, степенью минерализации и т. д.

 Для трабекулярной кости механические свойства на 0-м уровне, чаще всего называемые «эффективными» или «континуальными» свойствами трабекулярной кости, определяются экспериментально чаще всего путем тестирования кубов трабекулярной кости со стороной от 8 мм до 1 см на сжатие. , под загрузочной плитой:

               

Опять же, как и в случае с кортикальной костью. В этих тестах предполагается, что одна средняя мера напряжения может быть вычислена как сила, деленная на площадь грани куба.Деформация вычисляется путем деления изменения длины куба на первоначальную длину куба. Важно отметить, что, вычисляя таким образом напряжение, мы вычисляем среднее или эффективное напряжение. Другими словами, напряжение, которое мы вычисляем, такое же, как если бы мы усредняли напряжение по всем отдельным трабекулам и доступному поровому пространству. Математически это можно записать так:

.

                       

где обозначает эффективное напряжение , которое эквивалентно напряжению на 0-м уровне в нашей организационной диаграмме трабекулярной кости, обозначает объем тестируемого куба, который эквивалентен объему на первом уровне шкалы, обозначает напряжение на уровне трабекулы , что эквивалентно стрессу 1 уровня в организационной схеме трабекулярной кости. Средняя деформация определяется так же, как:

                     

, где верхние индексы и уровни такие же, как и для среднего напряжения. Конститутивная матрица на эффективном уровне связана со свойствами микроскопического уровня с использованием того же правила для конститутивного уравнения, которое мы использовали для кортикальной кости.

III         Упругие/прочностные свойства кортикальной кости на 0-м уровне : влияние структуры 1-го уровня

ure

            Значения механической жесткости чаще всего измерялись для вторичной гаверсовой кости человека и коровьей (бычьей) кости, а также бычьей плексиформной кости.Жесткость измерялась с использованием как стандартных методов механических испытаний, так и ультразвуковых измерений, при которых измерялась скорость волн, распространяющихся через материал. Эта скорость волны связана с жесткостью и плотностью материала.

            Reilly et al. (1974) измерили жесткость вторичной костной кости человека, вторичной гаверсовой кости крупного рогатого скота и первичной бычьей кости. Рейли и др. не измерял константы Гука напрямую, а скорее измерял модули в направлении снизу вверх (обозначается направлением 33 в законе Гука) и радиальном направлении в поперечном сечении длинной кости.Рейли и др. найдено:

Тип кости                  Модуль I-S     Модуль Радиальный            Прочность IST     Прочность Радиальная

Гул. Гаверсиан            17,9 ГПа         10,1 ГПа                     135 МПа          53 МПа

Гаверсиан крупного рогатого скота         23,1 ГПа         10,4 ГПа                            150 МПа          49 МПа

Крупный рогатый скот Первичный            26,5 ГПа         11,0 ГПа                             167 МПа          55 МПа

Обратите внимание, что жесткость кости больше в направлении IS по длине остеона, чем в поперечном направлении поперек остеона. Также обратите внимание, что вторичные остеоны (гаверсова кость) с большим количеством ламелей, как правило, снижают как жесткость, так и прочность кортикального слоя кости.

            Katz et al. (1984) измерили и сравнили константы ортотропной упругости бычьей плексиформной кости и вторичной кости человека:

            Постоянная упругости            Значение плексиформы            Вторичное значение

21.2 ГПа

            C 2222                              25,0 ГПа                            21,0 ГПа

            C 3333                               35,0 ГПа                     29,0 ГПа

            C2323                             8,2 ГПа                      6,3 ГПа

            C1313                             7,1 ГПа                      6,3 ГПа

            C 1212                               6.1 ГПа                      5,4 ГПа

            C 1122                               14,0 ГПа                             11,7 ГПа

            C 2233                               13,6 ГПа                             11,1 ГПа

            C 1133                               15,8 ГПа                            12,7 ГПа

Обратите внимание, что плексиформная кость с кирпичной структурой имеет ортотропную симметрию, в то время как вторичный гаверсов канал почти поперечно изотропен. Существующий тип симметрии материала является результатом различных типов структур уровней 1 и . Остеоны представляют собой трубчатые структуры, которые демонстрируют поперечно-изотропную симметрию, в то время как кирпичные структуры плексиформной кости демонстрируют ортотропную симметрию в зависимости от соотношения сторон кирпича.

Обзор (или репрезентативное среднее) свойств кортикальной кости человека и крупного рогатого скота (коровы) был представлен Martin et al. (1998):

17.4 GPA 20.4 GPA
Эластичный модуль длиной 9.6 GPA 11.7 GPA
Сдвиг модуля 3,5 ГПа 4.1 GPA
Растягивающая растяжение напряжение длиной 115 м PA 141 MPA
растягивающая тензодатчик длиной 133 м PA 156 MPA
RA 50 МПа
Comp right rights длиной 182 м PA 196 MPA
Comp right is ress 121 м PA 150 MPA
Comp ult Long длиной 195 м PA 237 MPA
Comp ult restress Trans 133 m PA 178 MPA
растяжение предельных штаммов 2.9 — 3,2%                             . 67 – 0,72%
Сжатие Ульт. Штамм                  2,2 – 4,6%                            2,5 – 5,2%

Важно отметить, что представляют собой величины текучести и предельного напряжения. Хотя кость не является эластично-пластическим материалом в классическом понимании, подобно металлам, кость поддается деформации. Это означает, что при достаточно высоких нагрузках в кости будет происходить остаточная деформация. Предельная прочность – это напряжение, при котором кость подвергается катастрофическому разрушению.Модуль упругости – это жесткость кости. Мы иллюстрируем эти концепции на схематической кривой напряжения-деформации ниже:

                         

Пористость

            Мы увидели, что свойства кортикальной кости существенно зависят от микроструктурных различий между костной и плексиформной костью. Тем не менее, эти отношения функции костной структуры были качественными из-за трудностей с количественной оценкой этих типов микроструктур. Одной микроструктурной переменной, оказывающей значительное влияние на механические свойства кости, является пористость.Однако пористость трудно классифицировать, поскольку она проявляется в нескольких масштабах. В кортикальной кости пористость может быть результатом гаверсовых каналов и полостей резорбции на 1-м уровне (~ 100-200 мкм) вплоть до лакун и канальцев на 2-м уровне (~ 5-20 мкм). В кортикальной кости, хотя измерения пористости учитывают все эти пустоты, считается, что более крупные пустоты, гаверсовы каналы, оказывают большое влияние на механические свойства.
И Schaffler, и Burr (1988), и Currey (1988) измеряли модуль упругости при растяжении кортикального слоя кости и сравнивали результаты с показателями пористости.Оба обнаружили статистически значимые связи и получили эмпирические зависимости между пористостью p и модулем Юнга E:

.

                                   

Обратите внимание, что модуль Юнга дается в ГПа, а показатель степени пористости очень большой и нелинейный. Это означает, что в тот момент, когда в кость вводится пористость, происходит значительное снижение жесткости. Влияние предельного напряжения на пористость аналогично. Мартин и др. (1998) представляют составной график, показывающий несколько экспериментов, связывающих предельное напряжение с пористостью:

                                   

Минерализация

            Важным компонентом кости, отличающим ее от мягких тканей, является наличие керамического минерала, подобного ГК.Постулируется, что минеральный компонент придает кости высокую жесткость по сравнению с мягкими тканями, в то время как коллаген типа I способствует поведению кости после деформации. Currey (1986) обнаружил, что специфическая минерализация и пористость могут объяснить 84% различий в жесткости кортикальной кости. Удельная минерализация определяется как объем минералов на объем костного матрикса без учета пустот. Schaffler и Burr (1988) обнаружили, что минералы действительно объясняют некоторые различия в жесткости кортикальной кости, но не значительные из-за того, что между образцами была небольшая вариабельность специфической минерализации. Они вывели уравнение, связывающее минерал с модулем упругости:

.

                                   

Обратите внимание, что показатель степени минерализации не так высок для пористости, что указывает на то, что пористость оказывает большее влияние на жесткость кости, чем минерализация. Это, конечно, верно только в том случае, если изменение минерализации невелико.

VI         Влияние структуры 2-го порядка на 1-й порядок

Свойства материала

            Доступно очень мало механических данных о механике кортикальной кости 2-го уровня.Ascenzi и коллеги (см. Martin and Burr, 1998) выполнили самые механические испытания отдельных остеонов. Процедура, с помощью которой Ascenzi и его коллеги тестировали остеоны, показана ниже:

                              

. Результаты тестирования Ascenzi показывают, что вторичная жесткость остеона меньше, чем у крупных образцов кортикальной кости. Это указывает на то, что некоторые другие структуры в кортикальной кости, возможно, интерстициальная кость, вносят больший вклад в общую жесткость кортикальной кости.

Osteon Недвижимость от Ascenzi

Тип остеона                    Механические испытания         Модуль упругости (ГПа)             Предельное напряжение (МПа)

Продольное                 Сжатие               6.3                                         110

Поперечный                   Сжатие               9.3                                         164

Переменный                   Сжатие                7.4                                         134

Продольное                 Напряжение                        11.7                                       114

Переменное                   Напряжение                       5.5                                         94

Продольный                 Сдвиг                          3.3                                         46

Поперечный                   Сдвиг                          4. 2                                         57

Переменный                   Сдвиг                          4.1                                                 55

Термины «продольный» и «перемежающийся» относятся к тому, как пучки коллагеновых волокон ориентированы относительно плоскости среза остеона.Обратите внимание, что пучки коллагеновых волокон, ориентированные в направлении тестирования, дают более высокую нормальную жесткость, в то время как пучки коллагеновых волокон, ориентированные вне плоскости тестирования, дают более низкую нормальную жесткость, но более высокую жесткость при сдвиге. Ascenzi также сообщил о влиянии минерализации на свойства этих различных типов остеонов. Эффект показан на диаграмме напряжения-деформации ниже:

            Еще одним важным аспектом того, как структура уровней 2 и влияет на механику кортикального слоя кости, является распространение трещин и усталостная долговечность.Поскольку кажется, что и первичная, и плексиформная кость обладают более высокой прочностью и жесткостью, чем вторичная костная кость, возникает вопрос, почему у людей и других активных млекопитающих вторичная кость, а не плексиформная или первичная кость. Хотя может быть много метаболических причин, одна механическая причина связана с инициированием и остановкой трещины. Поскольку люди и другие более мелкие млекопитающие гораздо более активны, чем коровы и овцы, их кости подвергаются множеству циклов нагрузки. Это сделало бы человеческую кость гораздо более подверженной усталостному разрушению.Когда-то механическое преимущество вторичной кости заключалось в том, что она имеет множество податливых интерфейсов, таких как цементные линии. Эти слабые интерфейсы обеспечивают много возможностей для остановки трещин, что делает вторичную костную кость, возможно, более устойчивой к усталости.

VII. Зависимость эффективных свойств трабекулярной кости (0-й уровень) от структуры 1-го уровня: Часть I Количественная оценка трабекулярной структуры

            Основными особенностями трабекулярной структуры кости на уровне 1 являются высокая пористость, сложная архитектура и ориентация сложной стержне-пластинчатой ​​структуры трабекул. Таким образом, мы можем ожидать, что эти особенности наряду с минерализацией будут основными факторами, способствующими эффективной жесткости трабекулярной кости. Это похоже на детерминанты эффективной жесткости кортикальной кости, которыми были остеоны по сравнению с плексиформной структурой, степень пористости и степень минерализации. Однако существенное различие между структурой кортикальной кости 1-го уровня и структурой 1-го уровня трабекулярной кости заключается в существенном изменении структуры трабекулярной кости 1-го уровня по сравнению со структурой кортикальной кости.В то время как большая часть структуры взрослого человека является костной, с узкой пористостью в диапазоне от 5 до 10%, трабекулярная кость взрослого человека имеет гораздо более широкий диапазон пористости (от 10 до 50%) и гораздо более разнообразную структуру. Остеоны в целом имеют довольно постоянную ориентацию в кортикальной кости, но стержни и пластинки в трабекулярной кости имеют гораздо большую вариацию ориентации. Следовательно, в дополнение к количественной оценке пористости трабекулярной кости мы также должны придумать способ количественной оценки ориентации стержней и пластин в трабекулярной кости.

            Мы количественно оцениваем трабекулярную структуру, используя методы стереологии. Эти методы используют точки и линии, проложенные поперек конструкции, и подсчитывают количество точек, попадающих в каждую фазу конструкции, и количество пересечений между структурными границами фаз. Первоначально это делалось с помощью микроскопа с использованием 2D-срезов, но теперь с 3D-визуализацией эти подходы были автоматизированы в компьютерных алгоритмах. Основная идея проведения стереологических измерений трабекулярной кости (или любой структуры ткани, если уж на то пошло) показана ниже:

                     

На приведенном выше рисунке трабекулы показаны штриховкой, а пустоты или костномозговое пространство показаны белым цветом.Квадратная сетка накладывается на этот двухмерный участок кости. Темные круги внутри кости обозначаются как Pp. Это одно измерение трабекулярной архитектуры. Pp в основном представляет собой отношение количества пересечений сетки, попавших в кость, к общему количеству пересечений сетки. Это мера объемной доли кости или, что то же самое, обратная величина пористости. Второе измерение, P1, производится путем подсчета количества пересечений между костью и окружающим пространством костного мозга.Эта мера на самом деле является функцией ориентации, поскольку сетки поворачиваются от 0 до 360 градусов, и на структуре производится подсчет пересечений. Используя воксельные данные КТ, это измерение анизотропии выполняется с помощью сферы. Таким образом, мы имеем Pl как функцию ориентации, т.е. Pl(q). Это измерение дает нам указание на расстояние между пересечениями костного мозга, таким образом, давая нам некоторое представление о ширине трабекулы. Из-за этого P1 часто называют средней длиной точки пересечения .Когда на полярном графике трабекулярной кости отображается количество пересечений в зависимости от тета, результатом является эллипс. В 3D получается эллипсоид. Общее уравнение для эллипсоида (без учета терминов, отражающих ориентацию эллипсоида):

 

, где величины Aij — коэффициенты эллипсоида, а в данном случае xi — средние меры длины пересечения в базовой системе координат. Харриган и Манн (1984) признали, что приведенное выше уравнение по существу является внутренним произведением тензора второго порядка с двумя векторами и что приведенное выше уравнение можно переписать как:

                      

Поскольку A имеет девять величин в трехмерном пространстве, мы признаем, что это тензор второго порядка.Фундаментальное свойство тензоров состоит в том, что мы можем вычислять главные направления и характеристические значения тензоров. Характеристические значения называются собственными значениями , тогда как характеристические направления для тензора второго порядка являются векторами, называемыми собственными векторами . Коэффициенты A для тензора рассчитываются путем статистической подгонки между экспериментально измеренными длинами точек пересечения как функцией ориентации и уравнением эллипсоида. Полученные коэффициенты обычно называют тензором анизотропии , так как они указывают на структурную симметрию кости.Обратите внимание, что этот тензор НЕ является мерой анизотропии механических свойств кости, хотя, как мы увидим, он связан. Если мы выполним собственный анализ тензора анизотропии, мы найдем собственные значения, а также собственные векторы. Собственные векторы дают нам основную ориентацию трабекул внутри куба, а собственные значения дают нам относительную среднюю длину костных трабекул в каждом из этих направлений. Если нам дана матрица (тензор 2-го порядка) коэффициентов средней длины пересечения, мы можем использовать MATLAB для вычисления собственных значений и связанных с ними собственных векторов.Пример показан ниже:

Предположим, что нам даны следующие коэффициенты тензора анизотропии:

» а=[1. .2 .3; .2 .9 .1; .3 .1 .7] ; Это ввод MATLAB для тензора

.

a = 1,0000 0,2000 0,3000
       0,2000 0,9000 0,1000
         0,3000 0,1000 0,7000

Чтобы найти собственные значения и связанные с ними собственные векторы, мы используем команду MATLAB eig, как:

»   [e,v]=eig(a)  ; В этом случае e будет содержать собственные векторы, а v будет содержать собственные значения.

Получаем следующие результаты:

e = 0,3733 -0,5426 0,7525
     -0,8748 0,0640 0,4802
        0,3087 0,8376 0,4508

v = 0,7794 0 0
      0 0,5133 0
      0 0 1,3073

Первый столбец e — это собственный вектор, связанный с первым столбцом v и так далее. Это говорит нам о том, что наибольшее количество кости составляет 1,3 мм, расположенное вдоль единичного вектора
.75i +  .48j +  .45k.

Подводя итог, можно сказать, что когда мы используем сетку измерений трабекулярной кости, мы получаем следующие показатели структуры:

Pp — количество сеток в кости/общее количество сеток => объемная доля кости

Pl — количество перехватов кости/мозга в зависимости от ориентации => подгонка к эллипсоиду с последующим собственным анализом дает основное направление кости и количество кости вдоль этого направления.

VIII. Зависимость эффективных свойств трабекулярной кости (0-й уровень) от структуры 1-го уровня: Часть I Связь между показателями трабекулярной структуры и жесткостью

Была проделана большая работа по измерению механических свойств трабекулярной кости на уровне 0 th , которые являются результатом ее структуры уровня 1 st . Многие исследователи охарактеризовали бы трабекулярную кость на 0-м уровне как ортотропный материал.Многие измерения жесткости трабекулярной кости на уровне 0, характеризовали только осевую жесткость трабекулярной кости. Это связано с трудностями, связанными с измерением ортотропных свойств. Жесткость и прочность трабекулярной кости уровня 0 th являются функцией ее структуры уровня 1 st . Таким образом, многие исследования связывают измерения структуры первого уровня, включая плотность или объемную долю трабекул и ориентацию трабекул, с трабекулярной жесткостью на уровне 0,.Было обнаружено, что жесткость трабекулярной кости находится в диапазоне от 1 до 1000 МПа. Установлено, что предел прочности трабекулярной кости находится в диапазоне от 0,12 МПа до 310 МПа (Goldstein, 1987). Таким образом, трабекулярная кость имеет тенденцию проявлять гораздо более широкий диапазон жесткости и прочности, чем кортикальная кость, возможно, из-за больших различий как в плотности, так и в организации структуры уровня 1, присущей трабекулярной кости. Многие исследователи пытались найти корреляцию между плотностью и жесткостью трабекулярной кости и плотностью и прочностью трабекулярной кости.В общем, уравнения вида:

                                

, где A и B — константы в обоих случаях, E — модуль Юнга, а nf — объемная доля. Соотношение мощности нашло много применений в литературе по ячеистым пенам. Поскольку 1 st уровень трабекулярной структуры кости во многом напоминает ячеистую пену, считалось, что силовые отношения обеспечат лучшее прилегание. Коэффициент B в зависимости мощности обычно находится в диапазоне от 2 до 3 для трабекулярной кости.Тем не менее, похоже, что соответствие, обеспечиваемое линейной и степенной зависимостью, обеспечивает сравнимую прогностическую способность трабекулярной жесткости кости. Чиарелли и др. (1991) обнаружили, что линейные отношения лучше подходят для некоторых костей, в то время как степенные отношения лучше подходят для других регионов. Сравнение жесткости (модуля сжатия) в нижне-верхнем направлении для разных костей из Ciarelli et al. показано ниже:

Region R 2 для линейной модели R 2 для модели мощности

            Проксимальный отдел бедра            0.50                                        0,55

            Дистальный отдел бедра                0,65                                      0,65

            Проксимальный отдел большеберцовой кости              0,41                                       0,40

            Проксимальный отдел плечевой кости        0,65                                      0,66

            Дистальный радиус                0,17                                      0,13

           Как вы могли заметить, плотность сама по себе во многих случаях не дает очень хорошего прогноза жесткости уровня 0 th .Это связано с тем, что скаляр нельзя использовать для оценки такой тензорной величины, как жесткость. Это также связано с тем, что жесткость трабекулярной кости на уровне 0 th зависит от других аспектов структуры уровня 1 st , как можно догадаться по ее анизотропной природе. Таким образом, некоторые исследователи пытались измерить ортотропные константы трабекулярной кости, в то время как другие использовали другие меры структуры трабекулярной кости для связи с жесткостью. Эшман и др. (1989) измерили ортотропный осевой модуль и модуль сдвига проксимального отдела трабекулярной кости большеберцовой кости с помощью ультразвука, получив:

                                  Модуль упругости                        Средняя жесткость (МПа)

                                  Осевой, E 1                                             346.8 (218)

                                 Осевой, E 2                                             457,2 (282)

                                 Осевой, E 3                                             1107.1 (634)

                                  Сдвиг, G 12                                          98,3 (66,4)

                                  Сдвиг, G 13                                        132. 6 (78.1)

                                  Сдвиг, G 23                                        165,3 (94,4)

, где числа в скобках обозначают стандартное отклонение экспериментальных измерений. В этом случае направление 3 — это IS (нижне-верхнее) направление, направление 1 — это AP (передне-заднее) направление, а направление 2 — это ML (медиально-латеральное) направление. Поскольку большеберцовая кость нагружается в основном в направлении IS, вы можете видеть, что жесткость кости адаптирована к преобладающей нагрузке.

            Snyder et al. (1989) измерили полные константы ортотропной упругости трабекулярной кости проксимального отдела бедренной кости с помощью механических испытаний. Они также измерили структуру трабекулярной кости 1-го уровня, используя среднюю длину пересечения (MIL). По сути, это говорит о том, насколько кость ориентирована в каком-либо конкретном направлении. Его измеряют, накладывая тестовые линии на поверхность кости и подсчитывая, сколько раз тестовая линия пересекает поверхность кости (рис. 4). Линии поворачиваются на 180 o и количество пересечений подсчитывается с фиксированным угловым приращением.Затем эти точки пересечения могут быть приведены к форме эллипсоида или, что то же самое, к тензору второго порядка, который является мерой анизотропии трабекулярной кости. Снайдер и др. связал как объемную долю кости, так и MIL с константами ортотропной упругости. Они обнаружили следующие отношения:

S ii = 1/E i = .00166/V f + .00117/MIL

S kk = 1/G ij = .00552/V f + .0299/(MIL i   + MIL j ) + .00615/(МИЛ + МИЛ)

S ij = n ij /E i = -.06/(MIL i + MIL j ) + .0105/(MIL i /8) 3.0.0390 *MIL (млн+млн)

, где S ii — коэффициенты осевой податливости, S kk — коэффициенты податливости при сдвиге, S ij — коэффициенты податливости вне оси, Vf — объемная доля кости, а MIL i — средняя длина пересечения в i th антомическом направлении. Матрица податливости [S] является обратной матрицей жесткости материала [C]. Другими словами: . Результаты подтверждают достоверную зависимость жесткости трабекулярной кости на уровне 0 th от структуры трабекулярной кости на уровне 1 st .

IX        Аналитические модели структурно-функциональных отношений

            Помимо статистических экспериментальных подходов к взаимосвязям функций костной структуры существуют также аналитические вычислительные модели для взаимосвязей функций костной структуры.Двумя самыми простыми, но наиболее часто используемыми являются модели Войта и Ройсса. Модель Войта предполагает, что деформации во всех областях микроструктуры одинаковы. Это приводит к вычислению эффективной жесткости по объемной доле взвешивания жесткости каждой фазы. С точки зрения общей взаимосвязи между жесткостью и структурой локальная матрица — это просто единичная матрица. Если провести интегрирование объема каждой микроструктуры, то получим усредненную матрицу, имеющую объемную долю кости по диагонали:

где величина vf – объемная доля n-й фазы. Это то же самое, что правило смесей. Если предположить, что напряжения в каждой фазе равны, то мы получим модель Рейсса. Эта модель обратна модели Войта в том, что она взвешивает матрицы податливости по объемной доле каждой фазы:

            

Важно помнить, что податливость S обратно пропорциональна жесткости C,

Мы отмечаем здесь, что из-за предположений о распределении деформации на микроскопическом уровне вычислительные и аналитические модели обеспечивают ограничения фактической жесткости, полученной из конструкции.Фактически модели Войта и Ройсса обеспечивают абсолютные верхние и нижние границы соответственно. Это полезно, потому что модели просты, и мы можем сразу же получить ограничение диапазона жесткости на основе объемной доли каждой структуры. Существуют более продвинутые вычислительные и аналитические модели для оценки эффективных свойств на основе структуры, но они выходят за рамки этого класса.

X. Пороэластичные конститутивные модели костей:

     Наиболее общая линейная анизотропная форма пороупругости была описана Саймоном в 1992 году как:

      

, где опять-таки свойствами материала являются Cijkl, Mij, Q и kij. В исследовании Kohles и Roberts (2002) определялась эластичность губчатого вещества кости с использованием ультразвуковых волн и проницаемость с использованием устройства из более ранней работы Kohles et al. (2001):

  

, что позволило измерить анизотропную проницаемость губчатой ​​кости. Проницаемость измеряли, позволяя воде течь с возвышения через образец губчатого вещества кости в резервуар для сбора. Измеряя массовый расход жидкости dm/dt, длину образца L, вязкость воды m, площадь образца A и дельту градиента давления p, можно рассчитать проницаемость K как:

      

Константы упругости были измерены по скорости ультразвуковой волны как:

    

Таким образом, используя этот подход, Kohles и Roberts смогли определить некоторые константы линейной теории пороупругости применительно к губчатой ​​кости, в данном случае из дистального отдела бедренной кости крупного рогатого скота (коровы).Результаты показали, что, как и ожидалось, увеличение модуля упругости коррелирует с уменьшением проницаемости:

С точки зрения соотношения структура-функция Кохлес и Робертс построили график зависимости пористости от эластичности:

, который показал слабую отрицательную корреляцию, указывающую на то, что пористость была фактором снижения упругих свойств, но не единственным фактором. Они также обнаружили, что увеличение пористости слабо коррелирует с увеличением проницаемости:

Оба этих структурно-функциональных результата убедительно свидетельствуют о том, что другие аспекты трабекулярной структуры кости будут более сильно коррелировать как с константами упругости, так и с константами проницаемости из теории линейной пороупругости, возможно, с тензором анизотропии, который ранее использовался для корреляции с константами упругости.

XI. Вязкоупругие модели костей

Кость также характеризуется как вязкоупругий материал. Айо и др. (2004, J. Biomechanics) использовали механический аналог для описания вязкоупругого поведения кортикальной кости крупного рогатого скота (коровы). Для описания релаксации модуля Юнга использовалась следующая функция:

, где E0, A1, b и g — экспериментальные константы, подлежащие определению, а t1 и t2 — характерные времена релаксации, которые также должны соответствовать данным. В этом случае Iyo et al. разделите ответ на быстрый процесс релаксации (связанный с A1) и медленный процесс релаксации (связанный с (1-A1)). Айо и др. испытанные образцы кортикальной кости дистального отдела бедренной кости крупного рогатого скота, как показано в следующей ориентации:

Они определили следующие параметры релаксационной модели для образцов P и N:

                   Параметр:             E0 (ГПа)          A1                t1 (сек)                     t2 (сек)

N                                            14.2                 .08               49                         9300000

P                                           11.6                 0.11              50                                                           

 

 

 

 

 

Компактная кость | Структура и функции — видео и стенограмма урока

Функция компактной кости

Основной функцией компактной кости является обеспечение поддержки, прочности и защиты костей. Тонкие кости в верхней и нижней частях ног известны как длинные кости . Эти кости состоят из закругленных частей на каждом конце, известных как эпифизы , и длинного стержня, известного как диафиза , который состоит в основном из компактной кости.

Длинные кости ног содержат большое количество компактной костной ткани, которая обеспечивает этим костям прочность, необходимую для удержания веса тела во время ходьбы или бега.

Представьте себе, что здание небоскреба было построено с использованием несущих балок из пористого дерева вместо плотного металла.Древесина гораздо менее плотная по сравнению с металлом, и поэтому она не может обеспечить такую ​​поддержку здания. Высокое здание, скорее всего, рухнуло бы на землю, если бы его опорные конструкции были деревянными. То же самое касается костей. Если бы наш скелет не содержал плотной компактной костной ткани, он не смог бы поддерживать наше тело во время нагрузок, таких как ходьба, бег или переноска предметов. Более слабая, менее плотная костная ткань, скорее всего, сломается или раскрошится даже при легких физических нагрузках.

Компактная костная структура

Более подробное изучение структуры и состава компактной кости поможет понять, как эта кость выполняет перечисленные выше функции.Снаружи компактная кость покрыта надкостницей , которая представляет собой двухслойную мембрану. Внешний слой содержит нервы и кровеносные сосуды, которые проходят в костный матрикс. Внутренний слой надкостницы содержит остеобласты. Остеобласты — это специализированные костные клетки, функция которых заключается в синтезе костного матрикса для образования новой костной ткани. Остеоциты представляют собой клетки кости, происходящие из остеобластов. Остеобласты также выделяют минеральные соли и коллаген, которые помогают костям сопротивляться разрушению.Новая костная ткань, продуцируемая остеобластами, помогает обеспечить плотность и твердость компактной кости. Следует отметить, что губчатая кость также содержит остеобласты.

Компактная костная ткань

Компактная костная ткань состоит из ряда плотно упакованных концентрических колец костной ткани, которые полностью или частично проходят по длине данной кости. Эти пучки структур костной ткани помогают придать компактной кости прочность. Кроме того, компактная кость состоит из ряда взаимосвязанных канальцев (или каналов), которые помогают снабжать кровью различные остеоциты в кости.

Компактная кость содержит множество плотно расположенных концентрических кругов костной ткани, которые придают кости прочность.

Функциональная единица компактной кости

Функциональная единица компактной кости называется остеоном и состоит из концентрических кругов ткани, описанных выше. Эти остеоны плотно связаны друг с другом, помогая придать компактной кости ее плотность, твердость и прочность.Есть несколько частей остеона, которые описаны в следующей таблице:

Часть остеона Описание
Ламели Пластинки представляют собой слои плотной, компактной костной ткани (также известной как матрикс), которые образуют концентрические кольца остеона.
Центральный канал Центральный канал (также известный как гаверсов канал) представляет собой трубчатый проход, который содержит кровеносные сосуды и нервные волокна.Вокруг этих каналов формируются концентрические кольца остеона.
Лакуны Лакуны представляют собой очень маленькие пространства в костной ткани, содержащие остеоциты, представляющие собой полностью сформированные костные клетки, продуцируемые остеобластами.
Каналикулы Каналики представляют собой небольшие каналы или трубочки, идущие от лакун к центральному каналу, они снабжают остеоциты кровью.

Остеон является функциональной единицей компактной кости, и остеоны содержат пластинки, центральный канал, лакуны и канальцы.

Где находится компактная кость?

Компактная кость встречается на большей части человеческого тела. Его можно найти во всех основных костях, несущих вес, а также прикрепленных к губчатой ​​кости и поддерживающих ее. Основные несущие кости в человеческом теле расположены в ногах, и эти кости являются одними из мест, где находится наибольшее количество компактной кости. Участки этих костей, которые содержат много компактной костной ткани, включают:

  • Диафрагма бедренной кости: Бедренная кость представляет собой длинную кость в верхней части голени.
  • Стержень малоберцовой кости. Малоберцовая кость — длинная кость на боковой стороне голени.
  • Стержень большеберцовой кости: Большеберцовая кость (также известная как большеберцовая кость) представляет собой длинную кость на медиальной стороне голени.

Краткий обзор урока

Компактная кость образует твердый, плотный внешний слой костей и является одним из двух основных типов костей в организме человека. Другой тип кости – губчатая кость. Губчатая кость находится в середине многих костей, она очень пористая и относительно хрупкая по сравнению с компактной костью.

Компактная кость обеспечивает поддержку, прочность и защиту костей, особенно длинных костей. Длинные кости — это длинные тонкие кости, расположенные в верхней и нижней частях рук и ног. Эти кости состоят из закругленных частей на каждом конце, известных как эпифизы , и длинного стержня, известного как диафиза , и стержень содержит большое количество компактной кости.

Компактная кость покрыта надкостницей , которая представляет собой двухслойную мембрану с внутренним слоем, содержащим остеобласты. Остеобласты — это костные клетки, которые производят новую костную ткань. Компактная кость также содержит плотно упакованные концентрические круги ткани, которые также помогают придать компактной кости прочность. Эти концентрические круги известны как остеоны , и части остеона включают:

  • Пластинки : слои ткани, которые образуют концентрические круги остеона.
  • центральный канал : трубкообразный канал, содержащий кровеносные сосуды и нервные волокна
  • Лакуны : небольшие пространства в костной ткани, содержащие остеоциты
  • Canaliculi : небольшие каналы, идущие от лакун к центральному каналу.

Компактная кость находится в каждой кости тела, особенно в несущих костях, таких как бедренная, малоберцовая и большеберцовая кости. В стержнях этих костей содержится большое количество компактной кости.

Структура кортикальной кости проксимального отдела бедренной кости и случайные переломы

https://doi.org/10.1016/j.bone.2021.116284Получить права и содержание или МОФ.

Пористость и толщина подвертельного кортикального слоя бедренной кости позволяют прогнозировать перелом бедра.

Шейка бедренной кости aBMD и FRAX предсказывали любой случай перелома, MOF и переломы бедра.

Риск перелома, связанный с ухудшением структуры кости, определялся с помощью aBMD и FRAX.

Резюме

Цель

Риск перелома наиболее часто оценивается с помощью двойной рентгеновской абсорбциометрии для измерения площадной минеральной плотности кости (aBMD) и с использованием Инструмента оценки риска перелома (FRAX). Однако у этих подходов есть ограничения, и дополнительные измерения костей могут повысить прогностическую способность этих существующих инструментов. Повышенная пористость кортикального слоя была связана с возникновением перелома в некоторых исследованиях, но не в других. В этом проспективном исследовании мы изучили, является ли структура кортикальной кости проксимального отдела бедренной кости предиктором возникновения переломов независимо от аМПКТ и показателя FRAX.

Методы

Мы объединили 211 женщин в постменопаузе с переломами в возрасте 54–94 лет на исходном уровне и 232 контрольные группы без переломов того же возраста на основе предыдущего вложенного исследования случай-контроль из исследования Тромсё в Норвегии.Мы оценили исходную МПК шейки бедра (FN), рассчитали 10-летнюю вероятность большого остеопоротического перелома (MOF) по FRAX и количественно определили параметры подвертельной коры бедра: пористость, площадь, толщину и объемную МПК (vBMD) из КТ-изображений с использованием StrAx1. 0 софт. Взаимосвязь между параметрами кости и любым случайным переломом, MOF и переломом шейки бедра была определена с использованием моделей пропорциональных рисков Кокса для расчета отношения рисков (HR) с доверительным интервалом 95%.

Результаты

При медиане наблюдения 7.2 года 114 (25,7%) из 443 женщин перенесли один или несколько случайных переломов. Структура кортикальной кости не предсказывала какой-либо случай перелома или MOF после поправки на возраст, ИМТ и предыдущий перелом. Каждое стандартное отклонение: более высокая общая пористость коры, более тонкая кора и более низкая vBMD коры предсказывают перелом бедра с повышенным риском 46–62% (HR в диапазоне от 1,46 (1,01–2,11) до 1,62 (1,02–2,57)). После поправки на FN aBMD или показатель FRAX значимой связи не осталось. Как более низкий FN aBMD, так и более высокий показатель FRAX предсказывали любой случай перелома, MOF и переломы бедра с HR в диапазоне от 1.45–2,56.

Выводы

Это исследование показало, что измерения кортикального слоя кости с помощью клинической КТ не дают существенного понимания риска переломов, кроме FN aBMD и FRAX. Из этих результатов мы делаем вывод, что риск переломов, связанный с ухудшением структуры кости, по-видимому, в значительной степени определяется измерением FN aBMD и инструментом FRAX.

Ключевые слова

Хрупкость костей

Кортикальная структура кости

Риск перелома

Остеопороз

Женщины в постменопаузе

Рекомендуемые статьиСсылки на статьи (0)

Опубликовано Elsevier Inc.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Нормальная анатомия и физиология костей

Резюме

биопсия кости. Сначала рассматриваются нормальная анатомия и функции скелета, после чего следует общее описание процессов моделирования и ремоделирования костей.Процесс ремоделирования кости регулирует увеличение и уменьшение минеральной плотности кости во взрослом скелете и напрямую влияет на прочность костей. Полное понимание процесса ремоделирования кости имеет решающее значение для оценки ценности и интерпретации результатов гистоморфометрии кости гребня подвздошной кости. Рекрутирование, активация и резорбция кости остеокластами обсуждаются довольно подробно, после чего следует обзор рекрутирования остеобластов и процесса формирования новой кости. Далее суммируются коллагеновые и неколлагеновые белковые компоненты и функции костного внеклеточного матрикса с последующим описанием процесса минерализации новообразованного костного матрикса.Действие биомеханических сил на кость ощущается синцитием остеоцитов в кости через канальцевую сеть и межклеточные щелевые соединения. Наконец, концепции, касающиеся ремоделирования кости, функции остеокластов и остеобластов, внеклеточного матрикса, минерализации матрикса и функции остеоцитов, синтезированы в сводке известных в настоящее время функциональных детерминант прочности кости. Эта информация закладывает основу для понимания полезности и клинического применения биопсии кости гребня подвздошной кости.

Скелет

Скелет взрослого человека состоит из 213 костей, не считая сесамовидных костей (1). В аппендикулярном скелете 126 костей, в осевом скелете 74 кости, в слуховых косточках 6 костей. Каждая кость постоянно подвергается моделированию в течение жизни, чтобы помочь ей адаптироваться к меняющимся биомеханическим силам, а также ремоделированию для удаления старой, микроповрежденной кости и замены ее новой, механически более прочной костью, чтобы помочь сохранить прочность кости.

К четырем основным категориям костей относятся длинные кости, короткие кости, плоские кости и неправильные кости.К длинным костям относятся ключицы, плечевые, лучевые, локтевые, пястные, бедренные, большеберцовые, малоберцовые, плюсневые кости и фаланги пальцев. К коротким костям относятся кости запястья и предплюсны, надколенники и сесамовидные кости. К плоским костям относятся череп, нижняя челюсть, лопатки, грудина и ребра. К костям неправильной формы относятся позвонки, крестец, копчик и подъязычная кость. Плоские кости образуются за счет перепончатого образования кости, тогда как длинные кости образуются за счет сочетания эндохондрального и перепончатого образования кости.

Скелет выполняет множество функций. Кости скелета обеспечивают структурную поддержку остальной части тела, обеспечивают движение и передвижение, предоставляя рычаги для мышц, защищают жизненно важные внутренние органы и структуры, обеспечивают поддержание минерального гомеостаза и кислотно-щелочного баланса, служат резервуаром роста. факторы и цитокины, а также обеспечивают среду для кроветворения в пространствах костного мозга (2).

Длинные кости состоят из полого стержня или диафиза; расширяющиеся конусообразные метафизы ниже пластинок роста; и округлые эпифизы над пластинками роста.Диафиз состоит в основном из плотной кортикальной кости, тогда как метафиз и эпифиз состоят из трабекулярной сетчатой ​​кости, окруженной относительно тонкой оболочкой из плотной кортикальной кости.

Скелет взрослого человека состоит на 80 % из кортикальной кости и на 20 % из трабекулярной кости в целом (3). Различные кости и участки скелета внутри костей имеют разное соотношение кортикальной и трабекулярной костей. Позвонок состоит из кортикальной и трабекулярной костей в соотношении 25:75. Это соотношение составляет 50:50 в головке бедренной кости и 95:5 в диафизе лучевой кости.

Кортикальная кость плотная и твердая и окружает костномозговое пространство, тогда как трабекулярная кость состоит из сотовой сети трабекулярных пластин и стержней, перемежающихся в костномозговом отделе. И кортикальная, и трабекулярная кости состоят из остеонов.

Кортикальные остеоны называются гаверсовыми системами. Гаверсовы системы имеют цилиндрическую форму, примерно 400 мм в длину и 200 мм в ширину у основания и образуют разветвленную сеть внутри кортикального слоя кости (3). Стенки гаверсовых систем образованы концентрическими ламелями.Кортикальная кость обычно менее метаболически активна, чем трабекулярная кость, но это зависит от вида. По оценкам, у здоровых взрослых людей имеется 21 × 10 6 кортикальных остеонов с общей площадью гаверсовского ремоделирования примерно 3,5 м 2 . Пористость кортикальной кости обычно <5%, но это зависит от соотношения активно ремоделирующих гаверсовых систем и неактивных кортикальных остеонов. Повышенное ремоделирование коры вызывает увеличение пористости коры и уменьшение массы кортикальной кости.Здоровые стареющие взрослые обычно испытывают истончение коры и повышенную пористость коры.

Кортикальная кость имеет наружную периостальную поверхность и внутреннюю эндостальную поверхность. Активность периостальной поверхности важна для аппозиционного роста и заживления перелома. Образование кости обычно превышает резорбцию кости на периостальной поверхности, поэтому кости обычно увеличиваются в диаметре с возрастом. Эндостальная поверхность имеет общую площадь приблизительно 0,5 м 2 , с более высокой ремоделирующей активностью, чем надкостничная поверхность, вероятно, в результате большей биомеханической нагрузки или большего воздействия цитокинов из соседнего отдела костного мозга.Резорбция кости обычно превышает образование кости на эндостальной поверхности, поэтому пространство костного мозга обычно увеличивается с возрастом.

Трабекулярные остеоны называются пакетами. Губчатая кость состоит из пластин и стержней толщиной в среднем от 50 до 400 мм (3). Трабекулярные остеоны имеют полулунную форму, в норме имеют толщину около 35 мм и состоят из концентрических пластинок. Подсчитано, что у здоровых взрослых людей имеется 14 × 10 6 трабекулярных остеонов с общей трабекулярной площадью приблизительно 7 м 2 .

Кортикальная кость и трабекулярная кость в норме формируются пластинчатым образом, в котором коллагеновые фибриллы располагаются в чередующейся ориентации (3). Пластинчатая кость лучше всего видна при микроскопическом исследовании в поляризованном свете, при котором отчетливо виден пластинчатый рисунок в результате двойного лучепреломления. Механизм, с помощью которого остеобласты откладывают коллагеновые фибриллы в виде пластинок, неизвестен, но пластинчатая кость обладает значительной прочностью в результате чередующейся ориентации коллагеновых фибрилл, подобно фанере.Нормальный ламеллярный рисунок отсутствует в тканой кости, в которой коллагеновые фибриллы расположены беспорядочно. Плетеная кость слабее, чем пластинчатая кость. Тканая кость обычно образуется во время формирования первичной кости, а также может наблюдаться при состояниях с высоким метаболизмом костной ткани, таких как фиброзно-кистозный остит, в результате гиперпаратиреоза и болезни Педжета или при высоком костеобразовании во время раннего лечения фторидом.

Надкостница представляет собой волокнистую соединительнотканную оболочку, окружающую наружную кортикальную поверхность кости, за исключением суставов, где кость выстлана суставным хрящом, содержащим кровеносные сосуды, нервные волокна, остеобласты и остеокласты.Надкостница плотно прикреплена к наружной кортикальной поверхности кости толстыми коллагеновыми волокнами, называемыми волокнами Шарпея, которые проникают в подлежащую костную ткань. Эндост представляет собой мембранную структуру, покрывающую внутреннюю поверхность кортикального слоя кости, трабекулярную кость и каналы кровеносных сосудов (каналы Фолькмана), имеющиеся в кости. Эндост контактирует с костномозговым пространством, трабекулярной костью и каналами кровеносных сосудов и содержит кровеносные сосуды, остеобласты и остеокласты.

Рост, моделирование и ремоделирование костей

В течение жизни кости подвергаются продольному и радиальному росту, моделированию и ремоделированию.Продольный и радиальный рост при росте и развитии происходит в детском и подростковом возрасте. Продольный рост происходит в пластинках роста, где хрящ пролиферирует в эпифизарных и метафизарных областях длинных костей, прежде чем впоследствии подвергнуться минерализации с образованием первичной новой кости.

Моделирование — это процесс, при котором кости изменяют свою общую форму в ответ на физиологические воздействия или механические силы, что приводит к постепенной адаптации скелета к силам, с которыми он сталкивается.Кости могут расширяться или изменять ось путем удаления или добавления кости на соответствующие поверхности за счет независимого действия остеобластов и остеокластов в ответ на биомеханические силы. Кости обычно расширяются с возрастом в ответ на периостальное прилегание новой кости и эндостальную резорбцию старой кости. Закон Вольфа описывает наблюдение, что длинные кости меняют форму, чтобы приспособиться к воздействующим на них нагрузкам. При моделировании кости процессы формирования и резорбции кости тесно не связаны. Моделирование кости у взрослых встречается реже, чем ремоделирование (4).Моделирование может быть повышено при гипопаратиреозе (5), почечной остеодистрофии (6) или лечении анаболическими агентами (7).

Ремоделирование кости — это процесс обновления кости для поддержания ее прочности и минерального гомеостаза. Ремоделирование включает в себя непрерывное удаление дискретных пакетов старой кости, замену этих пакетов вновь синтезированным белковым матриксом и последующую минерализацию матрикса с образованием новой кости. Процесс ремоделирования резорбирует старую кость и формирует новую кость, чтобы предотвратить накопление микроповреждений кости.Ремоделирование начинается до рождения и продолжается до самой смерти. Единица ремоделирования кости состоит из тесно связанной группы остеокластов и остеобластов, которые последовательно осуществляют резорбцию старой кости и образование новой кости. Ремоделирование костей усиливается у женщин в перименопаузе и ранней постменопаузе, а затем замедляется с дальнейшим старением, но продолжается более высокими темпами, чем у женщин в пременопаузе. Считается, что ремоделирование костей несколько увеличивается у стареющих мужчин.

Цикл реконструкции состоит из четырех последовательных фаз.Активация предшествует резорбции, которая предшествует обращению, которое предшествует формированию. Участки ремоделирования могут возникать случайным образом, но также нацелены на области, требующие ремонта (8,9). Считается, что сайты реконструкции развиваются в основном случайным образом.

Активация включает рекрутирование и активацию мононуклеарных моноцитарно-макрофагальных предшественников остеокластов из кровообращения (10), отрыв эндоста, содержащего клетки выстилки, от поверхности кости и слияние множества мононуклеарных клеток с образованием многоядерных преостеокластов.Преостеокласты связываются с костным матриксом посредством взаимодействий между рецепторами интегрина в их клеточных мембранах и RGD (аргинин, глицин и аспарагин)-содержащими пептидами в белках матрикса, образуя кольцевые зоны уплотнения вокруг резорбирующих кости компартментов под многоядерными остеокластами.

Опосредованная остеокластами резорбция кости занимает приблизительно от 2 до 4 недель во время каждого цикла ремоделирования. Образование, активация и резорбция остеокластов регулируются соотношением активатора рецепторов лиганда NF-κB (RANKL) и остеопротегерина (OPG; рис. 1), IL-1 и IL-6, колониестимулирующего фактора (CSF), паратгормона. , 1,25-дигидроксивитамин D и кальцитонин (11,12).Резорбирующиеся остеокласты выделяют ионы водорода через протонные насосы H + -АТФазы и хлоридные каналы в своих клеточных мембранах в резорбирующий компартмент, чтобы снизить рН внутри резорбирующего компартмента кости до 4,5, что помогает мобилизовать костный минерал (13). ). Резорбирующиеся остеокласты выделяют устойчивую к тартрату кислую фосфатазу, катепсин К, матриксную металлопротеиназу 9 и желатиназу из цитоплазматических лизосом (14) для переваривания органического матрикса, что приводит к образованию блюдцеобразных лакун Хаушипа на поверхности трабекулярной кости (рис. 2) и Гаверсовы каналы в кортикальном слое кости.Фаза резорбции завершается мононуклеарными клетками после того, как многоядерные остеокласты подвергаются апоптозу (15,16).

Рисунок 1.

Регуляция остеокластогенеза активатором рецептора лиганда NF-κB (RANKL) и остеопротегерином (OPG): Колониестимулирующий фактор 1 (CSF-1) обычно стимулирует рекрутирование остеокластов. Две формы RANKL продуцируются остеобластами и предшественниками остеобластов для стимуляции рекрутирования и активации остеокластов. Мембраносвязанная форма напрямую взаимодействует с мембраносвязанными молекулами RANK на соседних предшественниках остеокластов.Растворимая форма высвобождается из остеобластов или предшественников остеобластов, диффундирует через межклеточное пространство и взаимодействует с мембраносвязанными молекулами RANK на близлежащих предшественниках остеокластов. OPG действует как рецептор-приманка, предотвращая взаимодействие RANKL или sRANKL с RANK. Соотношение между RANKL и OPG, продуцируемыми остеобластами и предшественниками остеобластов, контролирует RANKL-стимулированный остеокластогенез.

Рисунок 2.

Многоядерные остеокласты резорбируют кость с образованием резорбционных ямок, известных как лакуны Хаушипа.

Во время реверсивной фазы резорбция кости переходит в формирование кости. По завершении резорбции кости полости резорбции содержат множество мононуклеарных клеток, включая моноциты, остеоциты, высвобождающиеся из костного матрикса, и преостеобласты, привлекаемые для начала формирования новой кости. Сигналы сопряжения, связывающие окончание резорбции кости с началом формирования кости, пока неизвестны. Предполагаемые кандидаты на связывание сигналов включают факторы, происходящие из костного матрикса, такие как TGF-β, IGF-1, IGF-2, костные морфогенетические белки, PDGF или фактор роста фибробластов (17-19).Концентрация TGF-β в костном матриксе коррелирует с гистоморфометрическими показателями обмена костной ткани, а также с сывороточным остеокальцином и костно-специфической щелочной фосфатазой. TGF-β, высвобождаемый из костного матрикса, снижает резорбцию остеокластов за счет ингибирования продукции RANKL остеобластами. Было также предложено, чтобы реверсивная фаза опосредовалась градиентом напряжения в лакунах (20, 21). Поскольку остеокласты резорбируют кортикальный слой кости в режущем конусе, напряжение уменьшается спереди и увеличивается сзади, а в лакунах Хаушипа напряжение максимально в основании и меньше в окружающей кости по краям лакун.Градиент напряжения может привести к последовательной активации остеокластов и остеобластов, при этом остеокласты активируются при уменьшении напряжения, а остеобласты — при увеличении напряжения. Предполагается, что сам остеокласт играет роль во время реверсии (22).

Формирование кости занимает примерно от 4 до 6 месяцев. Остеобласты синтезируют новый коллагеновый органический матрикс (рис. 3) и регулируют минерализацию матрикса, высвобождая небольшие, связанные с мембраной пузырьки матрикса, которые концентрируют кальций и фосфат и ферментативно разрушают ингибиторы минерализации, такие как пирофосфат или протеогликаны (23).Остеобласты, окруженные матриксом и погруженные в него, становятся остеоцитами с обширной канальцевой сетью, соединяющей их с клетками выстилки поверхности кости, остеобластами и другими остеоцитами, поддерживаемыми щелевыми соединениями между цитоплазматическими отростками, отходящими от остеоцитов (24). Сеть остеоцитов внутри кости служит функциональным синцитием. По завершении формирования кости примерно от 50 до 70% остеобластов подвергаются апоптозу, а остальная часть становится остеоцитами или клетками костной выстилки.Клетки, выстилающие кость, могут регулировать приток и отток минеральных ионов в костную внеклеточную жидкость и из нее, тем самым выступая в качестве гемато-костного барьера, но сохраняют способность редифференцироваться в остеобласты при воздействии паратиреоидного гормона или механических воздействий (25). Покрывающие кость клетки внутри эндоста отрываются от поверхности кости перед ее резорбцией, образуя дискретные компартменты для ремоделирования кости со специализированным микроокружением (26). У пациентов с множественной миеломой слизистые клетки могут индуцироваться для экспрессии устойчивой к тартрату кислой фосфатазы и других классических маркеров остеокластов.

Рисунок 3.

Остеобласты синтезируют белковый матрикс, состоящий в основном из коллагена I типа, для заполнения резорбционных ямок. Белковый матрикс постепенно минерализуется, образуя новую кость.

Конечным результатом каждого цикла ремоделирования кости является образование нового остеона. Процесс ремоделирования в основном одинаков в кортикальной и трабекулярной кости, при этом единицы ремоделирования кости в трабекулярной кости эквивалентны единицам ремоделирования кортикальной кости, разделенным пополам в продольном направлении (27).Костный баланс – это разница между резорбированной старой костью и сформированной новой костью. Баланс периостальной кости умеренно положительный, тогда как баланс эндостальной и трабекулярной кости умеренно отрицательный, что приводит к истончению кортикального и трабекулярного слоев с возрастом. Эти относительные изменения происходят при эндостальной резорбции, опережающей периостальное образование.

Основные признанные функции ремоделирования кости включают сохранение механической прочности кости путем замены старой, микроповрежденной кости новой, более здоровой костью и гомеостаза кальция и фосфата. Относительно низкая скорость обновления кортикальной кости у взрослых, составляющая от 2 до 3% в год, достаточна для поддержания биомеханической прочности кости. Скорость метаболизма трабекулярной кости выше, чем требуется для поддержания механической прочности, что указывает на то, что метаболизм трабекулярной кости более важен для минерального обмена. Повышенная потребность в кальции или фосфоре может потребовать увеличения единиц ремоделирования кости, но во многих случаях эта потребность может быть удовлетворена за счет повышенной активности существующих остеокластов. Повышенная потребность в скелетном кальции и фосфоре частично удовлетворяется за счет остеокластической резорбции и частично за счет неостеокластического притока и оттока кальция.Текущая деятельность по ремоделированию кости обеспечивает непрерывное поступление новообразованной кости с относительно низким содержанием минералов, способной легче обмениваться ионами с внеклеточной жидкостью. Единицы ремоделирования кости, по-видимому, в основном беспорядочно распределены по всему скелету, но могут быть вызваны образованием микротрещин или апоптозом остеоцитов. Пространство ремоделирования кости представляет собой сумму всех активных единиц ремоделирования кости в скелете в данный момент времени.

Остеокласты

Остеокласты являются единственными известными клетками, способными резорбировать кость (рис. 2).Активированные многоядерные остеокласты происходят из мононуклеарных клеток-предшественников моноцитарно-макрофагальной линии (11). Клетки-предшественники мононуклеарных моноцитов-макрофагов были идентифицированы в различных тканях, но считается, что клетки-предшественники моноцитов-макрофагов костного мозга дают начало большинству остеокластов.

RANKL и макрофагальный CSF (M-CSF) являются двумя цитокинами, которые имеют решающее значение для образования остеокластов. Как RANKL, так и M-CSF продуцируются в основном стромальными клетками костного мозга и остеобластами в мембраносвязанной и растворимой формах, а остеокластогенез требует присутствия стромальных клеток и остеобластов в костном мозге (28).RANKL принадлежит к суперсемейству TNF и имеет решающее значение для образования остеокластов. M-CSF необходим для пролиферации, выживания и дифференцировки предшественников остеокластов, а также для выживания остеокластов и перестройки цитоскелета, необходимой для резорбции кости. OPG представляет собой связанный с мембраной и секретируемый белок, который связывает RANKL с высокой аффинностью, чтобы ингибировать его действие на рецептор RANK (29).

Резорбция кости зависит от секреции остеокластами ионов водорода и фермента катепсина К. Ионы H + подкисляют резорбционный компартмент под остеокластами, чтобы растворить минеральный компонент костного матрикса, тогда как катепсин К переваривает белковый матрикс, который в основном состоит из коллагена I типа (11).

Остеокласты связываются с костным матриксом через интегриновые рецепторы в мембране остеокластов, связывающиеся с пептидами костного матрикса. Семейство интегриновых рецепторов β1 в остеокластах связывается с коллагеном, фибронектином и ламинином, но основным интегриновым рецептором, облегчающим резорбцию кости, является интегрин α v β 3 , который связывается с остеопонтином и костным сиалопротеином (30).

Связывание остеокластов с костным матриксом приводит к их поляризации, при этом на поверхности резорбции кости образуется гофрированная граница, которая образуется, когда подкисленные везикулы, содержащие металлопротеиназы матрикса и катепсин К, транспортируются через микротрубочки для слияния с мембраной.Взъерошенная граница секретирует ионы H + через H + -ATPase и хлоридные каналы и вызывает экзоцитоз катепсина K и других ферментов в подкисленных везикулах (31).

При контакте с костным матриксом фибриллярный актиновый цитоскелет остеокласта организуется в актиновое кольцо, что способствует формированию зоны уплотнения по периферии прикрепления остеокласта к матриксу. Зона герметизации окружает и изолирует закисленный отсек резорбции от окружающей поверхности кости (32).Разрушение гофрированной каймы или актинового кольца блокирует резорбцию кости. Активно резорбирующиеся остеокласты образуют подосомы, которые прикрепляются к костному матриксу, а не к фокальным спайкам, которые формируются большинством клеток. Подосомы состоят из актинового ядра, окруженного интегринами α v β 3 и ассоциированными белками цитоскелета.

Остеобласты

Остеопрогениторные клетки дают начало и поддерживают остеобласты, которые синтезируют новый костный матрикс на костеобразующих поверхностях (рис. 3), остеоциты внутри костного матрикса, поддерживающие структуру кости, и клетки защитной выстилки, покрывающие поверхность покоящихся кость.Внутри линии остеобластов субпопуляции клеток по-разному реагируют на различные гормональные, механические или цитокиновые сигналы. Было показано, что остеобласты осевой и аппендикулярной костей по-разному реагируют на эти сигналы.

Самообновляющиеся плюрипотентные стволовые клетки дают начало остеопрогениторным клеткам в различных тканях при соответствующих условиях окружающей среды. Костный мозг содержит небольшую популяцию мезенхимальных стволовых клеток, которые способны давать начало костной, хрящевой, жировой или волокнистой соединительной ткани, в отличие от популяции гемопоэтических стволовых клеток, которая дает начало линиям клеток крови (33). Клетки со свойствами, характерными для мезенхимальных стволовых клеток костного мозга взрослых, были выделены из периферической крови взрослых и пульпы зубов, пуповинной крови, печени, крови и костного мозга плода. Также были идентифицированы мультипотенциальные миогенные клетки, способные дифференцироваться в костные, мышечные или адипоциты. Мезенхимальные клетки, приверженные одному фенотипу, могут дедифференцироваться во время пролиферации и развить другой фенотип, в зависимости от местного тканевого окружения. Перициты кровеносных сосудов могут развить остеобластический фенотип во время дедифференцировки при определенных обстоятельствах (34).

Коммитирование мезенхимальных стволовых клеток в линию остеобластов требует канонического пути Wnt/β-catenin и ассоциированных белков (35). Идентификация фенотипа с высокой костной массой, связанного с активирующими мутациями белка 5, связанного с рецептором ЛПНП, подчеркнула важность канонического пути Wnt/β-катенина в формировании эмбрионального скелета, развитии скелета плода и ремоделировании скелета взрослых (36,37). Система Wnt также важна для хондрогенеза и гемопоэза и может быть стимулирующей или ингибирующей на разных стадиях дифференцировки остеобластов.

Считается, что уплощенные клетки костной выстилки представляют собой покоящиеся остеобласты, формирующие эндост на трабекулярной и эндостальной поверхностях и лежащие под надкостницей на минерализованной поверхности. Остеобласты и выстилающие клетки находятся в непосредственной близости и соединены слипчивыми соединениями. Кадгерины являются кальций-зависимыми трансмембранными белками, которые являются неотъемлемой частью слипчивых контактов и вместе с плотными контактами и десмосомами соединяют клетки вместе, связывая их цитоскелеты (38).

Предшественники остеобластов меняют форму от веретенообразных остеопредшественников до крупных кубовидных дифференцированных остеобластов на поверхностях костного матрикса после прекращения пролиферации преостеобластов.Преостеобласты, которые обнаруживаются рядом с функционирующими остеобластами в единице ремоделирования кости, обычно узнаваемы из-за экспрессии ими щелочной фосфатазы. Активные зрелые остеобласты, которые синтезируют костный матрикс, имеют большие ядра, увеличенные структуры Гольджи и обширный эндоплазматический ретикулум. Эти остеобласты секретируют коллаген типа I и другие белки матрикса векторно к поверхности формирования кости.

Популяции остеобластов неоднородны, при этом разные остеобласты экспрессируют разные генные репертуары, что может объяснить гетерогенность трабекулярной микроархитектоники в разных участках скелета, анатомические локализованные различия в болезненных состояниях и региональные различия в способности остеобластов реагировать на используемые агенты для лечения заболеваний костей.

Костный внеклеточный матрикс

Костный белок состоит на 85–90 % из коллагеновых белков (таблица 1). Костный матрикс в основном состоит из коллагена I типа (39) со следовыми количествами коллагенов III и V типов и FACIT на определенных стадиях формирования кости, что может помочь определить диаметр коллагеновых фибрилл. Коллагены FACIT являются членами семейства фибрилл-ассоциированных коллагенов с прерванными тройными спиралями, группы нефибриллярных коллагенов, которые служат молекулярными мостиками, важными для организации и стабильности внеклеточного матрикса. Члены этого семейства включают коллагены IX, XII, XIV, XIX, XX и XXI. Неколлагеновые белки составляют от 10 до 15% общего белка костей. Приблизительно 25% неколлагенового белка получают экзогенно, включая сывороточный альбумин и α2-HS-гликопротеин, которые связываются с гидроксиапатитом из-за их кислотных свойств. Неколлагеновые белки сыворотки могут помочь регулировать минерализацию матрикса, а α2-HS-гликопротеин, аналог фетуина человека, может регулировать пролиферацию костных клеток. Остальные неколлагеновые белки экзогенного происхождения состоят из факторов роста и большого количества других молекул в следовых количествах, которые могут влиять на активность костных клеток.

Таблица 1.

Белки внеклеточного матрикса a

Остеобласты синтезируют и секретируют столько же неколлагеновых белков, сколько коллагена на молярной основе. Неколлагеновые белки можно разделить на несколько категорий, включая протеогликаны, гликозилированные белки, гликозилированные белки с потенциальной активностью прикрепления к клеткам и γ-карбоксилатные (gla) белки. Роль каждого из костных белков в настоящее время точно не определена, и многие из них, по-видимому, выполняют несколько функций, включая регуляцию отложения и оборота минералов в кости и регуляцию активности костных клеток.Ранее считалось, что сывороточный остеокальцин, синтезируемый остеобластами, действует как стимулятор или инициатор отложения кальция в очагах между концами коллагеновых фибрилл и, следовательно, рассматривается как маркер формирования кости. Наблюдение, что мышь с нокаутом остеокальцина имеет фенотип с высокой костной массой, предполагает, что остеокальцин обычно ингибирует образование кости. Поскольку сывороточный остеокальцин образуется как в результате высвобождения матрикса в результате активности остеокластов, так и в результате синтеза остеобластов, в настоящее время он рассматривается скорее как маркер метаболизма костной ткани, чем как специфический маркер формирования кости.

Основным гликозилированным белком, присутствующим в костях, является щелочная фосфатаза. Щелочная фосфатаза в костях связана с поверхностью клеток остеобластов посредством фосфоинозитоловой связи, а также находится в свободном состоянии в минерализованном матриксе. Щелочная фосфатаза играет пока не установленную роль в минерализации костей (40). Наиболее распространенным неколлагеновым белком в костях является остеонектин, на его долю приходится примерно 2% общего белка в развивающейся кости. Считается, что остеонектин влияет на рост и/или пролиферацию остеобластов и минерализацию матрикса.

Минерализация костного матрикса

Кость состоит из 50–70 % минералов, 20–40 % органического матрикса, 5–10 % воды и <3 % липидов. Минеральное содержание кости в основном состоит из гидроксиапатита [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ], с небольшим количеством карбоната, магния и кислого фосфата, с отсутствующими гидроксильными группами, которые обычно присутствуют. . По сравнению с геологическими кристаллами гидроксиапатита, костные кристаллы гидроксиапатита очень малы, их размер составляет всего около 200 Å в наибольшем измерении. Эти маленькие, плохо кристаллические, карбонатзамещенные кристаллы более растворимы, чем геологические кристаллы гидроксиапатита, что позволяет им поддерживать минеральный обмен.

Созревание матрикса связано с экспрессией щелочной фосфатазы и нескольких неколлагеновых белков, включая остеокальцин, остеопонтин и костный сиалопротеин. Считается, что эти кальций- и фосфатсвязывающие белки помогают регулировать упорядоченное отложение минералов, регулируя количество и размер образующихся кристаллов гидроксиапатита.

Костный минерал придает кости механическую жесткость и устойчивость к нагрузкам, тогда как органическая матрица обеспечивает эластичность и гибкость. Костный минерал изначально откладывается в зонах «дырок» между концами коллагеновых фибрилл (41). Этому процессу могут способствовать везикулы внеклеточного матрикса в кости, как это происходит при кальцификации хряща и минерализации сухожилия индейки (23). Внеклеточные везикулы матрикса синтезируются хондроцитами и остеобластами и служат в качестве защищенной микросреды, в которой концентрации кальция и фосфата могут увеличиваться в достаточной степени, чтобы ускорить образование кристаллов. Внеклеточная жидкость обычно не перенасыщена гидроксиапатитом, поэтому гидроксиапатит не выпадает в осадок спонтанно. Внеклеточные везикулы матрикса содержат зародышевое ядро, состоящее из белков и комплекса кислых фосфолипидов, кальция и неорганического фосфата, которого достаточно для осаждения кристаллов гидроксиапатита. Пока неясно, как внеклеточные везикулы матрикса способствуют минерализации в специфических местах на концах коллагеновых фибрилл, потому что везикулы, по-видимому, не нацелены непосредственно на концы фибрилл (23).

Нет доказательств того, что кластеры некристаллического фосфата кальция (аморфного фосфата кальция) образуются в костях до того, как они превратятся в гидроксиапатит (42). По мере созревания кости кристаллы гидроксиапатита увеличиваются и снижают уровень примесей. Увеличение кристаллов происходит как за счет роста кристаллов, так и за счет агрегации. Макромолекулы костного матрикса могут способствовать начальному зародышеобразованию кристаллов, секвестрировать ионы минералов, повышая локальные концентрации кальция и/или фосфора, или способствовать гетерогенному зародышеобразованию. Макромолекулы также связываются с растущими поверхностями кристаллов, определяя размер, форму и количество образующихся кристаллов.

Подтвержденные промоторы минерализации (нуклеаторы) включают белок дентинного матрикса 1 и костный сиалопротеин. Коллаген I типа не является стимулятором минерализации костей. Фосфопротеинкиназы и щелочная фосфатаза регулируют процесс минерализации. Костная щелочная фосфатаза может увеличивать локальные концентрации фосфора, удалять фосфатсодержащие ингибиторы роста кристаллов гидроксиапатита или модифицировать фосфопротеины, чтобы контролировать их способность действовать как зародышеобразователи.

Витамин D играет косвенную роль в стимуляции минерализации неминерализованного костного матрикса. После абсорбции или выработки кожей витамина D печень синтезирует 25-гидроксивитамин D, а почки впоследствии производят биологически активный 1,25-дигидроксивитамин D [1,25-(OH) 2 D]. Сывороточный 1,25-(OH) 2 D отвечает за поддержание сывороточного кальция и фосфора в адекватных концентрациях, обеспечивающих пассивную минерализацию неминерализованного костного матрикса. Сыворотка 1,25-(OH) 2 D делает это в первую очередь за счет стимуляции всасывания кальция и фосфора в кишечнике.Сыворотка 1,25-(OH) 2 D также способствует дифференцировке остеобластов и стимулирует экспрессию остеобластами специфичной для кости щелочной фосфатазы, остеокальцина, остеонектина, OPG и множества других цитокинов. Сыворотка 1,25-(OH) 2 D также влияет на пролиферацию и апоптоз других клеток скелета, включая гипертрофированные хондроциты.

Остеоциты

Остеоциты представляют собой терминально дифференцированные остеобласты и функционируют в синцитиальных сетях, поддерживая структуру кости и метаболизм.Остеоциты располагаются в лакунах в минерализованной кости (рис. 3) и имеют обширные филиподиальные отростки, лежащие в канальцах в минерализованной кости (43). Остеоциты обычно не экспрессируют щелочную фосфатазу, но экспрессируют остеокальцин, галектин 3 и CD44, рецептор клеточной адгезии для гиалуроновой кислоты, а также несколько других белков костного матрикса. Остеоциты экспрессируют несколько белков матрикса, которые поддерживают межклеточную адгезию и регулируют обмен минералов в костной жидкости в лакунах и канальцевой сети.Остеоциты активны во время остеолиза и могут функционировать как фагоцитирующие клетки, поскольку они содержат лизосомы.

Остеоциты поддерживают связь друг с другом и с поверхностью кости через их множественные филиподиальные клеточные отростки. Коннексины представляют собой интегральные клеточные белки, которые поддерживают щелевые контакты между клетками, обеспечивая прямую связь через межклеточные каналы. Остеоциты связаны метаболически и электрически через щелевые контакты, состоящие в основном из коннексина 43 (44).Щелевые соединения необходимы для созревания, активности и выживания остеоцитов.

Основной функцией синцития остеоцитов-остеобластов/клеток выстилки является механоощущение (45). Остеоциты преобразуют сигналы стресса от изгиба или растяжения кости в биологическую активность. Поток канальцевой жидкости в ответ на внешние силы вызывает различные реакции внутри остеоцитов. Считается, что быстрые потоки костного кальция через филипоидальные щелевые соединения стимулируют передачу информации между остеобластами на поверхности кости и остеоцитами внутри кости (46).Сигнальные механизмы, участвующие в механотрансдукции, включают простагландин E2, циклооксигеназу 2, различные киназы, Runx2 и закись азота.

Остеоциты могут десятилетиями жить в не перевернутой человеческой кости. Наличие пустых лакун в стареющей кости указывает на то, что остеоциты могут подвергаться апоптозу, вероятно, вызванному нарушением их межклеточных щелевых соединений или взаимодействий клетка-матрикс (47). Апоптоз остеоцитов в ответ на дефицит эстрогена или лечение глюкокортикоидами вреден для костной структуры.Терапия эстрогенами и бисфосфонатами, а также физиологическая нагрузка на кость могут помочь предотвратить апоптоз остеобластов и остеоцитов (48).

Детерминанты прочности костей

Костная масса составляет от 50 до 70% прочности костей (49). Однако важны геометрия и состав костей, потому что более крупные кости прочнее, чем более мелкие, даже при эквивалентной минеральной плотности костей. По мере того, как диаметр кости увеличивается в радиальном направлении, прочность кости увеличивается на радиус пораженной кости, возведенный в четвертую степень.Количество и пропорция трабекулярной и кортикальной кости в данном участке скелета независимо влияют на прочность кости. Свойства костного материала важны для прочности кости. Некоторые пациенты с остеопорозом имеют аномальный костный матрикс. Мутации в некоторых белках могут вызывать слабость костей ( например, , дефекты коллагена вызывают снижение прочности костей при несовершенном остеогенезе, нарушение γ-карбоксилирования белков Gla). На прочность костей могут влиять остеомаляция, фторидная терапия или состояния гиперминерализации.Микроструктура кости также влияет на ее прочность. Низкий костный обмен приводит к накоплению микропереломов. Высокая костная резорбция, при которой резорбция кости больше, чем костеобразование, является основной причиной ухудшения микроархитектоники.

Выводы

Скелет выполняет несколько функций. Моделирование и ремоделирование кости сохраняют функцию скелета на протяжении всей жизни. Блок ремоделирования кости обычно сочетает в себе резорбцию и формирование кости. Костный матрикс регулирует минерализацию костей. Прочность кости зависит от массы, геометрии и состава кости, свойств материала и микроструктуры.

  • Copyright © 2008 Американского общества нефрологов

Ссылки

  1. Опорно-двигательный аппарат. В: Анатомия Грея, 39-е изд., под редакцией Стэндринга С., Нью-Йорк, Elsevier, 2004 г. , стр. 83– 135

  2. Taichman RS: Кровь и кости: две ткани, чьи судьбы переплетаются, образуя нишу гемопоэтических стволовых клеток. Кровь105 :2631– 2639,2005

  3. Эриксен Э.Ф., Аксельрод Д.В., Мелсен Ф.Bone Histomorphometry, New York, Raven Press,1994 , pp1– 12

  4. Kobayashi S, Takahashi HE, Ito A, Saito N, Nawata M, Horiuchi H, Ohta H, Ito A, Iorio R, Yamamoto N, Takaoka K: Trabecular minimodeling in human iliac bone. Bone32 :163– 169,2003

  5. Ubara Y, Tagami T, Nakanishi S, Sawa N, Hoshino J, Suwabe T, Kaitori H, Takemoto F, Hara S, Takaichi K: Significance of minimodeling in dialysis patients with adynamic bone disease.Почки Int68 :833– 839,2005

  6. Ubara Y, Fushimi T, Tagami T, Sawa N, Hoshino J, Yokota M, Kaitori H, Takemoto F, Hara S: Гистоморфометрические особенности кости у пациентов с первичным и вторичным гиперпаратиреозом. Почки Int63 : 1809– 1816,2003

  7. Линдси Р., Косман Ф., Чжоу Х., Бостром М., Шен В., Круз Дж., Нивес Дж.В., Демпстер Д.В.: Новый график маркировки тетрациклина для продольной оценки краткосрочных эффектов анаболических терапия с биопсией одного гребня подвздошной кости: ранние действия терипаратида.J Костяной Шахтер Res21 :366– 373,2006

  8. Burr DB: Целевое и нецелевое ремоделирование. Кость30 :2– 4,2002

  9. Parfitt AM: Целевое и нецелевое ремоделирование кости: связь с возникновением и прогрессированием основных многоклеточных единиц. Кость30 :5– 7,2002

  10. Рудман Г.Д.: Клеточная биология остеокластов. Опыт Гематол27 :1229– 1241,1999

  11. Boyle WJ, Simonet WS, Lacey DL: Дифференцировка и активация остеокластов.Природа423 :337– 342,2003

  12. Blair HC, Athanasou NA: Последние достижения в биологии остеокластов и патологической резорбции костей. Хистол Гистопатол19 :189– 199,2004

  13. Silver IA, Murrils RJ, Etherington DJ: Микроэлектродные исследования кислой микросреды под прикрепленными макрофагами и остеокластами. Разрешение ячейки опыта175 : 266– 276,1988

  14. Delaisse JM, Andersen TL, Engsig MT, Henriksen K, Troen T, Blavier L: Матриксные металлопротеиназы (MMP) и катепсин K по-разному вносят вклад в активность остеокластов.Микроск Рез Тех61 :504– 513,2003

  15. Eriksen EF: Нормальное и патологическое ремоделирование губчатой ​​кости человека: Трехмерная реконструкция последовательности ремоделирования в норме и при метаболическом заболевании кости. Эндокр Ред.7 :379– 408,1986

  16. Редди С.В. Регуляторные механизмы, действующие в остеокластах. Crit Rev Eukaryot Gene Expr14 :255– 270,2004

  17. Bonewald L, Mundy GR: Роль трансформирующего фактора роста бета в ремоделировании костей.Clin Orthop Rel Res2S :35– 40,1990

  18. Hock JM, Centrella M, Canalis E: Инсулиноподобный фактор роста I (IGF-I) оказывает независимое влияние на формирование костного матрикса и репликацию клеток. Эндокринология122 :254– 260,2004

  19. Locklin RM, Oreffo RO, Triffitt JT: Влияние TGFbeta и bFGF на дифференцировку стромальных фибробластов костного мозга человека. Клеточная Биология Int23 :185– 194,1999

  20. Smit TH, Burger EH, Huyghe JM: Является ли BMU-соединение явлением, регулируемым деформацией? Анализ методом конечных элементов.J Костяной Шахтер Res15 :301– 307,2002

  21. Smit TH, Burger EH, Huyghe JM: Случай индуцированного напряжением потока жидкости как регулятора связи BMU и выравнивания костей. J костяной шахтер Res17 :2021– 2029,2002

  22. Мартин Т.Дж., Симс Н.А.: Остеокластная активность в связи формирования кости с резорбцией. Тренды Мол Мед11 :76– 81,2005

  23. Anderson HC: Везикулы матрикса и кальцификация. Карр Ревматол Rep5 :222– 226,2003

  24. Burger EH, Klein-Nuland J, Smit TH: поток канальцевой жидкости, вызванный напряжением, регулирует активность остеокластов в ремоделирующем остеоне: предложение.Дж Биомех46 :1452– 1459,2003

  25. Dobnig H, Turner RT: Доказательства того, что прерывистое лечение гормоном паращитовидной железы увеличивает образование костей у взрослых крыс за счет активации клеток костной ткани. Эндокринология136 :3632– 3638,1995

  26. Hauge EM, Qvesel D, Eriksen EF, Mosekilde L, Melsen F: Ремоделирование губчатой ​​кости происходит в специализированных компартментах, выстланных клетками, экспрессирующими остеобластические маркеры. J Bone Miner Res16 : 1575– 1582,2001

  27. Parfitt AM: Остеональное и гемиостеальное ремоделирование: пространственная и временная структура для передачи сигналов во взрослой кости.J Cell Biochem55 :273– 276,1994

  28. Teitelbaum SL, Ross FP: Генетическая регуляция развития и функции остеокластов. Нат Рев Генет4 :638– 649,2003

  29. Cohen MM Jr: Новая биология кости: патологические, молекулярные, клинические корреляты. Am J Med Genet A140 :2646– 2706,2006

  30. Росс Ф.П., Тейтельбаум С.Л.: α v β 3 и колониестимулирующий фактор макрофагов: партнеры в биологии остеокластов.Иммунол Rev208 :88– 105,2005

  31. Teitelbaum SL, Abu-Amer Y, Ross FP: Молекулярные механизмы резорбции кости. J Cell Biochem59 :1– 10,1995

  32. Vaananen HK, Zhao H, Mulari M, Halleen JM: Клеточная биология функции остеокластов. J Cell Sci113 :377– 381,2000

  33. Питтенгер М.Ф., Маккей А.М., Бек С.К., Джайсвал Р.К., Дуглас Р., Моска Д.Д., Мурман М.А., Симонетти Д.В., Крейг С., Маршак Д.Р.: Многолинейный потенциал мезенхимальных стволовых клеток взрослого человека.Наука284 :143– 147,1990

  34. Doherty MJ, Ashton BA, Walsh S, Beresford JN, Grant ME, Canfield AE: Сосудистые перициты выражают остеогенный потенциал in vitro и in vivo. J Bone Miner Res13 :828– 838,1998

  35. Logan CY, Nusse R: Сигнальный путь Wnt в развитии и заболевании. Annu Rev Cell Dev Biol20 :781– 810,2004

  36. Boyden LM, Mao J, Belsky J, Mitzner L, Farhi A, Mitnick MA, Wu D, Insogna K, Lifton RP: Высокая плотность костной ткани из-за мутации белка, связанного с рецептором ЛПНП 5.N Engl J Med346 :1513– 1521,2002

  37. Little RD, Recker RR, Johnson ML: Высокая плотность кости из-за мутации белка 5, связанного с рецептором ЛПНП. N Engl J Med347 :943– 944,2002

  38. Shin CS, Lecanda F, Sheikh S, Weitzmann L, Cheng SL, Civitelli R: относительное количество различных кадгеринов определяет дифференцировку мезенхимальных предшественников в остеогенные, миогенные или адипогенные пути. J Cell Biochem78 : 566– 577,2000

  39. Бродский Б., Персиков А.В. Молекулярная структура тройной спирали коллагена.Adv Protein Chem70 :301– 339,2005

  40. Уайт MP: Гипофосфатазия и роль щелочной фосфатазы в минерализации скелета. Эндокр Ред.15 :439– 461,1994

  41. Landis WJ: Прочность кальцифицированной ткани частично зависит от молекулярной структуры и организации составляющих ее минеральных кристаллов в их органической матрице. Кость16 :533– 544,1995

  42. Вайнер С., Саги И., Аддади Л.: Структурная биология: выбор наименее пройденного пути кристаллизации.Наука309 :1027– 1028

  43. Bonewald LF: Создание и характеристика остеоцитоподобной клеточной линии, MLO-Y4. J Костяной шахтер Metab17 :61– 65,1999

  44. Плоткин Л.И., Манолагас С.К., Беллидо Т.: Трансдукция сигналов выживания клеток полуканалами коннексина-43. Дж Биол Хим277 :8648– 8657,2002

  45. Rubin CT, Lanyon LE: Остеорегуляторная природа механических раздражителей: функция как детерминанта адаптивного ремоделирования кости.J Ортоп Res5 :300– 310,1987

  46. Jorgensen NR, Teilmann SC, Henriksen Z, Civitelli R, Sorensen OH, Steinberg TH: Активация кальциевых каналов L-типа необходима для опосредованной щелевыми соединениями межклеточной передачи сигналов кальция в остеобластных клетках. Дж Биол Хим278 :4082– 4086,2003

  47. Xing L, Boyce BF: Регуляция апоптоза в остеокластах и ​​остеобластных клетках. Biochem Biophys Res Commun328 :709– 720,2005

  48. Plotkin LI, Aguirre JI, Kousteni S, Manolagas SC, Bellido T: Бисфосфонаты и эстрогены ингибируют апоптоз остеоцитов с помощью различных молекулярных механизмов после активации киназы, регулируемой внеклеточным сигналом. Дж Биол Хим280 :7317– 7325,2005

  49. Покок Н.А., Эйсман Дж.А., Хоппер Дж.Л., Йейтс М.Г., Сэмбрук П.Х., Эберл С.: Генетические детерминанты костной массы у взрослых: исследование близнецов. Джей Клин Инвест80 :706– 710,1987

Анатомия и физиология, опора и движение, костная ткань и скелетная система

К концу этого раздела вы сможете:
  • Определить анатомические особенности кости
  • Дать определение и перечислить примеры маркировки кости
  • Описать гистологию костной ткани
  • Сравнить и сопоставить компактную и губчатую кость
  • Определите структуры, составляющие компактную и губчатую кость
  • Опишите, как кости питаются и иннервируются

Костная ткань (костная ткань) сильно отличается от других тканей организма.Кость твердая, и многие ее функции зависят от этой характерной твердости. Последующие 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 переходят к ее гистологии.

Макроскопическая анатомия кости

Структура длинной кости обеспечивает наилучшую визуализацию всех частей кости (рис. 6.7). Длинная кость состоит из двух частей: диафиза и эпифиза.Диафиз представляет собой трубчатый стержень, который проходит между проксимальным и дистальным концами кости. Полая область в диафизе называется костномозговой полостью, которая заполнена желтым костным мозгом. Стенки диафиза состоят из плотной и твердой компактной кости.

Рисунок 6.7 Анатомия длинной кости Типичная длинная кость демонстрирует общие анатомические характеристики кости.

Более широкий участок на каждом конце кости называется эпифизом (множественное число = эпифизы), который заполнен губчатой ​​костью.Красный мозг заполняет пространства в губчатой ​​кости. Каждый эпифиз встречается с диафизом в метафизе, узкой области, которая содержит эпифизарную пластину (пластину роста), слой гиалинового (прозрачного) хряща в растущей кости. Когда кость перестает расти в раннем взрослом возрасте (примерно в 18–21 год), хрящ замещается костной тканью, а эпифизарная пластинка становится эпифизарной линией.

Медуллярная полость имеет тонкую перепончатую выстилку, называемую эндостом (end- = «внутри»; oste- = «кость»), где происходит рост, восстановление и ремоделирование кости.Наружная поверхность кости покрыта фиброзной оболочкой, называемой надкостницей (peri — = «вокруг» или «окружающий»). Надкостница содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды, которые питают компактную кость. Сухожилия и связки также прикрепляются к костям надкостницей. Надкостница покрывает всю наружную поверхность, кроме тех мест, где эпифизы соединяются с другими костями, образуя суставы (рис. 6.8). В этой области эпифизы покрыты суставным хрящом, тонким слоем хряща, который уменьшает трение и действует как амортизатор.

Рисунок 6.8 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 (рис. 6.9). Два слоя компактной кости и внутренняя губчатая кость работают вместе, чтобы защитить внутренние органы. Если внешний слой черепной кости сломается, мозг все еще защищен неповрежденным внутренним слоем.

Рисунок 6.9 Анатомия плоской кости На этом поперечном сечении плоской кости показана губчатая кость (diploë), выстланная с обеих сторон слоем компактной кости.

Маркировка костей

Внешний вид костей значительно различается в зависимости от функции и расположения в организме. В Таблице 6.2 описаны маркировки костей, которые показаны на (Рисунок 6.10). Есть три основных класса отметин на костях: (1) сочленения, (2) выступы и (3) отверстия. Как следует из названия, сочленение – это место, где сходятся две поверхности костей (articulus = «сустав»).Эти поверхности имеют тенденцию соответствовать друг другу, например, одна закругленная, а другая чашеобразная, чтобы облегчить функцию артикуляции. Выступ – это участок кости, выступающий над поверхностью кости. Это точки крепления сухожилий и связок. Как правило, их размер и форма указывают на силы, возникающие при прикреплении к кости. Отверстие – это отверстие или бороздка в кости, через которые в кость проходят кровеносные сосуды и нервы. Как и в случае с другими отметинами, их размер и форма отражают размер сосудов и нервов, пронизывающих кость в этих точках.

Маркировка кости

Маркировка Описание Пример
Главная Глава
Глава Закрытая закругленная поверхность Head of Femur
Аспект Плоская поверхность Позвонки
мыщелка закругленную поверхность затылка мыщелков
проекциях Фальш маркировок остистых позвонков
бугорка выступающую Chin
Процесс Process Поперечный процесс поперечный процесс позвонка
Spine Sharp Spine Ischial Spine
Tubercle Маленький, округлый процесс Туберкурок US
Tuberity Грубая поверхность Deltoid Bueryous
Line Небольшое, удлиненное Ridge Временные линии теменных костей
Crest Ridge Iliac Crest
отверстия отверстия и депрессии Wornamen (отверстия, через которые могут пройти кровеносные сосуды)
FOSSA Удлиненный бассейн Мандибулярная FOSSA
FOVEA Маленькая яма FOVEA CAPITE на голове бедренной среды
SURCUS SUROVE SIGMoid Sulcus временных костей
канал проход в кости слуховой канал
Tissure прорезь через кость AURUBLE SHISSURE
FORAMEN Отверстие в кости Foramen Magnum в затылочной кости
Мясо Открытие на канал Внешний слуховой слуховой кассы
SINUS , заполненное воздухом пространство в кости Nasal SINUS

Таблица 6. 2

Рисунок 6.10 Особенности костей Особенности поверхности костей зависят от их функции, расположения, прикрепления связок и сухожилий или проникновения кровеносных сосудов и нервов.

Клетки кости и ткань

Кость содержит относительно небольшое количество клеток, встроенных в матрицу коллагеновых волокон, которые обеспечивают поверхность для прикрепления кристаллов неорганической соли. Эти кристаллы соли образуются, когда фосфат кальция и карбонат кальция объединяются для создания гидроксиапатита, который включает другие неорганические соли, такие как гидроксид магния, фторид и сульфат, по мере того, как он кристаллизуется или кальцифицируется на коллагеновых волокнах.Кристаллы гидроксиапатита придают костям твердость и прочность, а волокна коллагена придают им гибкость, чтобы они не были ломкими.

Хотя костные клетки составляют небольшую часть объема кости, они имеют решающее значение для функции костей. В костной ткани обнаруживаются четыре типа клеток: остеобласты, остеоциты, остеогенные клетки и остеокласты (рис. 6.11).

Рисунок 6.11 Костные клетки В костной ткани обнаружены четыре типа клеток. Остеогенные клетки недифференцированы и развиваются в остеобласты.Когда остеобласты попадают в кальцифицированный матрикс, их структура и функция меняются, и они становятся остеоцитами. Остеокласты развиваются из моноцитов и макрофагов и по внешнему виду отличаются 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, синтезируют и секретируют коллагеновый матрикс и соли кальция. Когда секретируемый матрикс, окружающий остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке внутри него; в результате он меняет свою структуру и становится остеоцитом, первичной клеткой зрелой кости и наиболее распространенным типом костных клеток.Каждый остеоцит расположен в пространстве, называемом лакуной, и окружен костной тканью. Остеоциты поддерживают концентрацию минералов в матриксе за счет секреции ферментов. Как и остеобласты, остеоциты лишены митотической активности. Они могут общаться друг с другом и получать питательные вещества через длинные цитоплазматические отростки, которые проходят через канальцы (единственное число = канальцы), каналы внутри костного матрикса.

Если остеобласты и остеоциты неспособны к митозу, то как они восполняются, когда старые умирают? Ответ заключается в свойствах третьей категории костных клеток — остеогенных клеток.Эти остеогенные клетки недифференцированы, обладают высокой митотической активностью и являются единственными делящимися костными клетками. Незрелые остеогенные клетки обнаруживаются в глубоких слоях надкостницы и костном мозге. Они дифференцируются и развиваются в остеобласты.

Динамическая природа кости означает, что постоянно формируется новая ткань, а старая, поврежденная или ненужная кость растворяется для восстановления или высвобождения кальция. Клеткой, ответственной за резорбцию или разрушение кости, является остеокласт. Они обнаруживаются на поверхности костей, являются многоядерными и происходят из моноцитов и макрофагов, двух типов лейкоцитов, а не из остеогенных клеток.Остеокласты постоянно разрушают старую кость, а остеобласты постоянно формируют новую кость. Текущий баланс между остеобластами и остеокластами отвечает за постоянное, но тонкое изменение формы кости. В таблице 6.3 представлен обзор костных клеток, их функций и расположения.

Костные клетки

Тип ячейки Функция Расположение Остеогенные клетки Разработка в остеобласты Глубокие слои периостема и мозга Остеобласты Костное образование Растущие части кости, включая Periosteum и Endosteum Остеоциты поддерживают концентрацию минеральной матрицы , захваченные в матрицу Остеокласты Остеокласты Костные резорбции Костные поверхности и на участках старого, раненого или ненужденного кость

Таблица 6. 3

Компактная и губчатая кость

Различия между компактной и губчатой ​​костью лучше всего изучать с помощью их гистологии. Большинство костей содержат компактную и губчатую костную ткань, но их распределение и концентрация варьируются в зависимости от общей функции кости. Компактная кость плотная, поэтому 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 (рис. 6.12). Его можно найти под надкостницей и в диафизах длинных костей, где он обеспечивает поддержку и защиту.

Рисунок 6.12 Схема компактной кости (a) На этом поперечном сечении компактной кости показана основная структурная единица, остеон. (б) На этой микрофотографии остеона хорошо видны концентрические пластинки и центральные каналы. LM × 40. (Микрофотография предоставлена ​​Регентами Медицинской школы Мичиганского университета © 2012 г. )

Микроскопическая структурная единица компактной кости называется остеоном или гаверсовой системой.Каждый остеон состоит из концентрических колец кальцинированного матрикса, называемых пластинками (единственное число = пластинка). По центру каждого остеона проходит центральный канал, или гаверсов канал, который содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды. Эти сосуды и нервы отходят под прямым углом через перфорирующий канал, также известный как каналы Фолькмана, и распространяются на надкостницу и эндост.

Остеоциты располагаются внутри пространств, называемых лакунами (единственное число = лакуна), на границах соседних пластинок.Как описано ранее, канальцы соединяются с канальцами других лакун и, в конечном счете, 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 шипов матрикса, называемых трабекулами (единственное число = трабекулы) (рис. 6.13). 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 легче, чтобы мышцы могли легче их двигать. Кроме того, пространства в некоторых губчатых костях содержат красный костный мозг, защищенный трабекулами, где происходит кроветворение.

Рисунок 6.13 Схема 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 костей, которое начинается с гиперактивности остеокластов. Это означает, что резорбируется больше кости, чем откладывается. Остеобласты пытаются компенсировать это, но новая кость, которую они откладывают, слаба и ломка и поэтому склонна к переломам.

В то время как у некоторых людей с болезнью Педжета симптомы отсутствуют, другие испытывают боль, переломы костей и деформацию костей (рис. 6.14). Чаще всего поражаются кости таза, черепа, позвоночника и ног. Поражая череп, болезнь Педжета может вызывать головные боли и потерю слуха.

Рисунок 6.14 Болезнь Педжета В норме кости ног относительно прямые, но кости, пораженные болезнью Педжета, пористые и изогнутые.

Что вызывает сверхактивность остеокластов? Ответ до сих пор неизвестен, но, похоже, свою роль играют наследственные факторы. Некоторые ученые считают, что болезнь Педжета связана с пока еще не идентифицированным вирусом.

Болезнь Педжета диагностируется с помощью визуализирующих исследований и лабораторных анализов. Рентгеновские снимки могут показать деформацию кости или участки резорбции кости. Сканирование костей также полезно. В этих исследованиях в организм вводят краситель, содержащий радиоактивный ион. Области резорбции кости имеют сродство к иону, поэтому они будут светиться на скане, если ионы поглощаются. 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 были связаны с повышенным риском переломов, потому что 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 взвешивать преимущества и риски в каждом конкретном случае. Лечение бисфосфонатами может снизить общий риск деформаций или переломов, что, в свою очередь, снижает риск хирургического восстановления и связанные с ним риски и осложнения.

Кровоснабжение и нервное снабжение

Губчатая кость и костномозговая полость получают питание от артерий, проходящих через компактную кость. Артерии входят через питательные отверстия (множественное число = отверстия), небольшие отверстия в диафизе (рис. 6.15). Остеоциты в губчатой ​​кости питаются кровеносными сосудами надкостницы, проникающими в губчатую кость, и кровью, циркулирующей 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 следуют теми же путями в кость, где они имеют тенденцию концентрироваться в более метаболически активных областях кости. Нервы чувствуют боль, и, по-видимому, нервы также играют роль в регулировании кровоснабжения и в росте костей, следовательно, их концентрация в метаболически активных участках кости.

Рисунок 6.15 Схема кровоснабжения и кровоснабжения кости Кровеносные сосуды и нервы входят в кость через питательное отверстие.

ИНТЕРАКТИВНАЯ ССЫЛКА

Посмотрите это видео, чтобы увидеть микроскопические особенности кости.

.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.