Хрящові та кісткові тканини
СОДЕРЖАНИЕ: Характерні особливості й клітинні елементи хрящової тканини. Основна роль, структура кісткової тканини, етапи розвитку (остеогенез). Ріст, гістогенез, фізіологічна регенерація та вікові зміни в тканинах. Будова трубчастих кісток. Способи росту хряща.Модуль 2. Загальна гістологія
Лекція № 6. Тема: Хрящові та кісткові тканини
Зміст
1. Хрящова тканина
2. Кісткова тканина
3. Розвиток кісткової тканини — остеогенез
1. Хрящова тканина
Характерна особливість хрящової тканини — високий (до 75%) вміст води, яка, звязуючись із гігантськими молекулами протеогліканів, забезпечує пружно-еластичні властивості хряща. Близько 15% хрящової тканини складають органічні речовини, 8% - неорганічні солі. Це єдиний різновид сполучної тканини, у якому відсутні судини. Поживні речовини всередину хряща потрапляють шляхом дифузії з перихондрію - охрястя. Клітинними елементами є хондробласти та хондроцити. У міжклітинній речовині розміщені хондринові волокна, побудовані з колагену II типу або еластину. Залежно від будови міжклітинної речовини розрізняють 3 види хрящової тканини - гіалінову, еластичну та волокнисту. Основні функції усіх видів хряща - опорна, формотвірна.
Хондробласти - малодиференційовані клітини неправильної витягнутої форми, здатні до проліферації та синтезу міжклітинної речовини хряща. Розвиваються з напівстовбурових клітин (прехондробластів), які походять від стовбурових клітин мезенхіми. Стовбурові, напівстовбурові клітини, хондробласти та хондроцити у своїй сукупності утворюють диферон (гістогенетичний ряд) клітин хрящової тканини. Цитоплазма хондробластів містить добре розвинуті гранулярну ендоплазматичну сітку та елементи комплексу Гольджі, багато РНК, що свідчить про інтенсивний перебіг синтетичних процесів і зумовлює базофілію цитоплазми.
Хондроцити - клітини неправильної округлої або полігональної форми, розміщені у порожнинах — лакунах — міжклітинної речовини ізольовано або групами з 2-4 клітин. Останні мають назву ізогенних груп клітин, оскільки утворюються шляхом розмноження однієї материнської клітини. Розрізняють три типи хондроцитів. Перший тип відносно мало диференційованих клітин спостерігається переважно у складі молодої, так званої первинної хрящової тканини. Цим клітинам притаманне високе ядерно-цитоплазматичне співвідношення, у цитоплазмі добре виражені елементи комплексу Гольджі, багато мітохондрій і вільних рибосом. У хондроцитах другого типу ядерно-цитоплазматичне співвідношення нижче, у цитоплазмі підвищений вміст РНК, елементів гранулярної ендоплазматичної сітки та елементів комплексу Гольджі, які забезпечують утворення і виділення у міжклітинний простір протеогліканів та глікозаміногліканів. Для хондроцитів третього типу характерний найнижчий показник ядерно-цитоплазматичного співвідношення, значний розвиток гранулярної ендоплазматичної сітки. Інтенсивність синтезу протеогліканів та глікозаміногліканів знижена порівняно з хондроцитами другого типу, однак вищим є синтез глікопротеїнів і білків колагену й еластину.
Органічні компоненти основної міжклітинної речовини хрящової тканини - хондромукоїд - представлені білками, ліпідами, глікозаміногліканами та протеогліканами. Останні є найхарактернішою ознакою хрящової тканини. У складі протеогліканів хряща знайдені гігантські макромолекулярні комплекси з молекулярною масою порядку десятків і сотень мільйонів дальтон і довжиною молекули, що становить кілька мікрометрів. Вони побудовані з довгої нитки гіалуронової кислоти, до якої нековалентними звязками приєднано близько сотні поліпептидних ланцюгів; з серединними амінокислотними залишками останніх звязана велика кількість полісахаридних ланцюгів сульфатованих глікозаміногліканів (хондроїтин-сульфату, кератансульфату, дерматан-сульфату), а також молекул олігосахаридів. Загалом молекула протеоглікана нагадує гілочку ялини, причому від ступеня її гідратації залежить пружність (тургор) хряща.
Хондринові волокна побудовані з колагену II типу (гіаліновий та волокнистий хрящі) або еластину (еластичний хрящ). Орієнтація волокон визначається впливом силових ліній, які виникають у процесі функціонування органа. Особливо багато хондринових волокон концентрується навколо лакун, утворюючи так звану капсулу хрящової клітини (або клітин).
Гіаліновий хрящ локалізований у стінках трахеї, бронхів, у місцях зєднання ребер з грудниною, на суглобових поверхнях і в метаепіфізарних пластинках росту кісток. В ембріональний період гіаліновий хрящ зачатків складає основу переважної більшості кісток скелета. З віком відбувається його заміна кістковою тканиною.
У нативному стані гіаліновий хрящ світло-блакитного кольору, напівпрозорий. Гістологічно у його складі розрізняють перихондрій (охрястя) та власне хрящ. Перихондрій складається з поверхневого волокнистого шару (переважають колагенові волокна) та глибокого клітинного шару (в ньому містяться хондробласти та прехондробласти). Поверхневий шар перихондрію має багато судин, що забезпечують трофіку хряща. За рахунок глибокого клітинного шару охрястя відбувається фізіологічна регенерація та апозиційний (периферійний) ріст хряща. Власне хрящ складається з ізогенних груп хондроцитів, а також молодих поодиноких хондроцитів, оточених хондромукоїдом і хондриновими волокнами. Хондромукоїд, розміщений навколо молодих хондроцитів, фарбується оксифільно; той, що оточує більш диференційовані ізогенні групи клітин, набуває властивостей базофілії. Хондринові волокна гіалінового хряща побудовані з колагену II типу.
Морфологічною особливістю гіалінового хряща суглобів є відсутність охрястя на суглобовій поверхні. Хондроцити в глибині суглобового хряща мають округлу форму і розташовані рядами, що орієнтовані перпендикулярно до суглобової поверхні. Поверхневі хондроцити сплощені та не утворюють ізогенних груп. Колагенові волокна в глибині хряща орієнтовані перпендикулярно до суглобової поверхні, ближче до поверхні вони набувають паралельного до неї напрямку . Між суглобовими поверхнями знаходиться синовіальна рідина, що виділяється у суглобову порожнину клітинами синовіального шару суглобової капсули (детальніша інформація про будову суглобів наводиться у підручниках з анатомії). Синовіальний шар є особливим різновидом сполучної тканини, яка пристосована до постійного розтягування, зміщення й тиску під час рухів у суглобах. Він складається з глибокого та поверхневого колагеново-еластичних і покривного шарів.
Еластичний хрящ міститься у вушній раковині, слуховій трубі, зовнішньому слуховому ході, ріжкоподібних і клиноподібних хрящах гортані. Його характерною особливістю є жовтий колір, здатність розтягуватися. Еластичний хрящ не підлягає звапнуванню. На відміну від гіалінового хряща хондринові волокна в еластичному хрящі побудовані не з колагену, а з еластину. Еластичні волокна формують капсули навколо хондроцитів, а також уплітаються у перихондрій.
Волокнистий хрящ формує міжхребцеві диски, симфіз лобкових кісток, локалізується у місцях переходу сухожилля у гіалінову хрящову тканину. Хондроцити у волокнистому хрящі розміщені у вигляді своєрідних рядів - клітинних стовпчиків, а колагенові волокна формують товсті паралельні пучки. За будовою волокнистий хрящ нагадує сухожилля, але його клітини типово хрящові.
Гістогенез, регенерація та вікові зміни хрящової тканини. Джерелом утворення хрящової тканини в онтогенезі є мезенхіма - зародкова сполучна тканина. У процесі хондрогістогенезу частина клітин мезенхіми губить свої відростки, округлюється та утворює хрящовий зачаток - хондрогенний острівець. Мезенхімні клітини у його складі диференціюються у хондробласти. На наступній стадії утворення первинної хрящової тканини, з перетворенням хондробластів у хондроцити першого типу, посилюється синтез колагену, виникають колагенові волокна, внаслідок чого міжклітинна речовина набуває ознак оксифілії. Дозрівання хондроцитів, їхнє перетворення із клітин першого типу в клітини другого типу призводить до посилення синтезу протеогліканів і, відповідно, до зростання базофілії міжклітинної речовини.
Існує два способи росту хряща - внутрішній (інтерстиційний) та шляхом накладання (апозиційний). Внутрішній ріст хряща здійснюється в результаті розмноження молодих хондроцитів і новоутворення ізогенних груп клітин. Апозиційний ріст відбувається за рахунок перихондрію - проліферації хондробластів глибокого шару, перетворення хондробластів у хондроцити і продукції ними міжклітинної речовини.
Фізіологічна регенерація хрящової тканини відбувається завдяки діяльності хондроцитів та хондробластів - виробленню ними хондромукоїду, колагену та еластину, що сприяють новоутворенню хондринових волокон.
З віком у хрящовій тканині зменшується вміст клітинних елементів і зростає кількість міжклітинного матриксу. При цьому у міру перетворення хондроцитів першого і другого типів на хондроцити третього типу в міжклітинній речовині хряща знижується кількість протеогліканів, хондромукоїд заміщується альбумоїдом, збільшується вміст колагенових волокон. Останні мають здатність нагромаджувати солі кальцію і звапновуватися. Усі ці зміни призводять до зменшення ступеня гідратації, втрати пружності і збільшення ламкості хрящової тканини. Спостерігаються також вростання у звапнований хрящ кровоносних судин і заміна хрящової тканини кістковою.
2. Кісткова тканина
Кісткова тканина разом з хрящовою належить до скелетних тканин організму. Основна роль кісткової тканини - опорно-механічна: завдяки значній міцності кістки забезпечують захист життєво важливих органів від механічних ушкоджень, опору, а також переміщення тіла у просторі. Елементи кісткової тканини утворюють каркас і мікрооточення для клітин крові у складі червоного кісткового мозку. Кісткова тканина є депо кальцію і фосфору в організмі.
У кістковій тканині розрізняють клітинні елементи (остеобласти, остеоцити і остеокласти) та міжклітинну речовину (осеїнові волокна й осеомукоїд). Осеомукоїд містить глікопротеїни (серед яких специфічний білок кісткової тканини остеонектин) та протеоглікани. Незвапнований міжклітинний матрикс кісткової тканини має назву остеоїду (передкістки). Характерною особливістю кісткової тканини є виключно високий (до 70%) вміст у її складі міжклітинної речовини неорганічних сполук, серед яких найбільше солей кальцію - гідроксиапатитів (Са10(РО4)6(ОН)2) та фосфатів (Са3(Р04)2). Міцність кісток залежить від високого вмісту побудованих з колагену і типу осеїнових волокон, що утворюють пучки.
Остеобласти - клітини неправильної кубічної або полігональної форми розміром близько 15-20 мкм. Цитоплазма їх базофільна внаслідок високого вмісту РНК, має добре розвинуті елементи гранулярної ендоплазматичної сітки та комплексу Гольджі. Це відносно мало диференційовані одноядерні клітини, в яких здійснюється синтез глікопротеїнів і протеогліканів осеомукоїду. Остеобласти трапляються переважно в місцях утворення кісткової тканини; у дорослому організмі це глибокі шари окістя, а також ділянки регенерації кісткової тканини.
Остеоцити розвиваються з остеобластів. Це високодиференційовані одноядерні клітини витягнутої форми розміром близько 15x45 мкм. Остеоцити розміщені в кісткових лакунах (порожнинах) у складі звапнованого міжклітинного матриксу кісткової тканини. Від тіл остеоцитів відходять розгалужені відростки, які пронизують міжклітинну речовину й контактують з відростками сусідніх клітин. Цитоплазма остеоцитів слабко базофільна, що свідчить про зниження рівня синтетичних процесів порівняно з остеобластами. Стовбурові остеогенні клітини, напівстовбурові клітини, остеобласти й остеоцити утворюють диферон (гістогенетичний ряд клітин) кісткової тканини.
Остеокласти - великі багатоядерні клітини неправильної округлої форми, попередниками яких можуть бути малодиференційовані клітини кісткового мозку, а також моноцити крові. Основна функція остеокластів - резорбція (розсмоктування) кісткової тканини. Діаметр цих клітин 90 мкм і більше, у цитоплазмі налічується від трьох до кількох десятків ядер. Цитоплазма остеокластів оксифільна або слабко базофільна, містить значну кількість лізосом і мітохондрій. Остеокласти лежать у заглибинах на поверхні кісткового матриксу, що мають назву лакун Гаушипа. На поверхні клітини, що прилягає до місця руйнування кістки, розрізняють дві зони: покриту складками плазмолеми зону адсорбції і секреції ферментів (так звану гофровану облямівку) і замикальну зону, яка ізолює ділянку контакту від прилеглої тканини. Механізм руйнівної дії остеокластів на кісткову тканину повязують з виділенням цими клітинами вуглекислого газу, з якого під впливом ферменту карбоангідрази утворюється вугільна кислота, здатна розчиняти солі кальцію. Остеоїд перешкоджає взаємодії остеокластів з неорганічними компонентами кістки. Для успішної резорбції необхідна секреція остеобластами колагенази - ферменту, який руйнує шар остеоїду і забезпечує доступ остеокластів до мінерального матриксу кістки.
Залежно від способу організації колагенових волокон у кістковій тканині розрізняють два її види - пластинчасту та грубоволокнисту. Для пластинчастої кісткової тканини характерним є паралельне розташування пучків колагенових волокон з формуванням, так званих, кісткових пластинок. Залежно від орієнтації останніх у просторі пластинчасту кісткову тканину поділяють на компактну (у ній відсутні порожнини) та губчасту (кісткові пластинки утворюють розміщені під кутом одна до одної трабекули з формуванням характерної губчастої структури). З компактної кісткової тканини побудовані діафізи трубчастих кісток, з губчастої - плоскі кістки, епіфізи трубчастих кісток. Пластинчаста кісткова тканина складає переважну більшість кісток організму. -
Для грубоволокнистої кісткової тканини характерне невпорядковане (різнонаправлене) розміщення пучків осеїнових волокон, оточених звапнованим осеомукоїдом. Між пучками осеїнових волокон у лакунах осеомукоїду залягають остеоцити. Грубоволокниста кісткова тканина локалізується переважно у скелеті зародка, а в дорослому організмі - лише в ділянці швів черепа та у місцях прикріплення сухожиль до кісток.
Будова трубчастих кісток. Діафіз (рис. 1) - це центральна частина, епіфіз - периферійне закінчення трубчастих кісток. У ділянці діафіза кістки існує три шари: окістя (періост), власне кістка та ендост (внутрішній шар).
Рис.1. Діафіз трубчастої кістки
Окістя складається з поверхневого волокнистого шару, утвореного пучками колагенових волокон, та глибокого остеогенного шару (в ньому розміщені остеобласти та остеокласти). За рахунок окістя, яке пронизане судинами, здійснюється живлення кісткової тканини; кісткові елементи глибокого остеогенного шару забезпечують ріст кістки у товщину, її фізіологічну та репаративну регенерацію.
Власне кістка діафізу побудована з компактної кісткової речовини, у якій кісткові пластинки (від 4 до 15 мкм завтовшки) утворюють три шари: зовнішніх генеральних пластинок, остеонний та внутрішніх генеральних пластинок.
Під окістям розміщений шар зовнішніх генеральних пластинок. Ці пластини розташовані навколо діафізу, але повних кілець не утворюють, перекриваючись іншими шарами. Основна товща стінки кістки - це остеонний шар. Кожний остеон являє собою кісткову трубку діаметром від 20 до 300 мкм, у центральному каналі (каналі Гаверса) якої лежить так звана живильна судина і локалізовані остеобласти й остеокласти. Навколо центрального каналу концентрично розміщено 5-20 кісткових пластинок. Колагенові волокна у кісткових пластинках кожного шару мають паралельну орієнтацію. Пучки колагенових волокон у сусідніх пластинках розміщені під кутом один до одного, що сприяє зміцненню остеона як структурного елемента кістки.
Між кістковими пластинками у лакунах знаходяться тіла остеоцитів, які анастомозують своїми відростками, розміщеними у кісткових канальцях. Остеонний шар можна уявити собі як систему паралельних циліндрів - остеонів, проміжки між якими заповнені вставними кістковими пластинками. Через окістя до остеонного шару проходять так звані проривні судини, а також пучки колагенових волокон. Від ендосту остеонний шар відокремлений шаром внутрішніх генеральних пластинок. Останній є аналогом зовнішніх генеральних пластинок, але він менш розвинений. Ендост - тонковолокниста сполучна тканина, збагачена остеобластами й остеокластами, яка обмежує кістковомозкову порожнину. Гаверсові канали діафіза сполучаються між собою, а також з кістковомозковою порожниною і поверхнею кістки системою поперечних каналів.
Епіфіз кістки утворений губчастою кістковою тканиною. Поверхнево вкритий окістям, під яким розміщений шар генеральних пластинок. Кісткові пластинки у товщі епіфіза формують систему розміщених під кутом одна до одної трабекул, порожнини між якими заповнені ретикулярною тканиною і гемопоетичними клітинами. Подібну до епіфіза будову мають і плоскі кістки скелета.
3. Розвиток кісткової тканини — остеогенез
Розрізняють два способи розвитку кісткової тканини - безпосередньо з мезенхіми (перетинчастий остеогенез) та на місці хрящового зачатка (хрящовий остеогенез). Перетинчастий остеогенез характерний для перших тижнів ембріонального розвитку, хрящовий остеогенез - для пізніших етапів ембріонального розвитку та постнатального онтогенезу. Характеризуючи процеси розвитку кісткової тканини безпосередньо з мезенхіми, виділяють такі етапи.
Перший етап - формування у складі мезенхіми так званого остеогенного острівця, або кісткової бластеми. У цей час відбувається локальне розмноження мезенхімних клітин із вростанням у скелетогенний острівець кровоносних судин.
Другий остеоїдний етап характеризується виділенням остеогенними клітинами у міжклітинний простір колагену (формуванням осеїнових волокон) і високомолекулярних біополімерів (глікопротеїнів, протеогліканів, ліпідів) осеомукоїду.
Третій етап - утворення грубоволокнистої кістки - полягає у звапнуванні міжклітинної речовини (відкладанні солей кальцію). Для реалізації цього процесу необхідна наявність у міжклітинній речовині продукованої остеобластами лужної фосфатази та білка остеонектину. Останній, звязуючи колаген з гідроксиапатитом, визначає місце росту кристалів фосфату кальцію та їхнє прикріплення до органічного матриксу кістки. Четвертий етап повязаний з резорбтивною діяльністю остеокластів і заміщенням грубих різнонаправлених пучків осеїнових волокон на кісткові пластинки (заміна грубоволокнистої кісткової тканини пластинчастою).
Хрящовому остеогенезу притаманна дещо інша послідовність морфофункціональних змін. Перша стадія полягає у формуванні хрящової моделі майбутньої кістки. Вона побудована з гіалінового хряща, вкритого охрястям. Наступний етап - перихондральне окостеніння. Унаслідок виходу клітин остеогенного ряду із судин охрястя на поверхні хрящової моделі відбувається інтенсивна продукція осеїнових волокон та осеомукоїду з подальшим звапнуванням. При цьому навколо хряща виникає так звана кісткова манжетка. Третій етап - енхондральне окостеніння - проходить з утворенням діафізарно-го центру окостеніння. Цей процес починається із проростання судин кісткової манжетки всередину діафіза хрящової моделі і виходу за їх межі остеогенних клітин. За рахунок діяльності остеокластів у хрящі виникають порожнини резорбції, які, зливаючись, утворюють кістковомозкову порожнину. Навколо судин формуються кісткові пластинки, відбувається закладка остеонів. Останній, четвертий етап хрящового остеогенезу, - вростання в епіфізарну частину хрящової моделі кровоносних судин та утворення епіфізарного центру окоаеніння. У такому разі між епіфізарним і діафізарним центрами окоаеніння формується так звана метаепіфізарна пластинка росту. У ній розрізняють три основні зони з різними морфофункціональними характериаиками.
Перша зона, найвіддаленіша від діафізарного центру окостеніння, є зоною незміненого хряща. Ближче до діафіза розміщена зона стовпчастого хряща, за рахунок розмноження клітин якого здійснюється ріа кіаки у довжину. Хондроцити в її складі розташовані паралельними рядами, так званими клітинними стовпчиками або колонками. Ще ближче до діафізарного центру окостеніння розміщена зона пухирчастих клітин. Для неї характерні процеси дистрофії хондроцитів і розсмоктування хрящової тканини. Із зоною пухирчастого хряща безпосередньо межує зона резорбції хряща та незрілої кісткової тканини, в якій інтенсивно відбуваються процеси утворення та звапнування міжклітинної речовини кістки. У разі злиття епіфізарних та діафізарних центрів окостеніння (зі зникненням зони проліферації хрящових клітин) ріа кіаки у довжину припиняється. У людини це звичайно спостерігається у віці 18-20 років.
Ріст, регенерація та вікові зміни кісткової тканини. На відміну від хряща ріст кісткової тканини здійснюється лише шляхом апозиції - накладанням новоутвореної кісткової тканини на вже наявну. Ріст кістки у товщину здійснюється за рахунок окістя у результаті проліферації і синтетичної активності остеобластів його глибокого остеогенного шару. Ріст у довжину забезпечується розмноженням клітин стовпчастої зони метаепіфізарної пластинки. Слід зазначити, що високий рівень оксигенації (насичення киснем) є важливим чинником утворення кісткової тканини, оскільки процеси васкуляризації(проростання судин) завжди передують початкові остеогенезу в хрящовій тканині.
Фізіологічна регенерація кісткової тканини полягає у безперервній (протягом усього життя індивіда) заміні старих кісткових пластинок новоутвореними, формуванні нових остеонів на місці резорбованих. Взаємопротилежні процеси забезпечуються діяльністю остеокластів і остеобластів. В основі механізмів перебудови кісткової тканини є постійна зміна напрямку дії вектора сили на кістку, внаслідок чого виникає так званий пєзоелектричний ефект (виникає різниця потенціалів на увігнутій та опуклій поверхнях кісткових пластинок). Концентрація остеобластів і процеси апозиційного новоутворення кістки повязані з відємними зарядами, а концентрація остеокластів і процеси резорбції - з позитивними зарядами на поверхні кісткової тканини.
Вікові зміни кісткової тканини полягають у поступовій втраті неорганічного матриксу кістки після досягнення двадцятирічного віку. Характерно, що у чоловіків втрата мінеральних компонентів кістки є сталим процесом протягом усього життя: щорічна втрата ними неорганічного матриксу складає близько 0,4 % маси кісткової тканини. У жінок з настанням менопаузи, очевидно, в результаті дефіциту в організмі естрогенів процеси демінералізації наростають, досягаючи рівня 1-1,5% щорічно.
Література
1. Луцик О.Д., Іванова А.Й., Кабак К.С., Чайковський Ю.Б. Гістологія людини. - К.: Книга плюс, 2003. - 3-тє видання. - 592 с.
2. Новак В.П., Пилипенко М.Ю., Бичков Ю.П. Цитологія, гістологія, ембріологія.: Підручник. – К.: ВІРА-Р, 2001. – 288 с.
3. Практикум з цитології, ембріології та загальної гістології / За ред. Е.Ф. Баринова та Ю.Б.Чайковського. - К.: 1999.