Клетки костной ткани

В кости постоянно функционируют две клеточные линии: 1) клетки остеогенной (от греч. osteon — кость) дифференцировки, создающие кость, и 2) клетки гематогенной дифференцировки, разрушающие вещество кости. Благодаря их совместной деятельности в живом организме постоянно происходит процесс перестройки кости.

Остеогенный ряд клеточной дифференцировки включает:

остеогенные клетки => остеобласты => остеоциты.

Остеогенные клетки в эмбриогенезе образуются из мезенхимы и сохраняются в качестве камбиального резерва в оболочках кости (периосте1 и эндосте[1] [2]) и в околососудистой соединительной ткани внутри зрелой кости. Остеогенные клетки — это инертные предшественники, которые активируются, делятся и дифференцируются в остеобласты в период развития, роста и перестройки кости.

Во время регенерации поврежденной кости остеогенные клетки тоже активируются и превращаются либо в остеобласты, либо в хон- дробласты. В выборе пути их развития определяющую роль играет кислород. При высоком р02 во внеклеточной среде остеогенные клетки дифференцируются в остеобласты, а при низком р02 — в хондробла- сты. Морфологически остеогенные клетки не идентифицируются.

Остеобласты — продуктивная стадия костной дифференцировки, во время которой клетки создают костную ткань. Они активно синтезируют и секретируют все компоненты костного матрикса: коллаген I типа, гликопротеины, гликозаминогликаны и минорные белки. В начале этой фазы развития остеобласты сохраняют способность к пролиферации. Молодые остеобласты обычно имеют кубическую форму, округлое крупное ядро с одним или несколькими ядрышками и значительным количеством эухроматина. Цитоплазма остеобластов содержит обычный набор органелл, характерный для клеток, активно синтезирующих белки: хорошо развитый, объемный гранулярный эндоплазматический ретикулум, свободные рибосомы, многочисленные митохондрии, околоядерный аппарат Гольджи и множество ассоциированных с ним мелких пузырьков. Мембранные пузырьки содержат аморфный или хлопьевидный материал.

Во время формирования первичной кости остеобласты выстраиваются на поверхности костной закладки (рис. 75), но не образуют типичный эпителиоподобный пласт. Они располагаются на некотором расстоянии друг от друга и выпячивают тонкие боковые отростки. Концы таких отростков соседних клеток встречаются и соединяются друг с другом при помощи щелевых контактов. Ядра остеобластов располагаются эксцентрично на дальнем от кости округлом конце клеток.

Три главных типа костных клеток (по Don W. Fawcett, 1997)

Рис. 75. Три главных типа костных клеток (по Don W. Fawcett, 1997):

  • 1 — остеобласты; 2 — остеокласт; 3 — остеоид (неминерализованный матрикс);
  • 4 — остеоцит; 5 — лакуна Хоушипа; 6 — минерализованный матрикс

Остеобласты активно секретируют органические компоненты нового костного матрикса. Область секреции не ограничивается только базальным полем клеток. Некоторые остеобласты начинают выделять продукты через всю клеточную поверхность. Они постепенно окружают себя своими же собственными секретами и оказываются заключенными в лакуны, стенки которых построены новообразованным матриксом. Такой еще не содержащий минеральных солей матрикс называется остеоид. Остеоид по мере созревания и погружения внутрь кости постепенно минерализуется.

В зрелой кости остеобласты присутствуют только во внутреннем слое надкостницы и в местах регенерации травмированной костной ткани. Они имеют поверхностные рецепторы к некоторым гормонам, витаминам и цитокинам, влияющим на их активность.

Остеобласты теряют способность к делению еще в начале этой стадии развития. Зрелые остеобласты заметно снижают свою синтетическую активность. Они изменяют форму, становятся плоскими, расплющенными и трансформируются в остеоциты.

Остеоциты (рис. 76) — это конечная стадия остеогенного диффе- рона. Синтез белков в остеоцитах незначителен, в связи с этим цитоплазматические органеллы развиты слабо: несколько цистерн гранулярного ЭПР, свободные рибосомы, небольшой комплекс Гольджи и митохондрии. Ядро компактное, овальное, с более высоким содержанием гетерохроматина, чем в остеобластах. Основная функция остео- цитов заключается в сохранении и поддержании матрикса, а не в синтезе его компонентов.

Остеоцит, окруженный кальцинированным матриксом (по Э. Г. Улумбекову и Ю. А. Челышеву, 1997)

Рис. 76. Остеоцит, окруженный кальцинированным матриксом (по Э. Г. Улумбекову и Ю. А. Челышеву, 1997):

1 — стенка лакуны; 2 — каналец; 3 — отросток остеоцита; 4 — коллагеновые волокна в составе тонкого слоя остеоида, расположенного между стенкой лакуны

и поверхностью остеоцита

Остеоциты расположены в лакунах внутри кальцинированного матрикса. Их тело в значительной степени расплющено. От него радиально расходятся многочисленные отростки, при помощи которых соседние клетки соединены друг с другом. Очертания лакуны соответствуют форме клеток. Отростки остеоцитов также окружены матриксом и лежат внутри тонких канальцев, которые связывают соседние лакуны. Внутри канальцев отростки соседних клеток, соединяясь, образуют щелевые контакты.

Таким образом, в отличие от хондроцитов, остеоциты не изолированы, а, наоборот, взаимодействуют друг с другом. Межклеточные коммуникации обеспечивают потоки ионов и малых молекул от клетки к клетке. Диффузия питательных веществ через кальцинированный матрикс в значительной степени затруднена. Обмен метаболитами между клетками и кровью осуществляется через тканевую жидкость, заполняющую тесное пространство между клетками и стенками лакун и канальцев. Кроме того, в лакунарной полости между стенкой лакуны и плазматической мембраной остеоцита обычно расположен тонкий слой неминерализованного матрикса.

Совокупность лакун и канальцев образует систему сообщающихся между собой полостей, внутри которой циркулирует тканевая жидкость. Лакунарно-канальцевая жидкость по своему составу отличается от плазмы крови и внеклеточной жидкости других тканей. Концентрация Са2+ и Р043_ в ней превышает критический уровень спонтанного осаждения солей. Однако осадки не образуются благодаря наличию ингибиторов осаждения, контролирующих процесс минерализации. Ингибиторы осаждения, как и все другие белки матрикса, синтезируют и секретируют остеобласты и остеоциты.

Как отмечено выше, остеоциты являются конечной стадией остеогенной дифференцировки, внутри которой можно выделить три этапа. В начале своего жизненного цикла молодые остеоциты сохраняют способность синтезировать и секретировать компоненты матрикса. В дальнейшем их ультраструктура меняется, уменьшается число цитоплазматических органелл. На следующем этапе зрелые остеоциты в значительной степени снижают свою активность. В их цитоплазме эндоплазматический ретикулум ограничен несколькими изолированными цистернами. Однако лизосом накапливается значительное количество. Завершив свой жизненный цикл, костные клетки погибают. При этом в окружающую среду попадают лизосомальные ферменты, под действием которых происходит частичное разрушение костного вещества. Размеры опустошенных лакун увеличиваются.

Таким образом, функции остеоцитов сводятся к следующим:

  • 1) поддержание функционального состояния органического матрикса кости, эту функцию остеогенные клетки начинают выполнять на стадии остеобластов и продолжают на стадии остеоцитов;
  • 2) поддержание и стабилизация минерального состава костного матрикса через секрецию специальных ферментов в лакунарно-канальцевую жидкость;

3) остеоциты играют определенную роль в поддержании целостности костной структуры, поскольку кость, не содержащая остеоцитов, резорбируется остеокластами.

Остеокласты (от греч. osteon и klaster — тот, кто разбивает, дробит) — это гигантские многоядерные костные макрофаги, которые образуются в результате слияния моноцитов. Они содержат от двух до полусотни ядер и достигают 90 мкм в диаметре. Эти клетки обеспечивают резорбцию[3] костной ткани, необходимую для процессов перестройки и новообразования кости.

Остеокласты располагаются на поверхности кости в небольших углублениях, называемых лакунами Хоушипа (рис. 75), или нишами резорбции. Остеокласты секретируют на поверхность лежащей по ними кости ферменты, вызывающие резорбцию костного вещества.

Ультраструктура остеокласта показана на рисунке 77. Остеокласты — поляризованные клетки, в их цитоплазме выделяются четыре не резко разграниченные зоны. К нише резорбции примыкает специализированная зона остеокласта, которая называется гофрированной каемкой и представляет собой глубокие впячивания плазматической мембраны, которые разрезают этот край цитоплазмы на огромное количество тонких складок. Складки гофрированной каемки плотно примыкают друг к другу, а их кончики проникают непосредственно к поверхности разрушаемой кости и иногда вдавлены в нее. Узкие пространства между ними и поверхностью резорбируемой кости наполнены растворами ферментов, которые выделяют в лакуну остеокласты.

Складки имеют разнообразную форму, чаще листовидную или булавовидную. Кинематографическое изучение живых остеокластов показало, что поверхность гофрированной каемки очень подвижна, отростки постоянно изменяют свою длину. Они то удлиняются, то втягиваются назад. Гофрированная каемка остеокластов отличается строением и поверхностной специализацией от стабильной и упорядоченной щеточной каемки некоторых эпителиев. Гофрированная каемка полностью погружена в лакуну Хоушипа.

Прилегающая к гофрированной каемке зона цитоплазмы остеокласта, практически не содержащая никаких органелл, кроме цитоскелет- ных, называется светлой зоной. По ее периферии гладкая плазмалемма остеокласта плотно прилегает к подлежащей кости и образует кольцо, замыкающее лакуну Хоушипа. Кортикальный слой цитоплазмы в этой зоне особенно богат актиновыми микрофиламентами, участвующими в образовании контактов между остеокластом и подлежащей костью. Для названия этой специализированной конструкции иногда используется термин запечатывающая зона, обозначающий ее функции; герметизацию ниши резорбции и ограничение области действия ферментов.

Остеокласт (по Э. Г. Улумбекову и Ю. А. Челышеву, 1997)

Рис. 77. Остеокласт (по Э. Г. Улумбекову и Ю. А. Челышеву, 1997):

1 — костный матрикс; 2 — гофрированная каемка; 3 — светлая зона; 4 — везикулярная зона; 5 — базальная зона; 6 — ядра; 7 — лизосомы

Следующая зона цитоплазмы остеокласта носит название везикулярная зона. Здесь содержатся многочисленные мелкие мембранные пузырьки и более крупные вакуоли, которые попадают в эту часть клетки из следующей, базальной зоны, накапливаются и перемещаются по направлению к лакуне Хоушипа для последующего экзоцитоза.

Базальная зона — противоположная рабочей поверхности часть остеокласта. В ней расположены ядра, пара центриолей и многочисленные цитоплазматические органеллы, относящиеся к белоксинте- зирующему и секреторному аппаратам клетки, а именно: значительное число рибосом и полирибосом, несколько профилей гранулярного эндоплазматического ретикулума, хорошо развитый аппарат Гольджи, многочисленные транспортные пузырьки, митохондрии и лизосомы.

Особенно много в базальной зоне стопок Гольджи, накопившихся из многочисленных клеток, слившихся и образовавших остеокласт.

Синтезированные продукты накапливаются в мешочках аппарата Гольджи, затем отпочковываются в виде мембранных пузырьков и перемещаются в везикулярную зону. Среди этих пузырьков четко выделяются два типа: секреторные пузырьки, предназначенные для выведения содержащихся в них ферментов в нишу резорбции, и лизосомы, остающиеся в клетке. Таким образом, базальная область отвечает за образование цитоплазмы и ее компонентов для трех других зон остеокласта. Многочисленные митохондрии этой зоны производят энергию, большая часть которой используется в синтетических процессах, протекающих в этой же зоне, а меньшая — обеспечивает энергетические потребности других зон.

Остеокласты секретируют Н+-ионы в подлежащую лакуну, обеспечивая тем самым кислую среду, оптимальную для растворения солей кальция в костной ткани. Остеокласты также секретируют гидролитические ферменты, расщепляющие неколлагеновые органические вещества матрикса, которые связывают неорганический материал. Эти процессы приводят к фрагментации коллагенового матрикса. Его окончательное разрушение занимает достаточно долгое время и протекает в криптах[4] гофрированной каемки в присутствии фермента коллагеназы, который также секретируют остеокласты.

Долгое время остеокласты считались единственными агентами костной резорбции. Они эффективны только тогда, когда плотно прилегают к минерализованному матриксу. Во время формирования и перестройки кости кальцинированный матрикс покрыт тонким слоем остеоида (неминерализованного матрикса). Отмечено, что этот слой разрушается под действием ферментов, которые секретируют остеобласты. В результате минерализованный матрикс обнажается и становится доступным для резорбции остеокластами.

Остеокласты чувствительны к действию гормона паращитовидных желез — паратиреоидного гормона, который увеличивает число остеокластов и стимулирует их активность, тем самым усиливая резорбцию кости. Гормон щитовидной железы калъцитонин, наоборот, замедляет резорбцию костной ткани. Экспериментально показано, что он уменьшает протяженность гофрированной каемки остеокластов.

  • [1] Периост (от греч. peri — вокруг и osteon), или надкостница, покрывает снаруживсю кость, за исключением суставных поверхностей. Надкостница имеет два слоя:наружный, или волокнистый, образованный волокнистой соединительной тканью,и внутренний, остеогенный, который содержит остеогенные клетки и остеобласты.
  • [2] Эндост (от греч. endon — внутри и osteon) — тонкая оболочка, выстилающаякость со стороны костного мозга, также состоит из волокнистого и остеогенного слоев,но менее выраженных, чем в периосте.
  • [3] Резорбция (от лат. ге — приставка, означающая обратное или противоположноедействие, и sorbeo — всасывать) — рассасывание, потеря вещества в физиологическомили патологическом процессе.
  • [4] От греч. kriptos — скрытый, здесь — углубления, пальцевидные впячивания мембраны гофрированной каемки внутрь цитоплазмы.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >