Tkanki podporowe: - - kość Własności mechaniczne tkanek podporowych zależą od składu ich substancji międzykomórkowej Komórki produkujące składniki substancji międzykomórkowej w chrząstce (chondroblasty, chondrocyty) i w kości (osteoblasty, osteocyty) są wyspecjalizowanymi odmianami aktywnych i spoczynkowych fibroblastów. CHRZĄSTKA Komórki chondrogenne: Komórki mezenchymatyczne zaprogramowane w kierunku różnicowania chrzęstnego macierzyste komórki chrząstki, przekształcają się w chondroblasty komórki: - kom. chondrogenne - chondroblasty - chondrocyty substancja międzykomórkowa: - włókna kolagenowe - proteoglikany bogate w siarczany chondroityny - białka niekolagenowe (chondronektyna, fibronektyna, ankoryna) Chondroblasty: produkują znaczne ilości składników substancji miedzykomórkowej podczas tworzenia chrząstki, a następnie przekształcają się w chondrocyty Chondrocyty: komórki dojrzałej chrząstki, produkują niewielkie ilości składników substancji miedzykomórkowej (wymiana) Cechy wspólne dla wszystkich typów chrząstki: brak naczyń krwionośnych substancja podstawowa bogata w siarczany chondroityny chondrocyty występują pojedynczo lub w niewielkich grupach (grupy izogeniczne) chondrocyty lub ich grupy otoczone zagęszczoną substancją podstawową noszą nazwę terytoriów chrzęstnych Ochrzęstna - odżywianie i wzrost chrząstki warstwa zewn. włóknista warstwa wewn. z naczyniami i kom. chondrogennymi chondrocyt macierz torebkowa grupa izogeniczna Wzrost chrząstki: przez apozycję (od ochrzęstnej) śródmiąższowy (podziały chondrocytów, produkcja nowej substancji międzykomórkowej) macierz terytorialna macierz międzyterytorialna Pomimo tych możliwości, dojrzała ma słabe zdolności regeneracyjne u osobników młodych i praktycznie żadne u starszych 1
Chrząstka szklista terytoria chrzęstne sieć cienkich włókien kolagenowych (typ 2) w substancji podstawowej dominuje agrekan proteoglikan tworzący agregaty z kwasem hialuronowym u starszych osobników centralne rejony chrząstki mogą ulegać mineralizacji Odporność chrząstki szklistej na ściskanie wynika z własności cząsteczek agrekanu polianionów wiążących wodę GAG SO 4 -- H 2 O Lokalizacja (u ssaków): powierzchnie stawowe drogi oddechowe modele kości długich w życiu płodowym Własności mechaniczne: sztywna odporna na ściskanie Pod wpływem ucisku: cząsteczki wody są wypychane spomiedzy łańcuchów GAG jednoimienne ładunki grup siarczanowych w GAG odpychają się Chrząstka sprężysta terytoria chrzęstne włókna kolagenowe (typ 2) włókna sprężyste substancja podstawowa Lokalizacja: małżowina uszna niektóre chrząstki krtani Własności mechaniczne: sztywna elastyczna Chrząstka włóknista terytoria chrzęstne (nieliczne) równoległe pęczki włókien kolagenowych (typ 1) substancja podstawowa (b. niewiele) brak ochrzęstnej Lokalizacja: niektóre przyczepy ścięgien i więzadeł do kości krążki międzykręgowe Własności mechaniczne: odporna na rozciąganie i rozerwanie włóknista ścięgno KOŚĆ Białka niekolagenowe substancji międzykomórkowej kości komórki: - komórki osteogenne - osteoblasty - osteocyty - osteoklasty substancja międzykomórkowa: - fosforany wapnia (ok. 70%) (kryształki hydroksyapatytów, HA), obecne wewnątrz fibryli kolagenowych, pomiędzy nimi i w substancji podstawowej - włókna kolagenowe (typ 1) - substancja podstawowa (niewiele): proteoglikany (dekoryna, biglikan) białka niekolagenowe (osteonektyna, osteokalcyna, sialoproteina kości, białka morfogenetyczne kości) Nazwa Osteonektyna Osteokalcyna Osteopontyna Sialoproteina II Fibronektyna Enzymy: kolagenaza, fosfataza zasadowa Białka morfogenetyczne kości Funkcja Wiąże kolagen z kryształami HA Wiąże Ca, uczestniczy w regulacji przebudowy kości, pobudza mineralizację Wiąże z komórki z substancją podstawową j.w., silnie pobudza mineralizację Wiąże się z komórkami, kolagenem i innymi składnikami substancji miedzykomórkowej Uczestniczą w procesach mineralizacji i przebudowy kości Stymulują powstawanie osteoblastów, indukują tworzenie nowej kości 2
Komórki osteogenne: spłaszczone ubogie w organelle lokalizacja w dojrzałej kości: (nieliczne, spoczynkowe) w okostnej, w śródkostnej, w kanałach naczyniowych Osteoblasty: owalne, zasadochłonne szorstka siateczka, aparat Golgiego egzocytoza konstytutywna produkują składniki substancji międzykomórkowej i regulują ich mineralizację lokalizacja: w obszarach nowo tworzonej lub przebudowywanej kości, nieaktywne osteoblasty w śródkostnej i kanałach naczyniowych Osteocyty spłaszczone duże jądro cienkie wypustki połączone połączeniami szczelinowymi z wypustkami sąsiednich osteocytów Osteocyty i ich wypustki zajmują niezmineralizowane przestrzenie w substancji miedzykomórkowej: jamki i kanaliki kostne. System połączonych jamek i kanalików stanowi drogę dla dyfuzji tlenu, substancji odżywczych i metabolitów - komunikuje się z przestrzeniami zawierającymi naczynia krwionośne (z kanałami naczyniowymi lub ze szpikiem) Dyfuzja jest możliwa, ponieważ osteocyty i ich wypustki otoczone są cienką warstwą płynu (silnie uwodnionej substancji podstawowej) wypełniającą przestrzeń pomiędzy komórkami a zmineralizowanymi (nieprzepuszczalnymi) ścianami jamek i kanalików obszar zmineralizowany Stany czynnościowe osteocytów spoczynkowy słabo rozwinięte organelle wytwórczy (wydzielniczy) siateczka szorstka, Golgi produkują i wydzielają niewielkie ilości substancji międzykomórkowej warstwa płynu (uwodnionej istoty podstawowej) resorbcyjny siateczka szorstka, Golgi, lizosomy wydzielają metaloproteinazy lokalnie trawiące substancję międzykomórkową, uwalniają jony Ca Osteocyty reagują na zmiany obciążeń mechanicznych kości, zmieniając swój stan czynnościowy i przekazując sygnały innym osteocytom: reaguja na pociąganie integryn reagują na ruch i zmiany ciśnienia otaczającej je warstewki płynu (czujnik: rzęska pierwotna) koordynują swoją aktywność czynnościową, przekazując sobie sygnały chemiczne i jonowe (camp, Ca) poprzez połączenia szczelinowe Sygnały są przekazywane również osteoblastom i osteoklastom. Efektem jest proces przebudowy kości dostosowujący jej strukturę do kierunku działania sił Osteoklasty komórki trawiące kość bardzo duże (do 100 µm) wielojądrzaste brzeżek koronkowy (liczne głębokie wpuklenia błony komórkowej) na granicy z kością pęcherzyki hydrolazowe, pęcherzyki endocytotyczne, lizosomy Pochodzenie: szpik krwiotwórczy (fuzja komórek prekursorowych o charakterze monocytów) 3
Osteoklasty lokalnie resorbują kość poprzez demineralizację oraz trawienie zewnątrzi wewnątrzkomórkowe Jednostką strukturalną dojrzałej (blaszkowatej) kości jest blaszka kostna 3-5 µm (1) zamknięcie przestrzeni pomiędzy brzeżkiem koronkowym a powierzchnią kości przez pierścień integryn (2) wydzielenie H+ (pompa protonowa) zakwaszenie lokalna demineralizacja (3) wydzielenie enzymów hydrolitycznych (egzocytoza pęch. hydrolazowych) trawienie zewnątrzkomórkowe (4) endocytoza nadtrawionych fragmentów trawienie wewnątrzkomórkowe w lizosomach W kości gąbczastej, równolegle ułożone kostne budują beleczki kostne. Beleczki tworzą sieć, w oczkach której znajduje się szpik kostny z naczyniami Lokalizacja: kości płaskie i nieregularne, nasady kości długich kość zbita kość gąbczasta Składniki: zmineralizowana substancja międzykomórkowa z równoległym układem włókien kolagenowych jamki i kanaliki zawierające osteocyty i ich wypustki Typy dojrzałej kości: gąbczasta zbita W kości zbitej, kostne układają się koncentrycznie wokół kanałów naczyniowych (kanałów Haversa) tworząc osteony (systemy Haversa). Zwarty układ równoległych osteonów tworzy kość. Lokalizacja: trzony kości długich powierzchniowa (korowa) warstwa kości płaskich i nieregularnych Osteon walec, Ø < 300 µm, długość kilka mm do 2 cm 5-15 blaszek kostnych otoczony cienką warstwą zmineralizowanej substancji podstawowej (linia cementowa) kanaliki kostne nie przechodzą do sasiedniego osteonu zawartość kanału Haversa: - naczynie włosowate - niezmielinizowane włókno nerwowe (czasem) - komórki osteogenne - nieaktywne osteoblasty i osteoklasty odśrodkowa dyfuzja tlenu i subst. odżywczych Naczynia biegnące w kanałach Haversa odchodzą od większych naczyń biegnących w kanałach naczyniowych Volkmanna. Naczynia wchodzą do kości zbitej zarówno od strony okostnej, jak i jamy szpikowej. 4
Typy blaszek kostnych w trzonie kości długiej: systemowe międzysystemowe okrężne - zewnętrzne - wewnętrzne międzysystemowe okrężne wewn. okrężne zewn. systemowe Okostna: tkanka łączna zbita zawiera naczynia krwionośne wchodzące do kości w warstwie wewnętrznej obecne komórki osteogenne i nieaktywne osteoklasty Śródkostna: pojedyncza warstwa spłaszczonych komórek (komórki wyściółkowe - nieaktywne osteoblasty) wyścielająca wewnętrzne powierzchnie kości śródkostna kanały naczyniowe Kości pneumatyczne zawierają przestrzenie wypełnione powietrzem, połączone z drogami oddechowymi te przestrzenie powstają w trakcie rozwoju, poprzez wpuklenia wyściółki dróg oddechowych w głąb kości u ssaków: zatoki w kościach szczękowych czołowych, klinowych i sitowych u ptaków wpuklenia worków powietrznych do wielu kości (kończyn, obręczy barkowej, mostka, łopatek, kręgów) Kostnienie (osteogeneza) Kostnienie na podłożu mezenchymatycznym (kości płaskie) Mięsak kostny (osteosarcoma) jest najczęstszym nowotworem układu kostno-szkieletowego u psów i kotów. Jest to bardzo agresywny nowotwór, wymaga amputacji zajętej kończyny. mezenchyma włókna osteoid kolagenowe osteoblasty osteocyty mineralizacja, pierwotne beleczki 1. Komórki mezenchymy różnicują się w kom. osteogenne, które produkują substancję podstawową kości (osteoid)... 2.... i przekształcają się w osteoblasty. 3. Osteoblasty produkują substancję międzykomórkową kości i otaczają się nią. 4. Rozpoczyna się mineralizacja, osteoblasty przekształcają się w osteocyty. 5. Powstają pierwotne beleczki kostne. Rozrost i przebudowa pierwotnych beleczek kostnych wymaga skoordynowanej działalności osteoblastów i osteoklastów Jako pierwsza powstaje kość grubowłóknista (plecionkowata), która zostaje potem przebudowana w kość blaszkowatą Kostnienie na podłożu chrzęstnym (k. długie, podst. czaszki, kręgi, miednica) 1. Degeneracja i mineralizacja chrząstki wewnątrz trzonu (wytworzenie pierwotnego punktu kostnienia), wytworzenie mankietu kostnego wokół trzonu 2. Wniknięcie pęczka okostnowego z naczyniami i komórkami osteogennymi które przekształcają się w osteoblasty i rozpoczynają tworzenie pierwotnych beleczek kostnych. 3. Degeneracja chrząstki i tworzenie kości przesuwa się ku nasadom powiększa się jama szpikowa 4. Utworzenie płytki wzrostowej na granicy trzonu i nasad. 5. Wytworzenie wtórnych punktów kostnienia w nasadach, kostnienie nasad 6. Kostnienie płytek wzrostowych, zakończenie wzrostu kości 5
Płytka wzrostowa: 5 stref odzwierciedla kolejne etapy przekształcania chrząstki w kość spoczynkowa proliferująca hypertroficzna degenerująca mineralizacja, beleczki kierunkowe Mineralizacja substancji międzykomórkowej Poroże jeleniowatych: jedyny przykład regeneracji narządu u ssaków i najszybszy proces osteogenezy na świecie 1. Odszczepianie się od degenerujących chondrocytów i osteoblastów pęcherzyków gromadzących Ca i P (pęcherzyki macierzy). 2. Krystalizacja Ca-P wewnątrz pęcherzyków. 3. Wzrost kryształów rozerwanie pęcherzyków 4. Dalszy wzrost, zlewanie się i przebudowa kryształów w obrębie substancji międzykomórkowej Poroże zbudowane jest z kości (na obwodzie kość zbita, wewnątrz kość gąbczasta) pozbawionej naczyń, początkowo pokrytej dobrze unaczynioną skórą. Po zakończeniu wzrostu poroża skóra obumiera i odpada, odsłaniając powierzchnię kości. Aktywacja osteoklastów u podstawy poroża powoduje jego zrzucenie. szklista, strefy wzrostu i stopniowej mineralizacji kość zbita okostna możdżeń (wyrostek kostny) mezenchyma kość gąbczasta skóra Przebudowa kości umożliwia optymalne dostosowanie jej struktury do zmieniających się kierunków działających na kość sił Przebudowa beleczki kostnej Wzrost poroża to specyficzna forma kostnienia na podłożu chrzęstnym komórki macierzyste obecne w okostnej przekształcają się w komórki mezenchymatyczne komórki mezenchymatyczne intensywnie się dzielą i przekształcają w chondrocyty chondrocyty intensywnie się dzielą (wzrost chrząstki) rosnąca ulega stopniowej mineralizacji a następnie przekształca się w kość kość ulega przebudowie na gąbczastą i zbitą zarówno jak i kość w okresie wzrostu zawierają naczynia, które potem zanikają szybkość wzrostu poroża: 1 cm dziennie poprzedni kierunek siły Przebudowa kości jest wynikiem skoordynowanej działalności osteoblastów i osteoklastów efektem jest zmiana układu beleczek kostnych lub osteonów 6
Przebudowa kości zbitej likwidacja starych osteonów i tworzenie nowych Budowa stawu (diarthrosis) Torebka stawowa: warstwa włóknista (tkanka łączna zbita) okostna warstwa włóknista torebki stawowej błona maziowa jama stawu z płynem stawowa Blaszki międzysystemowe są pozostałością dawnych osteonów, częściowo zniszczonych podczas przebudowy kości błona maziowa: tkanka łączna wiotka - makrofagi (synowiocyty A) - fibroblasty (synowiocyty B) naczynia krwionośne jama szpikowa Najczęstszą przyczyną dolegliwości stawowych u starszych zwierząt ( reumatyzm ) jest choroba zwyrodnieniowa na skutek mikrourazów, długotrwałych przeciążeń, itp., dochodzi do degeneracji chrząstki stawowej i nieprawidłowej przebudowy kości, co ogranicza ruchy w stawie i powoduje ból. Reumatoidalne zapalenie stawów, występujące zazwyczaj u zwierząt młodszych, jest wynikiem ataku własnego układu immunologicznego na tkankę łączną i chrząstkę struktur stawowych (choroba autoimmunizacyjna). 7