Эндохондральное окостенение

Развитие хрящевой кости, которая формирует длинные кости

Эндохондральное окостенение ^{[1] [2]} является одним из двух основных путей, посредством которых костная ткань образуется во время внутриутробного развития скелетной системы млекопитающих , другой путь — интрамембранозное окостенение . Оба процесса, эндохондральный и интрамембранозный, начинаются с мезенхимальной ткани- предшественника , но их превращения в кость различны. При интрамембранозном окостенении мезенхимальная ткань напрямую преобразуется в кость. С другой стороны, эндохондральное окостенение начинается с превращения мезенхимальной ткани в промежуточную стадию хряща , которая в конечном итоге заменяется костью. ^[3]

Эндохондральное окостенение отвечает за развитие большинства костей, включая длинные и короткие кости, ^[4] кости осевого ( ребра и позвонки ) и конечностей (например, верхние и нижние конечности), ^[5] кости основания черепа (включая решетчатую и клиновидную кости) ^[6] и медиальный конец ключицы . [ ^7] Кроме того, эндохондральное окостенение не ограничивается исключительно эмбриональным развитием; оно также играет важную роль в заживлении переломов. ^[3]

Формирование модели хряща

Инициация эндохондральной оссификации начинается с пролиферации и конденсации мезенхимальных клеток в области, где в конечном итоге будет сформирована кость. Впоследствии эти мезенхимальные клетки-предшественники дифференцируются в хондробласты , которые активно синтезируют компоненты хрящевой матрицы. Таким образом, формируется начальная гиалиновая хрящевая матрица, которая имеет ту же основную форму и очертания, что и будущая кость. ^[8]

Первичный центр окостенения

Схема эндохондрального окостенения длинных трубчатых костей .

В развивающихся костях окостенение начинается в первичном центре окостенения, расположенном в центре диафиза ( тела кости) ^[5] , где происходят следующие изменения:

1. Перихондрий, окружающий модель хряща, трансформируется в надкостницу . Во время этой трансформации специальные клетки внутри надхрящницы переключают передачи. Вместо того, чтобы стать хрящевыми клетками ( хондроцитами ), они созревают в остеобласты , строящие кость . ^[5] Эту новообразованную кость можно назвать «периостальной костью», поскольку она происходит из трансформированной надкостницы. Однако, учитывая ее путь развития, ее можно классифицировать как «интрамембранозную кость». ^[8]
2. После образования надкостницы хондроциты в первичном центре окостенения начинают разрастаться ( гипертрофироваться ). Они начинают секретировать: ^{[10] [11]}
   • Коллаген типа X, который вызывает жесткость и сжатие внеклеточного матрикса .
   • Матриксные металлопротеиназы .
   • Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), который контролирует предстоящую сосудистую инвазию.
   • Щелочная фосфатаза , которая вызывает кальцификацию хрящевого матрикса. Эта кальцификация препятствует прохождению питательных веществ к хондроцитам, что приводит к их гибели.
3. Когда хондроциты умирают, матричные металлопротеиназы приводят к катаболизму различных компонентов внеклеточного матрикса, а физические границы между соседними лакунами (пространствами, в которых размещаются хондроциты) ослабевают. Это может привести к слиянию этих лакун, создавая более крупные пустые пространства. ^{[8] [9]}
4. Кровяные сосуды, выходящие из надкостницы, проникают в эти пустые пространства, и мезенхимальные стволовые клетки мигрируют, направляемые проникающими кровеносными сосудами. Следуя за проникающими кровеносными сосудами, мезенхимальные стволовые клетки достигают этих пустых пространств и подвергаются дифференциации в остеопрогениторные клетки. Эти прогениторные клетки далее созревают в остеобласты, которые откладывают неминерализованный костный матрикс, называемый остеоидом. Затем следует минерализация, приводящая к образованию костных трабекул (эндохондральное формирование кости). ^[11]

Световая микрофотография некальцинированной эпифизарной пластинки, демонстрирующая эндохондральное окостенение: здоровые хондроциты (вверху) становятся дегенерирующими (внизу), что характерно для кальцинированного внеклеточного матрикса .

Вторичный центр окостенения

В постнатальном периоде на каждом конце ( эпифизе ) длинных костей появляется вторичный центр окостенения. В этих вторичных центрах хрящ преобразуется в кость аналогично тому, как это происходит в первичном центре окостенения. ^[8] По мере увеличения вторичных центров окостенения остаточный хрящ сохраняется в двух различных местах: ^[11]

• Суставной хрящ: этот слой покрывает концы костей, участвующих в движении суставов .
• Эпифизарная пластинка роста : Этот поперечный слой лежит между эпифизом и диафизом . Он состоит из высокоактивных хондроцитов и отвечает за продольный рост кости. Следовательно, кость удлиняется на этой пластинке роста до тех пор, пока не произойдет закрытие при зрелости скелета.

В конце периода роста человека прекращается образование нового хряща в эпифизарной пластине. После этого момента существующий хрящ внутри пластины превращается в зрелую костную ткань. ^[8]

Гистология

Зоны эндохондрального окостенения.

В процессе эндохондрального окостенения на уровне светового микроскопа можно увидеть пять отдельных зон: ^[3]

Заживление переломов

Для полного восстановления биомеханической функциональности сломанной кости процесс заживления кости должен завершиться образованием пластинчатой ​​кости в месте перелома, чтобы выдерживать те же силы и напряжения, что и до перелома. Непрямое заживление перелома , наиболее распространенный тип восстановления кости, ^[10] в значительной степени зависит от эндохондральной оссификации. При этом типе заживления эндохондральная оссификация происходит внутри щели перелома и снаружи надкостницы. Напротив, внутримембранозная оссификация происходит непосредственно под надкостницей, рядом с концами сломанной кости. ^{[10] [12]}

Схема эндохондрального перелома, где B показывает расположение как эндохондрального, так и интрамембранозного окостенения.

Дополнительные изображения

• 
  Окраска пластинки роста большеберцовой кости кролика трихромом по Массону-Голднеру.
• 
  Срез фетальной кости кат. ir. Разрыв поднадкостничной ткани. p. Фиброзный слой надкостницы. o. Слой остеобластов. im. Поднадкостничное костное отложение.
• 
  Процесс эндохондрального окостенения.
• 
  Рисунок части продольного сечения развивающейся бедренной кости кролика. а. Уплощенные хрящевые клетки. б. Увеличенные хрящевые клетки. в, г. Новообразованная кость. д. Остеобласты. е. Гигантские клетки или остеокласты. ж, з. Сморщенные хрящевые клетки.

Ссылки

1. Этимология от греческого : ἔνδον / endon , «внутри», и χόνδρος/ chondros , «хрящ».
2. "Этимология английского слова эндохондральный". myEtymology. Архивировано из оригинала 14 июля 2011 г.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
3. Šromová, V; Sobola, D; Kaspar, P (5 ноября 2023 г.). «Краткий обзор функций и важности костных клеток». Cells . 12 (21): 2576. doi : 10.3390/cells12212576 . PMC 10648520 . PMID  37947654.  В данной статье используется текст, доступный по лицензии CC BY 4.0.
4. Коуэн, ПТ; Кахай, П (2023), «Анатомия, Кости», StatPearls , Treasure Island, Флорида (FL): StatPearls Publishing, PMID  30725884
5. Blumer, Michael JF (1 мая 2021 г.). «Костная ткань и гистологические и молекулярные события в процессе развития длинных костей». Annals of Anatomy - Anatomischer Anzeiger . 235 : 151704. doi : 10.1016/j.aanat.2021.151704 . ISSN  0940-9602. PMID  33600952.
6. Садлер, TW (2023). Медицинская эмбриология Лангмана (15-е изд.). Wolters Kluwer Health. ISBN 978-1975179960.
7. Хайленд, С.; Чарлик, М.; Варакалло, М. (2023), «Анатомия, плечо и верхняя конечность, ключица», StatPearls , Treasure Island, Florida FL): StatPearls Publishing, PMID  30252246
8. Павлина, Войцех (2024). Гистология: текст и атлас: с коррелированной клеточной и молекулярной биологией (9-е изд.). Wolters Kluwer. ISBN 9781975181574.
9. Mescher, Anthony L. (2023). Базовая гистология Junqueira: Текст и Атлас (17-е изд.). McGraw-Hill Education. ISBN 978-1264930395.
10. Ричард, Марселл; Томас А, Эйнхорн (1 июня 2012 г.). «Биология заживления переломов». Injury . 42 (6): 551–555. doi :10.1016/j.injury.2011.03.031. PMC 3105171 . PMID  21489527. 
11. Чагин, АС; Чу, TL (декабрь 2023 г.). «Происхождение и судьба хондроцитов: пластичность клеток в физиологических условиях». Current Osteoporosis Reports . 21 (6): 815–824. doi :10.1007/s11914-023-00827-1. PMC 10724094. PMID  37837512 . 
12. Бахни, Челси С.; Ху, Дайан П.; Миклау, Теодор; Маркучио, Ральф С. (5 февраля 2015 г.). «Многогранная роль сосудистой сети в восстановлении эндохондральных переломов». Frontiers in Endocrinology . 6 : 4. doi : 10.3389/fendo.2015.00004 . ISSN  1664-2392. PMC 4318416. PMID  25699016 .