Костный мозг — это полутвердая ткань, находящаяся в губчатых (также известных как губчатые) частях костей . [2] У птиц и млекопитающих костный мозг является основным местом производства новых клеток крови (или гемопоэза ). [3] Он состоит из кроветворных клеток , жировой ткани костного мозга и поддерживающих стромальных клеток . У взрослых людей костный мозг в основном расположен в ребрах , позвонках , грудине и костях таза . [4] Костный мозг составляет приблизительно 5% от общей массы тела у здоровых взрослых людей, так что у человека весом 73 кг (161 фунт) будет около 3,7 кг (8 фунтов) костного мозга. [5]
Человеческий костный мозг производит около 500 миллиардов клеток крови в день, которые попадают в системный кровоток через проницаемые сосудистые синусоиды в костномозговой полости . [6] Все типы кроветворных клеток, включая как миелоидные , так и лимфоидные линии , создаются в костном мозге; однако лимфоидные клетки должны мигрировать в другие лимфоидные органы (например, тимус ) для завершения созревания.
Трансплантация костного мозга может проводиться для лечения тяжелых заболеваний костного мозга, включая некоторые формы рака , такие как лейкемия . Несколько типов стволовых клеток связаны с костным мозгом. Гемопоэтические стволовые клетки в костном мозге могут давать начало гемопоэтическим клеткам линии, а мезенхимальные стволовые клетки , которые могут быть выделены из первичной культуры стромы костного мозга, могут давать начало костной, жировой и хрящевой ткани. [7]
Состав костного мозга динамичен, так как смесь клеточных и неклеточных компонентов (соединительная ткань) меняется с возрастом и в ответ на системные факторы. У людей костный мозг в разговорной речи называют «красным» или «желтым» костным мозгом ( лат . medulla ossium rubra , лат . medulla ossium flava соответственно) в зависимости от преобладания кроветворных клеток по сравнению с жировыми клетками . Хотя точные механизмы, лежащие в основе регуляции костного мозга, не изучены, [6] изменения состава происходят в соответствии со стереотипными моделями. [8] Например, кости новорожденного ребенка содержат исключительно кроветворно активный «красный» костный мозг, и с возрастом происходит прогрессивное преобразование в «желтый» костный мозг. У взрослых красный костный мозг находится в основном в центральном скелете , таком как таз , грудина , череп , ребра , позвонки и лопатки , и в переменном количестве находится в проксимальных эпифизарных концах длинных костей, таких как бедренная и плечевая кости . В условиях хронической гипоксии организм может преобразовывать желтый костный мозг обратно в красный, чтобы увеличить выработку клеток крови. [9]
На клеточном уровне основным функциональным компонентом костного мозга являются клетки-предшественники, которым суждено созреть в клетки крови и лимфоидные клетки. Человеческий костный мозг производит около 500 миллиардов клеток крови в день. [10] Костный мозг содержит гемопоэтические стволовые клетки , которые дают начало трем классам клеток крови, которые находятся в кровотоке: белые кровяные клетки (лейкоциты), красные кровяные клетки (эритроциты) и тромбоциты (тромбоциты). [11]
Строма костного мозга включает в себя все ткани, которые напрямую не участвуют в первичной функции костного мозга — кроветворении . [6] Стромальные клетки могут быть косвенно вовлечены в кроветворение, обеспечивая микросреду , которая влияет на функцию и дифференциацию кроветворных клеток. Например, они генерируют колониестимулирующие факторы , которые оказывают существенное влияние на кроветворение. Типы клеток, которые составляют строму костного мозга, включают:
То, что костный мозг является местом первичной реакции Т-клеток на антигены, переносимые кровью, было впервые описано в 2003 году. [13] Зрелые циркулирующие наивные Т-клетки попадают в синусы костного мозга после того, как они прошли через артерии и артериолы. [14] Они трансмигрируют в эндотелий синуса и попадают в паренхиму, которая содержит дендритные клетки (ДК). Они обладают способностью поглощать, обрабатывать и представлять антиген. [13] Когнативные взаимодействия между антигенспецифическими Т-клетками и антигенпрезентирующими ДК (АПК) в паренхиме приводят к быстрому образованию кластера Т-АПК с последующей активацией Т-клеток, пролиферацией Т-клеток и рециркуляцией Т-клеток в кровь. [13] Эти результаты были подтверждены и расширены в 2013 году с помощью двухфотонной динамической визуализации in situ черепов мышей. [15]
Костный мозг является гнездом для мигрирующих Т-клеток памяти [16] и убежищем для плазматических клеток. [17] Это имеет значение для адаптивного иммунитета и вакцинологии. [17] В- и Т-клетки памяти сохраняются в паренхиме в специальных нишах выживания, организованных стромальными клетками. [18] Эта память может поддерживаться в течение длительных периодов времени в форме покоящихся клеток [18] или путем повторной антигенной рестимуляции. [19] Костный мозг защищает и оптимизирует иммунологическую память во время ограничения питания. [20] У онкологических больных раково-реактивные Т-клетки памяти могут возникать в костном мозге спонтанно или после специфической вакцинации. [21] Костный мозг является центром различных видов иммунной активности: i) кроветворение, ii) остеогенез, iii) иммунные реакции, iv) различие между собственными и чужеродными антигенами, v) центральная функция иммунной регуляции, vi) хранение клеток памяти, vii) иммунный надзор за центральной нервной системой, viii) адаптация к энергетическому кризису, ix) обеспечение мезенхимальными стволовыми клетками для восстановления тканей. [22]
Строма костного мозга содержит мезенхимальные стволовые клетки (МСК), [11], которые также известны как стромальные клетки костного мозга. Это мультипотентные стволовые клетки , которые могут дифференцироваться в различные типы клеток. Было показано, что МСК дифференцируются in vitro или in vivo в остеобласты , хондроциты , миоциты , адипоциты костного мозга и клетки бета-панкреатических островков . [ требуется ссылка ]
Кровеносные сосуды костного мозга представляют собой барьер, препятствующий выходу незрелых клеток крови из костного мозга. Только зрелые клетки крови содержат мембранные белки , такие как аквапорин и гликофорин , которые необходимы для прикрепления к эндотелию кровеносных сосудов и прохождения через него . [23] Гемопоэтические стволовые клетки также могут пересекать костномозговой барьер и, таким образом, могут быть собраны из крови. [ требуется ссылка ]
Красный костный мозг является ключевым элементом лимфатической системы , являясь одним из основных лимфоидных органов , которые генерируют лимфоциты из незрелых гемопоэтических клеток-предшественников . [24] Костный мозг и тимус представляют собой основные лимфоидные ткани, участвующие в производстве и раннем отборе лимфоцитов. Кроме того, костный мозг выполняет клапаноподобную функцию, предотвращая обратный поток лимфатической жидкости в лимфатической системе. [ необходима цитата ]
Биологическая компартментализация очевидна в костном мозге, в том, что определенные типы клеток имеют тенденцию собираться в определенных областях. Например, эритроциты , макрофаги и их предшественники имеют тенденцию собираться вокруг кровеносных сосудов , в то время как гранулоциты собираются на границах костного мозга. [11]
Люди использовали костный мозг животных в кулинарии по всему миру на протяжении тысячелетий, как, например, в знаменитом миланском оссобуко . [25]
Нормальная архитектура костного мозга может быть повреждена или смещена апластической анемией , злокачественными новообразованиями, такими как множественная миелома , или инфекциями, такими как туберкулез , что приводит к снижению выработки клеток крови и тромбоцитов. Костный мозг также может быть поражен различными формами лейкемии , которая поражает его гематологические клетки-предшественники. [26] Кроме того, воздействие радиации или химиотерапии убьет многие из быстро делящихся клеток костного мозга и, следовательно, приведет к подавлению иммунной системы . Многие из симптомов радиационного отравления обусловлены повреждением, нанесенным клеткам костного мозга. [ необходима цитата ]
Для диагностики заболеваний, связанных с костным мозгом, иногда проводится аспирация костного мозга . Обычно это включает использование полой иглы для получения образца красного костного мозга из гребня подвздошной кости под общим или местным наркозом . [27]
Стволовые клетки, полученные из костного мозга, имеют широкий спектр применения в регенеративной медицине. [28]
Медицинская визуализация может предоставить ограниченное количество информации о костном мозге. Рентгеновские лучи простой пленки проходят через мягкие ткани, такие как костный мозг, и не обеспечивают визуализацию, хотя любые изменения в структуре связанной кости могут быть обнаружены. [29] КТ- визуализация имеет несколько лучшие возможности для оценки костномозговой полости костей, хотя и с низкой чувствительностью и специфичностью. Например, нормальный жировой «желтый» костный мозг в длинных костях взрослого человека имеет низкую плотность (от -30 до -100 единиц Хаунсфилда), между подкожным жиром и мягкой тканью. Ткань с повышенным клеточным составом, такая как нормальный «красный» костный мозг или раковые клетки в костномозговой полости, будет иметь переменно более высокую плотность. [30]
МРТ более чувствительна и специфична для оценки состава костей. МРТ позволяет оценить средний молекулярный состав мягких тканей и, таким образом, дает информацию об относительном содержании жира в костном мозге. У взрослых людей «желтый» жировой костный мозг является доминирующей тканью в костях, особенно в (периферическом) аппендикулярном скелете . Поскольку молекулы жира имеют высокую релаксацию T1 , последовательности изображений, взвешенные по T1, показывают «желтый» жировой костный мозг как яркий (гиперинтенсивный). Кроме того, нормальный жировой костный мозг теряет сигнал на последовательностях насыщения жиром, аналогично подкожному жиру. [ необходима цитата ]
Когда «желтый» жировой костный мозг заменяется тканью с более клеточным составом, это изменение проявляется в виде снижения яркости на T1-взвешенных последовательностях. И нормальный «красный» костный мозг, и патологические поражения костного мозга (например, рак) темнее «желтого» костного мозга на T1-взвешенных последовательностях, хотя их часто можно отличить по сравнению с интенсивностью сигнала МР соседних мягких тканей. Нормальный «красный» костный мозг обычно эквивалентен или ярче, чем скелетные мышцы или межпозвоночные диски на T1-взвешенных последовательностях. [8] [31]
Жировое изменение костного мозга, обратное гиперплазии красного костного мозга , может происходить при нормальном старении, [32] хотя его также можно увидеть при определенных методах лечения, таких как лучевая терапия . Диффузная гипоинтенсивность костного мозга T1 без контрастного усиления или кортикального разрыва предполагает конверсию красного костного мозга или миелофиброз . Ложно нормальный костный мозг на T1 может быть виден при диффузной множественной миеломе или лейкозной инфильтрации, когда соотношение воды и жира недостаточно изменено, как это может быть видно при опухолях более низкой степени злокачественности или на более ранних стадиях заболевания. [33]
Исследование костного мозга — это патологический анализ образцов костного мозга, полученных с помощью биопсии и аспирации костного мозга. Исследование костного мозга используется для диагностики ряда состояний, включая лейкемию, множественную миелому, анемию и панцитопению . Костный мозг вырабатывает клеточные элементы крови, включая тромбоциты , эритроциты и лейкоциты . Хотя много информации можно почерпнуть, проведя анализ самой крови (взятой из вены с помощью флеботомии ), иногда необходимо изучить источник клеток крови в костном мозге, чтобы получить больше информации о кроветворении; в этом заключается роль аспирации и биопсии костного мозга. [ необходима цитата ]
Соотношение между миелоидными и эритроидными клетками имеет отношение к функции костного мозга, а также к заболеваниям костного мозга и периферической крови , таким как лейкемия и анемия. Нормальное соотношение миелоидных и эритроидных клеток составляет около 3:1; это соотношение может увеличиваться при миелогенных лейкозах , уменьшаться при полицитемиях и меняться в обратную сторону в случаях талассемии . [34]
При пересадке костного мозга гемопоэтические стволовые клетки извлекаются из человека и вводятся другому человеку ( аллогенная ) или тому же человеку позднее ( аутологичная ). Если донор и реципиент совместимы, эти влитые клетки затем переместятся в костный мозг и инициируют выработку клеток крови. Трансплантация от одного человека другому проводится для лечения тяжелых заболеваний костного мозга, таких как врожденные дефекты, аутоиммунные заболевания или злокачественные новообразования. Собственный костный мозг пациента сначала убивают с помощью лекарств или радиации , а затем вводят новые стволовые клетки. Перед лучевой терапией или химиотерапией в случаях рака некоторые из гемопоэтических стволовых клеток пациента иногда собирают и позже вводят обратно, когда терапия заканчивается, чтобы восстановить иммунную систему. [35]
Стволовые клетки костного мозга могут быть индуцированы для превращения в нервные клетки для лечения неврологических заболеваний, [36] а также могут потенциально использоваться для лечения других заболеваний, таких как воспалительное заболевание кишечника . [37] В 2013 году после клинического испытания ученые предположили, что трансплантация костного мозга может быть использована для лечения ВИЧ в сочетании с антиретровирусными препаратами; [38] [39] однако позже было обнаружено, что ВИЧ оставался в организмах испытуемых. [40]
Стволовые клетки обычно собирают непосредственно из красного костного мозга в подвздошном гребне , часто под общим наркозом . Процедура является минимально инвазивной и не требует наложения швов после нее. В зависимости от состояния здоровья донора и его реакции на процедуру, фактическое получение может быть амбулаторной процедурой или может потребовать 1-2 дней восстановления в больнице. [41]
Другой вариант — введение определенных препаратов, которые стимулируют высвобождение стволовых клеток из костного мозга в циркулирующую кровь. [ 42] Внутривенный катетер вводится в руку донора, а затем стволовые клетки отфильтровываются из крови. Эта процедура похожа на ту, которая используется при донорстве крови или тромбоцитов. У взрослых костный мозг также может быть взят из грудины , в то время как большеберцовая кость часто используется при взятии образцов у младенцев. [27] У новорожденных стволовые клетки могут быть извлечены из пуповины . [43]
Используя количественную полимеразную цепную реакцию (qPCR) и секвенирование нового поколения (NGS), было идентифицировано максимум пять ДНК-вирусов на человека. Включены несколько герпесвирусов, вирус гепатита B, полиомавирус клеток Меркеля и вирус папилломы человека 31. Учитывая реактивацию и/или онкогенный потенциал этих вирусов, их влияние на кроветворные и злокачественные заболевания требует дальнейших исследований. [44]
Самые ранние окаменелые свидетельства существования костного мозга были обнаружены в 2014 году у Eusthenopteron , рыбы с лопастеперыми плавниками , которая жила в девонский период примерно 370 миллионов лет назад. [45] Ученые из Уппсальского университета и Европейского центра синхротронного излучения использовали рентгеновскую синхротронную микротомографию для изучения окаменелой внутренней части плечевой кости скелета , обнаружив организованные трубчатые структуры, похожие на костный мозг современных позвоночных. [45] Eusthenopteron тесно связан с ранними четвероногими , которые в конечном итоге эволюционировали в наземных млекопитающих и ящериц наших дней. [45]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )