Биологические функции, Метаболизм кости

Элементы соединительной ткани находятся во всех органах животных. В разных частях тела животного эта ткань может иметь различное строение, далеко не в одинаковой степени приспосабливаясь то к опорной, то к трофической и защитной функциям.

Биосинтез соединительной ткани регулируется нейрогуморально. Такая регуляция осуществляется корой больших полушарий мозга, симпатическими и парасимпатическими нервными окончаниями, медиаторами. Соматотропин стимулирует включение аминокислоты пролина в полипептидную цепь тропоколлагена и превращению его в коллаген.

Минералокортикоиды способствуют пролиферации фибропластов, превращению их в фиброциты и биосинтезу ими основного вещества ткани. Тироксин (гормон) активизирует ферментные системы, деполимеризует гиалуроновую кислоту. Глюкокортикоиды (гормоны) тормозят биосинтез коллагена и гликозаминогликанов.

В остео6ласты поступает «сырье» для биосинтеза нуклеиновых кислот, белков, липидов, углеводов, минеральных соединений и других веществ. Из глюкозы образуется гликоген. Гликоген и глюкоза подвергаются анаэробному расщеплению Образовавшиеся при этом лактат и пируват поступают в цикл трикарбоновых кислот. Ткань получает АТФ, АДФ, гексофосфорные эфиры и другие соединения. Гексозофосфаты расщепляются гидролазами:

+Н₂О

R — О — РО₃Н₂ ® R — ОН + Н₃РО₄

Образовавшаяся ортофосфорная кислота может вза­имодействовать с хлоридом кальция, который посту­пает с током крови:

6СаСl₂+4Н₃РО₄ ®2Са₃(РО₄)₂ +12HCI

Одновременно остеобласты синтезируют коллаген и гликозаминогликаны. Частицы коллагена проникают во внеклеточное пространство, образуя межклеточное вещество. Часть из них уплотняется, формируя протофибриллы, фибриллы и оссеиновые волокна. В межклеточное вещество из остеобластов выделяются частицы гликозаминогликанов, которые адсорбируют ионы Са²⁺ и фосфатионы, частично — соли. Активируются кислые гидролазы лизосом. Возрастает проницаемость мембран остеобластов. Ферменты проникают во внеклеточное — пространство и активируют реактивные группы колла­гена (-NH2, -COOH, -SH). Эти группы взаимодействуют с фосфатами. Возникают ядра кристаллизации. Ионы Са²⁺ и фосфат-ионы, адсорбированные ранее гликозаминогликанами, освобождаются и концентрируются вокруг ядер, образуя первые микрокристаллы костных солей. Далее формируется типичная костная ткань, Процессы образования костной ткани регулируются центральной нервной системой, гормонами, многими ферментами. Процесс образования костей зависит от состава корма, а именно: наличия в нем нужных мине­ральных веществ, витаминов, особенно A, D, С и др.

Развитие соединительной ткани и ее важнейшие биологические свойства.Развитие клеток соединительной ткани осуществляется в различных направлениях. Часть мезенхимы превращается в эндотелий, выстилающий кровяные островки, а затем и кровеносные сосуды. Другая часть дает начало основным клеточным элементам соединительной ткани: 1) гистиоцитам, 2) ретикулярным клеткам, местами образующим большие скопления ретикулярной ткани, и З) клеткам фибробластического ряда (по схеме: мезенхима – камбиальная клетка – фибробласт – фиброцит).

Первые два типа клеток по биологическим свойствам стоят ближе всего к эндотелию и форменным элементам крови. Они тоже выполняют трофическую и защитную функции и концентрируются главным образом вблизи кровеносных сосудов, а в условиях патологии могут даже проникать в кровяное русло. Если ввести в организм коллоидальную краску или бактерии, уже через 10 – 15 минут значительная часть введенного материала будет захвачена элементами ретикулярной ткани, гистиоцитами и эндотелием некоторых кровеносных капилляров (такие капилляры называют синусоидными). Все эти способные к фагоцитозу элементы соединительной ткани объединяют в одну систему – ретикулоэндотелиальную (РЭС).

Ретикулоэндотелиальная, или макрофагическая, система, по И.И. Мечникову, имеет громадное значение в жизни животного. Входящие в ее состав элементы (ретикулярная ткань, гистиоциты, эндотелий капилляров печени, надпочечников и некоторых других к органов) характеризуются: 1) активным участием в межуточном обмене веществ, почему многие из этих элементов (ретикулярные клетки, гистиоциты) могут накапливать в себе жир; 2) способностью к фагоцитозу, причем в отличие от зернистых лейкоцитов (микрофагов) эти элементы способны захватывать не только бактерии, но и отмирающие клетки организма, то есть являются макрофагами; З) близким сродством к элементам крови – кровь может протекать, не свертываясь, через ретикулярную ткань, а последняя принимает непосредственное участие в кроветворении, образуя остов кроветворных органов и давая начало моноцитам, 4) свойством переходить при воспалении в состояние «раздражения» и превращаться в полибласты – клетки, очищающие ткани от отмерших элементов и, возможно, принимающие участие в новообразовании молодой соединительной ткани на месте бывшего повреждения. Способность к фагоцитозу развивается у клеток РЭС в три этапа. Сначала они энергично размножаются, затем начинают фагоцитировать, но захваченные имя частицы еще не могут перевариваться и некоторое время без всяких изменений находятся в фагосомах. На последнем этапе развития комплекс Гольджи продуцирует гидролитические ферменты, содержащиеся в лизосомах, а последние сливаются с фагосомами, образуя пищеварительные вакуоли.

Клетки фибробластического ряда развиваются по иному пути, связанному с образованием межклеточного вещества. Правда, мало дифференцированные клетки этого ряда (камбиальные и фибробласты) еще могут размножаться митозом и иногда обнаруживают слабую подвижность и не резко выраженный фагоцитоз. Поэтому у животных, соединительная ткань которых мало дифференцирована (кролики), фибробласты могут активно участвовать в воспалительной реакции. Они приходят в состояние «раздражения», их цитоплазма становится базофильной и резко контурированной. Размножаясь и активно перемещаясь к очагу воспаления, такие фибробласты формируют вокруг воспаленного участка капсулу, а по окончании острой фазы воспаления принимают обычный вид и начинают продуцировать межклеточное вещество молодой соединительной ткани. У большинства других млекопитающих клетки фибробластического ряда достигают высших степеней дифференциации, их фиброциты хотя и способны к амитозу, но в воспалительной реакции принимают лишь ограниченное участие. В этих случаях активную роль играют элементы ретикулоэндотелиальной системы и эмигрировавшие лейкоциты, тогда как фиброциты быстро разрушаются.

У клеток фибробластического ряда наиболее отчетливо выражена способность к синтезу тропоколлагена, из которого в межклеточном веществе полимеризуются коллагеновые фибриллы (рис. 40).

Рисунок 40. Схема образования коллагена (по Шелдону): в левой части рисунка меченая молекула пролина (аминокислоты) (1) захватывает фибробластом и включается в белок тропоколлаген, синтезируемый рибосомами. Пройдя через гранулярную эндоплазматическую сеть и зону Гольджи (2), молекулы тропоколлагена выделяются в межклеточное вещество, где они полимеризуются в более крупные молекулы коллагена. Последние в правой части рисунка (двойной круг) соединяются в коллагеновую фибриллу с характерной исчерченностью (3).

Межклеточное вещество примитивной соединительной ткани богато мукополисахаридами и содержит только протофибриллы; оно отличается прозрачностью. Такое строение имеют пуповина и роговица глаза. Во всех остальных частях тела развитие соединительной ткани идет дальше, протофибриллы «сшиваются» в более толстые фибриллы, погруженные в межфибриллярное цементирующее вещество (рис. 41). Из этих фибрилл складываются первые коллагеновые волокна. Они еще богаты мукополисахаридами, их цементирующее вещество энергично восстанавливает азотнокислое серебро, поэтому молодые коллагеновые волокна часто называют аргирофильными (другое их название «преколлагеновые волокна» неудобно, так как его можно спутать с упоминавшимся выше белком проколлагеном).

Рисунок 41. Электронная микрограмма поперечного среза сухожилия курицы (по Джексон): видны коллагеновые фибриллы, погруженные в межфибриллярное вещество (ув. 150000).

Выше отмечалось, что термин «аргирофильный» применяют и к ретикулярным волокнам, тоже чернеющим при обработке серебряными солями. Молодые коллагеновые (преколлагеновые) волокна рыхлой соединительной ткани и ретикулиновые волокна ретикулярной ткани – две разновидности примитивных коллагеновых волокон с одинаковым характером поперечной исчерченности (длина периодов 640, А). Однако между ними есть и существенные различия. Ретикулярные волокна ветвятся под прямым углом и образуют настоящую сеть, чего не наблюдается у молодых коллагеновых волокон рыхлой соединительной ткани. Последние растворяются в слабых кислотах, тогда как ретикулярные волокна этим свойством не обладают. Таким образом, термин «аргирофильные волокна» – сборное понятие, объединяющее и ретикулярные, и преколлагеновые волокна.

В зрелых коллагеновых волокнах цементирующее вещество уменьшается в количестве и утрачивает аргирофилию. Фибриллы постепенно утолщаются, их поперечная исчерченность усиливается по мере истончения прослоек межфибриллярного вещества. Длина периодов (640, А) не изменяется, но внутри периода все в большом количестве появляются добавочные «внутрипериодные» оси. В наиболее дифференцированных волокнах, например в сухожилиях хвоста кошки или в ахилловом сухожилии человека, в каждом периоде 13 тонких линий. По числу этих линий можно судить о механической нагрузке, падающей на данное волокно.

Склонность коллагеновых фибрилл к утолщению обнаруживается и в патологических условиях. Например, при воспалении роговицы утолщаются ее фибриллы, отчего она мутнеет. Стареющие волокна не только утолщаются, но и становятся жесткими; мясо старых животных приходится долго вываривать, чтобы превратить коллаген в желатин, то есть растворить его в горячем бульоне. В отличие от молодых волокон старые не растворяются в слабых кислотах; наряду с водородными связями в них образуются связи альдегидные , а это приводит к утрате и без того слабой эластичности и к уменьшению способности захватывать воду. Подобные изменения могут возникать и в молодом коллагене, если в нем образуются альдегидные связи. Можно искусственно «состарить» коллаген, если ввести в него эти связи дачей минимальных доз метилглиоксаля. Знание химического состава коллагена имеет большое практическое значение, так как сходные со старением изменения коллагена возникают при ревматоидном воспалении суставов.

Не следует думать, что коллагеновые волокна существуют в течение всей жизни. В развитии соединительной ткани, как и в развитии крови, наблюдается смена генераций. Первая генерация волокон представлена быстро развивающимися и несовершенными структурами, но они некоторое время обеспечивают достаточную механическую прочность ткани и создают этим благоприятные условия для более медленного и совершенного дифференцирования последующих поколений волокон. Первые коллагеновые волокна часто еще грубые, с неровными контурами; впоследствии они заменяются пучками значительно более тонких коллагеновых фибрилл.

Исследования методом меченых атомов показали, что межклеточное вещество не останавливается в развитии, в нем происходят дальнейшие биохимические превращения. Межклеточное вещество, окончательно утратившее способность к обмену, рассасывается, а его место занимает вновь образовавшаяся аморфная субстанция, проделывающая, в свою очередь, полный цикл биохимических и морфологических превращений. В тех участках соединительной ткани, где обменные процессы особенно интенсивны, например, в стенке крупных артерий, межклеточное вещество быстрее изнашивается и восстанавливается. Наличие в них постоянной физиологической, то есть протекающей в норме, регенерации видно по обилию молодого, богатого мукополисахаридами аморфного вещества. Рассасывание аморфного вещества, богатого гиалуриновой кислотой, осуществляется с помощью фермента гиалуронидазы вырабатываемого соединительнотканными клетками. С помощью этого фермента спермии разрушают плотную оболочку яйца. Он имеется и у многих бактерий и помогает им быстрее разжижать межклеточное вещество соединительной ткани и расселяться в организме зараженного животного.

Следовательно, межклеточное вещество соединительной ткани периодически сменяется, чем и объясняется возможность глубоких перестроек опорных структур. Известно, например, что, если наложением гипсовой повязки прекратить на длительное время функционирование сустава, связочный аппарат последнего может перестроиться так, что подвижность его не восстановится и после снятия гипса. Наоборот, тренировкой можно добиться перестройки связок, резко увеличивающей подвижность суставов.

Эластические волокна могут существовать только в состоянии внутреннего напряжения. Их вещество как бы стремится занять наименьший объем, если вырезать кусочек ткани, богатой эластическими волокнами, он сейчас же сокращается; если нарушить целостность эластической сети, ее обрывки собираются в шарообразные скопления эластина. Эластическая сеть может появиться только на относительно поздней стадия гистогенеза, когда соединительная ткань приобретает достаточную плотность вследствие хорошо развитой системы коллагеновых пучков и в состоянии противостоять стремлению эластина принять шарообразную форму.

В развитии коллагеновых и эластических волокон виден пример возникновения двух типов структур с противоположными свойствами. Будучи «антагонистами», они образуют единую систему, обеспечивающую соединительной ткани возможность противодействовать самым разнообразным механическим факторам. Коллагеновые волокна хорошо противостоят разрыву, но лишены эластичности. Эластическая сеть восполняет этот недостаток, но она легко разрывается, и без коллагеновых пучков превратилась бы в бесформенные глыбки эластина.

Возникновение в одной и той же среде взаимопротивоположных по свойствам и взаимообусловленных структур зависит, прежде всего, от времени их закладки. Тропоколлаген и проэластин, взятые сами по себе, по свойствам очень близки друг другу. Входящие в их состав полипептидные нити легко могут сокращаться и растягиваться растворением уксусной кислотой, энзимами или нагреванием до 60 – 70° удалить из коллагенового волокна мукополисахариды, оно сразу же резко сокращается и становится эластичным (эластоидные волокна). Нерастяжимость коллагена в сильнейшей степени зависит от его взаимоотношений с другими веществами и от связей, удерживающих спираль полипептидных нитей в определенной степени закручивания. Эластические волокна развиваются значительно позже, когда взаимосвязи полипептидных нитей и цементирующего вещества становятся существенно иными. Поэтому эластическая сеть, заложенная в равных частях организма, то есть в разных условиях, имеет неодинаковые физико-химические свойства. При регенерации кожи взрослого организма возникают уже не настоящие, а псевдоэластические волокна. Фактор времени играет решающую роль в развитии: не могут быть совершенно одинаковыми структуры, возникшие в разное время, то есть в разных условиях.

Регенерация соединительной ткани.У позвоночных животных соединительная ткань особенно хорошо приспособлена к быстрому восстановлению после травм. Даже при повреждении других тканей (мышечной, нервной) дефект очень часто замещается соединительнотканным рубцом. Объясняется это наличием в соединительной ткани большого количества камбиальных элементов, быстро размножающихся и легко превращающихся в различные клетки соединительной ткани. Между размножающимися клетками уже в первые дни появляется богатое мукополисахаридами аморфное вещество, в котором и разыгрываются основные процессы фибриллогенеза (образования волокон).

Само собой разумеется, на регенерацию нельзя смотреть как на чисто местный процесс, зависящий только от камбиальных элементов. Повреждение, прежде всего, вызывает воспаление, то есть общую защитную реакцию организма, а успех регенерации определяется течением воспаления, зависящим от состояния организма, характера повреждения, восстановления кровоснабжения, и пр. Например, при недостаточности витамина С, аморфное вещество не может превращаться в коллаген, и рана рубцуется весьма длительный срок.

Плотная соединительная ткань, в которой межклеточное вещество количественно преобладает над клетками, регенерирует медленно. Однако даже перерезанное сухожилие со временем восстанавливается полностью, необходимо только следить за тем, чтобы в период регенерации направление основных силовых линий совпадало с продольной осью сухожилия; в противном случае ход волокон в сухожилии может не совпасть с этой осью. Если вырезать кусочек сухожилия и в месте повреждения прикрепить перпендикулярно натягиваемую нить, то созданное направление действующих сил приведет к тому, что новообразованные коллагеновые пучки расположатся не вдоль, а поперек сухожилия. Сухожилие регенерирует за счет рыхлой соединительной ткани, находящейся между пучками второго и третьего порядков. Однако и сухожильные клетки способны делиться амитозом и, возможно, также участвуют в регенерации, хотя большинство авторов это отрицает.

Оценивая развитие соединительной ткани в целом, нельзя не заметить его значительной сложности. Первым начинает дифференцироваться из мезенхимы эндотелий, непосредственно связанный с кровью. Эта связь отчетливо выражена и у развивающейся несколько позже ретикулярной ткани, входящей в состав кроветворных органов. В рыхлой соединительной ткани наряду с эндотелием и ретикулярными клетками появляются близкие им гистиоциты. Так возникает целая система элементов (РЭС), выполняющая трофическую и защитную функции, участвующая в кроветворении и способная превращаться в другие клетки соединительной ткани. Ретикулярная ткань, кроме того, образует и аргирофильные волокна – первые опорные элементы, обеспечивающие нормальное существование ткани в ранний период гистогенеза.

Развитие хрящевой ткани (хондрогенез).Волокна соединительной ткани хорошо сопротивляются силам натяжения, но не могут противостоять силам, стремящимся сжать ткани, в частности влиянию собственного веса животного. Для этого необходимо, чтобы ткани обладали внутренним напряжением или были плотными.

Развитие хряща начинается с уплотнения мезенхимы и превращения ее в предхрящевую (скелетогенную) ткань (рис. 2.7.). Сетевидно расположенные клетки, усиленно размножаясь и увеличиваясь в размерах, сближаютсядруг с другом. В предхрящевой ткани еще нет межклеточного вещества, ее опорная функция определяется внутренним напряжением, обусловленным массовым размножением клеток и большим содержанием в них воды.

На следующем этапе возникают уже ясно очерченные хрящевые клетки (рис. 42), способные к образованию межклеточного вещества. Это – первичная хрящевая (протохондриальная) ткань, в которой в дополнение к тургору возникает новый опорный механизм – межклеточное вещество с дифференцирующимися в нем коллагеновыми волокнами. Новообразованное межклеточное вещество окрашивается.

Клетки протохондральной ткани (их можно называть уже хрящевыми), продолжая продуцировать межклеточное вещество, отодвигаются друг от друга. Прослойки межклеточного вещества становятся все толще, в них происходят химические превращения, приводящие к формированию новых коллагеновых волокон и к усложнению химического строения аморфного вещества. В последнем появляется глюкопротеид – соединение белка с углеводами, называемый хондромукоидом. В состав последнего входит типичная для хряща хондроитовая (хондроитинсерная) кислота; часть ее находится и в свободном состоянии. Присутствием этой кислоты и объясняется базофилия межклеточного вещества.

Рисунок 42. Развитие хряща из мезенхимы у зародыша морской свинки (по А.А. Максимову): 1 – мезенхима; 2 – предхрящевая и 3 – первичная хрящевая ткань.

В связи с ростом хряща расположенная рядом с ним соединительная ткань растягивается и образует надхрящницу. Ее клетки продолжают размножаться и постепенно превращаются в богатые водой хрящевые клетки. Таким образом, рост хряща осуществляется двумя путями: 1) амитотическим делением хрящевых клеток и продуцированием межклеточного вещества – рост изнутри (интерстициальный рост); 2) наложением новых слоев хрящевой ткани, образуемых надхрящницей, – нарастание извне (аппозиция). Так постепенно первичный хрящ превращается в настоящую хрящевую ткань.

Этим объясняется, почему даже у малодифференцированного хряща межклеточное вещество окрашивается по-разному. Наиболее молодые его части, еще лишенные свободной хондроитовой кислоты и поэтому оксифильные, располагаются как в окружающих клетки «капсулах» (в связи с интерстициальным ростом), так и в самых наружных, прилегающих к надхрящнице слоях (аппозиционный рост). Глубжележащие части межклеточного вещества старше по возрасту и благодаря хондроитовой кислоте обнаруживают средство с основными красителями.

Исследованием малодифференцированного хряща в поляризованном свете выясняется, что коллагеновые волокна в периферических слоях идут параллельно надхрящнице, затем изгибаются под прямым углом и пересекают хрящ в направления, перпендикулярном поверхности. У противоположной стороны хряща они снова идут вдоль надхрящницы. Как уже отмечалось, и хрящевые клетки часто вытягиваются в этих же направлениях, очевидно подчиняясь какой-то общей закономерности. Известно, что при изгибании какой-нибудь пластинки направление силовых линий в ней бывает неодинаковое: на выпуклой поверхности материал пластинки растягивается, а на вогнутой сжимается. Эта грубая схема позволяет уяснить описанные выше особенности расположения волокон и клеток в разных слоях хрящевой ткани; они соответствуют направлениям силовых линий, возникающих при сгибании хряща.

У взрослых животных главным образом в хрящах, подвергающихся постоянным механическим воздействиям и достигающих значительной толщины (реберный хрящ), дифференцирование заходит значительно дальше. Оно характеризуется еще большим увеличением межклеточного вещества, а так как в хряще нет кровеносных сосудов, то вместе с ростом увеличиваются и затруднения с питанием ткани. Клетки, особенно расположенные в центре хряща, дегенерируют и исчезают. Оставшиеся клетки продолжают продуцировать межклеточное вещество, располагающееся вокруг них в виде хондриновых шаров.

Возникшие ранее участки межклеточного вещества претерпевают дальнейшие химические изменения. Сложный белок хондромукоид по мере старения превращается в простой белок – альбумоид, уже не содержащий хондроитовой кислоты, поэтому окрашивающийся оксифильно. Таким образом, межклеточное вещество в высокодифференцированном хряще имеет следующий вид. Наиболее молодые оксифильные участки, как и раньше, обнаруживаются в хрящевых капсулах и около надхрящницы. Базофильное межклеточное вещество залегает несколько глубже и входит в состав хондриновых шаров. Самые старые участки, снова ставшие оксифильными, размещаются по периферии хондриновых шаров и в хрящевых балках. Следует, впрочем, иметь в виду, что такое чередование оксифильных и базофильных участков часто нарушается вследствие изменения темпов развития хряща.

Опыты с введением в хрящ меченых атомов показывают, что активность обменных процессов в хрящёвых клетках неодинакова. Наиболее молодые хондроциты, лежащие у надхрящницы, как и самые старые клетки центральной части хряща, значительно менее активны по сравнению со зрелыми, полноценно функционирующими клетками.

Хондриновые шары по мере роста все сильней сдавливают хрящевые балки и создают этим очень сильное напряжение внутри ткани; тургор, утраченный клетками в процессе развития, проявляется с новой силой в неклеточных структурах. В соответствия с этим отмечается еще, одна особенность в расположении коллагеновых волокон: в каждом хондриновом шаре они принимают циркулярное направление, еще более увеличивая прочность шара.

Последний этап развития дифференцированного хряща сопровождается все более углубляющимся противоречием между ростом ткани и ее питанием, приводящим, в конце концов, к тому, что в центре хряща создаются невозможные условия для существования не только клеток, но и межклеточного вещества. Вблизи клеток откладываются соли кальция (омеление), а в центре хряща наблюдается асбестовая дистрофия, характеризующаяся появлением особых волокон, блестящих и шелковистых, не имеющих отношения к коллагену. Измененные участки размягчаются, в хряще возникают полости, в которые врастают кровеносные сосуды, а вместе с этим улучшается питание хряща, и дистрофические явления исчезают. Часто на месте разрушающегося хряща развивается костная ткань, для которой противоречия между ростом и питанием не существует, – показательный пример приспособительной реакции организма, когда вызванный глубоким противоречием процесс дистрофии завершается прогрессивной перестройкой ткани, а само противоречие при этом устраняется.

Отложение солей кальция – важный во врачебной практике процесс. В тканевой жидкости всегда большое количество фосфата кальция. В стареющей хрящевой ткани гликоген, содержащийся в хондроцитах, под воздействием фермента фосфорилазы присоединяет к себе фосфат, превращаясь в фосфат сахара. Одновременно с этим в хондроцитах образуется фермент (щелочная фосфатаза), расщепляющий фосфат сахара. Освобождающийся при этом расщеплении ионизированный фосфат нарушает равновесие тканевой жидкости и приводит к осаждению из нее фосфата кальция. В молодом хряще, как и в других опорно-трофических тканях (кроме костной), имеются защитные приспособления, предупреждающие такое выпадение минеральных солей. Сущность этих приспособлений, подобно приспособлениям, предупреждающим свертывание крови (в организме), состоят в том, что выпадение солей кальция (как и выпадение фибрина в крови) определяется целой целью взаимообусловленных факторов. Отсутствие любого из этих факторов разрывает всю цепь и делает невозможным осуществление данной реакции. Однако при всем совершенстве этих защитных приспособлений минеральные соли все же могут выпадать и в тех тканях, где в норме этого не должно быть. Во врачебной практике нередко приходится сталкиваться с обызвествлением сосудистых стенок и некоторых участков соединительной ткани.

Итак, развитие хрящевой ткани проходит через следующие этапы:

1) предхрящевая ткань, опорная роль которой определяется напряженностью ткани;

2) первичная хрящевая ткань, характеризующаяся появлением межклеточного вещества; наряду с тургором внутреннее напряжение ткани создается интерстициальным ростом;

3) малодифференцированный хрящ; в межклеточном веществе появляются хондромукоид и хондроитовая кислота; наряду с молодыми оксифильными участками возникают базофильные;

4) высокодифференцированный хрящ; наиболее старые участки его окрашиваются оксифильно; возникают хондриновые шары и резко увеличивается напряженность ткани;

5) асбестовая дистрофия центральных частей межклеточного вещества, приводящая к отмиранию этих частей и к врастанию в пораженные участки кровеносных сосудов. Появление сосудов улучшает питание оставшегося хряща, а в ряде случаев обусловливает замещение хряща костной тканью.

Регенерация хрящевой ткани.Важную роль в регенерации хряща играет богатая камбиальными клетками надхрящница. Поэтому хирурги, оперируя на хрящевой ткани, стремятся по возможности щадить внутренний слой надхрящницы. В случае повреждения последней регенерация протекает медленнее и осуществляется посредством малодифференцированных элементов молодой хрящевой ткани, заполняющей дефект и постепенно превращающейся в хрящ.

Относительная замедленность обмена веществ в хрящевой ткани и способность этой ткани обходиться скудным притоком питательных веществ, диффундирующих через межклеточное вещество, могут быть использованы во врачебной практике. Хрящ, пересаженный другому животному этого же вида, перёживает длительное время в организме нового хозяина, не вызывая в нем острой реакции на чужеродные белки. При 4° хрящ может, храниться до 44 дней в изотоническом растворе.

Развитие костной ткани, или остеогенез.Различают два типа остеогенеза: 1) развитие кости непосредственно в соединительной ткани и 2) энхондральное образование кости, то есть развитие ее на месте хряща.

Развитие кости из малодифференцированной соединительной ткани.Такой тип остеогенеза наблюдается, например, при образовании покровных костей черепа и характеризуется наличием «перепончатой» стадии, когда на месте будущей кости развивается соединительная ткань, богатая коллагеновыми волокнами и интенсивно размножающимися мелкими клетками. Клетки похожи на фибробластов, веретенообразной или звездчатой формы, соединены отростками. Появлению собственно костной ткани предшествует превращение этих клеток в остеобласты – относительно крупные снабженные отростками клеточные элементы с темной зернистой цитоплазмой. Субмикроскопическое строение остеобласта характеризуется сильным развитием гранулярной эндоплазматической сети (рис. 2.8.), синтезирующей белки, выделяемые в межклеточное вещество. Проследить ход отростков остеобласта крайне трудно, так как для электронной микроскопии применяют очень тонкие срезы (300 – 600 А). С окончанием формирования основного (межклеточного) вещества остеобласты превращаются в малоактивные костные клетки – остеоциты. Новообразованное межклеточное вещество состоит из мукопротеида (то есть белка и мукополисахарида) и коллагена. Минеральных солей в нем пока еще нет, так как мукополисахарид препятствует отложению кальция в коллагеновых волокнах. Такая остеоидная (костеподобная) ткань еще мягка и легко режется ножом. На следующем этапе развития в ткани появляется большое количество фосфатазы, расщепляющей органические фосфаты (фосфаты сахара) и вызывающей осаждение минеральных солей. Одновременно с этим в межклеточном веществе остеоидной ткани происходит деполимеризация – расщепление молекул мукополисахарида и растворение их остатков. Об этом процессе легко судить по утрате межклеточным веществом способности к метахроматическому окрашиванию.

С этого времени органическая часть межклеточного вещества почти полностью на 95–99%) состоит из коллагена.

Рисунок 43. Электронная микрограмма остеобласта большеберцовой кости (по Родину).

В коллагеновых волокнах, лишенных защитного мукополисахаридного слоя, откладываются субмикроскопические кристаллы апатита. Сначала они располагаются беспорядочно, но позже перекристаллизовываются и становятся связанными топографически с периодическими полосками коллагеновых волокон. О появлении кальция можно узнать по сильному блеску ткани, обусловленными изменениями в преломления света. Соли откладываются очень быстро (иногда в течение нескольких часов), чему благоприятствует накапливание в крови и в данной ткани больших количеств фермента фосфатазы, под влиянием которой органический кальций крови расщепляется с образованием неорганического кальция. Последний в больших количествах фиксируется оссеомукоидом и коллагеном. При минерализации межклеточного вещества костной ткани создается огромная поверхность контакта между кристаллами апатита (гидроксилапатита) и коллагеном, также имеющим правильное кристаллическое строение. На этой поверхности заметно проявляется пьезокристаллическое свойство, то есть возникновение электрического тока при сдавливании или изгибании кристаллов. Эта особенность, вероятно, играет важную роль при перестройке костей.

Первые прослойки костной ткани имеют непавильные очертания и содержат грубые коллагеновые волокна и беспорядочно расположенный кристаллы апатита. Так возникает первая губчатая кость, состоящая из перекрещивающихся и разветвляющихся перекладин, между которыми располагаются сосуды и малодифференцированные соединительнотканные элементы, превращающиеся затем в костный мозг.

Таким образом, описанный выше тип остеогенеза проходит следующие стадии: 1) развитие соединительной ткани, богатой клетками и коллагеновыми волокнами (перепончатая стадия); 2) развитие остеоидной ткани, когда возникают остеобласты и откладывается аморфное вещество; З) отложение солей кальция и возникновение первичной грубоволокнистой костной ткани.

Развитие кости на месте хряща. Этот тип остеогенеза отличается, прежде всего, тем, что он сопровождается разрушением хряща. Хрящевая ткань развивается быстрее костной и в тех частях тела, где потребность в опоре появляется очень рано, например, в конечностях, скелет вначале состоит из хряща. Последний, не имея кровеносных сосудов, может расти только в известных пределах, а в дальнейшем его рост приводит к дегенерации и замещению хряща костной тканью.

Развитие костной ткани начинается с того, что в надхрящницу врастают кровеносные сосуды, питание камбиальных клеток улучшается, и, возможно, в связи с этим они начинают дифференцироваться не в хрящевые клетки, приспособленные к скудному питанию путем диффузии веществ через межклеточное вещество, а в остеобласты, продуцирующие кость. В результате этого хрящевая модель окружается в области диафиза слоем костного вещества – костной манжеткой. Последняя характеризуется губчатым строением и состоит из грубоволокнистой кости. Постепенно разрастаясь, манжетка утолщается и распространяется вдоль болванки по направлению к эпифизам.

В это время в хрящевой ткани еще продолжается размножение клеток, но так как хрящ, опоясанный костной манжеткой, уже не может больше увеличиваться в толщину, появляющиеся в нем новые хрящевые клетки располагаются друг за другом параллельными рядами вдоль хрящевой болванки. Эти ряды называются клеточными колонками; они складываются из сплющенных клеток, окруженных прослойками молодого межклеточного вещества – хряща. Между колонками находятся продольные тяжи возникшего ранее межклеточного вещества (хрящевые балки).

Вскоре после этого в диафизе хрящевой модели наступают явления дегенерации клетки, входящие в состав колонок, резко увеличиваются в объеме, в их цитоплазме наряду с образованием фермента фосфатазы, ускоряющим отложение минеральных солей, появляются вакуоли, содержащие светлую жидкость, ядро светлеет и перестает окрашиваться. Сходные процессы набухания и разжижения наблюдаются и в лежащих между клетками участках новообразованного межклеточного вещества. Хрящевые балки между клеточными колонками, наоборот, сильно уплотняются, сморщиваются и становятся похожими, в них откладываются мельчайшие зерна извести (обызвествление хряща).

На следующем этапе в дегенерирующий хрящ через манжетку врастают кровеносные сосуды с окружающими их малодифференцированными соединительнотканными клетками. Часть из этих клеток превращается в остеокласты (костедробители) крупные (до 100µ) симпласты, содержащие до сотни ядер и большое количество цитоплазмы, богатой гидролизующими, то есть разрушающими, ферментами типа кислой фосфатазы (в отличие от остеобластов, содержащих щелочную фосфатазу). Поверхность остеокласта, обращенная к разрушаемой ткани, имеет вид «щетковидной» каемки (рис. 2.9.). При электронной микроскопии видно, что каемка состоит их множества складок плазмалеммы (рис. 2.9.), под которыми расположены пузырьки и игольчатые кристаллы минеральных солей. Киносъемкой показано, что при разрушении остеокластом омелевшего хряща или старой кости ферменты, выделяемые остеокластом, разрушают сначала коллагеновые волокна и аморфное вещество, после чего фагоцитируют освободившиеся кристаллы.

Остеокласты как бы разъедают дегенерирующий хрящ, продвигаясь вдоль него вместе с сосудами по набухшим клеточным колонкам и оставляя за собой довольно широкие каналы (лакуны) с неровными, изъеденными стенками. Эти каналы идут главным образом параллельно длинной оси окостеневающей болванки. Стенки каналов образованы прослойками обызвествленного и уплотнившегося хряща, ранее входившего в состав хрящевых балок.

Эта «оккупация» дегенерирующего хряща кровеносными сосудами – важный момент в образовании точки окостенения. Часть малодифференцированных клеток становится остеобластами. Они выстилают одним слоем хрящевую ставку канала и начинают формировать костное вещество, замуровывая остатки хряща.

Рисунок 44. Электронная микрограмма остеокласта (по Дадлей и Спиро).

Возникшая таким путем кость называется энхондральной. Как и костная манжетка, она состоит из неравномерно утолщенных перекладин костного вещества и построена по типу губчатой кости. Однако в тонком строения энхондральной кости есть и одно серьезное отличие. Костная манжетка является типичной соединительнотканной костью, ее аморфное вещество образовалось уже после того, как возникни первые грубые коллагеновые волокна, поэтому она и состоит из примитивной грубоволокнистой кости.

Энхондральная губчатая кость возникает, так сказать, на новом месте, после рассасывания бывшего здесь хряща, и оссеиновые (коллагеновые) волокна развиваются в аморфном веществе позже, вторично; они имеют вид тонких правильно расположенных фибрилл, почему и сама энхондральная кость может быть названа тонковолокнистой. Разумеется, и она еще очень несовершенна, так как в ней замурованы остатки хряща, да и у самих костных перекладин неровные контуры. Между перекладинами проходят кровеносные, сосуды; малодифференцированная соединительная ткань образует первичный костный мозг, богатый остеобластами и малодифференцированными элементами, в дальнейшем преобразующимися в элементы вторичного, дефинитивного, костного мозга.

Точка окостенения, возникшая в диафизе, быстро распространяется в стороны эпифизов. Позже в эпифизе появляется своя точка окостенения, охватывающая почти весь эпифиз, за исключением слоя хряща, одевающего суставную поверхность, и хрящевой пластинки роста, или эпифизарной линии, отграничивающей эпифиз от диафиза.

Одновременно с ростом хряща эпифизарной линии, происходящим в его глубоких частях, окостеневают периферические слои хрящевой ткани. Пока процессы новообразования хряща и его окостенения взаимно уравновешиваются, кость растет в длину, а ширина эпифизарной линии остается более или менее постоянной. С наступлением половой зрелости продукция хряща затухает, эпифизарная линия полностью окостеневает, и дальнейший рост кости в длину прекращается. При неудовлетворительном питании молодняка хрящ эпифизарной линия рано завершает развитие и окостеневает, что делает невозможным дальнейший рост животного.

Пока продолжаются процессы энхондрального развития, кость увеличивается и в толщину вследствие отложения новых слоев костной ткани со стороны надкостницы. Эта периостальная кость и представляет основу компактного вещества. Она налегает снаружи на образовавшуюся ранее грубоволокнистую костную манжетку и отличается от нее тем, что содержит более тонкие и закономерно расположенные волокна. Периостальная кость может заключать в себе первичные гаверсовы системы (остеоны), прикрываемые наружной генеральной системой, развивающейся позже. В периостальной кости мелких животных может и не быть остеонов; она может строиться из концентрических пластинок, одевающих всю кость. Такая кость сама по своей конструкции напоминает остеон. Случается и так, что вначале периостальная кость состоит только из концентрических пластинок, а затем в средней ее части возникают остеоны, тогда как пластинки самого внутреннего и самого наружного слоев компактной периостальной сохраняются в виде внутренней и наружной генеральных систем.

Гаверсовы системы вообще могут возникать только вторично на месте: рассасывания старой кости. В костях крысы в норме гаверсовых систем не бывает, но если крысу во время лактации кормить бедной кальцием пищей, произойдет сильное рассасывание ее костей, а после перехода на нормальное питание вместо рассосавшихся лакунообразных участков кости возникают гаверсовы системы.

Уяснение сложной архитектоники костей облегчается рассмотрением процессов последующей перестройки костной ткани.

Таким образом, ранний период образования трубчатой кости слагается из следующих моментов:

1) вначале функцию скелета выполняет хрящевая ткань (хрящевая стадия развития), образующая макет будущей кости;

2) возникает грубоволокнистая костная манжетка, ограничивающая рост хряща в толщину и обусловливающая формирование в хряще клеточных колонок;

З) начинается дегенерация хряща, одни части которого (клеточные колонки) сильно набухают, а другие (хрящевые балки) отдают воду, уплотняются и обизвествляются. Возможная поломка дегенерирующего хряща предупреждается тем, что костная манжетка разрастается быстрее и обеспечивает нужную прочность болванки;

4) хрящ оккупируется сосудами; в диафизе, а позже и в эпифизах начинаются эндохондральное окостенение и образование первичного костного мозга;

5) губчатое вещество костной манжетки и энхондральной кости одевается снаружи компактным слоем периостальной кости, развивающейся из надкостницы.

Дальнейшая перестройка костей.Перестройка костей продолжается в течение всей жизни животного и заключается в частичном уничтожении ранее возникших структур. Энхондральная кость полностью рассасывается с образованием на ее месте костного канала; исчезают примитивная грубоволокнистая кость и части периостального, компактного вещества. Одновременно с разрушением происходят и новообразование костной ткани.

Помимо естественного старения ткани, важную роль в перестройке ее играют изменения в направления действующих на кость механических факторов (смещение центра тяжести, увеличение веса животного, изменения характера движений и пр.). Участки костного вещества, оказавшиеся вне сферы действия сил натяжения или сжатия и не испытывающие более механических раздражений, снабжаются кровью в меньшей степени. Наоборот, максимально нагруженные участки, испытывающие постоянные раздражения, получают больше крови вследствие регулирующего влияния нервной системы. В результате одни сосуды подвергаются обратному развитию, другие разрастаются, определяя этим дальнейшую судьбу структур. Перестройка костей неразрывно связана также с состоянием минерального обмена, так как костная ткань служит важнейшим депо кальция в организме.

Опыты с подшиванием миниатюрных батареек в ткани животного показали, что нарастание костной массы происходят только у отрицательного электрода. Выше упоминалось о пьезокристаллических свойствах кости. При изгибании костной пластинки, вызванном, например, перемещением центра тяжести, на выпуклой поверхности возникает положительный заряд, а на вогнутой отрицательный. Поэтому новообразование костной ткани будет происходить, на вогнутой поверхности, по-видимому, с одновременным рассасыванием ткани на выпуклой поверхности. Пластинка снова примет правильные очертания, но будет ориентирована в другой плоскости.

Двум противоположным явлениям развития – разрушению старого и возникновению нового – соответствует и дифференцирование двух типов клеточных элементов – остеокластов и остеобластов. Подлежащие замене стареющие или ставшие ненужными для организма участки костного вещества рассасываются остеокластами. При этом в кости возникают лакуны, в которые врастают новообразующиеся сосуды и малодифференцированная соединительная ткань.

На стенках лакун образуется слой остеобластов, начинающих продуцировать межклеточное вещество кости. Первый слой этого вещества не содержит волокон и представляет собой «склеивающее вещество», то есть прослойку, отграничивающую старую костную ткань от новой. Вслед за этим начинают откладываться все новые и новые слои костного вещества в виде концентрически наслоившихся друг на друга пластинок. Их отложение идет прерывисто: сначала возникает одна пластинка, и на некоторое время отложение костного вещества приостанавливается, затем откладывается следующая и т. д. Следовательно, в развивающемся остеоне самые старые – наружные пластинки, а самые молодые – внутренние, окружающие гаверсов канал.

В каждой вновь отложенной пластинке формируются тонкие, параллельно идущие коллагеновые волокна. Смена направления волокон в соседних пластинках, по-видимому, определяется тем, что волокна, появившиеся в одной пластинке, сопротивляясь действию механических факторов, меняют по принципу разложения сил направление их действия. Поэтому в следующей пластинке вновь возникающие волокна располагаются уже иначе. Так создается сложная конструкция гаверсовой системы.

Кость взрослого животного состоит из множества систем различного возраста. Чем старше гаверсова система, тем больше в ней минеральных солей.

Опыты с мечеными атомами убеждают в том, что остеоны гораздо активнее вставочных систем, быстрее захватывают введенный в организм радиоактивный изотоп. Подобным же образом удается показать, как плутоний особенно энергично откладывается в эпифизах костей, что может послужить причиной тяжелых функциональных нарушений.

Регенерация костной ткани.Перелом кости обычно сопровождается разрывом сосудов, поэтому часть кости, ближайшая к месту перелома, отмирает. В пережившей ткани уже через 48 часов после перелома начинается массовое митотическое деление камбиальных клеток надкостницы и эндоста. Разросшаяся регенерационная ткань одевает концы отломков кости и соединяет последние, образуя временную «костную мозоль». Строение мозоли может быть различным. В тех местах, куда быстро прорастают кровеносные сосуды, камбиальные клетки дифференцируются в остеобласты; возникают перекладины молодой костной ткани, спаивающей отломки кости. В тех участках мозоли, где врастание сосудов задерживается, развивается хрящевая ткань. Позже последняя заменяется костью по типу энхондрального окостенения. Омертвевшая кость также обрастает костными перекладинами и постепенно рассасывается.

Особенно ответственный момент регенерации – первые 10 дней, когда усиленно размножаются камбиальные клетки. Сильное облучение рентгеновскими лучами в это время может повредить размножающиеся клетки и сделать регенерацию невозможной. Облучение, через 2 – З недели, когда размножение клеток закончится, уже не окажет на регенерацию заметного действия.