Kość jest wyspecjalizowanym rodzajem tkanki łącznej. Ma unikalny wygląd histologiczny, który umożliwia jej pełnienie licznych funkcji:
- Hematopoeza – tworzenie komórek krwi z krwiotwórczych komórek macierzystych znajdujących się w szpiku kostnym.
- Magazynowanie lipidów i minerałów – kość jest zbiornikiem przechowującym tkankę tłuszczową w szpiku kostnym i wapń w kryształach hydroksyapatytu.
- Wsparcie – kości tworzą szkielet i kształt ciała.
- Ochrona – zwłaszcza szkielet osiowy, który otacza główne narządy ciała.
W tym artykule przyjrzymy się ultrastrukturze kości – jej składnikom, strukturze i rozwojowi. Zbadamy również, w jaki sposób choroba może wpłynąć na jej strukturę.
Składniki kości
Kość jest wyspecjalizowaną formą tkanki łącznej. Jak każdą tkankę łączną, jej składniki można podzielić na składniki komórkowe i macierz pozakomórkową.
Składniki komórkowe
Ryc. 1.0 – Komórkowe składniki kości i ich funkcje.W kości występują trzy rodzaje komórek:
- Osteoblasty – Syntetyzują niezwapnioną/niezmineralizowaną macierz pozakomórkową zwaną osteoidem. Później ulegnie ona zwapnieniu/zmineralizowaniu, tworząc kość.
- Osteocyty – W miarę mineralizacji osteoidu, osteoblasty zostają uwięzione między blaszkami w lacunach, gdzie dojrzewają do osteocytów. Następnie monitorują minerały i białka, aby regulować masę kostną.
- Osteoklasty – Wywodzą się z monocytów i resorbują kość poprzez uwalnianie jonów H+ i enzymów lizosomalnych. Są to duże i wielojądrowe komórki.
Równowaga pomiędzy aktywnością osteoblastów i osteoklastów jest kluczowa w utrzymaniu integralności strukturalnej tkanki. Odgrywa ona również rolę w stanach takich jak osteoporoza.
Matryca zewnątrzkomórkowa
Matryca zewnątrzkomórkowa (ECM) odnosi się do cząsteczek, które zapewniają biochemiczne i strukturalne wsparcie dla komórek.
Matryca zewnątrzkomórkowa kości jest wysoce wyspecjalizowana. Oprócz kolagenu i związanych z nim białek występujących zwykle w tkance łącznej, kość jest impregnowana solami mineralnymi, w szczególności kryształami hydroksyapatytu wapnia. Kryształy te łączą się z włóknami kolagenowymi, dzięki czemu kość jest twarda i mocna. Matryca ta jest zorganizowana w liczne cienkie warstwy, zwane blaszkami.
Struktura kości
Pod mikroskopem kość można podzielić na dwa rodzaje:
- Kość utkana (kość pierwotna) – Pojawia się w rozwoju embrionalnym i przy naprawie złamań, ponieważ może być szybko układana. Składa się z osteoidu (niezmineralizowanej ECM), z przypadkowo ułożonymi włóknami kolagenowymi. Jest to struktura tymczasowa, wkrótce zastąpiona przez dojrzałą kość blaszkowatą.
- Kość blaszkowata (kość wtórna) – Kość szkieletu dorosłego człowieka. Składa się z wysoce zorganizowanych blaszek zmineralizowanego osteoidu. Ta zorganizowana struktura sprawia, że jest ona znacznie mocniejsza niż kość tkana. Samą kość blaszkowatą można podzielić na dwa typy – zbitą i gąbczastą.
W obu typach kości powierzchnia zewnętrzna pokryta jest warstwą tkanki łącznej, zwanej okostną. Podobna warstwa, endosteum, wyściela przestrzenie wewnątrz kości (takie jak kanał śródkostny, kanał Volkmanna i przestrzenie kości gąbczastej).
Kość płytkową można podzielić na dwa rodzaje. Zewnętrzny jest znany jako kość zbita – jest to kość gęsta i sztywna. Wewnętrzne warstwy kości charakteryzują się wieloma wzajemnie połączonymi jamkami i nazywane są kością gąbczastą.
Ryc. 1.1 – Mikrograf kości zbitej. Należy zwrócić uwagę na układ wokół pojedynczego kanału Haversa.Kość zbita
Kość zbita tworzy zewnętrzną „skorupę” kości. W tym typie kości blaszki są zorganizowane w koncentryczne kręgi, które otaczają pionowy kanał Haversa (który przenosi małe naczynia nerwowe i limfatyczne). Cała ta struktura nazywana jest osteonem i stanowi jednostkę funkcjonalną kości.
Kanały Haversa są połączone poziomymi kanałami Volkmanna – zawierają one małe naczynia, które zespalają się (łączą) z tętnicami kanałów Haversa. Kanały Volkmanna przenoszą również naczynia krwionośne z okostnej.
Osteocyty znajdują się pomiędzy blaszkami, w małych jamkach (zwanych lacunae). Lakuny połączone są ze sobą serią łączących się tuneli, zwanych kanalikami.
Kość gąbczasta
Kość gąbczasta stanowi wnętrze większości kości i znajduje się głęboko w stosunku do kości zbitej. Zawiera wiele dużych przestrzeni, co nadaje jej wygląd plastra miodu.
Matryca kostna składa się z trójwymiarowej sieci drobnych słupków, które krzyżują się, tworząc nieregularne trabekule. W ten sposób powstaje lekka, porowata kość, która jest wytrzymała na działanie wielokierunkowych linii sił. Lekkość kości gąbczastej ma kluczowe znaczenie dla możliwości poruszania się organizmu. Gdyby jedynym rodzajem kości była kość zbita, byłyby one zbyt ciężkie, aby się poruszać.
Przestrzenie między trabekulami są często wypełnione szpikiem kostnym. Żółty szpik kostny zawiera adipocyty, a czerwony szpik kostny składa się z hematopoetycznych komórek macierzystych.
Ten typ kości nie zawiera kanałów Volkmanna ani Haversa.
Ryc. 1.2 – Struktura dojrzałej kości. Należy zwrócić uwagę na różną budowę kości zbitej i gąbczastej.Kostnienie i przebudowa
Kostnienie to proces wytwarzania nowej kości. Zachodzi poprzez jeden z dwóch mechanizmów:
- Kostnienie endochondralne – gdzie chrząstka hialinowa jest zastępowana przez osteoblasty wydzielające osteoid. Kość udowa jest przykładem kości, która ulega kostnieniu endochondralnemu.
- Kostnienie śródkostne – Gdzie tkanka mezenchymalna (embrionalna) ulega kondensacji w kość. Ten typ kostnienia tworzy kości płaskie, takie jak kość skroniowa i łopatka.
W obu mechanizmach początkowo wytwarzana jest kość pierwotna. Jest ona później zastępowana przez dojrzałą kość wtórną.
Remodelowanie
Kość jest żywą tkanką i jako taka stale ulega przebudowie. Jest to proces, w którym dojrzała tkanka kostna jest ponownie wchłaniana i powstaje nowa tkanka kostna. Jest on przeprowadzany przez komórkowy składnik kości.
Osteoklasty rozbijają kość poprzez stożek tnący. Substancje odżywcze są ponownie wchłaniane, a osteoblasty układają nowy osteoid. Remodelowanie zachodzi głównie w miejscach naprężeń i uszkodzeń, wzmacniając dotknięte nimi obszary.
Ważność kliniczna – Zaburzenia kości
Kość ma unikalną strukturę histologiczną, która jest niezbędna do pełnienia jej funkcji. Zmiany tej struktury, wtórne do choroby, mogą prowadzić do powstania kilku stanów klinicznych.
Osteogenesis imperfecta jest stanem, w którym dochodzi do nieprawidłowej syntezy kolagenu z osteoblastów. Cechy kliniczne obejmują kruche kości, deformacje kości i niebieską twardówkę. Jest to rzadka choroba o etiologii genetycznej, z autosomalnym dominującym wzorcem dziedziczenia. Kruchość kości predysponuje je do złamań – ma to znaczenie medyczno-prawne, ponieważ u dzieci może być mylona z celowym urazem.
Osteoporoza odnosi się do zmniejszenia gęstości kości, zmniejszając ich integralność strukturalną. Jest to spowodowane aktywnością osteoklastów (reabsorpcja kości) przewyższającą aktywność osteoblastów (produkcja kości). Kości są kruche i narażone na zwiększone ryzyko złamań. Wyróżnia się trzy typy:
- Typ 1: Osteoporoza pomenopauzalna – rozwija się u kobiet po menopauzie, z powodu zmniejszonego wytwarzania estrogenów. Estrogen chroni przed osteoporozą poprzez zwiększenie aktywności osteoblastów i zmniejszenie aktywności osteoklastów.
- Typ 2: Osteoporoza starcza – Zwykle występuje powyżej 70 roku życia.
- Typ 3: Osteoporoza wtórna – gdy osteoporoza występuje z powodu współistniejącej choroby (np. przewlekłej niewydolności nerek).
Do czynników ryzyka należą wiek, płeć, dieta (witamina D i wapń), pochodzenie etniczne, palenie tytoniu i brak ruchu. W leczeniu stosuje się zwykle bisfosfoniany, które są pobierane przez osteoklasty, powodując ich unieczynnienie i apoptozę. Ogranicza to dalszą degradację kości.
Ryc. 1.3 – Zdjęcie radiologiczne dziecka dotkniętego krzywicą.Krzywica to niedobór witaminy D lub wapnia u dzieci z rosnącymi kośćmi. Oznacza to, że osteoid słabo się mineralizuje i pozostaje plastyczny. Epiphyseal płytki wzrostu może następnie stać się zniekształcony pod ciężarem ciała, potencjalnie prowadząc do deformacji szkieletu.
Osteomalacia jest niedobór witaminy D lub wapnia u dorosłych z kości przebudowy. W tym przypadku osteoid ustanowiony przez osteoblasty jest słabo zmineralizowany, co prowadzi do coraz słabszych kości, zwiększając ich podatność na złamania.
Uwaga: Niedobór witaminy D może być spowodowany złą dietą, brakiem światła słonecznego lub zaburzeniami metabolicznymi. Na przykład, niewydolność nerek może zakłócić drugą hydroksylację witaminy D lub zaburzenia jelitowe mogą uniemożliwić wystarczające wchłanianie. Niedobór wapnia może być spowodowany dietą lub niskim poziomem wit. D.