Tkanki podporowe: - chrząstka

Własności mechaniczne tkanek
podporowych zależą od składu
ich substancji międzykomórkowej
Tkanki
podporowe:
- chrząstka
- kość
CHRZĄSTKA
Komórki produkujące składniki
substancji międzykomórkowej
w chrząstce (chondroblasty,
chondrocyty) i w kości
(osteoblasty, osteocyty)
są wyspecjalizowanymi odmianami
fibroblastów i fibrocytów.
Komórki chondrogenne:
Komórki mezenchymatyczne
zaprogramowane w kierunku
różnicowania chrzęstnego –
macierzyste komórki chrząstki,
przekształcają się w chondroblasty
• komórki:
- kom. chondrogenne →
- chondroblasty →
- chondrocyty
Chondroblasty: produkują znaczne
ilości składników substancji
miedzykomórkowej podczas
tworzenia chrząstki, a następnie
przekształcają się w chondrocyty
• substancja międzykomórkowa:
- włókna kolagenowe
- proteoglikany bogate
w siarczany chondroityny
- białka niekolagenowe
(chondronektyna,
fibronektyna, ankoryna)
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 zlokalizowane w jamkach: pojedynczo
lub w niewielkich grupach (grupy izogeniczne)
• jamki z chondrocytami otoczone
zagęszczoną substancją podstawową
noszą nazwę terytoriów chrzęstnych
Ochrzęstna - odżywianie i wzrost chrząstki
warstwa zewn.
włóknista
warstwa wewn.
z naczyniami i kom.
chondrogennymi
chondrocyt
grupa
izogeniczna
macierz
torebkowa
macierz
terytorialna
macierz
międzyterytorialna
Ochrzęstna: warstwa tkanki łącznej włóknistej na powierzchni chrząstki
Wzrost chrząstki:
• przez apozycję (od ochrzęstnej)
• śródmiąższowy (podziały chondrocytów, produkcja nowej substancji
międzykomórkowej)
Pomimo tych możliwości, dojrzała chrząstka ma słabe zdolności
regeneracyjne u osób młodych i praktycznie żadne u osób starszych
1
Chrząstka szklista
Odporność chrząstki szklistej na ściskanie wynika z własności
cząsteczek agrekanu – polianionów wiążących wodę
• terytoria chrzęstne
• sieć cienkich włókien
kolagenowych (typ 2)
pomiędzy i wokół terytoriów
chrzęstnych
• w substancji podstawowej
dominuje agrekan tworzący
agregaty z kw. hialuronowym
Lokalizacja:
• powierzchnie stawowe
• drogi oddechowe
• przegroda nosowa
• „modele” kości długich
w życiu płodowym
Własności mechaniczne:
• sztywna
• odporna na ściskanie
Chrząstka sprężysta
SO4-H2O
GAG
Pod wpływem ucisku:
• cząsteczki wody są
wypychane spomiedzy
łańcuchów GAG
• jednoimienne ładunki
grup siarczanowych
w GAG odpychają się
Chrząstka włóknista
chrząstka włóknista
• terytoria chrzęstne
• terytoria chrzęstne
• włókna kolagenowe
(typ 2)
• włókna sprężyste
• substancja podstawowa
Lokalizacja:
• małżowina uszna
• trąbki słuchowe
• niektóre chrząstki krtani
Własności mechaniczne:
• sztywna
• elastyczna
(nieliczne)
• równoległe pęczki włókien
kolagenowych (typ 1)
• substancja podstawowa
(b. niewiele)
• brak ochrzęstnej
Lokalizacja:
• niektóre przyczepy
ścięgien i więzadeł
do kości
• spojenie łonowe
• krążki międzykręgowe
• staw skroniowo-żuchwowy
Własności mechaniczne:
• odporna na rozciąganie
i rozerwanie
ścięgno
KOŚĆ
Białka niekolagenowe substancji międzykomórkowej kości
Nazwa
• 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:
proteoglikany (dekoryna, biglikan)
białka niekolagenowe
Funkcja
Osteonektyna
Wiąże kolagen z kryształami HA
Osteokalcyna
Wiąże Ca, uczestniczy w regulacji
przebudowy kości, pobudza mineralizację
Osteopontyna
Wiąże z komórki z substancją podstawową
Sialoproteina II
j.w., silnie pobudza mineralizację
Fibronektyna
Wiąże się z komórkami, kolagenem i innymi
składnikami substancji miedzykomórkowej
Enzymy: kolagenaza,
fosfataza zasadowa
Uczestniczą w procesach mineralizacji
i przebudowy kości
Białka morfogenetyczne
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
• aktywność fosfatazy zasadowej
• produkują składniki substancji
międzykomórkowej i regulują ich
mineralizację
• lokalizacja: w obszarach nowo
tworzonej lub przebudowywanej
kości, nieaktywne osteoblasty
w śródkostnej i kanałach naczyniowych
Stany czynnościowe
osteocytów
• spoczynkowy
słabo rozwinięte organelle
• wytwórczy
siateczka szorstka, Golgi
produkują niewielkie ilości
substancji międzykomórkowej
• resorbcyjny
siateczka szorstka, Golgi, lizosomy
wydzielają metaloproteinazy
lokalnie trawiące substancję
międzykomórkową, uwalniają
jony Ca
Osteoklasty
– komórki trawiące kość
• b. duże
• wielojądrzaste
• brzeżek koronkowy
• pęcherzyki hydrolazowe,
pęcherzyki
endocytotyczne,
lizosomy
Pochodzenie:
szpik krwiotwórczy
(fuzja komórek
prekursorowych
o charakterze
monocytów)
Osteocyty
• spłaszczone
• duże jądro
• cienkie wypustki połączone
neksusami 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 - zawsze
komunikuje się z przestrzeniami
zawierającymi naczynia
krwionośne (z kanałami
naczyniowymi lub ze szpikiem)
niezmineralizowana
subst. podstawowa + woda
obszar
zmineralizowany
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)
• reagują na zmiany potencjału
elektrycznego generowane przez
ściskane kryształy HA
• koordynują swoją aktywność
czynnościową, przekazując sobie
sygnały chemiczne i jonowe (cAMP, Ca)
poprzez neksusy
Sygnały są przekazywane również
osteoblastom i osteoklastom.
Efektem jest proces przebudowy kości
dostosowujący jej strukturę do kierunku
działania sił
Osteoklasty lokalnie resorbują kość
poprzez demineralizację oraz
trawienie zewnątrzi wewnątrzkomórkowe
(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
3
Osteoblasty kontrolują różnicowanie
i rekrutację osteoklastów
prekursory
osteoklastów
komórka
macierzysta
szpiku
aktywny
osteoklast
nieaktywny
osteoklast
osteoblast lub
komórka zrębowa
szpiku
osteoblasty
Nadmierna aktywność osteoklastów powoduje osteoporozę
- zmniejszenie gęstości składników tkanki kostnej (nieorganicznych
i organicznych). Kość staje się słabsza i bardziej łamliwa.
Aktywność osteoklastów hamują m.in. estrogeny, stąd osteoporoza
jest częstym zjawiskiem u kobiet po menopauzie.
• wydzielają M-CSF, który indukuje w jednojądrzastych prekursorach osteoklastów
ekspresję receptora RANK
• eksponują ligand dla receptora (RANKL) – jego związanie z receptorem powoduje
łączenie się prekursorów w wielojądrzaste osteoklasty (stymulacja różnicowania)
• produkują osteoprotegerynę (OPG), która blokuje RANKL (hamowanie różnicowania)
Jednostką strukturalną dojrzałej (blaszkowatej) kości
jest blaszka kostna
W kości gąbczastej, równolegle ułożone blaszki kostne budują
beleczki kostne. Beleczki tworzą sieć, w oczkach której znajduje się
szpik kostny z naczyniami
3-5 µm
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
Lokalizacja: kości płaskie i nieregularne, nasady kości długich
W kości zbitej, blaszki kostne
układają się koncentrycznie
wokół kanałów naczyniowych
(kanałów Haversa) tworząc
osteony (systemy Haversa).
Zwarty układ równoległych
osteonów tworzy kość.
Osteon
Lokalizacja:
• trzony kości długich
• powierzchniowa (korowa)
warstwa kości płaskich
i nieregularnych
• walec, Ø < 200 µm, długość kilka mm
• 5-15 blaszek kostnych
• otoczony cienką warstwą zmineralizowanej
substancji podstawowej (linia cementowa) –
kanaliki kostne nie przechodzą do sąsiedniego
osteonu
• zawartość kanału Haversa:
- naczynie włosowate
- niezmielinizowane włókno nerwowe (czasem)
- komórki osteogenne
- nieaktywne osteoblasty i osteoklasty
• odśrodkowa dyfuzja tlenu i subst. odżywczych
4
Typy blaszek kostnych
w trzonie kości długiej:
• systemowe
• międzysystemowe
• okrężne
- zewnętrzne
- wewnętrzne
blaszki
międzysystemowe
blaszki
okrężne
wewn.
blaszki
okrężne
zewn.
blaszki
systemowe
Okostna:
• tkanka łączna włóknista
• zawiera naczynia krwionośne
wchodzące do kości
• w warstwie wewnętrznej
obecne komórki osteogenne
i nieaktywne osteoklasty
śródkostna
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.
Śródkostna:
• pojedyncza warstwa
spłaszczonych komórek
(komórki wyściółkowe nieaktywne osteoblasty)
wyścielająca wewnętrzne
powierzchnie kości
kanały
naczyniowe
Kostnienie (osteogeneza)
Kostnienie na podłożu mezenchymatycznym (kości płaskie)
mezenchyma
włókna
osteoid
kolagenowe
osteoblasty
osteocyty
mineralizacja,
pierwotne beleczki
1. Komórki mezenchymy produkują substancję podstawową kości (osteoid)...
2. ... i przekształcają się w komórki osteogenne i 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),
o nieregularnym układzie włókien
kolagenowych, która zostaje potem
przebudowana w kość blaszkowatą
Kostnienie na podłożu chrzęstnym
(kości długie)
1. Degeneracja i mineralizacja chrząstki
wewnątrz trzonu (wytworzenie
pierwotnego punktu kostnienia),
wytworzenie mankietu kostnego
wokół trzonu
2. Wniknięcie pęczka okostnowo-naczyniowego z komórkami
osteogennymi
3. Dalsza degeneracja chrząstki,
tworzą się beleczki kostne i jama
szpikowa
4. Wytworzenie wtórnych punktów
kostnienia w nasadach
5. Kostnienie nasad, ograniczenie
stref zajętych przez chrząstkę
do powierzchni stawowych
i płytek wzrostowych.
-----------------------------------------------6. Kostnienie płytek wzrostowych,
zakończenie wzrostu kości
5
Płytka wzrostowa: 5 stref odzwierciedla kolejne etapy
przekształcania chrząstki w kość
Mineralizacja substancji międzykomórkowej
chrząstka
spoczynkowa
chrząstka
proliferująca
chrząstka
hypertroficzna
1. Odszczepianie się od degenerujących chondrocytów i osteoblastów
pęcherzyków gromadzących Ca i P (pęcherzyki macierzy).
2. Krystalizacja Ca-P wewnątrz pęcherzyków (nukleatory: sialoproteina kości II
i osteokalcyna).
3. Wzrost kryształów – rozerwanie pęcherzyków
4. Dalszy wzrost, zlewanie się i przebudowa kryształów
w obrębie substancji międzykomórkowej
chrząstka
degenerująca
mineralizacja,
beleczki
kierunkowe
Przebudowa kości umożliwia optymalne dostosowanie jej struktury
do zmieniających się kierunków działających na kość sił
Przebudowa kości zbitej
Przebudowa beleczki kostnej
poprzedni
kierunek siły
Przebudowa kości jest wynikiem skoordynowanej działalności osteoblastów
i osteoklastów – efektem jest zmiana układu beleczek kostnych lub osteonów
Gojenie złamania
Blaszki międzysystemowe
są pozostałością dawnych
osteonów, częściowo
zniszczonych podczas
przebudowy kości
Budowa stawu
(diarthrosis)
Uraz
Faza reaktywna powstanienie krwiaka,
stanu zapalnego oraz
angiogenezy i indukcji
komórek chondroi osteogennych
Torebka stawowa:
• warstwa włóknista (tkanka
łączna zbita)
okostna
warstwa włóknista
torebki stawowej
błona
maziowa
jama stawu
z płynem
Miękki zrost (tk. chrzęstna)
chrząstka
stawowa
Zrost kostny (kość
grubowłóknista)
Przebudowa kości
! martwe
fragmenty
(np. odłamy)
- resorbcja
• błona maziowa:
tkanka łączna wiotka
- makrofagi (synowiocyty A)
- fibroblasty (synowiocyty B)
• naczynia krwionośne
jama szpikowa
6
Najczęstszą przyczyną dolegliwości stawowych w starszym wieku
(„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 osób
młodych, jest wynikiem ataku własnego układu immunologicznego
na tkankę łączną i chrząstkę struktur stawowych
7