Остеогенез

Кость образуется либо непосредственно из мезенхимы (перепончатый остеогенез), либо опосредованно на основе хрящевой модели кости (хрящевой остеогенез). При обоих видах оссификации возникает примитивная (грубоволокнистая) костная ткань, своеобразная костная сеть. Позднее происходит замещение этой опорной ткани пластинчатой костной тканью, обладающей более высокими механическими свойствами.

У собак и кошек в отличие от других видов животных первые точки окостенения (первичные очаги окостенения) в плоских длинных и отдельных коротких костях возникают относительно поздно, но еще до рождения. В большинстве коротких костей окостенение начинается уже после рождения, и почти все вторичные очаги окостенения - эпифизарные и апофизарные - появляются уже постнатально.

Первые очаги окостенения длинных трубчатых костей закладываются перихондрально в области диафизов - в виде костной манжетки вокруг хрящевой модели кости, разрастаясь отсюда глубь и вширь. Затем в середине диафиза, в эпифизах (концах костей) и апифизах (выступах и отростках костей) возникают вторичные, энхондральные очаги окостенения. При этом происходит наслоение остеобластов на мельчайшие колоннообразные остатки хрящевого матрикса и формирование губчатого вещества кости. Вторичные очаги окостенения отделены друг от друга хрящевыми пластинками. Особенно долго они сохраняются в метафизах - пограничной зоне между эпифизами и диафизом, что позволяет кости расти и в длину. Эта зона остаточного хряща и молодой необызвествленной костной ткани обозначается как метаэпифизарный хрящ. Она относительно неустойчива к механическим воздействиям.

Анатомия большеберцовой кости собаки: 1-апофиз (эпифиз растяжения) , 2 – эпифиз (эпифиз сжатия), 3 – ростовая пластина, 4 – метафиз, 5 – диафиз.

Кость формируется вследствие трансформации соединительной ткани (оссификации в соединительнотканной мембране) и замещения хрящевой ткани (эндохондральной оссификации). Оссификация в соединительнотканной мембране наблюдается в плоских костях (кости черепа, наружная поверхность диафизов длинных костей), что приводит к увеличению толщины кости. Эндохондральная оссификация отвечает за рост кости в длину и формирование суставных поверхностей. Процесс эндохондральной оссификации развивается во всех трех зонах длинных костей: в диафизе, эпифизе и метафизе.

Диафиз у плода развивается самым первым. Мезенхимальные клетки формируют хрящевую структуру, состоящую из центрального скопления обызвествляющихся хондроцитов, окруженного тонким ободком губчатой кости. Эта структура также называется первичным центром оссификации. Прорастание сосудов осуществляется через питательное отверстие. Факторы роста и мультипотентные стволовые клетки поддерживают формирование кости, которая содержит центральную мозговую полость, окруженную тонкой надкостницей.

Эпифизы являются вторичными центрами оссификации, расположенными в гиалиновом хряще, формирующем суставные поверхности в проксимальных и дистальных концах костей. Вторичные центры оссификации можно обнаружить у плода начиная с 28 дня после зачатия. Рост эпифиза происходит за счет двух зон: 1) васкуляризированной зоны хряща, которая отвечает за рост эпифиза в сторону сустава, и 2) эпифизарной пластины, которая отвечает за рост кости в длину. Эпифизарная пластина в основном состоит из гиалинового хряща и на рентгенограммах молодых животных видна, как рентгенпрозрачная линия между эпифизом и диафизом. У взрослых животных эпифиз состоит из губчатой кости, окруженной тонким слоем компактного вещества. Различают 2 вида эпифизов: 1) эпифизы сжатия, которые находятся на концах длинных костей, и 2) эпифизы растяжения (апофизы), которые расположены в местах прикрепления крупных мышц (например, большой вертел бедренной кости).

Метафизом называют зону между диафизом и эпифизом. Костная ткань развивается из ростовой пластины, созревает и проходит ремоделирование в зоне метафизов растущей кости. Таким образом, эпифизы и метафизы являются основными зонами, ответственными за рост кости.

Анатомия зон роста

Гистология

компоненты эпифиза и метафиза. 1 – суставной хрящ, 2 – эпифизарный хрящ, 3 – вторичный центр оссификации, 4 – ростовая пластина, 5 – эпифиз, 6 – метафиз, 7 – фиброзный слой надкостницы, 8 – кольцо LaCroix, 9 - желоб Ranvier, 10 – фиброзный компонент эпифизарной пластины, 11 – кортикальный слой кости.

Ростовая пластина состоит из фиброзного, хрящевого и костного компонентов. Фиброзная часть окружает ростовую пластину и разделяется на желоб оссификации, также называемый желоб Ranvier, и перихондральное кольцо (кольцо LaCroix). Функция желоба состоит в увеличении диаметра и длины ростовой пластины за счет хондоцитов. Кольцо расположено между желобом и надкостницей метафиза, оно защищает зону роста и обеспечивает ей механическую поддержку.

Фиброзный компонент защищает растущий хрящ от поперечных сил, препятствуя сдвиганию и расслоению. Хрящевой компонент зоны роста разделяется на резервную, пролиферативную и гипертрофическую зоны. Гипертрофическая зона также разделяется на зоны созревания, дегенерации и предварительной кальцификации. Костный компонент ростовой пластины непосредственно примыкает к хрящевой зоне. В этой области хрящевые клетки трансформируются в кость.

Заметка: ростовая пластина состоит из фиброзного, хрящевого и костного компонентов. Гипертрофическая зона хрящевого компонента является самой уязвимой частью зоны роста.

Васкуляризация

кровоснабжение зоны роста. 1 – эпифизарная артерия, 2 – зона роста, 3 – перихондральная артерия, 4 – метафизарная аретирия, 5 - питающая артерия.

Зоны роста кровоснабжается несколькими артериями (рисунок 4). Эпифизарные артерии осуществляют кровоток через множественные ветви, расположенные в зоне роста, обеспечивая васкуляризацию пролиферативной зоны на глубину примерно 10 клеток. Глубже пролиферативной зоны сосуды не проникают, что делает гипертрофическую зону аваскулярной. Перихондральные артерии кровоснабжают фиброзные структуры ростовой зоны. Питающая артерия обеспечивает 4/5 кровоснабжения метафизарной зоны и не пересекает открытую физарную зону. Остальной кровоток обеспечивается ветвями метафизарных артерий. Конечные ветви этих сосудов образуют мелкие васкулярные петли или капиллярные пучки в последнем интактном слое лакун хондроцитов в зоне роста. Хондроциты на этом уровне мертвы, что важно для понимания развития рассекающего остеохондоза. Венозный отток от метафиза осуществляется через крупную центральную вену диафиза. У людей и кошек ростовая пластина головки бедренной кости может частично кровоснабжаться ветвями артерии связки головки бедра (эпифиза), однако у собак такого пути кровоснабжения не существует.

Физиология зон роста

Хрящевой компонент

Поскольку кровоснабжение в разных зонах ростовой пластины варьирует, метаболизм клеток этих зон также различается. В пролиферативной зоне и верхней половине гипертрофической зоны метаболизм аэробный, а в нижней половине гипертрофической зоны он анаэробный.

Хондроциты резервной зоны имеют сферическую форму, их немного и они окружены большим объемом матрикса, чем клетки других зон. Клетки резервного слоя содержат большое количество липидных вакуолей и эндоплазматической сети, что характерно для активной продукции белка. Давление кислорода в этой зоне относительно низкое, что связано с низкой клеточной активностью. Это указывает на преимущественно диффузное проникновение в данную зону кислорода и питательных веществ, что в свою очередь может быть важно для этиологии рассекающего остеохондрита и гипертрофической остеодистрофии. Функция этой зоны заключается в предоставлении хондроцитов для пролиферативной зоны.

зоны хрящевого компонента эпифизарной пластины. 1 – резервная зона, 2- пролиферативная зона, 3 – зона созревания, 4 – зона дегенерации, 5 – зона первичной кальцификации, 6 – гипертрофическая зона.

В пролиферативной зоне хондроциты более плоские и скомпонованы в столбики, параллельные длинной оси кости (рисунок 3). Давление кислорода в этой зоне выше, чем в других, клеточный метаболизм также высокий, что приводит к накоплению метаболитов. Первичной функцией этой зоны является клеточная пролиферация, другие функции включают формирование интрацеллюлярного матрикса, протеогликанов и коллагена. Коллаген имеет высокую прочность при растяжении и обеспечивает механическую поддержку непрочному гелю из протеогликанов в составе хряща, находящегося в этой зоне.

Гипертрофическую зону разделяют на зоны созревания, дегенерации и предварительной кальцификации (рисунок 3). Начало зоны созревания может быть точно определено по форме клеток. Хондроциты становятся шарообразными, и в основании зоны их размер практически в 5 раз превышает размер хондроцитов пролиферативной зоны. Было установлено, что инсулиноподобный фактор роста стимулирует гипертрофию хондроцитов в этой зоне, что обеспечивает рост кости в длину.

Содержание цитоплазматических компонентов хондроцитов в зоне созревания, включая гликоген, значительно уменьшается по сравнению с клетками пролиферативной зоны. Наконец, на границе зоны дегенерации у клеток наблюдают признаки деструкции и гибели. Давление кислорода в этой части пролиферативной зоны низкое, что подразумевает низкую метаболическую активность. Хондроциты в этой области имеют незначительный уровень цитоплазматической глицеролфосфатдегидрогеназы, которая играет важную роль в аэробном энергетическом обмене клетки. При отсутствии глицеролфосфатдегидрогеназы активируется анаэробный метаболизм, связанный с накоплением лактата. Эти факторы могут приводить к гибели хондроцитов в зоне дегенерации.

Содержание митохондрий и уровня кальция в клеточной стенке хондроцитов снижается при деструкции клетки. Освободившийся кальций аккумулируется в пузырьках матрикса в середине гипертрофической зоны. Процесс кальцификации матрикса называют начальной или предварительной кальцификацией. В основном она проявляется в матриксе продольной перегородки между столбиками клеток. Другие структуры, в частности волокна коллагена, также подвергаются кальцификации.

Метафиз

Метафиз начинается от последней интактной поперечной перегородки хрящевой части зоны роста (рисунок 2). В этой зоне образуются первичные спикулы из аморфного фосфата кальция, которые затем замещаются вторичными, состоящими из кристаллов гидроксиапатита. Спикулы сливаются, образуя костный матрикс, типичную структуру кости. Гидроксиапатит является основным структурным веществом созревшей кальцинированной костной ткани.

Ветви капилляров питающей артерии костномозгового канала обеспечивают питание клеток первой части метафиза. Гипертрофированные хондроциты продуцируют хрящевой фактор роста, который обладает хемотактическим действием на эндотелиальные клетки. Эндотелиальные и периваскулярные клетки проявляют лизосомальную активность, разрушая хрящевую поперечную перегородку. Остеобласты и остеопрогениторы (мезенхимальные клетки, предшественники остеогенеза – прим. переводчика) выстраиваются вдоль этой перегородки и после кальцификации формируют остеоид. Колонны растут, сливаются и формируют тонкую первичную трабекулярную сеть с хрящевым центром. Такую структуру называют первичным губчатым веществом. Затем оно замещается грубоволокнистой костной тканью, формирующей вторичную губчатую кость. Гаверсово ремоделирование начинается с образования пластинок, параллельных длинной оси кости. Неорганизованная грубоволокнистая костная ткань вскоре замещается пластинчатой тканью, которая типична для созревшей кости. По мере созревания, трабекулярная костная ткань метафиза замещается костным мозгом и сливается с диафизом. Остеокласты уменьшают и изменяют наружный контур метафиза, который сливается с диафизом. Этот процесс называется слиянием или внешним ремоделированием.

Заметка: у собак активный рост приходится на возраст 3-6 месяцев. Закрытие зон роста происходит в возрасте 4-12 месяцев в зависимости от породы анатомической области.

Закрытие ростовой пластины и вклад в общий процесс роста

У собак основной рост приходится на период от 3 до 6-месячного возраста. Большинство собак достигают 90% своего взрослого размера к концу 9-го месяца жизни. Большая часть зон роста закрывается в период 4-12 месяцев жизни, в зависимости от анатомической области и породы собаки. Тем не менее, по нашим клиническим наблюдениям, зоны роста у некоторых собак гигантских пород могут сохраняться до возраста 15-18 месяцев. В таблице 2 показано время закрытия зон роста костей грудных и тазовых конечностей у среднестатистической собаки. Зоны роста, которые отвечают за большой процент общего увеличения кости в длину, дольше остаются открытыми, чем зоны более мелких костей (например, пясти и плюсны). Общепризнанно, что зоны роста у животных меньшего размера закрываются раньше. Клинический опыт показывает, что у собак гигантских пород эта зона роста может сохраняться до возраста 15-18 месяцев.

1. Фольмерхаус Б., Фревейн Й. и др. Анатомия собак и кошки / Пер. с нем., М.: Аквариум Бук, 2003.
2. Зоны роста у собак. Эпифизарная пластина: физиология, анатомия и травмы