Костна тъкан

Костната тъкан е минерализирана съединителна тъкан, която изгражда костите. Те притежават важни функции като защита на меките тъкани, съхранение на калция и фосфатите, участие в осъществяването на движенията. Костите не са инертни органи. Те са изключително динамични структури, в които постоянно се извършват процеси на образуване и на разграждане на костно вещество. В допълнение последните изследвания показват, че костите влияят на активността и на други органи и системи. Освен опорно-двигателна функция, те притежават и ендокринна функция, която се дължи на секрецията на биологично активни вещества от някои от клетъчните им компоненти. Костната тъкан непрекъснато се ремоделира чрез съгласуваната функция на костните клетки. Ремоделирането се контролира от локални (растежни фактори) и от системни (калцитонин и естрогени) фактори. Липсата на баланс между костната резорбция и костното образуване може да доведе до костни заболявания.

Костното ремоделиране е много сложен процес, при който старата кост се заменя с нова, в цикъл състоящ се от три фази:

Изображение: Darshani Kansara / CC BY-SA

1. Костна резорбция от остеокластите;
2. Период на обръщане или преход от резорбцията към формирането на нова кост;
3. Образуване на костна тъкан от остеобластите.

Както се вижда ремоделирането на костта се обуславя от координираното действие на остеокластите, остеобластите и остеоцитите. Те заедно образуват временна анатомична структура, означавана като основна многоклетъчна единица (BMU – basic multicellular unit). Нормалното протичане на процесите на ремоделиране на костта е необходимо за лечение на фрактури и за адаптиране на скелета към механичното натоварване. Дисбалансът между костното образуване и костната резорбция води до костни заболявания. При надделяване на резорбцията се развива остеопороза, а в обратния случай – остеопетроза.

Костната тъкан е изградена от органична основа (екстрацелуларен матрикс) и минерално вещество 30:70. Матриксът е изграден главно от колагенни влакна, които имат характерно подреждане и придават на костите здравина на опън и от хомогенна субстанция, съставена от извънклетъчна течност и протеогликани, особено хондроитин сулфат и хиалуронова киселина. Минералното вещество се състои основно от хидроксиапатитни кристали, съдържащи калций и фосфор. В тях са включени 70% от цитратите в организма, 60% от магнезия, 50% от натрия, калий и карбонатни йони. В костите могат да се включват и елементи, които нормално не се откриват в тях, като стронций, ураний, злато, олово, плутоний и други тежки метали. Хидроксиапатитните кристали имат малки размери. Това обуславя наличието на голяма повърхност за единица обем, на което се дължи възможността за бърза обмяна с плазмата на много съставки. Нормално калциевите и фосфатните йони са разтворени в ЕЦТ. В костите тези соли кристализират около колагенните фибри на матрикса. Неорганичните кристали придават устойчивост на костите на натиск.

Клетъчни компоненти на костната тъкан

Костната тъкан е изградена от три вида клетки остеобласти, остеокласти и остеоцити. Остеобластите произхождат от мезенхимните стволови клетки. Основната им функция е свързана с участие в образуването и минерализация на костта. Те са кубовидни клетки, които съставляват 4-6% от клетъчните компоменти на костта. Морфологичните им характеристики напомнят на протеинсинтезиращите клетки – те имат добре развит ендоплазмен ретикулум и апарат на Голджи. Остеобластите притежават мембранни рецептори за паратхормона, отделян от паращитовидните жлези. Остеокластите са големи многоядрени клетки, които произхождат от предшественици на моноцитите. Те осъществяват резорбцията на костното вещество. Остеоцитите са плоски клетки с множество израстъци и връзки по между си. Те са разположени плътно в костния матрикс. Произлизат от остеобласите и съставляват 90-95% от клетките на костта. Остеоцитите са едни от най-дълготрайните клетки, като продължителността им на живот е до 25 години. При механично стимулиране остеоцитите произвеждат някои втори посредници, като АТФ, азотен оксид, Ca²⁺ и простагландини (PGE2 и PGI2), които влияят на костната физиология.

Формирането на костите се осъществява от активираните остеобласти. Те синтезират съставките на екстрацелуларния матрикс – колаген тип I, глюкозаминогликани, протогликани, остеокалцин, остеонектин и сиалопротеин. Остеобластите са богати на алкална фосфатаза. Образуваният колаген се отделя като колагенни мономери, които бързо полимеризират и образуват колагенни фибри. Колагенните фибри изграждат органичния матрикс, в който се отлагат калциевите соли. По този начин се формира остеоидната тъкан. След като се образува част от остеобластите се поместват в нея и се превръшат в остеоцити. Първоначално калциевите соли се отлагат под формата на аморфни (некристални) съставки, които след това чрез заместване и добавяне на атоми, резорбция и преципитация образуват хидроксиапатитните кристали. Тези процеси формират началната минерализация. Пълната минерализация се осъществява за няколко месеца. След нея остеобластите прекратяват своята секреторна активност и се превръщат в остеоцити. За нормалното протичане на минерализацията е необходима нормална плазмена концентрация на калций и фосфати. Този процес зависи от активната форма на витамин D₃. Паратхормонът намалява образуването на колаген от остеобластите, а кортизолът потиска узряването на преостеобластите и превръщането им в зрели остеобласти. Физическото натоварване стимулира остеобластната активност и калцификацията на костите. Част от калциевите соли остават в аморфно състояние (без кристален строеж). Това е от голямо значение, тъй като точно тези соли се използват за бързо извличане на калций от костите към ЕЦТ. Те представляват обменен калций (0,5-1,0%), който винаги е в равновесие с Ca²⁺ в ЕЦТ. Обменният калций участва в бързите буфериращи механизми за запазване на постоянната концентрация на този минерал в плазмата.

Остеоцитите са свързани по между си с много израстъци, които ги свързват и с повърхността на костите и с остеобластите. Те са разположени в концентрични слоеве в костния матрикс. Това разположение създава условия за пренасяне на Ca²⁺ от вътрешността към повърхността на костите, а от там и към ЕЦТ. Този пренос, осъществяван от остеоцитите, се означава като остеоцитна остеолиза. Той води до отнемане на калций от образуваните наскоро кристали и не намалява костната маса. Остеоцитите са свързани с бързите промени в концентрацията на калция в плазмата. Те имат остеолитични свойства, които са свързани с краткотрайното костно ремоделиране.

Остеокластите са големи многоядрени клетки с много митохондрии, лизозоми и добре развит апарат на Голджи. Те са богати на кисела фосфатаза. По повърхността на нагънатата им мембрана се извършва костна резорбция. Остеокластите секретират органични аниони (цитрати), които увеличават разтворимостта на минералната фаза, и цитрати. Те осъществяват трансцелуларен транспорт на калций и натрий. В лизозомите им се съдържат протеолитични ензими, които при освобождаването си повлияват органичния матрикс и освободените от митохондриите киселини – лимонена и млечна. Компонентите на екстрацелуларния матрикс се разграждат от екстрацелуларни колагенази, протеогликаназа, протеолитични катепсини. Процесите на резорбция на костния матрикс водят до разрушаването му, до намаляване на костната маса и до освобождаване на калций. Костната резорбция, която се осъществява от остеокластите, е свързана с дълготрайното костно ремоделиране.

Костната тъкан притежава висока функционална активност. Във всеки един момент около 20% от костното вещество се намира в процес на ново изграждане, наречено ремоделиране. То представлява процес на непрекъснато резорбиране на костното вещество, последвано от изграждане на нов матрикс и минерализация. Костната маса се увеличава през периода на растеж поради надделяването на процесите на формиране. Балансът между формирането и резорбцията стабилизира костната маса до към 50-годишна възраст. След това резорбцията надделява и общата костна маса бавно намалява. Ремоделирането поддържа нормалната здравина на костите и зъбите. Скоростта на резорбцията и отлагането в детската възраст е голяма, а в напреднала възраст е доста по-малка. На това се дължи факта, че костите на децата са по-малко чупливи в сравнение с по-зрялата възраст. Ремоделирането позволява да се осъществява постоянно отлагане и отделяне на калций между костите и зъбите. Обмяната на този минерал е от съществено значение за поддържане на калциевия баланс и калциевата хомеостаза. Костното ремоделиране се осъществява благодарение на съгласуваното действие на остеобласти, остеоцити, остеокласти. Образуването, пролиферацията, диференциацията и активността на тези клетки се контролират от локални и системни фактори. Локалните фактори включват автокринни и паракринни молекули като растежни фактори, цитокини, простагландини. Системните фактори, които са важни за поддържането на костната хомеостаза, включват паратироиден хормон, калцитонин, витамин D, глюкокортикоиди, андрогени и естрогени. Естрогените имат решаваща роля за хомеостазата на костната тъкан. Намаляването на нивата им по време на менопаузата е основната причина за загуба на костна тъкан и развитие на остеопороза. Механизмите, по които естрогените действат върху костната тъкан, не са непълно разбрани. Предполага се, че участието им в поддържането на костната хомеостаза се обуславя от инхибиране на апоптозата (програмирана клетъчна смърт) на остеобласти и остеоцити и от индуциране на апоптозата на остеокластите. Освен това по клетките на костна тъкан се намират и рецептори за естрогени.

Ендокринна функция на костта

Скелетът е една динамична съединителна тъкан, която има съществено значение за калциевата хомеостаза, мобилността и хематопоетичната функция. Костите не са инертни структури, а са сравнително динамична тъкан, която притежава и ендокринна функция. Получените до момента данни съобщават, че от костта се произвеждат следните хормони: склеростин, остеокалцин, липокалин 2 и фибробластен растежен фактор 23. Тези хормони участват не само в регулацията на костния метаболизъм, но повлияват и функциите на други отдалечени органи. Основните ефекти на биологично активните вещества произвеждани от костта:

• oстеокалцин – наречен още костна гама карбоксиглутаминова киселина, е изграден от 46-50 аминокиселини. Този хормон се синтезира от остеобластите. Както другите пептидни хормони той се синтезира пре-прохормон, съдържащ 98 аминокиселини. Секрецията на остеокалцина се регулира от нивата на витамин D и витамин К. Последните проучвания съобщават, че секрецията на остеокалцин се стимулира от активната форма на витамин D (калциферол) – 1,25- дихидроксикалциферол. Нивата на витамин К също участват в регулацията, защото това функционално активно вещество е кофактор на гама-глутамин карбоксилазата, отговорна за формирането на активната форма на остеокалцина. Има данни, че секрецията на остеокалцина може да се регулира по различни пътища от самата костна тъкан. Секрецията на остеокалцина се влияе от циркадния ритъм на човешкия организъм като достига своя връх рано сутринта и е най-ниска следобед.

Прицелните клетки за действието на остеокалцина са В-клетките на панкреаса, адипоцитите, Лайдиговите клетки и остеобластите. Голяма част от получените данни за хормоналната функция на остеокалцина се базират на проучвания с мишки, в чиито хромозоми е премахнат гена за остеокалцин. Остеокалцинът повишава инсулиновата чувствителност в мускулите и в черния дроб. В мастната тъкан той стимулира секрецията на адипонектин, а в тестисите – продукцията на тестостерон. Остеокалцинът в панкреаса стимулира продукцията на инсулин, като стимулира В-клетъчната пролиферация.;

• фибробластен растежен фактор 23 – произвежда се от остеоцитите. Фибробластният растежен фактор 23 принадлежи към семейството на фибробластните растежни фактори и действа чрез свързването му с FGR рецептори. Той оказва своите ефекти върху бъбреците като инхибира хидроксилирането на витамин D и стимулира екскрецията на фосфор. За да се получи това, фибробластният растежен фактор си взаимодейства с рецептор. Участието му в регулацията на нивото на серумния фосфат е едно от най-новите открития, като се знае, че смущения в секрецията му водят до смущения в минералния метаболизъм като хипо- или хиперфосфатемия. Това оказва влияние и на процесите на костната минерализация като хроничната хипофосфатемия води до инхибиране на процеса, а хиперфосфатемията до нетипична калцификация. Освен в костите фибробластен растежен фактор се произвежда и в черния дроб, сърцето, тимуса и в лимфните възли. Фибробластният растежен фактор 23 се секретира в отговор на повишената концентрация на калцитриол. Клиничното му значение се изразява във факта, че мутациите, които се намират в гена за експресията му в 12-та хромозома, водят до развитието на хипофосфатемични рахити.;
• склеростин – малък протеин, които се синтезира в остеоцитите. Склеростинът осъществява своите ефекти чрез свързването му с мембранни рецептори намиращи се по плазмалемата на остеобластите. Това свързване отключва каскада от вътреклетъчно сигнализиране, която в крайна сметка води до инхибиране на образуването на костната тъкан. Склеростинът е част от вътрешна сигнална пътека в костта за регулирането на нейното образуване. Друг пример за подобен тип регулация на секрецията на хормони е взаимодействието между хормоните на задстомашната жлеза и начините, по които си взаимодействат. Склеростинът има антианаболни ефекти върху костното образуване, което означава, че той потиска костното образуване. Производството на склеростин се инхибира от паратироидния хормон и от някои цитокини, включително простагландин Е2. Производството му се стимулира от калцитонин.;
• липокалин 2 – най-слабо проученият костен хормон. Според учените неговата секреция се стимулира от настъпили бактериални инфекции в организма. Смята се, че този хормон влияе на мозъка, като участва в контрола на апетита.

Костната тъкан е динамична съединителна тъкан, която постоянно е подложена на процеси на разграждане и образуване. Клетъчните и компоненти – остеобласти, остеоцити и остеокласти, са в основата на костното ремоделиране. Костната тъкан притежава и ендокринна функция, която се обуславя от производството на остеокалцин, склеростин, фибробластен растежен фактор 23 и липокалин 2.