Костная ткань: состав и свойства¶

Костная ткань — это специализированный тип соединительной ткани, являющийся основным структурным компонентом скелета позвоночных животных и человека. Она выполняет опорную, защитную и локомоторную функции, а также участвует в минеральном обмене, выступая резервуаром кальция и фосфора. Костная ткань — единственная ткань организма, способная к полноценной регенерации с восстановлением исходной структуры.

¶Состав костной ткани

Костная ткань состоит из клеток и межклеточного вещества (матрикса), которое, в свою очередь, делится на органическую и неорганическую части.

¶Клеточный состав

В костной ткани выделяют три основных типа клеток:

• Остеобласты — молодые клетки, синтезирующие компоненты органического матрикса. Они расположены на поверхности кости. После завершения синтеза остеобласты либо превращаются в остеоциты, либо остаются на поверхности в виде покоящихся клеток.
• Остеоциты — зрелые, неактивные клетки, «замурованные» в минерализованном матриксе. Они поддерживают метаболизм ткани и воспринимают механические нагрузки. Остеоциты связаны друг с другом длинными отростками, образующими сеть.
• Остеокласты — крупные многоядерные клетки, разрушающие костную ткань (резорбция). Они происходят из моноцитов крови и обеспечивают перестройку кости и высвобождение минеральных веществ.

¶Межклеточное вещество (матрикс)

Матрикс составляет около 90 % массы костной ткани.

Органическая часть (около 30 %) представлена преимущественно коллагеном I типа (более 90 % всех органических веществ), а также небольшим количеством коллагена V типа и неколлагеновыми белками: остеокальцином, остеонектином, сиалопротеинами и протеогликанами. Органический матрикс придаёт кости упругость и эластичность.

Неорганическая часть (около 70 %) представлена минеральными солями, главным образом гидроксиапатитом — Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Также присутствуют карбонаты, фториды и магний. Минеральный компонент обеспечивает твёрдость и прочность кости на сжатие.

¶Физико-механические свойства

Свойства костной ткани определяются соотношением органических и неорганических компонентов. Потеря минералов (остеопороз) делает кость хрупкой, а потеря коллагена (например, при болезни Педжета) — чрезмерно гибкой.

• Прочность на сжатие — около 170 МПа (мегапаскалей), что сопоставимо с прочностью чугуна.
• Прочность на разрыв — около 120 МПа, что выше, чем у дерева.
• Модуль упругости — 18–20 ГПа, что обеспечивает жёсткость конструкции.
• Плотность — 1,8–2,0 г/см³.

Кость — анизотропный материал: её механические характеристики зависят от направления приложения нагрузки, что связано с ориентацией коллагеновых волокон.

¶Структурная организация

Выделяют два типа костной ткани:

• Грубоволокнистая (ретикулофиброзная) — характерна для эмбрионов и мест прикрепления сухожилий. Волокна коллагена расположены беспорядочно.
• Пластинчатая — основная форма костной ткани взрослого организма. Состоит из костных пластинок толщиной 3–7 мкм. В пластинках коллагеновые фибриллы ориентированы параллельно.

В пластинчатой ткани выделяют компактное вещество (плотное, кортикальное) и губчатое вещество (трабекулярное). Компактное вещество образует диафизы трубчатых костей и наружный слой всех костей. Губчатое вещество заполняет эпифизы и внутренние части плоских костей.

Структурной единицей компактного вещества является остеон (гаверсова система) — система из 5–20 концентрически расположенных костных пластинок вокруг центрального канала, в котором проходят сосуды и нервы.

¶Функции

1. Опорная — формирует жёсткий каркас тела.
2. Защитная — предохраняет внутренние органы (череп, грудная клетка).
3. Двигательная — служит рычагами для мышц.
4. Минеральный гомеостаз — депо кальция (около 99 % всего кальция организма) и фосфора.
5. Кроветворение — в красном костном мозге губчатого вещества происходит гемопоэз.

¶Ремоделирование и метаболизм

Костная ткань постоянно обновляется. Процесс ремоделирования включает цикл «резорбция — образование» и занимает у человека 3–6 месяцев. В год обновляется около 5–10 % костной массы. Регуляция осуществляется гормонами: паратгормоном (стимулирует резорбцию), кальцитонином (подавляет её), эстрогенами и витамином D3.

С возрастом баланс смещается в сторону резорбции, что приводит к возрастной потере костной массы — остеопении и остеопорозу.