CHRUPAVKA A KOST 2023 pvanhara@med.muni.cz Petr Vaňhara POJIVOVÁ TKÁŇ II 10.1038/s41598-020-74031-x Konzistence Buňky Vlákna Základní hmota Měkká ↑ ↓ ↑ Pevná ↓ ↑ ↓ POJIVOVÉ TKÁNĚ CHRUPAVKA ▪ specializovaná pojivová tkáň se souvislou ECM ▪ pružná, mechanicky odolná ▪ avaskulární ▪ bez inervace ▪ podpora měkkých tkání (trachea, larynx) ▪ součást skeletu (kostální chrupavky) ▪ kloubní spojení ▪ nezbytná pro růst kostí (růstové ploténky) CHRUPAVKA ▪ Buňky – chondroblasty a chondrocyty ▪ Perichondrium – pojivová tkáň kolem chrupavky ▪ ECM – voda, proteoglykany a kolagenní fibrily Konzistence Tlaková elasticita Růst chrupavky Produkce ECM Výživa a apoziční růst chrupavky SLOŽENÍ A STRUKTURA PODMIŇUJÍ VLASTNOSTI CHRUPAVKY Hyalinní Elastická Vazivová DISTRIBUCE • Nos • Kloubní povrchy • Žeberní chrupavky • Larynx • Trachea a bronchy • Auricula • Epiglottis • Eustachova trubice • Meziobratlové ploténky • Symfýza os pubis • Meniskus http://chickscope.beckman.uiuc.edu/explore/embryology/day14/dev2.html Alcian Blue&Alizarin Red - nejběžnější - dočasný embryonální skelet - epifyzální růstové ploténky - klouby, trachea, larynx, atd. - isogenetické skupiny HYALINNÍ CHRUPAVKA Perichondrium Interteritoriální matrix Teritoriální matrix Lakuny Izogenetické skupiny Chondrocyty • chondrogenní buňky • v perichondriu • původ z mesenchymu • vřetenovité, úzké • chondroblasty • bazofilní • typická ultrastruktura proteosynteticky aktivních buněk • produkce extracelulární matrix • chondrocyty • obklopené matrix • chondrony, lakuny ▪ CHONDROBLASTY A CHONDROCYTY BUŇKY HYALINNÍ CHRUPAVKY Runx2 Osx Sox9 Runx2 C/EBP PPAR COL2A aggrecan DIFERENCIACE CHONDROCYTŮ • chondrifikační centra • diferenciace chondroblastů • kartogenin • apoziční růst • z perichondria • diferenciací chondroblastů z chondroprogenitorových buněk • intersticiální proliferace • dělení chondrocytů • isogenetické skupiny RŮST HYALINNÍ CHRUPAVKY RŮST HYALINNÍ CHRUPAVKY RŮST HYALINNÍ CHRUPAVKY Výměna metabolitů Růst apozicí Intersticiální proliferace RŮST HYALINNÍ CHRUPAVKY ▪ stratum fibrosum - biomechanika ▪ stratum chondrogenicum - růst PERICHONDRIUM http://biomechanical.asmedigitalcollection.as me.org/article.aspx?articleid=1426878 ▪ membrana fibrosa - husté kolagenní vazivo ▪ membrana synovialis ▪ intima, subintima - záhyby do kloubní dutiny - početní krevní a lymfatické kapiláry, nervy - nesouvislé vrstvy buněk (synovialocyty) - bazální membrána a mezibuněčné spoje chybí → nejedná se o epitel ale mesenchymální pojivo - synoviální tekutina bohatá na hyaluronany - bursae synoviales, vaginae tendineum http://www2.indstate.edu/thcme/mmmoga/histology/slide35.html SYNOVIUM • oválné → kulaté buňky, 10-30m • bohatá organelová výbava, zejména RER, GA • glykogenová granula (anaerobní metabolismus) • občas lipidové kapénky ULTRASTRUKTURA CHONDROCYTŮ ULTRASTRUKTURA CHONDROCYTŮ ULTRASTRUKTURA CHONDROCYTŮ ULTRASTRUKTURA CHONDROCYTŮ • pericelulární kapsula - cca 5m - složení podobné bazální membráně • teritoriální matrix - cca 50m široká oblast kolem lakuny - bazofilní - vysoký obsah glykosaminoglykanů (chondroitinsulfát) • interteritoriální matrix - bohatá na kolagen II EXTRACELULÁRNÍ MATRIX biomechanické vlastnosti 1. glykosaminoglykany 2. proteoglykany 3. vlákna 4. voda EXTRACELULÁRNÍ MATRIX EXTRACELULÁRNÍ MATRIX • lineární nevětvené polysacharidy tvořené opakující se disacharidovou jednotkou: 1. N-acetylgalactosamin (GalNAc) nebo N-acetylglucosamin (GlcNAc) 2. uronová kyselina - glukuronát (GlcA) nebo iduronát. hyaluronová kyselina GLYKOSAMINOGLYKANY Glykosaminoglykan Výskyt Kyselina hyaluronová Pupečník, synoviální tekutina, sklivcová tekutina, chrupavka Chondroitinsulfát Chrupavka, kost, rohovka, kůže, notochord, aorta Dermatansulfát Kůže, šlachy, aorta (adventicie) Heparansulfát Aorta, plíce, játra, bazální laminy Keratansulfát Rohovka, chrupavka , meziobratlová ploténka (nucleus pulposus, anulus fibrosus) GLYKOSAMINOGLYKANY ‒ aggrecan ‒ protein + převažující lineární sacharidová složka ‒ proteoglykanové agregáty ‒ 100-200 molekul aggrecanu spolu kys. hyaluronovou tvoří 3-4m velké shluky ‒ vysoká schopnost vázat vodu ‒ objem závislý na stupni hydratace ‒ chondronectin ‒ vazba chondrocytů na kolagen II PROTEOGLYKANY A GLYKOPROTEINY • kolagen - col II + col IX/XI - tenké fibrily (15-20 nm → bez žíhání) - spojeny s perichondriem - stejný index lomu jako amorfní ECM → není vidět VLÁKNA ECM • pericelulární • teritoriální • interteritoriální přenos biochemických a biomechanických signálů ARCHITEKTURA ECM • tlaková elasticita - proteoglykany – polyanionty (COO-, SO4 II-) - expanze omezená kolagenními fibrilami - repulze ARCHITEKTURA ECM I. tangenciální (superficiální) zóna II. přechodná zóna III. radiální zóna mineralizovaná chrupavka subchondrální kost • bifázický model chrupavky - podmíněný složením ECM - proteoglykany, kolagen, elastin a buňky tvoří solidní, nestlačitelnou, ale elastickou fázi (20%) - intersticiální tekutina která volně protéká matrix – fluidní fáze (80%) - při tlakové zátěži tekutina protéká chrupavkovou matrix do ustanovení rovnováhy - při dekompresi – expanze matrix - význam i pro výživu chrupavky ARCHITEKTURA ECM • acidofilní elastická vlákna v matrix • izogenetické skupiny nejsou vytvořeny • auricula, meatus, larynx, epiglottis ELASTICKÁ CHRUPAVKA Perichondrium Chondrocyty Elastická vlákna • méně početná než vlákna kolagenní • polymer – tropoelastin • desmosin, isodesmozin • minimální tahová pevnost, při přetažení ztráta pružnosti • redukují hysterezi vaziva = díky své pružnosti usnadňují návrat vaziva do původního stavu po mechanické změně ELASTICKÁ VLÁKNA ELASTICKÁ CHRUPAVKA ELASTICKÁ CHRUPAVKA • dominantní vláknitá složka – kolagen I a II • mechanická odolnost • minimum amorfní ECM – vlákna jsou viditelná • podobná hustému kolagennímu vazivu • meziobratlové ploténky, symphysis pubis, meniscus VAZIVOVÁ CHRUPAVKA VAZIVOVÁ CHRUPAVKA • Chrupavka – bez inervace, bez vaskularizace – spontánně prakticky neregeneruje • Chondrocyty nemigrují do místa poranění • Eroze chrupavky v důsledku dalších degenerativních změn Cíl: - kloubní pohyblivost - obnova biochemických a biofyzikálních parameterů chrupavky - autologní transplantace - MSCs na biokompatibilních scaffoldech (stále jen experimentálně) KLINICKÉ KORELACE SHRNUTÍ HYALINNÍ ELASTICKÁ VAZIVOVÁ Složení ECM Col II, agrekan Col II, elastin, agrekan Col II + Col I Buňky Chondrocyty/blasty Chondrocyty/blasty Chondrocyty/blasty, fibroblasty Uspořádání Izogenetické skupiny Jednotlivě, občas ve shlucích Jednotlivě nebo podélně vmezeřené mezi kolagenní vlákna Typické perichondrium Ano (kromě kloubů) a epifýz) Ano Ne Příklad výskytu Velké chrupavky laryngu, trachea a DCD, klouby, epifýzy, fetální skelet Aurikula, meatus, Eustachova trubice, epiglottis, malé chrupavky laryngu IVD, meniskus, symfýzy KOST • Primární (nezralá, vláknitá) • Sekundární (zralá, lamelózní) - Lamely – kolagenní vlákna uspořádána do koncentrických vrstev (3-7m) obklopující kanálek s cévami = Haversův systém (osteon) HISTOLOGICKÁ KLASIFIKACE KOSTÍ STAVBA PRIMÁRNÍ (VLÁKNITÉ) KOSTI • Dočasná, vzniká při růstu a regeneraci kostí; kolagenní fibrily plsťovitě uspořádané • Nahrazuje ji později sekundární kost • Přetrvává pouze v některých oblastech - ploché švy lebky, výčnělky kostí (tuberositas ossium) STAVBA SEKUNDÁRNÍ (LAMELÓZNÍ) KOSTI Spongiózní kost -Lamely tvoří trámce, se strukturou podobnou kompaktní kosti -Konce kostí (epifýzy), krátké kosti, střední vrstva plochých kostí lebky (diploe) Kompaktní kost -Zevní a vnitřní plášťové lamely, typické Haversovy kanálky -Volkmannovy kanálky -Intersticiální kanálky STAVBA SEKUNDÁRNÍ (LAMELÓZNÍ) KOSTI STAVBA SEKUNDÁRNÍ (LAMELÓZNÍ) KOSTI STAVBA SEKUNDÁRNÍ (LAMELÓZNÍ) KOSTI Kapilára Osteoblasty Intersticiální lamela Osteocyt v lakuně Canaliculi ossium Lamely • Synoviální kloub – hyalinní chrupavka • Periost – obal z husté pojivové tkáně – Vnitřní vrstva buněk (osteoblasty), vnější – husté kolagenní vazivo – Fibrilární složka je dominantní u metabolicky neaktivní kosti – Kolagenní vlákna periostu paralelně s povrchem kosti • Sharpeyova vlákna fixují periost k vlastní kosti VNĚJŠÍ KOSTNÍ POVRCH Neaktivní Aktivní VNĚJŠÍ KOSTNÍ POVRCH - PERIOST National Museum of Natural History NY, USA PERIOST • Dřeňová dutina • Endost – často jediná vrstva plochých nebo kubických buněk tzv. lining cells – prekurzory osteoblastů • Červená, žlutá nebo šedá kostní dřeň • Bohatá vaskularizace VNITŘNÍ KOSTNÍ POVRCH VNITŘNÍ KOSTNÍ POVRCH JE VÝZNAMNOU NICHE - 60% minerální složka, 24% organická složka (osteoid) 12% H20, 4% tuk - Ca3(PO4)2 , Ca10(PO4)6(OH)2 (hydroxyapatit) SLOŽENÍ KOSTNÍ MATRIX MINERALIZACE 10.1101/cshperspect.a031229 MINERALIZACE KOSTNÍ TKÁNĚ MINERALIZACE KOSTNÍ TKÁNĚ MINERALIZACE KOSTNÍ TKÁNĚ Produkce a odbourávání ECM • kolagen (I) • nekolagenní proteiny • proteoglykany/glykoproteiny, • mineralizovaná matrix KOSTNÍ BUŇKY – OSTEOBLASTY, OSTEOCYTY A OSTEOKLASTY Architektura kostní tkáně a morfologie kostí Metabolismus fosfátů a vápníků Kostní dřeň a krvetvorba 10.13140/RG.2.2.20595.32802 ▪ vnitřní buněčná vrstva periostu, Havesových kanálků a endost - odvozeny z embryonálního mesenchymu - mitotické dělení a diferenciace do osteoblastů - za určitých zvláštních podmínek mohou diferencovat do chondroblastů KOSTNÍ BUŇKY - OSTEOPROGENITORY KOSTNÍ BUŇKY - OSTEOBLASTY KOSTNÍ BUŇKY - OSTEOBLASTY KOSTNÍ BUŇKY - OSTEOCYTY KOSTNÍ BUŇKY - OSTEOCYTY KOSTNÍ BUŇKY - OSTEOCYTY 10.13140/RG.2.2.20595.32802 • Vysoce specializované buňky hematopoetického původu • Vždy na povrchu kostní hmoty • Resorpce kostní matrix KOSTNÍ BUŇKY - OSTEOKLASTY KOSTNÍ BUŇKY - OSTEOKLASTY RAW264.7 Primární prekurzory/buffy coat, CF1, wt • Obrovské, enzymaticky aktivní buňky • Složitá cytoarchitektura • Enzymy rozkládající organickou matrix (osteoid) • H+Cl- → pH ~ 4-5 KOSTNÍ BUŇKY - OSTEOKLASTY KOSTNÍ BUŇKY - OSTEOKLASTY OSTEOKLASTY SPOLEČNÝ PŮVOD S MAKROFÁGY Desmogenní - Uvnitř membránových kondenzací mesenchymu - Zejména ploché kosti Chondrogenní - Náhrada hyalinní chrupavky kostí OSIFIKACE PRIMÁRNÍ KOSTI DESMOGENNÍ OSIFIKACE • Chrupavčitý model • Periostální kostní límec • Proliferace a hypertrofie chondroblastů • Kalcifikace • Vznik primární dřeňové dutiny • Tvorba periostálního pupenu • Osifikace • Rezervní zóna • Zóna proliferace • Zóna hypertrofické chrupavky • Zóna kalcifikace • Linie eroze • Zóna osifikace CHONDROGENNÍ OSIFIKACE CHONDROGENNÍ OSIFIKACE CHONDROGENNÍ OSIFIKACE – PERIOSTÁLNÍ MANŽETA CHONDROGENNÍ OSIFIKACE – RŮSTOVÁ PLOTÉNKA Růstový hormon CHONDROGENNÍ OSIFIKACE – RŮSTOVÁ PLOTÉNKA https://doi.org/10.1159/000088791 CHONDROGENNÍ OSIFIKACE – RŮSTOVÁ PLOTÉNKA CHONDROGENNÍ OSIFIKACE – RŮSTOVÁ PLOTÉNKA CHONDROGENNÍ OSIFIKACE – RŮSTOVÁ PLOTÉNKA CHONDROGENNÍ OSIFIKACE – RŮSTOVÁ PLOTÉNKA CHONDROGENNÍ OSIFIKACE – RŮSTOVÁ PLOTÉNKA • Rezervní zóna • Zóna proliferace • Zóna hypertrofické chrupavky • Zóna kalcifikace (světle fialová) • Linie eroze • Zóna osifikace (tmavě fialová) Osifikace v růstové ploténce je trojrozměrný fenomén KOSTNÍ VĚK • vztah mezi biologickým věkem jedince a stupněm osifikace jeho kostí • osifikační jádra, rozsah osifikace, šířka epifyzárních štěrbin • pediatrie (endokrinologie, výživa, metabolické poruchy) • sportovní lékařství • forenzní lékařství • Remodelace primární nebo stávající sekundární kosti http://ns.umich.edu/Releases/2005/Feb05/img/bone.jpg OSIFIKACE SEKUNDÁRNÍ KOSTI – REMODELACE OSIFIKACE SEKUNDÁRNÍ KOSTI – REMODELACE Reaktivní fáze • Hematom, zánětlivá reakce • Granulační tkáň Reparační fáze • Vazivový/chrupavčitý svalek • Depozice primární kosti Remodelační fáze • Remodelace kostní tkáně HOJENÍ ZLOMENIN • OSTEOPORÓZA • OSTEOPETRÓZA • REVMATOIDNÍ ARTHRITIDA NEROVNOVÁHA MEZI OSTEOSYNTÉZOU A OSTEORESORPCÍ • PAGETOVA CHOROBA NEROVNOVÁHA MEZI OSTEOSYNTÉZOU A OSTEORESORPCÍ Valerij Poljakov 1994-1995 438 dní nepřetržitě ve vesmíru ? Synartrózy - Spojení vloženou tkání (chrupavka, kost nebo vazivo) - Synostózy – spojení kostní tkání – os coxae, os sacrum - Synchondrózy – spojení hyalinní chrupavkou – vývojové stádium osifikace synostóz - Symfýza – spojení vazivovou chrupavkou – os pubis, meziobratlové ploténky - Syndesmózy – husté kolagenní uspořádané vazivo – sutury lebky, spojení zubu a kostního lůžka (gomphosis) Diartrózy - Kloubní spojení - Hyalinní chrupavka bez perichondria - Architektura chrupavky – uspořádání vláken i chondrocytů - Kalcifikace chrupavky v oblasti připojení ke kosti - Kloubní pouzdro - Stratum fibrosum - Stratum synoviale - Meniskus – vazivová chrupavka, avaskulární, bez inervace - Kloubní vazy – husté kolagenní uspořádané vazivo, elastická vlákna - Šlachové pochvy a tíhové váčky – stavba kloubního pouzdra KOSTROVÉ SPOJE KLOUB Kloubní dutina Synoviocyty SYNOVIUM MEZIOBRATLOVÁ SPOJENÍ SHRNUTÍ VLÁKNITÁ (primární) LAMELÁRNÍ (sekundární) • Slabě mineralizovaná • Buňky a kolagenní vlákna náhodně uspořádané • Paralelní lamely s pravidelně uspořádanými buňkami • Silně mineralizovaná SPONGIÓZNÍ KOMPAKTNÍ • Propojené trámce • Kryté endostem • 20% • Paralelní lamely s osteony • Intersticiální lamely • 80% • Rostoucí kost • Tvrdý kalus • Vnitřní struktura kostí, dřeňová dutina • Kompaktní povrchová vrstva pod periostem http://www.histology.med.muni.cz DOPORUČENÁ LITERATURA Děkuji za pozornost