Pohybová soustava p Osifikace p Vývoj kostí p Kostra p Svalovina http://www.landesbioscience.com Deriváty mezodermu Podpořeno grantem FRVŠ 524/2011 Vývoj kostí skeletondance http://bp2.blogger.com Schéma struktury kostí http://www.kulturistika.net/obecne-o-kostech Kloubní chr. The main portion of the bone is called the diaphysis. Compact bone is highly organized and composed of tubular units called osteons. Spongy bone has an unorganized appearance. It contains numerous thin plates separated by unequal spaces. Cartilage is not as strong as bone, but it is more flexible because the matrix gel-like and contains many collagenous and elastic fibers. Cartilage has no nerves and no blood vessels, making it harder to heal. Three types of cartilage: Hyaline cartilage covers the end of the long bone. Is firm and somewhat flexible. Fibro cartilage is stronger than hyaline cartilage because the matrix contains wide rows of thick, collagen fibers. Elastic cartilage is more flexible than hyaline cartilage because the matrix contains mostly elastin fibers. Fibrous connective tissue contains rows of cells called fibroblast separated by bundle of collagenous fibers. This tissue makes up ligaments that connect bone to bone and tendons that connect muscles to a bone at joints. http://www.technion.ac.il Typy kostí pVláknitá – i.u.v. (kolagenní fibrily) pLamelární – kompaktní p - spongiózní http://www.pc.ctc.edu http://education.vetmed.vt.edu osteoclasts Typy buněk v kostní tkáni (z krve) Osteoblasty– bazofilní, kubické, polarizované Osteocyty – silně bazofilní, osteoblasty zapouzdřené v lakunách Osteoklasty - velké buňky, vícejaderné, produkují hydrolytické enzymy - přestavba kosti, uvolnění Ca, P, monocytární linie In the trabecular portions of slide 16, you'll see plenty of osteoblasts. They're basophilic, more or less cuboidal in shaped, ranged in rows along the pieces of bone and the inner surface of the marrow spaces. They're close to the bone they're making, which is usually less densely stained than the cells. Osteoblasts are strongly basophilic because they're making proteins: collagen fibers, laid down in precise orientation; and also the proteoglycan matrix material. Osteoblasts are polarized cells; that is, they have an architecture in which different structures are located at each end, based on the cell's activity. They're usually polarized so that the nucleus is away from the bone they're working on. In this image you'll also note that some osteocytes have become partially or completely enclosed in lacunae: when this happens they complete their differentiation to enter the "maintenance mode" i.e., they become osteocytes. If later they are released from their imprisonment it's believed that they can return to being osteoblasts again. Thus the osteoblast and the osteocyte are really the same cell in two separate physiologic states. Osteocytes not only differentiate out of existing precursor cells in the marrow cavity, they arise by differentiation of stem cells in the bone's CT covering, the periosteum. This happens whenever the outside surface of the bone has to be re-shaped or modified. For example, as the bone elongates, the wall is thinned from within and built up from the periosteal surface, to keep it from becoming too thick. And of course as the fetus develops the bone not only elongates, it changes shape and develops various tubercles and projections on its surface (every one of which has a name and every one of which you have to learn in Gross Anatomy...) This is accomplished by appositional growth, just as cartilaginous structures are modified. Obviously, if the process of making new bone were not counteracted by the removal of some existing bone, the marrow cavity would diminish in size with time, and the numerous projections on the surface would not appear in the right places. Removal of existing bone is the job of the osteoclast, also seen on slides 16 and 17. The osteoclast is much larger than the osteoblasts, and is usually multinucleated. Look for these cells on the ends of spicules of the trabeculae, or in pockets they've created for themselves on the surface of a spicule. In the EM, osteoclasts have a conspicuous ruffled border (and thus enhanced surface area). The osteoclasts secrete hydrogen ions into the extracellular space to solubilize the mineralized matrix, and also produce hydrolytic enzymes (including collagenase) to deal with the fibrous components. In addition to its role in sculpting anatomic bones, resorption releases calcium and phosphorus from the mineralized matrix into the circulation for other purposes. Disease, dietary deficiencies, metabolic disorders, hormonal problems, or prolonged calcium deprivation result in increased release of calcium and increased porosity of the bone, rendering it susceptible to mechanical damage. In this image three big osteoclasts are sitting on a piece of bone in the center of the field Osteoclasts are multinucleated: one shown here has at least nine nuclei, which is not a very unusual situation. Some have fewer and some have more, depending on the requirements of the time and place where they're formed. The osteoclast does not originate from the fibroblast line. Recently the precursor cell of the osteoclast has been identified as a blood-borne element: radiolabeling has shown that osteoclasts, monocytes, and macrophages all have a common precursor cell. The precursor can "choose" which path it will take, and some "choose" to differentiate into osteoclasts. In the blood, these precursors structurally are seen as monocytes. Enzymatic staining can be be used to distinguish a subpopulation of monocytes with the enzyme complement characteristic of the osteoclasts. In the bone, the mon-nucleated cells complete their differentiation and combine to form the multinucleated, active osteoclast. Because it's formed by the aggregation of pre-existing single cells the osteoclast is a syncytium, a multinucleated protoplasmic mass derived by fusion of mononuclear precursors. obr 08 Detail obr 10 osteoblast osteoklast osteocyt osteoklast osteocyt Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc http://www.nature.com/nature/journal/v423/n6937/images/nature01659-f1.2.jpg Ploché kosti Osifikace Desmogenic Dlouhé kosti Typy osifikace Primární osifikace mezenchymový blastém chrupavčitý model perichondrální osifikace (dezmogenní) přímá endochondrální osifikace nepřímá vláknitá kost Sekundární osifikace vláknitá kost lamelární kost kompaktní kost spongiózní kost Chrupavka pChrupavka - buňky (chondrocyty) p - mezibuněčná hmota (GAG) p - amorfní p - vláknitá (kolagen) p pGAG – glykosaminoglykany – chondroitinsulfát, p keratansulfát p heparansulfát kys. hyaluronová obr 01 Dezmogenní (intramembránová) osifikace mitózy mezenchymálních buněk mezenchymový blastém (zahuštěná, bohatě vaskularizovaná mezenchymální ploténka zdroj buněčných elementů) diferenciace osteoblastů osteoid = organická kostní matrix (kolagenní fibrily, proteoglykany) osifikační centra Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc kalcifikace osteoidu přeměna osteoblastů v osteocyty permanentní přeměna mezenchymálních buněk v osteoblasty na periferii osifikačních center produkce osteoidu obr 01 zvětšování osifikačních center Dezmogenní osifikace Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc osifikační centra - vzhled trámců obr 01 vzájemné propojení trámců Dezmogenní osifikace Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc http://www.bioimagingllc.com/images/28%20Intramembranous%28IM%29%20Ossification%20%20Mesenchyme%20% 20Fetal%20Skull%20100X.jpg Desmogenní/intramembránová osifikace Mezenchymální b. Intramembranous ossification occurs in flat bones, such as most skull bones, the mandible, and clavicles. Intramembranous osteogenesis or ossification begins when mesenchymal cells produce fibrous connective tissue membranes, which serve as a supporting framework for mineralization activities performed by osteoblasts. In the image, mesenchymal cells (Mcc) are migrating in the medullary cavity of spongy bone of the fetal skull to a region of active ossification. Mesenchymal cells give rise to bone-forming osteoblasts, which can be seen along the boundary of the matrix. Lacunae with osteocytes are present in the matrix. gh04_18 gh04_19 Endochondrální osifikace Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc obr 03 1) Vznik manžetové kosti 7. týden IUV přímá perichondrální dezmogenní osifikace vazivového perichondria postupný růst k oběma epifýzám následné změny v centru chrupavky obklopené manžetovou kostí Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc mitózy mezenchymálních buněk mezenchymový blastém Chrupavčitý základ kosti + obr 04 2) Vznik primárního osifikačního centra omezení difúze substrátů do chrupavky hypertrofie chondrocytů (hromadění zásobních látek-glykogen) komprese a kalcifikace mezibuněčné hmoty degenerace chondrocytů primární osifikační centrum Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc obr 05 3) Růst cévního pupene do primárního osifikačního centra cévy doprovázené nediferencovanými mezenchymálními buňkami (zdroj buněčných elementů) diferenciace chondroklastů eliminace odumřelých chondrocytů směrové trámce zbytky zvápenatělé mezibuněčné matrix Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc obr 06 4) Vznik novotovřené kosti diferenciace osteoblastů nasedání osteoblastů na směrové trámce produkce osteoidu na povrchu trámců (ztluštění trámců) kalcifikace osteoidu přeměna osteoblastů v osteocyty Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc obr 06 5) Vytvoření primární dřeňové dutiny diferenciace osteoklastů resorpce novotvořené kosti primární dřeňová dutina Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc obr 07 6) Postupné rozšíření dřeňové dutiny dosažení hranice mezi diafýzou a epifýzou stočení a prorůstání cév k epifýzám longitudinální růst primárního osifikačního centra Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc 2 2 Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc obr 07 7) Vznik sekundárních osifikačních center Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc obr 09 8) Růstová chrupavka mitotická aktivita chondrocytů hypertrofie a degenerace chondrocytů redukce a kalcifikace mezibuněčné matrix eliminace odumřelých chondrocytů (chondroklasty) vznik směrových trámců produkce osteoidu (osteoblasty) kalcifikace osteoidu přeměna osteoblastů v osteocyty resorpce novotvořené kosti (osteoklasty) 9) Rozvoj sekundárních osifikačních center radiální růst sekundárních osifikačních center Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc 1) Zóna hyalinní chrupavky 2) Zóna rostoucí chrupavky 3) Zóna hypertrofické chrupavky 4) Zóna kalcifikované chrupavky 5) Linie eroze 6) Zóna osteoidní 7) Zóna osiformní 8) Zóna resorpce gh04_20t gh04_20b 1 2 3 4 5 6) osteoblast Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc obr 11 10) Uzávěr epifýz 20. rok ukončení růstu dlouhé kosti ukončení proliferace (zánik) chrupavky růstové ploténky náhrada kostní tkání Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc obr 03 Růst kosti do šířky Růst kosti do délky obr 09 epifyzární růstové ploténky ztlušťování manžetové kosti apozicí kostní tkáně vzniklé perichondrální osifikací Erdosová, Lichnovská, LF UP Olomouc Obnova kostí http://www.britannica.com/EBchecked/topic/72869/bone/41886/Remodeling-growth-and-development http://editthis.info/corposcindosis/Changes_to_Individual_Effectors,_part_3 Každý rok se obnoví 25 % trámčitých kostí 3 % kompaktních kostí Tvar kostí a jejich uspořádání reaguje na jejich zatížení Bones can grow throughout a lifetime because they are able to respond to stress by changing size, shape, and strength. Bones are composed of living tissues Cells involved in growth, remodeling, and repair of the bone are: Osteblasts-are bone-forming cells. They secrete the organic matrix of bone and promote the deposition of calcium salts into the matrix. Osteocytes-are mature bone cells derived from osteoblasts. They maintain structure of bone. Osteoclasts-are bone-absorbing cells. They break down bone and assist in depositing calcium and phosphate in the blood. Bone Development and Growth Ossification refers to the formation of bone. Intramembranous ossification: bones develop between sheets of fibrous connective tissue. Endochondral ossification: cartilaginous models of the bones are replaced by calcified bone matrix. Bone growth is affected by vitamin D, growth hormone, and sex hormones. Bone Remodeling and Its Role in Homeostasis Bone remodeling is the renewal of bone. Osteoclasts break down bone and osteoblasts re-form bone. Some bone is recycled each year. Bone recycling allows the body to regulate blood calcium. Bone remodeling also accounts for why bones can respond to stress. Bone Repair Repair of a fracture required four steps: Hematoma formation Fibrocartilginous callus Bony callus http://classes.midlandstech.com/bio112/figure7.5endochondral%2520ossification.jpg http://www.e-radiography.net Osifikační centra Primární Sekundární Larsen Human embryology 2001 Role Wnt Day, The Journal of Bone & Joint Surgery. 2008; 90:19-24 http://www.embryo.chronolab.com/mesoderm.htm 1. Neurální rýha 2. Notochord 3. Somit 4. Ventrální část somitu 5. Ectoderm 6. Intermediální mezoderm 7. Entoderm 8. Somatopleura 1. Myotom 2. Dermatom 3. Sclerotom 4. Ektoderm 5. Entoderm 6. Neurální trubice 7. Dorsální aorta 8. Notochord Diferenciace somitů 4 týdny 3 týdny Základ končetin (laterální ploténky mezodermu) J. Streicher and G. Müller http://www.ncbi.nlm.nih.gov Myf5 – buňky z myotomu putují do Končetinového pupene – 3D http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=dbio&part=A3928 Limb bud formation. (A) Proliferation of mesodermal cells from the somatic region of the lateral plate mesoderm causes the limb bud in the amphibian embryo to bulge outward. These cells generate the skeletal elements of the limb. Contributions of cells from the myotome provide the source of the limb's musculature. (B) Entry of myotome cells (purple) into the limb bud. This computer reconstruction was made from sections from an in situ hybridization to the myf5 mRNA found in developing muscle cells. If you can cross your eyes, the three-dimensionality of the stereogram will become apparent. (B courtesy of J. Streicher and G. Müller.) Původ buněk končetin http://www.utm.utoronto.ca/ http://www.cmrb.eu/media/upload/imatges/ centre-investigacio/linies_treball/6_1_limb.jpg AER… apical ectodermal ridge (hřeben) Signální dráhy p En-1 exprese zabraňuje vyvinutí dorsálního charakteru (Wnt 7a) ve ventrální polovině p p na rozhraní buněk,které produkují a neprodukují r-fng se vyvíjí AER (FGF) p p Shh je specifické pro zónu polarizační aktivity http://www.evol.nw.ru/ AER Upper Scheme: Mechanisms of D/V Patterning and AER Positioning (A) Gene expression along the limb bud D/V axis. The member of Wnt family Wnt-7a and Radical fringe (r-Fng), which encode secreted factors, are expressed in the dorsal ectoderm. The homeodomain-containing factors encoded by Lmx-1 and Engrailed-1 (En-1) localize to the dorsal mesoderm and ventral ectoderm, respectively. (B) Genetic interactions involved in AER formation and specification of dorsal pattern. En-1 expression in the ventral ectoderm restricts the expression of r-Fng and Wnt-7a to the dorsal ectoderm. Interaction between r-Fng-expressing and r-Fng-nonexpressing cells leads to the specification of the AER. Wnt-7a instructs the dorsal mesoderm to adopt dorsal characteristics, such as Lmx-1 expression, which in turn specifies dorsal pattern. En-1 has a dual function in AER positioning and dorsal specification and hence acts to coordinate the two processes. Lower Scheme: Three Axes and Three Signals: Shh, FGFs, and Wnt-7a Orchestrate Limb Pattern (C) Schematic of a limb bud viewed from the posterior-dorsal aspect showing the localization of Shh to the ZPA, FGFs to the AER, and Wnt-7a to the dorsal ectoderm. (D) Codependence of Shh, FGF, and Wnt-7a signaling and axial patterning. While each secreted factor can be associated with patterning along a single axis, affecting the expression of any single factor will lead to modulation of the other two. For example, reduction of Wnt-7a signaling will lead directly to dorsal patterning defects, but indirectly to posterior defects through a diminution of Shh signaling, and to proliferation defects via a subsequent effect on FGF expression. Primary Signalling Molecules Role FGF v prodlužování pupene http://www.utm.utoronto.ca/ Fibroblast Growth Factor (FGF): a family of factors FGF is linked to the initiation of bud formation, maintaining bud outgrowth, and the induction of a regeneration FGFs are secreted primarily by AER Tyrosine kinase FGF receptor is expressed on the surface mesenchyme cells Back to outline Events of Signal Transduction & Limb Formation FGF Released by AER binds to FGF Receptor (a receptor tyosine kinase or RTK) & activates It RTK then phosphorylates critical proteins This causes the mesenchyme cells to release retinoic acid (RA) RA induces Hox Gene Expression in target cells Role Hox genů Larsen Human embryology 2001 Časová osa Vývoj axiálního skeletu http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26863/ Vytváření somitů p Fgf8 (mezenchym) nWnt3a vs. Axin nWnt3a - Notch - n Hairy1 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26863/figure/A3943/?report=objectonly Oscilace exprese c-hairy-1 kuře http://www.embryo.chronolab.com/mesoderm.htm 1. Neurální rýha 2. Notochord 3. Somit 4. Ventrální část somitu 5. Ectoderm 6. Intermediální mezoderm 7. Entoderm 8. Somatopleura 1. Myotom 2. Dermatom 3. Sclerotom 4. Ektoderm 5. Entoderm 6. Neurální trubice 7. Dorsální aorta 8. Notochord Diferenciace somitů 4 týdny 3 týdny Přeřazení sklerotomů a myotomů Myotom/svalovina Chorda Kraniální část sklerotomu Kaudální část sklerotomu s kondenzovaným mezenchymem 3 týdny 4-5 týdnů po narození Inervace myotomu Larsen Human embryology 2001 Cranial segment Vývoj obratlů Osifikační centrum Z. Vacek Embryologie 2006 http://www.embryo.chronolab.com/cardiac.htm chorda Svalovina Struktura a funkce svaloviny Svalovina - skeletální - - - srdeční - hladká F10_01 06_05a 06_06 F10_08 Podélný řez Příčný řez. Morfologická jednotka: Syncytium – soubuní – vlákno dlouhé až 30 cm - zploštělá jádra pod plazmatickou membránou (sarkolema) Kosterní svalovina 06_21a 06_21b Jednotlivé buňky ale stahují se synchronně (funkční soubuní) Morfologická jednotka Kardiomyocyt - prodloužený, větvící se - oválná jádra uložená centrálně Srdeční svalovina Present also in pulmonary veins where they join tle heart. C 06_14a 06_16 06_14b Morfologická jednotka Buňka hladké svaloviny - vřetenovitá buňka bez žíhání velká 1–500 µm - každá b. je obklopena bazální membránou a retikulárními vlákny - podlouhlé jádro lokalizované centrálně Hladká svalovina Bundles of filaments crisscross obliquely through the cell (latticelike network) Kosterní svalovina – neschopná mitotické aktivity. Regenerace je dosažena prostřednictvím satelitních nediferencovaných buněk Srdeční svalovina – neschopná regenerace. Za opravu poškozeného svalu zodpovídají fibroblasty – jizva (ischemické poškození – infarkt m.) Hladká svalovina – zachována mitotická aktivita Regenerace svaloviny 10 Kosterní svalovina Somity diferencují do sklerotomu dermatomu a dvou oblastí, ve kterých se formuje svalovina (myoblasty) 1.Blízko neurální trubice - mezižeberní svaly, hluboké zádové svaly (epaxiální) 2. Dále od neurální trubice - svaly tělního korpusu, končetin, jazyka (hypaxiální) Většina buněk v centru myotomu rychle proliferuje a diferencuje Část jich zůstává nediferencovaná (satelitní buňky – obnova) 11 DM,DL-dorsomedial, dorsolateral Srdeční svalovina Derivována ze splanchnopleury (obklopí primitivní srdeční trubici lemovanou endotelem) Myoblasty nefúzují, ale velmi pevně se spoji interkalárními disky Hladká svalovina Derivována ze splanchnopleury Tvoří svalovinu střeva, průdušnice, průdušek, měchýřů a urogenitálu Výjimka!!! Svěrače, dilatátor zornice a myoepiteliální buňky v prsní a potní žláze jsou ektodermálního původu Aktivace myogeneze pShh – produkován notochordem – vliv na ventrální část Sm (indukce sklerotomu a střední část dermomyotomu p pWnt1– produkován neurální trubicí – vliv na dorzomediální část Sm (indukce exprese Myf5 – zádové svaly) p pWnt7a – produkován dorzálním ektodermem – vliv na dorzolaterální část Sm (indukce svalů tělního korpusu, končetin) p pBMP4 – produkován laterálním mezodermem – blokuje aktivaci MyoD a časnou diferenciaci laterálních domén Sm. Jeho aktivita je později inhibována Nogginem z neurální trubice. Dorzální ektoderm Laterální mezoderm Neurální trubice Notochord simplified scheme of signaling molecules in newly formed epithelial somite. Shh (ochre dots), produced by notochord (Nc) and floor plate, acts on the ventral domain of newly formed epithelial somites, inducing sclerotome, and also on the dorso-medial domain, inducing medial dermomyotome. Wnt1 (red dots), produced by dorsal neural tube (NT), acts (with Shh) on the dorso-medial domain of newly formed somites (Sm), where Myf5 expression is observed soon after and epaxial progenitors are specified. Wnt7a (blue dots), produced by dorsal ectoderm (DE), acts on the dorso-lateral domain, where hypaxial progenitors are specified. BMP4 (brown polygons), produced by lateral mesoderm (LM), prevents MyoD activation and early differentiation in the lateral domain of somites. Its action is counteracted by direct binding of Noggin (green triangles) produced by dorsal neural tube. Signální dráhy ovlivňující diferenciaci somitů pChorda a ventrální část medulární trubice – Shh – diferenciace sklerotomu (produkce Pax1 – řídí chondrifikaci a osifikaci) pDorzální část medulární trubice - Pax3 (Wnt) – diferenciace dermomyotomu p p p- Myf5 – zádové svaly p (z dorzolaterální části myotomu) p p - BMP4 - inhibiční efekt x Wnt z pepidermis = Myo D (svaly korpusu a pkončetin p p- NT3 – dermatom se diferencuje p v dermis p p p 12