Кости
Живая ткань — прочность, обновление, запас кальция и кроветворение.
Что такое кость
Кость — это живая твёрдая ткань, из которой построен скелет. Она кажется неизменной и неживой, но на самом деле постоянно обновляется: старое костное вещество разрушается, новое — строится на его месте. Кость не просто твёрдый каркас — это орган со своим кровоснабжением, нервами, клетками и обменом веществ. Более того, кость активно участвует в работе организма: хранит минералы, производит клетки крови и быстро реагирует на нагрузку, становясь прочнее там, где это нужно.
Кости человека различаются по размеру — от крошечных слуховых косточек в среднем ухе (самая маленькая — стремечко, длиной около 3 мм) до бедренной кости, которая у взрослого может достигать 50 см и более. Но все они устроены по единому принципу: снаружи — плотная компактная оболочка, внутри — пористая губчатая структура, а в центре многих костей — полость с костным мозгом.
Из чего состоит кость
Кость — это композитный материал, то есть соединение веществ с разными свойствами. Она состоит из трёх компонентов:
- Минеральная часть (~65% массы) — кристаллы гидроксиапатита (соединения кальция и фосфора Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂). Они придают кости твёрдость и прочность на сжатие. Именно они делают кость твёрдой на ощупь и позволяют скелету держать вес тела.
- Органическая часть (~25%) — преимущественно белок коллаген I типа. Коллагеновые волокна образуют гибкий каркас, который не даёт кости растрескаться и разрушиться от удара. Без коллагена кость стала бы хрупкой, как мел.
- Вода (~10%) — заполняет микроскопические пространства между минералами и волокнами, обеспечивает обмен веществ и доставку питательных веществ к клеткам кости.
Соотношение минералов и коллагена меняется с возрастом. У детей коллагена больше — кости гибкие и редко ломаются «на излом», чаще сгибаются (такой перелом называют «по типу зелёной ветки»). У пожилых людей минералов относительно больше, коллагена меньше — кости становятся жёстче, но хрупче.
Два типа костной ткани
Внутри каждой кости различают два типа костной ткани, которые различаются по плотности и расположению.
Компактная костная ткань (кортикальная) — плотная и твёрдая, образует наружную оболочку всех костей. Она выглядит как сплошная масса, но под микроскопом видно, что она пронизана тонкими каналами для сосудов и нервов. Компактная кость особенно толста там, где нужна прочность — в середине длинных костей конечностей (в диафизе — трубчатой части кости).
Губчатая костная ткань (трабекулярная, спонгиозная) — пористая, состоит из тонких костных перекладин (трабекул), между которыми находятся полости с костным мозгом. Трабекулы выстроены не случайно — они идут по линиям наибольшей нагрузки, работая как внутренние балки здания. Губчатая кость заполняет концы длинных костей и внутренность плоских и коротких костей.
Два типа ткани работают вместе: компактная оболочка защищает от внешних ударов и не даёт кости согнуться, а губчатая сердцевина распределяет нагрузку и смягчает толчки, оставаясь при этом лёгкой. Если бы кость была сплошной, она была бы слишком тяжёлой, и скелет весил бы в несколько раз больше.
Строение длинной кости
Чтобы понять устройство кости, удобнее всего рассмотреть длинную (трубчатую) кость — например, бедренную или плечевую. Она делится на несколько отделов:
- Диафиз (от греч. «расти между») — средняя длинная часть, «тело» кости. Состоит из толстой трубки компактной кости, внутри которой находится костномозговая полость с жёлтым костным мозгом (жировой тканью, которая может превратиться обратно в кроветворный мозг при большой кровопотере).
- Эпифизы (от греч. «расти на») — расширенные концы кости. Снаружи покрыты тонким слоем компактной кости, внутри заполнены губчатой тканью с красным костным мозгом — именно здесь у взрослого человека образуются клетки крови. На поверхности эпифиза, где кость образует сустав, лежит гладкий слой суставного хряща.
- Метафиз (от греч. «между» + «расти») — зона перехода между диафизом и эпифизом. У детей и подростков здесь находится эпифизарная пластинка (зона роста) — слой хряща, в котором кость растёт в длину. Когда рост завершается (обычно к 18–25 годам), хрящ замещается костью, и пластинка «закрывается».
Оболочки кости
Кость снаружи и изнутри покрыта тонкими, но важными оболочками.
- Надкостница (периост, от греч. «вокруг кости») — плотная соединительнотканная оболочка, покрывающая кость снаружи (кроме суставных поверхностей). В ней проходят кровеносные сосуды и нервы, входящие в кость, а её внутренний слой содержит клетки-строители кости. Именно надкостница обеспечивает рост кости в толщину и заживление переломов. Она богата нервными окончаниями — поэтому удар по кости (особенно по голени, где надкостница близко к коже) так болезнен.
- Эндост (от греч. «внутри кости») — тонкая оболочка, выстилающая костномозговую полость и каналы внутри компактной кости изнутри. Содержит клетки, которые разрушают старую кость и участвуют в её перестройке.
Клетки кости
Кость — живая ткань, и в ней работают три типа специализированных клеток. Они постоянно поддерживают, обновляют и перестраивают костное вещество.
Остеобласты (от греч. «кость» + «росток») — клетки-строители. Они синтезируют остеоид (органический матрикс кости — коллагеновый каркас), который затем минерализуется — в него откладываются кристаллы кальция. Остеобласты активны в зонах роста, при заживлении переломов и в ответ на физическую нагрузку. Когда их работа завершена, часть из них «замуровывается» внутри созданного ими костного вещества и превращается в остеоциты.
Остеоциты (от греч. «кость» + «клетка») — зрелые клетки кости, живущие внутри неё в крошечных полостях (лакунах). Каждый остеоцит выпускает тонкие отростки в мелкие канальцы, соединяясь с соседними остеоцитами и образуя сеть. Остеоциты чувствуют механическую нагрузку и подают сигналы остеобластам и остеокластам: где нужно укрепить кость, а где — убрать лишнее. Они — «датчики напряжения» в кости.
Остеокласты (от греч. «кость» + «ломать») — крупные многоядерные клетки-разрушители. Они выделяют кислоту и ферменты, растворяющие минералы и разрушающие коллаген, «прогрызая» старую или повреждённую кость. Остеокласты работают в паре с остеобластами: сначала остеокласт разрушает участок старой кости, затем остеобласт строит на его месте новую. Этот цикл называется ремоделированием кости.
Баланс между разрушением и строительством критически важен. Если остеокласты работают слишком активно, а остеобласты не успевают — кость теряет плотность (это происходит, например, при остеопорозе). Если, наоборот, кость строится избыточно, она может стать слишком плотной и хрупкой.
Кость постоянно обновляется
Кость не остаётся неизменной после того, как выросла. Она постоянно перестраивается (ремоделируется) — даже у взрослого человека. Каждый год обновляется примерно 10% всей костной массы скелета. Полное обновление занимает около 10 лет.
Зачем нужна перестройка:
- Ремонт микроповреждений. При нагрузке в кости возникают микротрещины. Остеокласты удаляют повреждённый участок, остеобласты заполняют его новой костью.
- Адаптация к нагрузке. Если нагрузка на кость растёт (например, при занятиях спортом), кость становится толще и плотнее в местах наибольшего напряжения. Если нагрузка исчезает (длительный постельный режим, невесомость) — кость «худеет», теряя ненужную массу.
- Регуляция кальция. Кость — главное хранилище кальция в организме. Когда уровень кальция в крови падает, остеокласты высвобождают его из кости. Когда кальция достаточно, остеобласты откладывают его обратно.
Кровоснабжение и иннервация кости
Кость пронизана сетью кровеносных сосудов и нервов.
Кровоснабжение обеспечивается несколькими источниками:
- Питающая артерия входит в кость через отверстие в диафизе и разветвляется внутри костномозговой полости, снабжая губчатую кость и костный мозг.
- Надкостничные сосуды входят через множество мелких отверстий и питают компактную кость снаружи.
- Эпифизарные артерии снабжают концы кости.
Благодаря кровоснабжению кость получает кислород и питательные вещества, отводит продукты обмена, доставляет гормоны, управляющие её ростом и перестройкой. При переломе нарушение кровоснабжения замедляет заживление.
Нервы в кости немногочисленны, но есть: больше всего их в надкостнице и вблизи суставов. Они передают болевые сигналы при травме, воспалении или перегрузке. Сама костная ткань почти не чувствительна — боль возникает при раздражении надкостницы или окружающих тканей.
Как кость заживает после перелома
Перелом — это разрыв непрерывности кости. Заживление перелома — сложный процесс, в котором участвуют все типы костных клеток, кровеносные сосуды и окружающие ткани. Он проходит в несколько стадий:
Сразу после перелома на месте повреждения скапливается кровь — образуется гематома (сгусток крови). Сосуды рвутся, клетки кости и надкостницы гибнут. Начинается воспаление — организм «зачищает» место травмы.
Через несколько дней клетки надкостницы начинают делиться и образуют мягкую костную мозоль — сначала из волокнистой соединительной ткани, затем из хряща. Она мягкая и непрочная, но временно соединяет обломки кости.
Через несколько недель остеобласты начинают замещать хрящ костной тканью. Образуется твёрдая костная мозоль — неровная костная масса вокруг места перелома. Кость снова становится твёрдой, но ещё избыточно толстой и неровной.
В течение нескольких месяцев (иногда лет) остеокласты «обтачивают» избыточную мозоль, остеобласты выравнивают поверхность, и кость возвращается к исходной форме и прочности. При правильном сопоставлении отломков место перелома может стать даже прочнее, чем было.
Скорость заживления зависит от многих факторов: возраста (у детей быстрее), типа кости, кровоснабжения, правильности сопоставления обломков, питания (особенно достаточности кальция, витамина D и белка) и общего состояния здоровья.
Что происходит при нарушениях
Кости подвержены как острым травмам, так и хроническим болезням, меняющим их структуру и прочность.
Остеопороз (от греч. «кость» + «пора») — снижение плотности и прочности кости. Разрушение идёт быстрее строительства, губчатая ткань становится всё более пористой, компактная — тонкой. Кость хрупкая, переломы возникают даже при небольшой нагрузке. Особенно часто встречается у женщин после менопаузы (из-за падения уровня эстрогенов) и у пожилых людей. Главные факторы защиты: физическая нагрузка, достаточное потребление кальция и витамина D.
Остеомаляция (у взрослых) и рахит (у детей) — размягчение костей из-за недостаточной минерализации. Чаще всего причина — дефицит витамина D, без которого кальций не усваивается. Кости становятся мягкими, гнутся под весом тела, могут деформироваться. У детей это проявляется искривлением ног, деформацией черепа и грудной клетки.
Остеомиелит — воспаление кости и костного мозга, обычно вызванное бактериальной инфекцией. Инфекция может попасть в кость через рану (при открытом переломе или операции) или через кровь из другого очага. Появляются сильная боль, отёк, лихорадка. Без лечения гной разрушает кость изнутри. Требует длительного лечения антибиотиками, иногда — хирургического удаления поражённого участка.
Опухоли кости бывают доброкачественными (например, остеома — медленно растущий костный нарост) и злокачественными (остеосаркома — агрессивная опухоль, разрушающая кость и дающая метастазы). Чаще встречаются метастазы в кость из других органов (например, из лёгкого, молочной железы, простаты). Проявляются болью, хрупкостью кости, патологическими переломами (переломами на месте, ослабленном опухолью).
Боль в костях, частые переломы, деформации, отёки и нарушения подвижности могут иметь самые разные причины. Точный диагноз ставится с помощью рентгена, анализов крови и других исследований. Эта статья объясняет строение и работу кости, но не заменяет консультацию врача.
Связи с другими системами
- Скелет: кости — строительные единицы скелета, соединённые между собой суставами и связками. Подробнее — в статьях Суставы и Связки и сухожилия.
- Мышцы: кости служат точками прикрепления для скелетных мышц и работают как рычаги, превращая мышечное сокращение в движение. Без прочных костей мышцы не могли бы двигать тело.
- Кровь и кроветворение: внутри губчатой кости находится красный костный мозг — орган, в котором образуются клетки крови. Подробнее — в статье Костный мозг.
- Эндокринная система: рост и обновление костей управляют гормоны — гормон роста, половые гормоны (эстрогены и тестостерон), паратгормон (регулирует уровень кальция), кальцитонин и витамин D (гормон, управляющий всасыванием кальция в кишечнике). Сбой любого из них отражается на прочности костей.
- Обмен веществ: кость — крупнейшее хранилище кальция (99% всего кальция тела) и фосфора в организме. Она постоянно обменивается ими с кровью, участвуя в поддержании гомеостаза — равновесия внутренней среды. Подробнее об обмене минералов — в разделе Вода и электролиты.
- Питание: прочность кости напрямую зависит от питания — особенно от достаточного поступления кальция, фосфора, витамина D, белка (для коллагена) и других микроэлементов (магний, цинк, медь, витамин K). Недостаток любого из них ослабляет кость.
Кость — это живая ткань, постоянно обновляющаяся и подстраивающаяся под нагрузку. Она состоит из минералов (дают твёрдость) и коллагена (дают упругость), содержит три типа клеток (строители, разрушители и датчики напряжения), пронизана сосудами и нервами. Кость не только держит тело и защищает органы — она хранит минералы, производит клетки крови и отвечает на физическую активность, становясь прочнее там, где это нужно. Понимание устройства кости — ключ к пониманию того, как сохранить скелет здоровым на всю жизнь.