Informatie

9.7: Botvorming en -ontwikkeling - Biologie


leerdoelen

  • Leg de functie van kraakbeen uit
  • Noem de stappen van intramembraneuze ossificatie
  • Noem de stappen van endochondrale ossificatie
  • Verklaar de groeiactiviteit op de epifysaire plaat
  • Vergelijk en contrasteer de processen van modellering en hermodellering

In de vroege stadia van de embryonale ontwikkeling bestaat het skelet van het embryo uit fibreuze membranen en hyalien kraakbeen. Tegen de zesde of zevende week van het embryonale leven begint het eigenlijke proces van botontwikkeling, ossificatie (osteogenese), begint. Er zijn twee osteogene routes - intramembraneuze ossificatie en endochondrale ossificatie - maar bot is hetzelfde, ongeacht de route die het produceert.

Kraakbeensjablonen

Bot is een vervangend weefsel; dat wil zeggen, het gebruikt een modelweefsel om zijn minerale matrix op te leggen. Voor de ontwikkeling van het skelet is het meest voorkomende sjabloon kraakbeen. Tijdens de ontwikkeling van de foetus wordt een raamwerk vastgelegd dat bepaalt waar botten zullen worden gevormd. Dit raamwerk is een flexibele, halfvaste matrix geproduceerd door chondroblasten en bestaat uit hyaluronzuur, chondroïtinesulfaat, collageenvezels en water. Omdat de matrix chondroblasten omringt en isoleert, worden ze chondrocyten genoemd. In tegenstelling tot de meeste bindweefsels, is kraakbeen avasculair, wat betekent dat het geen bloedvaten heeft die voedingsstoffen leveren en metabolische afvalstoffen verwijderen. Al deze functies worden uitgevoerd door diffusie door de matrix. Dit is de reden waarom beschadigd kraakbeen zichzelf niet zo gemakkelijk herstelt als de meeste weefsels.

Tijdens de ontwikkeling van de foetus en in de groei en ontwikkeling van de kindertijd vormt zich bot op de kraakbeenmatrix. Tegen de tijd dat een foetus wordt geboren, is het meeste kraakbeen vervangen door bot. Een deel van het extra kraakbeen zal tijdens de kindertijd worden vervangen en een deel van het kraakbeen blijft in het volwassen skelet.

Intramembraneuze ossificatie

Gedurende intramembraneuze ossificatie, compact en sponsachtig bot ontwikkelt zich direct uit vellen mesenchymaal (ongedifferentieerd) bindweefsel. De platte botten van het gezicht, de meeste schedelbeenderen en de sleutelbeenderen (sleutelbeenderen) worden gevormd via intramembraneuze ossificatie.

Het proces begint wanneer mesenchymale cellen in het embryonale skelet samenkomen en beginnen te differentiëren tot gespecialiseerde cellen (Figuur 1a). Sommige van deze cellen zullen differentiëren tot haarvaten, terwijl andere osteogene cellen en vervolgens osteoblasten zullen worden. Hoewel ze uiteindelijk zullen worden verspreid door de vorming van botweefsel, verschijnen vroege osteoblasten in een cluster genaamd an ossificatiecentrum.

De osteoblasten scheiden osteoid, onverkalkte matrix, die binnen een paar dagen verkalkt (verhardt) als minerale zouten erop worden afgezet, waardoor de osteoblasten erin worden gevangen. Eenmaal gevangen, worden de osteoblasten osteocyten (Figuur 1b). Als osteoblasten veranderen in osteocyten, differentiëren osteogene cellen in het omliggende bindweefsel zich tot nieuwe osteoblasten.

Osteoïde (niet-gemineraliseerde botmatrix) uitgescheiden rond de haarvaten resulteert in een trabeculaire matrix, terwijl osteoblasten op het oppervlak van het sponsachtige bot het periosteum worden (Figuur 1c). Het periosteum creëert dan een beschermende laag compact bot, oppervlakkig aan het trabeculaire bot. Het trabeculaire bot verdringt nabijgelegen bloedvaten, die uiteindelijk condenseren tot rood merg (Figuur 1d).

Intramembraneuze ossificatie begint in de baarmoeder tijdens de ontwikkeling van de foetus en gaat door tot in de adolescentie. Bij de geboorte zijn de schedel en sleutelbeenderen niet volledig verbeend en zijn de hechtingen van de schedel niet gesloten. Hierdoor kunnen de schedel en schouders vervormen tijdens de passage door het geboortekanaal. De laatste botten die via intramembraneuze ossificatie verstarren, zijn de platte botten van het gezicht, die hun volwassen grootte bereiken aan het einde van de groeispurt van de adolescent.

Endochondrale ossificatie

In endochondrale ossificatie, bot ontwikkelt zich door vervangen hyalien kraakbeen. Kraakbeen wordt geen bot. In plaats daarvan dient kraakbeen als een sjabloon om volledig te worden vervangen door nieuw bot. Endochondrale ossificatie duurt veel langer dan intramembraneuze ossificatie. Botten aan de basis van de schedel en lange botten vormen via endochondrale ossificatie.

In een lang bot, bijvoorbeeld, ongeveer 6 tot 8 weken na de conceptie, differentiëren sommige van de mesenchymale cellen in chondrocyten (kraakbeencellen) die de kraakbeenachtige skeletvoorloper van de botten vormen (Figuur 2a). Kort daarna, de perichondrium, een membraan dat het kraakbeen bedekt, wordt weergegeven in figuur 2b).

Naarmate er meer matrix wordt geproduceerd, worden de chondrocyten in het midden van het kraakbeenmodel groter. Doordat de matrix verkalkt, kunnen voedingsstoffen de chondrocyten niet meer bereiken. Dit resulteert in hun dood en de desintegratie van het omringende kraakbeen. Bloedvaten dringen de resulterende ruimtes binnen, niet alleen vergroten ze de holtes, maar dragen ze ook osteogene cellen met zich mee, waarvan er vele osteoblasten zullen worden. Deze vergrotende ruimtes worden uiteindelijk de medullaire holte.

Naarmate het kraakbeen groeit, dringen haarvaten het binnen. Deze penetratie initieert de transformatie van het perichondrium in het botproducerende periosteum. Hier vormen de osteoblasten een periostale kraag van compact bot rond het kraakbeen van de diafyse. Tegen de tweede of derde maand van het leven van de foetus neemt de ontwikkeling en ossificatie van botcellen toe en ontstaat de primair ossificatiecentrum, een gebied diep in de periostale kraag waar ossificatie begint (Figuur 2c).

Terwijl deze diepe veranderingen plaatsvinden, blijven chondrocyten en kraakbeen groeien aan de uiteinden van het bot (de toekomstige epifysen), wat de lengte van het bot vergroot en tegelijkertijd bot het kraakbeen in de diafysen vervangt. Tegen de tijd dat het foetale skelet volledig is gevormd, blijft kraakbeen alleen op het gewrichtsoppervlak achter als gewrichtskraakbeen en tussen de diafyse en epifyse als de epifysaire plaat, waarvan de laatste verantwoordelijk is voor de longitudinale groei van botten. Na de geboorte vindt dezelfde opeenvolging van gebeurtenissen (matrixmineralisatie, dood van chondrocyten, invasie van bloedvaten vanuit het periosteum en zaaien met osteogene cellen die osteoblasten worden) plaats in de epifysaire gebieden, en elk van deze centra van activiteit wordt aangeduid als een secundair ossificatiecentrum (Figuur 2e).

Hoe botten in lengte groeien

De epifysaire plaat is het groeigebied in een lang bot. Het is een laag hyalien kraakbeen waar ossificatie optreedt in onrijpe botten. Aan de epifysaire zijde van de epifysaire plaat wordt kraakbeen gevormd. Aan de diafysaire zijde wordt het kraakbeen verbeend en groeit de diafyse in lengte. De epifysaire plaat bestaat uit vier zones van cellen en activiteit (Figuur 3). De reserve zone is het gebied dat zich het dichtst bij het epifysair uiteinde van de plaat bevindt en bevat kleine chondrocyten in de matrix. Deze chondrocyten nemen niet deel aan botgroei, maar bevestigen de epifysaire plaat aan het botweefsel van de epifyse.

De proliferatieve zone is de volgende laag naar de diafyse en bevat stapels van iets grotere chondrocyten. Het maakt nieuwe chondrocyten (via mitose) ter vervanging van de chondrocyten die afsterven aan het diafysaire uiteinde van de plaat. Chondrocyten in de volgende laag, de zone van rijping en hypertrofie, zijn ouder en groter dan die in de proliferatieve zone. De meer volwassen cellen bevinden zich dichter bij het diafysaire uiteinde van de plaat. De longitudinale groei van bot is het resultaat van celdeling in de proliferatieve zone en de rijping van cellen in de zone van rijping en hypertrofie.

De meeste chondrocyten in de zone van verkalkte matrix, de zone die het dichtst bij de diafyse ligt, is dood omdat de matrix eromheen is verkalkt. Haarvaten en osteoblasten van de diafyse dringen deze zone binnen en de osteoblasten scheiden botweefsel af op het resterende verkalkte kraakbeen. Zo verbindt de zone van verkalkte matrix de epifysaire plaat met de diafyse. Een bot groeit in lengte wanneer botweefsel aan de diafyse wordt toegevoegd.

Botten blijven in lengte groeien tot de vroege volwassenheid. De groeisnelheid wordt gecontroleerd door hormonen, die later zullen worden besproken. Wanneer de chondrocyten in de epifysaire plaat hun proliferatie staken en bot het kraakbeen vervangt, stopt de longitudinale groei. Het enige dat overblijft van de epifysaire plaat is de epifysaire lijn (Figuur 4).

Hoe botten in diameter groeien

Terwijl botten in lengte toenemen, nemen ze ook in diameter toe; groei in diameter kan doorgaan, zelfs nadat de groei in lengterichting is gestopt. Dit wordt appositionele groei genoemd. Osteoclasten resorberen oud bot dat de medullaire holte bekleedt, terwijl osteoblasten, via intramembraneuze ossificatie, nieuw botweefsel produceren onder het periosteum. De erosie van oud bot langs de medullaire holte en de afzetting van nieuw bot onder het periosteum vergroten niet alleen de diameter van de diafyse, maar ook de diameter van de medullaire holte. Dit proces heet modellering.

Botremodellering

Het proces waarbij matrix op het ene oppervlak van een bot wordt geresorbeerd en op een ander oppervlak wordt afgezet, staat bekend als botmodellering. Modellering vindt voornamelijk plaats tijdens de groei van een bot. In het volwassen leven ondergaat bot echter verbouwen, waarbij resorptie van oud of beschadigd bot plaatsvindt op hetzelfde oppervlak waar osteoblasten nieuw bot leggen om het geresorbeerde bot te vervangen. Verwonding, lichaamsbeweging en andere activiteiten leiden tot verbouwing. Die invloeden worden later in het hoofdstuk besproken, maar zelfs zonder letsel of inspanning wordt jaarlijks zo'n 5 tot 10 procent van het skelet geremodelleerd door gewoon oud bot te vernietigen en het te vernieuwen met vers bot.

Probeer het

Osteogenesis imperfecta (OI) is een genetische ziekte waarbij botten niet goed worden gevormd en daarom kwetsbaar zijn en gemakkelijk breken. Het wordt ook wel brozebottenziekte genoemd. De ziekte is aanwezig vanaf de geboorte en treft een persoon gedurende het hele leven.

De genetische mutatie die OI veroorzaakt, beïnvloedt de productie van collageen door het lichaam, een van de kritieke componenten van botmatrix. De ernst van de ziekte kan variëren van mild tot ernstig. Degenen met de meest ernstige vormen van de ziekte lopen veel meer fracturen op dan die met een milde vorm. Frequente en meervoudige fracturen leiden doorgaans tot botmisvormingen en een kleine gestalte. Het buigen van de lange botten en de kromming van de wervelkolom komen ook vaak voor bij mensen die lijden aan OI. De kromming van de wervelkolom maakt ademen moeilijk omdat de longen worden samengedrukt.

Omdat collageen zo'n belangrijk structureel eiwit is in veel delen van het lichaam, kunnen mensen met OI ook last krijgen van een fragiele huid, zwakke spieren, losse gewrichten, gemakkelijk blauwe plekken, frequente neusbloedingen, broze tanden, blauwe sclera en gehoorverlies. Er is geen remedie bekend voor OI. De behandeling richt zich op het helpen van de persoon om zoveel mogelijk onafhankelijkheid te behouden, terwijl fracturen worden geminimaliseerd en de mobiliteit wordt gemaximaliseerd. Daartoe worden veilige oefeningen aanbevolen, zoals zwemmen, waarbij het lichaam minder kans heeft op botsingen of drukkrachten. Indien nodig worden beugels gebruikt om benen, enkels, knieën en polsen te ondersteunen. Stokken, rollators of rolstoelen kunnen ook helpen om zwakke punten te compenseren.

Wanneer botten breken, worden afgietsels, spalken of wikkels gebruikt. In sommige gevallen kunnen metalen staven chirurgisch worden geïmplanteerd in de lange botten van de armen en benen. Er wordt momenteel onderzoek gedaan naar het gebruik van bisfosfonaten om OI te behandelen. Roken en overgewicht zijn vooral riskant bij mensen met OI, aangezien het bekend is dat roken de botten verzwakt en extra lichaamsgewicht de botten extra belast.