ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΟΜΕΑΣ ΑΝΑΤΟΜΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΑΘΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΤΟΜΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΙΣΤΟΛΟΓΙΑΣ-ΕΜΒΡΥΟΛΟΓΙΑΣ-ΑΝΘΡΩΠΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΕΥΘΥΝΤΗΣ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ ΜΑΝΘΟΣ ΠΑΝΕΠ. ΕΤΟΣ 2008-2009 Αριθμ. 1897 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑΣ ΤΩΝ ΣΚΕΛΕΤΙΚΩΝ ΑΝΩΜΑΛΙΩΝ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ ΚΑΙ ΤΟΥ ΠΙΘΑΝΟΥ ΡΟΛΟΥ ΤΩΝ ΑΥΞΗΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ (BMPs) ΣΕ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΖΩΑ, ΜΕΤΑ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΕΡΑΤΟΓΟΝΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ. ΠΟΛΥΚΑΡΠΟΥ Β. ΦΛΕΓΚΑ ΟΡΘΟΠΑΙΔΙΚΟΥ ΧΕΙΡΟΥΡΓΟΥ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΥΠΟΒΛΗΘΗΚΕ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΟΥ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟΥ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2008 1
Η ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΣΥΜΒΟΥΛΕΥΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΕΛΠΙΔΑ-ΝΙΚΗ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ-ΝΙΚΟΛΟΥΣΗ ΑΝΑΠΛ. ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΠΡΟΔΡΟΜΟΣ ΧΥΤΙΡΟΓΛΟΥ ΑΝΑΠΛ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΠΑΠΑΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Η ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΕΛΠΙΔΑ-ΝΙΚΗ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ-ΝΙΚΟΛΟΥΣΗ ΑΝΑΠΛ. ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΠΡΟΔΡΟΜΟΣ ΧΥΤΙΡΟΓΛΟΥ ΑΝΑΠΛ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΠΑΠΑΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΛΟΥΙΖΑ ΑΝΔΡΙΟΠΟΥΛΟΥ-ΟΙΚΟΝΟΜΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΠΕΤΑΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΑ ΑΛΒΑΝΟΥ-ΑΧΠΑΡΑΚΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΠΡΟΚΟΠΙΟΣ ΤΣΙΚΑΡΑΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ «Ή έγκρισης της Διδακτορικής Διατριβής υπό της Ιατρικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλοί αποδοχήν των γνωμών του συγγραφέως». (Νόμος 5343/32, αρθρ. 202 2 και ν. 1268/82, αρθρ. 50 8) 2
Στους αγαπημένους μου γονείς Βασίλειο και Ευφροσύνη και στον αλησμόνητο αδελφό μου Νικόλαο. 3
4
ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΡΟΕΔΡΟΣ ΤΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Β. ΝΤΟΜΠΡΟΣ 5
6
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 11 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ.. 17 1. ΕΜΒΡΥΟΛΟΓΙKOI MHXANΙΣΜΟΙ ΤΗΣ ΔΙΑΠΛΑΣΗΣ ΤΟΥ ΜΥΟΣΚΕΛΕΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ. 19 Α.ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΚΑΙ ΕΜΒΡΥΟΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΜΥΟΣΚΕΛΕΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ.. 19 Β. ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΤΗ ΔΙΑΠΛΑΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ... 22 2.ΙΣΤΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΤΩΝ ΟΣΤΩΝ 33 Α. ΟΣΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΑ ΟΥΣΙΑ. 33 Β. ΚΥΤΤΑΡΑ ΤΟΥ ΟΣΤΙΤΗ ΙΣΤΟΥ. 35 3.ΔΙΑΠΛΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΟΥ ΣΚΕΛΕΤΟΥ.. 37 4. ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΤΜΗΜΑΤΩΝ ΤΩΝ ΜΑΚΡΩΝ ΟΣΤΩΝ. 5. ΣΥΓΓΕΝΕΙΣ ΑΝΩΜΑΛΙΕΣ ΤΟΥ ΜΥΟΣΚΕΛΕΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ... 41 46 Α.ΔΙΑΠΛΑΣΗ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ ΕΜΒΡΥΟΛΟΓΙΑ.. 46 Β. ΣΥΓΓΕΝΕΙΣ ΑΝΩΜΑΛΙΕΣ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ. 48 Γ. ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΩΝ ΤΩΝ ΣΥΓΓΕΝΩΝ ΑΝΩΜΑΛΙΩΝ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ... 50 Δ. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΣΥΓΓΕΝΩΝ ΑΝΩΜΑΛΙΩΝ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ 51 6. ΜΟΡΦΟΓΕΝΕΤΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ ΤΩΝ ΟΣΤΩΝ (BMPs)... 63 7
Α. ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΟΡΦΟΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΤΩΝ ΟΣΤΩΝ (BMPs).. 63 Β. ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΜΟΡΦΟΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΤΩΝ ΟΣΤΩΝ (BMPS) ΩΣ ΑΥΞΗΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΣΤΑ ΟΣΤΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ. 67 Γ. ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΤΩΝ BMPs ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΟΥΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥΣ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥΣ ΚΑΙ ΣΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΤΩΝ ΟΣΤΩΝ.. 68 Δ. ΜΕΤΑΛΛΑΞΕΙΣ ΤΩΝ ΓΟΝΙΔΙΩΝ ΤΩΝ BMPs ΚΑΙ ΤΩΝ ΥΠΟΔΟΧΕΩΝ ΤΟΥΣ ΣΤΟΥΣ ΔΙΑΦΟΡΟΥΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥΣ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥΣ ΚΑΙ ΣΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΤΩΝ ΟΣΤΩΝ... 70 7. ΡΕΤΙΝΟΪΚΑ ΠΑΡΑΓΩΓΑ.... ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ... 73 77 1.ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ. 79 2.ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ 80 Α. ΧΟΡΗΓΗΣΗ ΤΕΡΑΤΟΓΟΝΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΖΩΑ... 81 Β. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΙΣΤΟΧΗΜΙΚΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ... Γ.ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΝΟΣΟΙΣΤΟΧΗΜΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ... 85 87 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ. 89 Α. ΜΑΚΡΟΣΚΟΠΙΚΑ ΚΑΙ ΣΤΕΡΕΟΣΚΟΠΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣMΑΤΑ... 91 Α1. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΜΑΚΡΟΣΚΟΠΙΚΩΝ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΩΝ... 93 Β. ΙΣΤΟΧΗΜΙΚΑΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΧΡΩΣΗΣ AZAN ΚΑΤΑ HEINDEINHEIN ΚΑΙ ΑΝΟΣΟΙΣΤΟΧΗΜΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ.. 101 Β1. ΙΣΤΟΧΗΜΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΧΡΩΣΗΣ AZAN ΚΑΤΑ HEINDEINHEIN... 101 8
Β2. ΑΝΟΣΟΙΣΤΟΧΗΜΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ.. 104 Β3. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΩΝ ΟΠΤΙΚΟΥ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟΥ ΤΩΝ ΙΣΤΟΧΗΜΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΧΡΩΣΗΣ AZAN ΚΑΤΑ HEINDEINHEIN ΚΑΙ ΤΩΝ ΑΝΟΣΟΣΟΙΣΤΟΧΗΜΙΚΩΝ ΧΡΩΣΕΩΝ.. 107 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ... 157 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 171 6. ΠΕΡΙΛΗΨΗ 173 7. SUMMARY. 179 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 183 9
10
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Ο ρόλος των μορφογενετικών πρωτεϊνών των οστών (BMPs) κατά την εμβρυογένεση και την εξέλιξη του ατόμου στην παιδική και ενήλικο ζωή έχει αρχίσει να προσελκύει το ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Οι BMPs έχουν συμμετοχή σε ποικιλία βιολογικών λειτουργιών. Η δράση τους είναι σημαντική στην διαφοροποίηση ττων κυττάρων, στον κύκλο ζωής τους (πολλαπλασιασμός-απόπτωσηεπιβίωση), καθώς και στην ενεργοποίηση τους σε φυσιολογικές και παθολογικές καταστάσεις (μετανάστευση, αντίδραση στην φλεγμονή κ.τ.λ). Έχει ήδη βρεθεί ότι οι BMPs παίζουν σημαντικότατο ρόλο στην εμβρυολογική ανάπτυξη αλλά και την μετέπειτα εξέλιξη ιστών και οργάνων όπως της καρδιάς, των νεύρων και των χόνδρων καθώς και στην ανάπτυξη των οστών. Στο μυοσκελετικό σύστημα διαδραματίζουν σπουδαίο ρόλο στην δημιουργία και ανάπτυξη του εμβρυικού σκελετού. Σημαντική είναι η δράση τους στην χονδρογένεση, στην οστεογένεση, στην τυχόν παραγωγή έκτοπου οστεοειδούς καθώς και στην δημιουργία φυσιολογικού χόνδρου ή οστού. Κάθε εξωγενής παράγοντας που δρα διαταράσσοντας την έκφραση και την λειτουργία των BMPs μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση συγγενών ανωμαλιών και στην περίπτωση του μυοσκελετικού συστήματος στην εμφάνιση συγγενών ανωμαλιών των άκρων, των σπονδύλων και της κρανιογναθοπροσωπικής περιοχής. Η δράση των BMPs επιτυγχάνεται με την σύνδεση τους με αντίστοιχους υποδοχείς που εντοπίζονται στην επιφάνεια των κυττάρων-στόχων. Οι υποδοχείς αυτοί διακρίνονται στους υποδοχείς τύπου Ι (type-i, BMPRΙΑ, BMPRΙΒ) και στους υποδοχείς τύπου ΙΙ (type-iι). Κατά την σύνδεση των BMPs με τους αντίστοιχους υποδοχείς σχηματίζονται ετερομερή σύμπλοκα του τύπου της σερίνης/θρεονίνης κινάσης. Στη συνέχεια το σύμπλοκο πρωτεΐνης υποδοχέα ακολουθεί το μονοπάτι των 11
Smad πρωτεϊνών και φτάνει έως τον πυρήνα όπου αποκωδικοποιείται το μήνυμα. Η σύνδεση BMP πρωτεΐνης-υποδοχέα έχει ως αποτέλεσμα την φωσφορυλίωση συγκεκριμένων μελών της οικογένειας των Smad πρωτεϊνών. Αποκλεισμός των μορφογενετικών πρωτεϊνών των οστών από τους υποδοχείς τους, καταργεί την φωσφορυλίωση των πρωτεϊνών Smad και αναιρεί την μετάδοση των μηνυμάτων στον πυρήνα του κυττάρου- στόχου, με αποτέλεσμα την δημιουργία δυσπλασιών κατά την εμβρυολογική ανάπτυξη. Ένας τέτοιος παράγοντας που μπορεί να προκαλέσει αποκλεισμό της λειτουργίας και έκφρασης των μορφογενετικών πρωτεϊνών των οστών από τους υποδοχείς τους είναι και τα ρετινοϊκά παράγωγα, τα οποία πρόσφατα θεωρούνται ως πρότυποι μορφογενετικοί παράγοντες πρόκλησης συγγενών ανωμαλιών. Τα ρετινοϊκά παράγωγα χρησιμοποιούνται ευρέως στην θεραπεία ορισμένων σοβαρών παθήσεων του δέρματος και της στοματικής κοιλότητας, όπως κυστική ακμή, ψωρίαση, λευκοπλακία, ομαλός λειχήνας και βαρεία δερματίτιδα. Πρόσφατα τα ρετινοϊκά παράγωγα έχουν χρησιμοποιηθεί στην θεραπεία διαφόρων μορφών λευχαιμίας όπως η οξεία προμυελοκυτταρική λευχαιμία ως χημειοθεραπευτικοί παράγοντες. Η χρήση τους περικλείει μεγάλους κινδύνους όταν χορηγείται σε γυναίκες της αναπαραγωγικής ηλικίας εξαιτίας των ισχυρών τερατογόνων επιδράσεων που εμφανίζουν και που έχουν περιγραφεί και αποδειχθεί από ερευνητικές μελέτες τόσο σε μικροσκοπικό, όσο και σε μοριακό και βιοχημικό επίπεδο, με αποτέλεσμα το εύρος χρησιμοποίησης τους να περιορίζεται από αυτήν την τερατογόνο δράση τους. Οι συγγενείς ανωμαλίες που συνήθως παρατηρούνται μετά την χορήγηση ρετινοϊκών παραγώγων είναι απλασίες των άκρων, φωκομέλιες, συνδακτυλίες-ολιγοδακτυλίες, σοβαρότατες κρανιογναθοπροσωπικές δυσμορφίες, εγκεφαλοκήλες, 12
εξόφθαλμος, συγγενείς ανωμαλίες του νευρικού και καρδιαγγειακού συστήματος. Σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η συγκριτική μελέτη της τερατογόνου έκφρασης των ρετινοϊκών παραγώγων all trans retinoic acid (τρετινοϊνης) και 13-cis-retinoic acid (ισοτρετινοίνης) και η συσχέτισή της με την έκφραση των μορφογενετικών πρωτεϊνών των οστών (BMPs) στα άκρα εμβρύων πειραματοζώων στα οποία χορηγήθηκε in vivo all trans retinoic acid και 13-cis-retinoic acid κατά την διάρκεια της κύησης. Μελετήσαμε και καταγράψαμε την εμφάνιση συγγενών ανωμαλιών στα άκρα των εμβρύων των πειραματοζώων στα οποία χορηγήθηκαν in vivo ρετινοϊκά παράγωγα. Μελετήσαμε επίσης την έκφραση BMPs καθώς και των υποδοχέων τους στα κύτταρα του αναπτυσσομένου σκελετού στα φυσιολογικά άκρα των εμβρύων, καθώς και στα άκρα εμβρύων με διαταραχή της ανάπτυξής τους. Στο σημείο αυτό θεωρώ υποχρέωση αλλά και τιμή να ευχαριστήσω θερμά όλους όσους βοήθησαν στην διεξαγωγή αλλά και στην ολοκλήρωση της Διδακτορικής αυτής Διατριβής συντελώντας με κάθε τρόπο στην τεκμηρίωση των αποτελεσμάτων της. Αρχικά τον Καθηγητή και Διευθυντή του Εργαστηρίου Ιστολογίας- Εμβρυολογίας και Πρύτανη του Α.Π.Θ. κ. Αναστάσιο Μάνθο θα ήθελα να ευχαριστήσω για το ενδιαφέρον του και την συμπαράσταση του κατά την εκπόνιση της διατριβής μου στο Εργαστήριο του. Ευχαριστώ θερμά την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια της Ιστολογίας- Εμβρυολογίας της Ιατρικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ. Ελπίδα-Νίκη Εμμανουήλ-Νικολούση η οποία υπήρξε η άμεση επιβλέπουσα και βασική συντελέστρια καθορισμού του θέματος αυτής της Διδακτορικής Διατριβής. Επιθυμώ να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου και την ευχαριστώ θερμά για την αμέριστη συμπαράσταση, το συνεχές 13
ενδιαφέρον, την παραχώρηση του άφθονου επιστημονικού προσωπικού υλικού και του χρόνου της, τις καίριες συμβουλές και την καθοδήγηση την οποία μου πρόσφερε σε όλα τα στάδια της εκπόνησης της μελέτης μου. Η επιστημονική προσφορά της και προσωπική της βοήθειά ήταν καταλυτικές διότι χωρίς αυτές θα ήταν αδύνατη η ολοκλήρωση της παρούσης διατριβής. Τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Εργαστηρίου Παθολογικής Ανατομικής της Ιατρικής Σχολής Α.Π.Θ. κ. Πρόδρομο Χυτίρογλου ο οποίος υπήρξε καθοδηγητικά κοντά μου, επιβλέποντας άμεσα και συντελώντας καθοριστικά στην εκπόνηση αυτής της Διδακτορικής Διατριβής τον ευχαριστώ θερμά για την αμέριστη συμπαράσταση και καθοδήγηση του καθώς και για την αμέριστη παραχώρηση του χρόνου του. Ευχαριστώ θερμά τον Καθηγητή Ορθοπαιδικής της Ιατρικής Σχολής του Α.Π.Θ. και δάσκαλο μου στην Ορθοπαιδική κ. Βασίλειο Παπαβασιλείου για το αμείωτο ενδιαφέρον, την συμπαράσταση και τις συμβουλές του μέχρι την ολοκλήρωση της παρούσας μελέτης. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω την Ομότιμο Καθηγήτρια της Ιστολογίας-Εμβρυολογίας κ. Χρυσή Κεραμέως-Φόρογλου για την συμβολή της και το ενδιαφέρον της στον καθορισμό του θέματος της Διδακτορικής αυτής διατριβής. Ευχαριστώ θερμά τον Καθηγητή της Ορθοπαιδικής της Ιατρικής Σχολής του Α.Π.Θ και δάσκαλο μου στην Ορθοπαιδική κ. Γεώργιο Καπετάνο για το ιδιαίτερο ενδιαφέρον, την πολύτιμη ενθάρρυνση και τις καίριες υποδείξεις του μέχρι την ολοκλήρωση της παρούσας μελέτης. Την Καθηγήτρια της Ιστολογίας-Εμβρυολογίας της Ιατρικής Σχολής του Α.Π.Θ κ. Λουίζα Ανδριοπούλου-Οικονόμου, ευχαριστώ θερμά για την βοήθειά της, τις υποδείξεις της και την συμπαράστασή της μέχρι την ολοκλήρωση της διδακτορικής μου μελέτης. 14
Την Καθηγήτρια της Ιστολογίας-Εμβρυολογίας της Ιατρικής Σχολής του Α.Π.Θ κ. Αθανασία Αλβανού-Αχπαράκη και τον Καθηγητή της Ανατομικής της Ιατρικής Σχολής του Α.Π.Θ κ. Προκόπιο Τσικάρα, μέλη της επταμελούς επιτροπής, ευχαριστώ θερμά για την βοηθειά τους καθώς και για τις πολύτιμες και ουσιαστικές συμβουλές τους. Θα ήθελα να ευχαριστήσω επίσης για όλη την συμπαράσταση και βοήθεια το προσωπικό του Εργαστηρίου Ιστολογίας-Εμβρυολογίας της Ιατρικής Σχολής του Α.Π.Θ και ιδιαίτερα την κ. Όλγα Παπουτσάκη η οποία με βοήθησε και με συμβούλευε σε διάφορα στάδια των τεχνικών της Ιστοχημείας. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τη Διδάκτορα και επιστημονικό συνεργάτη του Εργαστηρίου Παθολογικής Ανατομικής του Ιατρικού Τμήματος του Α.Π.Θ. κ. Αγγελική Χέβα, Παθολογοανατόμο για την καθοριστική και πολυτιμότατη βοήθειά της στα θέματα της ανοσοϊστοχημείας. Με την ευρύτητα της επιστημονικής της κατάρτισης στο αντικείμενο των BMPs με καθοδήγησε με ασφάλεια και εγκυρότητα στο Ανοσοϊστοχημικό τμήμα της μελέτης μου. Τέλος θερμές ευχαριστίες εκφράζω στους γονείς μου για την ολόψυχη συμπαράσταση τους, την βοήθεια τους με κάθε δυνατό τρόπο και την υπομονή τους σε όλη την διάρκεια της εκπόνησης αυτής της Διδακτορικής Διατριβής. 15
16
ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 17
18
1. ΕΜΒΡΥΟΛΟΓΙKOI MHXANΙΣΜΟΙ ΤΗΣ ΔΙΑΠΛΑΣΗΣ ΤΟΥ ΜΥΟΣΚΕΛΕΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ Α.ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΚΑΙ ΕΜΒΡΥΟΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΜΥΟΣΚΕΛΕΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το μυοσκελετικό σύστημα του ανθρωπίνου εμβρύου, αναπτύσσεται από το παραξονικό μεσόδερμα, το πλάγιο πέταλο (σωματική στιβάδα) του μεσοδέρματος και από τη νευρική ακρολοφία. Το παραξονικό μεσόδερμα σχηματίζει και στις δύο πλευρές του νευρικού σωλήνα μια σειρά μεταμερώς (τμηματικά) διατεταγμένων ιστικών μορίων, τα οποία στην περιοχή της κεφαλής χαρακτηρίζονται ως σωματομερίδια, ενώ από την ινιακή χώρα και κάτω προς το ουραίο τμήμα του εμβρύου ως σωμίτες. Στη συνέχεια οι σωμίτες διαφοροποιούνται σε ένα μεσοκοιλιακό τμήμα, το σκληροτόμιο, και ένα πλαγιοραχιαίο τμήμα, το δερματομυοτόμιο. Στο τέλος της τέταρτης εβδομάδας τα κύτταρα του σκληροτομίου γίνονται πολύμορφα και σχηματίζουν ένα χαλαρό σε υφή με πολυάριθμα ευμεγέθη και με πολυάριθμες προσεκβολές κύτταρα και πολυδύναμο ως προς την εξέλιξή του στην διαφοροποίηση των οργάνων και συστημάτων ιστό, το μεσέγχυμα 26,34. Το χαρακτηριστικό των μεσεγχυματικών κυττάρων είναι ότι αφ ενός μεν είναι πολυδύναμα κύτταρα, αφ ετέρου μεταναστεύουν στα διάφορα σημεία του εμβρύου και διαφοροποιούνται σε διάφορες κυτταρικές σειρές. Ορισμένες από αυτές τις κυτταρικές 19
σειρές αποτελούν οι ινοβλάστες, οι χονδροβλάστες και οι οστεοβλάστες 135,173,168. Η ικανότητα του μεσεγχύματος να εξελίσσεται εμβρυολογικά και να παράγει οστίτη ιστό δεν περιορίζεται μόνο στα κύτταρα του σκληροτομίου, αλλά επεκτείνεται και στη σωματική στιβάδα του σωματικού τοιχώματος του εμβρύου, το οποίο με την συμμετοχή κυττάρων του μέσου βλαστικού δέρματος συμμετέχει στον σχηματισμό της πυελικής και ωμικής ζώνης καθώς και των μακρών οστών των άκρων του εμβρύου 173,243. Έχει επίσης αποδειχθεί ότι κύτταρα της νευρικής ακρολοφίας στην περιοχή της κεφαλής διαφοροποιούνται σε μεσέγχυμα και συμμετέχουν στο σχηματισμό των οστών του προσώπου, ενώ οι ινιακοί σωμίτες και τα σωματομερίδια σχηματίζουν το μεγαλύτερο μέρος του θόλου και της βάσης του κρανίου 186,187,272. Τα πλατιά οστά του κρανίου, σχηματίζονται με την υμενογενή οστεογένεση από την διαφοροποίηση των μεσεγχυματικών κυττάρων του τοπικού μεσεγχύματος. Ορισμένα ωστόσο από τα οστά του κρανίου όπως η κάτω γνάθος εμφανίζουν διπλής προέλευσης οστεογένεση, δηλαδή υμενογενή και χονδρογενή 168,174,250. Στα μακρά οστά ωστόσο το μεσέγχυμα σχηματίζει πρώτα τα υαλοειδή χόνδρινα προπλάσματα των οστών και στην συνέχεια στα χόνδρινα αυτά προπλάσματα εμφανίζονται κέντρα οστέωσης στα τέλη της πρώιμης εμβρυϊκής περιόδου (όγδοη εβδομάδα στο ανθρώπινο έμβρυο) τα οποία στην συνέχεια επεκτείνονται και με ενδοχόνδρια οστεογένεση διαφοροποιούνται και οστεώνονται πλήρως 120,170,171,173,197,272,299. Οι καταβολές των άκρων εμφανίζονται στα τέλη της τέταρτης εμβρυϊκής εβδομάδας με τη μορφή ελαφρών υπεργέσεων του πλαγιοκοιλιακού σωματικού τοιχώματος του εμβρυϊκού σώματος. Η κορυφαία εξωδερμική ακρολοφία, μια πάχυνση του έξω βλαστικού δέρματος στο περιφερικό πέρας της καταβολής του άκρου, ασκεί 20
επαγωγική επίδραση στο μεσέγχυμα των καταβολών των άκρων, η οποία προάγει την αύξηση και την ανάπτυξή τους. Οι καταβολές των άνω άκρων αναπτύσσονται δύο ημέρες πριν από τις καταβολές των κάτω άκρων. Οι ιστοί από τους οποίους προέρχονται οι εμβρυϊκές καταβολές των άκρων προέρχονται από τρεις πήγες: τη σωματική στιβάδα του πλάγιου μεσοδέρματος, το σωμιτικό μεσόδερμα και το εξώδερμα. Τα νεύρα αρχίζουν να αναπτύσσονται μέσα στις καταβολές των άκρων κατά τη διάρκεια της πέμπτης εμβρυϊκής εβδομάδας. Την έβδομη εμβρυϊκή εβδομάδα τόσο τα άνω, όσο και τα κάτω άκρα περιστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις και κατά διαφορετικές μοίρες για να λάβουν την θέση όπου τελικά θα διαφοροποιηθούν 10, 82,176,272. Οι περισσότεροι σκελετικοί μύες προέρχονται από τα μυοτόμια των σωμιτών, μερικοί όμως μύες της κεφαλής και του τραχήλου διαφοροποιούνται από το τοπικό μεσέγχυμα των φαρυγγικών τόξων, το οποίο μεταναστεύει περιβάλλοντας τα μεταναστευόμενα προς την περιφέρεια και το ουραίο άκρο κύτταρα της νευρικής ακρολοφίας. Πρόσφατες πειραματικές μελέτες δείχνουν ότι ένα τμήμα του τοπικού μεσεγχύματος των άκρων συμμετέχει στην διαφοροποίηση του μυϊκού στοιχείου των άκρων, ενώ το μεγαλύτερο τμήμα των μυών των άκρων αναπτύσσεται από τα μυοτόμια τα οποία προέρχονται από τους σωμίτες 141,126,170,173,249,276,277. 21
Β. ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΤΗ ΔΙΑΠΛΑΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ Οι καταβολές των άκρων εμφανίζονται σαν εκβλαστήσεις από το κοιλιακό και πλάγιο σωματικό τοίχωμα στην αρχή της τέταρτης εβδομάδας της εμβρυϊκής ανάπτυξης. Οι καταβολές αυτές αποτελούνται αρχικά από ένα μεσεγχυματικό άξονα και μια καλυπτήρια στιβάδα κυβοειδών κυττάρων τα οποία προέρχονται από το έξω βλαστικό δέρμα. Το μεσέγχυμα αυτού του άξονα προέρχεται από τη σωματική μεσοδερμική στιβάδα και αυτό θα σχηματίσει τα οστά και το συνδετικό ιστό των άκρων. Η εμβρυολογική ανάπτυξη των άκρων αρχίζει με την ενεργοποίηση μιας ομάδας από μεσεγχυματικά κύτταρα στο έξω τμήμα του μεσοδέρματος. Συγκεκριμένη ακολουθία γονιδίων καθορίζει και είναι υπεύθυνη για την αξονική ανάπτυξη των άκρων. Τα γονίδια αυτά είναι μέλη των Hox-4 (Hox-4.4, Hox-4.5, Hox-4.5, Hox-4.6 και Hox-4.7), Hox-5 και Hox-7 οικογενειών 53,206,151,152,272. Στις κορυφές των προσεκβολών των αναπτυσσομένων άκρων το έξω βλαστικό δέρμα παχύνεται και σχηματίζει την κορυφαία εξωδερμική ακρολοφία, η οποία ασκεί επαγωγική επίδραση η οποία διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο για την ανάπτυξη των άκρων στο υποκείμενο μεσέγχυμα. Με αυτό τον τρόπο το μεσέγχυμα που γειτνιάζει με την κορυφαία εξωδερμική ακρολοφία παραμένει ένας αδιαφοροποίητος πληθυσμός κυττάρων τα οποία πολλαπλασιάζονται σε έντονο ρυθμό, ενώ τα μεσεγχυματικά κύτταρα που βρίσκονται μακριά και δεν υφίστανται την επίδραση της κορυφαίας εξωδερμικής ακρολοφίας αρχίζουν να διαφοροποιούνται προς διάφορες κατευθύνσεις, σε χονδρικό ιστό, μυϊκό ιστό και στα ιστικά στοιχεία των αγγείων. Γονίδια της οικογένειας των μετατρεπτικών αυξητικών 22
παραγόντων (transforming growth factor-β, TGF-β), ακτιβίνη-α ( activin-α) και μορφογενετικών πρωτεϊνών των οστών ( bone morphogenetic proteins, BMPs), παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη και αναδιαμόρφωση των οστών 117,177,261,266,279,280,281,282,304. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη των άκρων προχωρεί από το κέντρο προς την περιφέρεια του αναπτυσσομένου εμβρυϊκού σώματος 177. Στα έμβρυα ηλικίας έξι εβδομάδων το ακραίο τμήμα των καταβολών των άκρων αρχίζει να αποπλατύνεται για να σχηματίσει τις κατ αρχήν εμφανιζόμενες πεταλοειδείς προσεκβολές των άκρων χειρών και των άκρων ποδών. Το τμήμα αυτό της αναπτυσσόμενης περιοχής των πεταλοειδών προσεκβολών διαχωρίζεται από το εγγύς τμήμα των καταβολών των άκρων με μια κυκλική περίσφιξη 26. Πειραματικές μελέτες έχουν δείξει ότι το ενδογενές ρετινοϊκό οξύ, ως μορφογενετικός παράγοντας, εμπλέκεται στον σχηματισμό και την ανάπτυξη των άκρων 27. Σε μεταγενέστερο χρονικό διάστημα μια δεύτερη περίσφιξη θα διαχωρίσει το εγγύς τμήμα των προσεκβολών των άκρων σε δύο μέρη, όποτε και καθίστανται πλέον αναγνωρίσιμα στο έμβρυο τα κύρια μέρη των άκρων 82,250,272. Οι δακτυλικές προσεκβολές των άκρων χειρών και ποδών σχηματίζονται όταν επισυμβαίνει κυτταρικός θάνατος στην κορυφαία εξωδερμική ακρολοφία η οποία διαχωρίζει την πεταλοειδή προσεκβολή που ανωτέρω περιγράφηκε σε πέντε τμήματα 163,216,198,294. Ο περαιτέρω σχηματισμός των δακτύλων εξαρτάται από τη συνεχιζόμενη ανάπτυξή τους υπό την επίδραση των πέντε τμημάτων της εξωδερμικής ακρολοφίας, την πύκνωση του μεσεγχύματος, το σχηματισμό χόνδρινων δακτυλικών ακτίνων, καθώς και τη νέκρωση του ιστού που παρεμβάλλεται μεταξύ των δακτυλικών ακτίνων 294. Ο διαχωρισμός των δακτύλων ολοκληρώνεται στο τέλος της όγδοης εμβρυϊκής εβδομάδος 294. Ο προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος, 23
δηλαδή η κυτταρική απόπτωση που είναι υπεύθυνη για την απόπτωση των ιστών στα μεσοδακτυλικά διαστήματα σχετίζεται και εξαρτάται από συγκεκριμένα μόρια γνωστά ως Οστικές Μορφογενετικές Πρωτεΐνες (Βone Μorphogenetic Proteins, BMPs). Μπλοκάροντας αυτά τα κυτταρικά και μοριακά συμβάντα είναι δυνατόν να παρουσιασθούν συγγενείς ανωμαλίες των άκρων, όπως συγγενή ελλείματα τμημάτων τους καθώς και η συνδακτυλία δηλαδή η συνένωση η συγχώνευση των δακτύλων των χεριών και των ποδιών και ολιγοδακτυλία 66,81,275,222. Tόσο τα άνω όσο και τα κάτω άκρα αναπτύσσονται με παρόμοιο τρόπο, με εξαίρεση ότι η εμβρυϊκή διάπλαση και η μορφογένεση των άνω άκρων προηγείται σταθερά περίπου 1-2 ημέρες εκείνης των κάτω άκρων. Εκτός αυτού, κατά τη διάρκεια της έβδομης εμβρυϊκής εβδομάδας τα άνω και τα κάτω άκρα περιστρέφονται με αντίθετες κατευθύνσεις. Τα άνω άκρα περιστρέφονται προς τα έξω κατά 90 μοίρες με αποτέλεσμα οι εκτείνοντες μύες τους να εντοπίζονται στην έξω και την οπίσθια επιφάνεια τους και οι αντίχειρες να βρίσκονται σε εξωτερική θέση 82, ενώ αντίθετα, τα κάτω άκρα περιστρέφονται προς τα έσω κατά 90 μοίρες, γεγονός που φέρει τους εκτείνοντες μύες στην πρόσθια επιφάνεια και το μεγάλο δάκτυλο του άκρου ποδός προς τα έσω 135,82,277. Ενώ η εξωτερική εμφάνιση των άκρων έχει πλέον διαμορφωθεί, το μεσέγχυμα των καταβολών αρχίζει να πυκνώνει αυξανόμενο σε κυτταρικό πληθυσμό και την έκτη εβδομάδα της εμβρυϊκής ανάπτυξης μπορούν να αναγνωρισθούν οι πρώτες χόνδρινες καταβολές, οι οποίες αποτελούν οδηγά προπλάσματα των οστών των άκρων. Στα τέλη της πρώϊμης εμβρυϊκής περιόδου (έβδομη εμβρυϊκή εβδομάδα) αρχίζει η οστεοποίηση των οστών των άκρων δηλαδή η χονδρογενής οστεογένεση. Τη δωδέκατη εβδομάδα 24
της εμβρυϊκής ανάπτυξης εμφανίζονται πρωτογενείς πυρήνες οστέωσης σε όλα τα μακρά οστά των άκρων. Η χονδρογενής οστέογένεση προχωρεί σταδιακά από τον πυρήνα οστέωσης του μέσου επιμήκους τμήματος ή διάφυσης προς τα άκρα του χόνδρινου προπλάσματος 272,301,302. Κατά την γέννηση η διάφυση του οστού είναι συνήθως πλήρως οστεοποιημένη, αλλά τα δύο άκρα του, που ονομάζονται επιφύσεις, είναι ακόμα χόνδρινα. Μετά από λίγο όμως εμφανίζονται στις επιφύσεις πυρήνες οστέωσης 198,299,301,302. Μεταξύ του διαφυσιακού και του επιφυσιακού πυρήνα οστέωσης παραμένει προσωρινά ένας χόνδρινος δίσκος. Αυτός ο δίσκος, γνωστός ως επιφυσιακός δίσκος ή συζευτικός χόνδρος, παίζει σημαντικό ρόλο στην κατά μήκος αύξηση των οστών. Η χονδρογενής οστεογένεση προχωρεί και στις δύο πλευρές του επιφυσιακού δίσκου. Όταν το οστούν αποκτήσει το πλήρες μήκος του οι επιφυσιακοί δίσκοι εξαφανίζονται και οι επιφύσεις ενώνονται με τη διάφυση του οστού 198,299,302. Έτσι στα δύο άκρα των μακρών οστών παρατηρείται από ένας επιφυσιακός δίσκος. Στα μικρότερα επιμήκη οστά, όπως για παράδειγμα στις φάλαγγες των δακτύλων, επιφυσιακός δίσκος υπάρχει μόνο στο ένα άκρο 243. Στα οστά με ακανόνιστο σχήμα, όπως οι σπόνδυλοι, παρατηρούνται ένας ή περισσότεροι πρωτογενείς πυρήνες οστέωσης και συνήθως αρκετοί δευτερογενείς. Ακτινολογικά μπορούμε να αξιολογήσουμε τον χρόνο της εμφάνισης των διαφόρων πυρήνων οστέωσης προκειμένου να καθορίσουμε αν ένα παιδί έχει φθάσει την κανονική ηλικία της ωρίμανσής του σκελετού του 30,31,302,303. Έτσι χρήσιμες πληροφορίες γύρω από την οστική ανάπτυξη και την οστική ηλικία αποκτώνται με τη μελέτη της οστέωσης των άκρων χειρών και των καρπών των παιδιών 30,31,299,301,302. 25
Κατά το τέλος της πέμπτης εμβρυϊκής εβδομάδος, οι μάζες των μεσεγχυματικών κυττάρων που διαφοροποιούνται στο κεντρικό σκελετό των άκρων (η ωμοπλάτη και το βραχιόνιο στα άνω άκρα και τα οστά της λεκάνης και τι μηριαίο στα κάτω άκρα ) είναι ορατές. Κατά την έκτη εμβρυική εβδομάδα η μεσεγχυματική καταβολή του σκελετού των άκρων είναι ορατή και στα άνω και στα κάτω άκρα, ενώ έχει αρχίσει ο σχηματισμός του χόνδρινου προπλάσματος του βραχιονίου οστού, καθώς και των χονδρίνων προπλασμάτων της ωλένης και της κερκίδας. Στο τέλος της έκτης εμβρυϊκής εβδομάδος, τα οστά του καρπού και τα μετακάρπια οστά αρχίζουν επίσης την διαμόρφωσή τους ως χόνδρινα προπλάσματα. Στα κάτω άκρα, το μηριαίο οστούν, η κνήμη και μικρό μέρος της περόνης αρχίζουν την οστεοποίηση τους στο μέσο της έκτης εμβρυϊκής εβδομάδος ενώ τα οστά του ταρσού και τα μετατάρσια αρχίζουν την οστεοποίηση τους περίπου κατά το τέλος της έκτης εμβρυϊκής εβδομάδος. Στην αρχή της έβδομης εμβρυϊκής εβδομάδος, όλα τα οστά των άνω άκρων εκτός των περιφερικών φαλάγγων του δεύτερου και του πέμπτου δακτύλου βρίσκονται σε διαδικασία χονδρογένεσης των χονδρίνων προπλασμάτων τους. Στο τέλος της έβδομης εβδομάδας, οι περιφερικές φάλαγγες του χεριού αρχίζουν και αυτές την διαφοροποίηση τους στα χόνδρινα προπλάσματα και έτσι η χονδροποίηση προχωρεί σε όλα τα οστά των άνω άκρων εκτός του περιφερικού άκρου των φαλάγγων των άνω άκρων. Οι περιφερικές φάλαγγες των δακτύλων του ποδιού δεν χονδροποιούνται μέχρι την όγδοη εμβρυϊκή εβδομάδα 15,16,30,31,272,301,302. Τα πρωτογενή κέντρα οστεοποίησης των οστών των άκρων εμφανίζονται μεταξύ της έβδομης και της δωδέκατης εμβρυϊκής εβδομάδας. Στην αρχή της έβδομης εμβρυϊκής εβδομάδας, η ενδοχόνδριος οστεοποίηση έχει ήδη αρχίσει στην κλείδα, ακολουθεί 26
το βραχιόνιο οστούν η κερκίδα και η ωλένη στο τέλος της έβδομης εμβρυϊκής εβδομάδας. Η οστεοποίηση ξεκινά στο μηριαίο οστούν και την κνήμη την όγδοη εμβρυϊκή εβδομάδα στο ανθρώπινο έμβρυο. Κατά την ένατη εμβρυϊκή εβδομάδα η ωμοπλάτη και τα λαγόνια οστά αρχίζουν να οστεοποιούνται. Τρεις εβδομάδες αργότερα αρχίζει η ενδοχόνδριος οστεοποίηση των μετακαρπίων,των μεταταρσίων και τελικά των δακτυλικών φαλάγγων. Στο ηβικό και το ισχιακό οστούν η οστεοποίηση αρχίζει την 15 η και την 20 η εμβρυϊκή εβδομάδα, αντίστοιχα, ενώ η οστεοποίηση της πτέρνας αρχίζει περίπου την 16 η εμβρυϊκή εβδομάδα. Μερικά από τα μικρά οστά του καρπού και του ταρσού δεν οστεοποιούνται μέχρι την πρώιμη παιδική ηλικία συνεχίζοντας σ αυτήν την χρονική περίοδο την ενδοχόνδρια οστεοποίησή τους 15,16,30,31,272,299,301,302. Οι αρθρώσεις των άκρων αναπτύσσονται από τις μεσεγχυματικές διάμεσες ζώνες. Αρχικά, τα μεσεγχυματικά κύτταρα των διάμεσων ζωνών ανάμεσα στο αρχέγονο χονδροποιημένο οστούν διαφοροποιούνται σε ινοβλάστες και ινοβλαστικό ιστό (αδιαφοροποίητο συνδετικό ιστό). Αυτός ο ιστός περαιτέρω διαφοροποιείται σε τρεις στιβάδες: μια χόνδρινη στιβάδα στα δύο άκρα της μελλοντικής άρθρωσης η οποία βρίσκεται σε επαφή με το παρακείμενο αρχέγονο οστούν, και μια κεντρική στιβάδα πυκνού συνδετικού ιστού. Από το συνδετικό ιστό αυτής της κεντρικής στιβάδας θα προέλθουν τα εσωτερικά στοιχεία της άρθρωσης. Κεντρικά και περιφερικά, συμπυκνώνεται για να σχηματίσει τον αρθρικό θύλακο που θα περιβάλλει την μελλοντική αρθρική κοιλότητα. Η κεντρική ζώνη αυτής της στιβάδας διαφοροποιείται στους μηνίσκους και στους ενδοαρθρικούς συνδέσμους όπως οι χιαστοί σύνδεσμοι του γόνατος. Η αρθρική κοιλότητα στις αρθρώσεις των άκρων σχηματίζεται από την συνένωση των κενοτοπίων τα οποία 27
εμφανίζονται ανάμεσα στον αδιαφοροποίητο συνδετικό ιστό ο οποίος βρίσκεται ανάμεσα στις προαναφερθείσες δομές. Ο αρθρικός θύλακος αναδύεται από το έλυτρο των μεσεγχυματικών κυττάρων που περιβάλλει ολόκληρη την διάμεση ζώνη. Συγχονδρώσεις, όπως αυτές μεταξύ των οστών της λεκάνης, σχηματίζονται επίσης από της διάμεσες ζώνες με τη διαφορά ότι τα μεσεγχυματικά κύτταρα απλά διαφοροποιούνται σε μια μονή στιβάδα από ινώδη χόνδρο 15,16,30,135,186,272,299,302. Το μυϊκό σύστημα των άκρων αναπτύσσεται από το κοιλιακό και το ραχιαίο τμήμα των μυοτομίων των σωμιτών. Στην διάρκεια της πέμπτης εμβρυϊκής εβδομάδος, το σωμιτικό μεσόδερμα εισβάλει κατ αρχήν στην καταβολή του άνω άκρου και σχηματίζει δύο μεγάλες συγκεντρώσεις κυττάρων, μια κοιλιακά στον άξονα της μεσεγχυματικής στήλης και μια ραχιαία σε αυτή. Το αναπτυξιακό αυτό φαινόμενο παρατηρείται επίσης και για τα κάτω άκρα σε μεταγενέστερο χρόνο (7 η εμβρυϊκή εβδομάδα). Τα κύτταρα αυτά σχηματίζουν το ανάγλυφο των μυών των άκρων και διαφοροποιούνται σε μυοβλάστες (πρόδρομα μυϊκά κύτταρα). Κάθε μυς αυξάνει σε μάζα και όγκο όχι μόνο από την ανάπτυξη των μυϊκών ινιδίων κάθε μυϊκής ίνας από τους μυοβλάστες αλλά επίσης, αρχικά, με την συνεχόμενη μετανάστευση των μεσοδερμικών σωμιτικών κυττάρων. Στην διάρκεια αυτής της αρχικής φάσης της ανάπτυξης, μυοβλάστες επίσης συρρέουν για τον σχηματισμό συγκυτίων αρχεγόνων γραμμωτών μυϊκών κυττάρων. Από τον τέταρτο μήνα, ωστόσο, η ανάπτυξη των μυών έχει επιτευχθεί κυρίως από την μεγέθυνση των ήδη υπαρχουσών μυϊκών ινών 135,187,,241,272. Οι ραχιαίες μυϊκές μάζες σχηματίζουν γενικά τους εκτείνοντες και τους υπτιαστές μύες του άνω άκρου και τους εκτείνοντες και τους απαγωγούς μύες των κάτω άκρων, ενώ οι 28
κοιλιακές μυϊκές μάζες σχηματίζουν τους καμπτήρες και τους πρηνιστές μύες των άνω άκρων και τους καμπτήρες και προσαγωγούς μύες των κάτω άκρων. Αυτό δεν είναι απόλυτο δεδομένου ότι τμήματα των μυϊκών αυτών ινών μεταναστεύουν από την αρχική τους θέση και αποκτούν νέα διαφορετική λειτουργία. Aιματική ροή των άκρων: Οι καταβολές των άκρων αρδεύονται από κλάδους των μεσοτμηματικών αρτηριών, οι οποίες εκφύονται από την αορτή και σχηματίζουν ένα λεπτό δίκτυο τριχοειδών αγγείων μέσα στο μεσέγχυμα. Το αρχέγονο αγγειακό πρότυπο αποτελείται από μία βασική πρωταρχική αξονική αρτηρία και τις διακλαδώσεις της, οι οποίες καταλήγουν σε περιφερικούς φλεβώδεις κόλπους. Το αίμα από τους φλεβώδεις κόλπους καταλήγει στις περιφερικές φλέβες. Το αγγειακό αυτό πρότυπο ανάπτυξης αλλάζει καθώς τα άκρα αναπτύσσονται, κυρίως από αγγεία που εξαπλώνονται από τα υπάρχοντα αγγεία. Τα νέα αγγεία συνενώνονται μεταξύ τους για τον σχηματισμό πολυπληθών νέων αγγείων. Η πρωταρχική αξονική αρτηρία σχηματίζει την βραχιόνιο αρτηρία στα άνω άκρα και κοινή μεσόστεο αρτηρία στο αντιβράχιο, η οποία έχει πρόσθιο και οπίσθιο κλάδο. Η ωλένιος και η κερκιδική αρτηρία είναι οι τελικοί κλάδοι της βραχιονίου αρτηρίας. Καθώς σχηματίζονται τα δάκτυλα, οι φλεβώδεις κόλποι διασπώνται και το τελικό φλεβικό πρότυπο, απαρτιζόμενο από την βασιλική και κεφαλική φλέβα και τους κλάδους τους, αναπτύσσεται σε τελικούς κλάδους. Στον μηρό η πρωταρχική αξονική αρτηρία απεικονίζεται από την εν τω βάθει μηριαία αρτηρία. Στην κνήμη η πρωταρχική αξονική αρτηρία απεικονίζεται από την πρόσθια και την οπίσθια κνημιαία αρτηρία 168,169,272. Ανάπτυξη των νεύρων των άκρων: Άξονες των νωτιαίων νεύρων προμηθεύουν με νεύρα συγκεκριμένους σχηματισμούς των 29
άκρων με μια πολυσταδιακή διαδικασία δημιουργίας νέων νευρικών διαδρομών. Έτσι, κάθε νωτιαίο νεύρο διαχωρίζεται σε δύο κύριους κλάδους, την κοιλιακή και την ραχιαία ρίζα, αμέσως μετά την έξοδο τους από την σπονδυλική στήλη 28. Οι μύες των άκρων νευρώνονται από κλάδους από την κοιλιακή πρόσθια ρίζα των νωτιαίων νεύρων Α5 μέχρι Θ1 (για τα άνω άκρα) και Ο4 μέχρι Ι3 ( για τα κάτω άκρα). Μύες σχηματιζόμενοι από την ραχιαία μυϊκή μάζα νευρώνονται από τους ραχιαίους κλάδους της κοιλιακής πρωταρχικής ρίζας, αν και οι μύες που σχηματίζονται από την κοιλιακή μυϊκή μάζα νευρώνονται από κοιλιακούς κλάδους της κοιλιακής πρωταρχικής ρίζας. Γι αυτό το λόγο η ανάπτυξη των νεύρων στους μύες δείχνει κατά πόσο προέρχεται από την κοιλιακή ή την ραχιαία πρωταρχική μάζα. Ο κινητικός άξονας που παρέχει τα νεύρα στα άκρα εκτελεί μια πολύπλοκη διεργασία δημιουργίας αξονικών οδών μέχρι τους μύες στόχους. Εφόσον οι κινητικοί άξονες έχουν βρει τους στόχους αποληξής τους, αισθητικές ίνες συνδέονται με τους υποδοχείς στους μύες στόχους και οι αισθητικοί οδοί σχηματίζονται παράλληλα με τις κινητικές οδούς 40,178,272. Όπως προαναφέρθηκε, τα άνω και τα κάτω άκρα περιστρέφονται από τον πρωταρχικό προσανατολισμό τους. Μεταξύ της έκτης και της όγδοης εμβρυϊκής εβδομάδας επίσης περιστρέφονται γύρω από τον επιμήκη άξονα τους. Τα άνω άκρα περιστρέφονται πλευρικά προς τα έξω έτσι ώστε ο αγκώνας να δείχνει προς την ουραία κατεύθυνση ενώ η αρχική κοιλιακή επιφάνεια του άνω άκρου σχηματίζεται ως κεφαλική επιφάνεια του άκρου. Τα κάτω άκρα περιστρέφονται προς τα έσω έτσι ώστε το γόνατο να δείχνει κεφαλικά και η αρχική κοιλιακή επιφάνεια του κάτω άκρου σχηματίζεται ως ουραία επιφάνεια του άκρου. Η περιστροφή στα άνω άκρα είναι μικρότερη από αυτή των κάτω άκρων και επιτυγχάνεται 30
εν μέρει μέσω της ουραίας μετανάστευσης της ωμικής ζώνης 7,249,259,272. Συνοπτικά τα στάδια ανάπτυξης των άκρων για το ανθρώπινο έμβρυο σύμφωνα με τις διεθνείς βιβλιογραφικές αναφορές 34,82,104,170,272,276 είναι τα παρακάτω: 4 η εμβρυϊκή εβδομάδα (28 η μέρα της κύησης): Οι καταβολές των άνω άκρων μοιάζουν με πτερύγια. 5 η εμβρυϊκή εβδομάδα (35 η μέρα της κύησης): Παρουσία πεταλοειδών προσεκβολών των άκρων χειρών. Τα κάτω άκρα μοιάζουν με κουπιά. 6 η εμβρυϊκή εβδομάδα (41 η μέρα της κύησης): Εμφάνιση δακτυλικών ακτίνων των άνω άκρων χειρών. Παρουσία πεταλοειδών προσεκβολών των άκρων ποδών. 7 η εμβρυϊκή εβδομάδα (49 η μέρα της κύησης): οι άκρες χείρες συναντώται στο μέσο επίπεδο. Οι δάκτυλοι είναι διακριτοί αλλά συνδέονται με μεσοδακτυλικές πτυχές. Παρουσία δακτυλικών ακτίνων στους άκρους πόδες. Εντομές μεταξύ των δακτυλικών ακτίνων στους άκρους πόδες. 8 η εμβρυϊκή εβδομάδα (56 η μέρα της κύησης): Δάκτυλοι εμφανείς και επιμηκέστεροι στα άκρα των χειρών. Το γόνατο περιστρέφεται προς τα έσω κατά 90 μοίρες. Εμφανείς δάκτυλοι άκρων ποδών. Αντικρυστή θέση πελμάτων. 8 η εμβρυϊκή εβδομάδα (63 η μέρα της κύησης): Δάκτυλοι άκρων ποδών εμφανείς και επιμηκέστεροι στα άκρα των ποδών. Αντικρυστή θέση πελμάτων. Οι μεγάλοι δάκτυλοι προσλαμβάνουν την τελική τους θέση. Συμπερασματικά και όπως αναφέρεται από την διεθνή βιβλιογραφία τα άνω άκρα καθίστανται ορατά την 26 η ή την 27 η μέρα της κυήσης στο ανθρώπινο έμβρυο. Οι καταβολές των κάτω άκρων εμφανίζονται δύο μέρες αργότερα. Τα στάδια ανάπτυξης των άκρων είναι παρόμοια στα 31
άνω και στα κάτω άκρα με εξαίρεση το γεγονός ότι η ανάπτυξη των άνω άκρων προηγείται της ανάπτυξης των κάτω άκρων 15,16,104,169,272,276,277. 32
2. ΙΣΤΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΤΩΝ ΟΣΤΩΝ Α. ΟΣΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΑ ΟΥΣΙΑ Η οστική θεμέλια ουσία αποτελείται κατά το 1/3 (35%) από οργανικό τμήμα και κατά τα 2/3 (65%) από ανόργανο τμήμα. Τα ανόργανα συστατικά αποτελούνται κυρίως από ασβέστιο και φωσφωρικά άλατα αποτελώντας τους κρυστάλλους του υδροξυαπατίτη. Οι αυξητικοί παράγοντες του οστού αποτελούν περισσότερο από το 1% του ποσοστού των μη κολλαγονούχων πρωτεΐνων 228,280,281,288,302. Συνεπώς, όσον αφορά την βιοχημική σύνθεση του οστού το ανόργανο τμήμα του αποτελείται κατά 85% από υδροξυαπατίτη [φωσφορικό ασβέστιο με κρυσταλλική μορφή Ca 10 (ΡΟ 4 ) 6 (ΟΗ) 2 ], το 10% από άλατα ανθρακικού ασβεστίου CaCΌ 3 ), που αποτελούν το δεύτερο χημικό συστατικό των οστών και σε μικρότερη αναλογία υπάρχουν και άλατα φωσφορικού μαγνησίου (1-2%), αλκαλικά άλατα (2%) και, τέλος, άλατα φθοριούχου και χλωριούχου ασβεστίου (0,5-1%). Η μεσοκυττάρια ουσία του οστίτη ιστού αποτελείται από οργανικό (θεμέλιο ουσία) αλλά και από ανόργανο τμήμα (κρύσταλλοι υδροξυαπατίτη) 30,31,302. Το οργανικό τμήμα των οστών περιλαμβάνει θεμέλια ουσία ( σε ποσοστό 98%) και κύτταρα (σε ποσοστό 2%). Τα κύτταρα του οστίτη ιστού είναι οι οστεοβλάστες, τα οστεοκύτταρα και οι οστεοκλάστες. Η θεμέλια ουσία αποτελείται κατά 95% από κολλαγόνες ίνες τύπου Ι, που έχουν την ιδιότητα να επιτρέπουν την εναπόθεση σ' αυτές αλάτων ασβεστίου με συνέπεια τη χαρακτηριστική ανθεκτικότητα και ελαστικότητα των οστών. Το κολλαγόνο τύπου I βρίσκεται σε αναλογία περισσότερο από το 90% των οργανικών υλικών της θεμέλιας ουσίας και είναι η κύρια δομική πρωτεΐνη του οστού. Το υπόλοιπο 10%, των μη 33
κολλαγονούχων πρωτεϊνών έχουν ρυθμιστικό ρόλο στην επιμετάλλωση του οστού, μεσολαβούν στην σύνδεση επηρεάζοντας την συνοχή των κυττάρων με την θεμέλια ουσία και τέλος εμφανίζουν διάφορες αλληλεπιδράσεις με τις δομικές πρωτεΐνες του οστού όπως το κολλαγόνο 302. Ειδικότερα η θεμέλια ουσία (οστεοειδές) αποτελείται κατά 90% από κολλαγονικές πρωτεΐνες (γλυκίνη-προλίνηοξυπρολίνη) και κατά 10% από μη κολλαγονικές πρωτεΐνες όπως είναι η οστεοκαλσίνη (δείκτης οστεοβλαστικής δραστηριότητας-αυξημένη παραγωγή οστού, οστεονεκτίνη, οστική πρωτεογλυκάνη κ.ά.) Η οστεοκαλσίνη (bone gla-protein, BGP) και η οστεονεκτίνη, οι δύο περισσότερο άφθονες μη κολλαγονούχες πρωτεΐνες, έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες που συνδέονται με το ασβέστιο. Έχουν προταθεί συνεπώς ως «οι πρωτεϊνες-μυητές» της αύξησης των κρυστάλλων του υδροξυαπατίτη κατά την διάρκεια της επιμετάλωσης του οστού. Η οστεοποντίνη και η σιαλοπρωτεΐνη του οστού περιέχουν μια ειδική σειρά αμινοξέων οι οποίες είναι υπεύθυνες για την σύνδεση-προσκόλληση στους υποδοχείς των κυττάρων του οστού. Η οστεοποντίνη αποτελεί το συστατικό το οποίο ενδεχομένως συνδέει τους οστεοκλάστες κατά την διάρκεια της επαναρρόφησης ( ανακατασκευής ) του οστού μέσω υαλοειδών (vitrinectin) υποδοχέων 257,258,302. Τα οστά ανάλογα με την αρχιτεκτονική διάταξη της μεσοκυττάριου ουσίας και την διάταξη των κυττάρων τους διακρίνονται σε συμπαγή και σπογγώδη ανεξάρτητα από την προέλευση τους, εάν δηλαδή ακολούθησαν υμενογενή ή χονδρογενή διαδικασία διάπλασης. Η διάκριση αυτή γίνεται μετά την παιδική ηλικία, δεδομένου ότι στην αρχή της ανάπτυξης του σκελετού όλα τα οστά χαρακτηρίζονται ως σπογγώδη 17. 34
Η μορφή του οστίτη ιστού που συναντάται στα οστά του ενήλικα είναι η πεταλιώδης μορφή, που χαρακτηρίζεται από ένα σύστημα αποτιτανωμένης θεμελίου ουσίας που σχηματίζει τα καλούμενα οστέινα πετάλια 301,302. Β. ΚΥΤΤΑΡΑ ΤΟΥ ΟΣΤΙΤΗ ΙΣΤΟΥ Τα κύτταρα του οστίτη ιστού είναι: 1) Οι οστεοβλάστες οι οποίοι είναι οστεοπαραγωγικά κύτταρα και βρίσκονται εκεί που σχηματίζεται η οστεΐνη ουσία. Οι οστεοβλάστες εκτός από την παραγωγή της θεμέλιας ουσίας, συμβάλλουν και στην εναπόθεση αλάτων του ασβεστίου σ' αυτήν με ένα ειδικό ένζυμο, την αλκαλική φωσφατάση, την οποία παράγουν παίζοντας ρυθμιστικό ρόλο στη λειτουργία του οστού 205,261,302. 2) Οστικά κύτταρα ή οστεοκύτταρα βρίσκονται μέσα σε μικρές κοιλότητες που ονομάζονται οστικές κοιλότητες, της θεμέλιας ουσίας και προβάλλουν αποφυάδες προς όλες τις κατευθύνσεις οι οποίες εισέρχονται μέσα σε λεπτότατα σωληνάρια, τα οστικά σωληνάρια, τα οποία αναστομώνονται μεταξύ τους. Τα οστεοκύτταρα προέρχονται από τους οστεοβλάστες που μετά την παραγωγή της μεσοκυττάριου ουσίας περιβάλλονται από αυτήν, δηλαδή "εντοιχίζονται", και μεταπίπτουν στα οστεοκύτταρα. Τα κύτταρα αυτά δεν αποτελούν ανενεργά στοιχεία του οστού, όπως πιστευόταν παλαιότερα, αλλά συμμετέχουν ενεργά στην ομοιόσταση του ασβεστίου, ενώ έχουν περιορισμένο ρόλο στην αποδόμηση και ανακατασκευή του οστού. Στην κυτταροπλασματική μεμβράνη των οστεοκυττάρων καθώς και οστεοκλαστών υπάρχουν ξεχωριστοί υποδοχείς για την παραθορμόνη και την καλσιτονίνη ενώ για τα γλυκοκορτικοειδή υπάρχουν υποδοχείς μέσα στον πυρήνα. Επίσης υπάρχουν ενδείξεις για την ύπαρξη υποδοχέων για τα οιστρογόνα στην 35
κυτταροπλασματική του μεμβράνη 56,302. 3) Οι οστεοκλάστες είναι ευκίνητα πολυπύρηνα γιγαντοκύτταρα ποικίλου σχήματος και βρίσκονται σε θέσεις όπου επιτελείται η αποδόμηση χονδρικού ή οστίτου ιστού. Προέρχονται από τα πρόδρομα κύτταρα του μυελού των οστών. Σχηματίζονται από την συνένωση μονοκύτταρων οστεοκλαστών. Εμφανίζονται πρώϊμα στο έμβρυο μαζί με τους πρώτους πυρήνες οστέωσης και χρησιμεύουν για τη διαρκή αποδόμηση και μετασκευή του οστού. Ο χρόνος ζωής την οστεοκλαστών δεν είναι σαφώς καθορισμένος, φαίνεται όμως ότι φθάνει τις 7 ημέρες περίπου. Η αύξηση της δραστηριότητας των οστεοκλαστών γίνεται κυρίως από την παραθορμόνη και κατά δεύτερο ρόλο από άλλες ουσίες όπως η ιντερλευκίνη, η προσταγλαδίνη Ε2 καθώς και η ηπαρίνη. Ελάττωση της δραστηριότητας των οστεοκλαστών προκαλεί την νόσο οστεοπέτρωση 302. 36
3.ΔΙΑΠΛΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΟΥ ΣΚΕΛΕΤΟΥ Η διάπλαση και ανάπτυξη του σκελετού γίνεται σε δύο περιόδους, η πρώτη περίοδος αφορά την εμβρυϊκή ανάπτυξη και η δεύτερη περίοδος αφορά το χρονικό διάστημα μετά την γέννηση έως και την εφηβική ηλικία. Στη διάρκεια και των δύο αυτών περιόδων επέρχονται μεγάλες μεταβολές του σκελετού. Περισσότερο σημαντική είναι η εμβρυϊκή περίοδος και ιδιαίτερα οι πρώτες 8 εμβρυϊκές εβδομάδες διότι τότε πραγματοποιούνται όλες οι μικρομορφολογικές μεταβολές του σκελετού 168,272,300. Η καταβολή των οστών αρχίζει κατά τις πρώτες εμβρυικές εβδομάδες, με την εμφάνιση στο μεσέγχυμα πυκνώσεων, από τις οποίες προκύπτουν διαφοροποιημένα, πολυδύναμα, μεσεγχυματικά σκελετογόνα κύτταρα. Μερικά από τα κύτταρα αυτά μετατρέπονται σε ινοκύτταρα. Αυτά, παράγουν ινώδη μεσοκυττάριο ουσία η οποία οστεοποιείται (υμενογενής ή μεμβρανώδης οστεογένεση ή οστεοποίηση). Με τον τρόπο αυτό σχηματίζονται τα οστά του κρανίου. Το μεγαλύτερο μέρος του σκελετού όμως, διαπλάσεται με την μετατροπή του μεσεγχυματικού προτύπου σε χόνδρινο, το οποίο σε συνέχεια οστεοποιείται (ενδοχόνδρια οστεογένεση). Το χόνδρινο πρότυπο αυξάνεται σε μήκος με πολλαπλασιασμό των χονδρικών κυττάρων στο εσωτερικό του τμήμα (διάμεσο αύξηση), ενώ σε πάχος αυξάνεται με εναπόθεση στιβάδων χονδροκυττάρων από τους χονδροβλάστες του περιχονδρίου (αύξηση με εναπόθεση). Η ενδοχόνδρια οστεογένεση εξελίσσεται ως εξής: στο κεντρικό τμήμα του χόνδρινου προτύπου, τα χονδρικά κύτταρα υπερτρέφονται και παράγουν φωσφατάση, με επακόλουθο την τιτάνωση της μεσοκυττάριας ουσίας. Αυτό προκαλεί τον θάνατο των χονδροκυττάρων και το 37
σχηματισμό κοιλοτήτων. Στον ίδιο χρόνο παρατηρείται διείσδυση τριχοειδών αγγείων προς το περιχόνδριο που οδηγούν σε διαφοροποίηση των κυττάρων της έσω στιβάδας του, όχι πλέον προς χονδροβλάστες, αλλά προς πρωτογενή οστεογόνα κύτταρα και οστεοβλάστες που παράγουν οστούν (πρωτογενές οστικό περίβλημα). Οι οστεοβλάστες είναι απαραίτητοι παράγοντες της οστεογένεσης, γιατί μόνο τα κύττερα αυτά έχουν έχουν την ικανότητα παραγωγής της ειδικής μεσοκυττάριας ουσίας 299,302,303. Τριχοειδή αγγεία και οστεοβλάστες από την έσω στιβάδα του περιοστέου, εισδύουν τώρα προς το κέντρο του χόνδρινου προτύπου και σχηματίζουν τον πρωτογενή πυρήνα οστέωσης ή κέντρο οστεογένεσης της διάφυσης και παράγουν οστούν. Το νεοπαραγόμενο οστούν εναποτίθεται στα υπολείμματα του τιτανωμένου χόνδρου. Η οστεοποίηση επεκτείνεται και προς τα δύο άκρα του χόνδρινου προτύπου ως εξής: Τα χονδροκύτταρα που γειτονεύουν με το νεοσχηματιζόμενο οστούν της διάφυσης και στα δύο άκρα της, αρχίζουν να υπερτρέφονται, παράγουν φωσφατάση και η μεσοκυττάρια ουσία τιτανούται, με αποτέλεσμα τον θάνατο των χονδροκυττάρων. Η τιτανωμένη μεσοκυττάρια ουσία διασπάται και σχηματίζονται μικρές κοιλότητες, στις οποίες ταχύτατα εισβάλουν τριχοειδή και οστεοβλάστες από τον πυρήνα οστέωσης και προς τα δύο άκρα, και εναποθέτουν οστούν πάνω στα υπολείμματα της τιτανωμένης χόνδρινης ουσίας. Έτσι ενώ η οστεογένεση προχωρεί από το κέντρο της διάφυσης και προς τις δύο κατευθύνσεις, η αύξηση στα δύο άκρα του προτύπου συνεχίζεται με τον πολλαπλασιασμό και την εναπόθεση χονδροκυττάρων. Το οστούν που παράγετα από το περιόστεο δημιουργεί ένα ισχυρό εξωτερικό περιβλημα, ενώ το εσωτερικό σπογγώδες οστούν χάνει την στηρικτική του σημασία και με τη δράση οστεοκλαστών του ενδοστέου δημιουργείται η μυελική κοιλότητα. Η κοιλότητα αυτή πληρούται από κύτταρα από τα οποία θα προκύψουν τα ερυθρά και τα λευκά αιμοσφαίρια, όπως και τα αιμοπετάλια. 38
Η μυελική κοιλότητα δεν εκτείνεται μέχρι το άκρο του χόνδρινου προτύπου, αλλά χωρίζεται από αυτό με μία περιοχή σπογγώδους οστού, με δοκιδες που διατάσσονται κατά τον επιμήκη άξονα (μετάφυση). Στα μακρά οστά, εκτός από τον πυρήνα της διάφυσης, αναπτύσσονται, στο άκρα του χονδρινου προτύπου, ανά ένα κέντρο οστεογένεσης (πυρήνες οστέωσης της επίφυσης ή δευτερογενείς πυρήνες οστέωσης) 7. Από τους πυρήνες αυτούς διαπλάσσεται το οστούν των επιφύσεων των μακρών οστών. Ο σχηματισμός των δευτερογενών αυτών πυρήνων γίνεται με την ίδια διαδικασία όπως και στον πρωτογενή πυρήνα της μετάφυσης δηλαδή, υπερτροφία χονδροκυττάρων, παραγωγή φωσφατάσης, τιτάνωση χόνδρνης ουσίας, θάνατος χονδροκυττάρων, σχηματισμός κοιλοτήτων, εισβολή τριχοειδών αγγείων οστεογόνων κυττάρων και οστεοβλαστών και παραγωγή οστού 208,209. Η οστεοποίηση της επίφυσης προχωρεί από το κέντρο προς την περιφέρεια, αλλά οι περιφερικές στιβάδες του χόνδρου παραμένουν και αποτελούν τον αρθρικό χόνδρο. Οι πυρήνες οστέωσης των επιφύσεων εμφανίζονται μετά την γέννηση, με εξαίρεση τον πυρήνα της κάτω επίφυσης του μηριαίου, που εμφανίζεται ενδομητρίως και επισημαίνεται ακτινολογικά στα νεογνά. Με τις διεργασίες αυτές, το χόνδρινο πρότυπο αντικαθίσταται από οστίτη ιστό 54,299. Μεταξύ όμως του οστού της επίφυσης και του οστού της διάφυσης παραμένει μία δισκοειδής περιοχή χόνδρου, που αποτελεί τον συζευκτικό χόνδρο. Ο συζευκτικός χόνδρος παραμένει σε λειτουργία μέχρι την ηλικία της σκελετικής ωρίμανσης και εξασφαλίζει με ενδοχόνδριο οστέωση την κατά μήκος αύξηση του οστού. Και οι δύο τρόποι οστεογένεσης δηλαδή, υμενογενής και ενδοχόνδρια, μπορούν να συνυπάρχουν. Έτσι τα οστά που προήλθαν από ενδοχόνδρια οστεογένεση αυξάνονται σε πλάτος (περιμετρικά), με την εναπόθεση υποπεριοστικού οστού από το περιόστεο (υμενογενής οστεογένεση) 173. Η παραγωγή οστού αυτού του τύπου είναι μεγαλύτερη στην περιοχή κατάγματος, ή μετά από τοπική φλεγμονή (οστεομυελίτιδα) 39
75,299. Αντίθετα σε μεμβρανώδη οστά, όπως π. χ. η κλείδα εμφανίζεται κατά την ανάπτυξή της ένα είδος συζευκτικού χόνδρου στα δύο άκρα της και αυξάνεται κατά μήκος με ενδοχόνδρια οστεογένεση. Συμπερασματικά λοιπόν, σύμφωνα με όσα αναλυτικά αναφέρθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια, η αύξηση των μακρών οστών που αρχίζει από τον πρωτογενή πυρήνα οστέωσης της διάφυσης, συνεχίζεται σε τρία σημεία: α). Αύξηση των επιφύσεων η οποία πραγματοποιείται από τον δευτερογενή πυρήνα οστέωσης. Από τον χρόνο που εμφανίζονται οι πυρήνες οστέωσης μπορεί να καθορισθεί ακτινολογικά η σκελετική ηλικία ενός ατόμου. β). Αύξηση σε μήκος η οποία πραγματοποιείται κυρίως στον συζευκτικό χόνδρο. Στα αρχικά στάδια, και πριν ωριμάσει ο δευτερογενής πυρήνας οστέωσης, στο επίπεδο του συζευκτικού χόνδρου πραγματοποιείται και κατά πλάτος αύξηση των οστών, αλλά αυτή αργότερα γίνεται μόνο στη ζώνη του Ranvier. Η ζώνη αυτή είναι μια δακτυλιοειδής περιοχή που περιβάλλει το συζευκτικό χόνδρο και αποτελείται από κολλαγόνες ίνες, θεμέλια ουσία, προοστεοβλάστες και γενικά αρχέγονα οστεοπαραγωγά κύτταρα, αγγεία του περιχονδρίου και μια λεπτή εξωτερική στιβάδα οστού, που αποτελεί την συνέχεια του οστού της μετάφυσης. γ). Αύξηση σε πλάτος (περιμετρική) των διαφύσεων. Η αύξηση των οστών σε πάχος γίνεται με την εναπόθεση νέων στιβάδων πάνω στις προυπάρχουσες και γίνεται από το περιόστεο. 40
4. ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΤΜΗΜΑΤΩΝ ΤΩΝ ΜΑΚΡΩΝ ΟΣΤΩΝ Στα μακρά αυλοειδή οστά των παιδιών διακρίνονται τα εξής τμήματα: 1) η διάφυση, 2) η μετάφυση, 3) η επίφυση, και 4) ο συζευκτικός χόνδρος. 1) Διάφυση: Αποτελείται κυρίως από φλοιώδες οστούν και περιβάλλεται από περιόστεο, το οποίο έχει όχι μόνο οστεογενετικές ικανότητες, αλλά επίσης χρησιμεύει και για την πρόσφυση μυϊκών ινών. Επιπροσθέτως έχει στηρικτικές ικανότητες του μακρού οστού στην περίπτωση κατάγματος. 2) Μετάφυση: Αποτελεί το διογκωμένο πέρας της διάφυσης και χαρακτηρίζεται από την παρουσία λεπτού φλοιώδους οστού, και αυξημένη ποσότητα δοκιδώδους ή σπογγώδους οστού. Η πορώδης υφή της μετάφυσης συνεχίζει να υπάρχει μέχρι την οστική ωρίμανση. Το οστούν της μετάφυσης παρουσιάζει μεγάλη δραστηριότητα και αναγεννητική ικανότητα. 3) Επίφυση: Πριν από την εμφάνιση του δευτερογενούς πυρήνα οστέωσης, η επίφυση είναι χόνδρινη και ονομάζεται και χονδροεπίφυση. Μετά την εμφάνιση του πυρήνα οστέωσης, ονομάζεται οστεοχόνδρινη επίφυση. Ο πυρήνας μεγεθύνεται προοδευτικά και καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος της επίφυσης. Προς την πλευρά της μετάφυσης, το περίγραμμά του τροποποιείται και αρχίζει να εμφανίζεται ο συζευκτικός χόνδρος. 4) Συζευκτικός χόνδρος: Ο συζευκτικός χόνδρος είναι το σημαντικότερο τμήμα του οστού του παιδιού γιατί επιτελεί το μεγαλύτερο και σπουδαιότερο μέρος της ενδοχόνδριας οστεογέννεσης. Η γραμμή του συζευκτικού χόνδρου παραμένει ακτινοδιαπερατή 41
μέχρι την οστική ωρίμανση και αποτελεί σπουδαίο ακτινολογικό οδηγό σημείο. Η παρουσία και το σχήμα του γίνονται ακτινολογικά αντιληπτά από το ακτινοδιαυγαστικό διάστημα μεταξύ του πέρατος της μετάφυσης και του πυρήνα οστέωσης της επίφυσης. Το σχήμα του πυρήνα οστέωσης της επίφυσης αλλάζει με την αύξησή του, ενώ τα όριά του προς την πλευρά του συζευκτικού χόνδρου πραγματοποιούται παράλληλα προς αυτόν 30,31. Σε μερικές επιφύσεις, όπως του άνω άκρου του βραχιονίου οστού και του άνω άκρου του μηριαίου οστού, το περίγραμμα του συζευτικού χόνδρου αλλάζει σχήμα με την πρόοδο της ανάπτυξης του σώματος και από εγκάρσιο γίνεται κυρτό. Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες συζευτικών χόνδρων: οι επίπεδοι ή δισκοειδείς, που παρατηρούνται στα μακρά οστά, και οι σφαιρικοί που παρατηρούνται στα βραχέα οστά του καρπού, του ταρσού κτλ. Η ηλικία εμφάνισης δευτερογενούς πυρήνα οστέωσης, όπως και η ηλικία σύγκλεισης των συζευτικών χόνδρων, ποικίλλει στα διάφορα οστά, πρέπει όμως να είναι γνωστή στον κλινικό ιατρό, γιατί βοηθά στην ορθή διάγνωση των κακώσεων των επιφύσεων των παιδιών 299.301,302. Ιστολογία και μορφολογία του συζευτικού χόνδρου: Η βασική κυτταροαρχιτεκτονική του συζευκτικού χόνδρου έχει διαμορφωθεί κατά τον 4ο εμβρυϊκό μήνα στο ανθρώπινο έμβρυο και παραμένει σχεδόν αμετάβλητη, μέχρι τη σκελετική ωρίμανση. Η διεργασία ανάπτυξης του συζευκτικού χόνδρου και της ενδοχόνδριας οστεογένεσης συνοπτικά έχει ως ακολούθως: Στο συζευκτικό χόνδρο παρατηρούνται μικροσκοπικά 3 ζώνες: Η πρώτη ζώνη (ζώνη αύξησης του χόνδρου), είναι η περιοχή όπου επιτελείται τόσο η κατά μήκος, όσο και η κατά πλάτος αύξηση του οστού. Στη ζώνη αυτή παρατηρούνται τα εξής: Τα αμέσως υπό το οστούν της επίφυσης κύτταρα της βλαστικής στιβάδας του συζευκτικού χόνδρου ( εν ηρεμία χόνδρος) πολλαπλασιάζονται συνεχώς, επεκτείνονται προς την 42
πλευρά της μετάφυσης (στιβάδα πολλαπλασιαζομένων κυττάρων) και διατάσσονται σε κάθετους στοίχους (στιβάδα στοιχωτών κυττάρων). Οι στοίχοι αυτοί συγκρατούνται μεταξύ των με την ανάπτυξη δεσμών κολλαγόνου που έχουν επιμήκη διάταξη 299. Αμέσως περιφερικά, στη δεύτερη ζώνη (μεταβατική ζώνη ή ζώνη ωρίμανσης) παρατηρούνται τα εξής: Τα πιο προωθημένα από τα κύτταρα υπερτρέφονται (ζώνη υπερτροφικών κυττάρων), παράγουν φωσφατάση και εκφυλίζονται, ενώ αρχίζει η εναπόθεση αλάτων ασβεστίου στην θεμέλια ουσία (στιβάδες εκφύλισης και τιτάνωσης). Η τροφοδοσία των χονδρικών κυττάρων διακόπτεται και τα χονδρικά κύτταρα υποστρέφονται και θνήσκουν με την διαδικασία της κυτταρικής απόπτωσης 10,198,299. Τα επιφυσιακά αγγεία χορηγούν κλάδους προς τα χονδροκύτταρα της επίφυσης, τον πυρήνα οστέωσης της επίφυσης και τα κύτταρα της βλαστικής στιβάδας του συζευκτικού χόνδρου. Οι υπόλοιπες στιβάδες της ζώνης αύξησης και της μεταβατικής ζώνης διατρέφονται με διήθηση διαμέσου της θεμέλιας ουσίας. Τα μεταφυσιακά αγγεία χορηγούν κλάδους προς τις περιφερικές στιβάδες της μεταβατικής ζώνης. Στην τρίτη ζώνη (ζώνη οστεοποίησης) παρατηρείται ότι πολυδύναμα μεσεγχυματικά κύτταρα τα οποία διαφοροποιούνται σε οστεοβλάστες παράγουν οστούν πάνω στα αποτιτανωμένα χόνδρινα υπολείμματα των επιμήκων μεσοκυτταρίων δεσμών του κολλαγόνου και ενδοθηλιακά κύτταρα προερχόμενα από το τοίχωμα των τριχοειδών αγγείων εισβάλλουν μέσω της στιβάδας της αγγειακής δίείσδυσης και σχηματίζουν την αγγειακή τροφοδοσία στο νεοσχηματιζόμενο οστούν. Οι οστεοβλάστες παράγουν άφθονο οστεοειδές, το οποίο αποτελείται από μη οστεοποιημένη θεμέλια ουσία, η οποία ωστόσο ταχύτατα οστεοποιείται (στιβάδα οστεοποίησης). Έτσι, στο επίπεδο του συζευκτικού χόνδρου, η διάμεση αύξηση των χονδροκυττάρων τείνει να απομακρύνει το οστούν της επίφυσης από το οστούν της μετάφυσης. Εν τούτοις, το μήκος του συζευκτικού χόνδρου 43