Tóm tắt
Hệ cơ xương bao gồm xương và các cấu trúc mô liên kết, chẳng hạn như sụn, dây chằng và gân. Các cấu trúc này được vận động bởi cơ xương. Để chống lại các lực tác động, mô xương có khả năng kháng lại áp lực, sức căng và có tính đàn hồi thấp. Mô xương chủ yếu bao gồm các tế bào xương (tạo cốt bào, bào cốt bào và hủy cốt bào) và một ma trận ngoại bào khoáng hóa, thành phần chính là các sợi collagen và tinh thể hydroxyapatite. Quá trình cốt hóa, hay sự hình thành xương, bắt đầu từ một khung cấu tạo bởi mô liên kết trung mô (cốt hóa màng) hoặc sụn (cốt hóa sụn). Ban đầu, xương sợi được hình thành, sau đó được thay thế bằng xương phiến bền vững và có cấu trúc phân lớp hơn. Các lớp vỏ xương bên ngoài có thể được phân biệt về mặt đại thể với vùng trung tâm phân nhánh của các bè xương.
Tổng quan
Chức năng của xương
- Chức năng nâng đỡ
- Chức năng bảo vệ
- Dự trữ (kho dự trữ canxi và phốt pho)
- Quá trình tạo máu
Phân loại xương
- Xương dài: bao gồm xương đùi, xương cánh tay, xương trụ, xương quay, xương mác, xương chày, xương bàn tay và xương ngón
- Đầu xương
- Bao gồm xương đặc bao quanh xương xốp
- Là đầu gần hoặc đầu xa của một xương dài với các bè xương sắp xếp dọc theo các đường chịu lực
- Sự tăng trưởng chiều dài của xương dài ở trẻ em và người lớn diễn ra tại đầu xương (sụn tăng trưởng/đĩa sụn đầu xương).
- Chứa bề mặt khớp của xương
- Hành xương: vùng nằm giữa đầu xương và thân xương
- Thân xương
- Phần thân của một xương dài (vùng trung tâm)
- Bao gồm xương đặc và khoang tủy, nơi dự trữ tủy xương
- Mấu xương: các phần nhô ra lớn của xương, nơi bám của dây chằng và gân
- Đầu xương
- Xương ngắn: bao gồm các xương cổ chân và xương cổ tay
- Xương dẹt
- Bao gồm xương bả vai, xương ức, xương sườn và hầu hết các xương sọ
- Cấu tạo bởi hai lớp xương đặc bao quanh xương xốp và tủy xương
- Xương vừng
- Là những xương phát triển bên trong gân (ví dụ: xương bánh chè)
- Có chức năng làm giảm ma sát của gân và hạn chế sự mài mòn quá mức
- Xương không đều
- Bao gồm xương cùng, xương cụt, các đốt sống, xương hàm dưới, xương khẩu cái, xương móng và xương thái dương
- Có nhiều chức năng bao gồm:
- Làm nơi bám cho gân của các cơ
- Bảo vệ (ví dụ: các đốt sống bảo vệ tủy sống)
Thành phần cấu tạo của xương
Tổng quan
Thành phần cấu tạo hoặc cách tổ chức cụ thể của từng thành phần xương sẽ khác nhau tùy theo loại xương và giai đoạn trưởng thành. Tất cả các xương ở người đều được cấu tạo từ các thành phần cơ bản sau:
- Tế bào xương: xây dựng và tái cấu trúc xương
- Chất nền xương: bao gồm các thành phần hữu cơ và vô cơ
- Màng xương: bao phủ bề mặt trong và ngoài của xương
- Tủy xương: hoặc tham gia tích cực vào quá trình tạo máu (tủy đỏ) hoặc chủ yếu được thay thế bằng các tế bào mỡ (tủy vàng)
Tế bào xương
| Đặc điểm của các tế bào xương | |||
|---|---|---|---|
| Định nghĩa | Chức năng | Vị trí | |
| Tế bào tiền thân xương |
|
|
|
| Tế bào tạo xương |
|
|
|
| Tế bào xương |
|
|
|
| Tế bào hủy xương |
|
|
|
Chất nền xương
Bao gồm vật chất hữu cơ và vô cơ:
- Hữu cơ
- Collagen tuýp 1
- Chất nền: chondroitin sulfate và keratan sulfate
- Glycoprotein (ví dụ: osteocalcin, osteopontin) và proteoglycan: liên kết với hydroxyapatite và các phân tử integrin trên hủy cốt bào và tạo cốt bào
- Vô cơ
- Hydroxyapatite: các muối canxi phosphate hydroxyl bám vào các sợi collagen dưới dạng tinh thể, giúp tăng khả năng chịu lực nén
- Các ion khác nhau (ví dụ: canxi, phosphate, magie, bicarbonate, citrate, kali và fluoride)
Màng xương
- Màng ngoài xương: một màng mô liên kết bao phủ bề mặt ngoài của xương gồm hai lớp riêng biệt
- Lớp tăng trưởng (cambium): lớp trong có mạch máu và thần kinh (rất nhạy cảm với đau), được lót bởi các tế bào xương
- Lớp xơ: lớp ngoài bao gồm mô liên kết, nơi các sợi Sharpey đi sâu vào trong xương
- Màng nội cốt
- Một lớp màng lót bề mặt trong của xương (ví dụ: xương xốp hoặc ống Havers)
- Cấu tạo: lớp collagen mỏng (không khoáng hóa) được lót bởi các tế bào xương
Màng ngoài xương và màng nội cốt bao gồm cùng một loại tế bào xương.
Tủy xương
- Tủy đỏ (tủy tạo máu): chủ yếu ở các xương ngắn, xương dẹt và một phần ở đầu xương của các xương dài ở người trưởng thành
- Tủy vàng (dự trữ mỡ): chủ yếu lấp đầy khoang tủy của các xương dài ở người trưởng thành
- Để biết thêm chi tiết về tủy xương, xem “Những kiến thức cơ bản về huyết học”.
Sự phát triển và trưởng thành
Phát triển của xương
- Xương có nguồn gốc từ trung mô.
- Bộ xương trục phát sinh từ trung mô cạnh trục.
- Bộ xương treo phát sinh từ trung mô tấm bên.
Quá trình cốt hóa
| Tổng quan về quá trình cốt hóa | ||
|---|---|---|
| Cốt hóa sụn | Cốt hóa màng | |
| Định nghĩa |
|
|
| Quá trình |
|
|
| Ví dụ |
|
|
Xương sọ trải qua cả hai quá trình: một số xương (ví dụ: xương trán, xương đỉnh) có nguồn gốc từ mào thần kinh và trải qua cốt hóa màng, trong khi các xương khác (ví dụ: xương bướm, xương chẩm) có nguồn gốc từ trung mô cạnh trục và trải qua cốt hóa sụn.
Các giai đoạn trưởng thành của xương
Xương được sắp xếp thành xương sợi (xương sơ cấp) trong quá trình phát triển phôi thai hoặc trong quá trình chữa lành xương. Cấu trúc của xương sợi không có tổ chức và sẽ được chuyển đổi thành mô có tổ chức của xương lá (xương thứ cấp) thông qua quá trình tái cấu trúc liên tục.
| Các giai đoạn trưởng thành của xương | ||
|---|---|---|
| Xương dệt | Xương phiến | |
| Định nghĩa |
|
|
| Mô học |
|
|
| Đặc điểm |
|
|
| Tái cấu trúc |
|
|
Hướng của các sợi collagen trong chất nền ngoại bào của xương là đặc điểm phân biệt quan trọng giữa xương sợi chưa trưởng thành và xương lá trưởng thành.
Xương bè (xương xốp hoặc xương tổ ong)
- Định nghĩa: các đơn vị hình lưới mỏng (bè xương) nằm bên trong xương lá
- Đặc điểm
- Các bè xương sắp xếp dọc theo các lực nén và lực kéo lớn (hướng quỹ đạo lực).
- Tủy xương nằm trong khoảng gian bè của xương bè.
Xương vỏ (xương đặc)
- Định nghĩa: lớp vỏ đồng nhất và đặc của xương lá
- Thành phần chính
- Đơn vị xương (Osteon)
- Định nghĩa: các lá xương đồng tâm với một ống Havers ở trung tâm
- Hướng: nhiều lá xương đồng tâm với các sợi collagen thay đổi hướng từ lá này sang lá khác
- Ranh giới: đường xi măng (cement lines)
- Các lá xương kẽ
- Là tàn tích của các osteon bị phá hủy một phần
- Phân tách các osteon với nhau
- Các lá xương chu vi: tạo ra ranh giới ngoài và trong cho xương vỏ thông qua ít nhất một lớp lá xương
- Đơn vị xương (Osteon)
Sự mạch máu hóa và các ống của xương lá
- Các ống xương và mạch máu liên quan
- Ống Havers: ống nằm ở trung tâm của osteon, chứa các mạch Havers cung cấp máu cho xương
- Ống Volkmann (kênh xuyên): các ống tỏa ra từ màng xương, vuông góc với các mạch Havers và được cung cấp bởi các mạch Volkmann
Đường đi của các mạch máu trong xương lá được xác định nghiêm ngặt bởi cấu trúc ống Havers và ống Volkmann. Ngược lại, các mạch máu trong xương sợi sắp xếp không có tổ chức.
Phát triển của xương dài
- Trung tâm cốt hóa sơ cấp: thân xương
- Hình thành cổ xương
- Cốt hóa sụn
- Trung tâm cốt hóa thứ cấp: đầu xương
- Thời điểm: ngay trước hoặc sau khi sinh
- Quá trình: cốt hóa sụn, tương tự như ở thân xương
- Các phân đoạn không cốt hóa
- Bề mặt khớp
- Đĩa sụn tăng trưởng
- Sự tăng trưởng chiều dài của xương dài
- Tế bào sụn tăng sinh tại đĩa sụn tăng trưởng → tăng trưởng chiều dài, đẩy đầu xương ra xa thân xương
- Mô sụn bị thoái hóa và được thay thế bằng mô xương từ khoang tủy.
- Vùng tăng sinh tiến triển với cùng vận tốc với vùng cốt hóa.
- Các tế bào sụn ngừng tăng sinh và xương thay thế sụn (vùng cốt hóa) trong một quá trình gọi là đóng đĩa sụn tăng trưởng.
Đĩa sụn tăng trưởng
Là phần của xương nơi diễn ra sự tăng trưởng chiều dài. Các lớp bao gồm (từ đầu xương đến thân xương):
- Vùng sụn nghỉ: chứa các tiền tế bào sụn chưa biệt hóa, cung cấp các tế bào sụn mới cho vùng tăng sinh
- Vùng tăng sinh: nguyên phân của các tế bào sụn
- Quá trình tăng sinh
- Các tế bào sụn cùng nguồn (isogenic) xếp chồng lên nhau theo chiều dọc (mỗi tế bào sụn nằm trong một ổ nhỏ riêng biệt).
- Trong cột, các tế bào sụn trưởng thành theo hướng tăng trưởng.
- Tế bào sụn phình to và sản xuất chất nền ngoại bào.
- Sự phân tách tế bào sụn
- Theo chiều dọc (với tế bào cùng nguồn lân cận): vách ngang
- Theo chiều ngang (với tế bào khác nguồn lân cận): vách dọc
- Quá trình tăng sinh
- Vùng phì đại: làm tăng kích thước sụn thông qua sự phì đại của tế bào sụn, dẫn đến việc sản xuất collagen (type X) bởi các tế bào sụn phì đại và khoáng hóa các vách dọc
- Vùng vôi hóa
- Chức năng
- Mở các ổ sụn bằng cách loại bỏ các vách ngang
- Chết tế bào theo chương trình (apoptosis) của các tế bào sụn phì đại
- Quá trình
- Tiết yếu tố tăng trưởng nội mô mạch máu (VEGF) và metalloproteinase nền bởi các tế bào sụn
- Mạch máu và đại thực bào di chuyển đến → các vách ngang bị bào mòn
- Hệ quả
- Các cột khoáng hóa còn lại (vách dọc đã cốt hóa).
- Khoảng ⅓ vách dọc được giữ lại, các vách còn lại bị phá hủy bởi hủy sụn bào.
- Chức năng
- Vùng cốt hóa: sự xâm nhập của các tạo cốt bào vào các vách dọc đã khoáng hóa → hình thành chất xương con (osteoid) → khoáng hóa
Tái cấu trúc và chữa lành xương
Khung xương người luôn ở trong trạng thái tái cấu trúc động liên tục. Điều này không chỉ áp dụng cho việc thay thế xương sợi chưa trưởng thành bằng xương phiến, mà còn để thích nghi với tải trọng riêng biệt của xương ở người trưởng thành.
Tái cấu trúc xương
- Các tế bào tham gia
- Hủy cốt bào: phân hủy mô xương bằng cách tiết collagenase và ion H+
- Tạo cốt bào
- Xây dựng mô xương bằng cách tiết collagen tuýp I
- Hoạt động được đánh giá thông qua sự gia tăng ALP xương, osteocalcin và các propeptide của procollagen tuýp I
- Thời gian: thường dài hơn tuổi thọ của các tế bào liên quan (sự thay thế liên tục các tế bào tham gia)
Tạo cốt bào (Blasts) xây dựng, Hủy cốt bào (Clasts) phân hủy.
Tái cấu trúc ở xương vỏ
- Sự phân hủy
- Các hủy cốt bào tổ chức thành một đơn vị đa bào cơ bản (BMU) và đào một đường hầm trong xương vỏ.
- Các mạch máu mô liên kết và dây thần kinh không có bao myelin phát triển trong đường hầm này.
- Sự hình thành
- Các hủy cốt bào được thay thế bởi các tạo cốt bào → lắng đọng lớp chất xương con (osteoid) đầu tiên trong đường hầm
- Các tạo cốt bào tiếp theo sẽ lắng đọng chất xương con lên trên lớp đầu tiên → các tạo cốt bào của lớp thứ nhất bị bao bọc lại → tạo cốt bào trở thành tế bào xương
- Quá trình lắng đọng được lặp lại cho đến khi đường hầm gần như lấp đầy → ống Havers trung tâm vẫn mở
- Thế hệ tạo cốt bào trong cùng (tức là cuối cùng) không bị bao bọc → các tế bào trở về trạng thái nghỉ và tạo thành nội cốt mạc
- Khoáng hóa: diễn ra nối tiếp nhau
- Tạo cốt bào tiết collagen và các túi tiết vào ma trận ngoại bào.
- Các túi tiết chứa các enzyme (ví dụ: phosphatase kiềm), giúp tăng nồng độ phosphate tại chỗ (ví dụ: bằng cách phân cắt pyrophosphate).
- Các phân tử liên kết canxi trong túi tiết nhiều khả năng đóng vai trò là điểm hội tụ.
- Hình thành ban đầu các tinh thể hydroxyapatite xung quanh điểm hội tụ trong túi tiết
- Các tinh thể phát triển độc lập cho đến khi xuyên qua màng túi tiết
- Giải phóng các tinh thể vào ma trận ngoại bào
- Sự phát triển của các tinh thể trong ma trận ngoại bào và sự tích tụ của các sợi collagen
Tái cấu trúc ở xương xốp
- Sự phân hủy
- Các hủy cốt bào tổ chức thành các hốc Howship (những vết lõm nhỏ trên bề mặt xương xốp). Chúng di chuyển để tiêu xương xốp và tạo một vòng niêm phong chặt chẽ xung quanh vùng tiêu xương.
- Hủy cốt bào sản xuất proton thông qua enzyme carbonic anhydrase.
- Tiết ion chloride (thụ động) và proton (chủ động, thông qua ATPase) vào hốc Howship, tạo ra môi trường acid (~ pH 4,5) → hòa tan các thành phần vô cơ của xương
- Tiết các enzyme lysosome (đặc biệt là cathepsin K và matrix metalloproteinases) → phân hủy các thành phần hữu cơ của xương
- Thực bào/vận chuyển xuyên bào các thành phần xương
- Sự hình thành
- Lấp đầy các khoảng trống bằng các nhóm tạo cốt bào → bị bao bọc dưới mỗi phiến xương (khi đó được gọi là tế bào xương)
- Nhóm tạo cốt bào cuối cùng tồn tại như một phần của nội cốt mạc trên bề mặt xương.
Điều hòa tái cấu trúc xương
- RANK (thụ thể hoạt hóa yếu tố nhân κB): thụ thể trên hủy cốt bào và tiền thân hủy cốt bào, dùng để tương tác với tạo cốt bào
- RANKL (phối tử của thụ thể hoạt hóa yếu tố nhân κB)
- Protein gắn màng của tạo cốt bào, kích thích hủy cốt bào bằng cách tương tác với RANK
- Đảm bảo sự hợp nhất và biệt hóa thành các hủy cốt bào hoạt hóa và ngăn chặn quá trình apoptosis (chết tế bào theo chương trình) của chúng
- Osteoprotegerin (OPG)
- Một protein điều hòa do tạo cốt bào tiết ra, có khả năng liên kết với RANKL
- Ức chế tương tác RANK-RANKL, dẫn đến giảm hoạt động của hủy cốt bào
- M-CSF (yếu tố kích thích colony đại thực bào)
- Do tạo cốt bào tiết ra
- Thúc đẩy sự tăng sinh của các tế bào tiền thân hủy cốt bào
- Sự liên kết và hợp nhất đồng thời của M-CSF và RANKL trên bề mặt các tiền thân hủy cốt bào ở màng hoạt dịch → biệt hóa các tiền thân hủy cốt bào thành hủy cốt bào
- Tải trọng cơ học
- Tải trọng lên xương dẫn đến tăng khối lượng xương.
- Thiếu tải trọng (ví dụ: do nằm bất động tại giường) dẫn đến giảm khối lượng xương.
- Phản hồi âm bởi hủy cốt bào: các yếu tố tăng trưởng được nhúng trong ma trận xương và được giải phóng trong quá trình phân hủy bởi hủy cốt bào → kích thích tạo cốt bào
- Hormone
- Tác động của PTH (hormone tuyến cận giáp)
- Ở nồng độ thấp: tăng hình thành xương và tăng apoptosis của hủy cốt bào → giảm tiêu xương (tác dụng đồng hóa)
- Ở nồng độ cao (ví dụ: cường tuyến cận giáp nguyên phát): hoạt hóa hủy cốt bào → tăng tiêu xương (tác dụng dị hóa) → loãng xương hoặc viêm xương xơ nang
- Tác động của Estrogen
- Ức chế apoptosis của tạo cốt bào, dẫn đến tăng hình thành xương
- Kích thích apoptosis của hủy cốt bào, dẫn đến giảm tiêu xương
- Kích thích đóng sụn tăng trưởng (đĩa sụn đầu xương) ở tuổi dậy thì
- Thiếu hụt estrogen (ví dụ: sau mãn kinh hoặc sau khi cắt hai bên buồng trứng) dẫn đến tăng tiêu xương, có thể gây ra loãng xương.
- Tác động của PTH (hormone tuyến cận giáp)
- Vitamin D
- Kích thích sự biệt hóa của tạo cốt bào và hủy cốt bào
- Hoạt hóa tạo cốt bào → tăng hình thành và khoáng hóa xương
- Thuốc
- Bisphosphonates ức chế hủy cốt bào → được dùng để điều trị loãng xương
- Glucocorticoids kéo dài tuổi thọ hủy cốt bào → tăng tiêu xương
Estrogen có tác dụng tích cực đối với cân bằng xương vì nó ức chế sự hình thành và hoạt hóa hủy cốt bào, đồng thời tăng hình thành OPG.
Chữa lành xương
Gãy xương xảy ra khi xương bị căng quá mức tải trọng tối đa. Xương gãy có thể chữa lành theo hai cách khác nhau.
- Chữa lành xương nguyên phát
- Xảy ra khi hai đầu xương gãy nằm rất sát nhau (khoảng cách < 1 mm), ví dụ: khi được cố định bằng phẫu thuật
- Xương phiến có thể được hình thành trực tiếp trong khe gãy (chữa lành khe hở).
- Chữa lành xương thứ phát
- Xảy ra khi khoảng cách giữa các đầu xương gãy lớn hơn
- Sự kết nối ban đầu của khe gãy được hình thành bằng mô liên kết hoặc sụn (can xơ sụn).
- Chuyển thành xương sợi (can xương) thông qua quá trình cốt hóa sụn
- Trải qua nhiều tháng, xương sợi từ từ được tái cấu trúc thành xương phiến bền vững.
- Khớp giả: có thể xảy ra nếu quá trình chữa lành bị rối loạn vĩnh viễn do sự di động của các đầu xương gãy (ví dụ: do cố định không đủ)
Trong thời thơ ấu hoặc tuổi vị thành niên, một vết gãy gần khớp có thể làm tổn thương sụn tăng trưởng chưa đóng, dẫn đến rối loạn tăng trưởng (ví dụ: bất đối xứng, ức chế hoặc tăng tốc) trong quá trình chữa lành.
Ý nghĩa lâm sàng
- Loãng xương
- Nhuyễn xương và còi xương
- Bệnh Paget
- Gãy xương