Методы изучения физического развития

Перед началом изучения данных роста важно получить представле­ние о методах получения этих данных. Существует два основных подхода в изучении физического роста. Первый основывается на технике измерения живых организмов (включая людей), где сами измерения не наносят ущерба организму и оставляют возможность проведения повторных измерений в другое время. Второй подход включает в себя проведение экспериментов по манипуляции роста. Это подразумевает детальное изучение подопытного, которое мо­жет иметь разрушительные последствия. По этой причине такие эксперименты запрещено проводить на людях.

 

Рис. 2-9. Краниометрические исследования основаны на измерениях между ориентирами на сухих черепах, обычно находившихся среди остан­ков первобытных людей. Классическим краниометрическим измерением является ширина отрезка между обеими скуловыми костями, как показано на снимке. Краниометрия остается важным инструментом изучения доис­торических популяций.

 

Измерительные подходы

Первым методом измерения для изучения роста, с которого нача­лась такая наука, как физическая антропология, является краниоме­трия, основанная на измерении черепов, найденных среди челове­ческих останков (рис. 2-9). Краниометрия изначально использова­лась для изучения неандертальцев и кроманьонцев, черепа которых были найдены в пещерах Европы в XVIII и XIX веках. Из этого ске­летного материала по крупицам собирались знания о вымерших популяциях и об их моделях развития при помощи сравнения чере­пов. Преимуществом краниометрии было то, что достаточно точ­ные измерения производились на сухих черепах; но ее важным не­достатком для изучения роста было то, что все данные о росте были кросс-секционными.

Кросс-секционные — это значит, что хотя в популяции присутствуют разные возрастные группы, один и тот же индивидуум может быть измерен только в одной точке времени. Также возможно проводить измерения скелета на живых людях. В данной технике, названной антропометрией, различные ориен­тиры на сухих черепах измеряются просто по мягким тканям, по­крывающим эти костные ориентиры. Например, можно измерить длину черепа от переносицы до задней наиболее выпуклой части затылка. Это измерение может быть произведено как на высушен­ном черепе, так и на живом человеке, но результаты будут разными из-за толщины слоя мягкой ткани на обоих ориентирах. Хотя из-за мягких тканей возникают отклонения, антропометрия дает воз­можность непосредственно отслеживать развитие, производя регу­лярные измерения у одного человека через определенные проме­жутки времени. В последние годы антропометрические исследова­ния Farkas предоставили новые данные о лицевых пропорциях че­ловека и их изменении с течением времени¹.

Третья измерительная техника, цефалометрическая рентгеноло­гия, имеет большое значение не только в исследовании роста, но и в клинической оценке состояния ортодонтических пациентов. Эта техника требует точной фиксации головы перед снимком и уве­личением. Этот подход имеет преимущества как краниометрии, так и антропометрии. Он позволяет производить непосредственные измерения костей, поскольку они видны сквозь мягкие ткани на снимке (рис. 2-10), но также позволяет следить за развитием инди­видуума с течением времени. Недостатком цефалометрической рентгенографии является двухгогоскостное изображение трехмер­ной структуры, и поэтому даже при точной фиксации головы воз­можны не все измерения.

Рис. 2-10. Цефалометрическая рентгенография получила название благодаря использованию устройства фиксации головы для обеспечения ее точной ориентации. Это позволяет производить сравнение внешних и внутренних измерений представителей одной группы людей или измерять одного и того же индивидуума в разное время, поскольку есть возможность повторить точное положение головы. Данный снимок сделан при естественном положении головы (NHP). Обратите внимание на цепочку, обозначающую вертикаль. В по­ложении NHP естественная горизонталь должна быть перпендикулярна вертикальной цепочке (см. главу 6).

В некоторой степени это можно преодолеть с помощью не­скольких рентгеновских снимков, сделанных из разных положений и используя триангуляцию для расчета наклонных расстояний. Об­щая модель черепно-лицевого развития была выведена при помо­щи краниометрических и антропометрических исследований до изобретения цефалометрической рентгенографии, но большинство современных изображений черепно-лицевого развития основано на цефалометрических исследованиях.

 

Рис. 2-11. При изображении в виде графика на хронологической шкале данных скорости роста группы индивидуумов с различными сроками под­росткового скачка в развитии становится ясным, что средняя кривая не от­ражает ни одну модель роста конкретного индивидуума. Такое сглаживание индивидуальных вариаций характерно для статичных данных и ограничи­вает использование статичного метода для изучения роста. Только при ис­следовании индивидуумов с течением времени в рамках динамичного ис­следования представляется возможным увидеть детали модели роста.

 

Как антропометрические, так и цефалометрические данные мо­гут быть выражены лишь в статичном, а не динамичном аспекте. Очевидным является то, что гораздо проще и быстрее производить статичные исследования, собирая данные по нескольким индивиду­умам различных возрастов, чем тратить многие годы на изучение ре­гулярных измерений одного человека. По этой причине большин­ство исследований статичны. Однако при использовании данного подхода за вариативностью могут скрываться особенности модели роста, в частности, когда отсутствует коррекция отклонения по сро­кам (рис. 2-11). Скачки кривой роста, которые могут происходить почти у каждого индивидуума, могут наблюдаться при статичном исследовании, только если они совпадают по времени у каждого ис­следуемого, что маловероятно. Динамичные исследования эффек­тивны в том смысле, что большой объем информации может быть получен при исследовании относительно небольшого числа субъек­тов, меньшего, чем требовалось бы для статичного исследования. Кроме того, динамичные данные отражают индивидуальные откло­нения, то есть отклонения, произошедшие под влиянием времени.

Данные измерений могут быть графически представлены раз­ными способами, и часто появляется возможность проследить изменения в развитии, варьируя методы их отражения. Например, мы уже видели, что данные роста могут быть представлены в виде изо­бражения функции возраста, что называется «дистанционная» кри­вая или кривая «скорости», отражающая не общую длину, а ежегодный прирост (см. рис. 2-6).

 

Рис. 2-12. Данные увеличения массы раннего эмбриона; необработанные данные изображены в виде графика черного цвета, а те же данные после ло­гарифмической трансформации — в виде графика красного цвета. На дан­ном этапе происходит резкое увеличение массы эмбриона, но прямая ли­ния графика после трансформации свидетельствует о том, что степень деле­ния клеток остается практически постоянной. При большем числе клеток происходит больше делений и масса увеличивается быстрее. (Цит. по: Lowery GH: Growth and development of children, ed 8, Chicago, 1986, Mosby.)

 

Изменения в степени роста легче про­следить на кривой скорости, чем на дистанционной кривой. Раз­личные другие математические трансформации могут быть приме­нены к данным роста для облегчения их понимания. Например, прибавление в массе эмбриона на ранней стадии идет по логариф­мической или экспоненциальной кривой, потому что развитие ба­зируется на делении клеток: чем больше клеток, тем больше проис­ходит делений. Если график строится на основе одних и тех же дан­ных с использованием логарифма массы, получается прямолиней­ный график (рис. 2-12). Это указывает на то, что степень размноже­ния клеток эмбриона остается более или менее постоянной.

 

Рис. 2-13. В начале 1900-х годов D'Arcy Thompson продемонстрировал математическую трансформацию сетки лицевой модели от человека (А) до шимпанзе (В), обезьяны (С), собаки (D) или других животных. Исполь­зование данного метода выявило доселе неизвестные сходства между раз­личными видами. (Цит. по: Thompson JT: On growth and form, Cambridge, Mass., 1971, Cambridge University Press.)

 

Более сложные математические трансформации были исполь­зованы много лет назад D'Arcy Thompson² для выявления схожести пропорций и изменений роста, которых ранее не наблюдалось (рис. 2-13).

Математические трансформации также применяются к измене­ниям роста на цефалометрических рентгенограммах в попытке оп­ределения модели изменений, которая не может быть определена другим способом. Для правильной интерпретации данных после математической трансформации важно понимать, каким образом данные были трансформированы, однако метод играет важную роль в разъяснении концепции развития.

Экспериментальные подходы

Много новых знаний о развитии скелета было получено при ис­пользовании техники прижизненного окрашивания, при котором вещества, окрашивающие минерализованные ткани (или иногда мягкие ткани) инъецировались в тело животного. Эти красители оставались в костях и зубах и могли быть найдены после смерти жи­вотного. Данный метод был разработан в XVlII веке великим анг­лийским анатомом John Hunter. Hunter заметил, что кости свиней, в корме которых иногда попадались текстильные отходы, были ок­рашены интересным образом. Он открыл, что активным агентом был краситель под названием ализарин, до сих пор использующий­ся в исследованиях при помощи прижизненного окрашивания (рис. 2-14).

 

Рис. 2-14. А — нижняя челюсть крысы, получившей три инъекции ализа­рина с интервалом в 3 нед., и умершей через 2 нед. после последней инъек­ции. Реконструкция кости в ходе роста затемняет некоторые инъекцион­ные линии, но последовательные линии в мыщелковом процессе видны до­вольно ясно. В — отрезок скуловой дуги того же животного, что и на сним­ке А. Скуловая дуга растет наружу с аппозицией кости на внешней поверх­ности и удалением с внутренней поверхности. Разрывы окрашенных линий на внутренней поверхности обозначают места, где кость была удалена. То, что было внешней поверхностью скуловой дуги, затем становится внутрен­ней поверхностью и некоторое время спустя удаляется.

 

Ализарин вступает в сильную реакцию с кальцием в ме­стах обызвествления костей. Поскольку эти места претерпевают ак­тивное скелетное развитие, окрашенные метки указывают степень развития на момент инъекции. Кость быстро восстанавливается, и области, где произошло удаление кости, могут быть определены по отсутствию окрашенного материала в этих местах. В настоящее время появилась возможность проводить высокоточные исследова­ния костных изменений в ходе черепно-лицевого развития у подо­пытных животных³.

 

Рис. 2-15. Тетрациклиновое окрашивание зубов у мальчика, получивше­го большую дозу тетрациклина при лечении инфекционного заболевания верхних дыхательных путей в раннем детстве. Исходя из распространения окрашенности, очевидно, что тетрациклин не прописывался в грудном воз­расте, но давался в больших дозах уже к моменту формирования коронок центральных резцов или приблизительно в возрасте 2,5 лет.

 

Хотя исследования с использованием прижизненного окраши­вания невозможно проводить на людях, прижизненное окрашива­ние все же может встречаться. Многие дети, рожденные в конце 1950-х и начале 1960-х годов, проходили курс лечения инфекцион­ных заболеваний антибиотиком тетрациклином. Слишком поздно было обнаружено, что тетрациклин является отличным прижиз­ненным красителем, который связывается кальцием в местах роста, как и ализарин. Нарушение цвета резцов в результате лечения тет­рациклином во время минерализации зубов стало для некоторых эстетической катастрофой (рис. 2-15), и поэтому теперь для лече­ния инфекций у детей тетрациклин применяется очень редко.

 

Рис. 2-16. Результаты авторадиографии костей зародыша крысы, разви­вающегося с изотопами ^,4С-пролин и ³Н-тимидин, имплантированными в культурную среду. Тимидин имплантирован в ДНК, которая воспроизво­дится при делении клетки, и помеченные ядра относятся к клеткам, претер­певшим культурный митоз. Поскольку пролин является основной состав­ляющей коллагена, метки цитоплазмы определяют области, где был им­плантирован пролин, изначально в межклеточный коллаген. А — нормаль­ный рост в данной среде с множеством помеченных клеток и большим рас­пространением пролина. В — замедленный рост кости с малым количеством бактериального эндотоксина.

 

С развитием радиоактивных индикаторов стало возможным ис­пользование практически любого метаболита с радиоактивной ок­раской, вводимого в ткани в качестве прижизненного красителя. Его расположение должно, безусловно, определяться слабой ра­диоактивностью в месте имплантации. Гамма-излучающий изотоп "¹¹¹Tc может быть использован для индикации областей быстрого роста костей человека, однако данные изображения больше подхо­дят для диагностики локальных проблем роста (см. главу 21), чем для изучения моделей роста. В большинстве исследований роста радиоактивно помеченные материалы в тканях подопытных живот­ных распознаются при помощи техники авторадиографии, где пле­ночная эмульсия накладывается на тонкие участки ткани, содержа­щей изотопы, а затем в темноте подвергается радиоактивному об­лучению. После проявления пленки наличие радиации, обознача­ющей области роста, может быть отмечено при рассмотрении сек­тора ткани через пленку (рис. 2-16).

 

Рис. 2-17. Цефалометрическая рентгенограмма, на которой видны имплантаты, установленные перед началом лечения по изменению положения челюстей. Металлические имплантаты видны в виде небольших белых ли­ний. Сопоставление рентгенограмм состояния до и после лечения при по­мощи данных имплантатов позволяет точно определить перемещения зубов и челюстей. (Снимок предоставлен Professor Beni Solow.)

 

Другим экспериментальным методом, применяемым для ис­следования роста человека, является имплантационная рентгено­графия. В данной технике в кости скелета, включая челюсти и ко­сти лица, помещаются инертные металлические штифты. Эти штифты хорошо срастаются с костями без каких-либо осложнений (рис. 2-17). При помощи вживления металлических имплантатов значительно улучшается точность динамического цефалометрического анализа модели роста. Данный метод исследования, широко использованный профессором Arne Bjork и его коллегами из Коро­левского стоматологического колледжа в Копенгагене, Дания⁶, помог получить новые важные данные о моделях развития челюс­тей. Металлические штифты остаются в месте имплантации внут­ри кости при отсутствии инфекции или воспаления, что случается крайне редко. Сопоставление цефалометрических рентгенограмм с имплантированными штифтами обеспечивает точное изучение как изменений положения одной кости относительно другой, так и изменений внешнего контура костей. До проведения рентгено­графических исследований с использованием имплантатов сте­пень реконструкционных изменений контуров челюстных костей недооценивалась, а также не принималась во внимание ротацион­ная модель челюстного развития, описанная в главе 4. Точная оценка челюстно-лицевого развития у человека до настоящего времени наилучшим образом осуществляется при помощи имплантационной рентгенографии⁷.

Природа развития скелета

На клеточном уровне существует только три возможности роста. Первая состоит в увеличении размеров отдельных клеток, что на­зывают гипертрофией. Второй возможностью является увеличение числа клеток, или гиперплазия. Третья возможность — это выделение метками внеклеточного вещества, что способствует увеличению в размерах независимо от количества или размера самих клеток.

В действительности при росте скелета наблюдаются все три процесса. Гиперплазия является самой известной формой всех ти­пов роста. Гипертрофия происходит при особых обстоятельствах, но в большинстве случаев представляет собой менее значимый ме­ханизм, чем гиперплазия. Хотя во всех тканях организма происхо­дит выделение межклеточного вещества, это явление особенно важно при развитии скелетной системы, где происходит последую­щая минерализация межклеточного вещества.

Тот факт, что межклеточное вещество скелета минерализуется, ведет к важному разделению между ростом мягких, неминерализо­ванных тканей тела и твердых, или подвергнутых кальцинозу, тка­ней. К твердым тканям относятся кости, зубы и некоторые хрящи. Все остальные ткани — мягкие. В большинстве случаев хрящи, за­действованные в росте, ведут себя как мягкие ткани и должны быть отнесены в разряд скорее мягких, чем твердых тканей.

Рост мягких тканей происходит за счет комбинации гиперпла­зии и гипертрофии. Эти процессы происходят по всей площади тканей, и результат получил название интерстициального роста, что означает лишь, что данный процесс происходит в каждой точке ткани. Выделение внеклеточного вещества может также сопровож­дать интерстициальное развитие, однако гиперплазия и гипертро­фия играют здесь соответственно первую и вторую роли. Интерстициальный рост характерен почти для всех мягких тканей и для не подверженных кальцинозу хрящей скелетной системы.

Напротив, при наличии минерализации, когда происходит про­цесс формирования твердых тканей, интерстициальный рост невоз­можен. Гиперплазия, гипертрофия и выделение межклеточного веще­ства все же возможны, но могут происходить лишь на поверхности, а не внутри минерализованной массы. Непосредственное добавление новой кости на поверхности существующей может происходить и про­исходит благодаря деятельности клеток надкостницы — мягкой мем­бранной ткани, покрывающей кости. В надкостнице происходит фор­мирование новых клеток, а выделяемое межклеточное вещество ми­нерализуется и превращается в новую кость. Данный процесс называ­ется непосредственной или поверхностной оппозицией кости.

Интерстициальный рост является важным аспектом общего развития скелета, поскольку большая часть скелетной системы из­начально моделируется в хрящах. Здесь имеется в виду основная часть черепа, а также туловища и конечностей.

На рисунке 2-18 изображен хрящевой череп на 8-й и 12-й неде­лях внутриутробного развития. Начало хрящевого скелетного раз­вития происходит на 3-м месяце внутриутробной жизни. Непре­рывная хрящевая пластина проходит от носовой капсулы назад к отверстию головчатой кости у основания черепа. Следует по­мнить, что хрящ является практически бессосудной тканью, внут­ренние клетки которой снабжаются посредством диффузии через внешние слои. Безусловно, это означает, что хрящ должен быть тонким. На ранних стадиях развития крайне малый размер эмбрио­на позволяет скелету образоваться из гиалинового хряща, однако в ходе дальнейшего роста такое строение невозможно без внутрен­него кровоснабжения.

 

Рис. 2-18. Развитие и созревание хрящевого черепа (хрящ — красный цвет, кость — красная штриховка). А — схематичное изображение черепа в возрасте 8 нед. Обратите внимание на значительный участок хрящевой ткани от носовой капсулы до затылочной области. В — скелетное развитие в возрасте 12 нед. В хрящевой структуре появились центры окостенения, а также началось формирование межмембранной кости челюстей и череп­ной коробки. С этого момента начинается быстрая замена хрящевой ткани черепа на костную и, таким образом, остаются лишь небольшие синхондро­зы, соединяющие кости основания черепа.

 

В течение 4-го месяца внутриутробного развития в различных точках хрящевого черепа (а также в других частях первоначально хрящевого скелета) происходит прорастание внутрь кровеносных сосудов. Данные участки становятся центрами окостенения, в ко­торых хрящ трансформируется в кость, и в общей хрящевой массе появляются островки кости (рис. 2-18, В). Продолжается быстрый рост хрящей, которые с такой же скоростью заменяются костью. В результате происходит быстрое увеличение относительного коли­чества кости, а относительное (но не абсолютное) количество хря­ща уменьшается. В конечном итоге прежний хрящевой череп пред­ставлен лишь небольшими участками хряща, находящимися между большими областями кости, которая принимает характерные фор­мы этмоида, клиновидной кости и затылочных костей. Рост данных хрящевых соединений между костями скелета схож с ростом в ко­нечностях.

 

Рис. 2-19. Эндохондральное окостенение на эпифизарной пластине. Раз­витие происходит при разрастании хряща в верхней части. Созревающие клетки хряща отодвинуты от области разрастания, подвергаются гипертро­фии, дегенерируют и заменяются костными спикулами, как показано в нижней части снимка.

 

В длинных костях конечностей области окостенения возника­ют в центре кости и на ее концах, образуя центральное тело, назы­ваемое диафизом, и костные наконечники с каждой стороны, называемые эпифизом. Остающаяся между эпифизом и диафизом область не подверженного кальцинозу хряща называется эпифизарной пластиной (рис. 2-19). Эпифизарная хрящевая пластина длинных костей является основным центром их роста, и в дей­ствительности этот хрящ отвечает за развитие по всей длине дан­ных костей. Надкостница на поверхности костей также имеет большое значение в увеличении толщины и изменении формы внешних контуров.

У внешнего конца каждой эпифизарной пластины расположена область активного деления хрящевых клеток. Некоторые из них, продвигаемые к диафизу в результате активности клеток, претерпе­вают гипертрофию, выделяют межклеточную основу и в результате дегенерируют, когда основа начинает минерализовываться, а затем быстро заменяются костной тканью (рис. 2-19). Пока степень раз­растания хрящевых клеток равна или превышает скорость их созре­вания, рост будет продолжаться. Однако ближе к завершению нор­мального периода роста скорость созревания превышает скорость разрастания, последние хрящевые участки заменяются костью и эпифизарная пластина пропадает. На данном этапе развитие кос­ти завершено, за исключением поверхностных изменений толщи­ны, осуществляемых надкостницей.

 

Рис. 2-20. Кости черепа 12-недельного зародыша, нарисованные по ок­рашенному ализарином образцу. (Цит. по: Langman J: Medical embryology, et 4, Baltimore, 1984, Williams & Wilkins.)

 

Не все кости взрослого скелета были представлены в хрящевой модели эмбриона, и кости могут осуществлять выделение костной основы непосредственно внутри соединительных тканей, без фор­мирования промежуточных хрящей. Формирование костей по дан­ному типу называется межмембранным костным формированием. Данный тип окостенения характерен для черепного свода и обеих челюстей (рис. 2-20).

Рис. 2-21. Схематичное изображение формирования начальной кости нижней челюсти по отношению к хрящу мандибулярной дуги эмбриона и нижнему альвеолярному нерву. Формирование кости начинается сбоку от хряща и распространяется назад вдоль него без непосредственной замены хряща новой костью нижней челюсти. (Цит. по: Ten Cate AR: Oral histology, St. Louis, 1985, Mosby.)

 

В начале эмбрионального периода нижняя челюсть высших животных развивается в той же области, что и хрящ первой фарингеальной арки, хрящ мандибулярной дуги эмбриона. Очевид­но, что нижняя челюсть является костным заменителем данного хряща, так же как и клиновидная кость заменяет хрящ в этой об­ласти.

В действительности развитие нижней челюсти начинается с конденсации мезенхимы по бокам хряща мандибулярной дуги эмбриона и продолжается в виде межмембранного костного фор­мирования (рис. 2-21). Хрящ мандибулярной дуги эмбриона распа­дается и полностью исчезает с развитием кости нижней челюсти. Остатки этого хряща трансформируются в части двух небольших костей, формирующих связующие мелкие кости среднего уха, на неосновную часть нижней челюсти. Ее перихондриум существует в виде клиновидно-нижнечелюстной связки. Мыщелковый хрящ изначально развивается в виде независимого вторичного хряща, от­деленного значительным промежутком от тела нижней челюсти (рис. 2-22). В начале жизни зародыша он сращивается с развиваю­щимся ответвлением нижней челюсти.

Рис. 2-22. Мыщелковый хрящ (розовый цвет) сначала развивается от­дельно от тела нижней челюсти и лишь позже становится ее частью. А — от­дельные области мезенхимной конденсации в возрасте 8 нед. В - слияние хряща с телом нижней челюсти в возрасте 4 мес. С - ситуация на момент рождения (в уменьшенном масштабе).

 

Верхняя челюсть начинает свое формирование из центра мезен­химной конденсации. Данная область расположена на боковой по­верхности носовой капсулы, наиболее передней части хрящевого черепа, хотя рост хряща и способствует лишь удлинению головы и переднему перемещению верхней челюсти, но не способствует непосредственному формированию верхнечелюстной кости. До­полнительный или скуловой хрящ, формирующий процесс скулового развития, исчезает и полностью заменяется костью перед рож­дением, в отличие от нижнечелюстного мыщелкового хряща, кото­рый сохраняется.

В каком бы месте ни происходило межмембранное формирова­ние кости, рост внутри минерализованной массы невозможен и кость должна формироваться исключительно аппозицией новых костей на свободной поверхности. Ее форма может изменяться по­средством удаления (резорбции) кости в одной области и добавления (аппозиции) кости в другой (см. рис. 2-13). Данное равновесие аппо­зиции и резорбции, когда в некоторых областях происходит форми­рование новой кости, а в других удаление старой, является определя­ющим компонентом процесса роста. Реконструкция данного типа наблюдается на поверхности костей, растущих в первую очередь по­средством внутрихрящевой замены, а также в костях, формируемых непосредственно внутри мембраны связующей ткани.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: