การพัฒนาโครงกระดูกและการสร้างกระดูก

การพัฒนาโครงกระดูกเป็นกระบวนการที่โครงกระดูกของตัวอ่อนเกิดขึ้นจากการรวมตัวของเซลล์มีเซนไคม์และถูกเปลี่ยนเป็นกระดูก กระบวนการนี้ดำเนินไปสองทาง ได้แก่ การสร้างกระดูกแบบอินทราเมมเบรนัส (intramembranous ossification) ซึ่งมีเซนไคม์จะเปลี่ยนเป็นกระดูกโดยตรง และการสร้างกระดูกแบบเอนโดคอนดรัล (endochondral ossification) ซึ่งแบบจำลองกระดูกอ่อนจะถูกแทนที่ด้วยกระดูกอย่างต่อเนื่อง

Definition

การพัฒนาโครงกระดูกและการสร้างกระดูกคือชุดของกระบวนการที่การรวมตัวของมีเซนไคม์จะแตกต่างไปเป็นกระดูกอ่อนและกระดูก ก่อให้เกิดโครงกระดูกแกนกลางและโครงกระดูกรยางค์ผ่านทางเดินแบบอินทราเมมเบรนัสและเอนโดคอนดรัล

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงต้นกำเนิดของเซลล์ต้นกำเนิดโครงกระดูก การรวมตัวของมีเซนไคม์ รูปแบบการสร้างกระดูกทั้งสองแบบ แผ่นการเจริญเติบโตและการเติบโตของกระดูกตามยาว รวมถึงตัวควบคุมการถอดรหัสหลักของการสร้างกระดูกอ่อนและการสร้างกระดูก การสร้างรูปแบบของแขนขาจะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง นี่คือกายวิภาคศาสตร์พัฒนาการเชิงการศึกษาอ้างอิง ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• เซลล์ต้นกำเนิดโครงกระดูกมาจากไหน?
• การสร้างกระดูกแบบอินทราเมมเบรนัสและเอนโดคอนดรัลแตกต่างกันอย่างไร?
• แผ่นการเจริญเติบโตขับเคลื่อนการเติบโตของกระดูกตามยาวได้อย่างไร?
• ปัจจัยการถอดรหัสใดที่กำหนดให้เซลล์กลายเป็นกระดูกอ่อนเทียบกับกระดูก?

Key concepts

• การรวมตัวของมีเซนไคม์
• การสร้างกระดูกแบบอินทราเมมเบรนัส
• การสร้างกระดูกแบบเอนโดคอนดรัล
• แบบจำลองกระดูกอ่อนและแผ่นการเจริญเติบโต
• เซลล์กระดูกอ่อนขยายขนาด
• SOX9 (การสร้างกระดูกอ่อน) และ RUNX2 (การสร้างกระดูก)
• ศูนย์การสร้างกระดูกปฐมภูมิและทุติยภูมิ

Mechanisms

องค์ประกอบของโครงกระดูกเริ่มต้นจากการรวมตัวของมีเซนไคม์ที่มาจากมีโซเดิร์มแผ่นข้าง (lateral plate mesoderm) (โครงกระดูกรยางค์), มีโซเดิร์มพาราแอ็กเซียล/โซไมต์ (paraxial mesoderm/somites) (โครงกระดูกแกนกลาง) และเซลล์ประสาทเครสต์ส่วนกะโหลก (cranial neural crest) (ส่วนใหญ่ของกะโหลกศีรษะและใบหน้า) ในการสร้างกระดูกแบบอินทราเมมเบรนัส มีเซนไคม์ที่รวมตัวกันจะแตกต่างไปเป็นเซลล์สร้างกระดูก (osteoblasts) โดยตรง ในขณะที่การสร้างกระดูกแบบเอนโดคอนดรัล แบบจำลองกระดูกอ่อนจะก่อตัวขึ้นก่อนและถูกแทนที่ด้วยกระดูก ในทางเดินแบบเอนโดคอนดรัล เซลล์กระดูกอ่อน (chondrocytes) จะเพิ่มจำนวน กลายเป็นเซลล์กระดูกอ่อนขยายขนาด (hypertrophic) และถูกแทนที่ด้วยเซลล์สร้างกระดูก โดยมีแผ่นการเจริญเติบโต (growth plate) ที่ช่วยในการเติบโตตามยาว การกำหนดชะตาเซลล์ถูกควบคุมโดยปัจจัยการถอดรหัสหลัก โดย SOX9 จะควบคุมการสร้างกระดูกอ่อน (chondrogenesis) และ RUNX2 จะควบคุมการแตกต่างของเซลล์สร้างกระดูก (osteoblast differentiation)

Clinical relevance

ความบกพร่องในการสร้างรูปแบบโครงกระดูกและการสร้างกระดูกเป็นสาเหตุของความผิดปกติของโครงกระดูก (skeletal dysplasias) และความผิดปกติของกะโหลกศีรษะและใบหน้า (craniofacial anomalies) รวมถึงปากแหว่งเพดานโหว่ ซึ่งเกิดจากการพัฒนาที่ผิดปกติของโครงกระดูกและเนื้อเยื่อรอบข้าง ข้อมูลนี้อธิบายพื้นฐานการพัฒนาของภาวะดังกล่าวเพื่อความเข้าใจทางการศึกษา และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

การบรรยายเชิงพรรณนาเกี่ยวกับการก่อตัวของกระดูกอ่อนและกระดูกมีมานานในกายวิภาคศาสตร์ แต่ความเข้าใจระดับโมเลกุลของการเปลี่ยนผ่านจากกระดูกอ่อนไปเป็นกระดูกและการควบคุมการถอดรหัสของชะตาเซลล์กระดูกอ่อนและเซลล์สร้างกระดูกส่วนใหญ่พัฒนาขึ้นตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา โดยบูรณาการสัณฐานวิทยาแบบคลาสสิกของแผ่นการเจริญเติบโตเข้ากับพันธุศาสตร์

Key figures

• Fanxin Long
• David Ornitz
• Michael Dixon
• Jeffrey Murray

Seminal works

• long-ornitz-2013

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างการสร้างกระดูกแบบอินทราเมมเบรนัสและเอนโดคอนดรัลคืออะไร?

ในการสร้างกระดูกแบบอินทราเมมเบรนัส มีเซนไคม์จะแตกต่างไปเป็นกระดูกโดยตรง (เช่นในกระดูกแบนส่วนใหญ่ของกะโหลกศีรษะ) ในขณะที่การสร้างกระดูกแบบเอนโดคอนดรัล แบบจำลองกระดูกอ่อนจะก่อตัวขึ้นก่อนและค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยกระดูก (เช่นในกระดูกยาว)

กระดูกยาวจะยืดออกได้อย่างไรในระหว่างการพัฒนา?

การเติบโตตามยาวเกิดขึ้นที่แผ่นการเจริญเติบโต ซึ่งเซลล์กระดูกอ่อนจะเพิ่มจำนวนและกลายเป็นเซลล์กระดูกอ่อนขยายขนาดก่อนที่จะถูกแทนที่ด้วยกระดูก ทำให้กระดูกยืดออกอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งแผ่นการเจริญเติบโตปิดลง