Soorten botvorming
Bot wordt op twee algemene manieren in het embryo gevormd. Voor de meeste botten wordt de algemene vorm eerst neergelegd als kraakbeenmodel, dat vervolgens geleidelijk wordt vervangen door bot (endochondrale botvorming). Enkele botten (zoals het sleutelbeen en het calvarium) ontwikkelen zich binnen een gecondenseerd gebied van vezelig weefsel zonder een kraakbeenachtig tussenproduct (membraanbotvorming). Bij lange botten wordt eerst een kraag van sponsachtig membraanbot in de vezelige weefsels rond het kraakbeenachtige model van de schacht gelegd. Tegelijkertijd begint het kraakbeen diep tot aan deze kraag te degenereren en verkalken. Het bot wordt vervolgens doordrongen door bloedvaten, die uitgroeien tot het degenererende model en het verkalkte kraakbeen binnen de kraag verwijderen. Vasculaire invasie verloopt naar beide uiteinden van het model, parallel met de voortdurende verlenging van de benige kraag. Dit laat een structuur achter die bestaat uit twee kraakbeenachtige epifysen aan de uiteinden van een holle benige schacht.
Groei vanaf dit punt wordt op twee manieren bereikt. Radiale groei vindt plaats door afzetting van nieuw bot op het periostale oppervlak en ongeveer gelijkwaardige resorptie aan het endostale oppervlak. Longitudinale groei omvat vervanging van kraakbeen door bot vanaf de schachtzijde van de groeischijf, met een snelheid die nauw overeenkomt met de productiesnelheid van nieuw kraakbeen door de plaat zelf. De groeischijf bestaat uit zeer geordende rijen kraakbeencellen; de rij die het verst verwijderd is van de benige schacht is een basale of kiemlaag, die verantwoordelijk is voor celreplicatie en kraakbeengroei. De complexe opeenvolging van longitudinale groei bestaat uit degeneratie van kraakbeencellen die het verst verwijderd is van de kiemlaag, verkalking van kraakbeen in dat gebied, afzetting erover van een dunne laag echt bot (primaire spongiosa) en tenslotte osteoclastische resorptie om de medullaire holte uit te breiden parallel met longitudinale groei en om de contour van de schacht te hervormen.
Dit proces van kraakbeengroei, degeneratie, verkalking en uiteindelijke vervanging door bot is verantwoordelijk voor de meeste lengtegroei bij gewervelde dieren. Het begint eerst in het embryo en gaat door tot de volledige skeletrijpheid, wanneer bij de meeste soorten de groeischijven samensmelten en verdwijnen.
Het uiterlijk van epifyseale ossificatiecentra en hun uiteindelijke fusie, die beide kunnen worden gedetecteerd door gewone röntgenstralen, volgen normaal gesproken een ordelijke en voorspelbare volgorde die van grote waarde is bij de evaluatie van groei- en ontwikkelingsstoornissen. Vanwege de gecompliceerde interactie van verschillende weefselelementen in het proces van endochondrale ossificatie, is het metafysaire gebied van botten de zetel van, of weerspiegelt het prominent, vele voedings- of metabolische groeistoornissen. Voorbeelden van aandoeningen waarbij dit groeimechanisme betrokken is, zijn onder meer rachitis en achondroplastische dwerggroei.
Fysiologie van bot
Calcium- en fosfaatevenwicht
Even belangrijk als de structurele eigenschappen van bot is de rol die bot speelt bij het in stand houden van de ionische samenstelling van het bloed en interstitiële vloeistoffen van het lichaam. Alle gewervelde dieren met echt bot vertonen calcium-ionenconcentraties in het lichaam van ongeveer 50 mg per liter (1,25 millimol) en fosforconcentraties in het bereik van 30-100 mg per liter (1-3 millimol). Deze niveaus, vooral die van calcium, zijn uiterst belangrijk voor het behoud van de normale neuromusculaire functie, interneuronale transmissie, celmembraanintegriteit en permeabiliteit en bloedstolling. De rigide constantheid waarmee de calciumspiegels worden gehandhaafd, zowel in het individu als in alle hogere gewervelde klassen, getuigt van het biologische belang van een dergelijke regulering. Ongeveer 99 procent van het totale lichaamscalcium en 85 procent van het totale lichaamsfosfor bevindt zich in de minerale afzettingen van bot; aldus is bot kwantitatief in staat om aanpassingen van de concentratie van deze twee ionen in de circulerende lichaamsvloeistoffen te mediëren. Dergelijke aanpassingen worden geleverd door drie hormonale controlelussen (controlesystemen met feedback) en door ten minste drie lokaal werkende mechanismen. De hormonale lussen hebben betrekking op het bijschildklierhormoon (PTH), calcitonine (CT) en vitamine D en houden zich uitsluitend bezig met de regulering van de calciumionen- en fosforionconcentraties.
PTH en vitamine D werken om de geïoniseerde calciumspiegels in lichaamsvloeistoffen te verhogen, en CT (van het ultimobranchiale lichaam of C-cellen van de schildklier) werkt om ze te onderdrukken. De afscheiding van elk hormoon wordt geregeld door het calciumion in het circulerende bloed. Bij normale calciumconcentraties is er een lage secretie van alle drie de hormonen. Wanneer de bloedspiegels van geïoniseerd calcium afnemen, neemt de PTH-synthese en secretie bijna onmiddellijk toe. PTH heeft drie hoofdacties bij het handhaven van de calciumconcentraties in het bloed. Het stimuleert direct de nieren om de tubulaire reabsorptie van calcium uit het ultrafiltraat te verbeteren dat anders in de urine zou worden uitgescheiden. Het stimuleert ook de nier om de belangrijkste circulerende vorm van vitamine D naar calcitrium te activeren. Calcitrial komt in de bloedsomloop terecht en reist naar de dunne darm, waar het de opname-efficiëntie van calcium in de voeding in de bloedbaan verhoogt.
PTH en calcitrium kunnen ook osteoblasten stimuleren om osteoclast differentiatiefactor (ODF) te produceren. Osteoblasten met ODF op hun oppervlak kunnen een wisselwerking hebben met de voorlopercellen van osteoclasten (monocyten) om ze ertoe te brengen volwassen osteoclasten te worden. De osteoclasten geven op hun beurt zoutzuur en enzymen af aan het gemineraliseerde bot en geven calcium en fosfor af aan de bloedsomloop. Dus, wanneer er onvoldoende calcium in de voeding is om aan de calciumbehoeften van het lichaam te voldoen, werken zowel PTH als calcitrium samen op osteoblasten om voorlopers van osteoclasten te rekruteren om volwassen osteoclasten te worden. Wanneer aan de calciumbehoeften van het lichaam wordt voldaan door voldoende calciuminname via de voeding, werken zowel PTH als calcitrium op osteoblasten om hun activiteit te verhogen, wat resulteert in verhoogde botvorming en mineralisatie. Calcitonine is het enige hormoon dat rechtstreeks inwerkt op osteoclasten, die er een receptor voor hebben. Het vermindert de volwassen osteoclastische activiteit en remt daardoor hun functie.
PTH en calcitrium zijn ook belangrijk bij het handhaven van de serumfosforspiegels. PTH interfereert met de renale tubulaire fosfor-resorptie, waardoor de renale excretie van fosfor wordt verbeterd. Dit mechanisme, dat dient om het fosforgehalte in de bloedbaan te verlagen, is belangrijk omdat hoge fosfaatniveaus remmen en lage niveaus de osteoclastische reabsorptie versterken. Calciumion zelf heeft vergelijkbare effecten op het osteoclastische proces: hoge niveaus remmen en lage niveaus versterken het effect van systemisch werkende middelen zoals PTH. Aan de andere kant stimuleert PTH de productie van calcitrium, wat op zijn beurt de dunne darm stimuleert om de effectiviteit van opname van fosfor via de voeding te vergroten.
Een tekort aan vitamine D resulteert in een slechte mineralisatie van het skelet, wat rachitis bij kinderen en osteomalacie bij volwassenen veroorzaakt. Mineralisatiedefecten zijn te wijten aan de afname van de efficiëntie van de calciumabsorptie in de darmen, wat resulteert in een afname van de geïoniseerde calciumconcentraties in het bloed. Dit resulteert in een toename van PTH in de bloedsomloop, wat het serumcalcium verhoogt en het serumfosfor verlaagt vanwege de verhoogde uitscheiding van fosfor in de urine.
De exacte functie van calcitonine is niet volledig bekend. Het kan echter verhogingen van hoge calciumionen compenseren door de osteoclastactiviteit te verminderen, wat resulteert in remming van de botabsorptie.
