CRECIMIENTO Y DESARROLLO ESQUELETICO Dr. Carlo A. Rivera compean R2 Asesor Dr. Alberto Moreno
INTRODUCCION !
Las extremidades alcanzan su longitud y proporciones adultas a través de una serie de eventos biológicos altamente regulados incluyendo la osificación intramembranosa y endocondral.
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Esto inicia a nivel celular y molecular con la formación de los botones de extremidad, continua el desarrollo de los centros primarios y secundarios de osificación y termina con el cierre de las placas de crecimiento.
DESARROLLO ESQUELETICO EMBRIONARIO !
DESARROLLO ESPINAL
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Se desarrolla de pares organizados de estructuras mesodérmicas: SOMITAS.
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Esto ocurre en presencia del gen paraxis quien codifica un factor de transcripción de DNA hélice-bucle-hélice.
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Cada somita se condensa en 3 capas:
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Esclerotomo.- cuerpos y arcos vertebrales. (gen Pax1)
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Miotomo.- mioblastos.
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Dermatomo.- piel.
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Cada esclerotomo se divide en regiones craneal y caudal. (Mox1)
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La región caudal se une con la región craneal adyacente. !
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Modelo precartilaginoso vertebral.
Los nervios espinales atraviesan el centro del esclerotomo para aparecer entre cada vertebra recién formada e inervar los miotomos de cada segmento.
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En la columna cervical el primer esclerotomo contribuye a la formación del occipucio.
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La región caudal del octavo esclerotomo contribuye a la formación de la 1ª vertebra torácica.
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El primer nervio espinal existe entre C1 y el occipucio y el 8ª entre C7 y T1.
DESARROLLO DE LAS EXTREMIDADES !
Inicia como una evaginación de la pared lateral del cuerpo y consiste en 2 capas: ectodermo y mesodermo.
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Este crecimiento inicial se encuentra bajo el control del Factor de Crecimiento Fibroblastico (FGF)
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El crecimiento longitudinal resulta de la señalización biomecánica entre células ectodérmicas (cresta apical ectodérmica) y mesodérmicas (zona de progreso).
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La función de la cresta apical ectodérmica es: !
crecimiento de proximal a distal
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Celulas mesodérmicas indiferenciadas
La zona de progreso: !
Secreta un factor para el mantenimiento de la cresta apical ectodérmica.
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La formación digital se determina en el eje antero-posterior del botón.
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Las células localizadas en la zona de actividad polarizante en el aspecto posterior dirigen el numero y tipo de dedos formados ( gen erizo Sonic).
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La formación de elementos esqueléticos en el botón embrionario es anunciada por la condensación de células mesenquimales en formas que servirán como modelo para el desarrollo oseo.
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Sexta semana
OSIFICACION ENDOCONDRAL E INTRAMEMBRANOSA !
La osificación endocondral involucra la formación de un modelo cartilaginoso de hueso el cual se mineralizara.
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La serie de eventos celulares que comprende el proceso de osificación endocontral consiste en: !
Proliferiacion de condrocitos
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Hipèrtrofia de condrocitos
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Mineralizacion de la matriz extracelular
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Apoptosis
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Invasio vascular
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Osificacion
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Remodelacion a hueso laminar.
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La osificación intramembranosa involucra la formación directa de matriz ósea por osteoblastos sin una plantilla cartilaginosa calcificada.
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Formación de huesos planos
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Aumento del ancho de huesos largos.
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Histologica y biomecanicamente son idistinguibles aquellos mediante osificación intramembranosa y endocondral.
DESARROLLO DE LOS CENTROS DE OSIFICACION PRIMARIA Y SECUNDARIA !
Durante la 7ª semana de vida embriológica los condrocitos del centro del esbozo de cartílago aumentan su volumen intracelular e inician la mineralización de la matriz a su alrededor.
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Al completarse este proceso inicia la apoptosis de los condrocitos hipertróficos.
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Las células mesenquimales en el periostio se diferencian en osteoblastos y elaboran un collar de hueso intramembranoso alrededor del hueso en desarrollo.
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En la 8ª semana la laguna de condrocitos es invadida por vasos sanguíneos seguidos por osteoblastos !
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Esponjoso primario
Los condroclastos remueven el cartílago calcificado y continua la deposición de matriz osea por lo osteoblastos. !
Esponjoso secundario
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Mientras el centro primario de osificación se expande y avanza hacia el final del hueso largo se repite los eventos de la osificación endocondral. !
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Centro secundario de osificación
La mayoría de huesos largos poseen 2 centros secundarios de osificación mientras que metacarpianos y metatarsianos solo tienen 1.
ESTRUCTURA, FUNCION Y BIOQUIMICA DE LA PLACA DE CRECIMIENTO !
Se forma en el borde del centro de osificación primario y se expande hasta donde termina el hueso.
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Conforme crece el centro de osificación secundaria la fisis se vuelve un disco estrecho de cartílago entre la epífisis y metafisis.
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La placa de crecimiento se divide en zonas.
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De reserva.
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Proliferativa
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Maduracion.
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Hipertrofica
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Invasion vascular
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Zona de reserva: la proporción de matriz extracelular con el volumen celular es alta y las células se encuentra en un estado relativamente inactivo.
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Zona proliferativa: los condrocitos asumen una forma aplanada, se comienzan a dividir y se organizan en columnas.
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La proliferación celular ocurre en una banda estrecha de células localizadas en esta zona de la placa de crecimiento.
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Estudios en ratas muestran que una capa de células hipertróficas es eliminada de la placa de crecimiento cada 3 horas.
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Zona de maduración: la síntesis de matriz extracelular permite la separación de las recién divididas células. (colágeno, proteoglicanos)
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La colágena tipo II es la principal en la placa de crecimiento, aunque la tipo IX y XI también son altamente expresadas.
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La colágena tipo IX media la interacción de la tipo II con otros componentes de la matriz extracelular en el cartílago.
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Mutaciones en la colágena II están asociadas a algunas displasias esqueléticas incluyendo displasia espondiloepifisaria, displasia de Kniest y síndrome de Stickler.
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Agrecano: es el principal proteoglicano en la matriz cartilaginosa y provee la resistencia necesaria al cartílago para soportar fuerzas compresivas.
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Otros proteoglicanos son: !
Decorina
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Biglicano
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La Proteína Oligomerica de Cartílago (COMP) es una proteína no colagenosa encontrada en la matriz extracelular.
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Mutaciones en la COMP han sido asociadas a: !
Pseudoacondroplasia
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Displasia múltiple epifisiaria
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Zona hipertrófica: cesa la división celular y los condrocitos terminan su diferenciación.
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Aumento en la actividad enzimática de la fosfatasa alcalina.
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Aumento en la síntesis de colágena tipo X.
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Mutaciones en el gen COLX causan condrodisplasia metafisaria de Schmid.
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La mineralización de la matriz extracelular de la zona hipertrófica se lleva a cabo principalmente entre las columnas de los condrocitos hipertróficos
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El deposito de mineral consiste en hidroxiapatita pobremente cristalizada.
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Zona de invasión vascular: invaden capilares de la metafisis atraviesan el ultimo septo transverso del cartílago mineralizado para entrar en la laguna de condrocitos hipertróficos
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La zona de Ranvier es un anillo de fibrocartílago en la periferia de la placa de crecimiento quien da soporte estructura e incrementa el crecimiento a lo ancho de la fisis.
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El anillo de LaCroix es una banda de tejido fibroso que se funde con el periostio y provee soporte mecanico en respuesta a cargas de compresión, tensión, cizallamiento de la fisis.
HIPERTROFIA CONDROCITARIA !
Refleja un aumento en el numero de organelos intracelulares, incluyendo mitocondria y retículo endoplásmico.
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El aumento en la altura de condrocitos es responsable del 44 a 59% del crecimiento longitudinal de los huesos.
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En huesos con crecimiento mas rápido como el femur los condrocitos tiene un mayor aumento de tamaño que aquellos en huesos con menor crecimiento como el radio.
APOPTOSIS !
Es el mecanismo en el que se realiza una muerte celular programada.
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Es un proceso necesario para la homeostasis de órganos incluyendo la placa de crecimiento.
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Condrocitos hipertróficos bien diferenciados: su rol es la matriz para la calcificación, la cual actua como molde para la formación primaria del hueso.
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La muerte de condrocitos provee espacio para el ingreso de canales vasculares y osteoblastos.
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Estos eventos morfológicos resultan de la activación de un grupo de enzimas caspasa que metabolizan importantes estructuras intracelulares.
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Las células apoptoticas son reconocidas y tomadas por células fagociticas pero no inducen inflamación como las células necróticas.
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Los mecanismos fisiológicos de la muerte celular en la placa de crecimiento no han sido bien definidos.
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La mineralización de la matriz esta relacionada con la liberación de iones fosfato.
MINERALIZACION DE LA MATRIZ EXTRACELULAR !
La mineralización ocurre en las vesículas de matriz entre las columnas de condrocitos hipertróficos.
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Esta acumulación de calcio es dependiente de una familia de moléculas de canales de calcio !
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ANEXINAS
Las vesículas de matriz también contienen enzimas que incrementan dramáticamente su actividad durante la osificación endocondral !
Fosfatasa alcalina
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Metaloproteinasas (MMP)
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Las MMP son responsables del catabolismo da la matriz.
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MMP-2,-9,-13 presentes en la mineralización de la matriz asociada con la disminución de la Colágena Tipo II por la Colagenasa
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Las MMP son criticas para la angiogénesis aunque sus efectos no han sido bien descritos.
INVASION VASCULAR !
El aporte sanguíneo del centro secundario de osificación en desarrollo es dado por arterias epifisiarias.
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Estos vasos dan ramas que contribuyen a la zona de reserva que terminan en la región mas alta de la zona proliferativa.
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La placa de crecimiento es esencialmente avascular.
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Los canales metafisiarios vasculares se encuentra en compartimentos delimitados por cartílago calcificado debajo de la ultima fila de condrocitos hipertróficos.
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El Factor de Crecimiento Vascular y Endotelial (VEGF) es el factor responsable y necesario dentro de la placa de crecimiento.
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VEGF es expresado por condrocitos hipertróficos.
CIERRE FISIARIO !
El crecimiento longitudinal disminuye conforme los condrocitos de la placa de crecimiento disminuyen su proliferación.
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La placa de crecimiento es completamente reabsorbida posterior a la pubertad. !
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Fusión de la epífisis con la metafisis.
Recientemente se ha evidenciado que este proceso esta primariamente bajo el control estrogenico en ambos sexos.
ESTADOS PATOLOGICOS QUE AFECTAN LA PLACA DE CRECIMIENTO !
RAQUITISMO
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HIPOFOSFATASIA
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IRRADIACION
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ESCORBUTO
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INTOXICACION POR PLOMO
RESPUESTA DE LA PLACA DE CRECIMIENTO A LA CARGA MECANICA !
LEY DE HEUTER-VOLKMAN
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Un incremento en las fuerzas de compresión a través de la placa de crecimiento alenta el crecimiento longitudinal de la fisis. !
Genu varo
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Genu valgo
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Un incremento en las fuerza de tensión tiene el efecto opuesto (Ley de Delpech)
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Un incremento de 10º en varo de la rodilla resulta en un aumento de fuerzas proporcional a 2-3 veces el peso corporal.
LESION Y REPARACION DE LA PLACA DE CRECIMIENTO !
La fisis resiste las fuerza de cizallamiento gracias a la fuerza del anillo pericondrial de LaCroix y la presencia de ondulaciones.
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Las fracturas de huesos largos en niños involucran la fisis en aproximadamente el 20%.
CLASIFICACION DE SALTER Y HARRIS !
Se divide en 5 tipos de acuerdo al mecanismo de lesión y la relación de la línea de fractura con la placa de crecimiento.
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TIPO I !
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TIPO II !
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Son el resultado de fuerzas de cizallamiento o avulsión
Cizallamiento o avulsión producen fractura que se extiende a la metafisis (Thurstand Holland)
TIPO III !
Involucra la superficie articular adyacente como resultado de fuerzas de cizallamiento intraarticulares.
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TIPO IV !
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La fuerza de cizallamiento es mas vertical y la fractura comprende desde la superficie articular hasta la metafisis.
TIPO V !
Compresión vertical de la epífisis y resulta en un aplastamiento de la placa de crecimiento.
FISIOPATOLOGIA DEL ARRESTO EPIFISISARIO !
En las lesiones tipo I y II la separación ocurre de manera primaria en la región hipertrófica de la fisis en el plano transverso.
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Aunque la fisis puede alentar su crecimiento temporalmente, a los 25 días posteriores a la lesión la fisis aparece histológicamente normal.
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En las lesiones tipo III y IV el defecto involucra todas las capas de la fisis creando un conducto entre la epífisis y la metafisis.
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Existe mediante esta brecha una invasión vasos sanguíneos de ambos extremos ocasionando anastomosis.
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Los osteoblastos migran por esta brecha y forman puentes oseos a través de la fisis.