第一篇 骨科基礎

第一章 骨的構造和生理學

骨是骨骼系統的主要器官，由骨組織、骨髓和骨膜構成。骨骼構成了人體的支架，并賦予人體基本形態，起著保護、支持和運動的作用。在運動中，骨起著杠桿作用，關節是運動的樞紐，骨骼肌則是運動的動力器官。骨骼作為鈣、磷、鎂等無機礦物質的貯存庫和緩沖庫，在骨代謝調節激素的作用下，維持礦物質的內環境穩定。骨髓是主要的造血系統和機體免疫系統的組成部分，也是成骨性譜系細胞和破骨性譜系細胞的來源。在活體，骨能不斷地進行新陳代謝，并有修復和改建的能力。

第一節 骨組織細胞的功能

骨組織是一種特殊的結締組織，是骨的結構主體，由數種細胞和大量鈣化的細胞間質組成，鈣化的細胞間質稱為骨基質。骨組織的特點是細胞間質有大量骨鹽沉積，即細胞間質礦化，使骨組織成為人體最堅硬的組織之一。

在活躍生長的骨中，有4種類型細胞：骨祖細胞、成骨細胞、骨細胞和破骨細胞。其中骨細胞最多，位于骨組織內部，其余3種均分布在骨質邊緣。

一、骨祖細胞

骨祖細胞或稱骨原細胞，是骨組織的干細胞，位于骨膜內。胞體小，呈不規則梭形，突起很細小。核橢圓形或細長形，染色質顆粒細而分散，故核染色淺。胞質少，呈嗜酸性或弱嗜堿性，含細胞器很少，僅有少量核糖體和線粒體。骨祖細胞著色淺淡，不易鑒別。骨祖細胞具有多分化潛能，可分化為成骨細胞、破骨細胞、成軟骨細胞或成纖維細胞，分化取向取決于所處部位和所受刺激性質。骨祖細胞存在于骨外膜及骨內膜貼近骨質處，當骨組織生長或重建時，它能分裂分化成為骨細胞。骨祖細胞有兩種類型：決定性骨祖細胞（determined osteogenic precursor cells，DOPC）和誘導性骨祖細胞（inducible ostegenic precursor cells，IOPC）。DOPC位于或靠近骨的游離面上，如骨內膜和骨外膜內層、生長骨骺板的鈣化軟骨小梁上和骨髓基質內。在骨的生長期和骨內部改建或骨折修復以及其他形式損傷修復時，DOPC很活躍，細胞分裂并分化為成骨細胞，具有蛋白質分泌細胞特征的細胞逐漸增多。IOPC存在于骨骼系統以外，幾乎普遍存在于結締組織中。IOPC不能自發地形成骨組織，但經適宜刺激，如骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）或泌尿道移行上皮細胞誘導物的作用，可形成骨組織。

二、成骨細胞

成骨細胞又稱骨母細胞，是指能促進骨形成的細胞，主要來源于骨祖細胞。成骨細胞不但能分泌大量的骨膠原和其他骨基質，還能分泌一些重要的細胞因子和酶類，如基質金屬蛋白酶、堿性磷酸酶、骨鈣素、護骨素等，從而啟動骨的形成過程，同時也通過這些因子將破骨細胞耦聯起來，控制破骨細胞的生成、成熟及活化。常見于生長期的骨組織中，大都聚集在新形成的骨質表面。

（一）成骨細胞的形態與結構

骨形成期間，成骨細胞被覆骨組織表面，當成骨細胞生成基質時，被認為是活躍的。活躍的成骨細胞胞體呈圓形、錐形、立方形或矮柱狀，通常單層排列。細胞側面和底部出現突起，與相鄰的成骨細胞及鄰近的骨細胞以突起相連，連接處有縫隙連接。胞質強嗜堿性，與粗面內質網的核糖體有關。在粗面內質網上，鑲嵌著圓形或細長形的線粒體，成骨細胞的線粒體具有清除胞質內鈣離子的作用，同時也是能量的加工廠。某些線粒體含有一些小的礦化顆粒，沉積并附著在嵴外面，微探針分析表明這些顆粒有較高的鈣、磷和鎂的蹤跡。骨的細胞常有大量的線粒體顆粒，可能是激素作用于細胞膜的結果。例如甲狀旁腺激素能引起進入細胞的鈣增加，并隨之有線粒體顆粒數目的增加。成骨細胞核大而圓，位于遠離骨表面的細胞一端，核仁清晰。在核仁附近有一淺染區，高爾基復合體位于此區內。成骨細胞胞質呈堿性磷酸酶強陽性，可見許多PAS陽性顆粒，一般認為它是骨基質的蛋白多糖前身。當新骨形成停止時，這些顆粒消失，胞質堿性磷酸酶反應減弱，成骨細胞轉變為扁平狀，被覆于骨組織表面，其超微結構類似成纖維細胞。

（二）成骨細胞的功能

在骨形成非常活躍處，如骨折、骨痂及腫瘤或感染引起的新骨中，成骨細胞可形成復層堆積在骨組織表面。成骨細胞有活躍的分泌功能，能合成和分泌骨基質中的多種有機成分，包括Ⅰ型膠原蛋白、蛋白多糖、骨鈣蛋白、骨黏連蛋白、骨橋蛋白、骨唾液酸蛋白等。因此認為其在細胞內合成過程與成纖維細胞或軟骨細胞相似。成骨細胞還分泌胰島素樣生長因子Ⅰ、胰島素樣生長因子Ⅱ、成纖維細胞生長因子、白細胞介素-1和前列腺素等，它們對骨生長均有重要作用。此外還分泌破骨細胞刺激因子、前膠原酶和胞質素原激活劑，它們有促進骨吸收的作用。因此，成骨細胞的主要功能概括起來有：①產生膠原纖維和無定形基質，即形成類骨質；②分泌骨鈣蛋白、骨黏連蛋白和骨唾液酸蛋白等非膠原蛋白，促進骨組織的礦化；③分泌一些細胞因子，調節骨組織形成和吸收。成骨細胞不斷產生新的細胞間質，并經過鈣化形成骨質，成骨細胞逐漸被包埋在其中。此時，細胞內的合成活動停止，胞質減少，胞體變形，即成為骨細胞。總之，成骨細胞是參與骨生成、生長、吸收及代謝的關鍵細胞。

1．成骨細胞分泌的酶類

（1）堿性磷酸酶（alkaline phosphates，ALP）：

成熟的成骨細胞能產生大量的ALP。由成骨細胞產生的ALP稱為骨特異性堿性磷酸酶（bone alkaline phosphatase，BALP），它以焦磷酸鹽為底物，催化無機磷酸鹽的水解，從而降低焦磷酸鹽濃度，有利于骨的礦化。在血清中可以檢測到四種不同的ALP同分異構體，這些異構體都能作為代謝性骨病的診斷標志，但各種異構體是否與不同類型的骨質疏松癥（絕經后骨質疏松癥、老年性骨質疏松癥以及半乳糖血癥、乳糜瀉、腎性骨營養不良等引起的繼發性骨質疏松癥）相關，尚有待于進一步研究。

（2）組織型谷氨酰胺轉移酶（tTGs）：

谷氨酰胺轉移酶是在組織和體液中廣泛存在的一組多功能酶類，具有鈣離子依賴性。雖然其并非由成骨細胞專一產生，但在骨的礦化中有非常重要的作用。成骨細胞主要分泌組織型谷氨酰胺轉移酶，處于不同階段或不同類型的成骨細胞，其胞質內的谷氨酰胺轉移酶含量是不一樣的。tTG能促進細胞的黏附、細胞播散、細胞外基質的修飾，同時也在細胞凋亡、損傷修復、骨礦化進程中起著重要作用。成骨細胞分泌的tTGs，以許多細胞外基質為底物，促進各種基質的交聯，其最主要的底物為纖連蛋白和骨橋素。tTGs的活化依賴鈣離子，即在細胞外鈣離子濃度升高的情況下，才能催化纖連蛋白與骨橋素的自身交聯。由于鈣離子和細胞外基質成分是參與骨礦化最主要的物質，在繼發性骨質疏松癥和乳糜瀉患者的血液中，也可檢測到以tTGs為自身抗原的自身抗體，因而tTGs在骨的礦化中肯定發揮著極其重要的作用。

（3）基質金屬蛋白酶（matrixmetalloproteinase，MMP）：

MMP是一類鋅離子依賴性的蛋白水解酶類，主要功能是降解細胞外基質，同時也參與成骨細胞功能與分化的信號轉導。

2．成骨細胞分泌的細胞外基質

成熟的成骨細胞分泌大量的細胞外基質，也稱為類骨質，包括各種膠原和非膠原蛋白。

（1）骨膠原：

成骨細胞分泌的細胞外基質中大部分為膠原，其中主要為Ⅰ型膠原，占ECM的90%以上。約10%為少量Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅹ型膠原蛋白及多種非膠原蛋白。Ⅰ型膠原蛋白主要構成礦物質沉積和結晶的支架，羥磷灰石在支架的網狀結構中沉積。Ⅲ型膠原和Ⅴ型膠原能調控膠原纖維絲的直徑，使膠原纖維絲不致過分粗大，而Ⅹ型膠原纖維主要是作為Ⅰ型膠原的結構模型。

（2）非膠原蛋白：

成骨細胞分泌的各種非膠原成分如骨橋素、骨涎蛋白、纖連蛋白和骨鈣素等在骨的礦化、骨細胞的分化中起重要的作用。

3．成骨細胞的凋亡

凋亡的成骨細胞經歷增殖、分化、成熟、礦化等各個階段后，被礦化骨基質包圍或附著于骨基質表面，逐步趨向凋亡或變為骨細胞、骨襯細胞。成骨細胞的這一凋亡過程是維持骨的生理平衡所必需的。和其他細胞凋亡途徑一樣，成骨細胞的凋亡途徑也包括線粒體激活的凋亡途徑和死亡受體激活的凋亡途徑，最終導致成骨細胞核的碎裂、DNA的有控降解、細胞皺縮、膜的氣泡樣變等。由于成骨細胞上存在腫瘤壞死因子受體，且在成骨細胞的功能發揮中起著重要作用，因此推測成骨細胞主要可能通過死亡受體激活的凋亡途徑而凋亡。細胞因子、細胞外基質和各種激素都能誘導或組織成骨細胞的凋亡。骨形態生成蛋白（bonemorphogenetic protein，BMP）被確定為四肢骨指間細胞凋亡的關鍵作用分子。此外，甲狀旁腺激素、糖皮質激素、性激素等對成骨細胞的凋亡均有調節作用。

三、骨細胞

骨細胞是骨組織中的主要細胞，埋于骨基質內，細胞體位于的腔隙稱骨陷窩，每個骨陷窩內僅有一個骨細胞胞體。骨細胞的胞體呈扁卵圓形，有許多細長的突起，這些細長的突起伸進骨陷窩周圍的小管內，此小管即骨小管。

1．骨細胞的形態

骨細胞的結構和功能與其成熟度有關。剛轉變的骨細胞位于類骨質中，它們的形態結構與成骨細胞非常近似。胞體為扁橢圓形，位于比胞體大許多的圓形骨陷窩內。突起多而細，通常各自位于一個骨小管中，有的突起還有少許分支。核呈卵圓形，位于胞體的一端，核內有一個核仁，染色質貼附核膜分布。HE染色時胞質嗜堿性，近核處有一淺染區。胞質呈堿性磷酸酶陽性，還有PAS陽性顆粒，一般認為這些顆粒是有機基質的前身物。較成熟的骨細胞位于礦化的骨質淺部，其胞體也呈雙凸扁橢圓形，但體積小于年幼的骨細胞。核較大，呈橢圓形，居胞體中央，在HE染色時著色較深，仍可見有核仁。胞質相對較少，HE染色呈弱嗜堿性，甲苯胺藍著色甚淺。

電鏡下其粗面內質網較少，高爾基復合體較小，少量線粒體分散存在，游離核糖體也較少。

成熟的骨細胞位于骨質深部，胞體比原來的成骨細胞縮小約70%，核質比例增大，胞質易被甲苯胺藍染色。電鏡下可見一定量的粗面內質網和高爾基復合體，線粒體較多，此外尚可見溶酶體。線粒體中常有電子致密顆粒，與破骨細胞的線粒體顆粒相似，現已證實，這些顆粒是細胞內的無機物，主要是磷酸鈣。成熟骨細胞最大的變化是形成較長突起，其直徑85～100nm，為骨小管直徑的1/2～1/4。相鄰骨細胞的突起端對端地相互連接，或以其末端側對側地相互貼附，其間有縫隙連接。成熟的骨細胞位于骨陷窩和骨小管的網狀通道內。骨細胞最大的特征是細胞突起在骨小管內伸展，與相鄰的骨細胞連接，深部的骨細胞由此與鄰近骨表面的骨細胞突起和骨小管相互連接和通連，構成龐大的網樣結構。骨陷窩-骨小管-骨陷窩組成細胞外物質運輸通道，是骨組織通向外界的唯一途徑，深埋于骨基質內的骨細胞正是通過該通道運輸營養物質和代謝產物。而骨細胞-縫隙連接-骨細胞形成細胞間信息傳遞系統，是骨細胞間直接通訊的結構基礎。據測算，成熟骨細胞的胞體及其突起的總表面積占成熟骨基質總表面積的90%以上，這對骨組織液與血液之間經細胞介導的無機物交換起著重要作用。骨細胞的平均壽命為25年。

2．骨細胞的功能

（1）骨細胞性溶骨和骨細胞性成骨：

大量研究表明，骨細胞可能主動參加溶骨過程，并受甲狀旁腺激素、降鈣素和維生素D3的調節以及機械性應力的影響。Belanger發現骨細胞具有釋放枸櫞酸、乳酸、膠原酶和溶解酶的作用。溶解酶會引起骨細胞周圍的骨吸收，他把這種現象稱之為骨細胞性骨溶解。骨細胞性溶骨表現為骨陷窩擴大，陷窩壁粗糙不平。骨細胞性溶骨也可類似破骨細胞性骨吸收，使骨溶解持續地發生在骨陷窩的某一端，從而使多個骨陷窩融合。當骨細胞性溶骨活動結束后，成熟骨細胞又可在較高水平的降鈣素作用下進行繼發性骨形成，使骨陷窩壁增添新的骨基質。生理情況下，骨細胞性溶骨和骨細胞性成骨是反復交替的，即平時維持骨基質的成骨作用，在機體需提高血鈣量時，又可通過骨細胞性溶骨活動從骨基質中釋放鈣離子。

（2）參與調節鈣、磷平衡：

現已證實，骨細胞除了通過溶骨作用參與維持血鈣、磷平衡外，骨細胞還具有轉運礦物質的能力。成骨細胞膜上有鈣泵存在，骨細胞可能通過攝入和釋放Ca2+和P3+，并可通過骨細胞相互間的網狀連接結構進行離子交換，參與調節Ca2+和P3+的平衡。

（3）感受力學信號：

骨細胞遍布骨基質內并構成龐大的網狀結構，成為感受和傳遞應力信號的結構基礎。

（4）合成細胞外基質：

成骨細胞被基質包圍后，逐漸轉變為骨細胞，其合成細胞外基質的細胞器逐漸減少，合成能力也逐漸減弱。但是，骨細胞還能合成極少部分行使功能和生存所必需的基質，骨橋蛋白、骨連接蛋白以及Ⅰ型膠原在骨的黏附過程中起著重要作用。

四、破骨細胞

1．破骨細胞的形態

（1）光鏡特征：

破骨細胞是多核巨細胞，細胞直徑可達50μm以上，胞核的大小和數目有很大的差異，15～20個不等，直徑為10～100μm。核的形態與成骨細胞、骨細胞的核類似，呈卵圓形，染色質顆粒細小，著色較淺，有1～2個核仁。在常規組織切片中，胞質通常為嗜酸性；但在一定pH下，用堿性染料染色，胞質呈弱嗜堿性，即破骨細胞具嗜雙色性。胞質內有許多小空泡。破骨細胞的數量較少，約為成骨細胞的1%，細胞無分裂能力。破骨細胞具有特殊的吸收功能，從事骨的吸收活動。破骨細胞常位于骨組織吸收處的表面，在吸收骨基質的有機物和礦物質的過程中，造成基質表面不規則，形成近似細胞形狀的凹陷稱吸收陷窩（Howship's lacuna）。

（2）電鏡特征：

功能活躍的破骨細胞具有明顯的極性，電鏡下分為4個區域，緊貼骨組織側的細胞膜和胞質分化成皺褶緣區和亮區。①皺褶緣區：此區位于吸收腔深處，是破骨細胞表面高度起伏不平的部分，光鏡下似紋狀緣，電鏡觀察是由內陷很深的質膜內褶組成，呈現大量的葉狀突起或指狀突起，粗細不均，遠側端可膨大，并常分支互相吻合，故名皺褶緣。ATP酶和酸性磷酸酶沿皺褶緣細胞膜分布。皺褶緣細胞膜的胞質面有非常細小的鬃毛狀附屬物，長15～20nm，間隔約20nm，致使該處細胞膜比其余部位細胞膜厚。突起之間有狹窄的細胞外裂隙，其內含有組織液及溶解中的羥基磷灰石、膠原蛋白和蛋白多糖分解形成的顆粒。②亮區或封閉區：環繞于皺褶緣區周圍，微微隆起，平整的細胞膜緊貼骨組織，好像一堵環行圍堤，包圍皺褶緣區，使皺褶緣區密封與細胞外間隙隔絕，造成一個特殊的微環境。因此將這種環行特化的細胞膜和細胞質稱為封閉區。切面上可見兩塊封閉區位于皺褶緣區兩側。封閉區有豐富的肌動蛋白微絲，但缺乏其他細胞器。電鏡下觀察封閉區電子密度低故又稱亮區。破骨細胞若離開骨組織表面，皺褶緣區和亮區均消失。③小泡區：此區位于皺褶緣的深面，內含許多大小不一、電子密度不等的膜被小泡和大泡。小泡數量多，為致密球形，小泡是初級溶酶體或內吞泡或次級溶酶體，直徑0.2～0.5μm。大泡數目少，直徑0.5～3.0μm，其中有些大泡對酸性磷酸酶呈陽性反應。小泡區還有許多大小不一的線粒體。④基底區：位于亮區和小泡區的深面，是破骨細胞遠離骨組織側的部分。細胞核聚集在該處，胞核之間有一些粗面內質網、發達的高爾基復合體和線粒體，還有與核數目相對應的中心粒，很多雙中心粒聚集在一個大的中心粒區。破骨細胞膜表面有豐富的降鈣素受體和親玻黏連蛋白或稱細胞外黏連蛋白受體等，參與調節破骨細胞的活動。破骨細胞表型的標志是皺褶緣區和亮區以及溶酶體內的抗酒石酸酸性磷酸酶（tartrate resistant acid phosphatase，TRAP），細胞膜上的ATP酶和降鈣素受體，以及降鈣素反應性腺苷酸環化酶活性。近年的研究發現，破骨細胞含有固有型一氧化氮合酶（constitutive nitric oxide synthase，cNOS）和誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS），用NADPH-黃遞酶組化染色，破骨細胞呈強陽性，這種酶是NOS活性的表現。

2．破骨細胞的功能

破骨細胞在吸收骨質時具有將基質中的鈣離子持續轉移至細胞外液的特殊功能。骨吸收的最初階段是羥磷灰石的溶解，破骨細胞移動活躍，細胞能分泌有機酸，使骨礦物質溶解和羥基磷灰石分解。在骨的礦物質被溶解吸收后，接下來就是骨的有機物質的吸收和降解。破骨細胞可分泌多種蛋白分解酶，主要包括半胱氨酸蛋白酶（cysteine protease，CP）和基質金屬蛋白酶（MMP）兩類。有機質經蛋白水解酶水解后，在骨的表面形成Howships陷窩。在整個有機質和無機礦物質的降解過程中，破骨細胞與骨的表面是始終緊密結合的。此外，破骨細胞能產生一氧化氮（NO），NO對骨吸收具有抑制作用，與此同時破骨細胞數量也減少。

第二節 骨的基質

骨的基質簡稱骨質，即鈣化的骨組織的細胞外基質。骨基質含水較少，僅占骨重量的8%～9%。骨基質由有機質和無機質兩種成分構成。

一、無機質

無機質即骨礦物質，又稱骨鹽，占干骨重量的65%～75%，其中95%是固體鈣和磷，無定形的鈣-磷固體在嫩的、新形成的骨組織中較多（40%～50%），在老的、成熟的骨組織中少（25%～30%）。骨礦物質大部分以無定形的磷酸鈣和結晶的羥基磷灰石［Ca10（PO4）6（OH）5］的形式分布于有機質中。無定形磷酸鈣是最初沉積的無機鹽，以非晶體形式存在，占成人骨無機質總量的20%～30%。無定形磷酸鈣繼而組建成結晶的羥基磷灰石。電鏡下觀察，羥基磷灰石結晶呈柱狀或針狀，長20～40nm，寬2～3nm。經X線衍射法研究表明，羥基磷灰石結晶體大小很不相同，體積約為（2.5～5）nm× 40nm×（20～35）nm。結晶體體積雖小，但密度極大，每克骨鹽含1016個結晶體，故其表面積甚大，可達100m2。它們位于膠原纖維表面和膠原原纖維之間，沿纖維長軸以60～70nm的間隔規律地排列。在液體中的結晶體被一層水包圍形成一層水化殼，離子只有通過這層物質才能達到結晶體表面，有利于細胞外液與結晶體進行離子交換。羥基磷灰石主要由鈣、磷酸根和羥基結合而成。結晶體還吸附許多其他礦物質，如鎂、鈉、鉀和一些微量元素，包括鋅、銅、錳、氟、鉛、鍶、鐵、鋁、鐳等。因此，骨是鈣、磷和其他離子的儲存庫。這些離子可能位于羥基磷灰石結晶的表面，或能置換晶體中的主要離子，或者兩者同時存在。

骨骼中的礦物質晶體與骨基質的膠原纖維之間存在十分密切的物理-化學和生物化學-高分子化學結構功能關系。正常的羥磷灰石形如長針狀，大小較一致，有嚴格的空間定向，如果羥磷灰石在骨礦化前沿的定點與排列紊亂，骨的礦化即可發生異常，同時也使基質的生成與代謝異常。

二、有機質

有機質包括膠原纖維和無定形基質（蛋白多糖、脂質，特別是磷脂類）。

（一）膠原纖維

膠原纖維是一種結晶纖維蛋白原，被包埋在含有鈣鹽的基質中。在有機質中膠原纖維占90%，人體的膠原纖維大約50%存在于骨組織。構成骨膠原原纖維的化學成分主要是Ⅰ型膠原，占骨總重量的30%，還有少量Ⅴ型膠原，占骨總重量的1.5%。在病理情況下，可出現m型膠原。骨的膠原纖維與結締組織膠原纖維的形態結構基本相同，分子結構為3條多肽鏈，每條含有1000多個氨基酸，交織呈繩狀，故又稱三聯螺旋結構。膠原原纖維的直徑為50～70nm，具有64nm周期性橫紋。Ⅰ型膠原由20多種氨基酸組成，其中甘氨酸約占33%，脯氨酸和羥脯氨酸約占25%。骨的膠原原纖維和其他膠原蛋白的最大不同在于它在稀酸液中不膨脹，也不溶解于可溶解其他膠原的溶劑中，如中性鹽和稀酸溶液等。骨的膠原原纖維具有這些特殊的物理性能，是由于骨Ⅰ型膠原蛋白分子之間有較多的分子間交聯。骨膠原與羥磷灰石結晶結合，形成了抗擠壓和抗拉扭很強的骨組織。隨著骨代謝不斷進行，膠原蛋白也不斷降解和合成。膠原的功能是使各種組織和器官具有強度完整性，1mm直徑的膠原可承受10～40kg的力。骨質含的膠原細纖維普遍呈平行排列，掃描電鏡下膠原細纖維分支，形成連接錯綜的網狀結構。

（二）無定形基質

無定形基質僅占有機質的10%左右，是一種沒有固定形態的膠狀物，主要成分是蛋白多糖和蛋白多糖復合物，后者由蛋白多糖和糖蛋白組成。

蛋白多糖類占骨有機物的4%～5%，由一條復雜的多肽鏈組成，還有幾個硫酸多糖側鏈與其共價連接。多糖部分為氨基葡聚糖，故PAS反應陽性，某些區域呈弱的異染性。盡管骨有機質中存在氨基葡聚糖，但由于含有豐富的膠原蛋白，骨組織切片染色呈嗜酸性。還有很少脂質，占干骨重0.1%，主要為磷脂類、游離脂肪酸和膽固醇等。

無定形基質含有許多非膠原蛋白，占有機物的0.5%，近年來已被分離出來的主要有以下幾種：

1．骨鈣蛋白 骨鈣蛋白或稱骨鈣素骨鈣蛋白是骨基質中含量最多的非膠原蛋白，在成人骨中約占非膠原蛋白總量的20%，占骨基質蛋白質的1%～2%。它一是種依賴維生素K的蛋白質，由47～351個氨基酸殘基組成的多肽，其中的2～3個氨基酸殘基中含有γ-羧基谷氨酸殘基（γ-carboxyl glutamic acid，G1A）鏈，相對分子質量為5900。一般認為骨鈣蛋白對羥基磷灰石有很高親和力，在骨組織礦化過程中，能特異地與骨羥基磷灰石結晶結合，主要通過側鏈GIA與晶體表面的Ca2+結合，每克分子骨鈣蛋白能結合2～3mol的Ca2+，從而促進骨礦化過程。骨鈣蛋白對成骨細胞和破骨細胞前體有趨化作用，并可能在破骨細胞的成熟及活動中起作用。骨鈣蛋白還可能控制骨Ca2+的進出，影響腎小管對Ca2+的重吸收，提示它參與調節體內鈣的平衡。當成骨細胞受1，25-（OH）2 D3刺激，可產生骨鈣蛋白。此外，腎、肺、脾、胰和胎盤的一些細胞也能合成骨鈣蛋白。

骨鈣素的表達受許多激素、生長因子和細胞因子的調節。上調骨鈣素表達的因子主要是1，25-（OH）2 D3，而下調其表達的因子有糖皮質激素、TGF-B、PGE2、IL-2、TNF-A、IL-10、鉛元素和機械應力等。

2．骨橋蛋白 骨橋蛋白（OPN）又稱骨唾液酸蛋白Ⅰ（bone sialoproteinⅠ，BSPⅠ），分泌性磷蛋白。是一種非膠原蛋白，主要由成骨性譜系細胞和活化型T淋巴細胞表達，存在于骨組織、外周血液和某些腫瘤中。OPN分子大約由300個氨基酸殘基組成，分子量44～375ku，其突出的結構特點是含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）基序。骨橋蛋白具有9個天冬氨酸的區域，該處是同羥基磷灰石相互作用的部位，故對羥基磷灰石有很高的親和力。骨橋蛋白濃集在骨形成的部位、軟骨成骨的部位和破骨細胞同骨組織相貼的部位，它是成骨細胞和破骨細胞黏附的重要物質，是連接細胞與基質的橋梁。骨橋蛋白不僅由成骨細胞產生，破骨細胞也表達骨橋蛋白mRNA，表明破骨細胞也能合成骨橋蛋白。此外，成牙質細胞、軟骨細胞、腎遠曲小管上皮細胞以及胎盤、神經組織及骨髓瘤的細胞也分泌骨橋蛋白。

OPN能與骨組織的其他組分結合，形成骨代謝的調節網絡。破骨細胞中的 OPN與 CD44/αVβ3受體形成復合物，可促進破骨細胞的移行。

3．骨唾液酸蛋白 骨唾液酸蛋白又稱骨唾液酸蛋白Ⅱ（bone sialoproteinⅡ，BSPⅡ）是酸性磷蛋白，相對分子質量為7000，40%～50%由碳水化合物構成，13%～14%為唾液酸，有30%的絲氨酸殘基磷酸化。BSPⅡ在骨中占非膠原蛋白總量的約15%。BSPⅡ的功能是支持細胞黏附，對羥基磷灰石有很高的親和力，具有介導基質礦化作用。它由成骨細胞分泌。

4．骨酸性糖蛋白-75 骨酸性糖蛋白-75（bone acidic glycoprotein-75，BAG-75）含有30%的強酸殘基，8%的磷酸，是酸性磷蛋白，相對分子質量為75000。它存在于骨骺板中，其功能與骨橋蛋白和BSPⅡ一樣，對羥基磷灰石有很強的親和力，甚至比它們還大。

5．骨黏連蛋白 骨黏連蛋白或稱骨連接素它是一種磷酸化糖蛋白，由303個氨基酸殘基組成，相對分子質量為32000，其氨基酸末端具有強酸性，有12個低親和力的鈣結合位點和一個以上高親和力的鈣結合位點。骨黏連蛋白能同鈣和磷酸鹽結合，促進礦化過程。能使Ⅰ型膠原與羥基磷灰石牢固地結合，它與鈣結合后引起本身分子構型變化。如果有鈣螯合劑，骨黏連蛋白即喪失其選擇性結合羥基磷灰石能力。骨黏連蛋白在骨組織中含量很高，由成骨細胞產生。但一些非骨組織也存在骨黏連蛋白，如軟骨細胞、皮膚的成纖維細胞、肌腱的腱細胞、消化道上皮細胞及成牙質細胞也可產生。骨連蛋白還與Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅴ型膠原以及與血小板反應素-1結合，并增加纖溶酶原活化抑制因子-1的合成。骨連蛋白可促進牙周組織MMP-2的表達，同時還通過OPG調節破骨細胞的形成。

6．鈣結合蛋白 鈣結合蛋白是一種維生素D依賴蛋白，存在于成骨細胞、骨細胞和軟骨細胞胞質的核糖體和線粒體上，成骨細胞和骨細胞突起內以及細胞外基質小泡內也有鈣結合蛋白，表明鈣結合蛋白沿突起傳遞，直至細胞外基質小泡。所以，鈣結合蛋白是一種鈣傳遞蛋白，基質小泡內的鈣結合蛋白在礦化過程中起積極作用。此外，鈣結合蛋白還存在于腸、子宮、腎和肺等，體內分布較廣。

7．纖連蛋白 纖連蛋白主要由發育早期的成骨細胞表達，以二聚體形式存在，分子量約400ku，兩個亞基中含有與纖維蛋白、肝素等的結合位點，亦可與明膠、膠原、DNA、細胞表面物質等結合。纖連蛋白主要由成骨細胞合成，主要功能是調節細胞黏附。成骨細胞的發育和功能有賴于細胞外基質的作用，基質中的黏附受體將細胞外基質與成骨細胞的細胞骨架連接起來，二氫睪酮可影響細胞外基質中纖連蛋白及其受體的作用，刺激纖連蛋白及其受體ALP、OPG的表達。

第三節 骨的種類

一、解剖分類

成人有206塊骨，可分為顱骨、軀干骨和四肢骨三部分。前兩者也稱為中軸骨。按形態骨可分為4類。

1．長骨

呈長管狀，分布于四肢。長骨分一體兩端，體又稱骨干，內有空腔稱髓腔，容納骨髓。體表面有1～2個主要血管出入的孔，稱滋養孔。兩端膨大稱為骺，具有光滑的關節面，活體時被關節軟骨覆蓋。骨干與骺相鄰的部分稱為干骺端，幼年時保留一片軟骨，稱為骺軟骨。通過骺軟骨的軟骨細胞分裂繁殖和骨化，長骨不斷加長。成年后，骺軟骨骨化，骨干與骺融合為一體，原來骺軟骨部位形成骺線。

2．短骨

形似立方體，往往成群地聯結在一起，分布于承受壓力較大而運動較復雜的部位，如腕骨。

3．扁骨

呈板狀，主要構成顱腔、胸腔和盆腔的壁，以保護腔內器官，如顱蓋骨和肋骨。

4．不規則骨

形狀不規則，如椎骨。有些不規則骨內具有含氣的腔，稱含氣骨。

二、組織學類型

骨組織根據其發生的早晚、骨細胞和細胞間質的特征及其組合形式，可分為未成熟的骨組織和成熟的骨組織。前者為非板層骨，后者為板層骨。胚胎時期最初形成的骨組織和骨折修復形成的骨痂，都屬于非板層骨，除少數幾處外，它們或早或遲被以后形成的板層骨所取代。

（一）非板層骨

又稱為初級骨組織。可分兩種，一種是編織骨，另一種是束狀骨。編織骨比較常見，其膠原纖維束呈編織狀排列，因而得名。膠原纖維束的直徑差異很大，但粗大者居多，最粗直徑達13μm，因此又有粗纖維骨之稱。編織骨中的骨細胞分布和排列方向均無規律，體積較大，形狀不規則，按骨的單位容積計算，其細胞數量約為板層骨的4倍。編織骨中的骨細胞代謝比板層骨的細胞活躍，但前者的溶骨活動往往是區域性的。在出現骨細胞溶骨的一些區域內，相鄰的骨陷窩同時擴大，然后合并，形成較大的無血管性吸收腔，使骨組織出現較大的不規則囊狀間隙，這種吸收過程是清除編織骨以被板層骨取代的正常生理過程。編織骨中的蛋白多糖等非膠原蛋白含量較多，故基質染色呈嗜堿性。若骨鹽含量較少，則X線更易透過。編織骨是未成熟骨或原始骨，一般出現在胚胎、新生兒、骨痂和生長期的干骺區，以后逐漸被板層骨取代，但到青春期才取代完全。在牙床、近顱縫處、骨迷路、腱或韌帶附著處，仍終身保存少量編織骨，這些編織骨往往與板層骨摻雜存在。某些骨骼疾病，如畸形性骨炎（Paget's disease）、氟中毒、原發性甲狀旁腺功能亢進引起的囊狀纖維性骨炎、腎病性骨營養不良和骨腫瘤等，都會出現編織骨，并且最終可能在患者骨中占絕對優勢。束狀骨比較少見，也屬粗纖維骨。它與編織骨的最大差異是膠原纖維束平行排列，骨細胞分布于相互平行的纖維束之間。

（二）板層骨

又稱次級骨組織，它以膠原纖維束高度有規律地成層排列為特征。膠原纖維束一般較細，因此又有細纖維骨之稱。細纖維束直徑通常為2～4μm，它們排列成層，與骨鹽和有機質結合緊密，共同構成骨板。同一層骨板內的纖維大多是相互平行的，相鄰兩層骨板的纖維層則呈交叉方向。骨板的厚薄不一，一般為3～7μm。骨板之間的礦化基質中很少存在膠原纖維束，僅有少量散在的膠原纖維。骨細胞一般比編織骨中的細胞小，胞體大多位于相鄰骨板之間的礦化基質中，但也有少數散在于骨板的膠原纖維層內。骨細胞的長軸基本與膠原纖維的長軸平行，顯示了有規律的排列方向。

在板層骨中，相鄰骨陷窩的骨小管彼此通連，構成骨陷窩-骨小管-骨陷窩通道網。由于骨淺部骨陷窩的部分骨小管開口于骨的表面，而骨細胞的胞體和突起又未充滿骨陷窩和骨小管，因此該通道內有來自骨表面的組織液。通過骨陷窩-骨小管-骨陷窩通道內的組織液循環，既保證了骨細胞的營養，又保證了骨組織與體液之間的物質交換。若骨板層數過多，骨細胞所在位置與血管的距離超過300μm，則不利于組織液循環，其結果往往導致深層骨細胞死亡。一般認為，板層骨中任何一個骨細胞所在的位置與血管的距離均在300μm以內。

板層骨中的蛋白多糖復合物含量比編織骨少，骨基質染色呈嗜酸性，與編織骨的染色形成明顯的對照。板層骨中的骨鹽與有機質的關系十分密切，這也是與編織骨的差別之一。板層骨的組成成分和結構的特點，賦予板層骨抗張力強度高、硬度強的特點；而編織骨的韌性較大，彈性較好。編織骨和板層骨都參與松質骨和密質骨的構成。

第四節 骨的組織結構

人體的206塊骨，分為多種類型，其中以長骨的結構最為復雜。長骨由骨干和骨骺兩部分構成，表面覆有骨膜和關節軟骨。典型的長骨，如股骨和肱骨，其骨干為一厚壁而中空的圓柱體，中央是充滿骨髓的大骨髓腔。長骨由密質骨、松質骨和骨膜等構成。密質骨為松質骨質量的4倍，但松質骨代謝卻為密質骨的8倍，這是因為松質骨具有大量表面積，為細胞活動提供了條件。松質骨一般存在于骨干端、骨骺和如椎骨的立方形骨中，松質骨內部的板層或桿狀結構形成了沿著機械壓力方向排列的三維網狀構架。松質骨承受著壓力和應變張力的合作用，但壓力負荷仍是松質骨承受的主要負載形式。密質骨組成長骨的骨干，承受彎曲、扭轉和壓力載荷。長骨骨干除骨髓腔面有少量松質骨外，其余均為密質骨。骨干中部的密質骨最厚，越向兩端越薄。

一、密質骨

骨干主要由密質骨構成，內側有少量松質骨形成的骨小梁。密質骨在骨干的內外表層形成環骨板，在中層形成哈弗斯系統和間骨板。骨干中有與骨干長軸幾乎垂直走行的穿通管，內含血管、神經和少量疏松結締組織，結締組織中有較多骨祖細胞；穿通管在骨外表面的開口即為滋養孔。

（一）環骨板

環骨板是指環繞骨干外、內表面排列的骨板，分別稱為外環骨板和內環骨板。

1．外環骨板

外環骨板厚，居骨干的淺部，由數層到十多層骨板組成，比較整齊地環繞骨干平行排列，其表面覆蓋骨外膜。骨外膜中的小血管橫穿外環骨板深入骨質中。貫穿外環骨板的血管通道稱穿通管或福爾克曼管（Volkmann canal），其長軸幾乎與骨干的長軸垂直。通過穿通管，營養血管進入骨內，和縱向走行的中央管內的血管相通。

2．內環骨板

內環骨板居骨干的骨髓腔面，僅由少數幾層骨板組成，不如外環骨板平整。內環骨板表面襯以骨內膜，后者與被覆于松質骨表面的骨內膜相連續。內環骨板中也有穿通管穿行，管中的小血管與骨髓血管通連。從內、外環骨板最表層骨陷窩發出的骨小管，一部分伸向深層，與深層骨陷窩的骨小管通連；一部分伸向表面，終止于骨和骨膜交界處，其末端是開放的。

（二）哈弗斯骨板

哈弗斯骨板（Haversian lamella）介于內、外環骨板之間，是骨干密質骨的主要部分，它們以哈弗斯管（Haversian canal）為中心呈同心圓排列，并與哈弗斯管共同組成哈弗斯系統。哈弗斯管也稱中央管，內有血管、神經及少量結締組織。長骨骨干主要由大量哈弗斯系統組成，所有哈弗斯系統的結構基本相同，故哈弗斯系統又有骨單位之稱。

骨單位為厚壁的圓筒狀結構，其長軸基本上與骨干的長軸平行，中央有一條細管稱中央管，圍繞中央管有5～20層骨板呈同心圓排列，宛如層層套入的管鞘。改建的骨單位不總是呈單純的圓柱形，可有許多分支互相吻合，具有復雜的立體構型。因此，可以見到由同心圓排列的骨板圍繞斜形的中央管。中央管之間還有斜形或橫形的穿通管互相連接，但穿通管周圍沒有同心圓排列的骨板環繞，據此特征可區別穿通管與中央管。哈弗斯骨板一般為5～20層，故不同骨單位的橫斷面積大小不一。每層骨板的平均厚度為3μm。

骨板中的膠原纖維繞中央管呈螺旋形行走，相鄰骨板中膠原纖維互成直角關系。有人認為，骨板中的膠原纖維的排列是多樣性的，并根據膠原纖維的螺旋方向，將骨單位分為3種類型：Ⅰ型，所有骨板中的膠原纖維均以螺旋方向為主；Ⅱ型，相鄰骨板的膠原纖維分別呈縱形和環行；Ⅲ型，所有骨板的膠原纖維以縱形為主，其中摻以極少量散在的環行纖維。不同類型骨單位的機械性能有所不同，其壓強和彈性系數以橫形纖維束為主的骨單位最大，以縱形纖維束為主的骨單位最小。每個骨單位最內層骨板表面均覆以骨內膜。

中央管長度為3～5mm，中央管的直徑因各骨單位而異，差異很大，平均300μm，內壁襯附一層結締組織，其中的細胞成分隨著每一骨單位的活動狀態而各有不同。在新生的骨質內多為骨祖細胞，被破壞的骨單位則有破骨細胞。骨沉積在骨外膜或骨內膜溝表面形成的骨單位，或在松質骨骨骼內形成的骨單位，稱為初級骨單位。中央管被同心圓骨板柱圍繞，僅有幾層骨板。初級骨單位常見于未成熟骨，如幼骨，特別是胚胎骨和嬰兒骨，隨著年齡增長，初級骨單位也相應減少。次級骨單位與初級骨單位相似，是初級骨單位經改建后形成的。次級骨單位或稱繼發性哈弗斯系統，有一黏合線，容易辨認，并使其與鄰近的礦化組織分開來。

中央管中通行的血管不一致。有的中央管中只有一條毛細血管，其內皮有孔，胞質中可見吞飲小泡，包繞內皮的基膜內有周細胞。有的中央管中有兩條血管，一條是小動脈，或稱毛細血管前微動脈，另一條是小靜脈。骨單位的血管彼此通連，并與穿通管中的血管交通。在中央管內還可見到細的神經纖維，與血管伴行，大多為無髓神經纖維，偶可見有髓神經纖維，這些神經主要由分布在骨外膜的神經纖維構成。

（三）間骨板

位于骨單位之間或骨單位與環骨板之間，大小不等，呈三角形或不規則形，也由平行排列骨板構成，大都缺乏中央管。間骨板與骨單位之間有明顯的黏合線分界。間骨板是骨生長和改建過程中哈弗斯骨板被溶解吸收后的殘留部分。

在以上三種結構之間，以及所有骨單位表面都有一層黏合質，呈強嗜堿性，為骨鹽較多而膠原纖維較少的骨質，在長骨橫斷面上呈折光較強的輪廓線，稱黏合線。伸向骨單位表面的骨小管，都在黏合線處折返，不與相鄰骨單位的骨小管連通。因此，同一骨單位內的骨細胞都接受來自其中央管的營養供應。

二、松質骨

長骨兩端的骨骺主要由松質骨構成，僅表面覆以薄層密質骨。松質骨的骨小梁粗細不一，相互連接而成拱橋樣結構，骨小梁的排列配布方向完全符合機械力學規律。骨小梁也由骨板構成，但層次較薄，一般不顯骨單位，在較厚的骨小梁中，也能看到小而不完整的骨單位。例如股骨上端、股骨頭和股骨頸處的骨小梁排列方向，與其承受的壓力和張力曲線大體一致；而股骨下端和脛骨上、下端，由于壓力方向與它們的長軸一致，故骨小梁以垂直排列為主。骨所承受的壓力均等傳遞，變成分力，從而減輕骨的負荷，但骨骺的抗壓抗張強度小于骨干的抗壓抗張強度。松質骨骨小梁之間的間隙相互連通，并與骨干的骨髓腔直接相通。

三、骨膜

骨膜是由致密結締組織組成的纖維膜。包在骨表面的較厚層結締組織稱骨外膜，被襯于骨髓腔面的薄層結締組織稱骨內膜。除骨的關節面、股骨頸、距骨的囊下區和某些籽骨表面外，骨的表面都有骨外膜。肌腱和韌帶的骨附著處均與骨外膜連續。

（一）骨外膜

成人長骨的骨外膜一般可分為內、外兩層，但兩者并無截然分界。

纖維層是最外的一層薄的、致密的、排列不規則的結締組織，其中含有一些成纖維細胞。結締組織中含有粗大的膠原纖維束，彼此交織成網狀，有血管和神經在纖維束中穿行，沿途有些分支經深層穿入穿通管（Volkmann's canal）。有些粗大的膠原纖維束向內穿進骨質的外環層骨板，亦稱穿通纖維（Sharpey's fiber），起固定骨膜和韌帶的作用。骨外膜內層直接與骨相貼，為薄層疏松結締組織，其纖維成分少，排列疏松，血管及細胞豐富，細胞貼骨分布，排列成層，一般認為它們是骨祖細胞。

骨外膜內層組織成分隨年齡和功能活動而變化，在胚胎期和出生后的生長期，骨骼迅速生成，內層的細胞數量較多，骨祖細胞層較厚，其中許多已轉變為成骨細胞。成年后骨處于改建緩慢的相對靜止階段，骨祖細胞相對較少，不再排列成層，而是分散附著于骨的表面，變為梭形，與結締組織中的成纖維細胞很難區別。當骨受損后，這些細胞又恢復造骨的能力，變為典型的成骨細胞，參與新的骨質形成。由于骨外膜內層有成骨能力，故又稱生發層或成骨層。

（二）骨內膜

骨內膜是一薄層含細胞的結締組織，襯附于骨干和骨骺的骨髓腔面以及所有骨單位中央管的內表面，并且相互連續。骨內膜非常薄，不分層，由一層扁平的骨祖細胞和少量的結締組織構成，并和穿通管內的結締組織相連續。非改建期骨的骨內膜表面覆有一層細胞稱為骨襯細胞，細胞表型不同于成骨細胞。一般認為它是靜止的成骨細胞，在適當刺激下，骨襯細胞可再激活成為有活力的成骨細胞。

骨膜的主要功能是營養骨組織，為骨的修復或生長不斷提供新的成骨細胞。骨膜具有成骨和成軟骨的雙重潛能，臨床上利用骨膜移植，已成功地治療骨折延遲愈合或不愈合、骨和軟骨缺損、先天性腭裂和股骨頭缺血性壞死等疾病。骨膜內有豐富的游離神經末梢，能感受痛覺。

四、骨髓

骨松質的腔隙彼此通連，其中充滿小血管和造血組織，稱為骨髓。在胎兒和幼兒期，全部骨髓呈紅色，稱紅骨髓。紅骨髓有造血功能，內含發育階段不同的紅骨髓和某些白細胞。約在5歲以后，長骨骨髓腔內的紅骨髓逐漸被脂肪組織代替，呈黃色，稱黃骨髓，失去造血活力，但在慢性失血過多或重度貧血時，黃骨髓可逐漸轉化為紅骨髓，恢復造血功能。在椎骨、髂骨、肋骨、胸骨及肱骨和股骨等長骨的骨骺內終生都是紅骨髓，因此臨床常選髂前上棘或髂后上棘等處進行骨髓穿刺，檢查骨髓象。

第五節 骨的血管、淋巴管和神經

1．血管長骨的血供來自三個方面；骨端、骨骺和干骺端的血管；進入骨干的滋養動脈；骨膜動脈。

滋養動脈是長骨的主要動脈，一般有1～2支，經骨干的滋養孔進入骨髓腔后，分為升支和降支，每一支都有許多細小的分支，大部分直接進入皮質骨，另一些分支進入髓內血竇。升支和降支的終末血管供給長骨兩端的血液，在成年人可與干骺端動脈及骺動脈的分支吻合。干骺端動脈和骺動脈均發自鄰近動脈，分別從骺軟骨的近側和遠側穿入骨質。上述各動脈均有靜脈伴行，匯入該骨附近的靜脈。不規則骨、扁骨和短骨的動脈來自骨膜動脈或滋養動脈。

2．淋巴管骨膜的淋巴管很豐富，但骨的淋巴管是否存在尚有爭議。

3．神經骨的神經伴滋養血管進入骨內，分布到哈弗管的血管周隙中，以內臟傳出纖維較多，分布到血管壁；軀體傳入纖維則分布于骨膜、骨內膜、骨小梁及關節軟骨深面。骨膜的神經最豐富，并對張力或撕扯的刺激較為敏感，故骨膿腫和骨折常引起劇痛。

（宮麗華 黃嘯原）

參考文獻

1．胥少汀，葛寶豐，徐印坎.實用骨科學.第3版.北京：人民軍醫出版社，2005：13-24.

2．成令忠，鐘翠平，蔡文琴.現代組織學.上海：上海科學技術文獻出版社，2003：238-254.

3．柏樹令.系統解剖學.第6版.北京：人民衛生出版社，2004：9-14.

4．鄒仲之.組織學與胚胎學.第5版.北京：人民衛生出版社，2004：45-55.

5．Aubin JE，Triffit JT.Mesenchymal stem cells and osteoblast differentiation.In：Principles of Bone Biology，London：Academic Press，2002：59-84.

6．Harada S.Rodan GA.Control of osteoblast function and regulation of bonemass.Nature，2003（423）：349-355.

7．Teitelbaum SL.Bone resorption by osteoclasts.Science，2000（289）：1504-1508.