第二章 骨的發生、成長和維持

第一節 骨的胚胎發育

一、細胞來源

骨組織中的細胞來源于三種不同的胚原細胞譜系：①神經嵴細胞（形成顱面骨骼）；②生骨節細胞（形成中軸骨）；③中胚層細胞（形成骨的附件）。

骨組織中的兩種主要細胞系（破骨性譜系細胞和成骨性譜系細胞）的來源不同，破骨性譜系細胞來源于生血性干細胞，成骨性譜系細胞來源于間充質干細胞。間充質干細胞經過非對稱性分裂、增殖，生成各種類型的間充質前身細胞，最后形成成骨細胞、成脂肪細胞、成軟骨細胞、成肌細胞和成纖維細胞。成骨性譜系細胞分化增殖的不同時期受不同轉錄調節因子的調節，并表達不同的基因產物。其中的轉錄調節因子大致有以下幾類：轉錄因子，激素、生長因子、細胞因子及其受體，抗增殖蛋白及骨的基質蛋白質等。

二、骨骼生成分期

骨骼生成可分為以下4期：①胚胎細胞向骨骼生成部位移行期；②上皮細胞-間充質細胞相互作用期；③致密體形成期；④成軟骨細胞和成骨細胞分化與增殖期。

由軟骨板起源發育成骨骼的過程稱為軟骨內成骨，不僅生成骨骼，而且還是出生后個體骨構塑和骨折修復的重要方式之一。膜內成骨過程無軟骨胚基的參與，直接由骨化中心的間充質細胞致密化并轉型為成骨細胞而形成骨組織。成骨細胞發育的調節機制尚未闡明。研究表明，核結合因子a1（core binding factor a1，Cbfa1，現稱為runtrelated transcription factor 2，RunX2）是調節成骨細胞生成的關鍵因子，它可調節骨鈣素基因表達。

第二節 骨的發生

骨來源于胚胎時期的間充質，骨的發生有兩種方式：一種是膜內成骨，即在原始的結締組織內直接成骨；另一種是軟骨內成骨，即在軟骨內成骨。雖然發生方式不同，但骨組織發生的過程相似，都包括了骨組織形成和骨組織吸收兩個方面。

一、骨組織發生的基本過程

骨組織發生的基本過程包括骨組織形成和吸收兩方面的變化，成骨細胞與破骨細胞通過相互調控機制，共同完成骨組織的形成和吸收。

1．骨組織的形成

骨組織的形成經過兩個步驟，首先是形成類骨質，即骨祖細胞增殖分化為成骨細胞，成骨細胞產生類骨質。成骨細胞被類骨質包埋后轉變為骨細胞。然后類骨質鈣化為骨質，從而形成了骨組織。在形成的骨組織表面又有新的成骨細胞繼續形成類骨質，然后礦化，如此不斷地進行。新骨組織形成的同時，原有骨組織的某些部分又被吸收。

2．骨組織的吸收

骨組織形成的同時，原有骨組織的某些部位又可被吸收，即骨組織被侵蝕溶解，在此過程中破骨細胞起主要作用，稱為破骨細胞性溶骨。破骨細胞溶骨過程包括三個階段：首先是破骨細胞識別并黏附于骨基質表面；然后細胞產生極性，形成吸收裝置并分泌有機酸和溶酶體酶；最后使骨礦物質溶解和有機物降解。

二、骨發生的方式

自胚胎第7周以后開始出現膜內成骨和軟骨內成骨。

（一）膜內成骨

膜內成骨是指在原始的結締組織內直接成骨。

顱的一些扁骨如額骨和頂骨以及枕骨、顳骨、上頜骨和下頜骨的一部分，還有長骨的骨領和短骨等，這些骨的生長都是膜內成骨方式。

在將來要成骨的部位，間充質首先分化為原始結締組織膜，然后間充質細胞集聚并分化為骨祖細胞，后者進一步分化為成骨細胞。成骨細胞產生膠原纖維和基質，細胞間隙充滿排列雜亂的纖細膠原纖維束，并包埋于薄層凝膠樣的基質中，即類骨質形成。嗜酸性的類骨質呈細條索狀，分支吻合成網。由于類骨質形成在血管網之間，靠近血管大致呈等距離的沉積，不久類骨質礦化，形成原始骨組織，即稱骨小梁。最先形成骨組織的部位，稱為骨化中心。骨小梁形成后，來自骨祖細胞的成骨細胞排列在骨小梁表面，產生新的類骨質，使骨小梁增長、加粗。一旦成骨細胞耗竭，立即由血管周圍結締組織中的骨祖細胞增殖、分化為成骨細胞。膜內成骨是從骨化中心各向四周呈放射狀地生長，最后融合起來，取代了原來的原始結締組織，成為由骨小梁構成的海綿狀原始松質骨。在發生密質骨的區域，成骨細胞在骨小梁表面持續不斷產生新的骨組織，直到血管周圍的空隙大部分消失為止。與此同時，骨小梁內的膠原纖維由不規則排列逐漸轉變為有規律地排列。在松質骨將保留的區域，骨小梁停止增厚，位于其間的具有血管的結締組織，則逐漸轉變為造血組織，骨周圍的結締組織則保留成為骨外膜。骨生長停止時，留在內、外表面的成骨細胞轉變為成纖維細胞樣細胞，并作為骨內膜和骨外膜的骨襯細胞而保存。在修復時，骨襯細胞的成骨潛能再被激活，又再成為成骨細胞。胎兒出生前，頂骨的外形初步建立，兩塊頂骨之間留有窄縫，由原始結締組織連接。頂骨由一層初級密質骨和骨膜構成。

（二）軟骨內成骨

軟骨內成骨是指在預先形成的軟骨雛形的基礎上，將軟骨逐漸替換為骨。人體的大多數骨，如四肢長骨、軀干骨和部分顱底骨等，都以此種方式發生。

軟骨內成骨的基本步驟是：①軟骨細胞增生、肥大，軟骨基質鈣化，致使軟骨細胞退化死亡；②血管和骨祖細胞侵入，骨祖細胞分化為成骨細胞，并在殘留的鈣化軟骨基質上形成骨組織。主要過程如下：

1．軟骨雛形 形成在將要發生長骨的部位，間充質細胞聚集、分化形成骨祖細胞，后者繼而分化成為軟骨細胞，成軟骨細胞進一步分化為軟骨細胞。軟骨細胞分泌軟骨基質，細胞自身被包埋其中，于是形成一塊透明軟骨，其外形與將要形成的長骨相似，故稱為軟骨雛形。周圍的間充質分化為軟骨膜。已成形的軟骨雛形通過間質性生長不斷加長，通過附加性生長逐漸加粗。骨化開始后，雛形仍繼續其間質性生長，使骨化得以持續進行，因此軟骨的加長是骨加長的先決條件。軟骨的生長速度與骨化的速度相適應，否則可能導致骨的發育異常。

2．骨領形成 在軟骨雛形中段，軟骨膜內的骨祖細胞增殖分化為成骨細胞，后者貼附在軟骨組織表面形成薄層原始骨組織。這層骨組織呈領圈狀圍繞著雛形中段，故名骨領。骨領形成后，其表面的軟骨膜即改名骨膜。

3．初級骨化中心 與骨髓腔形成軟骨雛形中央的軟骨細胞停止分裂，逐漸蓄積糖原，細胞體積變大而成熟。成熟的軟骨細胞能分泌堿性磷酸酶，由于軟骨細胞變大，占據較大空間，其周圍的軟骨基質相應變薄。當成熟的軟骨細胞分泌堿性磷酸酶時，軟骨基質鈣化，成熟的軟骨細胞因缺乏營養而退化死亡，軟骨基質隨之崩潰溶解，出現大小不一的空腔。隨后，骨膜中的血管連同結締組織穿越骨領，進入退化的軟骨區。破骨細胞、成骨細胞、骨祖細胞和間充質細胞隨之進入。破骨細胞消化分解退化的軟骨，形成許多與軟骨雛形長軸一致的隧道。成骨細胞貼附于殘存的軟骨基質表面成骨，形成以鈣化的軟骨基質為中軸、表面附以骨組織的條索狀結構，稱為過渡型骨小梁。出現過渡型骨小梁的部位為初級骨化中心。過渡型骨小梁之間的腔隙為初級骨髓腔，間充質細胞在此分化為網狀細胞。造血干細胞進入并增殖分化，從而形成骨髓。

初級骨化中心形成后，骨化將繼續向軟骨雛形兩端擴展，過渡型骨小梁也將被破骨細胞吸收，使許多初級骨髓腔融合成一個較大的腔，即骨髓腔，其內含有血管和造血組織。在此過程中，雛形兩端的軟骨不斷增生，鄰接骨髓腔處不斷骨化，從而使骨不斷加長。

4．次級骨化中心 出現與骨骺形成次級骨化中心出現在骨干兩端的軟骨中央，此處將形成骨骺。出現時間因骨而異，大多在出生后數月或數年。次級骨化中心成骨的過程與初級骨化中心相似，但是它們的骨化是呈放射狀向四周擴展，供應血管來自軟骨外的骺動脈。最終由骨組織取代軟骨，形成骨骺。骨化完成后，骺端表面殘存的薄層軟骨即為關節軟骨。在骨骺與骨干之間仍保存一片盤形軟骨，稱為骺板。

第三節 骨的生長與改建

一、骨的生長

在骨的發生過程中和發生后，骨仍不斷生長，具體表現在加長和增粗兩個方面。

1．加長

長骨的變長主要是由于骺板的成骨作用，此處的軟骨細胞分裂增殖，并從骨骺側向骨干側不斷進行軟骨內成骨過程，使骨的長度增加，故骺板又稱生長板。從骨骺端的軟骨開始，到骨干的骨髓腔，骺板依次分為4個區：

（1）軟骨儲備區：此區緊靠骨骺，軟骨細胞分布在整個軟骨的細胞間組織。軟骨細胞較小，呈圓形或橢圓形，分散存在，軟骨基質呈弱嗜堿性。此區細胞不活躍，處于相對靜止狀態，是骺板幼稚軟骨組織細胞的前體（細胞生發層）。

（2）軟骨增生區：由柱狀或楔形的軟骨細胞堆積而成。同源細胞群成單行排列，形成一串串并列縱形的軟骨細胞柱。細胞柱的排列與骨的縱軸平行。每一細胞柱約有數個至數十個細胞。軟骨細胞生長活躍，數目多，有豐富的軟骨基質與膠原纖維，質地較堅韌。

（3）軟骨鈣化區：軟骨細胞以柱狀排列為主。軟骨細胞逐漸成熟與增大，變圓，并逐漸退化死亡。軟骨基質鈣化，呈強嗜堿性。

（4）成骨區：鈣化的軟骨基質表面有骨組織形成，構成條索狀的過渡性骨小梁。這是因為增生區和鈣化區的軟骨細胞呈縱形排列，細胞退化死亡后留下相互平行的縱形管狀隧道。因此，形成的過渡型骨小梁均呈條索狀，在長骨的縱形切面上，似鐘乳石樣懸掛在鈣化區的底部。在鈣化的軟骨基質和過渡型骨小梁表面，都可見到破骨細胞，這兩種結構最終都會被破骨細胞吸收，從而骨髓腔向長骨兩端擴展。新形成的骨小梁和軟骨板融合在一起，此區是骨骺與骨干連接的過渡區，軟骨逐漸被骨所代替（干骺端）。

以上各區的變化是連續進行的，而且軟骨的增生、退化及成骨在速率上保持平衡。這就保證了在骨干長度增加的同時，骺板能保持一定的厚度。到17～20歲，骺板增生減緩并最終停止，導致骺軟骨完全被骨組織取代，在長骨的干、骺之間留下線性痕跡，稱骺線。此后，骨再不能縱向生長。

2．增粗

骨外膜內層骨祖細胞分化為成骨細胞，以膜內成骨的方式，在骨干表面添加骨組織，使骨干變粗。而在骨干的內表面，破骨細胞吸收骨小梁，使骨髓腔橫向擴大。骨干外表面的新骨形成速度略快于骨干的吸收速度，這樣骨干的密質骨適當增厚。到30歲左右，長骨不再增粗。

二、骨的改建

骨的生長既有新的骨組織形成，又伴隨著原有骨組織的部分被吸收，使骨在生長期間保持一定的形狀。同時在生長過程中還進行一系列的改建活動，外形和內部結構不斷地變化，使骨與整個機體的發育和生理功能相適應。在骨生長停止和構型完善后，骨仍需不斷進行改建。

（一）骨改建過程

骨改建是局部舊骨的吸收并代之以新骨形成的過程。Parfitt將正常成年的骨改建過程按程序分為5期：靜止期、激活期、吸收期、逆轉期和成骨期。

1．靜止期

骨改建發生于骨表面，即骨外膜和骨內膜處（包括骨小梁的表面、中央管和穿通管的內表面以及骨髓腔面。）

2．激活期

骨改建的第一步是破骨細胞激活，包括破骨細胞集聚、趨化和附著骨表面等一系列細胞活動過程。

3．吸收期

破骨細胞沿骨表面垂直方向進行吸收，骨細胞也參與骨吸收，吸收后的骨表面形態不一，在吸收腔表面和整個吸收區均存在細絲狀的膠原纖維。

4．逆轉期

從骨吸收轉變為骨形成的過程為逆轉期，結構特征是吸收腔內無破骨細胞，而出現一種單核性細胞。

5．成骨期

吸收腔內出現成骨細胞標志成骨期開始。在骨形成最旺盛階段，表面有相互平行的層狀膠原纖維以及突出于表面的類骨質。

（二）長骨的外形改建

長骨的骨骺和干骺端（骺板成骨區）呈圓錐形，比圓柱形的骨干粗大。改建過程中，干骺端骨外膜深層的破骨細胞十分活躍，進行骨吸收，而骨內膜面的骨組織生成比較活躍，結果是近骨干一側的直徑漸變小，成為新一段圓柱形骨干，新增的骨干兩端又形成新的干骺端，如此不斷地進行，直到長骨增長停止。

（三）長骨的內部改建

最初形成的原始骨小梁，纖維排列較亂，含骨細胞較多，支持性能較差，經過多次改建后才具有整齊的骨板，骨單位也增多，骨小梁依照張力和應力線排列，以適應機體的運動和負重。骨單位是長骨的重要支持性結構，它在1歲后才開始出現，此后不斷增多和改建，增強長骨的支持力。原始骨單位逐漸被次級骨單位取代，初級密質骨改建為次級密質骨，過程如下：在最早形成原始骨單位的部位，骨外膜下的破骨細胞進行骨吸收，吸收腔擴大，在骨干表面形成許多向內凹陷的縱形溝，溝的兩側為嵴，骨外膜的血管及骨祖細胞隨之進入溝內。嵴表面的骨外膜內含有骨祖細胞，逐步形成骨組織，使兩側嵴逐漸靠攏融合形成縱形管。管內骨祖細胞分化為成骨細胞，并貼附于管壁，由外向內形成同心圓排列的哈弗斯骨板。其中軸始終保留含血管的通道，即哈弗斯管（中央管），含有骨祖細胞的薄層結締組織貼附于中央管內表面，成為骨內膜。至此，次級骨單位形成。在改建過程中，大部分原始骨單位被消除，殘留的骨板成為間骨板。骨的內部改建是終生不斷進行的。在長骨原始骨單位改建中，骨干表面與中央管之間留下的一些來自骨外膜血管的通道，即為穿通管，其周圍無環形骨板包繞。在次級骨單位最先形成的一層骨板與吸收腔之間總是存在一明顯的界限，即黏合線。成年時，長骨不再增粗，其內外表面分別形成永久性內外環骨板，骨單位的改建就在內外環骨板之間進行。

人一生中骨的改建是始終進行的，幼年時骨的建造速率大于吸收，成年人漸趨于平衡，老年人則骨質的吸收速率往往大于建造，使骨質變得疏松，堅固性與支持力也減弱。

第四節 影響骨生長發育的因素

影響骨生長發育的因素很多，內因有遺傳基因和激素的作用等；除此之外，環境、氣候以及社會因素等對青春期起始年齡也有一定的影響；氨基酸、鈣、磷和各種維生素也是影響骨礦化的重要因素，某些生物活性物質對骨的生長發育也有直接影響。

一、維生素

1．維生素A

可影響骨的生長速度，它可協調成骨細胞和破骨細胞的活動能力。維生素A嚴重缺乏時，骨的重吸收和改建跟不上骨的形成，引起骨的畸形發育。維生素A缺乏還可影響骺板軟骨細胞的發育，使長骨生長遲緩。維生素A過多時，破骨細胞特別活躍，骨吸收過度而容易骨折。若骺板受害而變窄或消失，則骨的生長停止。

2．維生素C

主要是影響中胚層起源的組織，它能影響骨祖細胞的分裂增殖，并與成骨細胞合成膠原和有機基質的功能直接有關。

3．維生素D

能促進小腸對鈣、磷的吸收，提高血鈣和血磷水平，有利于類骨質的礦化。維生素D嚴重缺乏時，可影響鈣的吸收和鈣在骨內的沉積，使類骨質不能及時鈣化；在兒童易患佝僂病，在成人則可發生骨軟化癥，兩者的組織學特征是軟骨基質和類骨質都不能礦化。

對1，25-二羥維生素D3的研究表明，成骨細胞表面有D3受體。D3可刺激成骨細胞分泌較多的骨鈣蛋白，還可提高細胞內堿性磷酸酶的活性，從而對礦化起重要作用。

二、激素

骨的生長發育受多種激素影響，包括生長激素、甲狀旁腺激素、降鈣素、甲狀腺激素、糖皮質激素和性激素等。

1．生長激素和甲狀腺激素的作用

生長激素能刺激骺板軟骨細胞分裂，甲狀腺激素能使骺板軟骨細胞成熟、肥大和退化死亡，還能促進骨骼中鈣的代謝，胰島素則與軟骨細胞成熟過程中的糖原代謝有關，稱為胰島素營養效應。

2．甲狀旁腺激素的作用

甲狀旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）通過反饋機制調節血鈣含量，血鈣水平的高低對甲狀旁腺有直接影響。PTH增多可引起骨溶解，釋放骨鈣入血。首先激起骨細胞的溶骨作用，若血鈣仍不能上升到正常水平，則PTH繼續升高，激發破骨細胞的溶骨作用，使血鈣恢復到正常水平。

3．降鈣素的作用

主要生理作用是抑制骨鹽溶解，使血鈣含量減少。生理情況下，骨不斷攝取血鈣，以供類骨質礦化所需；同時骨鹽不斷溶解，將骨鈣釋放入血。大量骨鈣入血是通過骨細胞或破骨細胞的活動，血鈣入骨則依靠降鈣素刺激成骨細胞分泌類骨質，而后鈣沉積于類骨質。

4．性激素的作用

性腺和腎上腺皮質分泌的性激素都有促進成骨細胞合成代謝的作用，故與骨的生長和成熟有關，已證實成骨細胞表面有雌激素受體。成骨細胞活躍時，產生的骨鈣蛋白增多，有利于礦化作用。雌激素不足時，成骨細胞處于不活躍狀態，破骨細胞的活動相對增強，往往出現重吸收過多的失骨現象。

5．糖皮質激素的作用

腎上腺皮質分泌的糖皮質激素，既抑制小腸對鈣的吸收，又抑制腎小管對鈣的再吸收，同時影響骨的形成。

三、細胞因子

1．表皮生長因子

表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）在位于血管侵入和軟骨鈣化隔之間的生長板內皮細胞中可發現表皮生長因子。在顱骨培養中，EGF能夠引起細胞復制，抑制膠原合成和堿性磷酸酶的活性。對于發生于結締組織的細胞來說，源于血小板的生長因子一般認為是一種有效的促細胞分裂素。在骨折等損傷期間，此生長因子的激活是一種重要的炎癥和引導愈合及骨形成的啟動者。

2．成纖維細胞

生長因子可以積極促進軟骨細胞再生和新血管形成，這兩個方面是生長板重要的生理功能。

3．轉化生長因子-β

轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族由各種各樣的生長因子組成，TGF-β由成骨細胞產生，新形成的TGF-β是一種無生物活性的復合物，主要儲存于骨基質中，在破骨細胞作用下可使之激活，成為有效的TGF-β，其作用是抑制破骨細胞的形成和骨的吸收，同時激活成骨細胞的骨形成作用。因此，TGF-β被認為是生理性骨改建中的骨吸收與骨形成偶聯因子。

（宮麗華 黃嘯原）

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