第二章 骨的发生、成长和维持

第一节 骨的胚胎发育

一、细胞来源

骨组织中的细胞来源于三种不同的胚原细胞谱系：①神经嵴细胞（形成颅面骨骼）；②生骨节细胞（形成中轴骨）；③中胚层细胞（形成骨的附件）。

骨组织中的两种主要细胞系（破骨性谱系细胞和成骨性谱系细胞）的来源不同，破骨性谱系细胞来源于生血性干细胞，成骨性谱系细胞来源于间充质干细胞。间充质干细胞经过非对称性分裂、增殖，生成各种类型的间充质前身细胞，最后形成成骨细胞、成脂肪细胞、成软骨细胞、成肌细胞和成纤维细胞。成骨性谱系细胞分化增殖的不同时期受不同转录调节因子的调节，并表达不同的基因产物。其中的转录调节因子大致有以下几类：转录因子，激素、生长因子、细胞因子及其受体，抗增殖蛋白及骨的基质蛋白质等。

二、骨骼生成分期

骨骼生成可分为以下4期：①胚胎细胞向骨骼生成部位移行期；②上皮细胞-间充质细胞相互作用期；③致密体形成期；④成软骨细胞和成骨细胞分化与增殖期。

由软骨板起源发育成骨骼的过程称为软骨内成骨，不仅生成骨骼，而且还是出生后个体骨构塑和骨折修复的重要方式之一。膜内成骨过程无软骨胚基的参与，直接由骨化中心的间充质细胞致密化并转型为成骨细胞而形成骨组织。成骨细胞发育的调节机制尚未阐明。研究表明，核结合因子a1（core binding factor a1，Cbfa1，现称为runtrelated transcription factor 2，RunX2）是调节成骨细胞生成的关键因子，它可调节骨钙素基因表达。

第二节 骨的发生

骨来源于胚胎时期的间充质，骨的发生有两种方式：一种是膜内成骨，即在原始的结缔组织内直接成骨；另一种是软骨内成骨，即在软骨内成骨。虽然发生方式不同，但骨组织发生的过程相似，都包括了骨组织形成和骨组织吸收两个方面。

一、骨组织发生的基本过程

骨组织发生的基本过程包括骨组织形成和吸收两方面的变化，成骨细胞与破骨细胞通过相互调控机制，共同完成骨组织的形成和吸收。

1．骨组织的形成

骨组织的形成经过两个步骤，首先是形成类骨质，即骨祖细胞增殖分化为成骨细胞，成骨细胞产生类骨质。成骨细胞被类骨质包埋后转变为骨细胞。然后类骨质钙化为骨质，从而形成了骨组织。在形成的骨组织表面又有新的成骨细胞继续形成类骨质，然后矿化，如此不断地进行。新骨组织形成的同时，原有骨组织的某些部分又被吸收。

2．骨组织的吸收

骨组织形成的同时，原有骨组织的某些部位又可被吸收，即骨组织被侵蚀溶解，在此过程中破骨细胞起主要作用，称为破骨细胞性溶骨。破骨细胞溶骨过程包括三个阶段：首先是破骨细胞识别并黏附于骨基质表面；然后细胞产生极性，形成吸收装置并分泌有机酸和溶酶体酶；最后使骨矿物质溶解和有机物降解。

二、骨发生的方式

自胚胎第7周以后开始出现膜内成骨和软骨内成骨。

（一）膜内成骨

膜内成骨是指在原始的结缔组织内直接成骨。

颅的一些扁骨如额骨和顶骨以及枕骨、颞骨、上颌骨和下颌骨的一部分，还有长骨的骨领和短骨等，这些骨的生长都是膜内成骨方式。

在将来要成骨的部位，间充质首先分化为原始结缔组织膜，然后间充质细胞集聚并分化为骨祖细胞，后者进一步分化为成骨细胞。成骨细胞产生胶原纤维和基质，细胞间隙充满排列杂乱的纤细胶原纤维束，并包埋于薄层凝胶样的基质中，即类骨质形成。嗜酸性的类骨质呈细条索状，分支吻合成网。由于类骨质形成在血管网之间，靠近血管大致呈等距离的沉积，不久类骨质矿化，形成原始骨组织，即称骨小梁。最先形成骨组织的部位，称为骨化中心。骨小梁形成后，来自骨祖细胞的成骨细胞排列在骨小梁表面，产生新的类骨质，使骨小梁增长、加粗。一旦成骨细胞耗竭，立即由血管周围结缔组织中的骨祖细胞增殖、分化为成骨细胞。膜内成骨是从骨化中心各向四周呈放射状地生长，最后融合起来，取代了原来的原始结缔组织，成为由骨小梁构成的海绵状原始松质骨。在发生密质骨的区域，成骨细胞在骨小梁表面持续不断产生新的骨组织，直到血管周围的空隙大部分消失为止。与此同时，骨小梁内的胶原纤维由不规则排列逐渐转变为有规律地排列。在松质骨将保留的区域，骨小梁停止增厚，位于其间的具有血管的结缔组织，则逐渐转变为造血组织，骨周围的结缔组织则保留成为骨外膜。骨生长停止时，留在内、外表面的成骨细胞转变为成纤维细胞样细胞，并作为骨内膜和骨外膜的骨衬细胞而保存。在修复时，骨衬细胞的成骨潜能再被激活，又再成为成骨细胞。胎儿出生前，顶骨的外形初步建立，两块顶骨之间留有窄缝，由原始结缔组织连接。顶骨由一层初级密质骨和骨膜构成。

（二）软骨内成骨

软骨内成骨是指在预先形成的软骨雏形的基础上，将软骨逐渐替换为骨。人体的大多数骨，如四肢长骨、躯干骨和部分颅底骨等，都以此种方式发生。

软骨内成骨的基本步骤是：①软骨细胞增生、肥大，软骨基质钙化，致使软骨细胞退化死亡；②血管和骨祖细胞侵入，骨祖细胞分化为成骨细胞，并在残留的钙化软骨基质上形成骨组织。主要过程如下：

1．软骨雏形 形成在将要发生长骨的部位，间充质细胞聚集、分化形成骨祖细胞，后者继而分化成为软骨细胞，成软骨细胞进一步分化为软骨细胞。软骨细胞分泌软骨基质，细胞自身被包埋其中，于是形成一块透明软骨，其外形与将要形成的长骨相似，故称为软骨雏形。周围的间充质分化为软骨膜。已成形的软骨雏形通过间质性生长不断加长，通过附加性生长逐渐加粗。骨化开始后，雏形仍继续其间质性生长，使骨化得以持续进行，因此软骨的加长是骨加长的先决条件。软骨的生长速度与骨化的速度相适应，否则可能导致骨的发育异常。

2．骨领形成 在软骨雏形中段，软骨膜内的骨祖细胞增殖分化为成骨细胞，后者贴附在软骨组织表面形成薄层原始骨组织。这层骨组织呈领圈状围绕着雏形中段，故名骨领。骨领形成后，其表面的软骨膜即改名骨膜。

3．初级骨化中心 与骨髓腔形成软骨雏形中央的软骨细胞停止分裂，逐渐蓄积糖原，细胞体积变大而成熟。成熟的软骨细胞能分泌碱性磷酸酶，由于软骨细胞变大，占据较大空间，其周围的软骨基质相应变薄。当成熟的软骨细胞分泌碱性磷酸酶时，软骨基质钙化，成熟的软骨细胞因缺乏营养而退化死亡，软骨基质随之崩溃溶解，出现大小不一的空腔。随后，骨膜中的血管连同结缔组织穿越骨领，进入退化的软骨区。破骨细胞、成骨细胞、骨祖细胞和间充质细胞随之进入。破骨细胞消化分解退化的软骨，形成许多与软骨雏形长轴一致的隧道。成骨细胞贴附于残存的软骨基质表面成骨，形成以钙化的软骨基质为中轴、表面附以骨组织的条索状结构，称为过渡型骨小梁。出现过渡型骨小梁的部位为初级骨化中心。过渡型骨小梁之间的腔隙为初级骨髓腔，间充质细胞在此分化为网状细胞。造血干细胞进入并增殖分化，从而形成骨髓。

初级骨化中心形成后，骨化将继续向软骨雏形两端扩展，过渡型骨小梁也将被破骨细胞吸收，使许多初级骨髓腔融合成一个较大的腔，即骨髓腔，其内含有血管和造血组织。在此过程中，雏形两端的软骨不断增生，邻接骨髓腔处不断骨化，从而使骨不断加长。

4．次级骨化中心 出现与骨骺形成次级骨化中心出现在骨干两端的软骨中央，此处将形成骨骺。出现时间因骨而异，大多在出生后数月或数年。次级骨化中心成骨的过程与初级骨化中心相似，但是它们的骨化是呈放射状向四周扩展，供应血管来自软骨外的骺动脉。最终由骨组织取代软骨，形成骨骺。骨化完成后，骺端表面残存的薄层软骨即为关节软骨。在骨骺与骨干之间仍保存一片盘形软骨，称为骺板。

第三节 骨的生长与改建

一、骨的生长

在骨的发生过程中和发生后，骨仍不断生长，具体表现在加长和增粗两个方面。

1．加长

长骨的变长主要是由于骺板的成骨作用，此处的软骨细胞分裂增殖，并从骨骺侧向骨干侧不断进行软骨内成骨过程，使骨的长度增加，故骺板又称生长板。从骨骺端的软骨开始，到骨干的骨髓腔，骺板依次分为4个区：

（1）软骨储备区：此区紧靠骨骺，软骨细胞分布在整个软骨的细胞间组织。软骨细胞较小，呈圆形或椭圆形，分散存在，软骨基质呈弱嗜碱性。此区细胞不活跃，处于相对静止状态，是骺板幼稚软骨组织细胞的前体（细胞生发层）。

（2）软骨增生区：由柱状或楔形的软骨细胞堆积而成。同源细胞群成单行排列，形成一串串并列纵形的软骨细胞柱。细胞柱的排列与骨的纵轴平行。每一细胞柱约有数个至数十个细胞。软骨细胞生长活跃，数目多，有丰富的软骨基质与胶原纤维，质地较坚韧。

（3）软骨钙化区：软骨细胞以柱状排列为主。软骨细胞逐渐成熟与增大，变圆，并逐渐退化死亡。软骨基质钙化，呈强嗜碱性。

（4）成骨区：钙化的软骨基质表面有骨组织形成，构成条索状的过渡性骨小梁。这是因为增生区和钙化区的软骨细胞呈纵形排列，细胞退化死亡后留下相互平行的纵形管状隧道。因此，形成的过渡型骨小梁均呈条索状，在长骨的纵形切面上，似钟乳石样悬挂在钙化区的底部。在钙化的软骨基质和过渡型骨小梁表面，都可见到破骨细胞，这两种结构最终都会被破骨细胞吸收，从而骨髓腔向长骨两端扩展。新形成的骨小梁和软骨板融合在一起，此区是骨骺与骨干连接的过渡区，软骨逐渐被骨所代替（干骺端）。

以上各区的变化是连续进行的，而且软骨的增生、退化及成骨在速率上保持平衡。这就保证了在骨干长度增加的同时，骺板能保持一定的厚度。到17～20岁，骺板增生减缓并最终停止，导致骺软骨完全被骨组织取代，在长骨的干、骺之间留下线性痕迹，称骺线。此后，骨再不能纵向生长。

2．增粗

骨外膜内层骨祖细胞分化为成骨细胞，以膜内成骨的方式，在骨干表面添加骨组织，使骨干变粗。而在骨干的内表面，破骨细胞吸收骨小梁，使骨髓腔横向扩大。骨干外表面的新骨形成速度略快于骨干的吸收速度，这样骨干的密质骨适当增厚。到30岁左右，长骨不再增粗。

二、骨的改建

骨的生长既有新的骨组织形成，又伴随着原有骨组织的部分被吸收，使骨在生长期间保持一定的形状。同时在生长过程中还进行一系列的改建活动，外形和内部结构不断地变化，使骨与整个机体的发育和生理功能相适应。在骨生长停止和构型完善后，骨仍需不断进行改建。

（一）骨改建过程

骨改建是局部旧骨的吸收并代之以新骨形成的过程。Parfitt将正常成年的骨改建过程按程序分为5期：静止期、激活期、吸收期、逆转期和成骨期。

1．静止期

骨改建发生于骨表面，即骨外膜和骨内膜处（包括骨小梁的表面、中央管和穿通管的内表面以及骨髓腔面。）

2．激活期

骨改建的第一步是破骨细胞激活，包括破骨细胞集聚、趋化和附着骨表面等一系列细胞活动过程。

3．吸收期

破骨细胞沿骨表面垂直方向进行吸收，骨细胞也参与骨吸收，吸收后的骨表面形态不一，在吸收腔表面和整个吸收区均存在细丝状的胶原纤维。

4．逆转期

从骨吸收转变为骨形成的过程为逆转期，结构特征是吸收腔内无破骨细胞，而出现一种单核性细胞。

5．成骨期

吸收腔内出现成骨细胞标志成骨期开始。在骨形成最旺盛阶段，表面有相互平行的层状胶原纤维以及突出于表面的类骨质。

（二）长骨的外形改建

长骨的骨骺和干骺端（骺板成骨区）呈圆锥形，比圆柱形的骨干粗大。改建过程中，干骺端骨外膜深层的破骨细胞十分活跃，进行骨吸收，而骨内膜面的骨组织生成比较活跃，结果是近骨干一侧的直径渐变小，成为新一段圆柱形骨干，新增的骨干两端又形成新的干骺端，如此不断地进行，直到长骨增长停止。

（三）长骨的内部改建

最初形成的原始骨小梁，纤维排列较乱，含骨细胞较多，支持性能较差，经过多次改建后才具有整齐的骨板，骨单位也增多，骨小梁依照张力和应力线排列，以适应机体的运动和负重。骨单位是长骨的重要支持性结构，它在1岁后才开始出现，此后不断增多和改建，增强长骨的支持力。原始骨单位逐渐被次级骨单位取代，初级密质骨改建为次级密质骨，过程如下：在最早形成原始骨单位的部位，骨外膜下的破骨细胞进行骨吸收，吸收腔扩大，在骨干表面形成许多向内凹陷的纵形沟，沟的两侧为嵴，骨外膜的血管及骨祖细胞随之进入沟内。嵴表面的骨外膜内含有骨祖细胞，逐步形成骨组织，使两侧嵴逐渐靠拢融合形成纵形管。管内骨祖细胞分化为成骨细胞，并贴附于管壁，由外向内形成同心圆排列的哈弗斯骨板。其中轴始终保留含血管的通道，即哈弗斯管（中央管），含有骨祖细胞的薄层结缔组织贴附于中央管内表面，成为骨内膜。至此，次级骨单位形成。在改建过程中，大部分原始骨单位被消除，残留的骨板成为间骨板。骨的内部改建是终生不断进行的。在长骨原始骨单位改建中，骨干表面与中央管之间留下的一些来自骨外膜血管的通道，即为穿通管，其周围无环形骨板包绕。在次级骨单位最先形成的一层骨板与吸收腔之间总是存在一明显的界限，即黏合线。成年时，长骨不再增粗，其内外表面分别形成永久性内外环骨板，骨单位的改建就在内外环骨板之间进行。

人一生中骨的改建是始终进行的，幼年时骨的建造速率大于吸收，成年人渐趋于平衡，老年人则骨质的吸收速率往往大于建造，使骨质变得疏松，坚固性与支持力也减弱。

第四节 影响骨生长发育的因素

影响骨生长发育的因素很多，内因有遗传基因和激素的作用等；除此之外，环境、气候以及社会因素等对青春期起始年龄也有一定的影响；氨基酸、钙、磷和各种维生素也是影响骨矿化的重要因素，某些生物活性物质对骨的生长发育也有直接影响。

一、维生素

1．维生素A

可影响骨的生长速度，它可协调成骨细胞和破骨细胞的活动能力。维生素A严重缺乏时，骨的重吸收和改建跟不上骨的形成，引起骨的畸形发育。维生素A缺乏还可影响骺板软骨细胞的发育，使长骨生长迟缓。维生素A过多时，破骨细胞特别活跃，骨吸收过度而容易骨折。若骺板受害而变窄或消失，则骨的生长停止。

2．维生素C

主要是影响中胚层起源的组织，它能影响骨祖细胞的分裂增殖，并与成骨细胞合成胶原和有机基质的功能直接有关。

3．维生素D

能促进小肠对钙、磷的吸收，提高血钙和血磷水平，有利于类骨质的矿化。维生素D严重缺乏时，可影响钙的吸收和钙在骨内的沉积，使类骨质不能及时钙化；在儿童易患佝偻病，在成人则可发生骨软化症，两者的组织学特征是软骨基质和类骨质都不能矿化。

对1，25-二羟维生素D3的研究表明，成骨细胞表面有D3受体。D3可刺激成骨细胞分泌较多的骨钙蛋白，还可提高细胞内碱性磷酸酶的活性，从而对矿化起重要作用。

二、激素

骨的生长发育受多种激素影响，包括生长激素、甲状旁腺激素、降钙素、甲状腺激素、糖皮质激素和性激素等。

1．生长激素和甲状腺激素的作用

生长激素能刺激骺板软骨细胞分裂，甲状腺激素能使骺板软骨细胞成熟、肥大和退化死亡，还能促进骨骼中钙的代谢，胰岛素则与软骨细胞成熟过程中的糖原代谢有关，称为胰岛素营养效应。

2．甲状旁腺激素的作用

甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）通过反馈机制调节血钙含量，血钙水平的高低对甲状旁腺有直接影响。PTH增多可引起骨溶解，释放骨钙入血。首先激起骨细胞的溶骨作用，若血钙仍不能上升到正常水平，则PTH继续升高，激发破骨细胞的溶骨作用，使血钙恢复到正常水平。

3．降钙素的作用

主要生理作用是抑制骨盐溶解，使血钙含量减少。生理情况下，骨不断摄取血钙，以供类骨质矿化所需；同时骨盐不断溶解，将骨钙释放入血。大量骨钙入血是通过骨细胞或破骨细胞的活动，血钙入骨则依靠降钙素刺激成骨细胞分泌类骨质，而后钙沉积于类骨质。

4．性激素的作用

性腺和肾上腺皮质分泌的性激素都有促进成骨细胞合成代谢的作用，故与骨的生长和成熟有关，已证实成骨细胞表面有雌激素受体。成骨细胞活跃时，产生的骨钙蛋白增多，有利于矿化作用。雌激素不足时，成骨细胞处于不活跃状态，破骨细胞的活动相对增强，往往出现重吸收过多的失骨现象。

5．糖皮质激素的作用

肾上腺皮质分泌的糖皮质激素，既抑制小肠对钙的吸收，又抑制肾小管对钙的再吸收，同时影响骨的形成。

三、细胞因子

1．表皮生长因子

表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）在位于血管侵入和软骨钙化隔之间的生长板内皮细胞中可发现表皮生长因子。在颅骨培养中，EGF能够引起细胞复制，抑制胶原合成和碱性磷酸酶的活性。对于发生于结缔组织的细胞来说，源于血小板的生长因子一般认为是一种有效的促细胞分裂素。在骨折等损伤期间，此生长因子的激活是一种重要的炎症和引导愈合及骨形成的启动者。

2．成纤维细胞

生长因子可以积极促进软骨细胞再生和新血管形成，这两个方面是生长板重要的生理功能。

3．转化生长因子-β

转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族由各种各样的生长因子组成，TGF-β由成骨细胞产生，新形成的TGF-β是一种无生物活性的复合物，主要储存于骨基质中，在破骨细胞作用下可使之激活，成为有效的TGF-β，其作用是抑制破骨细胞的形成和骨的吸收，同时激活成骨细胞的骨形成作用。因此，TGF-β被认为是生理性骨改建中的骨吸收与骨形成偶联因子。

（宫丽华 黄啸原）

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