第一部分　骨科基础知识

第一章　骨发育、形成、结构、代谢和生理　Development，Formation，Structure，Metabolism and Physiological Function of Bone

骨与关节属结缔组织，起源于胚胎期中胚层间充质。生理状态下的特异性基因活动及其调节因素，使获得了某些发育特征的胚胎间充质细胞，通过募集、增殖、发育，形成组织特异性细胞群体并具备向成纤维细胞、成骨细胞、软骨细胞、网织细胞等多方向分化潜能的性质。其中，参与骨与关节形成的细胞系则是在这种干细胞群所营造的胚基基础上分裂、增殖，定向性分化为成骨细胞或软骨细胞，并通过有序且规律的特异表型表达、功能转换和细胞凋亡等过程而形成骨或软骨组织。

第一节　长骨发育及形成　Development and Formation of Long Bone

上海交通大学附属瑞金医院　邓廉夫

正常骨骼包括脊椎中轴和两对附肢，共206块。以骨的组织类型为基础结构，据其最终形状分为长骨、短骨、扁平骨和不规则骨等四种。

胚胎长骨发生、发育的基本过程

胚胎最初几周，在内、外胚层间的中胚层有一些散在、疏松的多功能性间充质细胞。其中，中胚层外侧板的间充质细胞随胚龄增加而逐渐向外侧移动、聚集，在胚胎表皮下隆起，形成肢芽。上肢肢芽的“小隆起样”间充质细胞及其聚集物在胚胎的第4周初，首先出现在相对于颈5～胸1体节的外侧壁上;随上肢肢芽出现数天后，下肢肢芽于正对腰3～腰5及骶1～骶3体节部位出现。每个肢芽都有一个内在的中胚层核心和外在的外胚层假复层柱状上皮帽所构成。外在的外胚层假复层柱状上皮帽，称为顶端外胚层嵴。顶端外胚层嵴既影响着中胚层核心的间充质细胞增殖、分化进程，还对肢芽进一步发育和生长起着支持和诱导作用，引导着鳍状肢芽延长并最终在末端呈扁平形而成为桨状的手板和足板。如果采用手术方法去除顶端外胚层嵴，肢体则停止继续发育。

在胚胎的第2周，占据肢芽核心的中胚层间充质细胞，开始向软骨细胞分化，按近端-远端顺序，软骨细胞逐渐替代间充质细胞，在未来关节处分化为关节软骨的浅表面限制区。约在胚胎的第5周，肢芽中的间充质细胞体积进一步增殖、体积变大，并高度集中，分化为软骨生成细胞(软骨细胞)的数量也明显增加。细胞产生的Ⅱ型胶原和蛋白聚糖基质成分沉积于细胞之间，形成透明软骨组织，其周围被覆未分化的间充质细胞，构成软骨膜。至胚胎的第6周，以透明软骨为主体的长骨的最早期软骨雏形基本形成。在第7周早期，除了远端指骨以外的所有上肢骨骼都已透明软骨化。软骨雏形内部的软骨细胞增殖，使其在纵轴方向不断增长;软骨膜的内层间充质细胞不断分化为软骨细胞，从而使其变粗。在胚胎期第8周，长骨开始通过软骨内骨化(初级骨化中心)和周围性骨化(骨领)两个过程，透明软骨逐渐被骨组织所替代。在透明软骨被代替过程中，由随骨外膜血管侵入的未分化间充质细胞而演变成的成骨细胞，起着关键作用。

人类四肢的发育过程中，近远轴有着高度极化性。先由肩/髋区的单个骨(肱骨/股骨)起始，在一个关节后，出现两根附肢骨，并向外扩增形成多骨(掌/足)。这种极化现象可据Bessel多元方程式竞争性形态原的浓度加以解释。到胚胎的第33天，肩、上臂、前臂和桨状手板已成形，其软骨化过程亦是由肢体近端向远端渐序进行的，肱骨和尺、桡骨软骨化通常开始于胚胎的第6周初。下肢和足的成形以及软骨化，较上肢略迟几天。肢体的前后轴(如从拇指至小指)发育的极化现象是由一个叫做极性活动区的特殊区域造成的。在极性活动区形成的维A酸和hedgehog蛋白被认为起着引导作用。

第7周时的桨状手板和足板，因指(趾)板区间充质细胞逐渐被软骨细胞及其形成的基质所替代而增厚，使手指(足趾)的形态逐步显现出来。其后，因一系列凋亡过程，指(趾)间区的间充质细胞开始渐渐消失，以至指(趾)间完全分离。Reaper基因被认为编码一小段多肽，从而控制这一凋亡过程。

足在发育过程中，曾有一段时期呈“马蹄”样，处于旋后、内收位置，外观像一个畸形足。到胚胎第11周，随着踝关节活动的增加，逐渐回至中立位。另一个现象是在胚胎第9、10周时，软骨性距跟骨骨桥在距骨柱区的发生率很高，但在出生时大多数骨桥即已消失。

肢芽伸出时与肢体成直角，上下肢的长轴几乎平行，但由于外胚层细胞与中胚层细胞的分化和增殖率不同，肢体逐渐开始旋转并在肘和膝的位置轻度屈曲。上肢外旋使前臂屈肌和伸肌分列于内外侧，拇指和肘部分别向前和向后。下肢内旋使伸肌位于腹侧，屈肌位于背侧。最后，子宫的塑形作用与肢体旋转作用配合，将肢体置于正常位置并赋予其一定的屈曲度。

骨形成的方式

骨发生、发育以及生长与骨形成处于交替的状态，在骨发生的胚胎间充质原基上，只有保持骨形成的正常生理进程，骨才能得以发育和生长。骨形成包括膜内成骨和软骨内成骨两种方式。膜内成骨是在间充质细胞分化的原始结缔组织膜内发生的，又称膜内化骨;软骨内成骨是长骨间充质雏形内的间充质细胞先分化为软骨细胞，并进而形成软骨雏形，继之软骨组织逐渐由骨组织替代。虽然这两种骨形成的方式不同，但都包括因成骨细胞生成而进行的骨形成和因破骨细胞生成而进行的骨的吸收与改建等基本过程。

(一)膜内成骨

虽然，膜内成骨主要是颅骨、面颅、部分锁骨和下颌骨等形成的骨形成方式，但膜内成骨也参与中轴骨和四肢骨的形成及其改建过程。

在骨发生部位，中胚层间充质细胞连同细胞外基质成分形成富有血管的胚胎性结缔组织膜，其中的间充质细胞在接受了适当的诱导信号刺激后，细胞变圆、体积增大，细胞质内含丰富的内质网、核糖体和高尔基复合体等而呈蛋白分泌旺盛相，进而分化发育成为成骨细胞。成骨细胞开始在结缔组织组织膜内成骨，这一部位称为骨化中心。骨化中心及其周边的间充质细胞不断分化为成骨细胞，使成骨细胞数量逐渐增多，形成成骨细胞群。成群的成骨细胞分泌细胞外基质，随细胞外基质的增加，成骨细胞被包埋其中，形成类骨质。钙磷结晶体等无机盐沉积于类骨质，成为骨组织。细胞内高浓度的碱性磷酸酶和类骨质中基质小泡的出现标志着骨化的开始。新生骨组织(骨质)为不规则的针状或片状，由骨化中心向四周扩展，使形成的骨组织面积越来越大，相互连续成网，其间有许多腔隙，成为骨小梁状结构，即为原始骨松质。这种骨质缺乏骨板样结构，骨盐也少。原始骨松质的表面覆有的成骨细胞，形成新的骨基质，并在原有骨支架上沉着形成新的骨基质层，该过程重复进行，使骨质层层堆积，使骨小梁不断增粗。增粗的骨小梁相互合并，形成密质骨板。当新骨在某些表面上形成时，在另一些表面上的过量骨被破骨细胞吸收、移除，改建就是这一过程的净结果。持续同一位置的生长并伴随着骨小梁的改建，使骨的尺寸增加，重塑了骨的形成。密质骨板内部改建形成哈佛系统;组成骨小梁的内外骨板间的骨组织仍保留松质骨，其中的间充质成分分化为骨髓组织。在骨小梁表面的间充质细胞分化为骨膜。被矿化骨质完全包埋的成骨细胞，表现为低功能状态或处于活性静止状态，演变成为骨细胞。

(二)软骨内成骨

软骨内成骨是长骨、短骨和某些不规则骨形成的主要的形式。

在长骨发生的部位，中胚层间充质细胞增殖并高密度聚集，形成具备骨的轮廓的间充质雏形。随胚胎发育，骨的间充质雏形内的细胞不断分化为软骨细胞，软骨细胞分泌细胞外基质，随这一过程的进展，逐渐形成与未来骨形状基本一致的软骨雏形。软骨雏形周围的间充质组织很快分化并形成一层膜，即软骨膜。软骨雏形内的软骨细胞随胚体的发育、生长而分裂、增殖并形成细胞外基质，使软骨雏形在纵轴上增长。在软骨雏形的中段(即未来的骨干部)的软骨膜开始以膜内成骨的方式生成骨组织，环绕软骨的中段，形如领圈，称为骨领。开始时的骨领又薄又短，以后继续以膜内成骨方式成骨而增粗加长，成为原始的骨松质，代替软骨起支持作用。骨领形成后，其周围的软骨膜改称为骨外膜。于骨领出现的同时，软骨雏形内部的软骨细胞分裂、增殖并发生肥大，其周围沉积有大量的细胞外基质。随软骨细胞分泌的碱性磷酸酶等蛋白物质进入细胞外基质，而发生软骨基质的钙化。由于营养物质受到钙化基质的阻碍，肥大的软骨继之退化、消亡，软骨雏形中心的钙化基质发生部分分解、吸收形成小的空腔。该区为软骨内首先成骨的部位，称为初级骨化中心。在初级骨化中心出现不久，骨外膜的血管连同尚未分化间充质细胞、已完成分化的成骨细胞、破骨细胞等穿过骨领，侵入已破碎的软骨雏形中，成骨细胞贴附在残留的钙化软骨基质的表面，先形成类骨质，而后钙化成为骨质，构成原始骨小梁。在初级骨化中心处所形成的这种原始骨小梁，短时间内就会因被同时侵入的破骨细胞溶解、吸收，形成骨髓腔。骨髓腔被血管、间充质细胞所充填，间充质细胞可进一步分化为造血干细胞系和基质干细胞系。

骨髓腔的扩展与骨的发育、生长过程相伴。骨领外以膜内成骨的方式形成新骨使骨干不断加粗，而骨领内的骨组织则不断被吸收，这一过程的结果导致骨髓腔扩大。骨干两端软骨生长和初级骨化中心的成骨过程向两端推移，使长骨不断增长。在软骨与骨髓腔间的软骨出现连续而又有顺序的变化，显示出不同形态结构的区域:

1.软骨区 在软骨雏形的两端，仍是原来的透明软骨，周围的软骨膜不断分化生成新的软骨细胞，使得该区域体积逐渐增大但生长较慢。软骨细胞数目多而形体小，呈长梭形。在软骨内成骨的早期阶段，软骨区占据大部分，到后期即已变小。

2.软骨细胞增生区 位于软骨区近骨干侧，软骨细胞可进行分裂增殖，胞体为扁圆形，越靠近髓腔侧细胞的体积越大。软骨细胞呈叠加排列，组成多条细胞柱，每柱约有数个至十数个细胞，同在一个软骨陷窝内。细胞柱几乎与软骨雏形的长轴平行排列。

3.细胞肥大区 软骨细胞已不再分裂，变为成熟的细胞。胞体显著肥大而变圆。胞质内含有较多的线粒体和发达的高尔基复合体，以及丰富糖原颗粒。碱性磷酸酶(AKP)染色呈强阳性反应，在一般切片上，胞质中糖原等成分被溶解、呈现较多空泡。软骨基质中开始出现钙盐小颗粒沉积，嗜碱性增强。

4.成骨区 此区已接近原始骨髓腔。软骨细胞大多出现退化或消亡。

骨髓腔的血管连同破骨细胞、成骨细胞以及结缔组织进入钙化的软骨基质，并因穿行而形成纵行隧道，成骨细胞沿着残留钙化软骨基质的表面生成的骨组织形成纵行骨小梁。

同时，也出现破骨细胞侵蚀骨质，形成一些小窝，即霍希普陷窝。骨小梁不断生长又不断被破坏、改建，使骨干长度不断生长，骨髓腔也向两端扩展。腔内充满红骨髓，腔内的间充质分化出骨内膜贴附于内面。这一区域是骨骺与骨干连接的过渡区，软骨逐渐被骨所代替，即干骺端。

出生前后，在长骨两端的软骨内出现新的骨化中心，即次级骨化中心。与初级骨化中心的成骨过程基本相似，按其顺序出现:软骨细胞分裂增殖、肥大、周围基质钙化、软骨细胞变性退化。软骨膜的血管穿入其中，破坏钙化软骨基质，并产生新的骨质。由于增殖的软骨细胞不形成细胞柱，所以原始骨小梁交织排列而成网状。自次级骨化中心向外周扩展，以至骺端软骨大部被原始的骨松质取代:原始骨松质经不断吸收与改建，形成板层骨构成的骨松质。但近关节处终生存在一层透明软骨，即关节软骨。

在骨骺与骨干交界处，暂时保留一层不骨化的软骨组织，称为骺板。骺板的存在是成骨继续加长的基础。骺板的软骨细胞继续保持繁殖能力，不断生成新的软骨，并依照以上所述骨干两端软骨内成骨的过程进行成骨。骺板的软骨增生速度与软骨破坏及成骨速度保持平衡状态，故骺板的厚度相对恒定。当骨的生长发育趋于停止时(17～20岁)，骺板被骨组织代替，成为骺线。

长骨发生发育和骨形成的生物学调节

长骨的发生、发育、生长以及骨的生长发育趋于终结后的骨改建过程，受遗传、生存环境、活动状态、血供、内分泌、局部微环境等多种因素影响。在细胞分子水平，长骨发生发育的调控遵循组织器官发育的一般调控规律，即首先是具备相似发育特征的细胞或细胞群体在特定部位聚集;细胞间通过相似的生物学信息建立其内部联系，并接受与应答外部生物学信息的指导;细胞群体最终定向分化为特定的组织器官。目前，就长骨发生发育过程中软骨内化骨的生物学调节机制的研究，主要集中于间充质雏形形成、软骨雏形形成与骨化、骨形成与骨改建等长骨发育的不同关键环节，并获得了阶段性的进展。

(一)肢芽内间充质细胞的定位信息及其传递

胚胎发育到一定时期，间充质细胞在向软骨细胞分化之前就接受了相应的空间位置信息，在这些信息的指导下，细胞按不同骨的形状聚集，形成一定的空间结构。

1.在顶端外胚层嵴区传递的位置信息

在顶端外胚层嵴区，长期以来，一直认为存在影响肢芽发育的信息。在胚胎发育的不同时期截除顶端外胚层嵴可导致不同程度的骨骼畸形，越早期截除，畸形越严重。进一步的研究认为，顶端外胚层嵴区的外胚层细胞通过表达成纤维细胞生长因子(FGF)家族的成员，如FGF-2、4、8等，作用于其下方的间充质细胞，保证肢芽由近向远的生长方向，FGF-2、4、8中的任一种都可完全取代顶端外胚层嵴的作用，维持顶端外胚层嵴截除后肢芽的正常发育。

2.在“极化活动区”传递的位置信息

在顶端外胚层嵴下方，中胚层间充质的后方存在另一信息区，称为“极化活动区”，这一区域释放出的信息最终影响四肢端骨，如腕骨、指(趾)骨等的形成。将这一区域内的细胞移植到对侧肢芽中胚层的前方可诱导产生多指畸形，畸形指的数目与移植的细胞数目有关。

目前研究认为，“极化活动区”的信息可由Hedgehog分子家族中的Sonic hedgehog(Shh)分子所介导。Shh是脊椎动物胚胎发育时重要的细胞间信号传递分子，主要参与神经系统和肢体的发生。Riddle等的实验证实，重组Shh植入诱导的肢体畸形和ZPA区细胞移植相同。对于Shh分子对细胞的作用机制目前有两种观点: Shh通过激活次级信号分子，如BMP-2，而在较大范围内发挥作用; Shh是一种短距离信号分子，细胞分泌后浓集于细胞周围，通过与邻近细胞膜上的跨膜蛋白Patched结合发挥作用。究竟何种机制起主导作用，目前尚无定论。

3.Hox基因与位置信息

在对肢芽位置信息的阅读和传导过程中，间充质细胞表达的另一种基因——Hox基因，也发挥着重要的中继作用。Hox基因族由多个亚家族构成，在肢芽发育的不同时期和不同部位的细胞都有表达。Shh和FGFs联合可异位诱导Hox基因的表达，提示Hox基因参与介导Shh、FGFs等因子的信息传递。通过转基因或基因剔除小鼠的实验研究证实，Hox基因在调节肢芽内未分化间充质细胞增殖、聚集及软骨原基的分化而发挥重要的作用。Randy等认为，Hox基因可能通过对转化生长因子-β、FGF及Hedgehog等因子的调节而对骨骼发育施加影响。

(二)软骨雏形的发生与形成的调控

胚胎进一步发育，肢芽中心的间充质细胞即向成软骨细胞方向分化，形成初具肢体骨骼雏形的软骨原基。

1.间充质雏形内诱导间充质细胞向软骨细胞分化的因素

转化生长因子-β家族成员——骨形态发生蛋白(BMP)和生长分化因子(GDF)-5诱导间充质细胞向软骨细胞分化的作用已被证实，BMP-5变异的小鼠表现为“短耳”畸形，这种畸形包括外耳软骨、胸骨等全身软骨的畸形、短缩。此外，BMP家族的其他成员如BMP-2、4皮下注射诱导软骨、骨形成的实验更进一步支持了BMP诱导成软骨的功能。

GDF-5属BMP家族的新成员，也称为软骨衍生形态发生蛋白-1，已发现人类骨骼系统的一些先天性畸形与GDF-5变异有关;将外源性GDF-5于肢芽处局部植入后，表现有明显的促软骨生成能力。

此外，其他的细胞外基质成分，如细胞粘合素和一些细胞黏附分子，如钙黏蛋白等可能也参与了间充质细胞向软骨细胞的分化，但由于目前缺乏间充质细胞分化不同时期的标志分子，因此尚难确定这些因素的作用阶段。

2.Wnt/链蛋白(catenin)/N-钙黏蛋白(N-cadherin)系统对间充质细胞分化的影响

Wnts家族是由一些富含分泌型半胱氨酸残基的糖蛋白构成，已证实，Wnts家族在肢体的正常发育过程中发挥着重要的作用。catenin是存在于细胞质内的一种生物大分子，是构成wnt信息传导通道的主要成分。当Wnt发挥作用时，catenin被激活，激活的catenin既可与N-Cadherin的胞质内部分结合，稳定后者介导的细胞间黏附，也可进入细胞核内，在转录水平发挥作用，增强N-Cadherin的表达。当Wnt信息消失或下调时，catenin通过丝氨酸/苏氨酸磷酸化而发生降解，失去功能。

在软骨细胞形成过程中，密集的间充质细胞逐渐解聚，细胞间黏附分子N-Cadherin表达水平下降，细胞间的相互连接消失，间充质细胞开始向成软骨细胞方向分化。

在鸡胚肢芽内，Wnt家族的成员Wnt-7a可明显抑制间充质细胞内catenin的降解，进而保持N-Cadherin的高水平表达，较长时间地维持了细胞的黏附状态。通过这一途径，Wnt-7a发挥了抑制软骨细胞生成的作用。已有研究发现，Wnt-7a是肢芽背侧外胚层细胞表达的一种位置信息分子，它对软骨细胞生成的这种抑制作用可将间充质细胞的成软骨活动限制于适当的空间位置内，保证了骨的正常形态。

3.调节软骨生成的转录因子

(1)Sox家族对软骨生成的调节:

Sox基因属于编码转录因子的高迁移组盒子超家族，其编码的Sox家族与睾丸决定因子SRY有至少50%氨基酸序列同源，典型特征是有75个氨基酸序列高迁移组盒子可与特定序列的DNA结合，发挥转录调控作用。已证实，Sox家族参与多种组织和器官的发生。

在骨发生方面，最早报道的人类骨骼系统先天性畸形“躯干发育不良综合征”与Sox-9变异有关，这种疾病以长骨弯曲和成角畸形伴随其他骨骼成分缺失为特征。在小鼠胚胎发育过程中，Sox-9早在肢芽间充质细胞聚集期、软骨细胞分化之前就有表达，说明Sox-9在软骨细胞分化启动阶段发挥作用。Bell等人的实验进一步证实，Sox-9可调控增殖型软骨细胞的主要标志Ⅱ型胶原的表达，从而认为Sox-9是间充质细胞向成软骨方向分化最早的决定因子，启动Sox-9表达才能启动成软骨过程。

通过Sox-9反转录病毒感染鸡胚肢芽发现，异位表达Sox-9可异位诱导间充质细胞聚集、软骨生成，同时发现，BMP-2的成软骨作用是通过Sox-9介导的，异位表达BMP-2也能诱导Sox-9的异位表达，而且Sox-9可与BMP信号的传递分子Smads发生直接联系。除BMP外，近年也有实验证实，FG-Fs可通过MAPK途径上调Sox-9的表达。

BMP和FGF都是肢体发生早期的模式信号，在间充质细胞聚集之前即决定了细胞的位置和分化命运，因此，可以认为Sox-9通过介导BMP和FGF的作用信号，完成对间充质细胞向软骨细胞分化命运的调控。

软骨细胞分化开始后，关节周围软骨膜细胞表达的另一种信号分子——甲状旁腺素相关蛋白(PTHrP)可使Sox-9磷酸化，从而激活其转录活性，这一阶段Sox-9的主要作用是介导部分PTHrP功能，阻止前肥大型软骨细胞向肥大型软骨细胞分化。

除Sox-9外，Sox-6和L-Sox-5在胚胎发育过程中也同样发挥着重要的作用。由于都含有高度保守的环绕区，二者常形成同或异二聚体，使其具更高的DNA结合效率。应用基因敲除的动物模型研究发现，单独敲除Sox-6和L-Sox-5基因的任一种，仅引起较轻微的骨畸形，而将二者联合敲除，则出现严重的软骨畸形，在胚胎期即发生死亡。分析这些胚胎发现，成软骨的间充质细胞正常聚集，但在向软骨方向定向分化阶段出现阻滞，而且Sox-9的表达水平正常，表明L-Sox-5和Sox-6作用于Sox-9下游，在聚集的间充质细胞定向分化阶段发挥作用。

(2)T盒子(T-box)转录因子Brachyury与软骨生成:

T-box转录因子家族的共同特点是各亚型均含“T-box”，200个氨基酸长的DNA结合区。Brachyury是其主要成员，在小鼠原肠胚、中胚层形成及脊索分化阶段都有较强表达。在间充质细胞向软骨组织发生过程中，Brachyury也发挥重要作用，同样采用BMP-2诱导间充质细胞成软骨的模型，发现:

1)BMP诱导后，FGF受体2、3(FGFR-2、3)在转录和蛋白表达水平上调，FGFR-2表现为迟发反应，FGFR-3则在早期上调，并且FGFR-2的上调有赖于Brachyury的高表达。

2)BMP-2启动软骨生成后软骨细胞进一步分化也可以独立方式进行，通过FGFR-3和Brachyury之间建立的自调控环路调节。

3)Brachyury先于Ⅱ型胶原表达，异位表达Brachyury可诱导软骨生成，但不能诱导软骨内骨化。因此认为，Brachyury可能就是有些学者早已假设的那种分子，这种分子可增强BMP诱导的成软骨作用，在胚胎早期通过表达Brachyury而使轴旁中胚层或侧板中胚层产生对BMP诱导的成软骨效应。

(3)c-myc转录因子和软骨生成:

c-myc属原癌基因转录因子，参与细胞增殖、分化和凋亡等活动，在体外，c-myc通过上调细胞G1期控制蛋白的表达促进细胞的增殖，在脊椎动物骨骼发生过程中，cmyc呈现一种动态、精确的时空表达模式，并非只在高度增殖区表达，提示其可能与骨形成有关。

Elisa等采用c-myc反转录病毒感染鸡胚肢芽发现，错义表达c-myc并不能提高软骨细胞增殖率，但可使软骨细胞体积增大，感染侧肢芽异常肥大，发育后期，肢体最显著的特点是软骨原基短缩、增宽，组织形态学研究提示，c-myc在前肥大型软骨细胞向肥大型软骨细胞分化阶段起负调控作用，而且这一作用独立于已知的Ihh/PTHrP途径及Wnt作用系统。

(三)软骨内骨化过程的调控

软骨雏形内的软骨细胞不断成熟、分化以致发育为肥大的软骨细胞，并形成序列性出现的不同细胞外基质成分，同时由软骨细胞形成的stromelysin、Et等参与细胞外基质塑形或有序性降解，而使之逐渐呈现可利于软骨钙化乃至骨化发生的形态特征。成骨细胞前体细胞、破骨细胞前体细胞在软骨雏形中出现，骨化中心即告形成和骨替代过程的开始。迄今，对其中的机制(如软骨细胞外基质的降解、成骨细胞的形成等)还了解甚少，解读这一发生规律，加深认识相关疾病的病理过程并提出其防治的指导性措施，已成为当今的重点研究内容之一。

1.Runx-2对软骨细胞分化的调控

Runx是含有Runt同源区的多功能转录因子，不仅可与DNA结合，而且也可通过蛋白-蛋白间相互作用的方式以共调节子的形式调控基因转录。Runx-2(也称Cbfa-1)为Runx家族成员，是近年来发现的通过结合于骨钙素启动子而发挥作用的重要转录因子，越来越多的研究显示，Runx-2在成骨细胞功能和分化过程中起着中枢性的调节功能，可启动一系列成骨细胞功能相关分子表达，甚至在非成骨性细胞，如皮肤成纤维细胞中过表达Runx-2也可诱导细胞表达成骨细胞相关基因。同样，Runx-2在软骨细胞分化和软骨内骨化过程中也发挥着不可或缺的调控作用。

在对小鼠胚胎发育的研究发现，Runx-2在孕10.5天时开始在侧板中胚层及将要形成肢体的间充质细胞聚集区表达，之后持续表达，在前肥大型软骨细胞及成骨细胞区表达较高，说明Runx-2对软骨细胞的发生同样发挥调控作用。Runx-2基因缺失小鼠，除未见矿化骨基质外，Ihh和Ⅹ型胶原(分别为前肥大型和肥大型软骨细胞标志)的表达同样受到抑制，增殖型软骨细胞向肥大型方向分化阻滞。导入Runx-2基因后，抑制效应可获得部分缓解，并一定程度促进生长板软骨细胞分化，这说明Runx-2在非肥大型软骨细胞向肥大型分化阶段发挥正调控作用。有学者推测，Runx-2可能和已知的Ihh/PTHrP途径相互配合，调控软骨细胞分化。Runx-2也可作为共调节子与Smad分子共同介导BMP-2诱导的成软骨作用。

2.Runx-2与软骨内骨化

Runx-2在软骨发生早期呈低水平表达，在永久性软骨组织中几乎不能测到，但在生长板肥大型软骨细胞中却有较高水平表达，说明其有可能调控肥大型软骨细胞的进一步分化。

采用Cbfa-1和显性负Cbfa-1转基因鼠的研究发现:

(1)Cbfa-1转基因鼠的永久性软骨组织失去其表型，进入软骨内骨化过程，而显性负Cbfa-1转基因鼠的软骨组织则获得了永久性软骨组织表型。

(2)外源性Cbfa-1能促进软骨细胞向肥大型分化，并刺激肥大型软骨细胞表达血管内皮细胞生长因子，诱导血管侵入，促进软骨内骨化。

(3)在显性负Cbfa-1转基因鼠，软骨细胞表达关节软骨细胞标志tenascin，并且在多个部位出现永久性软骨细胞标志，而在Cbfa-1转基因鼠未见tenascin表达，同时，关节形成的早期标志GDF-5的表达也被抑制。因此认为，永久性软骨细胞也有潜力进入软骨内骨化过程，只是由于其他因子的作用抑制了Cbfa-1的表达，而使其获得永久性表型。在一些关节退行性疾病，可能正是这种抑制因素失控，导致永久性软骨细胞进一步向成熟方向分化引起。

3.含锌指结构的转录因子Osterix与软骨内骨化

Chiasto等在研究了Cbfa-1的作用后推测在其下游可能还存在一种转录因子和Cbfa-1共同决定成骨细胞分化。之后不久，Kazubisa等就发现了一种新的含锌指结构的转录因子Osterix在Cbfa-1下游对骨形成发生作用。

在胚胎发生过程中，Osterix主要限于软骨原基周围表达，在孕15.5天主要在骨领和与骨小梁形成有关的细胞表达，Osterix基因敲除小鼠，Cbfa-1表达水平正常，但无成骨细胞标志分子表达，表达Cbfa-1的细胞并不能分化为成骨细胞。而且，Ⅹ型胶原、Ihh表达都正常，软骨原基内同样可见到有功能的破骨细胞和血管侵入，只是无矿化骨基质和成骨细胞生成。反之，敲除Cbfa-1基因则未见Osx表达，同时，肥大型软骨细胞的生成和血管侵入都受限。因此，Cbfa-1表达的细胞仍具向成骨细胞和软骨细胞的双向分化潜能，Osx位于其下游调控成骨细胞生成。

4.成骨细胞的迁移和募集机制

成骨细胞可通过接触趋化机制聚集、黏附于目标基质，部分生长因子则可协同成骨细胞趋化至目标附近。目前认为，成骨细胞主要通过以下两种机制募集。

(1)HB-GAM/N-Syndecan途径介导的成骨细胞募集:

HB-GAM也称多向分化因子，是一种富含赖氨酸和半胱氨酸残基的细胞外基质蛋白，在进化方面较保守，人、鼠、牛、鸡之间有95%的同源性，与肝素结合生长因子-Midkine，有50%的同源性，已发现，它在神经系统发育中有重要作用。

Syndecan是一类跨膜硫酸肝素蛋白多糖，目前已克隆出4种亚型，其中Syndecan-3最初从施万细胞中克隆，因此也称N-Syndecan。N-Syndecan与细胞外的HB-GAM通过硫酸肝素链结合后，引起细胞内的骨架结构重排，最终导致细胞移动，这一途径最早由Hung等描述，认为其在神经轴索的延伸中发挥作用。

Shinji等的实验证实了这一途径同样也是介导成骨细胞募集的主要机制:

1)在胚胎期，HB-GAM在软骨基质大量表达，后者则是软骨内骨化的模板，将有大量的成骨细胞募集、黏附。

2)迁移中的前成骨细胞、成骨细胞内N-Syndecan高度表达，在HB-GAM高度表达的区域两种分子表达重叠，而在完全成熟的骨组织区域，成骨细胞不表达N-Syndecan。

3)出生后，HB-GAM主要在形成次级骨化中心的软骨基质内密集表达，同时，在一些板层骨的骨细胞内也有选择性表达，这些区域都与成骨细胞募集有关。电镜分析发现，表达N-Syndecan的细胞都表现为增殖分化能力旺盛，大多是移动中的前成骨细胞。

4)HB-GAM转基因的小鼠表现为骨皮质明显增厚，为正常的147.4%，但骨髓腔结构正常，骨的大体形态结构也正常。

(2)Midkine和血小板衍生生长因子(PDGF)对成骨细胞募集的协同作用:

Midkine(MK)是一类肝素结合生长因子，以前的研究认为其在神经轴突的生长及肿瘤的发病中发挥作用。MK可诱导成骨细胞募集，这一作用可能通过细胞内有丝分裂原激动蛋白激酶和PI3激酶介导，同时发现，MK和PDGF在诱导成骨细胞募集方面有协同作用。这种情况主要见于骨折修复时，因为此时局部MK和PDGF聚集的水平都显著增高。但在骨骼发生过程中这一途径是否发挥重要作用尚有待深入研究。

5.耐氧诱导因子(HIF)在骨发生、发育微环境中的重要性

HIF于1992年被发现，作为氧感应机制通路中的重要环节，备受关注，研究内容主要涉及心血管、呼吸、神经、肿瘤等领域，近年来渐渐受到骨科领域的重视。HIF是组织细胞在低氧状态下由激活基因所编码的转录因子，包括三种亚型，现在的研究主要集中于HIF-1及其氧感应元件HIF-1α。HIF-1α极不稳定，在正常氧条件下，半衰期不到10分钟，与其降解有关的结构域称为氧依赖降解结构域(ODD)。ODD区包含的脯氨酸残基在具活性的芳香基-4-羟化酶(PHD)作用下发生羟基化。羟基化的HIF-1α与细胞内的pVHL直接结合而立即被蛋白酶体结合并降解。低或缺氧时PHD无活性或活性降低，结果导致HIF-1α的聚积并转运至细胞与细胞核上的HIF-1β形成聚和体，激活HIF敏感的靶基因进而引起组织细胞一系列的耐氧适应性反应。目前发现数十个受HIF-1调控的基因，涉及细胞生物学行为的各个方面，主要是控制促红细胞生成素、糖代谢转运因子和血管内皮生长因子的表达。

在骨的发生、发育过程中，无论是长骨形成的软骨内化骨形式，还是扁骨形成的膜内化骨形式，其血管的侵入是引起确定型间充质细胞增殖、分化以至骨发生始动的标志。在软骨内成骨过程中，间充质性软骨前体细胞分化为软骨细胞、分泌软骨基质。随软骨细胞的进行性增殖和软骨基质的增加，软骨细胞肥大、终极性分化乃至凋亡。正常情况下，软骨性破骨细胞侵入生长板的肥大区并形成陷窝，血管侵入陷窝、血管周围的成骨细胞前体细胞替代残迹并分化为成熟、矿化性的成骨细胞。膜内化骨过程的特征是，毛细血管侵入间充质带，间充质细胞发育转化为前成骨细胞和最终被基质包埋的成骨细胞。因此，血管的侵入，是骨发生的标志性事件。

针对与软骨雏形骨化中心处或生长板血管的侵入有直接关联的HIF-1α的研究发现，软骨细胞外基质呈梯度性缺氧状态，HIF-1α表达，其中央部位尤甚;软骨细胞HIF-1α基因条件性敲除后，生长板中央处软骨细胞死亡; HIF-1α的表达是维持生长板软骨细胞生命活动的必需条件。提示，适量水平的HIF-1α可使软骨细胞尤其是早期肥大软骨细胞存活期延长而使基质钙化逐渐弥散，当进行性升高的HIF-1α达一定程度，便会通过信息递呈或VEGF及其受体Flt-1、KDR介导，诱导血管侵入，有效的屏障作用因此而丧失，HIF-1α被降解，如此交替。这有可能是透明软骨雏形和出生后生长板软骨细胞分裂、增殖、肥大、变性、坏死和软骨基质的钙化，有序而规律的主要调节机制。

(四)骨改建及其平衡机制的调控

在透明软骨雏形的基础上，骨化中心一旦出现，长骨的生长则依赖于软骨组织不断被骨组织替代，并通过有序且规律的骨塑建和骨的改建过程，而形成结构、形状完整和具有良好生物力学性能的骨骼。俟骨的生长趋于终结后，骨组织终生处于骨改建/骨转换状态。骨改建/骨转换周期中，由破骨细胞引起的“骨吸收”与由成骨细胞引起的“骨形成”间的“耦联”，以及分化晚期的细胞凋亡是维持骨结构完整性及合适骨强度的关键环节，并允许骨形状的适应和损伤后新骨而非瘢痕的替代。

与长骨的发生发育一样，骨塑建与骨改建过程受多种因素尤其是细胞因子的调节，在细胞分子水平，成骨细胞性骨形成在很大程度上受以BMP为中心的相关调节信号家族的调控。BMP(尤其BMP-2、4)通过Smads途径激活和(或)上调Cbfa1/Osf2表达，诱导Osterix和基质干细胞向成骨细胞分化及其成骨表型(骨钙素、Ⅰ型胶原、骨碱性磷酸酶)形成。由Cbfa1/Osf2诱导并与Cbfa1/Osf2重叠表达的牙基质蛋白，则有可能对成骨细胞和骨细胞的特异表型表达起持续维持作用。

骨化的机制尚有待阐明，但业已明确的是这一过程需有效的细胞转运、细胞外基质尤其是排列有序的Ⅰ型胶原纤维磷酸化、局部高浓度的钙离子。成骨细胞分泌的基质小胞因富含碱性磷酸酶等而成为细胞外基质钙化的始动因素，骨钙素(OC)、骨桥蛋白(OP)则可使钙化组织趋于成熟。由于OC仅由成骨细胞所分泌，因此分析其启动子可为研究成骨细胞的终末性分化提供信息。FGF、PTHP /THrP和Vit D可调节细胞的分化率和矿物质的转运，是骨发育、代谢的重要协同因子;机械压应力、瘦素、前列腺素、糖皮质激素和性腺尤其是雌激素，对骨转换也具有明显的调控作用。成骨细胞在骨改建/骨转换过程中除肩负“骨形成”的使命外，还决定着破骨细胞的转化与活性。这一作用目前基本概括为:由间充质细胞和成骨细胞产生的酪氨酸激酶受体fms的配体——集落刺激因子-1通过与核转录因子PU.1的作用而诱导单核细胞/巨噬细胞向破骨细胞分化，是破骨细胞早期分化的调控信号;产生的RANKL(receptor activator of NF-κB ligand)与破骨(或前体)细胞的RANK结合是破骨细胞终末分化和活性维持的单一调控信号。后者的调节机制主要包括: NF-κB存在于胞质，与κB抑制因子(IκB)形成无活性的复合体，RANK可导致IκB磷酸化及其降解而激活NF-κB，然后通过Jun激酶途径最终实现破骨细胞的转化与活性的提高; TNF受体协同因子、IL-1、IL-6可替代RANK信号后期途径而导致Jun激酶的激活。由成骨细胞生成的TNF受体家族之一的骨保护素(OPG)则可结合RANKL，而竞争性地阻止破骨细胞的形成，即为调节破骨细胞分化与活性的OPG/ RANKL/RANK系统; Vit D、前列腺素E2、PTH/ PTHrP，甚至包括降钙素既可作用于成骨细胞和影响Cbfal的形成，又可调节破骨细胞的分化和功能，其作用方式、结果取决于水平。

由此可以认为，骨改建/骨转换周期的正常有序的进行，主要取决于成骨细胞的正常有效的补充和功能维持，以产生正确的信息以及信息的传递与应答。

第二节　骨骺发育结构及功能　Development，Structure and Function of Epiphyses

上海交通大学附属瑞金医院　邓廉夫

出生前后，软骨内骨化已进行到骨干骺端，并在长骨两端骨骺出现新的骨化中心(次级骨化中心)，其生骨过程与胚胎期软骨雏形被替代过程相似。次级骨化中心向四周扩展直至软骨被骨所代替，形成骺端。但骺端表面的一层透明软骨不发生骨化，即为关节软骨，保留终生。同时在骨骺和骨干交界处仍保留一片骺生长板软骨，骺生长板的软骨细胞继续保持着增殖能力，借以增加骨的长度，直至生长停滞，骺板发生骨化，成为骺线。

生长板的结构与长骨干骺端的塑形过程

生长板由三部分组成:第一部分是生长软骨;第二部分为干骺端，是骨组织替代钙化软骨残余部分的区域;第三部分是周围纤维结构，由软骨旁LaC-roix环和Ranvier沟组成。

(一)生长软骨

在生长软骨中，软骨细胞经过一系列生化和形态的改变，形成生长软骨的三个可分辨区:储备区、增殖区和肥大区。肥大区可进一步分为成熟区、退化区和临时钙化区。

生长软骨的储备区的软骨细胞，可合成和分泌大分子的细胞外基质。小动脉和小静脉穿过此区通往增殖区，但在储备区的软骨囊管中，仅有少部分氧被释放，所以局部氧张力和钙含量都很低。储备区的功能主要是持续向增殖区输送细胞的来源。

增殖区的主要细胞特征是软骨细胞分裂、增殖活跃。当细胞分裂时，它们排列成线状并与长轴平行。该区氧张力较高，软骨细胞以有氧代谢方式合成并储存糖原，这可能是钙泵的能量来源。增殖区细胞并不向远端迁移，但细胞分裂和数量的增加却实际将骺部向远端推移，因此增殖区的分裂增殖才是真正使长骨生长的动力所在。

肥大区的软骨细胞体积增大5～6倍。在成熟区部位，软骨细胞功能活跃，胞质内含丰富的糖原颗粒，线粒体提供能量以泵入并储存钙离子。在退化区部位，氧张力较低，软骨细胞转为分解代谢，去除糖原残留物并释放先前在线粒体内储存的钙离子;软骨细胞开始出现退变的迹象。在临时钙化区部位，软骨细胞分泌或形成基质小胞，同时钙盐从中弥散或溢出，细胞外基质中的蛋白多糖解聚，基质小泡中出现晶体并开始沉积于细胞外基质。

生长软骨每个区内的细胞生理功能状况依赖于血供、氧张力和底物浓度。生长板有三条动脉系统:骺动脉、营养动脉和软骨旁动脉。骺动脉发出分支从软骨囊-管系统中穿过骺软骨区来支持生长板细胞，但仅穿过增殖区，肥大区仍无血供。生长板的生长软骨部分与成人关节软骨的不同之处就在于它有血供，而成人关节软骨却没有。营养动脉进入骨干并终止于一延伸的毛细血管网，它位于骨骺和生长软骨交界处，是成骨细胞输入的主要途径。软骨旁动脉提供LaCroix环和Ranvier沟血液，除了关节囊血管外，来自该系统的毛细血管还与干骺端及骺部的毛细血管相连。该吻合是干骺端骨髓炎发展入骺部和关节腔，形成感染性关节炎的潜在通道。

不同骨的生长软骨，因细胞数量不同和各区的软骨细胞定向性，有着不同的厚度。一般，生长软骨的细胞数量越多，生长板越厚，骨生长速度也就越快。

(二)干骺端

在干骺端发生的主要生物事件是骨形成和骨改建，这与软骨内化骨的方式相似。来自营养动脉的新生血管侵入生长软骨肥大区残存的软骨细胞占据的小囊(陷窝)及临时钙化的软骨基质，并因成骨细胞的出现而发生骨替代过程，由成骨细胞与破骨细胞功能间的“耦联”，最终形成具长骨骨皮质特征的板层状骨。

(三)软骨旁LaCroix环和Ranvier骨化沟

软骨旁LaCroix环和Ranvier骨化沟围绕着生长板，虽然环和沟是同一解剖结构的两部分，它们却有不同的生物功能。软骨旁环包括了从干骺端伸展而来的一薄层骨皮质，被称为“骨皮”。它由环行胶原纤维组成并与干骺端骨膜纤维层相接续，在骨骺周围形成环状支持带。骨化沟由一楔形高密度细胞群组成，在生长软骨的储备区和增殖区之间长入生长软骨，它们不断增殖以提供细胞来补充软骨细胞储备，并使生长板半径增粗。环和沟的共同作用支持和扩展了生长板的宽度。

(四)长骨干骺端的塑形

在长骨生长期，随着年龄的增长和不断增加的机械负荷，生长板也发展为波浪状以利于对抗剪应力。

长骨在纵轴方向生长的同时，其宽度和厚度也随之增加。最初，干骺端明显大于骨干，于是干骺端通过漏斗化的塑形过程，使之与骨干平滑相续。与此同时，骨干部分还进行着圆柱化过程，即骨干和髓腔的直径不断增大以使骨干与干骺端形状、体积相适应的过程。这两个过程主要由破骨细胞引起的骨吸收与成骨细胞引起的骨形成协同完成。

长骨骺端的大小取决于由次级骨化中心发展而来的软骨内化骨所形成的骨量，这一生长过程称为半球化过程。这样，骨通过漏斗化、圆柱化和半球化过程而获得了最终形态。骨形成和骨吸收不断进行，在激素和多种细胞因子影响下不断校正和重塑骨骼形态，使得骨的生物机械性能与对机体的功能要求相匹配。

骺生长板的功能及其调节

长管状骨发生、发展依赖于软骨内骨化与塑形的过程。出生后骺生长板软骨细胞分裂、增殖、肥大、变性、坏死和软骨基质的钙化乃至最终为骨组织所替代，是个体得以正常的生长、发育的保证，揭示其有序而规律的各个环节的调节机制，一直是发育生物学、遗传性骨与关节疾病等领域的重要研究内容。

(一)骨骺生长板软骨细胞表型表达的变化规律

生长板中细胞群聚集于不同的区域，并形成功能活动同步性的特征性细胞带。据细胞在软骨内骨化过程中的作用及其功能状况，可将生长板由骺端向骨干部分为6条区域性带:Ⅰ带为细胞功能静止区;Ⅱ带为细胞相对不成熟的增殖区，此区细胞具有结合胰岛素样生长因子的特性，并受其调控;Ⅲ带为发育成熟的细胞增殖区，但DNA的合成活动较Ⅱ带细胞相对低下;Ⅳ带细胞更为成熟，体积趋向肥大，代谢活性相对增强;Ⅴ带为细胞肥大区，在细胞间隔的软骨基质发生钙化;Ⅵ带细胞出现变性、崩解，并在骺端与骨干结合部软骨钙化区出现侵入的血管。功能成熟又具分裂、增殖特性的生长板软骨细胞，可分泌Ⅱ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ型胶原及以富含硫酸软骨素为特征的蛋白多糖聚合体，构成生长板软骨基质的主要成分。

Ⅱ型胶原是生长板中最主要的结构性胶原成分，可分为ⅡA和ⅡB两个亚型。原位杂交技术显示，ⅡA型前胶原mRNA主要由位于软骨膜的软骨生成细胞表达，并可出现于非软骨包括胚胎颅盖骨、皮肤、心脏、骨骼肌和脑中;而ⅡB型前胶原才是软骨细胞的特征性表型。在生长板中的软骨细胞(除Ⅵ带外)，仅见有ⅡB型前胶原表达。随着Ⅰ带向Ⅱ带细胞功能的逐渐成熟，ⅡB型前胶原的表达量显著增加，并在Ⅲ～Ⅴ带达到最高水平，从而贯穿生长板软骨细胞由增殖、成熟发育到细胞肥大的整个阶段。提示，生长板中的软骨细胞来源于早期软骨雏形中的间充质细胞，而非软骨膜软骨生成细胞衍生而成。Ⅺ型胶原和蛋白聚糖核心蛋白的表达，伴ⅡB型胶原的表达，只是表达量略低。生长板中软骨的这些特征性表型的表达，尤其是Ⅳ和Ⅴ带中的软骨细胞，受压应力的影响，压力可刺激软骨细胞合成基质。

Ⅹ型胶原主要出现于生长板的Ⅳ到Ⅴ带中，由发育成熟且肥大的软骨细胞形成，这一发生于基因水平的调控，则可能有利于生长板软骨的钙化乃至骨化的发生。

在软骨生长板Ⅵ带和Ⅴ带部分区域的基质中，可检测到由成骨细胞(或成骨细胞样细胞)表达的软骨非特异性Ⅰ型胶原。有关生长板中成骨细胞的来源尚存有争议，主要有两种观点:一是成骨细胞由终末且肥大的软骨细胞演变而成;二是来源于侵入的血管周围的间充质细胞。生长板中由浅入深，即由Ⅰ带至Ⅵ带区域软骨细胞表型有规律的转化，尤其最终出现成骨(样)细胞，则是软骨-骨转化亦即软骨内骨化发生机制的关键环节。

(二)骺生长板骨形成过程中细胞因子的调节作用

常借助于骺生长板细胞生物学行为的变化，借以认识骨的发生、发育。然而，较之长骨的生长发育和骨形成，骺生长板骨形成则是发生在软骨雏形形成后的软骨化骨的过程，其调控基因与核转录因子的调节机制，迄今尚未发现明显差异。因此，现仅介绍相关的细胞因子调节机制。

生长板Ⅱ带中的软骨细胞对IGF-Ⅰ具高亲和性，而Ⅳ、Ⅴ带中的软骨细胞对IGF-Ⅰ的亲和性缺失，但此区域的基质中含有高水平的IGF-Ⅰ。IGF-Ⅰ可促进软骨细胞增殖、成熟，以及合成Ⅱ型胶原和特征性蛋白多糖聚合体，随软骨细胞的成熟、肥大以致变性坏死，软骨细胞逐渐失去对IGF-Ⅰ的结合能力。因此，即使在生长板Ⅵ、Ⅴ带基质中含有高水平的IGF-Ⅰ，但因软骨细胞的反应性降低，而使IGF-Ⅰ失去对软骨细胞的调节作用，有可能IGF-Ⅰ在软骨-骨转换过程所起作用甚微。

在成纤维细胞生长因子(FGF)的家族中，FGF-8可诱导胚胎初期的肢体突形成及随后的成形，并有可能通过诱导第二信号因子——FGF-10的形成，以达到对肢突远端细胞的调控作用。FGF-2和FGF-4常与FGF-8在肢体外胚层区域交叉表达。这些生长因子促进了间充质细胞的募集和肢突形成，在今后的肢体生长、发育过程中所起的进一步调控作用还不了解。已获得的资料表明，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)是刺激软骨增殖的强丝裂原，又是生长板终末软骨细胞分化的关键调节因子。在软骨细胞表面有两类bFGF受体。受体与bFGF的亲和力，随软骨细胞发育的不同阶段而上、下变化。生长板软骨蛋白多糖聚合体基质成分之一的硫酸肝素担当bFGF储存池的作用。处于增殖时相的软骨细胞，基质中bFGF释放出来，与软骨细胞表面高亲和力的bFGF受体结合，促进细胞增殖与成熟，成熟期的软骨细胞表面bFGF受体的亲和力下降，细胞增殖停止而发生肥大，碱性磷酸酶形成及钙沉积增加。同时，bFGF再存储于基质中，并在生长板软骨细胞肥大区刺激血管侵入，而调节软骨-骨转化过程。

在转化生长因子(TGF)-β的超家族成员中，骨形态发生蛋白(BMP)是备受注目的骨发生与形成的调节因子。BMP至少包括13种亚型，其中BMP2-13与骨、软骨细胞的发育和分化有关，对此在体外已获得了大量的实验研究资料。近期的研究发现，在体内，尤其是在胚胎发育和形态发生过程中，BMP2、BMP4和BMP6参与中胚层间充质细胞的募集、增殖和定向性分化。BMP2和BMP4 mRNA的表达，可见于肢突远端的间充质，并于此随之形成软骨结构。BMP6在软骨内骨化过程中定位于肥大软骨区，调节软骨细胞的终末性分化。另外，BMP还可诱导肢端组织发育过程中的成骨细胞和软骨细胞凋亡。当钙化的软骨组织发生血管侵入时，血管基膜的Ⅳ胶原和硫酸肝素可结合由肥大软骨区基质释放的分化调节因子，不仅促使随血管侵入的间充质细胞转化成骨细胞，而且可带来导致细胞凋亡的信息，从而参与软骨内骨化的有序进行。

Stromelysin是金属蛋白酶三种成员之一，具有较广泛的溶解基质成分的功能，可使蛋白多糖、fibronectin、laminin、酪氨酸和胶原非螺旋区降解。stromelysin包括两种(SL-1和SL-2)亚型。无活性的SL-1主要分布于骨赘和新生肋骨膜附近软骨内骨化区的细胞外基质中;活性SL-1分布在骨细胞内和骨陷窝周围基质中。SL-2则主要分布在软骨内骨化区和软骨-骨连接处以及侵入血管区的骨吸收细胞，包括破骨细胞、骨髓内单核细胞。许多生长因子、细胞因子、肿瘤刺激因子和原癌基因可促进stromelysin(尤其SL-1)的形成。在生长板骨发生、发展过程中，stromelysin的作用有可能是: SL-1导致软骨基质降解，允许细胞迁移并形成骨发生的空间; SL-2则可导致前胶原降解，促使胶原纤维定向排列，以利基质钙化与骨塑建。

第三节　骨组织形态学和生理　Histology and Physiological Function of Bone Tissue

北京大学附属积水潭医院　毕五蝉

骨是一种特殊的结缔组织，主要发挥对人体的支持和保护作用。另外，作为人体内主要的无机盐来源，在维持人体钙平衡方面也发挥重要作用。在骨的发育和生长完成后，成年人的骨骼并不是静止不变的，而是通过骨重建的过程，不断实现新骨对旧骨的更新替代。从材料学特性分析，骨的力学性能远逊于其他工程材料，生理范围内的循环载荷即可导致疲劳损伤的发生。但骨可以通过自身的重建来修复这种损伤，维持骨成分和结构的完整性。增龄、雌激素缺乏等各种因素可导致骨重建的异常和骨质疏松症的发生。本节主要介绍骨的正常形态结构、骨组织的生理活动，以及评价骨形态结构和生理功能变化的骨形态计量学分析方法。

骨组织的组成

(一)骨的成分

骨由细胞、有机基质和沉积其中的无机矿物质组成。有机基质中95%是Ⅰ型胶原，另有5%为蛋白多糖和其他非胶原蛋白。矿物质的主要成分是钙磷酸盐和钙碳酸盐，含少量的钠、镁和氟化物，多数以羟磷灰石晶体的形式存在。晶体的长度为5.0～10.0nm，在胶原网络中有序排列。

(二)骨的细胞

骨内的细胞包括成骨细胞、破骨细胞、骨细胞和衬细胞。成骨细胞是骨形成细胞，产生有机胶原基质(和非胶原蛋白)，经矿化后形成编织骨和板层骨。成骨细胞来源于骨髓间充质干细胞，出现在破骨细胞曾吸收骨质的骨重建部位，但也能在未曾发生骨吸收的部位成骨。其特征是有一个形状不规则的核、明显的高尔基复合体、细胞突起、内质网和胶原分泌颗粒。显微镜下可看到这些细胞在类骨质表面排列成行。当基质沉积和矿化并行时，细胞变薄，其中一些嵌在骨基质中成为骨细胞，其他的成骨细胞或者消失，或者在新形成的骨表面变为衬细胞。除形成类骨质和非胶原蛋白外，成骨细胞也参与矿化。

破骨细胞是血源性多核巨细胞，源于单核造血干细胞，它吸收骨的无机质和有机质，一般有1～50个核，直径为20～200μm，位于松质骨骨表面的凹槽内和皮质骨哈佛系统圆锥形吸收腔的前缘。光镜下的特点为形态不规则、多核、空泡、酸性细胞质、附着于骨表面的刷毛样突起、抗酒石酸酸性磷酸酶染色阳性。破骨细胞相对于骨质的一面有很多突起。破骨细胞能分泌半胱氨蛋白酶、胶原酶、酸性磷酸酶，也能产生碳酸酐酶。骨小梁吸收部位的破骨细胞寿命大约为4周。

衬细胞也属于骨形成细胞一类，骨形成停止后处于静止状态。形态特点包括位于小梁骨表面、呈伸长状扁平形态、薄的细胞质(在光镜下难以发现)，以及伸长、扁平、深染的核。衬细胞的功能尚未明确，可能在骨重建的启动与定位、维持血浆钙平衡等方面起作用。

骨细胞也属于成骨细胞类，是骨形成停止后包埋于骨基质中的细胞，位于矿化骨基质中的骨陷窝内。这些陷窝通过一些直径为1～2μm的小管相互连通，小管内含骨细胞的胞质突起。骨细胞能通过小管和循环系统互相连通，输送氧气、营养和废物。当机械力传递到骨时，骨细胞网络能感知应变，进而调节相应的骨细胞活动。

(三)骨髓成分

骨髓除提供人体造血细胞的来源外，与骨的生长发育也有密切关系。骨髓与骨接触的表面，如松质骨小梁表面和皮质骨内膜面，是骨代谢非常活跃的部位。骨髓内的造血干细胞和间充质干细胞，是破骨细胞和成骨细胞的前体细胞，在骨代谢中发挥着非常重要的作用。脂肪细胞也是骨髓内的重要成分，根据脂肪含量等的不同，骨髓可以分为红骨髓和黄骨髓两大类。红骨髓内含有40%的水、40%的脂肪和20%的蛋白质，造血活跃;黄骨髓内则含有15%的水、80%的脂肪和5%的蛋白质，造血不活跃。随着年龄的增长，骨髓内的脂肪比例逐渐增加。最近的研究发现，骨质疏松症和增龄引起的骨质减少常伴有骨髓中脂肪组织含量的增加;而卵巢摘除、制动、糖皮质激素处理等引起的骨量丢失状态下，也可发现骨髓脂肪细胞数量的增加;因此在骨量下降和脂肪形成之间可能存在一种互为因果的关系。已知骨髓中的间充质干细胞能向成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞等多方向分化，如能促进老年人骨髓中干细胞更多地向成骨细胞方向分化，将为老年骨质疏松症和骨质减少的预防和治疗提供全新的思路。

骨的形态和结构

(一)大体形态结构

在大体形态上，骨可以分为松质骨和皮质骨两大类。皮质骨主要位于长骨的骨干和扁平骨的表面，由哈佛系统，即骨单位组成。每一个骨单位由10～20层呈同心圆排列的环状骨板围绕而成，中央有哈佛管。环状骨板有骨陷窝，内含骨细胞。骨单位之间为间质骨板，不同骨单位之间有伏克曼管连通。松质骨则位于长骨的骨端和扁平骨的内部，是由不规则的棒状或片状骨小梁相互连接构成的网状框架结构，其内充满骨髓、血管等组织。皮质骨量为松质骨的4倍，而松质骨的代谢更为活跃，这主要是由于松质骨为多孔结构，拥有更多与骨髓腔接触的表面。皮质骨有外膜面和内膜面，在生长过程中，皮质骨的增粗是依靠内膜面的吸收和外膜面新骨的存积完成的。在皮质骨的外膜面上覆盖了一层骨膜，其内有生发层细胞，在骨折愈合过程中常发挥重要作用。

(二)显微形态结构

在显微镜下观察，根据胶原纤维排列的方向性，又可将骨分为编织骨和板层骨两类。编织骨是不成熟的骨组织，出现在胚胎发育期、骨痂等新骨形成的最初阶段;或在某些异常病理状态下(如Paget病、成骨不全、骨肿瘤患者)，骨的代谢呈高转换状态，往往出现编织骨。其特征是胶原纤维和骨矿物质的排列无方向性，细胞成分较多，在力学性能测试时表现为各向同性。人刚出生时，所有的骨都是编织骨;但到1个月时，板层骨开始发育。到1岁时，大部分编织骨已被板层骨取代。在板层骨中，胶原纤维有规律地沿着应力的方向成层排列，与骨的无机或其他有机成分紧密结合，共同构成骨板。板层骨的材料力学性能是各向异性的，即在不同方向上的力学性能存在较大差异。

(三)骨关节的超微结构

骨关节是骨连接的最高分化形式。它以相对的骨面互相分离或具有间隙为特点，仅借周围的结缔组织相连接。骨关节的主要结构为骨端关节面、关节软骨，关节囊和关节腔内少量滑液。此外，有些关节还有关节内韧带、关节盘和关节唇。本章节主要叙述这些组织的超微结构。

1.骨组织的超微结构

骨组织由细胞和基质构成。骨的功能细胞包括骨原细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。骨基质坚硬，含有机物和无机质，有机物为骨胶纤维和骨胶蛋白，无机质为骨盐，它与有机物紧密结合。

(1)骨的细胞:

1)骨原细胞:

来源于具有骨分化潜能的间充质细胞。细胞呈梭形或椭圆形，无胞突，细胞核椭圆形，细胞质内有少量细胞器。免疫表型表达Ⅰ型胶原蛋白、骨桥蛋白和碱性磷酸酶。骨原细胞增殖、分化为成骨细胞。

2)成骨细胞:

常见于生长期或修复中的骨组织，在新生骨表面较为整齐地连续排列。成骨细胞胞体较大，呈不规则的矮柱状或立方形，有细长的胞突。细胞核多位于胞体的一端，卵圆形，富有RNA，核膜明显凹陷，核孔大，核仁1～2个。细胞质内有大量粗面内质网、Golgi复合体、线粒体。活跃的成骨细胞其粗面内质网同心圆排列，囊池膨胀充满均匀低电子密度的蛋白性物质。线粒体中等数量，有时为蜂窝状线粒体，是功能旺盛的表现，线粒体上的致密颗粒，可能为钙颗粒而与钙化有关。Golgi复合体位于细胞核附近，多量分泌泡，其内涵物为骨基质的前身。丰富的糖原，其存在的意义尚不清楚，但并不意味细胞的退变(图1-3-1)。

细胞膜下聚集纤细的胞质微丝并在胞突中形成细胞骨架。相邻细胞的胞突互相接触，可能有细胞细胞连接器，支持“骨血屏障”假设。成骨细胞形成基质小泡，分布于类骨质中，内含大量的碱性磷酸酶、类脂和小的钙盐结晶体，基质小泡破裂后类骨质迅速钙化(图1-3-2)。

成骨细胞的功能:①由粗面内质网合成胶原蛋白前身，进入Golgi复合体浓缩并装配成可溶性的原胶原，继而分泌到细胞外，在细胞外原胶原聚合成胶原蛋白;②粗面内质网内合成的蛋白质，进入Golgi复合体，与在该处合成的硫酸化多糖结合，形成糖蛋白。

多种钙盐沉积的机制有:①线粒体对钙盐有浓缩和释放作用，线粒体基质颗粒中的磷酸钙排至细胞外基质，加速钙盐的沉积;②活跃的成骨细胞内，碱性磷酸酶活性明显增强，提示碱性磷酸酶可能作用于有机磷酸复合物和焦磷酸，使局部磷酸根增多，与血液渗透出来的钙离子结合，达到一定阈值(Ca× P＞40mg/100ml)时，类骨质钙化;③骨胶纤维在细胞外的形成过程中起着对骨盐沉积的诱导作用。成骨细胞的碱性磷酸酶活性较强，同时分泌Ⅰ型胶原、骨钙素、骨连接素、骨桥素和骨延蛋白。骨钙素是成骨细胞的特征性产物，为骨中最丰富的非胶原蛋白，具有维持骨的正常钙化速率，抑制异常羟磷灰石结晶形成以及抑制软骨钙化的作用。骨连接素是一种酸性磷蛋白。骨桥素对细胞增殖和矿化均很重要。骨延蛋白在矿化组织的细胞内存在，它是羟磷灰石的晶核。

成熟骨表面的成骨细胞称为骨衬细胞，细胞扁平，细胞质及其内的细胞器均减少。标记的胸腺嘧啶测定发现骨衬细胞有DNA合成，因而，不应认为它们完全处于静止状态，在一定的条件下(如骨形成因子)，可转变为活跃的成骨细胞，有成骨功能。

骨衬细胞的功能:①维持骨表面的静止状态，阻断各种因子对矿化骨的影响，形成良好的骨膜屏障，并使骨小管内的液体自成一个微环境以利骨的钙化过程，调节各种离子、因子和营养因素;②协同成骨细胞和骨细胞参与类骨质的矿化;③与骨细胞共同构成具有力学感受器和微缺损感受器功能的装置，能把机械能转为化学信号指令，合成和分泌破骨细胞分化因子和破骨细胞形成抑制因子等。

3)骨细胞:

成骨过程中，成骨细胞一旦被骨基质包围，即为骨细胞，占骨组织功能细胞的95%。借助骨小管，相邻的骨细胞突起或端端相连，或侧侧相附，使骨细胞互换信息。因此，可以认为骨细胞为一合胞体(图1-3-3)。

骨细胞的形态和功能随细胞的年龄而不同。最年轻的骨细胞位于骨表面的骨样基质中，也称骨样骨细胞，其形态与成骨细胞相似，具有合成骨基质的能力，不断增添骨基质到所在的骨陷窝壁上;随着陷窝周围基质的钙化，年轻的骨细胞逐渐失去产生基质的能力，成为较成熟的骨细胞。较成熟的骨细胞位于钙化骨基质的浅层，体积较小而略呈长形，细胞核大，椭圆形，核染色质轻度边集，细胞器介于年轻的和成熟的骨细胞之间。成熟的骨细胞是骨组织的主要细胞，细胞体呈双凸扁圆形，在板层骨内，它的长轴与板层骨的辐射状轴一致;细胞体积小，细胞核相对大，细胞质少，呈轻度嗜碱性，内有极少量粗面内质网、Golgi复合体、线粒体和游离核糖体，说明无蛋白质合成的功能。骨细胞表面有多个长而纤细的突起，在骨小管内延伸，突起可有分支，或两个突起在同一骨小管内，但突起之间并不相连，突起中一般也没有细胞器，但表面有许多刷状微丝，具有生物力学感受器的功能。骨细胞及其突起不完全充满骨陷窝和骨小管，而有一小的间隙，少量骨小管液。任何应力可使骨小管液流动而作用于突起的刷状微丝，将机械能转为化学信号指令，并传递到骨表面的骨衬细胞，合成和分泌有关因子，如前列腺素E2和胰岛素样生长因子。骨细胞通过渗透作用从哈佛管内的血管获得营养和进行物质交换。骨细胞内含有多种酶(图1-3-4)。

骨细胞的功能:①溶骨作用:在甲状旁腺素的作用下，骨细胞吸收骨陷窝周围的骨组织，偶尔，骨小管壁也有溶骨现象。溶骨起始于骨细胞胞质那端的相对面的骨质，此时，Golgi复合体发达，线粒体膨胀，出现溶酶体样小体及胞饮现象，骨陷窝呈不规则形，窝壁粗糙，依赖于细胞释放乳酸和溶酶体分泌的水解酶，矿物质首先消失，胶原纤维继之被消化，陷窝互相沟通。溶骨释放骨钙至血液中。②成骨作用:在降钙素的影响下，陷窝壁上形成新的钙化基质。此时，骨细胞的胞质内又出现合成蛋白质的膜结构。在生理情况下，骨细胞的溶骨和成骨活动反复交替，扩大的陷窝边缘有一层异染颗粒聚集成丛，与矿化前沿相似。四环素标记也证明此处确有过溶骨并随之有新骨形成。③骨细胞参与矿物质代谢和钙在体内的平衡。

4)破骨细胞:

典型的破骨细胞为一多核巨细胞，来自血液及骨髓的单核细胞，有活性的破骨细胞通常位于Howship陷窝的骨表面。细胞体积大，细胞核通常为10～20个。胞核呈卵圆形，核膜平整，染色质纤细，分布均匀。细胞质多呈泡沫状，嗜酸性，但年轻的破骨细胞胞质可为嗜碱性。细胞质内有丰富的线粒体，形态及大小较一致，其嵴上有电子致密颗粒，可能是钙和磷。高尔基复合体发达，多位于胞核旁。粗面内质网不明显。有许多高电子密度的溶酶体，多位于皱褶缘的深部，内含大量酸性水解酶(图1-3-5，图1-3-6)。

最重要的超微结构特征是破骨细胞靠骨面的质膜的特化，细胞膜反复折叠产生许多微细的柱样突起和凹陷，称皱褶缘，其长度和宽度各不相同，内含短束肌动蛋白细丝。皱褶缘增加破骨细胞的表面积，加强了与外界的物质交换。皱褶缘上有ATP酶和酸性磷酸酶(图1-3-7)。

皱褶缘下的细胞质内有大量胞饮液泡，逐渐向细胞内部迁移，其内有骨盐和胶原纤维。围绕皱褶缘，有一圈均质状的透亮区，称透明带该处质膜光滑，质膜下可见无定形的、纤细的颗粒物质，无线粒体、内质网或核糖体等细胞器，液泡很少，但有较多的微丝紧密排列。曾有学者观察到微丝束直接垂直地达到骨表面，可能是肌动蛋白群，有将破骨细胞粘合到骨的作用。透明带和皱褶缘共同构成一个完整的骨吸收装置，是破骨细胞吸收骨的重要功能结构。

破骨细胞具有骨吸收功能。一个破骨细胞可以溶解约100个成骨细胞所形成的骨质。较公认的破骨机制是:在破骨细胞与骨表面接触后，透明带将细胞边缘和骨表面封闭起来，透明带中的微丝穿越细胞膜，通过粘合蛋白与细胞外基质相连，使覆盖区形成一个封闭的微环境。破骨细胞通过皱褶缘分泌到微环境中的溶酶体酶使微环境呈酸性(pH约4.5)，各种水解酶先溶解骨的无机质，钙、磷等游离释出，并经细胞外液进入血液循环。然后，有机质被摄入破骨细胞，由细胞内的溶酶体进行消化后再排出细胞外，完成整个骨吸收过程。研究表明，缺乏皱褶缘的破骨细胞毫无骨吸收功能。此外，皱褶缘还可以同步单向移动而成为破骨细胞的爬行工具。

破骨细胞含抗酒石酸酸性磷酸酶，是破骨细胞的特异性标记物，此外还有脱氢酶、碳酸酐酶。

骨组织代谢中，骨吸收发生在骨形成阶段和成人骨重建阶段，说明破骨细胞在缓慢的骨吸收和骨形成过程中有重要作用。它的另一功能是对血清和机体体液的低钙水平起反应而引起骨钙的释放。

影响破骨细胞功能的因素是甲状旁腺素和降钙素。前者增强破骨细胞的活力及数量，后者有抑制骨吸收的作用。而最直接作用于破骨细胞的是破骨细胞分化因子和破骨细胞生成抑制因子。

(2)骨基质:

骨组织的功能取决于它的基质。骨基质包括有机质，即骨胶纤维和糖蛋白和无机质骨盐。骨基质的水分很少。有机质和无机质的比例随年龄而改变，儿童骨中两者各占一半，成人骨无机质占2/3左右，而老年骨的无机质更多。较多的无机质使骨硬度增加，但抗冲击力下降，因而易发生骨折。

1)骨胶纤维:

约占有机成分的90%，组成较致密的纤维束呈规则的分层排列，每层纤维与基质构成板层结构，称骨板。同一板层的胶原纤维排列方向相同，相邻板层的胶原纤维互相垂直，骨细胞被夹在骨板之间。骨胶纤维主要为Ⅰ型胶原，占90%，其余10%为少量的Ⅲ、Ⅴ、Ⅹ型胶原。Ⅰ型胶原蛋白由两条α1及一条α2多肽链合成，形成致密束，是矿化沉积和结晶的支架，具有很强的抗拉伸力。Ⅲ型胶原蛋白有调控胶原纤维丝的粗细和直径的作用。Ⅴ型胶原蛋白的缺乏可导致胶原纤维丝的过分粗大。Ⅹ型胶原蛋白是Ⅰ型胶原蛋白的结构模板。胶原的直径变异很大，它取决于胶原的聚合和成熟的程度，成熟胶原纤维有明显的横带周期。骨胶纤维在板层骨中为细纤维，编织骨中为粗纤维，随机排列，互相交织，矿化程度低。

2)非胶原蛋白:

包括骨延蛋白、骨连接蛋白、骨桥蛋白、骨钙素，以及骨源性和外源性生长因子，如骨形态发生蛋白、转化生长因子、胰岛素样生长因子、蛋白酶类、胶原酶和组织蛋白酶等。

3)无定形基质:

骨的无定形基质是一种无固定形态呈胶体的物质，其中最主要为蛋白多糖，它是一种蛋白和多糖的大分子复合物，在骨内约占5%，具有高度的黏着性。其次，还有少量的寡糖。

4)脂质:

不足0.1%，钙化部位脂质含量较高，可能与钙结合到磷脂上有关。

5)无机盐:

又称骨盐，占骨重量的65%～70%，主要为钙、磷，如磷酸钙、碳酸钙、枸橼酸钙和磷酸氢二钠，它们以结晶的羟磷灰石和无定形的胶体磷酸钙的形式分布于有机质中。其次，还有镁、氟、锶等(图1-3-8)。

为显示胶原纤维及蛋白多糖，可以应用特殊染色(Masson三色、VG、阿森兰、Safranin O等)。偏振光技术及电镜技术可进一步观察其排列走向及超微结构。观察骨的矿物质需在不脱钙切片及特殊染色后才能看到。应用四环素标记可动态观察骨的形成。X线显微分析用以研究骨组织内矿物质的分布及含量。

骨的主要功能活动在其表面发生。骨表面分为4种:骨外膜表面、哈佛管内表面、皮质内膜表面、小梁骨表面。成骨状态下，骨表面覆盖类骨质和成骨细胞;吸收状态下，骨表面呈陷窝，内有破骨细胞;静止状态下，矿化骨表面覆盖类骨质，表面有骨衬细胞。成人80%～90%骨表面处于静止状态(图1-3-9)。

松质骨的桁架结构:成年骨骨端表层为薄层密质骨，密质骨下为松质骨。关节部位的骨端松质骨呈蜂窝状，构成松质骨的骨小梁呈拱形结构，这种拱形结构为多方向，并相互连接。在不同性质的关节，或同类型而不同部位的关节，其松质骨拱形结构的厚度也可不同。拱形结构呈圆形或长圆形，其拱顶主要朝向关节面。拱结构的拱柱向不同方向延伸并可作为另一拱形结构的拱顶而呈现多级的套叠，共用的拱柱又使拱与拱相互呈多方向的连接(图1-3-8，图1-3-9)。骨小梁由板层骨组成，板层骨的胶原纤维排列规则。拱形骨小梁边缘部的胶原纤维与拱形结构一致走行，粗大的胶原纤维间还有短小的横向胶原纤维。相邻的拱形结构的拱柱的中间部分，其胶原纤维呈明显的交叉编织，即一个拱形结构的胶原纤维加入到相邻拱结构的纤维束内。若多个拱形骨小梁连接，则在连接处的胶原纤维呈明显的放射状、多方向的交叉编织，从而使相邻的骨小梁紧密连接。骨端松质骨的这种结构宛如建筑学上的桁架结构，故定名为松质骨的桁架结构。骨端松质骨仅有一定厚度的骨小梁呈桁架结构，而近骨干侧的骨小梁则呈朝向关节面的纵向排列，此处的胶原纤维与骨小梁方向一致，并无明显的交叉编织结构。非关节部位的骨端松质骨，骨小梁排列无规律，也极少见到拱形结构(图1-3-10)。

2.软骨组织的超微结构与功能

软骨由高度有序的软骨细胞、软骨基质和埋于基质中的纤维组成。根据基质内纤维的成分和排列的不同分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨。关节软骨属透明软骨。正常关节软骨厚1～5mm，呈浅蓝色，半透明，光滑而有光泽。随年龄的增加，关节软骨的颜色加深，老年人的关节软骨可呈黄棕色。关节软骨可分为4层:

(1)表层带:

软骨细胞呈梭形，其长轴平行于软骨表面。细胞表面几乎没有胞突。细胞核呈卵圆形，核膜光滑清晰，核膜外层11～12nm，内层厚27～30nm，有典型的核仁，核染色质轻度边集。细胞质内有少量粗面内质网，少而小的线粒体，高尔基复合体不发达，形似纤维细胞(图1-3-11)。

基质中的胶原纤维为纤维的原纤维，直径为8～25nm，4～6根原纤维汇集呈束。纤维束沿切线方向交叉排列呈网状，与软骨表面平行，称“软骨的薄壳结构”，它允许滑液中某些离子及葡萄糖通过，但较大的分子如蛋白多糖、透明质酸盐分子无法通过。软骨的薄壳结构构成软骨的界面，它既耐磨又能抵抗多种应力的破坏，保护软骨不发生拉裂、断裂等(图1-3-12)。

(2)中间带:

软骨细胞呈圆形或卵圆形，细胞表面有较长的不规则的胞突，突起可有分支。细胞核卵圆形，有不规则的核凹陷。细胞质有丰富的粗面内质网，其囊池内有絮状蛋白物，线粒体多量，高尔基复合体发达，并有多量液泡，液泡内常充满颗粒状电子致密物。核周有纤细的微丝，部分细胞内有微管，它可能与水电解质的转移，细胞的强度和细胞的移动等功能有关。基质的胶原纤维互相交错，弯曲斜行。胶原纤维较浅层的胶原纤维粗，直径为10～35nm，有10nm的横带周期。这类纤维往往紧紧围绕在软骨囊周边，这种特殊排列的纤维可能有保护软骨细胞免受挤压的作用。靠近细胞的基质称疆界性基质，离软骨细胞较远的基质称一般性基质。一般性基质中的纤维较粗，直径可达45～55nm，40nm的横带周期，纤维形成小束，束间又有多量成网状的纤细的原纤维(图1-3-13)。

(3)深层带:

软骨细胞呈圆形或卵圆形，垂直于软骨表面，或因收缩而出现各种不同的形状，它们往往呈二、四个聚集，为同源细胞群。细胞较大，圆形，细胞膜呈扇状，核膜清晰。细胞器相似于中层软骨细胞的，但常有较多的脂滴。其中有较多的退变细胞。基质中含64nm的横带周期的胶原纤维，其直径30～60nm。纤维常有三个明显的区域，即纤细的颗粒性的网状结构，纤细的原纤维网和粗大的胶原纤维网。

(4)钙化带:

此层细胞极少，部分细胞蜕变、钙化。基质胶原纤维粗大，形成拱顶状走向深层带，胶原纤维间充满钙盐结晶(图1-3-14)。

软骨基质的胶原纤维从深层到浅层呈一种特殊的排列方式，称“纤维的拱形结构”。它由软骨下骨的骨小梁中的胶原纤维合成小纤维束并垂直走向表面(约总厚度的30%)，此间纤维有将软骨固定于骨的作用。在中间层(总厚度的40%～60%)，纤维束呈喷射状向四周散开斜行，最后进入表层(总厚度的10%～20%)薄壳结构。胶原纤维的拱形结构使纤维能更好地承受施加于它们的特定应力，尤其利于抵抗压缩性破坏。由拱组成的网状结构以及围于其中的蛋白多糖等软骨基质成分相互作用，构成一个良性的、有相互依赖关系的、闭合的整体系统，其中任何一段受损都将损伤其完整性及软骨的整体功能(图1-3-15)。

基质中的胶原纤维主要为Ⅱ型胶原(占胶原的90%～95%)，其他还有Ⅸ型及Ⅺ型。Ⅸ型胶原与Ⅱ型胶原的表面结合，Ⅺ型胶原构成Ⅱ型胶原的核心，它们在维持Ⅱ型胶原的结构及稳定性上有很重要的作用。Ⅱ型胶原链长约30nm，直径1.5nm，由三个α链构成三股螺旋结构{α(Ⅱ)} 3。每个多肽链约有1000个氨基酸组成，相互螺旋形盘绕，其成熟状态有特征性的横带周期。Ⅱ型胶原也是以细胞内前体的方式合成，合成的前胶原到达细胞外后形成原胶原分子，最终聚合成不溶性的胶原。Ⅱ型胶原的原纤维细小，这有利于它更大范围地分布于软骨基质中，并与蛋白多糖构成网络结构，使软骨具有良好的抗张力性能。

潮标:应用HE染色，在钙化与未钙化软骨连接处，旱现一嗜碱性线状物，即潮标。潮标是软骨钙化的活跃代谢活动带。成年软骨的潮标很明显，60岁以后可增加至2～3条，说明随年龄老化，钙化带向未钙化带的延伸加快。

新鲜的软骨基质是高度含水的凝胶，呈均质状，主要由水和蛋白多糖大分子及其聚合体大分子框架构成。水占软骨重量的70%～80%，含水量因年龄和软骨所在部位不同而异。在软骨的总含水量中，只有极少量结合到固态基质里，其余的水都在组织里自由移动或透过组织的界面自由移动，这种移动不仅对于活动关节的正常生物力学功能，而且对于组织的形变性能都是极为重要的。

蛋白多糖呈大分子聚集状态，它由蛋白多糖亚单位、透明质酸及连接蛋白组成。蛋白多糖亚单位的基本单位是氨基葡萄糖多糖(GAGs)，它是重复双糖单位构成的可屈性长链，由不同结合的双糖单位组合而成，约30个GAGs结合在一个长约250mm的核心蛋白上，即形成蛋白多糖单体，约150(20～250)个蛋白多糖单体以间距25～250nm附于长度为40～4000nm的透明质酸分子上，并有连接蛋白进一步加固两者的结合，构成蛋白多糖聚合体。由于蛋白多糖侧链的氨基多糖GAG带有许多负电荷，所以，GAG总是以核心蛋白为中心呈发散状态分布。蛋白多糖聚合体遇水后膨胀，散开占据溶液的体积，但其受到周围胶原纤维的限制，因而，蛋白多糖的弹性和胶原纤维的张力得以保持一定的平衡。大分子蛋白多糖分子和胶原纤维的联合体使软骨具有分子筛作用，仅小分子可以进入，而大分子降解酶则被排斥在外。黏稠的毛刷状水化蛋白多糖聚合体围绕在胶原纤维之间并柔软地附于其上。蛋白多糖的分布随年龄及部位不同而不同。一般认为，儿童软骨的蛋白多糖比成人分布广，软骨深层蛋白多糖较浅层多。

正常关节软骨耐磨、平整的表面和良好的关节润滑使滑膜关节运动时的摩擦力极低，但是，老年人的关节软骨粗糙和纤维化，甚至有磨损和破碎的区域。这是一种年龄所致的生理变化，这种现象无疑应与“真正的正常”或“理想状态”相区别。关节软骨表面的粗糙性有以下几种表现:波纹呈不同大小的扇状，邻峰间距10～100nm;皱纹比波纹纤细，邻峰间距2～10nm;凹陷长径100～300nm;圆丘呈山样隆起，长径100～200nm。因此，应以年轻的关节软骨作为首选。若关节软骨附在软骨下骨上共同制片(脱钙或不脱钙切片)，则软骨表面呈光滑;但若软骨被从软骨下骨剥下，原有的光滑面变成凹陷，则呈扇状或波纹状。

关节软骨表面纤维层的纤维直径约30nm，有64nm的横带周期，它们平行而紧密排列，纤维间基质甚少。纤维层的表面覆盖以呈颗粒状或微丝状的电子致密物，称“表面外衣”，有时，这种致密颗粒出现在纤维层的基质中。表面外衣厚薄不均，成分也不清楚，可能来自滑液混合物、软骨细胞坏死的脂质碎片或关节代谢产物等。

关节表面有浅的、碗样凹陷和圆丘样的隆起。

有时，在凹陷的底部有小的圆丘或在圆丘上有窄的深沟。凹陷与圆丘常与年龄有关。年轻的关节软骨常有圆丘的增殖而没有凹陷，当关节软骨逐渐成熟就可见到圆丘、圆丘与凹陷、凹陷等几种形态并存。老年时则多见凹陷替代圆丘。圆丘和凹陷被认为是反映其下所存在的软骨细胞和陷窝。在单纯的光镜和电镜下，关节软骨表面看不到凹陷，因为在制片过程中脱去的水分被石蜡或树脂所替代。

卷曲:从骨上脱下的软骨表现出强大的卷曲趋势，它仅能部分地被化学固定物所抑制。这种卷曲可使软骨突起的表面减少，甚至变成凹陷。这种现象可归结为“软骨中连接力的释放”。众所周知，连接力存在于软骨之中，它们被胶原纤维的张力和蛋白多糖的膨胀力之间相互作用所控制。其次，切割软骨后，暴露的蛋白多糖可以吸收水分而发生膨胀，从而产生卷曲。在乙醇中脱水后导致胶原纤维收缩，也是卷曲的原因。

(5)关节软骨的功能

1)传导载荷:

胶原纤维有良好的抗拉伸强度和刚度。关节软骨基质中胶原纤维的拱形结构和薄壳结构大大增强纤维的抗拉伸强度及刚度，它们是传导载荷极重要的结构基础。当关节软骨负载时，胶原纤维的张力消失，纤维的拱形结构发生压缩变形，蛋白多糖分子与水大量移动。水分可向两侧移动，也可渗透到软骨表面并进入关节腔。蛋白多糖发生形变并因水分的丢失而浓度增高，使膨胀压增加至与外界压力相等。由于胶原纤维所具备的柔软性，拱形结构及蛋白多糖形态变化和水的移动、丢失最终导致关节软骨变形。此时，减耗外来的压力，并沿胶原纤维的方向将压力分散到软骨下骨。软骨变形使关节面的接触彼此适应并随负荷传导的增加，接触面逐步扩大，保持压强于可接受的低水平。卸载时，压力消失，胶原纤维呈现全部张力，液体回到软骨内，蛋白多糖的膨胀力受到抑制。上述负载和卸载过程既是载荷传导的过程又有“唧筒”作用，它能“挤出”软骨代谢的产物，并“吸入”滑液中的营养成分，为软骨提供营养和维持软骨细胞的外环境。被压出的水分又是关节的良好天然润滑剂。

细长的胶原纤维虽有良好的抗拉伸应力，但单个纤维没有承受压力的能力，含水的蛋白多糖有良好的抗压能力，而只能承受很小的拉伸力，软骨基质的胶原纤维和蛋白多糖有互补功能的作用。加之，黏稠的毛刷状的水化蛋白多糖分子围绕在胶原纤维并柔和地附于这一纤维网络的闭合系统中就能承受更大的压应力。从这意义上说，软骨传导载荷的功能是胶原纤维和蛋白多糖功能的协同表达。

2)吸收震荡:

蛋白多糖共聚体分子水平的变化与关节软骨的弹性有直接关系。蛋白多糖的亲水性很强，在水中有很大的溶解度。而且，蛋白多糖分子上有固定的负电荷存在，它可以吸附一层Na+、Ca2+正离子以中和负离子。相邻的蛋白多糖分子链上负离子相互排斥，使软骨基质保持一定的硬的伸展状态。蛋白多糖浓缩液体通过渗透作用达到稀释，有一种膨胀的趋势。胶原纤维的拱形结构将蛋白多糖围于其中，形成完整的闭合系统，阻止蛋白多糖的无限膨胀，因此，软骨基质有一约0.35mPa的渗透膨胀压(或称预压)。蛋白多糖多聚体与水溶液接触后会充分膨胀直到该溶液的体积为止。欲使已膨胀的体积变小需要相当大的力量。况且，一旦去掉或不能维持足够的力，多边多糖共聚体将重新膨胀到其所能得到液体的最大体积。这就表现出软骨的弹性。由于软骨具备上述弹性，它能中断并逐渐消除跑、跳时产生的冲击力。胶原纤维形成的线样或绳索样结构，绳索直径不同，交织成网或板层，都能有效地吸收振荡，吸收超宽范围的振动频率的能量。

3)润滑作用:

关节软骨作为骨的衬里材料表现出固定的润滑性能。它主要依靠平整光滑的表面以及在关节润滑机制中所起的作用，使正常关节的摩擦系数几乎等于零。

4)抗磨损:

两个面相对运动产生摩擦，摩擦使作用面产生界面磨损和(或)疲劳性磨损。关节软骨能保持一生不会磨损破坏，除了关节有良好的润滑以外，它本身的结构也极有利于抗磨。关节软骨的“薄壳结构”成为关节软骨的界面。关节软骨中Ⅱ型胶原增加了表层纤维的硬韧度，因而，薄壳结构类似皮肤保护体表一样，保护关节软骨抵抗各种应力的破坏及免受机械的磨损。当关节软骨损伤时，即使是十分微细的损伤，也会导致软骨渗透性的增加，液体从软骨面流失，加重软骨磨损，形成恶性循环。此外，载荷使软骨反复变形，造成软骨基质拱形结构断裂和蛋白多糖分布变化，产生疲劳性磨损。

3.滑膜的超微结构与功能

滑膜由滑膜内膜和滑膜下组织组成，根据滑膜下组织的不同，分为纤维性滑膜、间隙性滑膜和脂肪性滑膜(图1-3-16)。

(1)滑膜内膜

1)滑膜细胞:

呈圆形、多角形、卵圆形、梭形或上皮细胞样，表层的滑膜细胞呈极性朝向关节腔。超微结构上，滑膜细胞分为A型、B型两种。细胞核呈卵圆形，可有锯齿状的凹陷，核膜下极薄的纤维板层，在B型细胞中核仁较大。细胞质内线粒体的脊呈板层状，有中等电子密度的基质及致密颗粒。粗面内质网数量不等，A型细胞内粗面内质网极少，而B型细胞内粗面内质网非常丰富，其囊池膨胀，内含低电子密度的蛋白性物，也可见微丝结构。A型细胞有较丰富的Golgi复合体，扁平的膜囊常有液泡相伴，液泡内含透明质酸。滑膜细胞内多量的溶酶体说明其具有吞噬能力，被认为是Aschoff单核-吞噬细胞系统的关节疆界。胞质微丝的出现可能说明细胞的退变，以A型细胞内更多见。滑膜细胞内的糖原主要为a糖原。滑膜细胞没有真正的外膜，也无基底膜。细胞表面有长突起，称丝状伪足，以A型细胞更多些。正常滑膜细胞间无细胞连接，病理性增殖时可见桥粒样结构。

2)细胞间基质:

含有无定形物质、微丝及Ⅰ型和Ⅱ型胶原纤维。

3)A型、B型滑膜细胞的形态特征，功能及其互相转化:

A型滑膜细胞的超微结构特点:细胞表面有多量突起，细胞质内丰富的线粒体、Golgi复合体及液泡和溶酶体，粗面内质网不发达。A型细胞具有吞噬能力，是吞噬细胞。B型滑膜细胞的超微结构特点:细胞核染色质丰富、核仁明显，丰富的粗面内质网，Golgi复合体不发达，少量的液泡和溶酶体。B型滑膜细胞合成蛋白质，包括滑液中部分蛋白质、前胶原蛋白、胶原酶和糖蛋白(图1-3-17，图1-3-18)。

AB型滑膜细胞兼有A型和B型细胞的特点，是A型和B型细胞互相转化过程中的过渡细胞，又称中间型细胞。

(2)滑膜下组织:

不同关节或同一关节的不同部位，滑膜下组织可不同。纤维型滑膜下组织含成群的胶原纤维。网隙型滑膜下组织含少量的胶原纤维和丰富的纤维间基质。脂肪型滑膜下组织主要含脂肪细胞。滑膜下组织有丰富的血管和淋巴管，无神经末梢。

滑膜的功能:

1)分泌作用:滑膜分泌高度聚合的、高黏度的透明质酸。大多数透明质酸呈游离状或与蛋白质松散地结合，少数则牢固地结合成透明质酸蛋白质，在关节的润滑中起重要作用。

2)吞噬作用:通过胞饮液泡吞噬关节腔中的碎屑及血液循环中的特殊物质。

4.半月板的超微结构

人体的关节盘仅见于少数滑膜关节，在颞下颌关节、下尺桡关节、胸锁关节和肩锁关节内称盘状软骨，膝关节内称半月板(图1-3-19)。

半月板呈新月状、外侧厚而内侧较薄的楔形，灰白而有光泽，质韧而有轻度弹性。随年龄增加，半月板表面纤维化。半月板为纤维软骨，由软骨细胞及纤维性基质组成。基质胶原纤维束状、平行排列，软骨细胞成群位于纤维束的两侧、在半月板体部，胶原纤维呈束平行于其长径，而半月板前后角处纤维束呈环形及放射状走行，这种结构使半月板具备顺应性(图1-3-20)。

半月板表层带软骨细胞形如纤维细胞，圆形、卵圆形或多边形，细胞膜的凹陷表明代谢的旺盛。细胞质内富含粗面内质网、线粒体、Golgj复合体等合成蛋白质的膜结构和糖原，细胞周围有透明区带(图1-3-20)。此类细胞类同关节软骨的中层细胞。在半月板损伤修复时可见纤维细胞及肌纤维母细胞，后者呈长带状或分支状，以丰富的粗面内质网及肌微丝为特点。如同关节软骨，半月板的基质也包括疆界基质和一般性基质两部分，后者纤维呈束排列，胶原纤维较成熟，可见横带周期。

在扫描电镜下，半月板表面由峰和沟交错而成。年轻的半月板表面的起伏主要由峰构成，老年则为沟，反映出成人表层软骨细胞数量减少和基质理化性质的改变(图1-3-21)。

半月板的主要功能为传导载荷，维持关节稳定，吸收震荡，润滑关节，减少接触应力。它的形态学基础如下:

(1)大体结构:半月板为楔形结构，由于其楔形填充，使一个完全不吻合曲面的膝关节增加了接触面和稳定性。凹陷而光滑的半月板股骨面易存留滑液而有利于关节润滑。半月板是8字韧带的组成部分，在膝关节稳定上起一定的作用。

(2)超微结构:半月板基质的胶原纤维有很强的抗拉伸应力，尤以平行排列的纤维束为显著。基质的蛋白多糖有很强的抗压应力，它所具有的良好吸水性使其成为水化蛋白多糖分子，能扩展自己的体积到尽可能的范围，从而维持纤维的网架。胶原纤维和蛋白多糖相互结合使半月板具有良好的传递载荷及其他一些功能。半月板表层纤维束平行于半月板的表面，使半月板具有光滑而耐磨的特性，半月板前后角放射状走形的纤维束又使其具有延展性，即半月板的顺应性，在承受应力时半月板得以缓缓延展，膝关节则由完全不吻合曲面变成轻度不吻合曲面，是一种最佳的载荷传递过程(图1-3-22)。

5.韧带的超微结构

韧带分布在关节周围，它是一种被动结构，自身不产生主动运动。韧带都有稳定关节和防止关节过度运动的作用。少数韧带约束肌腱而不作用于关节。韧带为规则致密胶原结缔组织，富含胶原纤维、少量基质及特化的腱细胞，此外，还有少量弹性纤维和网状纤维。胶原纤维明显顺长轴平行排列，依次形成纤维亚束、纤维大束及韧带。腱细胞是一种特化的成纤维细胞，由于密集的纤维束挤压，细胞质呈薄翼状的突起并包绕纤维束。细胞的超微结构类同活跃的成纤维细胞，并有成簇的微丝和微管维持细胞突起(图1-3-23，图1-3-24)。

包绕韧带的疏松结缔组织中的成纤维细胞具有很强的再生能力，可修复受损的韧带。韧带中的胶原纤维使韧带具有一定的刚度和强度，弹性纤维有很好的延展性，网状纤维提供胶原组织的容积，基质提供容积并减少纤维间的摩擦。由于纤维成分的不同，不同的韧带具有不同的力学性能，也因纤维排列方向、大小尺寸及截面积的不同而有不同的功能。

韧带除被动地限制关节超出生理范围的活动外，还通过其末梢感受器，发生对张力反射作用，经中枢而组成肌肉拮抗，加强关节的稳定。

骨组织的生理活动

在骨骼的胚胎发育完成后，骨组织的生理活动主要体现在三个方面:生长、塑形和重建。

(一)骨的生长

儿童和青少年骨骼的生长主要发生在生长板区域，类似胚胎发育时的软骨内化骨过程。生长板软骨有机地分为四个细胞区:静止区、增殖区、肥大区和矿化区，分别代表了软骨细胞生命周期的4个阶段，软骨细胞通过这4个阶段实现骨化，最终导致长骨的生长。

(二)骨的塑形

是指在生长过程中骨形态的再造，是骨适应承载的需要，显著改变骨外形和结构的过程，一般由于骨内膜面的吸收和外膜面新骨的沉积所致。典型的骨塑形过程包括:

1.管状骨骨干的增粗。

2.干骺端的塑形 指在生长过程中，原本较宽的干骺端演变成较窄骨干的过程。

3.头顶骨的变厚、表面积增加和曲度减少。

骨塑形和以下要介绍的骨重建都涉及成骨细胞和破骨细胞的活动，但是表现形式有所不同(表1-3-1)。塑形往往是在不同表面上发生的骨吸收和骨形成过程，而重建是在同一个表面上发生的、具有循环周期的骨吸收和骨形成(图1-3-25)。

(三)骨重建

一个典型的骨重建周期可分为5个阶段:静止期、激活期、吸收期、反转期和形成期。在成年人，完成这样一个骨重建周期的时间为4～6个月。静止的骨表面覆盖一层扁平的衬细胞，衬细胞下有一层薄的未矿化的胶原基质。启动骨重建的过程称为激活。在激素、细胞因子等作用下，衬细胞被激活，变为圆形，并分泌胶原酶，消化其下的胶原基质，暴露骨表面。激活的细胞还产生核因子——κB受体活化子配体，与前破骨细胞表面的受体结合，导致其融合并成熟，开始进入吸收阶段。在吸收过程中，一些生长因子被释放，如转化生长因子、胰岛素样生长因子、成纤维细胞生长因子，这些生长因子可能与破骨细胞与成骨细胞的偶联有关。吸收到最大侵蚀深度后，反转阶段开始，成骨细胞聚集在吸收陷窝的底部。然后成骨细胞开始形成类骨质，并最终矿化。

在分析骨重建周期和进行组织形态计量时，常使用基本多细胞单位和基本骨结构单位这两个名词。基本多细胞单位是由破骨细胞、成骨细胞、骨细胞和衬细胞组成的一个骨重建单位，主要表现为成骨细胞活动和破骨细胞活动的偶联过程。而基本骨结构单位是骨重建过程结束后静止的骨单位，在皮质骨，就是哈佛系统;在松质骨，表现为骨壁或称骨板。所有成人代谢性骨病都表现为骨重建失衡及其导致的基本多细胞单位和基本骨结构单位的紊乱。

(四)骨量丢失和骨质疏松(图1-3-26)

随着骨生长发育的完成，人的骨量在约30岁时达到顶峰，以后骨量开始逐渐下降。对某些个体而言，骨量会发生急剧的丢失，这种情况尤其好发于绝经期后的妇女(绝经期后骨质疏松)，是由于激素水平的变化，特别是雌激素的下降所导致。急剧的骨量丢失也可发生在活动丧失后，如长期的卧床或太空飞行。在此种情况下，骨量丢失是由于骨骼适应下降的力学负荷。骨量下降将导致骨强度降低，从而使骨折发生几率增加(图1-3-27)。

除骨量外，骨结构对骨强度也有重要影响。骨丢失在引起骨量下降的同时，还使骨结构受到破坏。两种情况可造成骨丢失，一是激活频率的增加，一是骨重建的负平衡。激活频率的增加导致骨转换加快，在骨表面上出现更多的骨重建单位。实际上这两种情况常同时存在。在松质骨，激活频率的增加，特别是伴有侵蚀深度的增加，会导致骨小梁穿孔和小梁连接性降低。由于骨形成下降造成的骨重建负平衡则会使小梁逐渐变薄，最终也会造成骨小梁的穿孔。从力学角度分析，在骨量相当的情况下，穿孔比不穿孔对力学强度的影响更大。在皮质骨，骨丢失主要表现为孔隙率的增加或厚度的降低，内膜面吸收的增加还会导致骨皮质松质骨化。

(五)骨的显微损伤

显微损伤可发生于皮质骨和松质骨，是在光镜下可以观察到的基质破坏，在碱性品红染色的切片上表现为不同形态的裂纹。正常情况下，骨可以依靠自身的重建过程修复骨的显微损伤，但年龄的增长、骨质疏松状态、药物对骨改建的抑制、疲劳等因素均可导致显微裂纹的积累，引起骨硬度下降和脆性增加，骨折的风险增大。显微损伤可以激活骨的重建过程，包埋在骨基质中的骨细胞可能在其中发挥重要作用，通过在骨小管中的细胞突起感知损伤信号并最终启动骨重建过程。裘世静等的研究发现骨细胞的减少和显微损伤的积累之间存在一定的相关性。

第四节　骨钙磷代谢与骨生理　Calcium and Phosphorus Metabolism of Bone

北京大学第三医院　马庆军

一般认为，骨的无机成分中有20多种无机盐，占体重的4%～5%，其中钙、磷、钾、钠、氯、镁含量较高，钙、磷与骨的关系最密切。成人骨灰中，钙约占38%，磷占19%，镁占0.7%。从全身的无机盐来计算，骨含有全身钙量的99%，含有90%的磷。

人体内的钙、磷、镁

(一)钙

钙是生命所不可缺的重要元素。钙在人体内的含量仅次于氧、碳、氢和氮，居第5位，约占人体重的2%。按体重60kg计，则人体内有1.2kg钙，仅1/ 1000，约1.2g钙在细胞外液中，其中血浆含钙300～500mg，组织间液含钙650～700mg，细胞内含极少量的钙;其余的钙储存在骨内。正常成人体内钙的存在形式:在骨中是以骨盐的形式存在，主要是羟基磷灰石及部分无定形磷酸钙沉淀;在体液和软组织中则为溶解状态的体液钙，包括不扩散钙和可扩散钙，前者指与蛋白质结合的钙，不能通过毛细血管壁，后者指游离钙，可通过毛细血管壁。

钙离子是体内钙具有生理活性的部分，它参与血液凝固，维持神经肌肉的兴奋性，也是黏蛋白、黏多糖的组成部分，并参与许多酶的构成，神经功能对钙离子特别敏感，钙离子浓度过高，则神经兴奋性减弱;过低则增高。在临床上，钙离子浓度升高则表现为肌肉松弛、无力、意识淡漠和昏迷;钙离子浓度过低，则兴奋性升高，引起手足搐搦、抽搐和肌肉痉挛。

人体钙的需要量，依年龄、性别、生理状态等而异。儿童处生长发育期，对钙的需求量大，每日钙的最低需求为250～900mg;成人每日钙的需求量按6mg/kg体重计算，实际需求量要大于此值;女性妊娠及哺乳期钙需求量更大，妊娠一个胎儿需要母体付出20～60g钙，每100ml乳汁含钙量30mg左右，所以妊娠及哺乳期每日需要钙1500～2000mg;老年人肠上皮老化，肾脏1α-羟化酶活性降低，使肠钙吸收减少;女性绝经后雌激素水平降低，骨吸收增加，使钙呈负平衡，从这些方面考虑，也需要补钙。

(二)磷

磷在人体内的元素中占第6位。一般而言，体内含磷600g，总量占体重的1%，其中4/5以羟基磷灰石的形式存在于骨和牙齿中，其余在软组织中。人体内四大生物分子，即核酸、蛋白、多糖和类脂几乎都含有磷。磷是辅酶和核酸的主要成分，磷不仅参与神经传导、肌肉收缩、能量转运过程，而且与遗传、发育密切相关。骨中的磷，大部分结合牢固，小部分不稳定，与血中的磷酸离子平衡，此外，一小部分存在于体液与细胞内。磷的生理需要量约为12mg/(kg·d)，妊娠与哺乳期需要量稍大一些。乳制品中，牛乳中磷含量是人乳的2倍，人工喂养的婴儿由于磷摄入量高，易患低钙性手足搐搦。肉类、鸡蛋、果核、谷类、面粉及大米都含有少量磷，我国膳食以谷类为主，磷含量偏高，当膳食中钙∶磷比例在2∶1左右，最适于钙、磷吸收。

(三)镁

成人体内约含镁25g，其中2/3在骨骼中，1/3在软组织中。镁在细胞内的量占体内总量的38%，细胞外液的镁约1%，血浆中的镁有三种形式，即蛋白结合镁、阴离子复合镁和游离镁，它们分别占33%、6%和61%。

骨中的镁主要位于羟基磷灰石晶体的表面，它不是此晶体结构的密不可分的部分，骨中的一小部分镁可以和细胞外液自由交换。镁是细胞内最丰富的二价阳离子，参与调节神经肌肉的兴奋性，镁作为重要的辅助因子，可催化或激活体内300多种酶。

有研究认为人体镁的生理需要量为6～10mg/(kg·d)，在此范围内才能维持平衡。我国成人每日镁摄入量约270mg，即5mg/(kg·d)。对于合成代谢旺盛和处于紧张状态者，镁的摄入应增加2倍。

钙、磷、镁的吸收与排泄

(一)钙

钙的主要来源是乳制品，人乳含钙约0.3mg/ ml，牛乳含钙1.25mg/ml，其他食品中含钙量较多的分别为海带1177mg/100g、芝麻564mg/100g、黄豆367mg/100g。多数食物中的钙是以结合或化合物形式存在，并不能在肠道吸收，只有经过消化过程，变为离子形式的钙才能被吸收。

钙的吸收主要在小肠上段，成人每天从食物中吸收300～400mg钙，只有离子形式的钙才能吸收，肠道pH对钙的解离状态有影响，pH越低则钙的解离度越大，吸收率越高。小肠中钙吸收率依次为十二指肠＞空肠＞回肠。肠道中的氨基酸、乳酸可促进钙的吸收。动物性食品中的钙较易吸收，而植物性食品中的某些成分，如草酸等，与钙结合成不溶性钙盐，不利于钙吸收。肠蠕动过快，如腹泻，则不利于营养物质包括钙的吸收。脂肪吸收障碍也不利于钙的吸收。1，25-(OH)2D3可促进小肠对钙的吸收。食品中的钙吸收，儿童为40%左右，成年人还要低些，老年人更低，因为老年人对钙吸收不良，为维持血钙水平，则骨钙释放增加，引起骨质疏松。

肠钙吸收正常情况下是一种继发性主动转运过程，即逆浓度梯度和逆电化学梯度的主动吸收为主此过程需消耗能量，也依赖VitD及其代谢产物1，25-(OH)2D3，此外，肠钙吸收的方式还有依赖浓度梯度的被动弥散吸收过程。当肠腔内钙浓度较高时，被动弥散过程占主要地位;若肠腔内钙浓度较低时，钙的主动转运过程占主要地位;钙的主动转运过程，是由小肠黏膜中的杯状细胞和刷状缘区的吸收细胞上的钙结合蛋白来完成。CaBP依赖1，25-(OH)2D3而完成。每个CaBP有4个与钙结合的部位，其钙结合能力为2×106/mol，CaBP的量与钙的吸收量正相关。影响肠钙吸收的因素中除了VitD及其代谢产物外，还有甲状旁腺激素和降钙素等。

正常情况下每天从体内排出钙约600mg，其中80%由大便排出，20%由尿排出，仅少量从汗液中排出。肾小球每天滤出约10g钙，其中99%被肾小管重吸收，仅1%从尿中排出，所以，肾脏是钙转运的重要器官，其主要过程包括肾小球滤过和肾小管的重吸收两个过程，肾小球滤过液中的钙浓度约为血浆钙的60%，含有离子钙和复合钙，不含蛋白结合钙，滤过的钙约有一半以上在近曲小管被吸收，是被动重吸收过程，也有主动钙转运。在远曲小管和集合管，钙的重吸收为主动转运过程，是肾钙转运的重要调节部位，且受多种激素和因素的影响。尿钙的多少与肾小球的滤过和重吸收密切相关，钙的滤过负荷增加，超过肾小管重吸收能力，多余的钙就从尿中排出。调节肾钙重吸收的主要有甲状旁腺激素、降钙素、维生素D及其代谢产物，以及肾上腺类固醇激素及其他的有关激素。

(二)磷

磷存在于所有天然食品中，一般情况下不存在缺磷的问题，合理膳食中的磷含量一般都能满足人体的需要，营养性缺磷是少见的。人日平均磷的摄入量为1.0～1.5g，最低需要量为每日0.8g。食物中磷存在的形式与磷的需要量的关系不密切，不论是有机磷和无机磷，均能在小肠被吸收，以十二指肠的吸收能力最强，其次是空肠和回肠。

食物中的磷以磷脂、磷蛋白的形式存在，在肠黏膜细胞表面磷酸酶作用下，水解成无机磷酸阴离子才能吸收，小肠中磷的吸收转运是逆电化学梯度的主动转运过程，需要消耗能量，是依赖Na+梯度的饱和转运过程。当pH从7.4降至6.0时，磷摄入的起始速率增加。磷易于转运的形式是H2PO4－，不是HPO42－，pH偏低利于H2PO4－的形成。当Na+缺乏时，磷吸收的速率相对缓慢，吸收的速率与磷的浓度呈线性关系，不出现饱和过程，这表明磷在肠道的转运，除主动转运外，还存在被动扩散的过程。

磷的主要排出途径是肾脏排泄，占排磷总量的60%～70%，其余30%～40%由大便排出。肾小球每日滤过磷约5g，其中85%～95%在肾小球被重吸收。磷在肾的转运，包括肾小球滤过和肾小管重吸收这两个密切相关的过程。影响磷代谢的因素与钙大致相同，即甲状旁腺素、维生素D及其代谢产物，以及降钙素等。

(三)镁

健康成人每日平均摄入镁约300mg，其中30%～40%被吸收。体内镁的吸收主要在小肠，其吸收方式有两种，即被动扩散过程和易化扩散过程。影响镁吸收的肠道因素中，当pH偏低、饮食中蛋白质多、水摄入多时，肠镁吸收增加。

镁的排出途径，粪便排出占摄入量的60%～70%，其余部分由肾脏排出，当摄入镁减少时，尿镁排出也减少;摄入镁增加时，尿镁排出也增加。肾脏对镁的排泄及血镁稳定也起关键作用，镁在肾小管的重吸收主要位于享氏袢升支，肾小球滤过镁的90%可以被重吸收。体内一些激素对血镁的调节起作用，其中以甲状旁腺激素最为重要，切除甲状旁腺可引起低镁血症。镁缺乏又与甲状旁腺功能低下和低钙血症有关。由镁缺乏造成的低钙血症可以通过补充镁而纠正。

钙、磷、镁的代谢过程

钙、磷、镁由小肠吸收，主要由肾脏排泄。体内的这三种矿物质分布于骨内、血液、细胞内液和细胞外液之中，它们之间是怎样流通及怎样保持平衡，是需要深入了解的，从一般意义上看，这些矿物质是构成生命物质的最基本要素，本文述及的仅仅是与骨矿物质相关的那部分。

(一)骨中的钙、磷、镁

骨内含有全身99%的钙、90%的磷以及2/3以上的镁，这些物质保持着骨的力学强度，同时作为储存库，维持着体内矿物质平衡。钙、磷在骨内的结构形式，目前多认为与羟基磷灰石非常相似，其分子式通常用Ca10(PO4)6(OH)2来表达。根据某些研究，它可能为8钙磷酸盐。X线衍射研究证明，人工合成的羟基磷灰石，其衍射类型、分子大小等和骨中的相似。羟基磷灰石结晶体大小不一，为(2.5～5nm)×40nm×(20～35nm)，结晶长轴与胶原纤维同向。骨中另一部分为非结晶体，可能为CaHPO4·2H2O或Ca3(PO4)22H2O。骨中的钙约0.065%可提供快速交换，而快速交换的部位在细胞周围的骨液。

羟基磷灰石结晶体表面被一层水浸泡，称为水化壳或水化层，水化层中的钙及磷酸离子，以及其他离子参与快速交换过程。骨内的CaHPO4具有较好的可溶性，它的离解度大于107，其离子可吸附于骨，也可参与细胞液的钙离子循环。骨中的镁位于羟基磷灰石晶体的表面，镁不是此晶体结构的最紧密部分，其中一部分镁可与细胞外液自由交换。

从化学角度观察分析，骨中的元素并不复杂，但是，从矿化过程看，又不是这些元素的一般沉淀过程，而是缓慢、有序的结晶生长过程。将骨中的主要无机成分称为骨盐是合理的，但从动态观点来看，骨盐是一个立体的结晶网格，其主要成分是钙、磷等，网格的外面与水化壳内的钙和其他矿物质成分处于平衡状态，水化壳又与骨液处于平衡状态。

(二)钙、磷、镁的生理过程

1.钙

细胞的正常功能，要求细胞内钙水平在107以内，如果超过7，钙及HPO4将沉注在细胞内。钙与许多有机物，特别是蛋白质相结合以增强和调节细胞膜通透性。细胞内维持正常的pH也有重要作用。细胞外液中钙离子浓度为1.5×103，因此，细胞内、外液中钙离子浓度差别很大，这主要是由于细胞膜上有严格控制钙离子进出细胞的调节蛋白;细胞内有些蛋白质与钙有高亲和性，目前被重视的是钙调节蛋白或调钙素，有人认为是钙的受体，其作用是调节钙进入许多细胞内的酶靶器官，从而使钙离子发挥作用。

目前认为，线粒体可以控制细胞内钙离子正常水平。细胞膜上的钙泵可对抗细胞内、外钙离子浓度梯度，将细胞内钙驱出，但是，能迅速降低胞质钙水平的是线粒体。肠黏膜及肾小管吸收的钙离子都经过细胞的传输，它们迅速地进入细胞，又迅速地被驱出细胞，以保证细胞不受损害。细胞膜的通透性、线粒体、内质网、细胞膜上的钙泵等调控这一过程。具体过程的每一步都很复杂。当高钙血症或低钙血症时，细胞内、外的钙平衡就可能改变，引起细胞损害。然而，可能并不直接影响血浆钙水平。血浆钙离子水平的维持主要取决于小肠及肾小管的吸收，以及骨液中钙离子的进出。血浆钙与骨液中的交换每20分钟1次。

2.磷

成人体内约含600g磷，85%的磷是在骨中形成羟基磷灰石以晶体形式存在，并对保持结构起作用，约15%存在于细胞外液，主要是以无机磷形式存在。在软组织中主要以磷脂形式存在。成年人在稳定状态下经肾排泄的磷相当于肠磷吸收的总量。血浆和细胞外液的无机磷含量，成人大约为15mmol/L。细胞外液存在反馈调节机制，是否与钙的调节相同还需进一步研究。血浆磷浓度约1.2mmol/L。研究表明，磷大量的出入肝、肌肉和骨，但是这些器官与组织对血磷的影响是短暂的，而长期影响血磷的以肾脏最为重要。细胞内磷脂和磷酸化中间产物与很多重要的生物化学过程有关，包括细胞能量的产生与传输等。

3.镁

体内的镁含量很少，成人约25g，其中2/3在骨质，1/3在软组织中。镁是体内最丰富的细胞内二价阳离子。镁在体内可催化或激活300多种酶，完成体内多种代谢，镁是能量转运、储存和利用的关键元素，对调节神经肌肉兴奋性也起重要作用。骨中的镁不是羟基磷灰石晶体的主要组成部分，它位于晶体表面，和骨液自由交换，对合成晶体的羟基磷灰石的研究表明，当Mg2+/Ca2+的摩尔比大约0.2时，镁可阻止非结晶钙磷酸盐变成羟基磷灰石，生理范围内的镁不影响羟基磷灰石形成。钙化环境中的Mg2+/Ca2+比增加可抑制钙化。在基质囊泡中，Mg2+防止钙-磷脂-磷复合物的聚集。Mg2+抑制Gla蛋白与羟基磷灰石的结合。

在整个生命过程中，骨组织不断地发生骨吸收和骨形成，在维持体内钙、磷、镁的稳定中起关键性作用。内源性的一些激素，如甲状旁腺素、降钙素以及VitD的代谢产物1，25-(OH)2D3。等，其主要用是维持血浆钙水平的恒定，因此，它们也对骨产生一定作用。骨是钙、磷的主要储存库，骨细胞，特别是骨表面的衬细胞，实现并控制着骨与细胞外液间的钙平衡。浸泡骨基质的骨液中，其离子成分和细胞外液、血浆不同，它含很高的钾离子和较低的钙离子(0.5×103)。覆盖于骨表面的衬细胞，成为骨液和细胞外液之间的界面，它像钙泵一样，使这两部分的离子通过它进行交换。

骨内的钙离子、肠道吸收的钙离子，以及肾小管重吸收的钙离子，通过细胞传输到细胞外液中。肠道钙的来源与摄入有关，也与影响肠钙吸收的多种因素有关，吸收的量可多也可少。肾小管重吸收的钙不可能超过肾小球渗出的钙;而骨来源的钙则没有限制，骨钙通过两种方式进入细胞外液，骨液中的钙离子通过骨细胞传输入细胞外液，骨液中的钙离子与骨基质中的结晶、非结晶体的钙呈物理化学平衡，它可以作为快速调节细胞液中钙离子浓度的可靠场所。当骨液的钙也不能满足需要时，例如长期低钙摄入，则引起破骨细胞性骨吸收增加，以满足机体内环境中钙的需要，上述过程的不同环节受到许多因素调节，包括饮食含钙量、消化吸收状况、甲状旁腺激素、降钙素、VitD代谢产物、蛋白质代谢等。

骨的矿物质平衡的调节

骨的矿物质平衡的调节可归纳为三种矿物质(钙、磷、镁)的细胞内、细胞外水平的调控，它与三种亲骨性内分泌激素(甲状旁腺素、降钙素、1，25-(OH)2D3有关，作用于三种靶器官(骨、肾、肠)。这一骨矿物质平衡的描述框架可从整体上反映实际情况。其他因素也可涉及: pH水平、钠、钾、氯、碳酸盐和硫等，也影响细胞对钙、磷、镁的摄取。还有一些激素，如催乳激素、糖皮质激素、生长激素、胰岛素、转化生长因子等，在调节骨矿水平中起到重要作用。另外，在骨、肾、肠以外的其他组织，作为亲钙性激素的靶器官，在骨矿物质平衡中也起作用，本节主要是叙述甲状旁腺素(PTH)，降钙素(CT)和1，25-(OH)2D3的作用及相互关系。

(一)甲状旁腺素、降钙素、1，25-(OH)2D3的一般知识

1.甲状旁腺素(PTH)　PTH是由甲状旁腺的主细胞合成与分泌的多肽类激素。首先合成的是含115个氨基酸残基的PTH前体，在细胞内去掉25个氨基酸残基的信号肽，再去掉N端的一个6肽，最终形成含有84个氨基酸的PTH，分子量9500，血中钙离子水平与PTH水平呈负相关，高钙血症抑制PTH的合成与释放，低钙血症则促进PTH的合成与分泌。

PTH的靶器官是骨和肾脏，PTH通过靶器官表面的特异性受体使细胞内cAMP水平发生变化，激活一系列生理生化反应，使血钙浓度升高，血钙浓度的升高又通过反馈方式作用于甲状旁腺，使PTH分泌减少，如此，使血钙浓度维持在一个狭小的范围内，保持机体内环境中钙的平衡。

人的PTH基因定位于11号染色体短臂上，与降钙素基因相毗邻，不同种属的PTH高度同源。在人的血液循环中，具有生物活性的是PTH1-84和PTH的N端片段。PTH基因经过转录、翻译等一系列生物反应后成为有活性的PTH(含84个氨基酸残基)，储存在胞质内，其储存量可以最大分泌速度持续1.5。在生理情况下，PTH分泌有一定规律，分泌高峰在早上6点至下午4点。PTH分泌主要受血钙浓度调节; PTH在血液循环中的半衰期约为2分钟，分泌的PTH能到达靶器官受体的不到1%，这一特点使PTH浓度的保持依赖于其分泌速度。PTH的受体属于G蛋白耦联受体超家族成员，其发挥作用时，首先与骨和肾靶细胞特异的膜结合受体结合，通过增加细胞内cAMP发挥作用。

PTH具有促进骨吸收和骨形成双重作用:体、内外研究认为，其促进骨吸收的作用途径，主要是增加破骨细胞的活性和数量，表现在以下几个方面:

1)激活破骨细胞，成熟的破骨细胞对PTH没有反应，当有成骨细胞参与时，破骨细胞表现出对PTH的反应及骨吸收能力。

2)可直接刺激破骨前体细胞，增加成熟破骨细胞的数量。

3)也可间接通过成骨细胞或基质细胞的某些因子促进破骨细胞的增殖与分化。

4)PTH抑制成骨细胞分化和成熟，抑制Ⅰ型胶原和骨基质蛋白的合成。

在体内，适当浓度的PTH也促进骨形成，主要是通过破骨吸收过程中释放出一些生长因子(如IGF-1、IGF-2、TGF-βG); PTH也可刺激成骨细胞产生IGF-1，这些生长因子促进成骨细胞的成熟，刺激成骨细胞的活性，产生骨形成作用。因此，PTH有促进骨吸收和骨形成的作用。简言之，在高浓度PTH时，破骨细胞的活性超过成骨细胞活性，使骨吸收大于骨形成;在低浓度PTH时，则成骨细胞活性超过破骨细胞，使骨形成大于骨吸收，这一特征，也是近年来将PTH用于治疗骨质疏松症的理论基础。

PTH通过靶细胞上的PTH受体使细胞内cAMP产生变化而起作用，这一过程依赖活性VitD协助，如果1，25-(OH)2D3缺乏，即使有大量PTH，骨吸收能力和骨形成能力均下降。骨组织对PTH的反应有两种形式:

1)快速作用:即全身应用PTH后在1小时内就使血清Ca2+升高，此为骨细胞性骨溶解作用。

2)慢速作用:即骨细胞的功能恢复后，破骨细胞的活性和数量增加，引起骨吸收，这些现象在静脉使用PTH后半小时就可发生，1～24小时最明显。

PTH对肾的作用:

1)对Ca2+的重吸收的促进作用:肾小球滤液中的钙几乎全被重吸收，其中2/3在近曲小管通过被动形式的重吸收完成。PTH对近曲小管没有作用;其余的在升支和远曲小管被重吸收，并受到PTH调节。

2)抑制磷的重吸收:生理状况下，肾小球滤过的磷，约80%在近曲小管重吸收，约10%由尿排出。PTH抑制肾近曲小管、远曲小管中磷的重吸收，使尿磷增加，血清无机磷下降。同时PTH轻度抑制近曲小管对Na+、K+、Mg2+、HCO3－等的重吸收。

3)PTH激活肾脏1α-羟化酶，使25-(OH)2D3转化为1，25-(OH)2D3以增加肠道对钙的吸收。

2.降钙素 降钙素由甲状腺滤泡旁细胞(或称为C细胞)分泌，是由32个氨基酸组成的肽素激素。1961年加拿大生理学家Copp等首先发现有一种降低血钙的激素并命名降钙素，1963年Hirsch证实降钙素为甲状腺所分泌。降钙素的化学结构及人工合成等早已解决，按照其结构及功能，有三大类降钙素，即灵长类与啮齿类;偶蹄类(如猪、牛、狗、羊等);硬骨鱼类(如鲑鱼、鳗鱼)和禽类。它们均由32个氨基酸残基构成，但是氨基酸测序发现不同种属来源的CT是有区别的;鲑鱼降钙素的生物活性比人类降钙素高50倍左右。生理条件下降钙素也在不断分泌，只不过人类血中降钙素含量甚低，如果从进化层次上分析，各种动物分泌降钙素的能力依次为海洋动物＞两栖动物＞陆地动物＞哺乳动物＞人类，进化程度越低，分泌功能越强，而对人类则是一种退化性激素，分泌的量少，活性程度也低。降钙素通过降钙素受体起作用，降钙素受体主要存在于骨、肾、脑等组织，而以破骨细胞膜最多，Nicholson等(Endocrinology，1987，120: 1902-1908)发现破骨细胞和其前体细胞上有降钙素的特异性结合位点，后来的研究表明，降钙素受体有数种亚型。降钙素与其受体结合后，通过细胞内cAMP和PKA两种途径起作用。

降钙素分泌受血钙水平调节，它与PTH共同参与钙代谢，但是二者对血钙的调节作用是相反的。生理况下，降钙素的作用并不甚重要，例如，切除甲状腺对钙代谢并无多大影响。研究表明，当血钙水平达2.37mmol/L时，降钙素开始分泌，随着血钙浓度升高，降钙素分泌增加，从而降低血钙，其作用过程快速而短暂。

降钙素对骨的作用:主要是抑制骨吸收，是通过降低破骨细胞的活性和减少破骨细胞的数量来实现的。破骨细胞在降钙素作用下数分钟内抑制细胞代谢，它与骨基质表面接触的刷状缘皱缩，使破骨细胞的溶骨作用受到抑制。实验证明，给予降钙素后15分钟就可使破骨细胞数量减少与活性降低。降钙素也调节成骨细胞活性，增加成骨细胞碱性磷酸酶活性，促进骨形成和矿化。由于降钙素使骨钙释出减少，又从血浆中摄取钙，使血钙浓度降低，使骨形成增加，这些作用不依赖于PTH和VitD，降钙素抑制骨吸收时存在一种逃逸现象”，即抑制骨吸收有一过性，随时间延长，则抑制作用减弱，骨吸收作用重新出现并且有所增强。临床上用降钙素治疗畸形性骨炎、癌症骨转移、骨质疏松等，有时也发现短期内用降钙素效果明显，长期观察效果欠佳。对于逃逸现象”的原因，一种解释是破骨细胞对降钙素受体的下降以及新补充的破骨细胞可能缺乏降钙素受体。

降钙素对肾的作用:肾脏存在降钙素特异性受体，降钙素与受体结合，激活腺苷酸环化酶。肾是降解降钙素的主要部位，生理浓度的降钙素对肾脏作用不大。降钙素降低血磷的作用与肾脏有关，降低血钙的作用与肾脏无关。降钙素可促进利尿，增加钾、钠、镁、氯化物排出，减少肾小管对钙、磷的重吸收，促进尿磷的分泌。总之，降钙素的基本生理作用是降低血钙和血磷。

3.1，25-(OH)2D3维生素D治疗佝偻病已有400多年的认识，直到1968年Blunt等提出维生素D的生物活性形式及甾体类激素的概念。后来研究证明，1，25-(OH)2D3是维生素D的活性代谢产物，它与PTH、降钙素被称为钙调节激素，1974年发现活化型维生素的受体，这些重要的发现深化了对骨代谢及调节的认识。

内源性维生素D3是人体维生素D的主要来源，紫外线参与维生素D的代谢，维生素D通过淋巴管进入血液循环，与a1球蛋白结合，转运到肝脏，在肝细胞的25-羟化酶作用下，转变为25-(OH)D3，然后转运到肾皮质，再羟化为1，25-(OH)2D3，此为活性最强的维生素D代谢产物，其半衰期5～8小时，它促进小肠对钙、磷的吸收，协同PTH动员骨中的钙、磷贮存，维持体内钙、磷平衡。维生素D作为一种激素，它的靶组织和靶细胞在体内分布广泛，包括骨与软骨组织(骨细胞和软骨细胞)、腺体组织(如腮腺、胰腺、甲状腺、胃内分泌细胞、垂体的TSH细胞等)、泌尿生殖系统(如肾脏、乳腺、子宫、卵巢、睾丸等)、神经系统(如下丘脑、延髓等)，还有黏膜和免疫系统的一些细胞等。

维生素D有广泛的作用，与骨代谢关系密切的有以下几方面:

1)维生素D促进小肠吸收钙、磷，是通过1，25-(OH)2D3来实现的，例如，1，25-(OH)2D3可诱导小肠上皮合成钙结合蛋白，一个CaBP分子可结合4个钙离子。

2)维生素D可促进肾小管对钙、磷的重吸收，减少尿钙与尿磷，升高血钙和血磷，有促进骨形成的作用;也有人认为，肾小管对磷的重吸收是通过PTH被抑制的间接作用而实现的。

3)对骨骼的作用是双向的，对骨吸收与骨形成均有作用:维生素D与PTH协同促进破骨细胞的溶骨作用，并促进肠钙吸收。1，25-(OH)2D3可使破骨细胞的活性和数量增加，增加破骨细胞酸性磷酸酶合成能力，使骨吸收增加。1，25-(OH)2D3也可直接刺激成骨细胞，促使血液和骨中的枸橼酸与钙螯合成复合物，有利于钙盐沉积，并促成骨细胞分化和蛋白质合成，促进成骨;缺乏维生素D的佝偻病患儿，表现为成骨细胞仍能合成骨基质和胶原纤维，但是不能矿化，积聚大量未矿化的类骨质。

(二)三种亲骨性内分泌激素在组织水平的协调作用

钙、磷从小肠吸收后进入血液循环，自肾脏和消化道排出，按生理需要，有一部分储存在骨中。为了保持平衡，在小肠中的钙、磷的净吸收，必须通过肾的净排出来达到平衡。消化道对这些矿物质的吸收不是一个连续的过程，而是依赖于饮食摄取。在饮食中给予一定量的钙、磷、镁的情况下，吸收的效率是可变的，并不是饮食中的量多，就吸收的多。这些矿物质在肾小球的滤过是相对持续的，所以肾脏必须按照机体需要来调节这些离子的重吸收，体现了这些矿物质重吸收时受到调节的有效性。骨作为主要的缓冲空间，来保持血中矿物质浓度的正常水平，是由骨形成(使矿物质沉积在骨中)和骨吸收(从骨中释放出矿物质到血中)的平衡来实现的。不同的激素，通过不同的机制而作用于不同的组织器官，使这一功能得到很好的协调，以适应机体生长期中不断增长的矿物质需求，到中年时期矿物质需求相对稳定，但是，到老年时期，则矿物质缓慢丢失。

血中钙离子水平与PTH水平呈负相关，高钙血症抑制PTH的合成与释放，低钙血症促进PTH的合成与分泌。

1，25-(OH)2D3的合成过程受到严密的反馈调节，当它的水平增高时，可抑制肝脏25-羟化酶和肾脏的1-α羟化酶，使1，25-(OH)2D3生成减少。它的合成还受到PTH调节，体内PTH的调节使1，25-(OH)2D3水平稳定，其机制可能是通过血钙对PTH的反馈调节控制，当1，25-(OH)2D3水平升高时，可促进肠钙吸收使血钙升高，后者抑制PTH分泌，PTH的减少使肾脏1-α羟化酶活性降低，抑制肾脏1，25-(OH)2D3的合成。

当血中钙离子水平增高时，使CT分泌增加，当血钙水平降低时，CT分泌受抑制。CT总的作用是使血钙、血磷水平降低。血浆镁离子也有类似调节CT的作用，但不及血钙作用明显。胃肠道某些激素如促胃液素也刺激CT分泌。妊娠期和哺乳期女性的血中CT水平也升高。CT的生理作用，已知的有降低血钙、降低骨细胞的生理活性、对抗高钙血症、抑制钙离子从骨液和骨表面向血中的快速流动，CT对前破骨细胞的生成及破骨细胞的活性也有抑制作用，从而降低骨转换，影响骨的重建过程，但是骨重建过程的一系列变化并不引起血钙水平的变化。CT在肾脏可抑制肾小管对钙、磷的重吸收，还通过抑制1，25-(OH)2D3的生成，间接抑制肠道对钙、磷的吸收。

血液、骨液与骨表面之间的钙流动是双向和快速的交换过程，也是血液与骨钙交换的主要途径。钙从血液进入骨液和骨表面，一般认为主要是靠物理-化学的调节过程，无细胞活动参与，与CT无关。相反，钙从骨液、骨表面向血液的流动则受骨表面、骨细胞活性的控制。PTH刺激破骨细胞的生理活性，促进钙离子向血液流动，而CT可对抗PTH的作用，可迅速减少钙向血液的流动。但是，骨重建活动仅仅引起血钙与骨内钙的缓慢而小量的流动过程，因此不影响血钙浓度。

总之，PTH、1，25-(OH)2D3以及CT的协调作用可概括为:当血钙浓度降低时，刺激PTH分泌，通过抑制肾小管对磷的重吸收，使尿磷排出增加，使血磷降低;由于PTH促进尿磷排出，使血磷降低，血钙升高; PTH还通过激活肾1-α羟化酶生成1，25-(OH)2D3，使小肠钙吸收增加，PTH加速骨矿物质溶解，进一步提高血钙;血钙的升高又反过来抑制PTH分泌，并刺激CT分泌，CT抑制肠钙吸收，抑制骨矿物质溶解，以降低血钙。

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