骨的形态与发育

1.1 骨的发生

脊椎动物有206块骨和许多重要的软骨，每一块骨都有特殊的形状和结构，连结在一起形成骨骼。按照形态，骨块分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨4种。长骨包括股骨、胫骨、腓骨、锁骨、肱骨、桡骨、尺骨、掌骨等；短骨包括腕骨、跗骨等；扁骨包括头颅骨、肩胛骨、胸骨和肋骨；不规则骨包括椎骨、尾骨和舌骨。扁骨由膜内成骨形成，而长骨由软骨内成骨和膜内成骨共同生成。

1.1.1 软骨的形成

第5胚胎期，间叶细胞逐渐增大，变得更加密集，分化为前软骨。然后基质沉积在细胞间，这种基质含有原纤维。原纤维是特有的一种类型，具有软骨特有的功能。在弹性软骨内，可见黄色的弹性纤维。在纤维软骨内，可见较粗的白色纤维。在透明软骨内，因为基质显现清晰，而结构相似，所以原纤维不能用普通的染色方法显现出来。原纤维沉积在骨基质中，通过内外生长，可增加软骨的厚度。内生长增殖软骨细胞，产生新的基质；外生长将软骨膜内层细胞转化为软骨细胞。最近有学者发现了一株反映软骨形成完整过程的细胞系，认为软骨产生可能受到Sox9的蛋白质调节。

1.1.2 骨的形成

自第7胚胎周以后，骨就开始形成，且持续进行至青春期骨发育成熟为止。骨骼系统生成分为4期：①胚胎细胞向骨骼生成部位移行期；②上皮细胞-间质细胞相互作用期；③致密体形成期；④成软骨细胞和成骨细胞分化与增殖期。由于骨的类型不同，骨组织发生的方式有两种：软骨性骨发生和膜性骨发生。软骨性骨发生是指先由间充质形成软骨雏形，在此基础上再进一步骨化形成骨组织，其过程十分复杂，包括多个步骤，又称为软骨内成骨。软骨内成骨不但生成骨骼，而且还是出生后骨构塑和骨折修复的重要方式。膜性骨发生是指从胚胎性结缔组织不经过软骨阶段直接骨化形成骨组织，也称为膜内成骨。膜内成骨与上述方式不同，其成骨过程不需要软骨胚基参与，直接由骨化中心的间质细胞致密化，并转型为成骨细胞而形成骨组织。

1.1.3 膜内成骨

原发性膜内成骨被认为是最主要的成骨形式，人体内只有少数骨骼以此种方式成骨，它们在发生过程中与软骨无关，主要发生在一些扁平骨，如顶骨、额骨、枕骨、颞骨等，以及上、下颌骨和锁骨的一部分等。膜内成骨的成骨过程开始于胚胎期的第8周，最典型的部位是颅顶骨。结缔组织膜和间叶先形成颅骨和面骨的原始雏形，然后膜内成骨开始于一个或者数个骨化中心，那些骨化中心一般都出现在邻近血管区的位置，其特征是出现骨母细胞，骨母细胞沉积在骨小梁中，放射状地向周围扩散。然后外周间叶组织分化成为纤维鞘（即骨膜），纤维鞘内壁分化骨母细胞，骨母细胞沉积形成平行的密质骨板（即板层骨），这种膜内成骨构成了颅骨的内板和外板。骨小梁主要沿最大的应力线排列。

1.1.4 软骨成骨

软骨内成骨可见于躯干骨、四肢长骨和部分颅底骨。与膜内成骨不同，其生长发育方式是在预先形成的软骨雏形基础上，软骨逐步钙化，被替换为骨组织。其主要过程可分为3个步骤：①软骨雏形形成。成骨部位的间质细胞聚集、分化为软骨细胞和成软骨细胞。软骨细胞会分泌软骨基质，然后逐渐形成软骨雏形。②骨干与骨骺端形成。软骨雏形的中段先形成原始骨领，继而血管侵入，形成初级骨化中心，并由初级骨化中心生成骨干和干骺端。③骨骺形成。骨骺的前身组织被间接骨化，形成次级骨化中心，最终由骨组织代替软骨，形成骨骺。骨骺与骨干的交界处称为生长板，在初级和次级骨化中心之间的细胞具有更快的横向和纵向生长能力。较成熟的生长板可分为静止层、增生层和肥大层三层，其中肥大层又可区分为成熟带、衰退带和临时钙化带。生长板的生长发育主要受生长因子、维生素D、甲状旁腺素（PTH）、降钙素、局部细胞因子和血管供应、低氧、细胞膜特性、电解质浓度等因素的调节。

随着软骨内成骨的开始，海绵状中心骨发生，软骨膜内层会产生一层与骨膜相平行的骨密质，还有一层软骨组织，靠近骺部。在整个生长期，软骨内成骨可持续发生，产生纵向生长骨结构，骨膜下成骨增加了骨的厚度。

1.2 骨的形态

1.2.1 骨细胞

骨组织内的细胞形态一般可分为三种类型，即骨细胞、成骨细胞（又称骨母细胞）和破骨细胞，在一定的条件下能彼此转化。在骨的形态结构不断破坏和改建过程中，这三种细胞共同完成吸收旧骨和生成新骨的作用。

骨细胞是骨组织成熟中的主要细胞，由骨母细胞转化而来。骨细胞是一种扁椭圆形、有多个突起的细胞，单个分散排列于骨板内或骨板间，其胞质嗜碱性。骨细胞位于骨陷窝内，突起位于骨小管内。相邻骨细胞的突起以缝隙连接相连，离子和小分子物质可通过此连接从一个骨细胞进入另一个骨细胞。骨小管也彼此相互沟通。骨小管和骨陷窝内含有组织液，可为骨细胞提供营养和排出代谢产物。骨细胞能产生新的基质，改变晶体液，使骨组织钙、磷沉积和释放处于稳定状态，以维持血钙平衡。骨细胞对骨吸收和骨形成都起作用，是维持成熟骨新陈代谢的主要细胞。

成骨细胞来源于骨祖细胞，能合成和分泌骨基质，是形成骨组织的细胞，并参与骨的钙化，调节钙、磷骨进出量。成骨细胞形态多样，其形状与功能相关，在静止期变为扁平状，活跃时变得丰满，呈多边形、立方形、圆形甚至柱状等。成骨细胞常存在于新生骨的表面，呈单层排列。成骨细胞胞浆嗜碱性，细胞核较大且圆，位于胞体的一端。成骨细胞胞质内的细胞器丰富，有发达的高尔基复合体、粗面内质网及游离的核蛋白小体，线粒体数量多，此外还有溶酶体、空泡和糖原颗粒。这表明成骨细胞具有旺盛的合成与分泌蛋白质的功能。当功能活跃时，粗面内质网池扩张明显。组成类骨质的骨胶纤维和无定形有机基质均由成骨细胞产生。成骨细胞产生的类骨质填充于成骨细胞之间，逐渐将成骨细胞包埋，成骨细胞被埋入类骨质中转化为骨细胞。此外，成骨细胞还能分泌骨粘连蛋白、骨钙蛋白和多种生物活性物质。成骨细胞的分化受多种因子的影响。

破骨细胞是一种巨大的多核细胞，在骨吸收过程中发挥着主要作用。正常骨代谢依赖破骨细胞吸收和成骨细胞骨形成二者的动态平衡。破骨细胞的主要功能是：骨吸收；调节成骨细胞的活性；参与造血干细胞的迁移。破骨细胞的活性主要受到激素（PTH、CT、1，25-（OH）2D3、前列腺素、雌激素等）、破骨细胞活化因子（CSFs、IL-1、IL-6、IL-11、TNF、TGF-α、氧自由基、NF-κB）、破骨细胞抑制因子（γ干扰素、骨保护素、TGF-β、氮氧化物等）的影响。对破骨细胞相关活性因子的研究，能更好地了解骨代谢特征及骨吸收的分子生物学机制。

1.2.2 骨细胞间质

骨基质由有机物、无机物及少量水分子组成。随着年龄的增长，有机物和水的比例逐渐下降。脱脂骨的干重量只含有机物33.3%，大多数为无机物，其中包括磷酸钙51.04%，碳酸钙11.35%，氯化钙2%，少量的磷酸镁、碳酸钠和氯化钠。成人新鲜骨含水50%，脂肪15.75%，其他有机物12.4%，无机物21.85%。骨基质中，细胞主要包括骨细胞、成骨细胞以及破骨细胞等。

骨基质的无机物通常称为骨盐，电镜下呈细针状结晶，这些结晶大都沉积在胶原纤维中，并沿纤维长轴平行排列，因而有很强的抗压效能。无机物中95%是固体钙和磷。有机物包括胶原蛋白和非胶原性有机物——蛋白多糖、脂质，特别是磷脂类。胶原是骨和软骨中的主要蛋白，其功能是在软骨成骨矿化过程中，直接促进骨与软骨交界处的矿化和基质退化。

1.3 骨组织的形态

骨组织由骨质、骨膜、骨髓、神经血管等构成。

1.3.1 骨质

骨质是骨的重要组成部分。骨组织在骨内有两种存在形式，即松质骨和密质骨。松质骨结构疏松多孔，呈海绵状，弹性较大，孔内含有骨髓。成人松质骨由板层骨构成。密质骨又被称为皮质骨，由紧密排列成层的骨板构成，质地致密而坚硬，耐压性强，分布于长骨干以及其他类型骨的表层。骨小梁的形态结构不规则，其排列方向与骨所承受相应的压力、张力方向一致，这样的排列可使力向各方分散，因而能承受较大的压力。

环骨板：是指环绕骨干内、外表面排列的骨板，分别称为内环骨板和外环骨板。内环骨板位于骨干的髓腔面，骨板层数较少，仅排列成数层，且不如外环骨板平整（与髓腔内面凹凸不平有关），其表面衬以骨内膜。外环骨板环绕于骨干的外周，骨板层数较多，骨板与骨干表面平行排列数层至十多层，其表面有骨外膜覆盖。从内环骨板和外环骨板最表层的骨陷窝发出的骨小管，一部分向表面延伸，在骨和骨膜交界处终止，其末端是对外开放的；另一部分则向深层延伸，与深层骨陷窝的骨小管相通。

哈佛骨板：位于内环骨板和外环骨板之间，沿着骨干的长轴分布，是骨干骨皮质的重要组成部分。它们是以哈佛管为中心，呈同心圆方式排列，并与哈佛管共同组成哈佛系统。哈佛管又被称为中央管，其内有血管、神经和少量结缔组织。哈佛系统又被称为骨单位，长骨骨干主要就是由大量的哈佛系统组成的。所有哈佛系统拥有基本相同的结构，是长骨骨皮质的主要结构单位。

骨单位呈圆柱形，其横向由穿通管或福克曼管连接，纵轴方向与骨干的长轴相平行。骨单位一般由4～20层哈佛骨板组成，故不同骨单位会有不同大小的横断面积。每个骨单位最内层骨板均衬有骨内膜。哈佛管的直径可因不同的骨单位而有差异，而且其中通行的血管以及神经等也不一致。哈佛系统的血管不仅彼此相通，还与穿通管中的血管交通。与血管伴行的神经大多为无髓神经，偶可见有髓神经纤维。

1.3.2 骨膜

骨膜是一种致密的结缔组织膜，由纤维结缔组织构成，薄而坚韧，被覆在除关节面以外的骨表面，骨髓腔的内面和骨松质的腔隙内衬有骨内膜。骨膜含有丰富的血管、淋巴管、神经等。骨膜可分为内、外两层。外层致密，主要有许多胶原纤维束；内层疏松，含有丰富的骨原细胞，对骨的生长、再生和修复起重要作用，故又称生发层。

1.3.3 骨髓

骨髓充填于骨髓腔和骨松质间隙内，可分为红骨髓和黄骨髓两种。胎儿和幼儿的骨髓内含有发育阶段不同的红细胞和一些白细胞，呈红色，故称红骨髓。红骨髓有造血功能。随着年龄的增长，髓腔内的红骨髓逐渐为脂肪组织所代替，呈黄色，称为黄骨髓。长骨的骺、短骨和扁骨的松质骨内，终生都是红骨髓。因此，临床上选择髂骨和胸骨处穿刺抽取骨髓进行活检。

1.4 骨的血管、淋巴管和神经

①血管：骨有丰富的血管供应，骨的血管网络由动脉、静脉和毛细血管构成。血管的分布随骨的生长、塑形改造而变化。关节软骨内无营养血管，其营养来源靠软骨下骨内血管的渗透和关节滑液的渗透。

②淋巴管：19世纪有人提出骨内血管周围可能有淋巴间隙，但迄今未能得到证实。近年来的研究证实，骨膜的淋巴管很丰富，但骨的淋巴管是否存在尚有争论。

③神经：神经伴滋养血管进入骨内，分布到哈佛管的血管周围间隙中，以内脏传出纤维较多，分布到血管壁；躯体传入纤维则多分布于骨膜，骨膜对张力或撕扯的刺激较为敏感，故骨折和骨脓肿常引起剧痛。

（赵晨）