下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
骨来源于胚胎时期的间充质。胚胎期有两种不同的骨发生方式：一种是膜内成骨（intramembranous ossification），即在原始的结缔组织内直接成骨；另一种是软骨内成骨（endochondral ossification），即在软骨内形成骨，但软骨主体必须被破坏才能开始形成骨。虽然这两种骨发生方式不相同，但骨组织发生的过程基本相同。
骨组织发生基本过程包括骨组织形成和吸收两方面的变化，两者在骨发生过程中总是同时存在，相辅相成，保持动态平衡，使骨的生长发育与个体的生长发育相适应。传统观点是成骨细胞只参与骨组织的形成，破骨细胞只参与骨组织的吸收，实际上，并非如此简单。目前认为，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，骨形成和骨吸收存在耦联。
骨组织形成经过两个步骤，首先是形成类骨质（osteoid），然后类骨质矿化（mineralization）为骨组织。由成骨细胞合成和分泌前胶原蛋白分子，并在细胞外转变为Ⅰ型胶原蛋白分子，它由［α1（1）］
2
α2（1）三条多肽链相互缠绕而成，长约300nm，直径1.5nm，它们平行聚合而成胶原原纤维。相互平行的相邻分子之间纵向错开1/4分子长度，约70nm，而同一直线上首尾相随的两胶原蛋白分子之间又相隔40nm距离。这种排列方式形成间隙区或称孔区（hole zone）和重叠区。胶原原纤维借黏合质连接组成胶原纤维，成骨细胞还分泌无定形基质，胶原纤维与无定形基质构成类骨质，当成骨细胞完全埋入类骨质就成为骨细胞。类骨质的矿化是无机盐有次序地沉积于类骨质的过程。类骨质矿化包括细胞内和细胞外的复杂生物化学过程，其中最关键的是由无定形的磷酸钙形成羟基磷灰石结晶。目前尚不能完全模拟骨有机质的形成与矿化的完整过程，对矿化的起始部位和矿化机制尚存在不同看法。一般认为，Ⅰ型胶原蛋白与骨钙蛋白等非胶原蛋白紧密结合，构成网格支架，为矿化提供结构场所，也就是说，如果没有骨有机质的形成，也就无从谈起矿化。Ca
2+
和P
3+
是矿化的基本物质，其矿化形式是以羟基磷灰石结晶沉积于类骨质。Ca
2+
由成骨细胞、软骨细胞或血液提供。P
3+
主要来源于代谢产物焦磷酸的裂解，然后再与磷脂或磷脂蛋白相结合，构成血液循环中的P
3+
。正常人血浆中［Ca］×［Pi］ =3~40mg/100mL（Pi指全部游离的无机正磷酸盐如
、H
2
PO-和
），当此乘积大于40时，组织液中的Ca
2+
和P
3+
就在类骨质中先形成无定形的磷酸钙，然后进一步转变为羟基磷灰石结晶。生化实验研究表明，羟基磷灰石结晶体从溶液中析出与3个条件有关，即溶液的pH、钙磷浓度比值及溶液的饱和状态。当溶液的pH在7.4~7.8时，羟基磷灰石饱和溶液中钙磷比值由2: 1开始下降，即磷浓度提高时，羟基磷灰石结晶开始出现。实验中还发现，当溶液中出现一粒粉尘或其他一个固体时，羟基磷灰石便会以它为中心迅速出现结晶，称为异源性集结；在此结晶基础上接着又有更多的羟基磷灰石分子附着，形成较大的结晶体，称为同源性集结。人体软骨显微穿刺研究表明，pH7.58是羟基磷灰石较易形成结晶的环境。Ⅰ型胶原蛋白具有介导矿化的作用，孔区被认为是羟基磷灰石结晶的成核部位。某些非胶原蛋白对羟基磷灰石有高度亲和力，既能促进又能抑制结晶的形成和生长。例如酸性磷蛋白包括骨桥蛋白、骨唾液酸蛋白和骨酸性糖蛋白-75，通常仅分布于矿化组织，这些大分子是阴离子，能与钙和羟基磷灰石结合，参与结晶体形成。骨黏连蛋白能与羟基磷灰石结合，它与钙结合后本身构型发生变化，影响骨黏连蛋白与无机盐的相互关系。骨钙蛋白在二价阳离子（Ca
2+
）的存在下对羟基磷灰石有极高的亲和力，它的作用很可能是调节无机盐形成。
至于一般结缔组织在正常情况下不发生矿化的原因，通常认为与它们的基质中含有天然形成的足以抑制晶核作用和抑制矿物质结晶增长作用的低分子物质有关，包括焦磷酸盐、核苷酸、柠檬酸和Mg 2+ 等。目前人工合成的二磷酸盐已被临床作为矿化抑制剂。此外，一般结缔组织中所含的某些高分子蛋白多糖和非胶原蛋白也能抑制矿化过程。一旦这些矿化抑制物被相应的酶如碱性磷酸酶分解时，就可在原具有矿化潜能的部位发生矿化。这种矿化称异位矿化，如心瓣膜、动脉壁及肾等都具有矿化潜能，此种异位矿化在临床上并不少见。
类骨质经矿化便成为骨组织，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。
骨组织被侵蚀溶解称为骨组织吸收，它涉及骨矿物质溶解和有机物降解。骨组织吸收主要是破骨细胞的作用，称为破骨细胞性溶骨。破骨细胞性溶骨过程包括3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。破骨细胞与骨基质黏附，是破骨细胞募集和骨吸收的关键步骤。功能活跃的破骨细胞，胞质亮区内肌动蛋白微丝的作用使细胞移向骨基质表面，并以皱褶缘和亮区紧贴骨基质表面，两者共同构成破骨细胞吸收装置。目前认为，骨吸收装置的形成有赖于破骨细胞表面整合素与特异的骨基质蛋白成分之间相互作用，整合素为连接细胞外环境与细胞内骨架之间的重要结构，是细胞膜表面黏附分子，也是细胞膜表面糖蛋白受体。整合素主要通过识别配体的“精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸”三肽序列（简称RGD）介导黏附的，骨基质中的骨桥蛋白、骨唾液酸蛋白和纤维连接蛋白均含RGD序列。破骨细胞膜上已鉴定出来的整合素主要有ανβ
3
、α
2
β
1
和ανβ
1
三种。其中以整合素ανβ
3
的表达水平最强，ανβ
3
分子即亲玻黏连蛋白受体，它是调节破骨细胞功能最重要的整合素，能介导破骨细胞与骨桥蛋白和唾液酸蛋白黏附，而膜内部分又可与F-肌动蛋白结合，将细胞骨架与细胞外基质联系起来。此外，整合素参与破骨细胞的形成和募集过程。近年研究发现，破骨细胞存在泌H
+
体系，由液泡H
+
-ATP酶（vacuolar H
+
-ATPase，V-H
+
ATP）、碳酸酐酶Ⅱ（Carbonic Anhydrase-Ⅱ，CA-Ⅱ）和
离子交换泵共同组成。破骨细胞存在碳酸酐酶Ⅱ异构体，它可催化CO
2
和H
2
O产生H
+
和
，该酶的表达随破骨细胞功能状态的不同而变化，如在骨吸收状态下，破骨细胞CA-Ⅱ呈高表达，若抑制该酶活性可降低破骨细胞性溶骨作用。细胞排泌H
+
后，胞膜上的
离子交换将
泵出细胞外，维持细胞内环境稳定。V-H
+
ATP酶主要分布在破骨细胞皱褶缘区细胞膜上，细胞内外离子的主动转运主要由V-H
+
ATP完成，并参与H
+
的排泌。使用特异性抑制剂bafilomycin A
1
和concanamycin B可显著抑制破骨细胞骨吸收，表明V-H
+
ATP酶在骨吸收中起重要作用。
骨有机质中的Ⅰ型胶原，主要由破骨细胞分泌半胱氨酸蛋白酶（CP）和基质金属蛋白酶（MMP）降解。CP分布于溶酶体，CP类中起作用的是组织蛋白酶，它在酸性条件下可作用于Ⅰ型胶原蛋白分子交联处的调聚肽段，使胶原蛋白解聚、变性、降解；同时还参与有机质及其他蛋白的降解。目前发现有4种组织蛋白酶能降解骨有机质：组织蛋白酶L、B直接参与有机质降解；组织蛋白酶D可能通过激活胶原酶间接参与骨吸收；组织蛋白酶K，在酸性环境下可降解Ⅰ型胶原。MMP是参与降解有机质的另一类重要蛋白酶，包括胶原酶、明胶酶和基质分解素3类。胶原酶中的间质胶原酶（interstitil collagenase，MMP-1）直接参与Ⅰ型胶原降解。基质分解素中的基质分解素-1（stromelysin-1，S1-1，MMP-3）参与MMP-1和明胶酶（gelatinase，GL）的激活，从而加强骨吸收。破骨细胞中呈特异性高表达相对分子量为92000的明胶酶（GL-B，MMP-9），它可降解Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型胶原和明胶，且在酸性条件下仍可保持较高活性。因此，MMP-1与MMP-9和CP共同参与Ⅰ型胶原及其片段（Ⅰ型明胶）的降解吸收，也可能降解Ⅳ型和Ⅴ型胶原，有利于破骨细胞在骨组织中聚集。MMP活性可被特异性金属蛋白酶组织抑制剂（TIMP）抑制，某些组织破损的发生可能与局部MMP和TIMP失衡有关。
有一种观点提出，酶的激活有赖于称之为“半胱氨酸开关”的机制。破骨细胞皱褶缘还能以胞吞作用摄取细胞外溶解的矿物质和降解的有机物，内吞小泡与初级溶酶体融合，成为次级溶酶体进行细胞内消化。研究还发现，破骨细胞可通过细胞内转运，将降解的骨基质蛋白和无机盐运送到游离侧细胞膜顶端区并释放出，其机制可能是通过可溶性N-乙基马来酰胺敏感因子吸附蛋白受体（SNARE）实现的。这种胞内转运过程是细胞清除降解产物和骨吸收作用的重要调节机制。清除产物有利于维持骨吸收微环境的稳定，促进骨基质进一步降解，而且通过转运释放出骨基质的活性蛋白如转化生长因子（包括骨形态发生蛋白），调节成骨细胞活性和骨改建。破骨细胞活跃移动，故其吸收面积大于其附着面积。
研究观察到在破骨细胞游走之后的区域仍可持续产生数小时的骨吸收。1个破骨细胞吸收骨基质的量等于50~100个成骨细胞形成的骨基质；此外每个破骨细胞的核数与吸收能之间有明确的关系，每个细胞的骨吸收体积随核数而呈减少趋势。破骨细胞沿着与骨基质表面垂直的方向进行吸收，但它的空间行走途径还不清楚，可能沿胶原纤维方向平行移动。骨小梁处的破骨细胞的骨吸收深度至60~100μm时停止，在密质骨外的深度达400~10 000μm才停止。骨组织吸收过程中，有些骨细胞发生凋亡，凋亡的细胞被破骨细胞吞噬。
体外实验证明，在骨吸收中成骨细胞也具有重要作用。骨基质表面有一薄层未矿化的类骨质，被成骨细胞分泌的酶降解后破骨细胞才能黏附在矿化基质上。成骨细胞可分泌破骨细胞刺激因子（osteoclast-stimulating factor），使附近的静止破骨细胞活跃；成骨细胞还分泌前胶原酶（procollagenase）和胞质素原激活剂（plasminogen activator），后者使血清胞质素原成为胞质素（plasmin）即中性蛋白酶；同时成骨细胞使前胶原酶转变为胶原酶。中性蛋白酶和胶原酶使类骨质降解，因此，破骨细胞的活动似乎直接依赖于成骨细胞释放的破骨细胞刺激因子和分泌的这些酶。目前已证实，骨形成和骨吸收之间存在耦联，例如成骨细胞产生的IGF-Ⅰ，一方面，以自分泌方式作用于成骨细胞前体细胞，分化为成骨细胞，并刺激成骨细胞分泌胶原蛋白分子，合成胶原纤维，促进骨形成。成骨细胞合成IGF-Ⅱ，其作用与IGF-Ⅰ相似，但较IGF-Ⅰ弱；另一方面，IGF-Ⅰ还可刺激破骨细胞分化、形成和功能活性。
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。现以颅顶骨为例，叙述膜内成骨的过程。
间充质聚集成富含血管的原始结缔组织膜，间充质细胞以细长突起相互接触。膜内某些部位的未分化间充质细胞即骨祖细胞分化为成骨细胞，彼此通过短突互相连接。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胞条索状，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（ossification center）。颅顶骨通常有两个骨化中心，发生在胚胎第8周。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。一旦成骨细胞耗竭时，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。膜内成骨是从两个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，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。
软骨内骨化与膜内骨化的本质区别是在软骨内骨化的过程中，间叶组织中具有一个软骨的雏形。在胚胎的发育过程中，形成初级骨化中心时，在软骨雏形中的细胞首先变得肥大并且合成糖原。透明软骨基质仍然存在于肥大细胞开始骨化的区域。与此同时，在骨干的中央部分，骨化开始在软骨周围的环状区域形成，成为骨外侧形成带，血管从间质组织通过外侧新形成的壳状骨组织长入骨干，并且侵入肥大的软骨细胞的周围区域。成骨细胞来源于这些间质成分，并且开始在软骨基质中形成骨样组织及胎骨。干细胞出现于侵入的组织中，并且红骨髓也开始形成。长骨的形成即是软骨内成骨的典型过程，具体可分为以下几个步骤：
在将要发生长骨的部位，间充质细胞特别密集，但无血管形成。随后间充质细胞即骨祖细胞分化为软骨细胞。软骨细胞分泌软骨的细胞间质，周围的间充质分化为软骨膜。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（cartilage model）。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。
骨领（bone collar）开始形成的部位是在软骨雏形中段的软骨膜下，其必备条件是软骨外的血管长入软骨膜，在氧充足的微环境诱导下，软骨膜深层的骨祖细胞增殖分化为成骨细胞，后者以膜内成骨的方式在软骨膜下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外膜。
干骨化中心（diaphyseal ossification center）又称初级骨化中心（primary ossification center），出现的部位在软骨雏形中央。此区软骨细胞停止分裂，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，由于软骨细胞充大，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，成熟的软骨细胞可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，骨外膜的血管主干连同骨外膜中的骨祖细胞等共同构成骨膜芽［periosteal bud，又称成骨芽（osteogenic bud）］侵入这些空腔。侵入的血管主干随即分为上、下两支，分别向雏形两端延伸，沿途发出小支，并形成毛细血管襻分布于这些空腔内。在营养和氧供充足的前提下，骨祖细胞不断分化为成骨细胞，附于钙化的软骨基质残片表面成骨。上述过程是原始骨干先发生骨化的部位，与骨干的发生有关。并且骨化过程将继续向雏形两端扩展，因此称为干骨化中心或初级骨化中心。有些学者对骨领也使用初级骨化中心这个术语有异议，因为骨领是最先形成的骨组织。长骨的初级骨化中心出现在胚胎第7~8周。
不久，初级骨化中心的过渡型骨小梁被破骨细胞吸收，使许多初级骨髓腔融合成一个较大的腔，称为骨髓腔，其内含有血管和造血组织。因此，在胎儿长骨的纵切面上，从骨的两端至骨干中段骨髓腔，可观察到软骨内成骨的连续过程，依次分为下列五区：软骨储备区、软骨增生区、软骨肥大区、软骨钙化区和成骨区。
骺骨化中心（epiphyseal ossification center）的发生比初级骨化中心晚，故又称次级骨化中心（secondary ossification center），它出现在软骨两端的中心。发生的时间因骨而异，大多在出生后数月或数年，少数在出生前。每个长骨有2个或2个以上的骺骨化中心，如胫骨、腓骨、桡骨和尺骨各有2个，股骨有4个，肱骨有8个。同一长骨中，各骨化中心出现的时间和骨化完成的时间均不相同，并且存在着性别的差异。由于次级骨化中心出现的时间不同，且相对稳定，它的X线影像可以作为判断骨骺发育是否延迟的标志，也可作为骨龄测定的标志。骨化完成后，表面残存的薄层软骨即为关节软骨，因为关节软骨没有软骨膜，所以不形成相当于骨领的组织。关节软骨终身存在，不参与骨的形成。当骺骨化中心形成骨骺后，在骨骺与骨干之间仍保存一片盘形板，称为骺板（epiphyseal plate）。