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骨骼是由骨连结形成的坚硬骨架。骨架的主要功能是机械支撑、保护内部器官、调节Ca 2+ 和磷酸盐代谢。骨骼有两种类型：扁平骨（头骨、下颌骨等）以及长骨（股骨、胫骨等）。骨由胶原蛋白（Ⅰ型，占总蛋白的90%）、非胶原蛋白和羟基磷灰石晶体组成。参与骨骼生长发育的细胞主要有3种，即软骨细胞、成骨细胞与破骨细胞。软骨细胞主要与软骨的形成有关，这为骨化提供了模板，与骨长度密切相关。此外，还有成骨细胞样骨内衬细胞的膜内骨化，与骨厚度密切相关。成骨细胞由骨髓间充质干细胞分化而来。在各种信号通路的影响下，骨髓干细胞会分化为成熟的骨细胞、肌母细胞、软骨细胞或脂肪细胞。其中，Runx2和Ostrix这两种转录因子对成骨细胞分化和骨矿化起重要作用。而破骨细胞产生于骨髓造血干细胞，与巨噬细胞具有相同前体。细胞因子，比如巨噬细胞集落刺激因子（Macrophage colony-stimulating factor，M-CSF）、IL-1、TNF和核因子κ-B配体受体激动剂（Receptor activator ofnuclear factor kappa-B ligand，RANKL）在破骨细胞的分化过程中发挥着重要作用。
骨的胚胎发生是一种极为复杂的过程，表现在软骨形成，骨形成，基质沉积、吸收，以及发育、生长等多个方面。不过，相对骨骼系统来说，骨的发生只由间充质生成。间充质是最原始、纤细而疏松的结缔组织，均发生自中胚层。当骨骼系统开始形成时，间充质干细胞与细胞间纤维分别或同时逐渐增加，通过凝聚形成胚胎性结缔组织膜。胚胎的第8周，全身各骨均以间充质的凝聚为开端。
骨及软骨在中胚层有3个主要细胞团，即体节、生骨节及侧中胚层。体节在形成后不久，部分细胞向脊索和神经管移动，形成生骨节；另一部分形成生皮节和生肌节。在原始胚胎中，生骨节由一团间充质干细胞组成，具有移动性，包埋于胶状的蛋白基质中。间充质干细胞是多能细胞。依据周围环境和部位的不同，间充质干细胞会分别分化成纤维细胞、肌细胞、软骨细胞和成骨细胞。除此以外，脂肪细胞、造血细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、肥大细胞等也可以通过它分化形成。成骨细胞与软骨细胞经骨间充质干细胞分化形成后，约在胚胎的第7周，骨逐渐形成，形成的方式有膜化骨和软骨化骨两种形式。所谓膜化骨（也称纤维化骨或直接化骨），即骨的发生直接起源于间充质干细胞，而软骨化骨则是先形成软骨雏形，然后被软骨取代，最后骨化的过程。
膜成骨的方式适合于人体内少数的骨，比如颅骨、锁骨或肋骨等。胚胎发育早期，大量的间充质干细胞密集存在于骨组织将要形成的部位，并开始分化形成胚胎性结缔组织膜——一种具有丰富血管组织的组织膜，之后在不同区域中，由膜内的部分细胞分化形成骨原细胞，进而形成成骨细胞。成骨细胞会埋入自身的纤维与基质中形成类骨质，进而钙化成为产生骨的部位——骨化中心，又称为骨化点或骨核。骨形成的主要细胞就是成骨细胞，它可以分泌细胞外基质蛋白，像Ⅰ型胶原蛋白、骨钙蛋白、骨钙素和碱性磷酸酶等；多个成骨细胞相互作用，形成一个被称为骨细胞的骨单位。以羟基磷灰石形式进行的钙沉积为骨骼提供了结构支持。成骨细胞子集分泌细胞外基质成分并嵌入骨基质中，形成骨细胞。成骨细胞是在成熟矿化骨骼中发现的大部分细胞，并通过成骨细胞和破骨细胞之间的相互作用来协调骨骼的正常生长发育。
在骨化中心的逐步扩大过程中，针状或片状骨质逐渐增粗、增多形成骨小梁，相互联系排列形成附有红色骨髓网孔的海绵状骨，称为松质骨。松质骨不断扩大与分化，形成骨膜。骨膜中的成骨细胞不停地生成骨质，在不断增厚的过程中，具有内板与外板的密质骨也相继形成并逐渐加宽。此外，破骨细胞对骨组织进行溶解吸收，为新骨生长发育创造条件，在成骨与破骨的同时不停地改变骨的形态与结构，最终完成成体骨形态的生成。破骨细胞是大型多核细胞，其主要功能是骨吸收。这些细胞起源于造血谱系，并通过M-CSF和RANKL11的相互作用而分化成成熟的成骨细胞。巨噬细胞集落刺激因子可诱导破骨细胞分化增殖，维持其活性，并可抑制破骨细胞凋亡；而RANKL促进破骨细胞前体向成熟成骨细胞的分化。
软骨化骨的特征是通过软骨中间体形成，这是涉及长骨形成的主要过程。人体大多数的骨，比如长骨、短骨和一些不规则骨等都是通过软骨化骨的方式形成的。约在胚胎的第5周，间充质形成软骨并在不断生长的过程中被透明软骨替代，在表面形成一层骨膜。
从软骨雏形到经过生长与分化后，骨组织已发生了复杂的变化，软骨内的软骨骨化是由软骨细胞增殖成一个具有4个不同区域的透明软骨框架引起的。休息区离骨形成部位最远，包含正常的软骨细胞。随着软骨细胞增殖（增殖区），细胞肥大并释放碱性磷酸酶，最终导致软骨细胞凋亡和包括血管内皮生长因子在内的血管生成因子释放。死亡软骨细胞区（钙化区）基质减少，促进毛细血管的生长和迁移，成骨祖细胞随后分化成成骨细胞，经软骨周骨化和软骨内骨化，最终演化成骨。
骨骼的生长有几个阶段：青春期前生长较为缓慢，青春期迅速生长，其后骨骼维持较低的稳定净生长状态，最后是骨质流失阶段。即使在成年阶段，骨也会不断地被重塑，每年约有15%的小骨和3%的皮质骨被新形成的骨所取代。
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