第一章　骨关节的发生和生长

第一节　骨骼系统的发生

骨骼系统除起源于中胚层体节的腹内侧生骨节（图1-1-1）外,还可来源于原位间充质。人胚第4周末,生骨节细胞分化为形态多样、散在分布的疏松组织,称为间充质或胚胎性结缔组织。间充质细胞为多能性的,在一定区域的微环境和不同分化信号的作用下,可以分化为成纤维细胞、成软骨细胞或成骨细胞等。人体骨骼的形成可归纳为两类:大多数骨骼的发生是先出现间充质细胞的增殖、聚集和分化,形成透明软骨雏形,然后经过软骨内成骨的方式,软骨被骨组织取代;另有部分骨骼的形成通过膜内成骨的方式,骨组织直接发生于间充质内。无论哪一种方式,骨的发生和形成过程中,均有骨组织的形成和骨组织的吸收两种过程,以适应人体的生长和发育的需要。骨骼系统的发生开始于胚胎早期（第4～5周）,至出生后20～25岁最后完成,此后仍不断地更新和改建。

一、软骨的组织发生、生长、营养、老化和再生

（一）软骨的组织发生

软骨起源于间充质细胞。在软骨或骨形成的部位先形成前软骨（precartilage）,首先出现引导细胞分化的信号,perlecan基因表达,间充质细胞增殖密集,细胞的突起缩回,细胞体变圆,此即为成软骨细胞（chondroblast）。perlecan对软骨发生是必要的,若perlecan基因不表达将发生畸形,出现不对称脊椎骨性小肢体为特征的常染色体隐性侏儒症。不久细胞分泌基质,基质中含有perlecan（一种大分子硫酸肝素蛋白多糖）、Ⅱ型胶原原纤维（type Ⅱ collagenous fibrils）、Ⅳ型胶原及软骨蛋白多糖的核心蛋白。随着基质的增加,细胞间距增大,细胞被孤立分隔,并包埋于基质的陷窝内,并进一步分化成为成熟的软骨细胞（chondrocyte）。软骨细胞产生更多的蛋白多糖,其中含强嗜碱性的硫酸软骨素。由于硫酸软骨素浓度高,胶原原纤维少,构成细胞周围染色呈强嗜碱性,此即软骨囊（cartilage capsule）。囊内的软骨细胞能进一步分裂增殖,形成同源软骨细胞群（isogenous group）,因此形成典型的透明软骨（hyaline cartilage）（图1-1-2）。透明软骨见于骨架外的鼻软骨、喉软骨、气管与支气管树,骨架内的肋软骨和关节软骨,以及胚胎时期形成的骨骼软骨雏形（cartilage model）。纤维软骨（fibrous cartilage）（图1-1-3）胶原纤维排列密集,胶原纤维束之间有单独、成对或成行排列的软骨细胞;见于椎间盘、纤维环、关节盘和半月板的一部分,也见于股骨头韧带、耻骨联合以及某些肌腱和韧带附着于骨的部位;其发生是通过前软骨或透明软骨化生形成,也可以由纤维性组织化生（metaplasia）形成;椎间盘是前软骨化生而成,从透明软骨化生成纤维软骨见于暂时性下颌关节、肩锁关节以及老化的肋软骨,而由纤维性组织化生出现在膝关节半月板、喙突锁骨关节以及老化或异常的韧带及其附着处。弹性软骨（elastic cartilage）（图1-1-4）纤维成分以弹性纤维为主,胶原原纤维较少,软骨细胞呈球形,单个或同源细胞群方式分布,以2～4个细胞的同源细胞群为主;弹性软骨见于耳廓、外耳道、咽鼓管、会厌以及喉的小角软骨、楔状软骨和杓状软骨的尖端;将要形成弹性软骨的部位,间充质先分化为原始结缔组织,初期的基质中会先出现呈网状的前弹性纤维（preelastic fibers）,后来才变成弹性纤维。

发生软骨组织区域周围的间充质细胞保持分散,产生胶原纤维为主,并形成毛细血管网,此处将分化为双层软骨膜（perichondrium）。软骨膜内层含有可分化成软骨细胞的骨原细胞（osteoprogenitor cells）,它们多数处于静止状态,终生保持分化为软骨细胞的潜能;软骨膜外层细胞转变为成纤维细胞,分泌胶原基质。

（二）软骨组织的生长

软骨通常以两种方式继续生长（图1-1-5）:①间质性生长（interstitial growth）,又称软骨内生长,幼稚的软骨,软骨细胞不断分裂,分裂后的细胞暂居在同一个陷窝内,不久被薄层基质分隔开,基质逐渐变厚,进一步分隔细胞。细胞不断分裂形成同源细胞群;使软骨不断生长。②附加性生长（appositional growth）,又称软骨膜下生长,发生在软骨表面与软骨膜之间,软骨膜内层的成软骨细胞分泌基质,包围细胞自身,形成浅表的软骨基质。这种过程不断进行,软骨表面不断增添新生软骨组织。附加生长主要发生在未成熟的软骨,但骨骺部的间质性生长持续时间较长。

软骨基于功能和发育的不同,可分为两型,过渡型软骨和永久型软骨。前者的软骨细胞经历细胞肥大和基质的钙化,最终退化消失,被骨组织取代。这种软骨见于胚胎性软骨或生长板（growth plate）。成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor,FGF）信号在软骨成熟和骨骼发生中起关键作用。相反,永久型软骨没有进一步分化,不会变肥大,终生存在于特殊部位,如关节软骨和气管的软骨环。

（三）软骨组织的营养

软骨组织没有血管,然而其所需的营养物质和代谢产物通过软骨基质以浓度梯度扩散,但扩散范围仅限于几厘米,多数软骨细胞远离分布在软骨膜的营养血管。如果软骨细胞远离营养血管超过这个范围,其周围的软骨基质将出现钙化,软骨细胞的代谢减退,并趋于死亡。因此,在大体积的软骨组织内,血管存在于软骨通道（cartilage canal）内。胚胎时期的软骨通道,见于长骨软骨雏形的骺端、小骨和不规则骨的软骨雏形中（图1-1-6）。通道内的血管周围为富含成纤维细胞和巨噬细胞的疏松结缔组织。软骨通道除有营养作用外,还参与长骨雏形骺端次级骨化中心的形成。出生后出现的软骨通道与骨形成的开始无明确的联系,它在各种骨骼内的出现都有其独特的时间性。下颌髁软骨（mandibular condylar cartilage）的软骨通道在生后第2年形成,同年内通道消失;喉软骨和鼻软骨内的软骨通道于胎儿第7个月开始形成,直至老年仍保留;肋软骨的软骨通道于1岁时出现,至10岁时延伸到骨干中心。长期保存的软骨通道,于20岁后可出现骨髓,并保留至60岁;在发生意外性萎缩时,软骨通道的腔隙内出现黏液样物质。呼吸系统的软骨也可见软骨通道。在老年动物气管软骨的软骨通道内出现骨髓,其周围形成骨组织（图1-1-7）。

（四）软骨组织的老化和再生

软骨的生长需要充分的营养与激素的作用,一旦缺乏时,软骨细胞则产生基质小泡,进一步细胞周围的基质发生钙化。如在滑膜关节的关节软骨,为永久性透明软骨,表面没有软骨膜,从关节软骨表面至骨骺的厚度为1～7mm,根据软骨细胞的不同形态,由表至里可分为4区（图1-1-8）:Ⅰ区,软骨细胞小而扁平,与表面平行,胶原原纤维呈切线分布;Ⅱ区软骨细胞较大,圆形,单个或同原群分布,胶原原纤维呈斜行排列;Ⅲ区软骨细胞大而圆,常排列成垂直柱形,其间的胶原原纤维呈放射状;Ⅳ区为钙化区,软骨细胞大,呈现进一步退化的现象,软骨基质以钙沉积为主,与软骨下的骨板层相连;Ⅲ区非钙化区和Ⅳ区钙化区之间,有较明显的界面,形成脊或沟状互相嵌合,形似海边潮水浸渍,故称潮标（tide mark）（图1-1-8、图1-1-9）。由于胶原的更新率降低,软骨基质不断钙化,随着年龄的增长,该界面也不断发展而增宽,软骨基质不断地被骨质取代,使关节软骨逐渐变薄。

老化的关节软骨钙化层的微小断裂,及其延伸至软骨下的骨板发生损伤,可以引起软骨-骨连接处的组织重建。透明软骨受损后再生较差,软骨受损处,肉芽组织增生填充,以后成为纤维组织。该组织内的细胞偶尔可变为成软骨细胞,但新形成的软骨基质不与原来的软骨组织融为一体。只有下颌髁软骨的愈合能力很强,现已用于修复实验性关节缺陷。

二、骨的组织发生

（一）骨组织发生的基本过程

骨组织发生的过程,包括骨组织形成和骨组织吸收两个方面的变化。两者在骨组织发生过程中是同时存在的,且不仅限于胚胎时期,在成人骨组织仍然存在,新的骨组织一方面在形成的同时,伴随着旧的骨组织不断地被吸收和改建,以适应身体发育和变化的需要。

1.骨组织的形成

在胚胎早期,要形成骨的部位,间充质细胞首先转化为骨原细胞（osteoprogenitor cells）,然后分化为成骨细胞（osteoblast）,再由成骨细胞进一步转变为骨细胞（图1-1-10）。当骨膜形成以后,骨细胞由骨膜内层的骨原细胞逐步分化形成。

骨原细胞是一种多能干细胞,胞体扁平有细小突起,胞核卵圆形,胞质呈弱嗜碱性,具有很强的分裂增殖能力。当骨原细胞定向分化为成骨细胞时,则失去分裂增殖能力。成骨细胞胞体大,有细小突起的卵圆形或矮柱状,胞核大而圆,位于细胞一侧,核仁明显,胞质丰富呈强嗜碱性,能分泌类骨质（osteoid）,内含Ⅰ型胶原（蛋白）纤维,凝胶状基质中含中性和弱酸性糖胺聚糖（glycosaminoglycans）,以及多种蛋白多糖,如骨钙蛋白（osteocalcin）、骨粘连蛋白（osteonectin）、骨桥蛋白（osteopontin）和纤维调节蛋白（fibromodulin）,是一种硫酸角质蛋白多糖（a keratan-sulfate proteoglycan）,后三者主要参与细胞与骨基质的黏合,也调节骨质的钙化,骨钙蛋白参与骨的钙化并调节骨质的吸收。成骨细胞还以出芽方式产生基质小泡,基质小泡为直径0.1～0.2μm的圆形膜包小体,膜上含碱性磷酸酶、焦磷酸酶、ATP酶,泡内含酸性磷脂和钙结合蛋白,在膜的内表面常附有小的骨盐结晶。基质小泡提供的酶和微环境,可使钙和磷酸根的浓度达到足以形成晶体。在小泡膜的内表面首先形成结晶,后扩展到基质小泡外。成骨细胞还产生另外的酶,能选择性地去除非胶原性结合蛋白,说明体内钙化进程是受调控的。在胚胎时期,甲状腺发生和分化较早,分泌甲状腺素和降钙素,前者使骨化按正常时间出现,后者能激活成骨细胞,促进其线粒体摄取钙和降低细胞外基质中的游离钙,有利于进一步钙化。

2.骨组织的吸收

在骨发生和生长过程中,骨组织形成同时,有骨组织的吸收。参与骨组织吸收的细胞是破骨细胞。破骨细胞是多核巨细胞,直径可达100μm,含2～50个细胞核,胞质呈泡沫状,弱嗜碱性或嗜酸性;常见于骨组织表面的吸收陷窝处。面向骨质表面有许多皱褶缘,在此区释放蛋白酶、碳酸酐酶、枸橼酸和乳酸等,在酶和酸的作用下磷灰石结晶被溶解,基质蛋白被降解,同时还可产生氧自由基增强溶骨作用。在皱褶缘周围的细胞质稍隆起,其中无细胞器,只有微丝、微管及无定性基质,称为亮区,此区有吸附骨质的作用,使局部溶骨物质不扩散,有利于形成溶骨的微环境。目前认为破骨细胞是由多个单核细胞融合而成。当骨组织吸收过程完成时,这个合体细胞可相互分离成单个核细胞。

破骨细胞的溶骨作用受多种因素影响。激活其溶骨作用的有成骨细胞、巨噬细胞和淋巴细胞产生的因子。破骨细胞内Ca2+含量升高可抑制其功能活性,而细胞内Ca2+下降增强其功能活性。甲状旁腺激素和降钙素对破骨细胞有相反的调节作用。

（二）骨组织发生的基本方式

骨的种类不同,骨组织发生的方式也不同,主要的方式有两种:从胚胎性结缔组织膜直接骨化形成骨组织,称为膜内成骨;先从间充质形成软骨雏形,在软骨的基础上再骨化形成骨组织,称为软骨内成骨。

1.膜内成骨（intramembranous ossification）

以颅顶骨为例,是由间充质先形成胚胎性结缔组织膜,然后在此膜内直接骨化。将要形成骨的部位,血管增生,间充质细胞增殖密集成膜状。其中某处的间充质细胞分化为骨原细胞,围绕血管的骨原细胞增生密集,并分化为成骨细胞群;成骨细胞分泌骨质的有机成分（类骨质）,并被包围其中;类骨质钙化成为骨质,即形成最早的骨组织,该部位称为初级骨化中心（primary ossification center,亦称为原发骨化中心）。以此骨化中心继续向四周扩展（见图1-1-10）。最初的骨组织是呈针状的初级骨小梁,后继续生长形成网状结构,构成初级骨松质。其外的间充质分化为骨膜。以顶骨为例,初级骨松质外面和内面的间充质,分别分化为骨外膜和骨内膜。初级骨松质不断地被破骨细胞溶解吸收,又被成骨细胞不断地改建,其内、外表面以膜下成骨的方式而形成骨密质,分别称为内板和外板,其间的骨松质构成板障。顶骨外表面以骨组织形成为主,内表面以骨组织吸收为主,使顶骨曲度逐渐变小,颅腔增大,与脑的发育相适应。

2.软骨内成骨（endochondral ossification）

间充质细胞增殖密集,分化成为杆状或不规则的透明软骨雏形,在该软骨内发生骨组织,并逐渐取代软骨组织（图1-1-11）。

以长骨发生为例,长骨的软骨雏形中段的软骨膜下方,发生以膜内成骨的方式生成骨组织,又称软骨周骨化;在骨干段周围所形成的这一薄层骨组织,称为骨领（periosteal collar）。初时为薄壁的骨管,后逐渐增厚,并向两骨骺端延伸。原先的软骨膜成为骨外膜。同时,软骨雏形中央部位的软骨细胞受到FGF停止增殖信号的调节,软骨细胞变肥大,细胞质呈空泡状,糖原聚积,产生基质小泡。软骨基质钙化,后软骨细胞因缺乏营养而退化解体,产生大小不一的腔隙。残留的软骨基质之间的陷窝互相融合为初级腔隙。该区为软骨内首先形成骨的区域,称为初级骨化中心。

骨外膜深层的毛细血管、骨原细胞和破骨细胞构成生骨芽（osteogenic buds）,穿越骨领进入初级腔隙。破骨细胞溶解钙化的软骨基质,使腔隙融合成大而不规则的相互连通的次级腔隙。腔隙内充满胚胎骨髓组织,其中有血管、间充质、成骨细胞、破骨细胞、造血组织和骨髓基质细胞等。成骨细胞依附在残留的钙化软骨基质的表面,细胞相互连接并分泌类骨质,后钙化成骨质。骨质初时呈针状或片状,后连成条索状,其中心为钙化软骨基质,表面为骨组织（初级骨组织）,即为初级骨小梁。破骨细胞破坏早期形成的骨小梁,即形成初级骨髓腔。初级骨小梁很快被改建,被较成熟的骨小梁取代。上述变化过程从骨干段中央向两骺端延伸,长骨的两骺端保留软骨性的骺部。在纵切面可见到骺软骨和干段之间,呈现明显的分区现象,该区称为骺（软骨）板或生长板（epiphyseal growth plate）。

干、骺之间的骺板是长骨迅速生长的组织区。通过软骨细胞纵向的间质性生长,使长骨向两骺端生长;骺端软骨通过周围的软骨膜环附加性生长,使骺软骨扩展（图1-1-12）。

骺部和生长板可区分为软骨静止区、软骨增生区、软骨肥大区、软骨钙化区和成骨区（图1-1-12、图1-1-13）。软骨静止区的软骨细胞小,分散分布。向着骨干部的一侧细胞逐渐增大,软骨细胞呈盘状或楔形,紧密纵向排列,形成细胞柱,细胞柱之间有较多的软骨基质,此区为软骨增生区。接着软骨细胞变肥大,细胞质糖原聚集呈空泡状,即为软骨肥大区。软骨细胞进而死亡解体,细胞柱之间的软骨基质内磷灰石结晶沉积,成为软骨钙化区。由于软骨细胞死亡消失,残留的钙化软骨基质之间形成隧道,其中可见从邻近初级骨髓腔进入的血管、成骨细胞、破骨细胞等,在残留软骨基质周围有成骨细胞和类骨质,骨盐沉积后,骨细胞包埋于其中,即为成骨区。

新形成的骨组织不断被溶解和改建,骨干骨髓腔侧的骨组织被吸收,同时骨干外侧骨膜下成骨又不断发生并向骺部推进,因而使骨干增长增粗,骨髓腔呈横向和纵向扩大。

长骨的生长可延续数月或数年。出生前后骺软骨出现一个或几个次级骨化中心（secondary ossification centers,亦称为继发骨化中心）。指（趾）骨的远端骺部及掌骨近端骺部无次级骨化中心,但有很精细的软骨通道。次级骨化中心出现时,先出现大的同源细胞群,接着软骨基质钙化,然后出现生骨芽,与生长板一样在残留的钙化软骨基质表面形成骨组织。随着骨骺的增大,软骨的周边形成放射形的软骨细胞增生区,从表面到深层为软骨细胞柱生长区、软骨细胞肥大区、软骨基质钙化区和成骨区。早期骨骺表面虽然围以生长软骨,但近干骺端侧的生长板很快成为增生活跃区,细胞柱迅速扩大,直接面向干骺板;其他部位的细胞柱则朝向骺部成骨区（见图1-1-11）。

各种长骨的次级骨化中心出现时间不同,软骨停止生长的时间也不同,随着生长板逐渐消失,干骺骨与骺部骨也逐渐融合,因此融合的时间也不同。骺部和干骺部的骨化过程从生长板四周向中央逐渐靠拢,最后融合,骨的生长即告终止。融合的过程是生长板逐渐变薄;软骨细胞停止增生,细胞柱形成短而不规则的锥形细胞群,并出现片状的软骨基质钙化和吸收,血管性间充质穿过软骨基质吸收形成的隧道,干骺部血管和骺部血管连通,这些血管周围发生骨化过程,使骺部和干骺部的骨最终融合,即为X线片所见的骺线（epiphyseal line）。最后软骨在骺部表面保留形成关节软骨,由于与生长板的软骨细胞表达的基因不同,不发生骨化而形成典型的永久性软骨保持终生。

（三）骨的继续生长和改建

儿童时期长骨的生长主要依靠膜性骨生长和软骨性骨生长。

膜性骨生长见于管状长骨骨干段,沿着骨干发生,从骨外膜内产生的骨组织,称为骨干段生长部（diaphysis）。同样,在干骺部的软骨板周围有环形软骨膜,其内也产生仅为一层细胞的骨组织,称为树皮骨（bone bark）,这种骨生长称为周围生长部（periphysis）。在短骨如脊柱的椎弓,和扁骨如顶骨中,相当于长骨干段的骨生长,其表面也以骨外膜下骨生长的方式生长。通常从骨外膜产生的骨组织称为皮质骨（cortex of bone）（图1-1-14）。

软骨性骨生长发生在骨的许多部位,实际上该部位的骨是由生长的软骨组织,后来由骨组织取代软骨的过程,这种软骨有两种:①传统所指的长骨体生长部（physis）,即位于骺部骨化中心（epiphyseal center,又称次级骨化中心）和干骺端（metaphyses）之间的软骨,这个软骨产生长骨体,逐渐形成干骺端骨（metaphyseal bone）,因此,此软骨通常称为干骺部软骨生长板（metaphyses cartilaginous growth plates）,是盘状的软骨,与骨干的增长有关;②末端生长部（acrophyses）位于所有骨骼的最末端部位,包括围绕骺端的生长部,以及在骨突（apophyses）、腕骨（carpo）和跗骨（tarso）、籽骨（sesamoid）和髌骨（patella）的生长部（图1-1-14）。在骨突和骨干之间也是盘状的生长部。上述生长部相当于长骨体生长部（骺生长板）一样,具有明显的连续性分层,即软骨静止区、软骨增生区、软骨肥大区、软骨钙化区和骨化区。末端骨生长板见于无骺部的小管状骨（non-epiphyseal end of small tubular bones）或指骨远端（图1-1-15）、骨突、腕骨与跗骨的中心、籽骨和髌骨,其末端的骨生长部不但使骨增大,且对骨的纵向生长也有作用。生后各种骨的软骨性骨生长的钙化区可在MRI见到,故称为暂时性钙化区（zone of provisional calcification,ZPC）（图1-1-16）。

骨的不同部位生长速度的差异造成了骨外形的改变。如胫骨的生长,其骨干从圆管状变成三角形管状;同样干骺部缩腰状,是由于骨外膜侧的骨吸收,与内侧生长板扩大致软骨性骨生成扩大,两者速度的差异造成的。在骨生长时,其表层的骨吸收带和骨生成带之间的连接处,称为表面反转线,其位置相对固定,且有长时间伴存的现象。又如,顶骨在生长过程中不断增厚扩大,骨的曲度不断变小,这是由于骨边缘处的骨原细胞不断分裂增殖,并进行造骨,以骨外膜下造骨为主;而骨的内侧面以骨分解吸收为主;造骨和骨吸收不是任何时期都以同样速度进行。

胚胎中膜内成骨和软骨内成骨的早期,都有许多通连的血管腔隙,骨细胞不规则散在分布,无骨板,基质中的胶原纤维束构成不规则的网状结构,称为编织骨（woven bone）。编织骨也存在于成人快速改建的骨和骨折愈合过程中。在生长中的较大骨,呈放射状的血管间隙中也有编织骨,此血管间隙内形成同心圆的非板层骨或板层骨,使血管通道越来越狭窄,渐成初级骨单位（primary osteon）,又称初级哈弗系统（primary Haversian system）。初级骨单位形成之前没有骨组织的吸收,故在初级骨单位与其周围的编织骨之间没有黏合线;当初级骨单位生长停止,在骨外膜和骨内膜形成薄的不明显的环骨板。

在骨的生长中,次级骨单位逐渐取代初级骨单位和编织骨。在形成次级骨单位之前,初级骨单位和编织骨的血管通道先出现骨组织的吸收。首先由破骨细胞破坏骨质,形成圆柱形通道。约有9个破骨细胞一起活动形成“切割锥”,每天移动50μm。成骨细胞随之在该通道的骨质吸收面上以同心圆方式形成环形骨质,每1mm2约有成骨细胞4000个形成一个“封闭锥”。由于成骨细胞在骨质吸收的腔壁上形成环形骨板层,血管通道越来越狭窄。骨吸收和骨形成反向活动的部位,先形成高度钙化的嗜碱性黏合线（cement line）。次级骨单位的形成延续终生。编织骨、初级骨单位、环骨板和次级骨单位破坏吸收过程中,残余部分形成间骨板（interstitial lamella）,位于新的骨单位之间（图1-1-17）。

每个骨单位长约2mm,在1～3个月内完成吸收,形成新的骨单位也需同样的时间。松质骨也有类似次级骨单位的结构,称为骨结构单位,结构单位的厚度40～70μm,长约100μm。许多骨小梁在一侧的面积,比其另一侧的面积较大而不规则。骨小梁改建的发生,及其形态的变化受控于多种因素,一般认为与张力有关,当地心引力或其他机械力降低时,如长期卧床或空间引力为零的情况下,会出现骨吸收。同样持续受到压力时也可引起骨吸收。而持续受到张力可引起骨形成。