骨的一般结构

在物种进化过程中,骨的结构随着功能的变化与需要,也处在不断进化与优化之中。例如,根据Wolff“功能决定形态”定律(Wolff定律),我们可以很好地解释骨小梁的方向与骨的作用力一致且相适应的现象。骨的大体形态是长期进化与适应内外环境的结果,其变化是十分缓慢的。但骨的微结构(micro architecture)则可发生较迅速的代谢适应性变化,这种变化是骨重建(bone remodeling)的结果,所谓骨重建一般是指成骨和破骨的循环式变化过程。在骨的生长过程中,骨重建总是不断地适应功能的需要,使骨的微结构以最经济和最完美的构型来适应功能的需要。因此,抗骨折的因素主要由骨量(bone mass)、骨的空间结构(spatial distribution)和骨的内在特性(intrinsic properties)组成。

从小的中轴负重骨(weight-bearing bone)到四肢长骨,骨的形状和大小都不相同。这种骨组织在正常情况下被包裹在纤维鞘(即骨膜)内,具有丰富的神经和血液供应。骨骼肌通过肌腱胶原纤维和骨膜附着在骨上。骨组织经过构塑与重建,完善其结构变迁,使其适应作用力的传导与抵抗损伤的功能。而且能在持续存在的地心引力情况下,维持人的正常功能姿势。一般认为,每个骨的轮廓从遗传学上是可以预测的,但是其内部结构却有很大的不同。例如:皮质层厚度、骨膜和骨髓腔直径的变化以及骨小梁的质、量和方向等,都随着所承受的力和环境变化而变化。

长骨含有结构不同的骨密质和骨松质

表面一层十分致密而坚硬,称为骨密质(致密骨,compact bone),骨密质见于长骨的骨干和扁平骨(flat bone)的表层,又称皮质骨(cortical bone)。内层和两端是许多不规则的片状或线状骨质结构,称骨小梁(小梁骨,trabecular bone)。骨小梁在干骺端丰富,虽与骨干在皮质内层是相连续的,但在骨干相对稀疏。骨小梁顺最大应力线和张力线排列,相互连接呈疏松的海绵状,称为骨松质(cancellous bone)。骨松质主要构成长骨的干骺端和扁平骨的深层。在成年人,这两种骨都具有板层状结构(板层骨,lamellar bone)。板层骨内的胶原纤维排列规则,胶原纤维环绕血管间隙而呈同心圆排列;在骨松质内,胶原纤维与骨小梁呈纵轴平行排列。许多胶原纤维穿过板间区(interlamellar zone),从而增加骨组织对机械应力(mechanical stress)的抵抗。在胚胎或幼儿,以及在成人的某些病理状态下,可出现交织骨(编织骨,woven bone),由不规则的胶原和陷窝状骨组织构成,其胶原纤维粗短,纵横交错,排列不规则,骨内的骨细胞(osteocytes)较圆而大,细胞数目也较板层骨多。

因而,交织骨比板层骨处于更活跃的代谢状态。在生长时期,长骨的干骺端由编织骨构成,通常经过再吸收,最终被板层骨替代。在骨折后新形成的骨痂内、邻近炎性反应区、肿瘤产生的新生骨中、骨膜最初形成的骨组织中,以及在骨膜遭受异常应力的情况下,均有交织骨形成。在骨的移植物(transplants)、骨骼炎症、骨肿瘤、糖尿病、骨折愈合处和许多代谢性骨病中,均可见到较多交织骨形成。这些非成熟骨组织难以矿化,不易转化为板层骨。许多前炎症因子激活核因子-κB(nclear factor kappa B,NF-κB)后再调节骨的生长发育和代谢,因此NF-κB可作为许多炎症相关性骨病的治疗靶点。

骨松质的腔隙彼此通连,其中充满小血管和造血组织,称为骨髓(bone marrow)。随着增龄,某些部位的骨髓造血组织被脂肪组织取代(黄骨髓,yellow bone marrow)。骨的生成、吸收和骨髓细胞有密切关系。骨髓基质细胞包括了骨和软骨生成的细胞谱系,同时骨髓基质细胞还与骨的代谢和骨细胞的凋亡有着密切关系,骨髓中的干细胞可调节破骨细胞(osteoclasts)和成骨细胞的生成、分化与功能。长骨两端的骨骺主要由骨松质构成,长骨的中段称为骨干(diaphyses),呈管状,由骨密质构成管壁,中间的管腔称为骨髓腔(medullary cavity)。在生长阶段的长骨,骨骺与骨干之间被一层透明软骨分隔,称骺软骨板(epiphyses plate),骨骺与骨干的过渡区称为干骺端(metaphyses)。在颅部的扁骨表面,仅有薄层骨密质,中间大部分是骨松质。

骨膜/骨板/骨单位构成骨组织

骨膜

骨膜是由致密结缔组织组成的纤维膜,包被在骨表面的称骨外膜(periosteum),衬附在骨髓腔面的则称骨内膜(endosteum)。

一、骨外膜

一般可分为两层:①纤维层是最外的一层薄的、致密的、排列不规则的结缔组织,其中含有成纤维细胞。结缔组织中含有较粗大的胶原纤维束,彼此交织成网状,有血管和神经在纤维束中穿行,其中有一些分支经深层进入伏克曼管(Volkmann canal)。新的类骨质组织最开始在靠近血管的腔壁上沉积形成线条状结构,在类骨质的内衬面产生新的板层骨;较大的Volkmann管逐渐变窄,并终止于吸收腔的近端和远端。吸收腔中的破骨细胞可进入矿化骨的深层。并随着吸收腔的扩大,形成很多附加的Volkmann管,这些Volkmann管与附近的Volkmann管呈纵向连接。有些粗大的胶原纤维束向内进入骨质的外环层骨板,称为穿通纤维(perforating fiber,Sharpey fiber),它们将骨膜牢牢地固定在骨面上,大的营养血管穿过这些纤维进入骨内。②新生层(cambium layer)或骨发生层(osteogenic layer)为骨外膜的内层,主要由多功能的扁平梭形细胞组成,粗大的胶原纤维很少,但含有较多的弹力纤维,形成一薄层弹力纤维网。内层与骨质紧密相连,并在结构上随年龄和功能活动而变化。在胚胎期或幼年时期,骨骼迅速生长,内层的细胞数量较多,直接参与骨的生长。在成年期,骨外膜内层细胞呈稳定状态(变为梭形),与结缔组织中的成纤维细胞很难区别。当骨受损后,这些细胞又恢复成骨能力,变为典型的成骨细胞,参与新的骨质形成。

二、骨内膜

骨内膜是一薄层含细胞的结缔组织,除衬附在骨髓腔面外,也衬附在中央管内以及包在松骨质的骨小梁表面。骨内膜中的细胞也具有成骨和造血功能。还有形成破骨细胞的潜能。成年后的骨内膜细胞呈不活跃状态,遇有骨损伤时,可恢复成骨功能,但骨内膜和骨外膜处的骨重建过程有所不同,两处的骨代谢对外源性和内源性调节因子的反应也不一样。例如,PTH1-34、PTH1-31、PTH2-34对小鼠长骨骨内、外膜的成骨作用存在明显差异。

外环骨板层

表面的骨板环绕骨干排列,称为外环骨板层,由数层骨板构成,其外和骨外膜紧密相连。在外环骨板层中可见与骨干相垂直的孔道,横向穿行于骨板层,称为穿通管,通过穿通管,营养血管进入骨内,和纵向走行的中央管内的血管相通。中央管经穿通管连接,使其与骨面和髓腔相通。

内环骨板层

靠近骨髓腔面也有数层骨板环绕骨干排列,称为内环骨板层,骨板层可因骨髓腔的凹凸面而排列不甚规则,骨板的最内层衬附有骨内膜,也可见有垂直穿行的穿通管。

骨单位

在内外环骨板层之间是骨干骨密质的主要部位,由许多骨单位构成。骨单位(osteon)为厚壁的圆筒状结构,与骨干的长轴呈平行排列,中央有一条细管称中央管。围绕中央管有5~20层骨板呈同心圆排列,宛如层层套入的管鞘。中央管与周围的骨板共同组成骨单位或Haversian系统(Haversian system)。众多的骨单位依骨的长轴而纵向排列,因此在横切面上可见一小的圆形开口,在纵切面上为一长条裂口。无数的骨小管呈放射状,从中央管向骨陷窝(lacuna)走行,使中央管与陷窝相通,其功能是使陷窝内的骨细胞经骨小管获得营养供应,同时将代谢产物排出。陷窝是扁形或椭圆形结构,其内壁有无数小裂隙,与骨小管相通,骨细胞的许多细长的突起经裂隙伸入骨小管内。

每一骨单位的表面有一层黏合质(cement),呈强嗜碱性,含有大量的矿物质,而胶质很少。在横断面的骨磨片上呈折光较强的骨单位轮廓线,称为黏合线(cement line)。由破骨细胞形成的骨吸收腔往往还残存许多纤维状胶原(fibrillar group of collagen),这些胶原突出于腔壁,与黏合线十分邻近,这些胶原蛋白由局部的金属蛋白酶(metalloproteases)来消化吸收。但在致密性骨发育不全症(pycnodysostosis)患者中,残留在Howship陷窝中的胶原纤维不能被清除,其原因可能与骨衬细胞(lining cells)功能障碍有关。由于骨吸收后的胶原不能及时清除,继发性成骨作用也发生异常。在骨单位之间,充填着一些不完整的骨单位,形状不甚规则,大都缺乏中央管,称为间骨板(interstitial lamellae)是部分吸收后的骨单位。

中央管的直径平均为300μm,长3~5mm,内壁衬附有一层结缔组织,其中的细胞成分随着每一骨单位的活动状态而各有不同。在新生的骨质内多为骨祖细胞,被破坏的骨单位则有破骨细胞,骨沉积在骨外膜或骨内膜沟的表面形成的骨单位,或在骨松质骨骼内形成的骨单位,称为初级骨单位(primary osteon)。中央管被同心圆骨板柱围绕,仅有几层骨板。初级骨单位常见于未成熟骨。次级骨单位(secondary osteon)与初级骨单位相似,它是初级骨单位经改建后形成的。次级骨单位(继发性哈弗系统)有一黏合线,容易辨认,并使其与邻近的矿化组织分开来。

密质骨的骨板厚度一般为5~7μm,但各部位的骨矿物质分布并不相同。在内外环骨板和间骨板内,骨矿物质含量很高,而在各板层中分布一致。各骨单位的骨矿物质沉积程度不完全相同,在同一骨单位中,各板层骨的骨矿物质分布也不一致。新生成骨单位的骨矿物质沉积较少,随着骨的生长,骨矿物质由中央管附近的骨板逐渐向周围沉积,而且含量不断增多。老的骨单位具有较多的骨矿物质沉积。

骨结构单位与重建单位执行不同功能

骨结构单位

骨结构单位(bone structural unit,BSU)代表功能性骨单位进行持续骨重建的最终结构,也称为基本多细胞单位(basic multicellular units,BMU),每个BMU周期包括破骨细胞激活及骨吸收,成骨细胞激活及骨形成,两者互成耦联(mutual coupling)。男性的峰值骨量高于女性主要与雄激素有关。同理,雄激素缺乏所致的骨矿密度(骨密度,bone mineral density,BMD)下降也是BMU的骨形成减少或骨形成低于骨吸收所致。BMU的活性通常用活化频度(activation frequency)表示,但在组织切片中,活化频度是指所见到BMU的多少(rate of BMU appearance),可用单位时间内单位体积中新生的BMU表示,但计算BMU并不能代表真正的BMU的产生率(rate of origination),而后者更能代表骨重建活性(bone remodeling activity)。BMU中的骨形成指标一般用矿物质沉积率(mineral apposition rate,MAR)表示。骨转换率(bone turnover rate)取决于破骨细胞激活率。而整个骨量反映在BMU水平累加的骨量。骨量变化的大小及方向取决于在BMU水平骨形成与骨吸收的比例及骨组织单位体积BMU的产生率。小梁骨骨内膜表面大于皮质骨,骨内膜面的骨吸收过多,使小梁骨的骨体积比皮质骨减少得更多。

破骨细胞可表达钙通道蛋白,如兰尼碱受体(ryanodine receptors,RyR)肌醇-1,4,5-三磷酸盐受体(inositol-1,4,5-trisphosphate receptors,IP3R)和钙释放激活性钙通道(calcium release-activated calcium channels,CRAC),调节破骨细胞功能,使破骨细胞内Ca2+浓度与细胞外适应。另一方面,骨细胞合成和分泌骨硬化素(sclerostin),促进骨的矿化。

骨重建单位

骨重建开始时,单个骨重建单位(bone remodeling unit,BRU)形成新的骨结构单位(BSU),其过程如下:①静止的骨表面覆盖了扁平骨衬细胞。②破骨细胞在Howship陷窝形成吸收表面。③单核细胞在吸收表面沉积,形成黏合线(反转期,reverse phase)。④成骨细胞在黏合线上沉积一层厚的类骨质,形成早期骨形成表面,但尚未矿化。⑤当成熟的成骨细胞完成类骨质沉积后,在黏合线与类骨质层之间形成一层新的矿化骨(后期骨形成面)。⑥完成重建周期,恢复静止表面,原吸收腔完全被新的BSU所填充。

骨重建在4个部位进行,即骨外膜表面、哈弗管内表面、骨小梁内表面及骨内膜表面。先是破骨细胞被激活,由破骨细胞进行骨吸收(bone resorption),破骨细胞的微绒毛(microvillus)形成皱褶缘(ruffled border)及清亮区(ciearzone)朝向骨质。破骨细胞富有溶酶体酶(lysosomal enzymes),抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase,TRAP)作为其标志酶(marker enzyme)。随后,在骨形成表面排列一层厚的立方形成骨细胞,合成非矿化的有机基质(类骨质),其中有些以后被包围形成骨细胞。

在一定部位,有一定数量的细胞参与骨重建。骨重建最终形成BSU。在小梁骨,BSU表现为半月形结构,包括小梁骨单位及其壁,彼此借黏合线或反转线分开,闭合锥形体为Howship陷窝所代替。在体内,骨的力学强度除取决于BMD和微结构外,在很大程度更取决于骨骼肌的情况。Frost等认为,负重骨的骨力学性能来源于相伴骨骼肌的肌力大小,而非生物力学因素(如激素、营养素等)只是协助肌肉的作用,增加或减弱骨强度(bone strength),因而肌肉和骨骼应看作是一个协同运动功能的整体单位。

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