组织学与胚胎学-软骨和骨

软骨和骨一、软骨软骨作为一种器官由软骨组织及其周围的软骨膜构成。软骨组织由软骨基质、纤维和软骨细胞构成。根据软骨组织中所含纤维的不同，将软骨分为三种，即透明软骨、纤维软骨和弹性软骨。（一）透明软骨透明软骨（hyalinecartilage）分布较广，关节软骨、肋软骨、气管和支气管的软骨等均属这种软骨。透明软骨因在新鲜时呈半透明状，故而得名。1.透明软骨组织的结构（1）软骨基质（cartilagematrix）呈固态，其化学组成与疏松结缔组织的基质相似，但糖胺多糖以硫酸软骨素含量最高；也以透明质酸分子为主干，形成分子筛结构。在HE染色时呈嗜碱性。基质内的小腔称为软骨陷窝（cartilagelacuna），软骨细胞即位于此陷窝中。软骨陷窝周围的基质呈强嗜碱性，称为软骨囊（cartilagecapsule），其硫酸软骨素含量高，胶原原纤维少或无。软骨组织内无血管，但基质富含水分，渗透性好，因而软骨膜内血管中的营养物质可通过渗透进入软骨组织。（2）纤维（fiber）透明软骨中的纤维是胶原原纤维，由Ⅱ型胶原蛋白组成。胶原原纤维很细，直径为10～20nm，无明显的周期性横纹，其折光率相似于基质，因此在光镜下与基质不易区分。（3）软骨细胞（chondrocyte）位于软骨陷窝中。幼稚的软骨细胞位于软骨组织周边部，深部细胞逐渐成熟变大，呈椭圆形或圆形，并成群分布于陷窝内，它们来自一个母细胞，称为同源细胞群（i-sogenousgroup）。成熟软骨细胞的核为圆形或卵圆形，染色浅，可见1～2个核仁，细胞质呈弱嗜碱性（图4-1）。电镜下，细胞质内有大量的粗面内质网和发达的高尔基复合体，还有少量的线粒体及一些糖原颗粒和脂滴（图4-2）。软骨细胞合成和分泌软骨组织的纤维和基质。图4-1透明软骨光镜像（中倍）▲软骨囊↓同源细胞群←软骨陷窝△软骨细胞图4-2软骨细胞电镜结构模式图2.软骨膜除关节软骨外，软骨表面均被覆一层致密结缔组织，即软骨膜（perichondri-um）。软骨膜可分为内层和外层，外层纤维多，较致密，主要起保护作用，内层细胞和血管多，较疏松，其中的梭形骨祖细胞可增殖分化为软骨细胞，使软骨生长。3.软骨的生长（1）外加生长（appositionalgrowth）：软骨膜内层的骨祖细胞分裂分化，向软骨组织表面添加新的软骨细胞，新的软骨细胞合成和分泌纤维和基质，使软骨从表面向外扩大。（2）间质生长（interstitialgrowth）：软骨组织内的软骨细胞分裂增殖，并合成和分泌纤维和基质，使软骨从内部生长扩大。临床应用软骨组织工程：软骨内无血管，一旦损伤，极难修复至正常。为解决这一难题而开展的软骨组织工程研究，十余年来在世界各国蓬勃发展，取得了许多很有意义的成果。其中自体软骨细胞移植修复关节软骨部分缺损已被食品药品管理局（FDA）批准用于临床，还有一批组织工程产品已进入临床前或临床验证阶段。软骨组织工程的基本方法是将自体或异体组织细胞经体外培养扩增后接种到一种组织相容性好可降解吸收的生物材料上，将组织-生物材料复合体植入体内组织缺损部位，生物材料逐渐被降解吸收，而组织形成新的有功能的软骨组织，从而达到修复软骨缺损的目的。种子细胞的选择、培养和软骨细胞支架材料的选择是软骨组织工程的两个重要环节。（二）纤维软骨纤维软骨（fibrocartilage）分布于关节盘、椎间盘和耻骨联合等处，其结构特点是含有大量由Ⅰ型胶原蛋白构成的胶原纤维束，呈平行排列。HE切片中，染成红色，基质较少，软骨细胞较小，成行分布于纤维束之间（图4-3）。（三）弹性软骨弹性软骨（elasticcartilage）分布于耳郭和会厌等处，其结构特点是软骨组织中含有大量交织成网的弹性纤维（图4-4），使软骨具有很强的弹性。图4-3纤维软骨光镜像（中倍）↑胶原纤维束△软骨细胞▲软骨囊图4-4弹性软骨光镜像（地衣红染色，高倍）※软骨膜←弹性纤维△软骨细胞二、骨骨作为一种器官，由骨组织、骨膜和骨髓等构成，具有运动、保护和支持作用，骨髓是血细胞发生的部位。此外，骨组织是人体重要的钙、磷贮存库，体内99%的钙和85%的磷贮存于骨内。（一）骨组织骨组织（osseoustissue）是人体最坚硬的组织之一，由大量钙化的细胞间质和多种细胞组成。钙化的细胞间质称为骨基质，细胞包括骨祖细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。骨细胞数量最多，分散在骨基质内，其余三种细胞位于骨组织边缘（图4-5）。1.骨基质骨基质（bonematrix）即钙化的细胞间质，包括有机质和无机质。有机质由大量胶原纤维和少量无定型有机物组成，这种未钙化的细胞间质又称类骨质（osteoid）。其中胶原纤维称骨胶纤维（bonecollagenfiber），主要由Ⅰ型胶原蛋白组成，分子间有较大的空隙，占有机质的90%。有机物呈凝胶状，主要成分是中性和弱酸性糖胺多糖，还含有多种糖蛋白，如骨钙蛋白（osteocalcin）、骨粘连蛋白（osteonectin）和骨桥蛋白（osteopontin）。无机质又称骨盐（bonemineral），占骨重量的65%，主要为羟磷灰石结晶（hydroxyapatitecrystal），其分子式为Ca10(PO4）6(OH）2，属不溶性的中性盐，呈细针状，长10～20nm，沿胶原纤维长轴排列。骨基质中的骨胶纤维成层排列，并与骨盐紧密结合，构成板层状的骨板（bonelamel-la），同层骨板内的纤维相互平行，相邻两层骨板的纤维相互垂直或成一定角度，犹如多层木质胶合板的结构。2.骨组织的细胞（1）骨祖细胞骨祖细胞（osteoprogenitorcell）又称骨原细胞（osteogeniccell），位于骨组织表面，细胞较小，呈梭形，细胞核椭圆形，细胞质少，呈弱嗜碱性，含少量核糖体和线粒体（图4-5）。骨祖细胞是骨组织的干细胞，当骨组织生长、改建及骨折修复时，骨祖细胞能分裂分化为成骨细胞。（2）成骨细胞成骨细胞（osteoblast）位于骨组织表面，成年前较多，成年后较少（图4-5）。成骨细胞常呈单层排列，胞体较大，立方形或矮柱状，表面伸出许多细小突起，并与邻近的成骨细胞或骨细胞的突起形成缝隙连接。成骨细胞的核较大，呈圆形，可见明显的核仁，细胞质嗜碱性。电镜下可见丰富的粗面内质网和发达的高尔基复合体。成骨细胞的功能是合成和分泌骨胶纤维和基质，并以顶浆分泌方式向类骨质中释放基质小泡（matrixvesi-cle）。基质小泡直径约0.1μm，有膜包被，小泡膜上有碱性磷酸酶、ATP酶等，小泡内含有钙结合蛋白及细小的骨盐结晶。基质小泡是类骨质钙化的重要结构。当成骨细胞被其分泌的类骨质包埋并有钙盐沉积时，便成为骨细胞。（3）骨细胞骨细胞（osteocyte）单个分散于骨板内或骨板间，胞体较小呈扁椭圆形，位于骨陷窝（bonelacuna）内，胞体伸出许多细长突起，位于骨小管（bonecanaliculus）内，相邻骨细胞的突起形成缝隙连接，因而骨小管也彼此通连。骨陷窝和骨小管内的组织液可营养骨细胞，同时运走代谢产物（图4-5，图4-6）。骨细胞对骨质的更新与维持具有重要作用，骨陷窝周围的薄层骨质钙化程度较低，当机体需要时，骨细胞可溶解此层骨质使钙释放，进入骨陷窝的组织液中，从而参与调节血钙的平衡。图4-5骨组织的各种细胞模式图图4-6骨细胞超微结构模式图（4）破骨细胞破骨细胞（osteoclast）数量较少，位于骨组织表面的小凹陷内。破骨细胞是一种多核大细胞，一般认为它是由多个单核细胞融合形成。细胞直径约100nm，含核2～50个。光镜下，细胞质嗜酸性，功能活跃的破骨细胞在骨质侧有纹状缘，电镜下为微绒毛，称为皱褶缘（ruffledborder），在其周围有一道环形的细胞质区，此区含多量微丝而无其他细胞器，电子密度低，称亮区（clearzone），皱褶缘的细胞质内含大量溶酶体和吞饮泡，泡内含骨盐晶体及解体的有机成分（图4-7）。亮区紧贴骨组织表面，构成一堵环行细胞质“围墙”包围皱褶缘，使所包围区内的水解酶及枸橼酸、乳酸等有机酸的浓度升高，溶解骨质，溶解产物经皱褶缘吸收。破骨细胞的主要功能是溶解和吸收骨质，参与骨组织的重建和维持血钙的平衡。临床应用骨质疏松（osteoporosis）是多种原因引起的一组骨病。病理表现为骨组织显微结构受损，骨矿成分和骨基质等比例不断减少，骨质变薄，骨小梁数量减少，骨脆性增加和骨折危险度升高的一种全身骨代谢障碍的疾病。钙的缺乏是被大家公认的导致骨质疏松的因素之一。降钙素以及维生素D的不足也很重要。然而随着医学的发展，人们对骨质疏松症研究的深入，越来越多的科学研究证实，人体的正常环境是弱碱性，即体液的pH维持在7.35～7.45之间时，就是健康的。可是因为饮食、生活习惯、周围环境、情绪等的影响，人的体液很多时候都会趋于酸性，尤其是在人体摄入大量高蛋白、高糖食物时，出于本能，为了维持体液的酸碱平衡，身体就会动用体内的碱性物质来中和这些酸性物质。体内含量最多的碱性物质就是钙质，它们大量的存在于骨骼中。因此，在大量进食酸性食物的时候，身体就会自然地消耗骨骼中的钙质来中和血液的酸性，以维持酸碱平衡。因此，酸性体质是钙质流失、骨质疏松的重要原因。由此可见，通过改善酸性体质的途径，预防骨质疏松就显得尤为重要。图4-7破骨细胞超微结构模式图图4-8长骨骨干立体结构模式图（二）长骨长骨（longbone）由骨密质、骨松质、骨膜、关节软骨、血管和神经等构成。1.骨密质骨密质（compactbone）分布于长骨骨干的外侧面和骨骺的表层。骨板的排列很有规律，按其排列方式可分为环骨板、骨单位和间骨板。（1）环骨板环绕骨干外表面的环骨板称外环骨板（outercircumferentialla-mela），为10～40层，整齐地环绕骨干排列。环绕骨干内表面的环骨板称内环骨板（innercircumferentiallamella），较薄，由数层排列不甚规则的骨板组成。横向穿越外环骨板和内环骨板的管道称穿通管（perforatingcanal），又称福克曼管（Volkmanncanal），内含血管、神经及组织液。穿通管与纵向走行的中央管相通连（图4-8）。（2）骨单位骨单位（osteon）是内外环骨板之间的纵行圆筒状结构，又称哈弗系统（Hav-ersiansystem）。数量多，是长骨干的基本结构单位。骨单位长0.6～2.5mm，直径30～70nm，其中轴为纵行的管道称中央管（centralcanal），又称哈弗管，内含组织液、血管和神经，周围是10～20层同心圆排列的骨单位骨板，又称哈弗骨板。骨单位表面都有一层含骨盐较多而胶原纤维很少的骨基质，厚约2nm，称黏合线（cementling），骨单位最外层骨板内的骨小管均在黏合线处返折，不与相邻骨单位的骨小管相通，同一骨单位内的骨小管互相通连，最内层的骨小管开口于中央管，形成血管系统与骨细胞间物质交换的通路（图4-8，图4-9）。（3）间骨板间骨板（interstitiallamella）存在于骨单位之间或骨单位与环骨板之间，是骨生长和改建过程中原有的骨单位被吸收时的残留部分（图4-8，图4-9）。图4-9长骨横切片光镜像1中央管2间骨板↓黏合线↑骨陷窝2.骨松质骨松质（spongybone）分布在骨干的内表面和长骨的骨骺，是大量骨小梁（bonetrabecula）相互交织形成的多孔隙网状结构，网孔为骨髓腔，其内充填着红骨髓。骨小梁由针状或片状的骨板构成。3.骨膜骨膜分为骨外膜（periosteum）和骨内膜（endosteum）。骨外膜位于除关节面以外的骨外表面；骨内膜分布在骨髓腔面，穿通管和中央管的内表面及骨小梁的表面。骨外膜较厚，又分为两层。外层为致密结缔组织，含粗大密集的胶原纤维，其中有些纤维穿入骨质，称穿通纤维（perforatingfiber）或沙比纤维（Sharpeyfiber），将骨外膜固定于骨；内层结缔组织疏松，纤维少，含骨祖细胞、成骨细胞、血管神经等。骨内膜较薄，由一层上皮样细胞和少量的结缔组织构成，这种上皮样细胞是一种特殊的骨祖细胞，称为骨被覆细胞（boneliningcell），细胞扁平有突起，彼此之间及与邻近的骨细胞之间有缝隙连接。骨被覆细胞能分裂分化为成骨细胞，从而参与成骨过程，还能吸引破骨细胞贴附于骨组织，参与破骨过程。三、骨的发生骨发生于胚胎时期的间充质，出生以后继续生长发育，直至成年期才停止加长和增粗，但骨的内部改建终生进行，改建速度随年龄增长而逐渐减缓。骨的发生有两种形式，即膜内成骨和软骨内成骨。（一）膜内成骨膜内成骨（intramembranousossification）先由间充质形成未来骨的膜性雏形，再在此雏形内发生骨化过程。人体的顶骨、额骨、枕骨、锁骨等以此种方式发生。其具体过程是：在将要成骨的部位，血管增生，营养供应丰富，间充质细胞密集，形成未来骨的雏形。之后，在骨雏形内某一部位的间充质细胞分化为骨祖细胞，继而分化为成骨细胞，分泌类骨质，自身被包埋其中成为骨细胞，类骨质钙化成为骨基质。该部位最早形成骨组织，称为骨化中心（ossificationcenter）（图4-10）。成骨过程由骨化中心向四周发展。最初形成初级骨小梁，骨小梁逐渐增粗并连接成网，形成初级骨松质，其外侧部分逐步改建为密质骨，周围的间充质分化为骨膜，以后骨进一步生长和改建。以顶骨为例，原始顶骨随着脑发育而不断生长与改建，外表面以成骨为主，使骨不断生长，内表面以骨吸收为主，逐步改变其曲度，通过不断生长与改建，顶骨内、外表面出现了骨密质构成的内板和外板以及中间由骨松质构成的板障。图4-10膜内成骨模式图（二）软骨内成骨软骨内成骨（endochondralossification）先形成未来骨的透明软骨雏形，然后软骨组织逐渐由骨组织替代。人体的四肢骨、躯干骨和部分颅底骨等大多数骨是以此种方式发生的。此种发生方式较为复杂，现以长骨的发生为例说明如下（图4-11）：1.软骨雏形的形成在将要形成长骨的部位，间充质细胞密集并分化成骨祖细胞，骨祖细胞继而分化为成软骨细胞和软骨细胞。软骨细胞分泌软骨基质并包埋在其中，形成软骨组织，周围的间充质分化为软骨膜，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（cartilagemodel）（图4-11）。2.软骨周骨化软骨周骨化（perichondralossification）发生在软骨雏形的中段。软骨膜内层的骨祖细胞分化为成骨细胞，成骨细胞在软骨表面产生类骨质，自身被包埋成为骨细胞，随后类骨质钙化，成为骨基质，以类似膜内成骨的方式在软骨表面形成薄层骨组织，这层骨组织犹如领圈样包绕软骨雏形中段，故称骨领（bonecolar）。骨领形成后，其外侧的软骨膜即改称为骨外膜。骨领不断增长加厚，向两端延伸（图4-11）。3.软骨内骨化图4-11软骨内成骨过程和长骨发生和生长模式图（1）初级骨化中心形成骨领形成后，被骨领环绕的软骨组织中的软骨细胞肥大并分泌碱性磷酸酶，使软骨基质钙化，软骨细胞退化死亡，形成空而大的软骨陷窝，随之骨外膜中的血管连同成骨细胞、破骨细胞及间充质细胞等穿过骨领进入退化的软骨区。破骨细胞溶解、吸收钙化的软骨基质形成许多不规则的隧道。成骨细胞贴附于残存的软骨基质表面形成骨组织，这种以钙化软骨基质为中轴，表面附以骨组织的结构称为过渡型骨小梁，过渡型骨小梁交织成网，构成初级骨髓腔，腔内充满初级骨髓。这一区域称为初级骨化中心（primaryossificationcenter）（图4-11）。（2）骨髓腔的形成初级骨化中心的过渡型骨小梁形成后不久即被破骨细胞溶解吸收，初级骨髓腔融合形成较大的次级骨髓腔，即骨髓腔。随着初级骨化中心成骨过程向两端推移，骨髓腔不断扩大。骨髓腔内的间充质细胞分化为网状细胞，形成网状组织。以后造血干细胞进入并繁殖，成为有造血功能的骨髓（图4-11）。（3）次级骨化中心的出现与骨骺的形成次级骨化中心（secondaryossificationcen-ter）出现在骨干两端的软骨中央。出现时间可在出生前，多数在出生后数月或数年。其形成过程类似于初级骨化中心，但骨化是从中央向四周呈辐射状地进行，最终软骨组织由骨松质取代，使长骨两端成为骨骺。骨骺经过改建，表层为薄层骨密质，内部为骨松质，骨骺的关节面上保留薄层透明软骨即关节软骨。骨骺与骨干之间也保留一片软骨组织，称骺板（epi-physealplate）或称生长板（growthplate），骺板是长骨继续增长的基础（图4-11）。17～20岁时，骺板停止生长并由骨组织取代，长骨停止增长。此时，在骨干与骨骺间留有一条骺板的痕迹线称为骺线（epiphysealline）。（4）骨的加长与增粗骨的加长是通过骺板的不断生长和不断骨化而实现的（图4-12）。此时，从骨骺端到骨干骨髓腔之间，出现了四个动态变化着的区带（图4-11）：①软骨贮备区（zoneofreservecartilage），软骨细胞较小，呈圆形或椭圆形，细胞质弱嗜碱性。②软骨增生区（zoneofproliferatingcartilage），软骨细胞变大并分裂形成同源细胞群，同源细胞群纵向排列成软骨细胞柱。③软骨钙化区（zoneofcalcifyingcartilage），软骨细胞肥大变圆，软骨基质钙化，呈弱嗜碱性。软骨细胞逐渐成为空泡状、核固缩，最终退化死亡。④成骨区（zoneofossification），钙化的软骨基质表面形成骨组织，构成条索状的过渡型骨小梁，钙化的软骨基质和过渡型骨小梁不断被吸收，骨髓腔向长骨两端扩展。骨的增粗是由骨外膜中的骨祖细胞分化为成骨细胞后在骨干表面添加骨组织实现的，而在骨干内表面，骨组织不断被破骨细胞吸收，使骨髓腔横向扩大。图4-12骨干骨密质形成及骨骺发育示意图（三）影响骨生长的因素影响骨生长的因素很多，内因如遗传基因的表达和激素的作用等，外因如营养及维生素供应等。1.激素生长激素和甲状腺激素能促进骺板软骨的生长。成年前，生长激素分泌减少可导致侏儒症，甲状腺素分泌不足可致呆小症，若生长激素分泌过多则骺板生长加速，导致巨人症。甲状旁腺素主要作用于破骨细胞，通过溶骨作用，升高血钙；降钙素主要作用于成骨细胞，增强成骨作用而抑制骨盐溶解，使血钙降低。此外，雌激素可与成骨细胞膜上的雌激素受体结合，使之功能活跃，从而增强成骨作用；糖皮质激素能抑制成骨作用。甲状旁腺素过多，可因骨盐大量分解而导致纤维性骨炎；绝经期女性雌激素不足可引起骨质疏松症。2.维生素维生素C与成骨细胞合成纤维和基质密切相关，严重缺乏时易发生骨折，且骨折愈合缓慢。维生素A可以协调成骨细胞和破骨细胞的活动，从而影响骨的生长速度。维生素D促进肠道吸收钙和磷，从而有利于骨的钙化。严重缺乏时骺板生长缓慢甚至停止。儿童期缺乏维生素D可引起佝偻病，成人缺乏导致骨软化症。3.其他生物活性物质近年来发现一些生物活性物质在骨的生长与改建中起重要作用，如成骨细胞分泌的转化生长因子β可刺激成骨细胞的成骨，抑制破骨细胞的溶骨。此外还有前列腺素、白细胞介素2、白细胞介素6、表皮生长因子和肽刺激因子等。SUMMARYCartilageisatypeofconnectivetissuecomposedofcelscalledchondrocytesandhighlyspecializedextracelularmatrix.Chondrocytessynthe-sizeandmaintainmatrix.Themainfunctionsofcartilagearetosupportsofttissuesandpro-videaslidingareasforjoints,thusfacilitatingbonemovements.Thecarti-lageisessentialforthegrowthoflongbonesbothbeforeandafterbirth.Cartilageisdevoidofbloodvessels.Thelargeamountofglycosamin-oglycansinthematrixpermitsdiffusionofsubstancesbetweenvesselsinthesurroundingconnectivetissueandthechondrocytes.Thethreetypesofcartilagearehyalinecartilage,thematrixofwhichcontainsanumberofcollagenousfibrils,elasticcartilage,thematrixofwhichcontainsalargenumberofelasticfibers,andfibrocartilage,whichcontainscoarsecollagenousfibers.Boneisaspecializedformofconnectivetissuethatconsistsofcelsandextracelularcalcifiedmaterial,thebonematrix.Themineraliscalciumphosphateintheformofhydroxyapatitecrystals[Ca10(PO4)6(OH)2].Thisproducesanextremelyhardtissuecapableofprovidingsupportandprotection,andservesasastoragesiteforcalciumandphosphatetomaintainappropri-atelevelsthroughthebody.Therearefourtypesofcellspresentinbone.Theosteocytesarewithinspacesofthebonematrixcalledlacunae.Theosteocyteextendsnumerousprocessesintolittletunnelscalledcanaliculi.Theprocessesofadjacentosteocytescommunicatebygapjunctions.Acontinuousnetworkofcanaliculiandlacunaecontainingthecellsandtheirprocessesisformedthroughouttheentiremassofmineralizedtissue.Inadditiontoosteo-cytes,therearethreeotherbonecells.Osteoprogenitorcelscangiverisetotheosteoblasts.Osteoblastssecrettheextracellularmatrixofbone.Osteoclastsaremultinucleartedgiantcellsinvolvedintheresorptionandremodellingofbonetissue.Compactboneandspongybonemaybefoundinadultbone.Compactboneinaloneboneislargelycomposedofos-teons.Perforatingcanals(Volkman'scanals)arechannelsinlamellarbonethroughwhichbloodvesselstravelfromperiostealandendostealsurfacestoreachtheosteonalcanals.Besidesosteonscompactbonesalsocontainouterandinnercircummferentiallamellaeandinterstitiallamellae.Boneformationistraditionallyclassifiedasintramembranousossificationandendochondralossification.Intramembranousossificationissocalledbe-causeittakesplacewithinmembranesofmesenchymaltissue.Mostoftheflatbonesareformedbyintramembranousossification.Italsocontrib-utestothegrowthofshortbonesandthethickeningoflongbones.Inthemes