第二节　骨的发生、生长与重建

一、骨组织发生的基本过程

骨来源于胚胎时期胚内中胚层的间充质细胞。胚胎的第6期末（约第16天），这些细胞具有了向不同方向分化的潜能，可以分化为成纤维母细胞、成软骨细胞和成骨细胞等。骨组织发生的基本过程包括了骨组织形成和骨组织重吸收两方面的变化，一方面不断形成新的骨组织，另一方面旧的骨组织不断被吸收和改建，从而保证骨的生长发育与个体的生长发育相适应。二者在骨组织发生发育过程中总是同时存在，相辅相成，且不限于胚胎时期，在成人骨组织仍继续进行。

1.骨组织的形成

骨组织的形成一般分两步完成，首先是形成类骨质，之后是类骨质钙化为骨组织。在胚胎早期，首先由中胚层间充质细胞在将要形成骨的部位转为骨祖细胞（又名骨原细胞、前成骨细胞），然后增殖分化为成骨细胞，再由成骨细胞进一步成熟为骨细胞。当骨膜形成以后，骨细胞则由骨膜中的骨祖细胞逐步分化而来。成骨细胞是骨组织形成过程中最活跃的细胞，具有合成和分泌骨胶原纤维和基质的功能；刚刚形成的骨细胞尚有产生基质的能力，当其成为成熟的骨细胞时便失去了这种功能。

在骨组织的形成过程中，成骨细胞首先合成骨胶原纤维和有机基质，内含唾液蛋白、硫酸软骨素、类脂等，因尚无骨盐沉积，故称类骨质。类骨质逐渐将成骨细胞包埋，埋入类骨质中的成骨细胞则成为骨细胞。类骨质形成后不久即有钙盐沉积，钙盐在类骨质的沉积过程，称类骨质的钙化。这种钙盐由钙、磷酸根和羟基结合而成，分子式为Ca10（PO4）6（OH）2，称羟基磷灰石，其结晶体呈针状，沿骨胶原纤维平行排列。类骨质一经钙化便成为骨组织。随后在新形成的骨组织表面又有新的成骨细胞继续形成类骨质，并有钙盐沉积钙化，如此不断进行，使胚胎时期和出生后生长发育时期的骨组织不断形成、生长。由此可见，骨组织形成的关键在于类骨质的形成和钙化。

钙盐沉积的机制目前尚未完全明了。沉积于类骨质中的无机物来自血液，它们通过毛细血管渗透到骨组织液中。正常人血浆中Ca×Pi=（3~40）mg/100ml（Pi指全部游离的正磷酸盐，如HPO42-、H2PO4-和PO43-），当此乘积达到一定阈值，即Ca×Pi＞40mg/100ml时，组织液中的钙和磷就在类骨质中先形成无定型的胶体磷酸钙，然后进一步转变为羟基磷灰石结晶，从而使类骨质发生钙化。至于在正常情况下钙盐为何只选择性沉积在骨组织，而不沉积于其他结缔组织，原因尚不清楚。有学者认为，线粒体对钙盐有浓集和释放作用，其基质颗粒中的磷酸钙可排至细胞外基质中，加速钙盐沉积；另一种观点认为，骨胶纤维在细胞外形成过程中，作为核晶，起着对骨盐沉积的诱导作用。

成熟的成骨细胞具有合成和分泌骨钙素的功能。骨钙素多沉积于骨内，少量进入血液循环，具有维持骨的正常钙化速率、抑制异常羟基磷灰石结晶形成以及抑制软骨钙化等作用。

2.骨组织的吸收

在骨组织的发生和生长过程中，既有骨组织的形成，同时也有骨组织的重吸收。一方面是骨组织本身生长发育的需要，同时骨在不断增大时，尚需变形以适应胚胎时期其他器官的发育，因此既有的骨组织需要通过再吸收以适应新环境的要求。参与吸收过程的细胞主要是破骨细胞。骨组织被吸收的浅凹，是由破骨细胞侵蚀溶解骨组织所造成的。

骨组织吸收的机制即破骨细胞溶骨，其过程为：破骨细胞的皱褶缘与亮区共同构成重吸收装置，提供一个局部封闭的微环境；破骨细胞分泌酸性物质、溶酶体酶和胶原酶，溶解骨的无机盐和有机质，然后通过皱褶缘摄入破骨细胞内，再排至细胞外液。破骨细胞有很强的移动能力，在一个部位完成骨质吸收后，可以移至另一个部位进行骨质的重吸收活动。甲状旁腺激素、前列腺素和破骨细胞活化因子等均能够促进破骨细胞的溶骨作用和增加破骨细胞的形成。

事实上，骨组织的形成和吸收同时存在，处于动态平衡。成骨细胞的骨形成与破骨细胞的骨重吸收是骨组织发生以及生长发育过程中不可缺少的两个方面，通过两者相辅相成不可分割的活动完成骨的成形和改建。成年后这两方面的活动仍缓慢持续终生。目前认为，成骨细胞与破骨细胞通过相互调控，共同完成骨组织的形成和吸收，保证骨的生长发育与个体的生长发育相适应。在完成骨改建的过程中，若某种原因导致二者活动不协调，就会造成骨的异常和病变。

二、骨组织发生的方式

由于骨的类型不同，骨组织发生的方式有两种：膜内成骨和软骨内成骨。膜内成骨是指从胚胎性结缔组织不经过软骨阶段直接骨化形成骨组织，也称膜性骨发生；软骨内成骨是指先由间充质形成软骨雏形，在此基础上再进一步骨化形成骨组织，又称软骨性骨发生。

1.膜内成骨（intramembranous ossification）

人体内只有少数骨骼以此种方式成骨，如额骨、顶骨、枕骨、颞骨、锁骨等扁骨和不规则骨等。膜内成骨的成骨过程开始于胚胎期的第8周，最典型的部位是顶骨。在将要成骨的部位，间充质首先分化为原始结缔组织膜，然后，间充质细胞分化为骨祖细胞，后者进一步分化为成骨细胞。成骨细胞在此生成骨组织。首先形成骨组织的部位称骨化中心（ossification center），随着骨化的不断进行，骨小梁形成。成骨细胞在骨小梁表面不断分泌新的类骨质，使骨小梁增长、加粗。成骨细胞从骨祖细胞不断得到补充。骨小梁的范围逐渐扩大成为松质骨，以后松质骨外侧的区域逐步改建为密质骨。成骨区周围的结缔组织相应地转变为骨膜。

2.软骨内成骨（endochondral ossification）

人体的大多数骨，如四肢骨、躯干骨和部分颅底骨等，都以这种方式发生。在软骨内成骨过程中，先由间充质形成透明软骨，当发育到一定程度时，透明软骨逐渐退化，随着血管的侵入，前成骨细胞自软骨膜进入软骨组织，在退化的软骨组织中造骨并逐渐取代软骨组织。这种成骨方式比膜内成骨复杂，现以长骨的发生为例，简述如下：

（1）软骨雏形形成：

由间充质形成软骨是软骨内成骨的开始。在将要成骨的部位，间充质细胞聚集、分化形成骨祖细胞，后者继而先后分化为成软骨细胞和软骨细胞。软骨细胞分泌软骨基质，细胞自身被包埋其中，于是形成一块透明软骨，其外形与将要形成的长骨相似，故称软骨雏形（cartilage model）。周围的间充质则分化为软骨膜。软骨雏形生长到一定程度时，其中段的软骨细胞体积增大，并分泌碱性磷酸酶，导致细胞周围的薄层软骨基质钙化，而钙化的软骨基质阻断了弥散性营养供应，导致软骨细胞退化死亡，留下较大的软骨陷窝。

（2）骨领形成：

骨领（bone collar）开始形成于软骨雏形中段的软骨膜下。在软骨雏形中段开始退化的同时，软骨膜周围的毛细血管长入软骨膜，其内层的骨祖细胞分化为成骨细胞。由于毛细血管的长入，在氧充足的微环境诱导下，于软骨中段的表面形成薄层原始骨松质鞘，形如领圈状围绕着软骨雏形中段，故名骨领。骨领形成后，其表面的软骨膜即改称骨外膜。骨外膜内层的骨祖细胞继续分裂、分化，在骨领表面以及两端增添新的骨组织，使骨领增厚加长，成为原始骨干的松质骨。

（3）初级骨化中心与骨髓腔形成：

软骨雏形中央的软骨细胞停止分裂，体积变大，并分泌碱性磷酸酶，其周围的软骨基质钙化，软骨细胞退化死亡。骨膜中的血管连同结缔组织穿越骨领，进入退化的软骨区。破骨细胞、成骨细胞、骨祖细胞和间充质细胞随之进入。破骨细胞消化分解退化的软骨，形成许多与软骨雏形长轴一致的隧道。成骨细胞贴附于残存的软骨基质表面成骨。这种以钙化软骨基质为中轴、表面附以骨组织的结构，称过渡型骨小梁。开始出现过渡型骨小梁的部位即为初级骨化中心（primary ossification center）。过渡型骨小梁之间为初级骨髓腔，间充质细胞在此分化为网状细胞，形成网状组织，当造血干细胞进入并繁殖时，即成为造血组织或骨髓。

初级骨化中心形成后，骨化将继续向软骨雏形两端扩展，过渡型骨小梁也将被破骨细胞吸收，使初级骨髓腔融合成一个较大的腔，称骨髓腔。在此过程中，雏形两端的软骨不断增生，邻接骨髓腔处不断骨化，从而使骨不断加长。同时骺软骨到初级骨化中心之间出现了一个中间移行区，可分为4个区带：①软骨储备区：软骨细胞较小，呈圆形或椭圆形，分散存在。软骨基质呈弱嗜碱性。②软骨增生区：软骨细胞增殖活跃，细胞为扁平形，同源细胞群成单行排列，形成一串串并列纵行的软骨细胞柱。③软骨钙化区：软骨细胞成熟肥大，变圆，并逐渐退化死亡。软骨基质钙化，呈强嗜碱性。④成骨区：钙化的软骨基质表面有骨组织形成，构成条索状的过渡型骨小梁。这是因为增生区和钙化区的软骨细胞呈纵行排列，细胞退化死亡后留下相互平行的纵向管状隧道。因此形成的过渡型骨小梁均呈条索状，在长骨的纵切面上，似钟乳石样悬挂在钙化区的底部。在钙化的软骨基质和过渡型骨小梁表面，都可见破骨细胞，这两种结构最终都会被吸收，从而骨髓腔向长骨两端扩展。

（4）次级骨化中心与骨骺形成：

出生前后，在长骨两端骨骺中出现新的骨化中心，称次级骨化中心（secondary ossification center）或骺骨化中心。其变化基本上和初级骨化中心相类似，但骨化是从中央呈放射状向四周进行的，形成的骨小梁交织成网，构成了骨松质。供应次级骨化中心的动脉来自软骨之外，而不是软骨膜。次级骨化中心的出现时间因骨而异，大多在出生后数月或数年，少数发生于出生前，同一长骨两端的次级骨化中心的出现时间也有早晚之分。骨化中心的数目也因骨而异，通常为1个，但骨骺形状复杂者往往不只1个，如股骨近端先后出现3个次级骨化中心。

骨骺的次级骨化中心和骨干的初级骨化中心之间在相当一段时间内不相融合，两者之间有一片状软骨存在，称骺板（epiphyseal plate）或生长板。其软骨细胞不断增殖，致使骨干不断加长。成年之前，骺板始终具有从骨骺侧向骨干侧的软骨内成骨的四步基本变化，因此，骺板的发育直接关系到骨干的加长。到17~20岁，骺板软骨停止增生，不久便完全被骨小梁取代，骨骺与骨干愈合，此时长骨即停止增长。骨骺与骨干之间留有一道致密线，称骺线。仅关节面终生保留薄层透明软骨，即为关节软骨。

（5）骨单位的形成和改建：

早期的骨干（骨领）由薄层原始骨松质构成，以后逐渐增厚，内部骨小梁增粗，骨质变密。到1岁左右，骨干内部开始有骨单位的发生。骨单位的形成必须具备以下3个条件：①具有管状隧道；②进入隧道的营养血管；③伴随血管进入的骨原细胞等。在骨干外表面出现许多被破骨细胞吸收形成的纵沟，沟内有来自骨外膜的血管以及骨祖细胞等。首先，骨祖细胞分化为成骨细胞，在沟沿上产生骨组织，使纵沟闭合成管，随后在纵沟内的成骨细胞自外向内逐层形成哈弗斯骨板，逐渐缩小的管腔即为中央管，内含血管、淋巴管、骨祖细胞等。最内层骨板表面的骨祖细胞构成骨内膜。骨干的外表面不断形成骨单位，而内面的原始骨密质则逐渐被吸收，从而使骨干不断加粗，骨髓腔逐渐增大。骨骼的增粗于25~30岁停止。当成年长骨不再增粗时，骨干的外、内表面分别形成永久性的外、内环骨板。但骨单位的更新却持续终生，这种更新一般是在内、外环骨板之间进行。新骨单位的形成先由破骨细胞侵蚀吸收骨质，造成骨吸收腔，再由成骨细胞成骨。破骨细胞所侵蚀吸收的往往是死骨，包括骨细胞营养不良而致死亡的哈弗斯骨板和无血管供应的间骨板。成人的骨单位形成需要4~5周，当骨单位接近形成时，骨形成的速率减慢。在人的一生中，通过破骨细胞和成骨细胞的作用，哈弗斯系统不断更新。更新中残留的一些不规则骨板，即为间骨板。骨的改建终生进行，只是速度越来越慢。

三、影响骨骼生长发育的因素

1.激素

（1）生长激素（growth hormone，GH）：

由腺垂体远侧部的生长激素细胞分泌，其释放受下丘脑的控制。正常人每天大约需要5mg，在蛋白质、脂类和糖类代谢中起重要作用。多种不同刺激都可以引起健康人生长激素的分泌，这些刺激可能通过神经机制起作用，经下丘脑生长激素释放因子传递，对生长激素的垂体合成和释放进行调控。

生长激素对骨的作用，主要作用于骺板，刺激骺板软骨细胞的分裂、增生。成年前生长激素若分泌亢进，则骺板生长加速，长骨过长，导致巨人症；若生长激素分泌不足，则骺板生长缓慢以致肢体短小成为垂体性侏儒症；成人时期若生长激素分泌亢进，因此时骨骺已经愈合，骨不再加长，但其骨质特别是肢端可变粗变厚，即为肢端肥大症。生长激素对骨及软骨形成的作用都是一种间接效应，主要通过生长素介质（somatomedin）产生作用。生长素介质可以改变下丘脑生长激素释放因子（GHRF）位点的敏感性，以此调节下丘脑对各种时期刺激的反应。

（2）甲状腺激素（thyroid hormone，TH）：

由甲状腺滤泡上皮细胞分泌，分为四碘甲腺原氨酸（T4）和三碘甲腺原氨酸（T3）两种。释放到血液中的激素以T4为主，约占90%；T3分泌量较少，但T3活性比T4强5倍。这两种激素在血浆中大部分结合到某些血浆蛋白质上进行运输。只有游离的甲状腺激素才具有活性，且游离的甲状腺激素只占甲状腺激素总量的0.024%，其中游离T3占其总量的0.5%。甲状腺激素的合成和分泌受腺垂体分泌的促甲状腺素（TSH）的控制。甲状腺激素的生理功能非常广泛，如T3、T4作用于机体的多种细胞，影响到机体的生长发育、组织分化、物质代谢，并涉及多种系统、器官的功能。其主要作用是促进机体的新陈代谢，提高神经兴奋性，促进生长发育。这些生理作用都是互相联系而复杂的，其中对骨骼的生长发育影响很大。甲状腺激素能影响骨的生长，而生长激素影响软骨的生长。

正常生理情况下，甲状腺激素能增加尿磷的排泄，使磷酸肌酸分解增加，而且T3可以直接作用于肾，使肾小管重吸收磷减少，尿磷增加，并可促进蛋白质的合成。当甲状腺激素过多时，可引起钙磷代谢紊乱，发生负钙平衡、负氮平衡、骨骼脱钙，长期的失钙可出现骨质疏松；能促进蛋白质的分解代谢，增加尿钙的排泄。同时由于骨吸收增强，骨更新率加速，又加重了骨质疏松，甚至引起纤维囊性骨炎，发生继发性的甲状腺功能亢进，此时可发生严重的骨痛、骨畸形，甚至出现病理性骨折。

若胎儿和婴幼儿时期甲状腺功能低下，血液中的甲状腺激素缺乏，可引起严重的甲状腺性侏儒，出现身材矮小、脑发育障碍，即呆小症。甲状腺激素与骨生成和骨吸收有关，能促进骨化和骨的成熟，当儿童时期缺乏甲状腺激素时，表现为骨骺骨化推迟、骨骺发育不正常，称骨骺发育不全，是甲状腺功能减退的特殊表现。甲状腺激素与生长激素具有协同作用，甲状腺激素可促进垂体前叶分泌生长激素，当甲状腺激素缺乏时，生长激素也出现缺乏，引起生长停滞；反之，当生长激素缺乏时，甲状腺激素也不能发挥其生理作用。

（3）甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）：

由甲状旁腺细胞分泌，是一种肽类激素，主要作用于成骨细胞和破骨细胞，使骨盐溶解，并能促进肠及肾小管吸收钙，从而升高血钙。

甲状旁腺激素对骨的生长发育影响较为复杂，概括而言具有3个方面的作用：①直接促进成骨细胞的增殖和分化。近年发现，成骨细胞具有特异性PTH受体。成骨细胞膜上的PTH受体有两种，一种是以cAMP为第二信使，而另一种则以Ca2+为第二信使。PTH对成骨细胞的作用主要就是通过启动这两种信使产生效应的。②间接促进破骨细胞的活性，产生溶骨作用。破骨细胞膜上无PTH受体，PTH对它的作用，要通过破骨细胞发生部分或全部形态上的改变，使骨吸收部位暴露出来，产生某种生物信号传递给局部的破骨细胞，导致破骨细胞前体对骨质识别、聚集和产生溶骨作用。研究发现，经PTH刺激，破骨细胞内的溶酶体水解酶类合成显著加速，溶酶体活性的增强是使骨吸收加速的基本因素。此外，破骨细胞加速消耗葡萄糖，引起乳酸和枸橼酸的堆积，且酸性代谢产物的堆积是造成骨吸收的重要条件，因为酸能使骨钙溶解增加，并能增高细胞酶类的活性。③直接增强软骨的合成。PTH还能在体内促进骨生长因子的释放，直接增强软骨的合成。体内给予PTH，尿中cAMP含量上升，磷含量上升。

（4）降钙素（calcitonin，CT）：

主要由甲状腺滤泡旁细胞（又称C细胞）分泌；甲状旁腺和胸腺也存在一些C细胞，也能分泌一些降钙素。降钙素对骨的作用是直接抑制骨的吸收过程，且这种作用较强，即使没有PTH和维生素D的存在，CT仍能发挥这种作用。降钙素对骨吸收的直接影响出现很快，在注射CT后15分钟即能观察到破骨细胞数目减少和活性降低。由于破骨细胞的作用机制被抑制，骨吸收减弱，而成骨过程增强，使骨组织释放入血的钙盐减少，血钙和血磷浓度降低。临床上根据CT抑制骨吸收，促进骨形成，改善骨质量的作用，用其治疗骨质疏松症、佩吉特病及各种骨炎等，收到较好疗效。

（5）性激素：

性激素有雌激素（estrogen）和雄激素（androgen）两种。雌激素大部分由卵巢分泌，雄激素大部分由睾丸分泌（睾酮），少量的雌激素和雄激素可由肾上腺皮质分泌。在正常生理情况下，男性血清中存在雌激素，女性血清中存在雄激素。在人体生命过程中，这两种激素无论在男性体内还是在女性体内都有协同作用。儿童时期只分泌少量的性激素，但性激素却是青春期生长的基础，而且在青春期后仍能继续不断地影响骨骼的代谢。性激素能促进成骨细胞的合成代谢，促进骨的生长和成熟。雄激素对生长板有重要作用，这种作用与动物的种属、性别、年龄等有关。在个体内不同生长板对雌激素的反应可能不一样，一般来说，雌激素对骨的长度生长有抑制作用。卵巢切口引流会造成骨骺增宽、矿化减慢、封闭推迟，而超生理剂量的雌激素会加速生长板的衰老过程，造成生长过早停滞。雌激素对生长板的这一作用机制目前还不清楚。睾酮缺乏会延迟软骨细胞的成熟和干骺端的骨化，因而会造成发育阻滞。生理水平的睾酮会加速上述过程，但过量的睾酮使骨化增加的程度超过软骨细胞增殖和成熟的程度，也会造成生长阻滞。睾酮对生长板软骨细胞的作用机制尚未最后肯定。

对于骨骼生长发育，性激素不仅影响软骨内成骨，也影响膜内成骨。同时，雌激素还能抑制骨骼对甲状腺激素的反应。若成年前雌激素水平过低，则影响软骨内成骨和膜内成骨过程，具体表现为骺骨化中心出现迟缓，骨骺和骨干愈合以及骨缝闭合都受到影响。成年后若体内雌激素分泌过少还会导致妇女骨质疏松症的发生。

（6）糖皮质激素（glucocorticoid）：

由肾上腺皮质分泌，生理作用广泛，有对物质代谢的各种作用，如糖代谢、脂肪代谢、蛋白质代谢、水盐代谢等，还有对各种组织、各器官的作用。在对骨骼的作用过程中，使成骨细胞体内的RNA和蛋白质合成抑制，蛋白质分解代谢占优势，促进骨质分解，使新骨形成减少、生长减慢。糖皮质激素还有抗维生素D的作用，减少小肠对钙的吸收，抑制肾小管对钙的再吸收，使钙的排出量增多，造成骨质疏松。

（7）胰岛素（insulin，INS）：

由胰岛细胞中的B细胞（又称胰岛素细胞）分泌。胰岛素为由51个氨基酸组成的多肽，对三大物质代谢均有影响，但主要参与调节糖代谢。

胰岛素是软骨和骨生长的调节因子，具有直接或间接的刺激效应。胰岛素对软骨的直接作用可能是由生长介质介导的；研究发现，软骨组织细胞具有特异性的胰岛素受体，能刺激糖蛋白的合成；胰岛素能增加Ⅰ型胶原的生物合成，而且还能加强碱性磷酸酶的活性，对成骨细胞有刺激效应。胰岛素对钙吸收和骨矿化可能起到间接作用，即由1，25（OH）2-D3为介导，因为肾合成维生素D3代谢产物时需要胰岛素参与。

2.维生素

维生素对骨的生长发育、新陈代谢起重要作用，其中维生素A、维生素C和维生素D影响最为密切，当这些维生素缺乏时可引起骨的生长停滞、代谢紊乱等。

（1）维生素A（Vit A）：

维生素A又称抗干眼维生素、抗感染维生素或视黄醇，是一族具有脂环的不饱和一元醇，包括维生素A1、维生素A2、维生素A3。维生素A是一种脂溶性的维生素，来源丰富，主要存在于动物的各个器官中，尤其以肝内最多；植物体中不含维生素A，但许多水果和蔬菜中含有维生素A的前体β-胡萝卜素，后者可初步受肠黏膜的15，15′-双加氧酶作用，在15-15′碳链断裂，理论上能生成2分子的视黄醇，故β-胡萝卜素又称维生素A原。凡是影响脂肪吸收的疾病，都可以引起维生素A缺乏，如脂性腹泻、胰腺疾病、肝脏疾病等。

维生素A对成骨细胞和破骨细胞的活性起协调平衡作用，以维持骨的正常生长和改建过程。当维生素A缺乏时，骨的生长缓慢，且生长与改建速度失调，导致骨畸形生长。如颅骨不能适应脑的发育、椎骨的椎孔不能扩大而影响脊髓的生长，以致造成中枢神经系统损伤。维生素A缺乏还会影响骺板软骨细胞的发育，若没有维生素A，长骨的生长将迟缓，或不能连续生长成熟，骨骺就要变性，骨的软骨内生长停止，续塑形的作用也停止。高剂量的维生素A对动物机体也会产生严重不良反应。动物实验发现，大量维生素A有从软骨中释放出酸性多糖的作用，其原因是过量的维生素A可使胞质中的溶酶体放出内源性的蛋白水解酶，这种酶溶解了软骨基质中的集合体，是释放出酸性多糖的原因。大量维生素A可以使结缔组织基质中的硫酸软骨素含量降低，刺激破骨细胞的活性，降低成骨细胞的活性，使溶骨活动增强，骨的重吸收超过骨形成，导致骨变得极度脆弱，出现骨质疏松、手足搐搦及病理性骨折等。

（2）维生素C（Vit C）：

维生素C又称抗坏血酸，包括L-抗坏血酸和L-脱氢抗坏血酸两种，且这两种抗坏血酸在一定条件下可以相互转化。维生素C广泛存在于动植物界，在新鲜的蔬菜水果中含量极为丰富，在动物体内以肾上腺皮质、眼球晶状体和肝中较多。维生素C对组织代谢的作用主要是关系着细胞的氧化和呼吸，决定着细胞的生理功能和生命。

维生素C主要影响中胚层起源的组织，其中骨组织反应最为明显。维生素C能影响骨祖细胞的分裂增殖，并与成骨细胞合成胶原和有机基质的功能直接相关。维生素C是胶原合成过程中必需的维生素，所以维生素C缺乏造成的主要损害是不能产生正常的骨基质。当维生素C严重缺乏时可导致坏血病，此时对骨的影响为：①纤维结缔组织的基质和内皮细胞的黏着性下降，常常造成毛细血管出血，一般以骨外膜下出血最明显。②生长中长骨的干骺端出血，阻碍成骨细胞进入该处，钙化的软骨大量堆积，而且质脆易折；另一方面，由于骨原细胞分裂受阻、成骨细胞数量明显不足，干骺端骨小梁形成受阻。若坏血病不十分严重，可能形成少量不规则的骨小梁。骨小梁缺乏和钙化软骨质脆易折，大大削弱了骨骺与干骺端连接的牢固性，容易造成干、骺之间的骨折。③骨干的骨生成受阻，而破骨作用却继续进行，结果骨干变薄、疏松，易发骨干部骨折。骨折后由于缺乏类骨质形成，愈合极为缓慢。维生素C过多是否引起机体中毒，目前尚无可靠资料。

维生素C还能促进钙化，当维生素C缺乏时，不但影响钙化作用，同时磷的代谢也出现失调。血清中磷减少主要是受钙代谢的影响，同时也受磷酸酶活性降低的影响。所以当维生素C缺乏时影响骨胶原纤维的生成，骨质疏松脆弱易骨折，严重时可导致骨的生长停滞。

（3）维生素D（Vit D）：

维生素D是固醇类衍生物。人体内的维生素D主要由7-脱氢胆固醇经紫外线照射转变而来，称维生素D3，又称胆钙化醇。植物中的麦角醇可以转为维生素D2。对人体而言，维生素D2和维生素D3具有同样的生理作用，而且作用效力也相同。皮肤是人体唯一可以进行维生素D3光化生物合成的器官。人体皮肤每天由7-脱氢胆固醇转变来的维生素D3为200~400U（1U=0.025µg），只要充分接受阳光照射，就能满足生理需要。

维生素D能促进小肠对钙、磷的吸收，提高血钙和血磷的水平，有利于类骨质的钙化。维生素D严重缺乏时，在儿童可引起佝偻病，在成人则可能发生骨软化症。佝偻病和骨软化症的组织学特征，是软骨基质和类骨质都不能钙化。维生素D增加小肠对钙、磷吸收的作用机制，可能是改变肠道的pH，有利于形成易吸收的酸性钙盐，但不能影响肠道分泌钙的量。

维生素D在骨的新陈代谢中，对钙化完整的骨中的钙有吸收的生理作用以满足新生骨的需要，以此来维持骨的正常结构，控制血和骨中钙平衡。维生素D是人体骨代谢中重要的钙调节激素之一，其作用主要有两个方面，一是使骨的吸收下降，二是增加骨量和改善骨质量。1，25-（OH）2-D3是维生素D在体内的活性形式。研究发现，成骨细胞表面有D3受体，D3可刺激成骨细胞分泌较多的骨钙蛋白，同时D3还可提高碱性磷酸酶的活性，从而对钙化起重要作用。

老年人由于日照少，皮肤对紫外线反应差，维生素D3生成减少，维生素D摄入不足，肾脏形成1，25-（OH）2-D3减少等原因，均可导致血清25-（OH）-D3和1，25-（OH）2-D3水平降低，造成肠吸收减少和血钙降低，刺激PTH分泌增加，从而加速骨吸收，导致骨质疏松。

（4）维生素K（Vit K）：

维生素K又称抗出血维生素，是一族具有抗出血作用的酮类化合物，包括K1~K7七种，其中K1、K2是天然存在的，K3~K7为合成物质。天然存在的维生素K为脂溶性维生素，广泛存在于自然界中，如无头甘蓝、菠菜、白菜及番茄（西红柿）等蔬菜，以及瘦肉、猪肝、牛肝等动物性食品，因此维生素K的来源较为丰富。另外，许多细菌，包括某些正常的肠道菌，也能合成人体所需的维生素K。

维生素K对骨骼系统生长发育的影响主要表现在对骨钙素合成的影响。骨钙素又称骨γ-羧谷氨酸包含蛋白（BGP），其确切功能尚不十分清楚，一般认为其功能与结构有密切关系，每一个骨钙素分子上有3个γ-羧谷氨酸残基，因此它与钙离子和羟基磷灰石有强烈的亲和性，1mg骨钙素能结合17mg羟基磷灰石，故对钙化过程有重要调节作用。实验证明，BGP的生理功能是保持骨的正常矿化和抑制由于异常羟基磷灰石结晶、沉积所导致的生长软骨矿化加速的作用。此外，骨钙素在调节骨吸收方面有一定的作用，它对破骨细胞和单核细胞有趋化性，促使骨吸收细胞向骨迁移，在骨再造中起作用；它具有结合到羟基磷灰石表面的性质，这种性质依赖于γ-羧谷氨酸。

3.骨发育的相关分子

（1）Osterix：

骨形成是一个涉及从骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化的复杂发育过程。成骨细胞定向分化受到多步骤的分子控制、不同的转录因子和信号通路的调控，包括Indian hedgehog、RUNX2（核心结合因子α1）、Osterix（Osx成骨因子）、Wnt信号通路等。Osterix是骨形成所必需的成骨细胞特异性转录因子，含428个氨基酸残基。Osterix最早是在骨髓间充质干细胞被骨形态发生蛋白-2诱导向成骨细胞分化过程中发现的。Osterix缺乏后完全缺乏骨发育，而软骨是正常的，这为研究骨的形成打开了一个全新的窗口。Osterix抑制Wnt信号通路，参与骨形成的调控。骨形成过程中，Osterix下游的靶目标包括Satb2、维生素D受体、血管内皮生长因子、Dkk1、Sost。骨形成过程一系列信号转导分支的揭示，能为一些新的治疗药物的研发提供分子理论基础，以便于治疗骨缺失疾病（如骨质疏松症和骨坏死）。Osterix是核心结合因子CBFα1的下游靶分子。

（2）成纤维细胞生长因子受体：

成纤维细胞生长因子受体（FGFR）属于免疫球蛋白超家族成员，它们与其相应配体成纤维细胞生长因子（FGF）结合，在组织器官发育及损伤修复过程中发挥重要作用。FGFR已发现1~4型，是肝素结合生长因子家族成员。FGFR3含806个氨基酸残基，不同剪切体的分子量为110~135kD，能在硫酸乙酰肝素蛋白多糖（HSPG）协同下，使自身络氨酸残基磷酸化，再经SH2域蛋白、磷脂酶γ、Ras、蛋白激酶MAPK/P13K通路，产生生物学效应。FGFR3缺乏、FGFR3信号通路活性降低，可导致长骨钙化障碍、骨质减少、易骨折、骨钙素/骨桥蛋白表达水平下调等。

（3）生长激素/胰岛素样生长因子Ⅰ：

软骨内成骨是人体生长、发育的重要方式。软骨内成骨异常会严重影响青少年的健康成长及中老年人的生活质量。生长激素/胰岛素样生长因子Ⅰ轴是软骨内成骨的中心轴。胰岛素样生长因子Ⅰ是软骨内成骨必需的生长因子，维持软骨细胞代谢、骨基质蛋白合成/分解的稳态，促进软骨细胞增殖肥大。但多种因素可使其发生变化，从而导致软骨内成骨异常。有人总结了软骨内成骨过程中影响胰岛素样生长因子Ⅰ的因素，包括生长激素（经生长激素受体/转录因子STAT5，促进胰岛素样生长因子Ⅰ的表达）、糖皮质激素（能下调胰岛素样生长因子Ⅰ的表达）、白介素-1/白介素-1受体、营养、雌激素（能通过生长激素/胰岛素样生长因子Ⅰ轴，上调胰岛素样生长因子Ⅰ的表达）、钾离子（低血钾能下调胰岛素样生长因子Ⅰ的表达）、维生素D（促进胰岛素样生长因子Ⅰ的表达）、核因子κB（促进胰岛素样生长因子Ⅰ的表达，使成骨细胞抗凋亡）等。

（4）微小RNA：

微小RNA（miRNA）是一类非蛋白质编码调控小RNA，长度约22nt。miRNA不编码蛋白质。目前正在研究miRNA调控单一组织的限制性转录，使一类组织编码一类转录因子，控制一类组织细胞增殖、分化、凋亡、个体生长发育。一些miRNA能对成骨分化过程产生正向、负向调控作用；如随着骨质疏松症的发展，miRNA-214水平不断升高，而抑制产生miRNA-214后，症状改善。

（5）牙本质基质蛋白1：

牙本质基质蛋白1（dentin matrix protein 1，DMP1）是骨和软骨发育过程中非常重要的蛋白之一，是非胶原蛋白，分子量57kD，能促进结合Ca2+形成骨钙质，在骨组织中高水平表达，其可能是介导骨和软骨形成的关键因子。随着研究的逐步深入，DMP1被发现可能调控软骨发育；DMP1基因突变可引发佝偻病。

（6）转化生长因子：

有学者观察转化生长因子（TGF-β1）及转化生长因子受体TβRⅠ/Ⅱ在软骨雏形中的表达，探讨其作用机制。应用半定量RT-PCR，分析3种因子在13~17天全胚中的变化情况，通过免疫组化法观察3种因子在13~17天软骨雏形中的表达及该组织发育结构特点。结果显示，3种因子在发育第13~15天表达呈递减趋势，第16~17天出现下降。免疫组化显示，TGF-β1主要位于软骨雏形内的软骨骨祖细胞，TβRⅠ、TβRⅡ可位于软骨骨祖细胞内，也可位于其细胞膜及间质内。TGF-β1、TβRⅠ、TβRⅡ在软骨雏形发育过程中可能起到调控作用，尤其是对组织器官形态的发生。骨的发育和再生中，血管生成与骨形成相关。

（7）缺氧诱导因子-1α：

缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）在骨发育中有关键作用。缺氧诱导表达缺氧诱导因子-1α，是骨骼血管生成-骨形成偶联的重要驱动力。高水平缺氧诱导因子-1α能促进表达血管内皮生长因子（VEGF），再促进骨骼血管生成-骨形成，从而促进成骨细胞-血管龛的发育。成骨细胞HIF-1α信号系统介导的骨形成不是成骨细胞独立自主的活动，而是与骨骼血管生成所依赖的血管内皮生长因子信号系统相偶联的。

四、骨的生长

骨质形成以后，经过细胞的分化增殖，以及特化为各种骨骼，在应力的影响下骨骼逐渐扩大变形，以致骨骼完全成熟。从骨骼发育后到骨骼完全成熟称之为生长，也称骨的塑造（bone modeling）。塑造是在局部因素作用下能够改变生长模式或组织和器官的结构组成，从而在宏观上改变结构的外形。尽管塑造在胚胎期已经开始，但主要在出生后进行。在整个生长发育过程中，通过塑造对骨进行连续不断的再成形，但成熟后塑造停止。骨的塑造包括骨骼的纵向横向扩大以及变形。骨骼从生长到完全定型后不再有所改变时，骨的塑造也就完成。骨的塑造过程离不开骨的形成和吸收，但此时的骨形成和骨吸收不是偶联发生的，无论在空间和时间上彼此均无联系，骨吸收和骨形成在不同区域进行，活动也彼此无关，调节机制也各不相同。

骨的塑造经历着破骨细胞的吸收漂移过程（进行连续或波浪式的骨吸收）和成骨细胞的漂移过程（连续或波浪式产生新骨），从而不断建造着骨的表面。这两个过程构成了骨塑造活性的基本行为。骨的塑造主要改变的是骨膜和骨内膜。人体从婴幼儿到成年的生长发育过程中，骨的塑造主要是建立和保持骨的宏观外形。骨塑造时，有3组细胞活动：①纵行组：包括软骨内骨化过程和关节软骨，可建立骨的长度、关节几何形状及大小，骨骼发育成熟后即停止，不参加成年人因骨代谢疾病而出现的病理及解剖改变；②横行组：作用于骨组织的实际面，与骨纵轴垂直，基于软骨成骨过程的空间定向，决定于整个骨组织的转换率，可建立骨的横径及两骨端之间的整个骨量；③成纤维组：包括所有胶原活动，形成肌腱、韧带、筋膜，不参与成人骨代谢疾病的病理生理活动。在胎儿及幼儿，皮质骨虽不断从骨外膜沉积，但同时存在骨内膜的骨吸收，即成骨细胞合成基质与破骨细胞的溶骨吸收同时进行，因此皮质骨并不增厚。

在儿童及少年，骺板（生长板）纵向生长、生长停止乃至最后联合。在青年，骨内膜骨并非净吸收，也有相当骨内膜骨的添加，使皮质变厚，这个过程一直延续至30~40岁。此后有短暂的稳定阶段，即骨沉积和吸收维持相对平衡。再以后，由于骨内膜骨吸收增加，骨量逐渐丢失，髓腔增宽，而长骨外径并不减少，甚至有轻度增加。在哈弗斯系统再建过程中，新的骨单位形成与骨吸收不相平衡，皮质骨出现吸收腔隙，最后小梁骨特别是椎骨的骨量出现严重丢失。

在骨塑造过程中，主要通过软骨内骨化，骨沿纵轴生长，骨干的骨外膜不断有新骨形成，骨的周径不断增大。与此同时，在干骺端，新的骨小梁不断形成，直到骨骺联合为止。应力对骨的塑造产生重要影响。骨的生长、发育和萎缩与应力直接相关，如骨的大小、形状可以为应力所改变，骨小梁的排列、骨皮质的厚度、骨的长度都可因肌肉张力及载荷而改变。1884年，Wolff首先提出“功能适应”原则，即在功能需要的地方发生骨形成，而在功能不需要的地方发生骨吸收。后来研究发现，骨骼是按照作用于其上的外力不断进行着塑造过程，通过其自身的骨形成和骨吸收，保持内部应力的平衡，以适应外力的变化。

五、骨的重建

骨骼在塑造完成以后，并不是一成不变的，而是随着时间进行着骨内的代谢性或反应性的变化；通过不断地老骨移除和新骨替换，可以修复骨骼的老化退变，这种变化过程是微观的、隐匿进行的，不至于影响骨的机械性能，这种不改变外形的骨内变化称之为骨的重建或骨的再塑造。通过这种方式，可以在整个生命过程中保持骨骼的健康无损。一般认为，骨折愈合过程和骨的发生、生长塑造以及重建极为相似，故研究骨的发生、生长塑造及再建的过程，可作为模拟骨折愈合的全部过程来进行研究。

板层骨为人类提供了全部支撑物，而且它具有两种基本功能：①为机体提供物理支撑和机械运动；②所含无机物对维持内环境的稳定有重要作用。板层骨的形成完全是一种代替机制，即骨形成只有在刚完成吸收的部位进行。局部或血液循环中产生的前体细胞分化为一组新形成的破骨细胞，这些细胞以一个整体一起完成骨吸收作用。它们吸收骨的深度差别不大，并能决定下一个骨重建单位（bone remodeling unit，BRU）的位置、形状和大小。当完成任务后，破骨细胞消失，随后出现一个静止间隙期或称反转期，这一时期长短不同。在这一期间，被吸收的空间变平并形成黏合线，然后另一个协作的成骨细胞单位出现，它们来自不同前体细胞池，其作用是尽可能准确地填补刚刚被吸收的骨质并建立一个新的BRU，这样骨的转换在几处进行，骨重建在这些部位持续4~8个月。因此把有一定寿命的一组特殊细胞群称BRU。它们在这些部位完成一个骨重建过程，穿过皮质层或穿过骨小梁表面以进行骨重建，按照一定的顺序和预期的方式进行。即：①使前体细胞分化激活（活化）；②破骨细胞出现在某个地方吸收骨质（吸收）；③成骨细胞聚集在刚刚吸收了的骨表面形成新骨（形成）。每个BRU持续的时间大致相同，当以上3个过程结束时，以相同体积的新骨更新替代旧骨。这种替代可以清除任何微观损伤，并不断恢复骨细胞的数目。

“活化—吸收—形成”这个顺序是人和所有长寿命脊椎动物在整个生命过程中发生在骨外膜表面、哈弗斯系统表面、骨内膜表面和骨小梁表面的骨重建过程的特点。它可以周转骨但不会改变骨的宏观构造和骨的总量，这与骨的塑造过程存在本质上的区别。在人的生长过程中，骨重建混合着骨表面的漂移，这种缓慢的漂移在儿童时期与骨的塑造引起的骨的周转相适应，而在成人时期却与骨的重建引起的周转相适应。“活化—吸收—形成”可简单表达为“A-R-F”。Parfitt将一个“A-R-F”划分为6个不同阶段，详见表1-2。

骨重建的生理过程同样包括骨的吸收和骨的形成两个方面。吸收骨的细胞为破骨细胞。在骨吸收过程中，固相矿物质变为可溶性的糖胺苷被消化，胶原纤维被分散开，大的胶原分子被分解成小肽。一般来说，脱钙骨容易被吸收。破骨细胞避免吸收类骨质只限于吸收过程的开始，一旦这一过程开始，破骨细胞通过的所有骨质都会被吸收而不管其矿化程度如何。

骨形成分为两个阶段，即基质的形成和矿化。这两个过程在时间和空间两方面都彼此分开，负责骨形成的细胞是成骨细胞。骨基质形成决定了新骨的体积，但决定不了骨密度。基质的形成涉及胶原、蛋白多糖和其他基质化合物的生物合成。矿化只会增加骨的密度而不改变骨的体积。在矿化过程中，固态的矿物盐置换了骨中的水分子。首先沉积的是磷酸三钙，然后再逐渐演变为羟基磷灰石结晶。矿化骨与类骨质之间的界限常模糊不清，中间有个宽约3µm的过渡带，称分界带。在软骨和编织骨钙化过程中，成软骨细胞和成骨细胞产生小的与膜结合的基质颗粒，这些颗粒又可以主动地积蓄钙和磷离子。在成人板层骨形成中还未证实有这些颗粒的存在，但它们及其残余物可能是分界带镜下的表现所在。

骨重建反映了骨面增减的全部过程，与骨的生长塑造过程不同。骨的塑造是在生长中骨骼适应于机械负荷的总体机制，而骨重建则是通过组织间隙沿骨体纵轴移除和修复骨面，是一种隐匿的运动类型。骨塑造和骨重建的根本差异是：骨重建是在骨的骨面上进行周期性的吸收及修复，而骨塑造是既有吸收又有形成且长期持续而没有间断的骨增长。两者之间的异同点详见表1-3。

（陈　华）