软骨和骨.ppt

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1、第4章 软骨和骨,Cartilage and Bone,概 述,软骨和骨组成人体的骨骼系统，它们分别由软骨组织和骨组织为主要成分构成。软骨组织和骨组织是高度特化的结缔组织，其共同特点是细胞外基质呈固态，而其功能差异主要决定于细胞外基质中无定形基质和纤维成分的性质和比例。,一、软骨,软骨组织由软骨细胞和细胞外基质构成，根据软骨基质内所含纤维的不同，可将软骨分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨3种。,1.透明软骨,透明软骨（hyaline cartilage）分布较广，成体的肋软骨、关节软骨、呼吸管道壁的软骨均为透明软骨。透明软骨的无定形基质中主要含3种糖胺聚糖：聚透明质酸（hyaluronan）、硫

2、酸软骨素（chondroitin sulfate）和硫酸角质素（keratan sulfate）。软骨基质内的小腔称为软骨陷窝（cartilage lacuna），软骨细胞即位于此陷窝内。软骨陷窝周围的基质含硫酸软骨素较多，故嗜碱性强，染色深，称为软骨囊（cartilage capsule）（图4-1）。透明软骨中的纤维是由型胶原蛋白组成的胶原原纤维。由于胶原原纤维纤细，且其折光率与基质的折光率相近，故在光镜下难以分辨。,软骨细胞及同源细胞群,软骨细胞（chondrocyte）位于软骨陷窝内。在软骨组织的周边部，软骨细胞较小，为幼稚的软骨细胞。从周边向深部，软骨细胞逐渐长大成熟，变为椭圆形或圆

3、形，常成群分布，每群28个细胞。这些细胞是由一个幼稚软骨细胞分裂增殖而来的，故称同源细胞群（isogenous group）（图4-1）。在电镜下，软骨细胞表面有许多突起和皱褶，胞质内含有丰富的粗面内质网和发达的高尔基复合体，线粒体较少而糖原和脂滴较多（图4-2）。软骨细胞合成和分泌软骨组织的基质和纤维。,软骨膜,除关节软骨外，软骨组织周围均覆有薄层致密结缔组织，称为软骨膜（perichondrium）。软骨膜可分为两层，外层含较致密的胶原纤维，主要起保护作用。内层纤维较疏松而细胞较多，其中有些梭形的小细胞，称成软骨细胞（chondroblast），可增殖分化为软骨细胞。软骨的营养来自软骨周围

4、的血管。,2.弹性软骨,弹性软骨（elastic cartilage）分布于耳廓、外耳道、咽鼓管、会厌等处。其结构与透明软骨相似，主要特点是软骨基质中含有大量交织成网的弹性纤维，尤以软骨中央的弹性纤维更为密集（图4-3），而胶原原纤维较少。因此，弹性软骨新鲜时呈不透明的黄色，具有较强的弹性。,3.纤维软骨,纤维软骨（fibrocartilage）分布于椎间盘、关节盘、耻骨联合以及某些肌腱和韧带附着于骨的部位等处，软骨基质中含平行或交织排列的胶原纤维束，软骨细胞常成行分布于纤维束之间（图4-4）。纤维软骨具有较大的伸展性，并可对抗压力和摩擦。,3种软骨的比较,软骨的生长,软骨的生长有两种不同的方

5、式。间质生长（interstitial growth）：又称软骨内生长，是通过软骨组织内的软骨细胞分裂增殖，并产生基质和纤维，使软骨从内部增大。间质生长主要见于年幼的软骨。外加生长（appositional growth）：又称软骨膜下生长，是通过软骨膜内层骨祖细胞的分裂分化，产生成软骨细胞，向软骨组织表面添加新的软骨细胞，并产生基质和纤维，使软骨从表面向外扩大。,二、骨,概述：骨由骨组织、骨膜和骨髓等构成，具有支持软组织、构成关节参与身体的运动、以及保护某些重要器官等作用。此外，骨组织与钙、磷代谢有密切关系，是人体重要的“钙、磷库”，体内99%以上的钙和85%的磷贮存于骨组织内。,（一）骨组

6、织,与其他结缔组织一样，骨组织（bone tissue）也由多种细胞和细胞外基质构成。但骨组织的细胞外基质中有矿物质的沉积，即发生了矿化（mineralization）。由于骨组织中的矿物质主要是钙，所以矿化又称钙化（calcification）。骨组织的矿化的细胞外基质称为骨基质。骨组织是人体最坚硬的组织之一。,1骨基质,骨基质（bone matrix）由有机质和无机质构成。有机质包括大量骨胶纤维和少量无定形基质，无机质又称骨盐。骨胶纤维是骨组织中的胶原纤维，占有机质的90%。基质呈凝胶状，主要含中性和弱酸性糖胺聚糖，以及多种糖蛋白。骨盐主要以羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2结晶的形

7、式存在，呈细针状，长1020 nm，沿胶原原纤维长轴规则排列，也可存在于胶原原纤维内胶原分子间的空隙中，这种结合使骨基质既坚硬又有韧性。初形成的骨组织为初级骨组织，又称编织骨。初级骨组织逐渐成熟，成为次级骨组织或称板层骨（lamellar bone）。在板层骨的骨基质中，骨胶纤维较细，有规律地成层排列，且与骨盐晶体和基质紧密结合，构成骨板（bone lamella）。同一层骨板内的纤维相互平行，相邻两层骨板的纤维相互垂直，在HE染色的骨切片上呈不同折光的红色（图4-5）。,2骨组织的细胞,骨组织的细胞有骨祖细胞、成骨细胞、骨细胞、骨被覆细胞和破骨细胞5种，前4种细胞实际上是骨形成细胞的不同分化

8、和功能状态，而破骨细胞的来源不同，它主要参与骨的吸收。骨细胞包埋于骨基质内，其他细胞均位于骨组织的表面（图4-6）。,（1）骨祖细胞,骨祖细胞（osteoprogenitor cell）由间充质干细胞分化而来，位于骨组织的表面。细胞小，呈梭形，胞质弱嗜碱性，仅含少量核糖体和线粒体；细胞核染色淡，椭圆形或扁平形。当骨组织生长和改建或骨折愈合时，骨祖细胞在骨形态发生蛋白（bone morphogenic protein）等因子的刺激下活跃分裂，并分化为成骨细胞。,（2）成骨细胞,成骨细胞（osteoblast）常排成一层，胞体较大，立方形或矮柱状。细胞质呈嗜碱性（图4-7），碱性磷酸酶强阳性。电镜

9、下可见大量粗面内质网、丰富的游离核糖体和发达的高尔基复合体（图4-8）。成骨细胞有活跃的分泌功能，合成和分泌骨胶纤维和有机基质，形成未矿化的细胞外基质，称类骨质（osteoid）。同时，成骨细胞以细胞膜出芽方式向类骨质中释放一些膜包小泡，称为基质小泡（matrix vesicle）（图4-8），膜上有钙结合蛋白、碱性磷酸酶、焦磷酸酶和ATP酶等，小泡内含钙、小的钙盐结晶等。基质小泡在类骨质矿化的起始过程中有重要的作用。,（3）骨细胞,骨细胞（osteocyte）数量最多，是一种多突起的细胞，单个分散于骨板之间或骨板之内。骨细胞的胞体位于骨陷窝（bone lacuna）内，突起位于骨小管（bon

10、e canaliculus）内。成熟的骨细胞较小，呈扁椭圆形，有许多细长突起，胞质弱嗜碱性或嗜酸性，细胞器相对较少（图4-9）。相邻骨细胞的突起形成缝隙连接，以传递细胞间的信息和沟通细胞间的代谢活动。相邻骨陷窝通过骨小管彼此连通，骨陷窝和骨小管内含组织液，可营养骨细胞并带走代谢产物。骨细胞对骨基质的更新和维持有重要作用。,（4）骨被覆细胞,骨被覆细胞（bone lining cell）是扁平的上皮样细胞，在静止骨即不出现骨基质沉积和吸收的骨的表面形成连续的一层（图4-6）。骨被覆细胞是停止成骨后仍存留在骨表面的静止的成骨细胞，也有人认为它是一种特殊的骨祖细胞，在适当的刺激下能转变或分化为功能活

11、跃的成骨细胞。,（5）破骨细胞,破骨细胞（osteoclast）数量较少，常位于骨组织表面被吸收形成的小凹陷内。破骨细胞是一种多核巨细胞，光镜下，其胞质呈泡沫状，多为嗜酸性（图4-10），贴近骨基质的一侧有皱褶缘（ruffled border）。皱褶缘在光镜下呈浅色带，在电镜下为不规则形并分支的指状突起，其结构与微绒毛相似（图4-11），可扩大细胞的表面积；皱褶缘周围的环形胞质区稍隆起，含有许多微丝，而缺乏其他细胞器，故电子密度低，称为亮区（clear zone）。破骨细胞有溶解和吸收骨基质的作用。溶解的骨盐和降解的有机质经皱褶缘吸收，在溶酶体进行消化（图4-12）。,（二）长骨,长骨由骨密质

12、、骨松质、骨膜、关节软骨、骨髓及血管、神经等构成。,1骨密质,骨密质（compact bone）分布于长骨的骨干（diaphysis）和骨骺（epiphysis）的外侧面，其中的骨板排列十分规律，按骨板的排列方式可分为环骨板、骨单位和间骨板。,（1）环骨板,环绕骨干外表面和内表面，分别称为外环骨板（outer circumferential lamella）和内环骨板（inner circumferential lamella）（图4-13）。横向穿越外环骨板和内环骨板的小管称为穿通管，又称Volkmann管，与纵向走行的中央管相通，它们都是小血管和神经的通道，并含组织液。,（2）骨单位,骨单

13、位（osteon）又称哈弗斯系统，位于内、外环骨板之间，数量最多，是骨密质的主要结构单位。骨单位呈圆筒状，其长轴与骨干长轴平行，可分支相连。其中轴为纵行的中央管，又称哈弗斯管；周围为420层同心圆排列的骨单位骨板，又称哈弗斯骨板（图4-13、图4-14）。骨单位表面有一层黏合质，在横断面的骨磨片上呈折光较强的轮廓线，称为黏合线（cement line）（图4-14）。骨单位内的骨小管相互通连，最内层的骨小管均开口于中央管，构成血管系统与骨单位中骨细胞之间营养物质和气体交换的通路。,（3）间骨板,间骨板（interstitial lamella）是原有的骨单位或内、外环骨板被吸收后残留的部分，填

14、充于骨单位之间或骨单位与环骨板之间。间骨板呈扇形或不规则形，其中无血管通道（图4-5，图4-13）。但有时骨单位外层的骨小管可穿过黏合线，与间骨板内的骨小管相连通，形成一条骨单位中央管与间骨板之间的物质交换通道。,2骨松质,骨松质（spongy bone）分布于长骨两端的骨骺和骨干的内侧面，由大量针状或片状的骨小梁（bone trabecula）构成。骨小梁又称骨针（bone spicule），相互连接形成多孔隙网架结构，网孔即为骨髓腔，其中充满红骨髓（图4-15）。骨小梁也是板层骨，由几层平行排列的骨板和骨细胞构成，表层骨板的骨小管开口于骨髓腔，骨细胞从中获得营养并排出代谢产物。,3骨膜,除

15、关节面以外，骨的外表面均覆以骨外膜（periosteum）；在骨髓腔面、穿通管和中央管的内表面、骨小梁的表面均覆以骨内膜（endosteum）。骨外膜为致密结缔组织，较厚，可分两层。外层主要含粗大的胶原纤维束，相互交织成网，有些纤维穿入外环骨板，称穿通纤维（perforating fiber）或Sharpey纤维（Sharpey fiber），其作用是将骨外膜固定于骨；内层结构疏松，纤维少，含骨祖细胞和小血管、神经等。骨的外表面还有骨被覆细胞，与骨祖细胞不易区分。骨内膜较薄，纤维细而少，主要是一层扁平的骨被覆细胞。骨膜的主要功能是保护和营养骨组织，并为骨的生长或修复提供新的成骨细胞。,三、骨的

16、发生、生长和再生,骨由胚胎时期的间充质发生，出生后仍继续生长发育，直到成年才停止加长和加粗，但骨的内部改建(remodeling)持续终身，改建速率则随年龄增长而逐渐减慢。骨发生(osteogenesis)有两种不同方式，即膜内成骨和软骨内成骨，但骨组织发生的基本过程是一致的。,（一）膜内成骨,人体的顶骨、额骨、下颌骨和锁骨等以此方式发生。在将要形成骨的部位，间充质细胞增殖，细胞首先分裂分化为骨祖细胞，进而分化为成骨细胞群，成骨细胞成骨，于是形成最早的骨组织，称为骨化中心，成骨过程由骨化中心向四周扩展，构成初级骨松质（图4-16，图4-17），其外的间充质分化为骨膜。,（二）软骨内成骨,是由间

17、充质先分化为软骨，然后软骨逐渐被骨组织取代。人体的四肢骨、躯干骨和部分颅底骨等以此方式发生。下面以长骨的发生为例，简述其发生过程（图4-18）。1软骨雏形的形成 2骨领的形成3初级骨化中心的形成 4骨髓腔的形成 5次级骨化中心的出现与骨骺的形成,（四）骨的生长和改建(1),1长骨的增长 骺板是长骨继续增长的基础。骺板的软骨细胞分裂增殖，从骨骺侧向骨干侧不断成骨，使骨的长度增加。在胎儿长骨纵切面上，从软骨到骨髓腔之间，可依次分为代表成骨活动的5个区域（图4-19），即软骨贮备区、软骨增生区、软骨成熟区、软骨钙化区、成骨区。2长骨的增粗 骨领的生长和改建是长骨增粗的基础。骨外膜内层的骨祖细胞不断分

18、化为成骨细胞，向骨领表面添加新的骨小梁，使骨领逐渐增厚。而骨领内表面的骨小梁又逐渐被破骨细胞分解吸收，使骨干在增粗的同时保持骨组织有适当厚度（图4-20）。,（四）骨的生长和改建(2),长骨外形的改建 长骨的骨骺和干骺端（metaphysis）呈圆锥形，比骨干粗大。在改建过程中，干骺端骨外膜的破骨细胞进行骨吸收，而骨内膜面的成骨活跃，使干骺端近骨干一侧变细，成为新一段骨干。新增骨干的两端又形成新的干骺端，如此持续不断进行改建，直到长骨不再增长（图4-20）。,（四）骨的生长和改建(3),最早形成的骨干骨密质由初级骨松质构成。大约1岁左右，骨单位才开始形成。先由破骨细胞在骨干外表面分解吸收陈旧骨

19、组织，形成一条纵沟，骨外膜的血管及骨祖细胞等随之进入沟内。然后骨外膜的骨祖细胞逐渐形成骨组织，将纵沟封闭为管道。而管内的骨祖细胞分化为成骨细胞，贴附于管道的表面，从外向内形成同心圆排列的骨单位骨板。原先的管道缩小，其中含血管，成为中央管。中央管与骨干表面之间留下的通道即为穿通管。以后旧的骨单位逐渐被分解吸收，新一代骨单位不断形成，旧骨单位的残余部分即为间骨板(图4-21)。与此同时，由骨外膜和骨内膜的成骨细胞形成环骨板，并不断改建。另外，骨单位的相继形成和外环骨板的增厚，也是骨干增粗的因素。成年后骨干不再增粗，但其内部的骨单位改建仍持续进行。,（五）骨的再生和骨折愈合,骨组织的再生能力较强。骨

20、折后，附近的血管破裂出血形成血肿，靠近断端的骨基质破坏，骨细胞死亡；随即炎细胞浸润，清除组织碎片，吸收血肿；同时，成纤维细胞和血管增生，形成肉芽组织。之后，肉芽组织变成纤维性结缔组织，并有软骨形成；接着，骨外膜和骨内膜的骨祖细胞分化为成骨细胞，在断端附近的骨面和其间的软骨表面以膜内成骨的方式形成骨小梁；血管、成骨细胞和破骨细胞侵入软骨，以软骨内成骨的方式，将软骨逐渐吸收，也形成骨小梁；这些骨小梁连成骨松质，填充、连接于断端之间，称为骨痂，实现骨折的初步愈合。这个过程大约需要23个月。以后，由于患者的活动，骨痂的骨松质发生多次改建，由编织骨转变为板层骨，骨髓腔再通，逐渐恢复骨的原有形态和结构(图

21、4-22)。骨的重建约需数年。,（六）影响骨生长发育的因素,1营养与维生素 维生素D能促进小肠对钙、磷的吸收，提高血钙和血磷水平，有利于类骨质的矿化。维生素A能协调成骨细胞和破骨细胞的活动，维持骨的正常生长和改建。2激素 生长激素和甲状腺激素可促进骺板软骨的生长和成熟。3生物活性物质 包括生长因子和细胞因子等，这些物质多是由成骨细胞分泌的。4应力作用 应力为结构对外部加载负荷的反应，骨的发生和生长与骨的受力状态密切相关。,四、关节,骨与骨的连接处形成关节，根据骨间的连接组织和关节的活动度将关节分为动关节和不动关节两类。动关节主要是滑膜关节，分布广泛，在肢体运动中最为重要，其组成包括关节软骨、关

22、节囊和关节腔。不动关节通过纤维结缔组织、软骨或骨相连接，如颅骨缝、耻骨联合、椎间连接等。,（一）滑膜关节1关节软骨,关节软骨（articular cartilage）为被覆于骨的关节面的薄层透明软骨，具有弹性，表面光滑，附有滑液，可减少关节运动时的摩擦。关节软骨的结构与一般的透明软骨有一定差异，表层的细胞较小，单个分布；深层的细胞较大，呈柱状分布；近骨部的软骨基质矿化，矿化的软骨组织与骨骺的骨组织即软骨下骨相连接。关节软骨基质内的胶原原纤维呈拱形排列，有加固软骨组织的作用（图4-23）。,2关节囊,关节囊（articular capsule）可分内、外两层。外层纤维排列紧密，与骨端的骨外膜连续

23、，维持关节的稳定；内层较疏松，光滑，称为滑膜（synovial membrane），可向关节腔内突出形成滑膜皱襞或绒毛。滑膜内层常被覆14层扁平或立方形的上皮样结缔组织细胞，称为滑膜细胞（synovial cell）。人的滑膜细胞至少可区分出两型：A型细胞又称巨噬细胞样细胞或M细胞，含溶酶体较多；B型细胞又称成纤维细胞样细胞（fibroblast-like cell）或F细胞，含粗面内质网较多（图4-24）。两型滑膜细胞都能分泌聚透明质酸和一些黏蛋白等，组成滑液；滑膜细胞尤其是A型细胞还有吞噬力，可清除关节内的各种碎屑。,3关节腔,关节囊所封闭的腔称关节腔（articular cavity），

24、关节腔内含少量透明的黏性液体，称为滑液（synovial fluid），其中除含大量水、聚透明质酸、黏蛋白和电解质等外，还有少量细胞，主要为淋巴细胞和巨噬细胞。滑液有润滑关节面和营养关节软骨等作用。有些关节的关节腔内还有纤维软骨性的关节盘或半月板、关节内韧带等结构，它们具有维持关节面的相互适应、加强关节的稳定性等作用。,（二）椎间盘,椎间盘为两个相邻椎体之间的纤维软骨盘，由周围部的纤维环和中央部的髓核构成。纤维环为多层同心圆排列的纤维软骨板，前侧和两侧较厚，后侧较薄。软骨板中的胶原纤维分别穿入上、下椎体的软骨终板，胶原纤维之间有弹性纤维网。髓核为胚胎期脊索的残留物，呈胶状，富含水、蛋白多糖等，

25、并含交织成网的胶原原纤维，髓核表面的胶原原纤维锚定在软骨终板上。髓核中的细胞主要为脊索细胞和软骨样细胞（图4-25）。脊索细胞小而少，散在分布，细胞核深染，细胞器少。软骨样细胞较多较大，可能来自纤维环，胞质中含发达的粗面内质网和高尔基复合体。,Thank you,人股骨骨密质,图4-1 透明软骨（人肋软骨）H-E染色 低倍（左）及高倍（右）,C软骨囊Ch软骨细胞IG同源细胞群L软骨陷窝M软骨基质P软骨膜,图4-2 软骨细胞电镜像,图4-3 弹性软骨（人耳郭）醛复红染色 高倍,E弹性纤维LC软骨陷窝和软骨细胞P软骨膜,图4-4 纤维软骨 Mallory三色染色 高倍,F胶原纤维LC软骨陷窝和软骨

26、细胞,图4-5 脱钙骨切片示骨基质 HE染色 低倍,BL骨板C中央管CL黏合线I间骨板LC骨陷窝和骨细胞,图4-6 骨组织的细胞示意图,图4-7 成骨细胞和骨细胞光镜像,HE染色 高倍OB成骨细胞OC骨细胞 BL 骨陷窝,图4-8 成骨细胞电镜像,GC高尔基复合体OS类骨质RER粗面内质网示基质小泡,图4-9 骨细胞电镜像,B骨基质L骨陷窝示骨小管和骨细胞突起,图4-10 破骨细胞（箭头）光镜像 H-E染色 高倍,图4-11 破骨细胞电镜像,BM骨基质CZ亮区PV吞饮泡RB皱褶缘,图4-12 破骨细胞的骨吸收示意图,BM骨基质CA碳酸酐酶CZ亮区HE水解酶Ly溶酶体PV吞饮泡RB皱褶缘ReB吸

27、收凹,图4-13 长骨骨干结构模式图,图4-14 脱钙骨切片和骨磨片示骨单位,上图H-E染色下图大丽紫染色 高倍BC骨小管BL骨陷窝C中央管CL黏合线E骨内膜和骨被覆细胞L骨板O骨细胞,图4-15 骨松质切片 HE染色 低倍,BM红骨髓BT骨小梁,图4-16 膜内成骨示意图,图4-17 胎儿顶骨切片示膜内成骨 HE染色 中倍,PT初级骨小梁箭头示成骨细胞注意初级骨小梁由编织骨构成，含骨细胞多,图4-18 软骨内成骨示意图,（1）（7）示软骨内成骨过程及长骨生长,图4-19 胎儿指骨切片示软骨内成骨的5个分区,HE染色 低倍 R软骨贮备区P软骨增生区M软骨成熟区C软骨钙化区O成骨区,图4-20

28、长骨外形改建示意图,左侧虚线示改建前骨的外形轮廓Dd骨干骨沉积区Dm.干骺端骨沉积区Rd骨干骨吸收区Rm.干骺端骨吸收区,图4-21 骨单位的改建和间骨板的形成,图4-22 骨折愈合过程示意图,图4-23 关节软骨示意图,图4-24 滑膜超微结构模式图,图4-25 椎间盘 HE/阿利辛蓝染色 高倍,A软骨终板AF纤维环NP髓核,图4-26 组织工程的基本方法,（1）获取组织或干细胞（2）分离、培养种子细胞（3）制备三维支架（4）将种子细胞种植于支架（5）将细胞-支架复合物植入组织缺损处,图4-6 骨组织的细胞示意图,图4-1 透明软骨（人肋软骨）H-E染色 低倍（左）及高倍（右）,C软骨囊Ch软骨细胞IG同源细胞群L软骨陷窝M软骨基质P软骨膜,图4-13 长骨骨干结构模式图,图4-5 脱钙骨切片示骨基质 HE染色 低倍,BL骨板C中央管CL黏合线I间骨板LC骨陷窝和骨细胞,图4-13 长骨骨干结构模式图,图4-20 长骨外形改建示意图,左侧虚线示改建前骨的外形轮廓Dd骨干骨沉积区Dm.干骺端骨沉积区Rd骨干骨吸收区Rm.干骺端骨吸收区,