第一节　骨代谢

一、骨的构造

骨主要由骨质、骨膜和骨髓构成（图1-1-1），具有运动、保护和支持作用。

（一）骨质

骨质由骨组织构成，分为骨密质和骨松质。骨密质，质地致密，耐压性较大，分布于骨的表层。骨松质，呈海绵状，由大量骨小梁交织排列而成，分布于骨的内部，骨小梁的排列方向与骨所承受的压力以及相应的张力方向一致，能承受较大的重量。

骨组织是一种坚硬的结缔组织，由骨基质和多种细胞组成。

1.骨基质

骨基质即钙化的细胞间质，包括有机质和无机质。有机质赋予骨的形态，使骨具有弹性和韧性；无机质赋予骨硬度和脆性。

（1）有机质：

由大量胶原纤维和少量无定形有机物组成，这种未钙化的细胞间质又称类骨质。其中胶原纤维称骨胶纤维，主要成分为Ⅰ型胶原蛋白，为成骨细胞所分泌，占有机质的90%。有机物呈凝胶状，主要成分为中性和弱酸性糖胺多糖，还含有多种糖蛋白，这些物质均由成骨细胞合成、分泌，参与细胞的黏附、运动、生长、分化和凋亡等活动。

（2）无机质：

又称骨盐，主要成分为羟磷灰石结晶，分子式为Ca₁₀（PO₄）₆（OH）₂·5H₂O，呈细针状，沿胶原纤维长轴排列。骨基质中的胶原纤维成层排列，并与骨盐紧密结合，构成板层状的骨板。

2.骨组织的细胞

骨组织的细胞类型主要包括成骨细胞、骨细胞、破骨细胞和骨衬细胞，它们共同完成骨骼的两大功能：①骨重建，使骨骼满足机体负重和体力活动所产生的机械应力的需要；②调节钙、磷等无机物的分布及其在血液中的浓度。

（1）成骨细胞：

是骨形成的主要功能细胞，位于骨组织表面，成年前较多，成年后较少。成骨细胞是由骨髓中的间充质干细胞分化成的骨祖细胞（又称骨原细胞）分化而来，其功能是合成和分泌骨胶纤维和基质，并促进基质钙化。成骨细胞以顶浆分泌方式向类骨质中释放基质小泡，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。当类骨质钙化后，部分成骨细胞被包埋在其中，细胞的合成活动减少，胞质减少，成为骨细胞。

（2）骨细胞：

分散于骨板内或骨板间，是唯一包埋在骨基质陷窝内的细胞，也是成熟骨组织的主要细胞，由静止状态的成骨细胞转化而来，不具备合成和分泌骨基质的作用。骨细胞不进行分裂，每一陷窝内只有一个骨细胞，其胞体伸出很多细长突起，位于骨小管内，相邻骨细胞的突起形成缝隙连接。骨细胞可感受骨骼的微损伤和力学刺激，进而传递信息。此外，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。

（3）破骨细胞：

位于骨组织表面的小凹陷内，是具有骨吸收功能的多核巨细胞。功能活跃的破骨细胞在其骨质侧有皱褶缘，被一道环形的胞质区包围，称为封闭带，其中可表达许多酶类，包括碳酸酐酶、组织蛋白酶、抗酒石酸酸性磷酸酶等水解酶，溶解骨质，溶解产物经皱褶缘吸收。破骨细胞发挥溶解和吸收骨质的作用，参与骨组织的代谢和重建。

（4）骨衬细胞：

成骨细胞完成成骨功能后，其形状由立方体变成扁平状，并覆盖在静止的骨表面上，此即骨衬细胞。骨衬细胞可转化为活性成骨细胞甚至骨祖细胞，在骨形成因子刺激下具有一定的成骨功能；骨衬细胞协同骨细胞和成骨细胞参与类骨质矿化过程。但骨衬细胞最重要的功能是形成骨膜屏障，维持骨表面的静止状态。

（二）骨膜和骨髓

骨膜由纤维结缔组织构成，被覆于关节面以外的骨表面，含有丰富的血管、神经和淋巴管，对骨的营养、生长和感觉有重要作用。骨髓填充于长骨的骨髓腔和骨松质的间隙内，有造血、免疫和防御功能，根据其结构不同分为红骨髓和黄骨髓两种。

二、骨重建

正常成熟骨的代谢主要以骨重建（bone remodeling）的形式进行，以维护自身结构与功能的完整性，适应机体的需要，主要包括骨机械性能对机械刺激连续不断改变的适应、骨骼的更新以阻止骨组织劳累性损伤、微骨折的修复以及血液矿物质的交换，以使骨骼具有足够的强度从而维持适当的活动，并免遭自发性骨折或骨痛。骨重建存在于任何年龄，在激素、细胞因子和其他调节因子的调节作用下，通过成骨细胞和破骨细胞间的耦合协调来实现。

（一）骨重建单位

骨重建单位（bone remodeling unit，BRU）指发生于骨重建过程中，局部的、一系列的、有组织的、多细胞参与的细胞事件，又称为基本多细胞单元（basic multicellular unit，BMU）。一个BRU的激活就意味着一个新的骨单位形成的开始。在组织学切片上根据BRU的进程不同，骨表面可分为静止骨表面、骨形成表面和骨吸收表面。骨重建过程仅发生在少数骨表面，而大部分骨表面处于静止状态。在生理状态下，新的骨形成与矿化约需3个月，而破骨细胞的骨吸收仅需0.5～1个月，这表明骨形成表面要比骨吸收表面大得多。

（二）骨重建过程

骨重建发生于骨表面，包括以破骨细胞激活、骨吸收开始和与之偶联的成骨细胞激活、骨形成而终结的两个过程。具体分为以下六个阶段：

1.激活

骨表面从静止状态转变为骨吸收状态的过程，即破骨细胞被吸引到潜在骨重建部位。

2.骨吸收

破骨细胞侵蚀骨组织，形成吸收腔，即Howship陷窝。在环形胞质区包围的密闭环境中，破骨细胞从皱褶缘释放含H⁺小泡，使其高度酸化，骨表面的钙、磷等无机盐因此而游离释出，经细胞外液进入血液循环；同时，含多种溶酶体的小泡亦从皱褶缘释放，其中主要有组织蛋白酶K、组织蛋白酶L、组织蛋白酶B和组织蛋白酶N。组织蛋白酶K是降解胶原的主要成分。骨Ⅰ型胶原降解产物被皱褶缘吞噬，形成小泡进入破骨细胞，运送至基膜区，最后通过转胞作用排出细胞外，完成整个骨吸收过程。

3.偶联

指骨吸收时成骨细胞被吸引到已吸收的骨组织部位。

4.骨形成

骨形成取决于成骨细胞的数量及其活性。骨形成初始阶段，基质合成很快。类骨质在分泌后需经过10天的成熟过程才能进行矿化。在此期间，类骨质中的Ⅰ型胶原纤维蛋白分子的氨基端（或羧基端）与另一胶原分子的螺旋处通过交联增加了胶原纤维的稳定性，也在分子间形成了孔状结构，便于羟磷灰石的沉淀与结晶。

5.矿化

骨基质的矿化是无定形的磷酸钙发展为羟磷灰石结晶埋于骨有机质间隙内的过程。吸收腔被填充修复，成骨细胞最终被矿化的骨基质所包埋而成为骨细胞，存留于骨陷窝内。

6.休止

骨组织保持静止状态，成骨细胞和骨衬细胞衬被于骨表面，直到下一个骨重建的开始。

骨重建的正常进行是保持骨骼几何形态、结构特征和骨的组成成分稳定性的重要生理机制。成年前骨骼不断构建、塑形和重建，骨形成和骨吸收呈正平衡，使骨量增加并达到骨峰值；成年期骨重建维持平衡状态，骨量无改变；此后随年龄增长，骨重建呈负平衡，造成骨量减少和骨微结构的变化（图1-1-2）。

（三）骨转换

骨转换（bone turnover）是在时间和空间上紧密偶联的、成骨细胞形成新生骨和破骨细胞吸收陈旧骨两个相反的活性状态，是骨组织中陈旧骨被新生骨所取代的意思。骨转换量的表达形式是骨转换率（turnover rate），指单位时间（年）内总骨量被新骨取代的百分率（% /年）。

（宋国敏　曹虹　张慧　王利）