第1章骨的形态与组织
戴维 B.伯尔（DavidB.Burr）
1印第安纳大学医学院解剖学和细胞生物学系，美国印第安纳波利斯；
2印第安纳大学与普渡大学印第安纳波利斯联合分校生物医学工程系，美国印第安纳波利斯
1.1骨的功能
骨具有多种功能，在机体的力学支持与保护、矿物质稳态维持和造血等方面发挥着重要作用。近年来，人们也已经清楚地认识到骨还具有内分泌功能。
迄今为止，骨的力学功能得到了广泛的认识和研究，松质骨和皮质骨都对该功能起作用，但有部分特征不同。致密的皮质骨占据大部分骨量，承担大多数的力学载荷，疏松多孔的松质骨也支持载荷，但其重要功能是将应力重新定向到更坚硬的皮质骨上。骨的力学功能不只是需要一定硬度和刚度的简单载荷，而且由于骨是一种多尺度材料，所以非常适应生理水平上的反复力学加载，从而避免骨折，如疲劳性骨折。
骨还对生物体起到保护作用，特别是容易受到致命伤害的重要部位，如躯干和头部等处的骨。这些部位的骨，其微观结构与其他部位的骨没有什么不同，但其组织方式有差异——能在对自身创伤*小的情况下，吸收*大能量。例如，颅骨穹隆部是三明治结构，由两块致密的薄骨板中间夹着多孔的松质骨组成（由于松质骨具有多孔外观，有时也被称为海绵骨）。肋骨的组织方式也差不多，但其松质骨密度较小，肋骨固有的弯曲能增加其抵抗撞击的能力。在发育过程中，具有保护功能的骨（如颅骨和肋骨）至少部分是通过膜内成骨，而不是软骨内成骨形成的（见第5章）。
人们还没有广泛认识到骨也是一种造血器官，其实大多数海绵骨，如髂嵴、椎骨和股骨近端，一生都是红细胞的来源。骨髓腔是红骨髓存在的主要场所，在人体生长发育过程中起造血作用，但成人的骨髓主要由黄色脂肪组成。人体内还存在白色脂肪和棕色脂肪，这两种脂肪受成骨细胞所产生的骨钙素调控，在骨髓中没有发现这两种脂肪。其中，白色脂肪可以存储能量并分泌脂肪因子，过多脂肪的积累与糖尿病和其他骨代谢疾病相关。棕色脂肪含有大量可产生能量、储存铁的线粒体，负责消耗脂肪产生热量。儿童体内存在大量的棕色脂肪，尤其是在脊椎周围和肩胛骨两侧的部位。这些棕色脂肪不仅可以使机体保持温度，还为机体提供了一个巨大的铁库，对机体快速的新陈代谢和骨骼发育至关重要。同时，成人体内也存在棕色脂肪，其数量会随着年龄的增长而减少，在肥胖人群中，可能会减少得更多。黄骨髓的脂肪细胞与成骨细胞起源于同一种前体细胞，它不仅为生物体提供了储能库，还可以通过调控甘油三酯来调节脂质代谢。另外，由于松质骨表面积大，其也负责骨组织的快速转换过程，对生物体内钙的稳态平衡起重要作用。
骨转换对衰老、激素缺乏或骨骼激素的生成等引起的能量代谢变化很敏感，这使钙和磷酸盐（以及铁和镁等其他矿物质）能维持更新。钙不仅可以增加骨骼的硬度和强度，也对酶反应、凝血、肌肉收缩和神经冲动的传递起作用。皮质骨和松质骨都是离子长期储存和快速交换的场所。通过骨重建释放矿物质是一个相对漫长的过程，需要几天到几周的时间，而完全更换这些矿物质则需要更长的时间。但是，由于骨陷窝和骨小管的表面积较大，所以可实现矿物质的短期交换和即时需求。据统计，骨小管的表面积大约是体内所有松质骨表面积的120倍。发生在这些表面的矿物质交换是有时在骨陷窝周围观察到环形区的原因，这种环形区可能是高度矿化的，也可能是低度矿化的，取决于该表面的游离钙含量。
骨也被认为是一种内分泌器官，通过分泌成纤维细胞生长因子23（FGF-23）和骨钙素来调节磷酸盐代谢和能量代谢。人体大部分的FGF-23是由骨细胞产生的，骨细胞也是骨含量*为丰富的细胞。FGF-23能降低肾脏对磷酸盐的重吸收，并降低血清1，25-二羟维生素D3的水平。FGF-23与其他激素一起，协调肾脏和肠道代谢及骨自身的矿化过程。现在也有一些证据表明，在骨吸收过程中从骨基质中能释放出未羧化的骨钙素，骨钙素可以调节胰岛β细胞的增殖并增加胰岛素的分泌。另外，骨钙素还作用于脂肪细胞使其产生脂联素，从而降低胰岛素抵抗，来增加葡萄糖利用率和减少脂肪。骨对生物体能量储存的调节也可以通过瘦素介导自主神经系统和下丘脑来发挥作用。因此，骨通过多种激素，协调骨髓、大脑、肾脏和胰腺，影响骨组织矿化、脂肪沉积和糖代谢等过程。
1.2骨是一种多尺度材料
为了实现上述生物学功能，骨从纳米到毫米尺度，以一种分层、分形模式组织在一起（图1.1），这使其同时具有高刚度和高韧性（这两者通常是相反的，参见第7章），也有助于其力学支持和运动功能。在纳米水平上，骨由有机物和矿物质组成，主要包括交联的I型胶原和碳酸磷灰石纳米晶体。胶原和矿物质结合形成复合材料，矿物质可赋予骨组织刚度，胶原赋予骨组织弹性和延展性。这种复合物不仅可以避免脆性矿物质（羟基磷灰石）断裂，而且分散了骨受到的不连续性应力，降低骨基质应力的同时，使其力学负载能力提高了一倍。在微观［微米（10.6m）］水平上，镶嵌着矿物质的单根胶原纤维以不同的方式进行组织，具体取决于胶原组织的形成速率、所处的位置和底物（如果有的话）。在微观结构水平上，骨的组织与其功能需求密切相关：在骨折愈合或发育过程中需要快速成骨来保持稳定；在适应变化的力学载荷或修复受损伤区域来维持其力学性能时需要缓慢成骨。骨可以是致密的（皮质骨或密质骨）或多孔的（松质骨、小梁骨或海绵骨），取决于特定的力学或生物需要及其所处的位置。
1.3骨成分
按重量计算，大约65%的骨是矿物质（主要是碳酸磷灰石），但作为活的组织，其有机成分占25%，主要是I型胶原（图1.2）。其余（约10%）成分为结合在胶原–矿物质复合体上的水和流经骨小管和血管的游离水。当骨承受力学载荷时，游离水可以被重新分配，作为一种信号使细胞接收到力学载荷（见第11章）。水与矿物质的交换比例接近1∶1，随着骨矿化程度的提高，水分含量会下降，反之亦然，这对于骨的力学行为很重要。矿化程度越高的骨越坚硬，因为其含有更多的矿物质和更少的水分。此外，尽管更干的骨骼更硬，但也会更脆，从而更容易骨折。
骨的有机物大约90%是I型胶原，在骨细胞周围区域也有少量的Ⅲ型胶原和V型胶原。剩下10%的有机物为非胶原蛋白（NCP），它们在调节胶原形成和纤维尺寸、矿化、细胞附着和抵抗微断裂方面起着重要的作用。其中，约85%的非胶原蛋白位于细胞外，其余在细胞内。
1.4骨的纳米结构
1.4.1胶原
从根本上说，骨由胶原纤维及纤维内和纤维间镶嵌的矿物质组成。单个胶原分子是由两条α1链和一条α2链构成的三螺旋结构（图1.3A）。每条链的长度约为1000个氨基酸，胶原分子的螺旋中心由Gly-X-Y三联体重复序列组成。甘氨酸残基的周期性重复对于三螺旋结构的形成是必不可少的。虽然胶原中几乎包含所有的氨基酸，但X和Y经常是脯氨酸和羟脯氨酸残基。这两种氨基酸均与三螺旋主链形成环状，提高了螺旋的刚性（专栏1.1）。
羟脯氨酸对于胶原尤为重要，其羟基是与水分子之间形成氢键的关键。羟脯氨酸吸引的水分子组成一个保护层维持三螺旋的稳定性。在细胞内胶原产生的时候，分子两端的非螺旋肽段（N-前肽和C-前肽）通过硫交联稳定主链结构。带有末端前肽结构的三螺旋胶原分子称为前胶原分子。这些分子被胞吐到细胞外后，前肽区被酶裂解，留下的分子两端的非螺旋结构域称为N端肽或C端肽（分别在N端或C端），形成的成熟胶原分子由三螺旋区和两端的非螺旋区N端肽或C端肽组成。
胶原分子的横向和纵向延伸对于从纳米到微米结构是必要的。在这种组装中，5个分子以半六边形排列形成微纤丝。微纤丝再横向和纵向延伸，*终形成直径约150nm、长约10μm的纤维。胶原纤维的电镜图像呈大约67nm的带状，称为D-带，能显示相邻胶原分子之间的空隙，以及相邻胶原分子末端的重叠区域（图1.3B）。骨质疏松性骨中胶原纤维的平均直径和间距均小于健康骨，这可能增加了骨的脆性。
胶原纤维不同的交联方式对骨组织的材料特性产生了很大的影响，进而影响整个骨的力学行为（图1.4）。这种交联可由酶促和非酶促糖基化作用两种方式形成，*终形成晚期糖基化终末产物（AGE）。
1.4.1.1酶促反应介导的胶原交联
吡啶啉和脱氧吡啶啉是两种成熟的胶原交联物，由赖氨酰氧化酶引发的酶促途径衍生而来。吡啶啉是从α-螺旋区含有一个羟基赖氨酸（Hyl）残基的端肽形成的有两个Hyl残基的产物，而脱氧吡啶啉在α-螺旋区含有一个赖氨酸残基。这些三价交联物非常稳定。在人类骨胶原中，成熟交联物的含量急剧增加，在10～15岁到达峰值，此后保持不变或略有下降。吡啶啉和脱氧吡啶啉交联的量会受到一些治疗方式的影响，如能改变骨转换的一些治疗。吡啶啉与脱氧吡啶啉比值的增加与骨强度和刚度的增加有关，但对骨韧性或延展性没有影响。
1.4.1.2非酶促反应介导的胶原交联
精氨酸、赖氨酸和核糖发生非酶促反应也能引起胶原交联。戊糖苷，一种荧光AGE，是组成非酶促糖基化交联的*小片段，由于其是唯一能准确定量的AGE，所以常作为表征AGE总量的标志物。其他AGE还包括Nε-羧甲基赖氨酸（CML）、糠氨酸、咪唑酮和胱氨酸。目前已经证实非荧光性的CML也存在于骨骼中，其含量是戊糖苷的40～100倍。因为AGE形成需要几年的时间，胶原蛋白等半衰期长的蛋白质会随着年龄增长而大量积累AGE；在30年中，戊糖苷的积累能增加3倍，同样的时间里CML的积累可能增加5～10倍。此外，AGE已被证明可以减小胶原纤维直径。因为AGE要在糖类（如葡萄糖或核糖）存在下形成，所以糖尿病患者会积累AGE（见第23章），这也是糖尿病患者骨骼脆性增加的原因之一。
在骨细胞外基质中积累的AGE通过与AGE特异性受体（RAGE）相互作用，来调节成骨细胞的增殖和分化。AGE与RAGE结合可激活成骨细胞中的核因子κB（NF-κB），刺激细胞因子的产生。AGE-RAGE的相互作用还可上调活性氧的产生，从而引发炎症反应，导致骨质流失。胶原中AGE的积累会损害成骨细胞的增殖和分化，减少骨钙素的分泌，从而抑制细胞与基质的相互作用和细胞黏附，*终影响骨形成。
AGE还可以调节破骨细胞的生成和活性。在AGE存在时，破骨细胞的骨吸收会减慢，部分原因可能是胶原的溶解性降低。AGE在2型糖尿病患者骨中含量较高，AGE可以通过对破骨细胞分化和活性的调节，以及对基质溶解度的影响，使2型糖尿病患者骨量保持正常，甚至骨量增加。但AGE的存在会使骨材料（组织）变脆，因此即使有更多的骨量，也还是更容易骨折。
1.4.1.3胶原纤维取向
骨组织中的胶原纤维呈规则排列，胶原纤维束在相邻片层中相互平行，或彼此垂直或交替排列，这引起了偏振光下骨微观形态的不同（图1.5）。这可能部分是光学和截面平面的影响，而不只是由于胶原纤维束的排列方式。在交叉偏振光下，垂直于视平面的胶原纤维束显得较亮或呈双折射，而平行于视平面（即纵向）的胶原纤维束则较暗。这是因为横向取向的胶原纤维束能相对于视平面旋转偏振光的平面，而纵向取向的胶原纤维束不能。交替排列或中间排列是连续片层中胶原纤维束的一种组合排列。实际上，胶原纤维束的排列有很多变化，即使在一个片层内的胶原纤维束也可能以许多不同的方式排列，通过显微镜或X射线衍射可观察到的是胶原纤维束的主要取向。
片层中的胶原纤维束优先沿骨主要应力方向排列。纵向排列的纤维束主要存在于受拉力（即被拉得更开）的部分，而横向纤维束通常处于受压（即被推得更近）的区域。这一点可以通过计数已知加力方向的骨截面上亮或暗的骨单位数量来显示。在实验中，也可以通过改变加力方向，观察新形成的骨中胶原纤维束的排列方向。这两种方法都表明胶原纤维束的取向与力学加载的主要方向有关。
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