骨的形成和發育｜第6章 骨組織和骨骼系統 6.4《解剖學與生理學 2e》

本篇文章由夜黎最後一次更新於2023年10月22日

原文傳送門：<6> Bone Tissue and the Skeletal System  — 6.4 Bone Formation and Development
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前言

在胚胎發育的早期階段，胚胎的骨骼由纖維膜〔fibrous membranes〕和透明軟骨〔hyaline cartilage〕組成。 在胚胎生命的第六週或第七週，骨骼發育的實際過程，即骨化〔ossification〕（成骨〔osteogenesis〕）開始。 成骨途徑有兩種：膜內骨化〔intramembranous ossification〕和軟骨內骨化〔endochondral ossification〕，但無論何種途徑產生骨，骨都是相同的。

軟骨模板

海綿骨和髓腔從穿過緻密骨的動脈獲取營養。 動脈經由營養孔〔nutrient foramen〕（複數 = foramina）進入，營養孔是骨幹上的小開口（圖 6.15）。 海綿骨中的骨細胞由〝穿透海綿骨的骨膜血管〔blood vessels of the periosteum〕〞和〝在骨髓腔〔marrow cavities〕中循環的血液〞滋養。 當血液通過骨髓腔時，它被靜脈收集，然後通過孔〔foramina〕從骨頭中排出。

在整個胎兒發育和兒童生長發育過程中，骨頭在軟骨基質〔cartilaginous matrix〕上形成。 當胎兒出生時，大部分軟骨已被骨頭取代。 一些額外的軟骨將在整個童年時期被替換，而一些軟骨仍保留在成年骨骼中。

膜內骨化

在膜內骨化〔intramembranous ossification〕過程中，緻密骨和海綿骨直接從間質〔mesenchymal〕（未分化〔undifferentiated〕）結締組織片發育而來。 臉部的扁骨、大部分的顱骨和鎖骨〔clavicles〕（鎖骨〔collarbones〕）都是經由膜內骨化形成。

當胚胎骨架中的間質細胞聚集在一起並開始分化為特化細胞時，過程就開始了（圖6.16a）。 其中一些細胞將分化為毛細血管，而其他細胞將分化為骨原細胞〔osteogenic cells〕，然後分化為骨母細胞〔osteoblasts〕。 儘管它們最終會透過骨組織的形成而分散，但早期骨母細胞出現在稱為骨化中心〔ossification center〕的簇〔cluster〕中。

骨母細胞分泌類骨質〔osteoid〕、未鈣化的基質〔uncalcified matrix〕，當礦物鹽沉積在其上時，該基質在幾天內鈣化〔calcifies〕（硬化〔hardens〕），從而將骨母細胞捕獲在其中。 一旦被捕獲，骨母細胞就會變成骨細胞〔osteocytes〕（圖 6.16b）。 當骨母細胞轉化為骨細胞時，周圍結締組織中的骨原細胞分化成新的骨母細胞。

毛細血管周圍分泌的類骨質〔osteoid〕（未礦化的骨基質）會形成小梁基質〔trabecular matrix〕，而海綿骨表面的骨母細胞則形成骨膜〔periosteum〕（圖 6.16c）。 然後骨膜在小梁骨〔trabecular bone〕表面形成一層緻密骨保護層。 小樑骨聚集在血管附近，最後凝結成紅骨髓（圖 6.16d）。

膜內骨化在胎兒發育期間的子宮內開始，並持續到青春期。 出生時，顱骨和鎖骨尚未完全骨化，顱骨的縫線也未閉合。 這使得顱骨和肩膀在通過產道期間變形。 透過膜內骨化最後骨化的骨頭是臉部的扁骨，它們在青春期生長陡增〔growth spurt〕結束時達到成年尺寸。

軟骨內骨化

在軟骨內骨化〔endochondral ossification〕中，骨頭會透過取代透明軟骨而發育。 軟骨不會變成骨頭。 相反，軟骨作為模板被新骨頭完全取代。 軟骨內骨化比膜內骨化需要更長的時間。 顱骨底部的骨頭和長骨經由軟骨內骨化形成。

例如，在長骨中，受孕後約 6 至 8 週，一些間質細胞分化為軟骨細胞〔chondrocytes〕（軟骨細胞〔cartilage cells〕），形成骨頭的軟骨骨骼前驅物〔cartilaginous skeletal precursor〕（圖 6.17a）。 不久之後，軟骨膜〔perichondrium〕（覆蓋軟骨的膜）出現，如圖 6.17b 所示。

隨著更多基質的產生，軟骨模型中心的軟骨細胞尺寸增加。 隨著基質鈣化，營養物質無法再到達軟骨細胞。 這導致它們的死亡和周圍軟骨的解體〔disintegration〕。 血管侵入由此產生的空間，不僅擴大了空腔，而且還攜帶骨原細胞，其中許多將成為骨母細胞。 這些擴大的空間最終組合成髓腔〔medullary cavity〕。

隨著軟骨的生長，微血管會穿透軟骨。 這種穿透啟動了軟骨膜〔perichondrium〕向生成骨的骨膜〔bone-producing periosteum〕的轉變。 在這裡，骨母細胞〝在骨幹的軟骨周圍〞形成緻密骨的骨膜領〔periosteal collar〕。 到胎兒生命的第二個月或第三個月，骨細胞發育和骨化加速並形成初級骨化中心〔primary ossification center〕，這是骨膜環深處〝骨化開始〞的區域（圖6.17c）。

當這些深處變化發生時，軟骨細胞和軟骨繼續在骨頭末端（未來的骨骺）生長，這增加了骨頭的長度，同時骨頭取代了骨幹的軟骨。 當胎兒骨骼完全形成時，軟骨僅保留在關節表面作為關節軟骨〔articular cartilage〕，以及位於骨幹和骨骺之間的骨骺板〔epiphyseal plate〕，後者負責骨頭的縱向生長。 出生後，骨骺區域會發生相同的一系列事件（〝基質礦化〞、〝軟骨細胞死亡〞、〝從骨膜侵入的血管〞以及〝播散骨原細胞，成為骨母細胞〞），這些活動中心中的每一個都被稱為次級骨化中心〔secondary ossification center〕（圖6.17e）。

骨頭如何增長長度

骨骺板〔epiphyseal plate〕是長骨的生長區域。 它是一層透明軟骨，在未成熟的骨頭中發生骨化。 在骨骺板的骨骺側，形成軟骨。 在骨幹側，軟骨骨化，並且骨幹長度增長。 骨骺板由四個細胞和活動區域組成（圖 6.18）。 儲備區〔reserve zone〕是最靠近骨板骨骺端的區域，並且基質內含有小軟骨細胞。 這些軟骨細胞不參與骨生長，但將骨骺板固定在骨骺的骨組織上。

增生區〔proliferative zone〕是骨幹的下一層，包含一堆稍大的軟骨細胞。 它產生新的軟骨細胞（透過有絲分裂）來取代那些〝在骨骺板的骨幹端死亡〞的軟骨細胞。 下一層（成熟區和肥大區〔the zone of maturation and hypertrophy〕）的軟骨細胞比增生區的軟骨細胞更老、更大。 較成熟的細胞位於較靠近〝骨骺板的骨幹端〞。 骨頭的縱向生長是〝增生區細胞分裂〞以及〝成熟區和肥大區細胞成熟〞的結果。

鈣化基質區〔zone of calcified matrix〕（最靠近骨幹的區域）中的大多數軟骨細胞都已死亡，因為它們周圍的基質已鈣化。 來自骨幹的毛細血管和骨母細胞穿透該區域，並且骨母細胞在剩餘的鈣化軟骨上分泌骨組織。 因此，鈣化基質區將骨骺板連接到骨幹。 當骨組織添加到骨幹時，骨頭的長度就會增長。

骨頭的長度持續增長，直到成年早期。 生長速度是由激素控制的，這將在後面討論。 當〝骨骺板中的軟骨細胞停止增生〞並且〝骨取代軟骨〞時，縱向生長停止。 骨骺板只剩下骨骺線〔epiphyseal line〕（圖 6.19）。

骨頭直徑如何成長

當骨頭的長度增加時，它們的直徑也增加； 即使縱向生長停止後，直徑的增長仍可持續。 這稱為外加生長〔appositional growth〕。 破骨細胞吸收髓腔內的舊骨，而骨母細胞（透過膜內骨化）在骨膜下產生新的骨組織。 沿著髓腔的〝舊骨的侵蝕〞和在骨膜下的〝新骨的沉積〞，不僅使骨幹直徑增大，也使髓腔直徑增大。 這個過程稱為塑建〔modeling〕。

骨頭重塑

基質在骨頭的〝一個表面上被吸收〞並〝沉積在另一個表面上〞的過程稱為骨塑建〔bone modeling〕。 塑建主要發生在骨骼的生長過程。 然而，在成人生活中，骨骼會經歷重塑〔remodeling〕，舊骨或受損骨的吸收發生在同一表面，骨母細胞會在該表面上形成新骨以取代被吸收的骨。 受傷、鍛煉和其他活動會導致重塑。 這些影響將在本章後面討論，但即使沒有受傷或鍛煉，每年大約有 5% 到 10% 的骨骼會通過〝破壞舊骨〞並〝用新鮮骨更新〞來進行重塑。

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2023/10/22 發佈本文