骨科基础知识

—、骨科学基础(一)骨的结构、生理化学1．骨的细胞各有何结构特点?各完成哪些功能?骨组织中含有三种细胞，即骨细胞、成骨细胞和破骨细胞。成骨细胞是骨形成、骨骼发育与成长的重要细胞。光镜下细胞呈立方形或矮柱状，胞浆丰富，呈强嗜碱性。核大呈圆形常偏于一侧，核仁清晰可见。碱性磷酸酶染色呈强阳性。电镜下可见胞浆内发达的粗面内质网和高尔基复合体、线粒体。细胞表面有少量微绒毛，当其转变为骨细胞时，微绒毛变粗变长。成骨细胞的主要功能是产生胶原纤维、粘多糖和糖蛋白等，在细胞外形成骨的有机质，称为类骨质。随着类骨质增多、钙化，成骨细胞转化为骨细胞。此外，成骨细胞还能分泌基质小泡，促进类骨质的钙化。骨细胞来源于成骨细胞，可以分为幼稚、成熟及老化三个阶段。幼稚型骨细胞具有成骨细胞的一些结构形态，仍能产生骨基质。骨细胞突起伸长并通过骨小管形成细胞间交通，细胞位于骨陷窝内。随着骨细胞的成熟，脑浆内的线粒体，粗面内质网和高尔基体数量减少，胞体变小。老化的骨细胞则胞体进一步变小，细胞核固缩，染色质深染，胞浆内细胞器少，骨陷窝较大。老化的骨细胞在降钙素的作用下，仍可转化为成熟的骨细胞。骨细胞在甲状旁腺素作用下可以使骨溶解，称为骨细胞性骨溶解；而在较高水平降钙素作用下又可成骨，在正常生理状况下，骨细胞性溶骨和成骨处于动态平衡。破骨细胞胞体积较大，直径可达30~100μm，胞浆内有大量短棒状的小线粒体。内质网较多，但散在，可见高尔基复合体、溶酶体，电镜下可见质膜折叠形成的皱折缘和相邻的清亮区，二者构成破骨细胞的重吸收装置，可以提供一个局部酸环境，使骨质溶解并被吸收。破骨细胞的另一结构特点是含有多量细胞核，平均20个左右，多者可达—上百个。破骨细胞的主要功能是吸收骨，一个破骨细胞可以吸收100个成骨细胞所形成的骨质。2．骨基质主要包括哪些成分?有何作用?骨基质包括有机质和无机质两类。有机质中90％为I型胶原蛋白，其余为无定形的均质状物质，如：蛋白多糖、糖蛋白、唾液蛋白及少量脂质等。胶原是骨的结构基础，并使其具有一定的强度，而非胶原性有机质则参与胶原的矿化过程。无机质在儿童骨干重量中占50％，而在成人则占65％以上。无机质主要包括羟磷灰石和胶体磷酸钙，以结晶状态沉积于胶原上，这种结晶呈针状或柱状，长约20~40μm，宽约3~6μm，在胶原中衔接成链，并沿其长轴呈平行方向排列。无机质与胶原相结合，使骨骼既有一定的硬度，又有一定的弹性。3．编织骨和板层骨各有何结构特点?编织骨主要存在于未成熟骨中，其骨细胞不成熟，体积大，数量多，排列不规则，缺乏骨小管系统，胶原纤维粗大，排列多无序，呈编织状，仅有少数呈束状平行排列。板层骨则存在于成熟的密质骨和松质骨中。骨细胞成熟，体积小，数量少，散在而有规律地分布于胶原纤维中，有完整的骨小管系统。胶原纤维排列成板层状，板层的厚度在3~7μm左右。4．骨的血液供应有何特点?有何临床意义?不同种类的骨血管分布不同。长骨的动脉供应包括滋养动脉、干骺端动脉、骺动脉及骨膜动脉，其中滋养动脉大约提供50％~70％的供血量。滋养动脉穿入髓腔后向两侧骨端分支，与骨骺动脉及干骺端动脉的分支形成吻合，同时在骨髓腔内形成内骨膜网，再发出穿支进人骨皮质，与骨膜动脉的分支或毛细动脉形成吻合。而长骨的静脉则首先回流到骨髓的中央静脉窦，然后再经与滋养动脉、骺动脉和干骺端动脉伴行的静脉出骨。不规则骨、扁骨和短骨的动脉则来自骨膜动脉或／和滋养动脉。在临床上遇到长骨干骨折需手术治疗时，应注意保护滋养动脉和骨膜，以免影响骨折的愈合。5．骨骼有神经支配吗？骨骼与机体其它任何组织相同，也是有神经支配的。骨的神经纤维有两类，一是内脏传出纤维，多伴滋养血管进入骨内分布于血管周围，调节血管功能，刺激及调节骨髓造血。另一是躯体传入纤维，主要分布于骨膜、骨内膜、骨小梁及关节软骨深面，对牵张刺激最敏感，如骨膜的神经分布丰富，当产生骨脓肿、骨肿瘤或骨折时常引起剧烈疼痛。6．钙、磷在体内是如何代谢的?钙是人体必不可少的物质，是骨盐的主要成份。人体含钙量约l.0千克左右，其中99％存在于骨中，加强骨的强度，被称为稳定钙，而另一部分为不稳定钙，在细胞内发挥第二信使作用，参与多种酶活性的调节，有细胞膜稳定性作用，是参与凝血系统，保持神经—肌肉兴奋性，调节电解质平衡等不可缺少的物质。钙主要从小肠吸收，食物中的钙经过消化后变成游离钙才能被吸收。钙的吸收包括依赖于维生素D的主动过程和被动弥散过程。除维生素D外，甲状旁腺素、大剂量降钙素、生长激素、性激素均可促进肠钙吸收，而肾上腺皮质激素和甲状腺素则可减少肠钙吸收。此外，肠道酸性环境有利于钙盐溶解，而碱性环境则不利于钙的吸收。钙主要经过肾脏，少量经肠道排泄。尿钙的排泄与肾小球的滤过和肾小管的重吸收有关，而肾小管的重吸收又受多种因素影响，甲状旁腺素可能促进肾小管对钙的重吸收，降钙素可减少肾小管的重吸收，维生素D也可以促进钙的重吸收。此外，肾上腺皮质激素、利尿剂、磷酸盐、机体酸碱平衡失调等均可影响钙的排泄。人体血钙在多种钙调节素的作用下，通过肠道、骨和肾脏维持平衡。磷是机体的重要元素，占人体总重量的1％，占骨矿物质的8％，在骨中以羟基磷灰石的形式存在。软组织中的磷占总重量的1／5，是蛋白质、核酸、多糖和类脂的重要组分。磷除了和钙一样构成骨、牙、参与神经传导、肌肉收缩和能量转运过程外，还与遗传有关。磷的吸收也是在小肠内完成的，其跨膜运转包括主动过程和被动过程，以H2PO4-形式存在的磷最易运转。酸性环境有利于肠道磷的吸收，而钙则易与磷结合成难溶的磷酸盐阻碍磷的吸收。磷的排泄也主要通过肾脏完成，首先经肾小球滤过，然后经肾小管重吸收。维生素D可明显地促进肠道磷的吸收，并减少其肾脏排泄。甲状旁腺激素可通过促进1，25(OH)214的合成而促进肠道磷的吸收，同时它可作用于肾小管减少磷的重吸收而促进磷的排泄。其它因素如降钙素、生长激素、甲状腺素、糖皮质激素等也可影响磷的代谢。如降钙素可抑制骨吸收、促进尿磷排泄而降低血磷；生长激素可增加肾小管对磷的重吸收；甲状腺素也可增加肾小管对磷的重吸收；肾上腺糖皮质激素则可以在大量、长期应用后抑制肠道磷的吸收，促进尿磷的排泄。7．哪些维生素与骨代谢有关?在维生素中与骨骼关系最密切的是维生素D。最重要的维生素D有两种形式，即维生素D2(骨化醇)和维生素D3(胆骨化醇)，前者是麦角固醇经紫外线照射后产生，后者是7-脱氢胆固醇经紫外线照射后产生。然而，由于维生素D2的前身麦角因醇不易在肠道吸收，而维生素D3的前身7-脱氢胆固醇在肝脏和皮肤合成，因此，血浆中维生素D多为D3形式。内源性和经肠道吸收的维生素D3入血后与蛋白质结合，被转运至肝脏，在肝细胞线粒体和微粒体25羟化酶作用下变成25(OH)D3。在生理浓度下25(OH)D3并无生物活性，当其被转运至肾脏后，在1a羟化酶和24羟化酶作用下羟化为1，25(OH)2D3和24，25(OH)2D3。而1，25(OH)2D3的活性最强。维生素D可以促进肠道钙、磷的吸收，减少肾脏对钙、磷的排泄，可促进新骨形成、钙化，又可促进骨中钙游离入血，使骨盐不断更新。除维生素D外，维生素A、C也与骨代谢有关。维生素A为脂溶性维生素，可从食物中摄取，在体内可以促进成骨细胞功能活跃。维生素C则可促进胶原蛋白的形成、骨的矿化等。8．激素对骨有什么影响?有许多激素参与骨的代谢过程，如甲状旁腺激素、降钙素、性激素、肾上腺皮质激素、甲状腺素、生长激素等。其中以前两种作用最大。甲状旁腺素(PTH)由甲状旁腺分泌，其主要作用是升高血钙降低血磷，通过增加肾小管对钙的重吸收，减少对磷的重吸收，促进骨的重建过程等，维持血浆钙的正常水平。甲状旁腺素的分泌受血钙、降钙素和维生素D的影响。特别是血钙浓度，在一定范围内降低则甲状旁腺素升高，表现为负反馈变化。而降钙素在超过生理水平时才能直接刺激甲状旁腺素分泌，l，25(OH)2D3浓度也需升高到一定程度时才可使甲状夯腺素分泌减少。甲状旁腺素对骨的作用主要表现为促进骨吸收。它对骨的各种细胞的共同作用表现为使细胞外钙进入胞浆和线粒体内钙释出，增加胞浆钙浓度。间叶细胞浆钙浓度增加，加快其向破骨细胞的转化，使后者数量增加。破骨细胞浆内钙浓度增加，产生大量柠檬酸和乳酸，降低骨基质的pH值，使骨盐溶解。同时，刺激溶酶体释放水解酶溶解骨基质。成骨细胞浆内钙浓度增加表现为有机质合成受阻，而骨细胞浆内钙浓度增加则表现为细胞器高度分化，骨细胞性骨溶解增加。但是当甲状旁腺素持续分泌又可引起一定程度的骨形成增加。降钙素由甲状腺的滤泡旁C细胞分泌，这种分泌过程受多种因素影响，比较明确的是血钙浓度和甲状旁腺素水平。当血钙增高时降钙素分泌增加以降低血钙，维持其正常水平。而甲状旁腺素则被认为是降钙素的唯一拮抗激素，但对降低肾小管对磷的重吸收方面呈协同作用。至于甲状腺素、胰岛素、胰高血糖素、胃泌素及血镁等对降钙素的影响，尚存在很多有待研究的问题。降钙素对骨的作用主要是直接抑制骨吸收。它抑制破骨细胞的活性，减少其数量，同时也促进成骨过程，使骨钙释放减少，血钙被摄取进入新形成的骨质中，从而降低血钙。此外，雌激素通过降钙素间接抑制破骨细胞活性，直接作用于成骨细胞促进骨形成，雄性激素、生长激素可促进骨的生长和发育，甲状腺素则可促进骨吸收的过程，肾上腺糖皮质激素则可减少成骨细胞数量，抑制骨胶原形成，并通过对维生素D的作用而减少肠道钙的吸收，增加肾脏钙的排泄。9．哪些酶与骨的关系密切?酶是机体各种生命过程化学反应的催化剂，同样，它与骨代谢也有密切关系。而其中最重要的是磷酸酶。碱性磷酸酶除骨外，还来源于肝肾、小肠、胎盘等组织，而骨来源的碱性磷酸酶(ALP)主要由成骨细胞和软骨细胞产生。ALP是反应骨形成的指标，它参与骨有机质的形成，在骨矿化部位参与磷离子的形成，后者与钙离子结合形成骨盐；还可参与骨盐结晶的形成。此外，焦磷酸酶、ATP酶也参与骨的矿化过程。而酸性磷酸酶则是反应骨吸收的指标，来源于破骨细胞的酸性磷酸酶，因其有不受酒石酸抑制的特性，放又称为抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)，其活性反应破骨细胞功能。(二)骨的发育、骨形成10．在骨的发育过程中有几种骨化形式?在骨的发育过程中通过两种形式成骨，一为膜内化骨，另一为软骨内化骨。膜内化骨主要发生于部分顶骨、颅底、面骨、锁骨等，其过程是间充质细胞直接分化为成骨细胞，成骨细胞产生骨基质并被包埋于基质中逐渐转化为骨细胞，同时骨基质发生矿化，形成骨小梁。软骨内化骨发生于四肢、脊柱、骨盆和部分颅骨等，其过程是间充质细胞聚集成团，分化成软骨，形成软骨雏形，继之初级骨化中心出现骨领形成，血管长入。骨髓腔形成，次级骨化中心出现，骺板形成，最后骨增长、增粗并重建。11．骨是如何钙化的?骨的钙化是指无机盐有序地沉积于有机质内的过程。首先是骨胶原基质的形成，继之通过成核作用，在多种物质如磷酸酶、蛋白多糖、粘多糖和其它离子的作用下，钙和磷相结合形成羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]，并沉积于胶原纤维的特定部位。在这一过程中基质小泡发挥重要的作用，它是成核作用的核心部位。最初沉积的磷酸钙盐是非晶体状的。以后逐渐形成羟基磷灰石结晶。并且晶体的方向基本与胶原纤维相平行。在骨的钙化过程中，甲状旁腺素、降钙素和维生素D也参与调节、提供适宜的血钙、磷浓度。12．骨重建和塑型的特点是什么?在骨的发育过程中，骨形成后骨的增长和增粗过程即为塑型过程，而骨单位的更新过程即为骨重建。塑型到成年后即停止，它主要通过骺板软骨生长(骨增长)，骨外膜成骨而骨内膜吸收骨(骨增粗)来完成；重建过程则持续终生，它一般有四个时期，即激活期、骨吸收期、骨形成期和静止期。成人骨单位重建约需4—5周时间，板层骨形成的速度约为每天1—2μm。13．机械应力对骨有何影响?骨的大小，形状和结构可因机械应力的变化而改变，即骨可根据应力的改变，在需要时形成骨，不需要时吸收骨。在反复承受高应力时，骨密度可以增加，相反在持续不负重情况下骨量将减少。在骨折愈合过程中，压应力和张应力将有助于骨的形成，各方向均受同样的应力则易形成软骨，剪切应力则易形成纤