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骨膜

骨膜是骨表面除关节外所被覆的坚固的结缔组织包膜。在骨端和肌腱附着部位,非常致密地附着在骨上。其它部位的骨膜厚,容易从骨上剥离。

虽然骨膜的组织结构因解剖部位和年龄不同而有差别,传统上常将骨膜分为浅表的纤维层(fibrouslayer)和深面的生发层(cambiumlayer),二层并无截然分界。纤维层较厚,细胞成分少,主要为粗大的胶原纤维束,彼此交织成网,有些纤维穿入骨质,称sharpey纤维或穿通纤维(perforatingfiber),起固定骨膜和韧带的作用。生发层紧邻骨外表面,其纤维成分少,排列疏松,血管和细胞丰富,有成骨能力,故又称成骨层(osteogeniclayer),其细胞成分有骨祖细胞、成骨细胞、破骨细胞和血管内皮细胞,生发层的组织成分随年龄和机能活动而变化。

在胚胎期和出生后的成长期内,生发层由数层细胞组成,其外层为成纤维细胞样骨祖细胞,内层为成骨细胞,二者皆有增殖能力,与骨膜成骨有关。成年后,骨处于改建缓慢的相对静止阶段,生发层变薄,骨祖细胞相对较少,不再排列成层,而是分散附着于骨的表面,继续参与终身缓慢进行的骨改建活动及骨折时的修复活动。骨膜的纤维层剥离后,成骨细胞和破骨细胞仍能牢固地附着在骨面上。

近年来,有作者根据骨膜的功能和解剖学基础提出骨膜分三层的观点,即浅表的纤维层、中间的血管性未分化区和深面的生发层。中层组织疏松,主要的细胞成分是未分化细胞,它能为生发层和纤维层提供祖细胞。该层内还有少量单核细胞,在骨重建的局部调节中发挥作用,细胞外基质中胶原排列有序,适于发挥支持作用,并且和基质中非胶原成分共同发挥粘弹性作用,缓冲生发层内生理范围内的应力变化。中层疏松的特性亦有利于生发层在活跃的生长期中有效地转运营养物质和代谢产物。

因此,中层除具有营养作用和供给祖细胞外,还是调节骨和周围软组织间相互作用的缓冲带。骨膜受到应力作用后,通过中层的调节,其纤维弹性组织成分(fibroelasticcomponent)离开或靠近生发层,结果张力刺激骨膜成骨,压力诱导骨吸收。成长期的骨膜中层较厚,具有理想的结构,能迅速而敏感地对应力变化做出反应,启动骨表面的适应性重建活动。骨膜的三层结构随年龄发生明显变化。出生后,生发层的成骨细胞外形细长;中层较厚,分化差,血管极少。在快速成长期,生发层的成骨细胞呈立方形;中层的血管、未分化细胞和单核吞噬细胞发育达高峰,血管清晰可见。成年后,生发层细胞呈扁平的静息状态;中层结构开始退化,逐渐消失,骨膜对应力反应的敏感性随之下降,骨膜附着于骨较牢固,一般不易剥离。Squier等根据骨膜内细胞、纤维和基质的比例,提出另一种三层分法。第一层由紧邻骨表面的成骨细胞和其浅面的成纤维细胞样细胞组成的成骨细胞上层(supra-osteoblastlayer)构成,后者可能是骨祖细胞。第二层为相对透明区,毛细血管丰富,可能代表传统的生发层,骨膜的大多数血管成分位于该层内。第三层由胶原纤维和大量成纤维细胞构成,相当于传统的纤维层。骨膜除含有丰富的胶原纤维外是否含有弹性纤维,现仍有争论。Murakami和Emery[7]认为骨膜中有弹性纤维,这些纤维由深层的骨祖细胞合成。弹性纤维沿骨纵轴平行排列,形成5~6层,其内侧部分包括在生发层内,外侧部分融入纤维层中。位于弹性纤维最内侧部分的细胞可能系未分化细胞,能分化为成骨细胞或成弹性纤维细胞。Tonna[8]的电镜观察亦证明骨膜的两层均有弹性纤维。但Chong等认为骨膜没有弹性纤维,其他作者发现的弹性纤维可能是网状纤维。

在光学显微镜下,骨膜的纤维层和生发层无明确的分界;在超微结构水平,两层间有清晰的界线。在未成年动物,骨膜的纤维层由粗大的胶原纤维束和成纤维细胞组成,胶原纤维束内有大量细小的弹性纤维束穿过,后者常平行排列。生发层的骨祖细胞有丰富的吞饮小体,但缺乏内质网、丝状伪足和细胞连接复合体。骨祖细胞被胶原纤维、弹性纤维和独特的粘多糖基质包围,胶原纤维交织成网,弹性纤维较纤维层少,粘多糖基质电子密度高,易与纤维层区别。骨祖细胞下方是处于不同分化阶段的成骨细胞。成骨细胞体积大,呈椭圆形,胞质丰富,粗面内质网、高尔基复合体和线粒体发达,核大而椭圆,呈颗粒状。细胞外胶原纤维丰富,弹性纤维少见。紧邻骨表面的成骨细胞由一层类骨质与骨表面分开。功能活跃的成骨细胞是单核骨细胞系中最大的细胞,在朝向骨表面的一侧有大量的丝状伪足,与邻近的骨细胞相连接。破骨细胞局限在软骨周围区。成年后,随着年龄的增加,纤维层中弹性纤维的电子密度增高,胶原纤维变粗,单位面积内细胞数逐渐减少,剩余细胞显示明显的超微结构变化,功能活跃的成纤维细胞转变为纤细的纤维细胞。生发层细胞减少,细胞体积变小,细胞器和吞饮小体消失,骨表面的成骨细胞类似成纤维细胞。随着细胞变性加重,脂褐质则在衰老的纤维细胞、成骨细胞和骨细胞内出现。即使在很老的动物中,骨膜中仍保留少数有活力的细胞,这些细胞可被重新激活而增殖。骨膜生发层的骨祖细胞在形态和功能上与成纤维细胞不同。在骨骼生长期,骨祖细胞能不断分化转变为成骨细胞和骨细胞,这三种细胞的胞突相互紧密交锁,连接成网。当成骨细胞被骨组织包埋后即变为骨细胞,胞体周围的腔隙称骨陷窝,胞突周围的腔隙称骨小管。因此,这些胞突网不仅能把细胞连系在一起,而且在将后续的细胞拖入骨组织,诱导骨小管形成和维持细胞通讯方面发挥重要不同部位的骨膜常呈现某些类似的超微结构。Squier等在颅骨膜和腭骨膜的超微结构和体视学(stereology)研究中发现两处骨膜均呈层状结构。第一层紧邻骨表面,主要由成骨细胞组成。成骨细胞占该层细胞总数的90-,其上方常有小而致密的细胞组成的成骨细胞上层。胶原纤维占该层体积的15-,是该层的另一主要成分。第二层的主要成分是基质(占32-),故在光镜下呈半透明外观。其余的成分为成纤维细胞和胶原(各占25-)及血管(主要为毛细血管,占体积的12-~17-)。第三层中胶原纤维占46-,成纤维细胞占34-。

在骨折修复中,完整的骨膜套对骨折迅速愈合尤为重要。虽然骨膜自身不能诱导新骨形成,但它与骨折血肿接触后即能生成新骨组织。如骨膜套受损,周围软组织起源的纤维组织侵入骨折端之间,就可能产生纤维愈合;同时,骨折血肿可能流入软组织内,使局部间充质细胞扩散,影响骨折愈合。关于骨折愈合过程的组织学和超微结构研究表明:骨膜在骨折后的显著改变是增厚,尤以生发层为著。生发层的骨祖细胞增殖分化为成骨细胞,然后经膜内成骨的方式形成骨膜骨痂。该反应在靠近骨折处最明显,随骨膜距骨折处距离的增加,其增殖反应的强度则减弱[12]。大鼠胫骨骨折后1天,骨膜生发层的骨祖细胞开始增殖;骨折后第2~3天,增殖的骨祖细胞开始形成骨小梁,骨膜骨痂生长约8~9天后停止发育,等待软骨的肥大和钙化;骨折后5天,起源于周围肌肉的间充质细胞在剥离骨膜的骨折端附近聚集,分化为软骨细胞,形成软骨骨痂;骨折后9~11天,骨膜骨痂的血管穿入肥大和钙化的软骨骨痂,启动软骨内成骨。作者认为,骨膜骨痂和软骨内成骨形成的骨组织共同发挥连接和稳定骨折端的作用。人长骨骨折愈合的过程与实验动物相似。骨折后第1周,骨膜生发层的骨祖细胞逐渐增多,骨折后第7天,骨膜内首次出现钙化灶。骨折后第2周,骨膜生发层有大量的成骨细胞样细胞。第12天,骨膜骨痂内出现新生成的骨小梁。骨折后第3周,骨膜骨痂内软骨明显可见,但数量有限。第18天,软骨开始钙化,这些软骨细胞很可能起源于骨膜内层的骨祖细胞。与实验动物相比,人骨膜内钙化灶和软骨出现较晚,软骨数量偏少,其原因尚不清楚。骨膜具有成骨和成软骨的双重潜能。用骨膜游离移植修复关节软骨缺损,骨膜能生成软骨填充软骨缺损。移植后2周,骨膜增厚,细胞大量增殖,未分化细胞呈水平排列。移植后4~8周,增殖细胞分化为幼稚软骨细胞,开始分泌中性粘多糖,再生软骨趋于光滑。16周后,骨膜再生组织的结构接近周围正常的关节软骨。移植后24周,扫描电镜见再生软骨的表面呈蜂窝状结构,类似正常关节软骨的表面。染色体核分析显示,再生软骨的细胞或单独起源于移植骨膜的祖细胞,或起源于骨膜移植物和软骨下组织的多能间充质细胞。

骨膜血管丰富。在纤维层内,动脉和伴行静脉在骨周围形成密网状血管层。此血管网由短支、环行支和纵行支组成。短支无主要走行方向,环支环绕管状骨,纵行支与骨长轴平行。生发层血管网细而稀疏,沿长轴走行。二层的血管间有吻合支相连骨膜的血供来源分四组:(1)骨膜固有血管,分布于骨膜纤维层。(2)肌骨膜血管,在肌肉起点处肌血管与骨膜血管吻合。临床证实,骨折造成的骨膜剥离,只要不损伤肌肉与骨膜之间的血管吻合,骨膜仍能存活并可形成新骨;若破坏了肌与骨膜间的血管吻合,既可能影响肌肉的侧支血供,又可能影响骨膜形成新骨的能力。(3)筋膜骨膜血管,为四肢血管的分支经肌间隔分布于骨膜。(4)皮质毛细血管吻合,大量的骨膜小血管经Volkmann氏管分布于皮质的外1/3或1/4。这些小血管不仅具有固定骨膜的作用,而且与哈氏管内的纵行血管互连成纵横毛细血管网,向内沟通骨髓毛细血管网。当骨折伤及滋养动脉时,骨膜血管可供应较多的皮质骨。健康成人的皮质骨血流是离心的,高压滋养动脉的血流经皮质血循环分布于骨膜深层,补充骨膜的血供。在肌附着处,皮质毛细血管借骨膜与肌肉血管的吻合支引流至肌束间小静脉骨膜血管不仅为骨膜提供营养,还可能参与骨膜的成骨活动。新近的研究表明,在骨膜细胞被激活而成骨的过程中,毛细血管后微静脉的周细胞(pericyte)能增殖分化为成骨细胞,成为骨膜成骨活动中成骨细胞的补充来源。

骨膜有丰富的神经支配,但其神经纤维和神经递质的性质尚无详细系统的记载。一般认为,骨膜内神经纤维主要是无髓神经纤维,其游离神经末梢与痛觉有关。骨膜神经丛的部分神经纤维经Volkmann氏管进入骨干,其余则在骨膜内形成神经末梢。免疫细胞化学定位研究表明:骨膜内有P物质(substanceP)染色的神经丛,紧邻骨膜表面的下方有细小的神经纤维分支,这些含P物质的肽能神经可能与骨膜敏感的痛觉有关。此外,骨膜内含有血管活性肠肽(VIP)染色的神经纤维,其作用尚不清楚。综上所述,骨膜是一个结构复杂而有序的器官,有丰富的血管和神经,与周围软组织和骨关系密切。骨膜内的骨祖细胞和成骨细胞是其成骨特性的组织学基础。现由于缺乏有效而特异的研究技术,尚不能确定骨膜内骨祖细胞的位置、来源、结构特征和增殖分化的机制。骨膜神经的性质及其与骨膜细胞的代谢和成骨特性的关系有待深入研究。随着这些问题的解决,必将加深对骨膜组织结构和功能的认识,推动骨膜移植在临床上的广泛应用。

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