骨膜的组织学特征和超微结构

综述骨膜的组织学特征和超微结构

宋守礼　朱盛修

骨膜通常指骨外膜Κ是覆盖在骨外表面的致密结缔组织膜Λ除骨的关节面、股骨颈、距骨的关节囊下区和某些籽骨表面外Κ骨的外表面都有骨膜Λ目前认为Κ骨膜不仅是一层:限制膜ΦΚ而且具有成骨作用Κ对骨的营养、生长或修复及感受痛觉都很重要Λ临床上Κ利用骨膜移植后能保留骨膜固有的成骨和成软骨的特性Κ已成功地治疗骨折延迟愈合或不愈合、骨和软骨缺损、气管软骨缺损、先天性腭裂和股骨头缺血性坏死等疾病Κ且骨膜移植有血运重建快、成骨量大和对供区创伤小等优点Κ引起了人们对骨膜的兴趣Κ加速了对骨膜组织的结构和成骨机制的研究Λ

一、骨膜的组织学特征

虽然骨膜的组织结构因解剖部位和年龄不同而有差别Κ传统上常将骨膜分为浅表的纤维层;fibrous layerΓ和深面的生发层;cam bium layerΓΚ二层并无截然分界Λ纤维层较厚Κ细胞成分少Κ主要为粗大的胶原纤维束Κ彼此交织成网Κ有些纤维穿入骨质Κ称sharpey 纤维或穿通纤维;perfo rating fiberΓΚ起固定骨膜和韧带的作用Λ生发层紧邻骨外表面Κ其纤维成分少Κ排列疏松Κ血管和细胞丰富Κ有成骨能力Κ故又称成骨层;o s2 teogenic layerΓΚ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Λ生发层的组织成分随年龄和机能活动而变化Λ在胚胎期和出生后的成长期内Κ生发层由数层细胞组成Κ其外层为成纤维细胞样骨祖细胞Κ内层为成骨细胞Κ二者皆有增殖能力Κ与骨膜成骨有关Λ成年后Κ骨处于改建缓慢的相对静止阶段Κ生发层变薄Κ骨祖细胞相对较少Κ不再排列成层Κ而是分散附着于骨的表面Κ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[1Κ2]Λ骨膜的纤维层剥离后Κ成骨细胞和破骨细胞仍能牢固地附着在骨面上[3]Λ

近年来Κ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Κ即浅表的纤维层、中间的血管性未分化区和深面的生发层[4Κ5]Λ中层组织疏松Κ主要的细胞成分是未分化细胞Κ它能为生发层和纤维层提供祖细胞Λ该层内还有少量单核细胞Κ在骨重建的局部调节中发挥作用Λ细胞外基质中胶原排列有序Κ适于发挥

作者单位Π100853　北京Κ解放军总医院骨科支持作用Κ并且和基质中非胶原成分共同发挥粘弹性作用Κ缓冲生发层内生理范围内的应力变化Λ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Λ因此Κ中层除具有营养作用和供给祖细胞外Κ还是调节骨和周围软组织间相互作用的缓冲带[4]Λ骨膜受到应力作用后Κ通过中层的调节Κ其纤维弹性组织成分;fibroelastic componentΓ离开或靠近生发层Κ结果张力刺激骨膜成骨Κ压力诱导骨吸收Λ成长期的骨膜中层较厚Κ具有理想的结构Κ能迅速而敏感地对应力变化做出反应Κ启动骨表面的适应性重建活动[5]Λ

骨膜的三层结构随年龄发生明显变化Λ出生后Κ生发层的成骨细胞外形细长Μ中层较厚Κ分化差Κ血管极少Λ在快速成长期Κ生发层的成骨细胞呈立方形Μ中层的血管、未分化细胞和单核吞噬细胞发育达高峰Κ血管清晰可见Λ成年后Κ生发层细胞呈扁平的静息状态Μ中层结构开始退化Κ逐渐消失Κ骨膜对应力反应的敏感性随之下降[4]Κ骨膜附着于骨较牢固Κ一般不易剥离ΛSquier等[6]根据骨膜内细胞、纤维和基质的比例Κ提出另一种:三层分法ΦΛ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;sup ra-o steoblast layerΓ构成Κ后者可能是骨祖细胞Λ第二层为相对透明区Κ毛细血管丰富Κ可能代表传统的生发层Κ骨膜的大多数血管成分位于该层内Λ第三层由胶原纤维和大量成纤维细胞构成Κ相当于传统的纤维层Λ

骨膜除含有丰富的胶原纤维外是否含有弹性纤维Κ目前仍有争论ΛM urakam i和Em ery[7]认为骨膜中有弹性纤维Κ这些纤维由深层的骨祖细胞合成Λ弹性纤维沿骨纵轴平行排列Κ形成5～6层Κ其内侧部分包括在生发层内Κ外侧部分融入纤维层中Λ位于弹性纤维最内侧部分的细胞可能系未分化细胞Κ能分化为成骨细胞或成弹性纤维细胞ΛTonna[8]的电镜观察亦证明骨膜的两层均有弹性纤维Λ但Chong等[9]认为骨膜没有弹性纤维Κ其他作者发现的弹性纤维可能是网状纤维Λ

二、骨膜的超微结构

在光学显微镜下Κ骨膜的纤维层和生发层无明确的分界Μ在超微结构水平Κ两层间有清晰的界线[8]Λ在未

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中华骨科杂志1996年6月第16卷第6期

成年动物Κ骨膜的纤维层由粗大的胶原纤维束和成纤维细胞组成Κ胶原纤维束内有大量细小的弹性纤维束穿过Κ后者常平行排列Λ生发层的骨祖细胞有丰富的吞饮小体Κ但缺乏内质网、丝状伪足和细胞连接复合体Λ骨祖细胞被胶原纤维、弹性纤维和独特的粘多糖基质包围Κ胶原纤维交织成网Κ弹性纤维较纤维层少Κ粘多糖基质电子密度高Κ易与纤维层区别Λ骨祖细胞下方是处于不同分化阶段的成骨细胞Λ成骨细胞体积大Κ呈椭圆形Κ胞质丰富Κ粗面内质网、高尔基复合体和线粒体发达Κ核大而椭圆Κ呈颗粒状Λ细胞外胶原纤维丰富Κ弹性纤维少见Λ紧邻骨表面的成骨细胞由一层类骨质与骨表面分开Λ功能活跃的成骨细胞是单核骨细胞系中最大的细胞Κ在朝向骨表面的一侧有大量的丝状伪足Κ与邻近的骨细胞相连接Λ破骨细胞局限在软骨周围区[8]Λ成年后Κ随着年龄的增加Κ纤维层中弹性纤维的电子密度增高Κ胶原纤维变粗Κ单位面积内细胞数逐渐减少Κ剩余细胞显示明显的超微结构变化Κ功能活跃的成纤维细胞转变为纤细的纤维细胞Λ生发层细胞减少Κ细胞体积变小Κ细胞器和吞饮小体消失Κ骨表面的成骨细胞类似成纤维细胞Λ随着细胞变性加重Κ脂褐质出现在衰老的纤维细胞、成骨细胞和骨细胞内Λ即使在很老的动物中Κ骨膜中仍保留少数有活力的细胞Κ这些细胞可被重新激活而增殖[8]Λ

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Λ在骨骼生长期Κ骨祖细胞能不断分化转变为成骨细胞和骨细胞Κ这三种细胞的胞突相互紧密交锁Κ连接成网Λ当成骨细胞被骨组织包埋后即变为骨细胞Κ胞体周围的腔隙称骨陷窝Κ胞突周围的腔隙称骨小管Λ因此Κ这些胞突网不仅能把细胞连系在一起Κ而且在将后续的细胞:拖入Φ骨组织Κ诱导骨小管形成和维持细胞通讯方面发挥重要作用[10]Λ

不同部位的骨膜常呈现某些类似的超微结构Λ

Squier等[6]在颅骨膜和腭骨膜的超微结构和体视学;stereo logyΓ研究中发现两处骨膜均呈层状结构Λ第一层紧邻骨表面Κ主要由成骨细胞组成Λ成骨细胞占该层细胞总数的90%Κ其上方常有小而致密的细胞组成的成骨细胞上层Λ胶原纤维占该层体积的15%Κ是该层的另一主要成分Λ第二层的主要成分是基质;占32%ΓΚ故在光镜下呈半透明外观Λ其余的成分为成纤维细胞和胶原;各占25%Γ及血管;主要为毛细血管Κ占体积的12%～17%ΓΛ第三层中胶原纤维占46%Κ成纤维细胞占34%Λ

三、骨膜在正常骨折愈合和关节软骨缺损修复中的作用和组织结构变化

在骨折修复中Κ完整的骨膜套对骨折迅速愈合尤为重要Λ虽然骨膜自身不能诱导新骨形成Κ但它与骨折血肿接触后即能生成新骨组织Λ如骨膜套受损Κ周围软组织起源的纤维组织侵入骨折端之间Κ就可能产生纤维愈合Μ同时Κ骨折血肿可能流入软组织内Κ使局部间充质细胞扩散Κ影响骨折愈合[11]Λ

关于骨折愈合过程的组织学和超微结构研究表明Π骨膜在骨折后的显著改变是增厚Κ尤以生发层为著Λ生发层的骨祖细胞增殖分化为成骨细胞Κ然后经膜内成骨的方式形成骨膜骨痂Λ该反应在靠近骨折处最明显Κ随骨膜距骨折处距离的增加Κ其增殖反应的强度则减弱[12]Λ大鼠胫骨骨折后1天Κ骨膜生发层的骨祖细胞开始增殖Μ骨折后第2～3天Κ增殖的骨祖细胞开始形成骨小梁Κ骨膜骨痂生长约8～9天后停止发育Κ等待软骨的肥大和钙化Μ骨折后5天Κ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Κ分化为软骨细胞Κ形成软骨骨痂Μ骨折后9～11天Κ骨膜骨痂的血管穿入肥大和钙化的软骨骨痂Κ启动软骨内成骨Λ作者认为Κ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[13]Λ人长骨骨折愈合的过程与实验动物相似Λ骨折后第1周Κ骨膜生发层的骨祖细胞逐渐增多Κ骨折后第7天Κ骨膜内首次出现钙化灶Λ骨折后第2周Κ骨膜生发层有大量的成骨细胞样细胞Λ第12天Κ骨膜骨痂内出现新生成的骨小梁Λ骨折后第3周Κ骨膜骨痂内软骨明显可见Κ但数量有限Λ第18天Κ软骨开始钙化Κ这些软骨细胞很可能起源于骨膜内层的骨祖细胞Λ与实验动物相比Κ人骨膜内钙化灶和软骨出现较晚Κ软骨数量偏少Κ其原因尚不清楚[12]Λ

骨膜具有成骨和成软骨的双重潜能Λ用骨膜游离移植修复关节软骨缺损Κ骨膜能生成软骨填充软骨缺损Λ移植后2周Κ骨膜增厚Κ细胞大量增殖Κ未分化细胞呈水平排列Λ移植后4～8周Κ增殖细胞分化为幼稚软骨细胞Κ开始分泌中性粘多糖Κ再生软骨趋于光滑Λ16周后Κ骨膜再生组织的结构接近周围正常的关节软骨Λ移植后24周Κ扫描电镜见再生软骨的表面呈:蜂窝状Φ结构Κ类似正常关节软骨的表面[14]Λ染色体核分析显示Κ再生软骨的细胞或单独起源于移植骨膜的祖细胞Κ或起源于骨膜移植物和软骨下组织的多能间充质细胞[15]Λ

四、骨膜的血供及其临床意义

骨膜血管丰富Λ在纤维层内Κ动脉和伴行静脉在骨周围形成密网状血管层Λ此血管网由短支、环行支和纵行支组成Λ短支无主要走行方向Κ环支环绕管状骨Κ纵行支与骨长轴平行Λ生发层血管网细而稀疏Κ沿长轴走行Λ二层的血管间有吻合支相连[16]Λ

693Ch inese Journal of O rthopaedicsΚJune1996ΚV o l.16ΚN o.6