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593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ΛSquier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]Λ693Ch inese Journal of O rthopaedicsΚJune1996ΚV o l.16ΚN o.6骨膜的血供来源分四组Π;1Γ骨膜固有血管Κ分布于骨膜纤维层Λ;2Γ肌骨膜血管Κ在肌肉起点处肌血管与骨膜血管吻合Λ临床证实Κ骨折造成的骨膜剥离Κ只要不损伤肌肉与骨膜之间的血管吻合Κ骨膜仍能存活并可形成新骨Μ若破坏了肌与骨膜间的血管吻合Κ既可能影响肌肉的侧支血供Κ又可能影响骨膜形成新骨的能力Λ;3Γ筋膜骨膜血管Κ为四肢血管的分支经肌间隔分布于骨膜Λ;4Γ皮质毛细血管吻合Κ大量的骨膜小血管经V o lkm ann氏管分布于皮质的外1 3或1 4Λ这些小血管不仅具有固定骨膜的作用Κ而且与哈氏管内的纵行血管互连成纵横毛细血管网Κ向内沟通骨髓毛细血管网Λ当骨折伤及滋养动脉时Κ骨膜血管可供应较多的皮质骨[1Κ16Κ17]Λ健康成人的皮质骨血流是离心的Κ高压滋养动脉的血流经皮质血循环分布于骨膜深层Κ补充骨膜的血供Λ在肌附着处Κ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[18]Λ骨膜血管不仅为骨膜提供营养Κ还可能参与骨膜的成骨活动Λ新近的研究表明Κ在骨膜细胞被激活而成骨的过程中Κ毛细血管后微静脉的周细胞;pericyteΓ能增殖分化为成骨细胞Κ成为骨膜成骨活动中成骨细胞的补充来源[19]Λ五、骨膜的神经支配骨膜有丰富的神经支配Κ但其神经纤维和神经递质的性质尚无详细系统的记载Λ一般认为Κ骨膜内神经纤维主要是无髓神经纤维Κ其游离神经末梢与痛觉有关Λ骨膜神经丛的部分神经纤维经V o lkm ann氏管进入骨干Κ其余则在骨膜内形成神经末梢Λ免疫细胞化学定位研究表明Π骨膜内有P物质;substance PΓ染色的神经丛Κ紧邻骨膜表面的下方有细小的神经纤维分支Κ这些含P物质的肽能神经可能与骨膜敏感的痛觉有关[20]Λ此外Κ骨膜内含有血管活性肠肽;V IPΓ染色的神经纤维Κ其作用尚不清楚[21]Λ综上所述Κ骨膜是一个结构复杂而有序的器官Κ有丰富的血管和神经Κ与周围软组织和骨关系密切Λ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Λ目前Κ由于缺乏有效而特异的研究技术Κ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Λ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Λ随着这些问题的解决Κ必将加深对骨膜组织结构和功能的认识Κ推动骨膜移植在临床上的广泛应用Λ参　考　文　献1成令忠Κ主编.组织学.第2版.北京Π人民卫生出版社Κ1993Κ287.2W lodarsk i KH.N o r m al and hetero top ic peri o steum.C lin O rthopΚ1989Κ241Π265.3R ies W LΚGong JKΚSho lley MM.A comparative study of o steoblastsΠIn situ versus iso lated speci m ens.Am JA natΚ1985Κ172Π57.4E llender GΚFeik SAΚCarach BJ.Peri o steal structure and developm ent in a rat caudal vertebra.J A natΚ1988Κ158Π173.5Feik SAΚSto rey EΚE llender G.Stress induced peri o steal changes.B r J Exp PathΚ1987Κ68Π803.6Squier CAΚGhonei m SΚK rem enak CR.U ltrastructure of the peri o steum from m em brane bone.J A natΚ1990Κ171Π233.7M urakam i HΚEm ery M A.T he ro le of elastic fibers in the p eri o steum in fracture healing in guinea-p igs.I.H isto2 chem ical studies of the elastic fibres in the peri o steum and the po ssible relati onsh i p betw een the o steogenic cells and the cells that fo r m elastic fibers.Can J SurgΚ1967Κ10Π357.8Tonna EA.E lectron m icro scopy of aging skeletal cells..T he peri o steum.L ab InvestΚ1974Κ31Π609.9Chong DAΚEvans CAΚH eeley JD.M o rpho logy and m at2 urati on of the peri o steum of the rat m andible.A rch s O r2 ch s O ral B i o lΚ1982Κ27Π777.10T ang XMΚChai BF.U ltrastructural investigati on of o s2 teogenic cells.Ch in M ed JΚ1986Κ99Π950.11Grundnes OΚR eikeras O.T he fracture healing in rats.A c2 ta O rthop ScandΚ1993Κ64Π47.12Po stacch ini FΚGum ina SΚPerugia DΚet al.Early fracture callus in the diaphysis of hum an long bonesΠH isto logic and ultrastructural study.C lin O rthopΚ1995Κ301Π218. 13H enricson AΚH ulth AΚJohnellO.T he cartilagenous frac2 ture callus in rats.A cta O rthop ScandΚ1987Κ58Π244. 14韩一生Κ陆裕朴Κ胡蕴玉.自体骨膜和软骨膜游离移植修复关节软骨缺损的实验比较.中华骨科杂志Κ1991Κ11Π35. 15Zarzett RΚSalter RB.Peri o steal neochondrogenesis fo r bi2 o logically resurfacing j o intsΠits cellular o rigin.Can J SurgΚ1989Κ32Π171.16Si m p son A HRW.T he blood supp ly of the peri o steumΚJA natΚ1985Κ140Π697.17姚作宾Κ任国良.骨膜的血供及其临床意义.中国临床解剖学杂志Κ1991Κ9Π129.18W illiam s PLΚW ar w ick RΚD yson MΚet al.Gray’s A nato2 m y.37ed.L ondonΠL ivingstoneΚ1989Π299.19D iaz-F lo res LΚGutierrez RΚL opez-A lonso AΚet al.Pe ricytes as a supp lem entary source of o steoblasts in pe2 ri o steal o steogenesis.C lin O rthopΚ1992Κ275Π280.20GronbladMΚL iesi PΚKo rkala OΚet al.Innervati on of hu2 m an bone peri o steum by pep tidergic nerves.A nat R ecΚ1984Κ209Π297.21Hohm ann ELΚE lde R PΚR ysavy JAΚet al.Innervati on of peri o steum and bone by sympathetic vasoactive intestinal pep tide-containing nerve fibers.ScienceΚ1986Κ232Π868.;收稿Π1995-02-28修回Π1995-07-10Γ 793中华骨科杂志1996年6月第16卷第6期。