关节软骨的发育

关节软骨的发育、结构与组成

一、关节软骨的发育

人类关节发育始于胚胎第6周、第10周形成关节，出生后关节软骨有两个增生层:①深层是骨骺的一部分。②浅层在关节面下，供给关节软骨细胞，出生后第1年关节软骨最厚，以后则浅层停止增生，幼儿关节软骨呈无色半透明状，富于细胞且肥厚，含有大量水分与黏多糖。到第6个月时蛋白合成率降低，软骨成熟的标志是潮线（tide mark)的出现，说明软骨内骨化停止，血管不再穿人关节软骨，潮线下的软骨钙化，形成软骨下骨板。

二、关节软骨的结构

关节软骨为透明软骨，透明呈蓝白色，位于长骨端形成关节面，随着年龄增长而色泽变暗，软骨质坚而具韧性，受压时变形，去压后可恢复原形。软骨中没有神经血管，但具有大tt细胞外基质，软骨细胞位于陷窝之中，稀疏散在。

关节软骨可分为如下层次，自关节表面向骨端依次为滑动带、过渡带、放射带、钙化带和软骨下骨性终板（图2-1-1)。

1、滑动带（gliding zone) 位于域表层，厚度约200Mm，主要为胶原纤维、软骨细胞与胶原纤维之排列，与关节面平行，直径为30mn，基本不含黏多糖，除与关节平行的纤维外，还常形成直角关节软骨的分层互相交叉，软骨细胞呈细长状在陷窝内.细胞陷窝之间隙非常小，滑动带在关节的表面有功能性孔或开口，以利营养物质及低分子摄物质从孔出人软骨。

2、过渡带（transitional zone) 位于消■动带切线层下，软骨细胞较小，散在于富含胶原与糖蛋白的基质内，胶原纤维的走向由表面层的与关节面平行，逐渐变为斜行。

3、放射带（radial zone) 在过渡带之下，厚度占关节软骨下半部的1/3，特点是软骨细胞呈垂直放射状，细胞排列为柱形，胶原纤维变为垂直方向，有时见拱形状，在放射带的基底，纤维成粗束状，固定于潮线、放射带的基质更为质

密。

4.潮线在HE染色时呈波浪状嗜碱性线，包含排列紊乱的原纤维，平行的、垂直的原纤维、胶原纤维等。潮线下的钙化带含有大小不等的但较小的软骨的胶原细胞，可表现为变性及坏死。潮线的作用是牢固地连接软骨的胶原纤维和软骨下骨板.软骨下骨板含骨小梁，厚薄不等。由骨皮质与哈佛系统所组成。

三、关节软骨的组成

(一）软骨细胞

关节软骨中软骨细胞与基质相比，细胞很少，故代谢活性低，软骨中含有高浓度乳酸和糖酵解代谢的各种酶，含氧低，故采取厌氧代谢途径，使软骨在低氧张力下发挥作用。营养分子可经滑液或骨核弥散到关节软骨。在骨发育成熟后，滑液成为营养唯一来源，经基质弥散来营养软骨细胞。各种营养物质经软骨基质的弥散系数等于水的一半，而且这种弥散是被动过程，即在滑液流动时，软骨能得到充分营养。关节制动时滑液停滞，增加了分子弥散的阻力，则影响深部软骨细胞获得营养。由于滑液可以营养软骨，故脱落的软骨和死骨表面的软骨可以存活。在关节反复负载的情况下，才能保持正常软骨的代谢，关节软骨的非负荷部位容易出现变性，反复负荷可刺激软骨细胞合成软骨基质，软骨细胞的变性坏死与退变，主要先见于第2、3带。

除了这些关节表面至骨之间各层的不同特性之外，根据基质与软骨细胞的接近程度分为细胞周、细胞领域与细胞领域间。这些区域的内容物（胶原、蛋白多糖和其他基质成分）各不同，胶原纤维的粗细和排列方式也不同。胞周基质是靠近细胞膜并完全包围软骨细胞的非常薄的一层，主要由蛋白多糖与其他非胶原成分组成，几乎没有胶原纤维。围绕胞周基质的细胞领域，由于其边界纤细胶原纤维网状结构而与领域间基质区别开来。关节软骨基质中细胞领域间基质占的比例最大，决定了关节软骨的主要特性。它包括了细胞领域间基质里单个细胞和细胞簇间的基质，含有大分子的胶原纤维与大部分蛋白多

糖。

关节软骨的形成与维持依赖于软骨细胞。它们来源于间充质细胞，在骨骼的生长过程中，这些细胞可以增加基质的体积。在成熟组织中，软骨细胞占总组织体积的10%以下，负责维持基质。软骨细胞代谢活跃，可以对许多环境刺激产生反应，包括：可溶性调节因子，如生长因子、白细胞介素、药物、基质分子、机械负重、流体压力的变化。虽然软骨细胞一般处于稳定状态，但其对一些因子（如白细胞介素-1)的反应可以导致基质的退变。但关节软骨的软骨细胞对于另外一些通常调节人体生理活动信号的反应是有限的。关节软骨无神经支配，所以，不依赖神经冲动传递信息。而且，由于不含单核与蛋白质共价结合区域共同组成，这种分子会加强胶原纤维与蛋白多糖间的相互连接。细胞或免疫球蛋白，故关节软骨中没有免疫反应（细胞或体液免疫）。

(二）软骨基质

由于软骨细胞只占关节软骨总体积的一小部分，其组成成分以基质为主。水分占正常关节软湿重的65%〜80%(图2-1-2，表2-1-1)，其余组织的湿重由两种大分子结构组成：胶原和蛋白多糖。其他成分还包括脂肪、磷脂、蛋白质及糖蛋白，然而它们在总基质中的具体作用还不明确，但必须认识到它们是除了胶原与蛋白多糖之外的重要成分。例如，K型胶原是杂合的，即由胶原和糖胺聚糖与蛋白质共价结合区域共同组成，这种分子会加强胶原纤维与蛋白多糖间的相互连接。

虽然这些成分总体数量少，但也可能与U 型胶原或大分子聚合物有相同的摩尔当量（如连接蛋白），而且也是在基质中发挥重要的功能。

1.水分是正常关节软骨最丰富的成分，占湿重的65%〜80%。骨关节炎的早期，组织分解

以前水分的含量可以达到90%以上。少量水分位于细胞间隙，30%位于胶原中的纤维间隙，剩余的位于基质中的分子间隙。组织水分中溶解有无机盐，如钠、钙、氯、钾。整个关节软骨中水分的含量不尽相同，软骨表面为80%，深层只有65%。当固体基质受到挤压或存在压力梯度时，水分可以在基质中流动。流经基质分子孔隙的摩擦阻力非常高，而组织的渗透性非常低。基质中水分的摩擦阻力和耐压基于两个基本机制，使得关节软骨能支持非常高的负荷。通过组织和关节表面的水分流动，可以促进输送营养物质，润滑关节。软骨中水分流动的流体力学机制遵循流体力学与物理化学定律。根据定律可以证明，使水分在基质中流动需要很大的压力。例如：使水以17.5；im/S (很低）的速度通过正常的关节软骨，需要IMPa(145psi)的压力。也就是说，要使水分以该速度通过软骨，则组织两侧必须存在IMPa的压力差。

关节软骨对水的亲和力主要源自蛋白多糖的亲水特性，胶原蛋白影响较小。纯胶原蛋白构成的物质通过毛细管现象与表面张力被水湿化，这是一个相对较弱的物理机制。蛋白多糖吸收水分的能力取决于两方面的物理化学机制：Dorman渗透压，由组织间隙中可以自由移动的对流离子（如Ca2+，Na+)所形成，而离子是为了中和蛋白多糖的电荷所产生；或者同样地产生于分布在蛋白多糖分子上的固定的负电荷之间的静电排斥力，蛋白多糖在溶液中存在体积膨胀的趋势。对于关节软卄，水合的程度取决于蛋内多搪产生总的膨胀 m力与包绕蛋白多糖的粗大胶原网络所产牛的约束力之间的平衡。因此，当水分一旦与任何一种大分子接触，就形成黏肴稳定的间态基质，使绀织与水分紧密结合。

2.胶原胶原是基质的主要结构大分子（表 2-1-2)，至少有15种不同的胶原种类，它们由至少29种遗传性状不同的链组成。所有的胶原家族成员均有特定的三螺旋结构，组成其分子的大部分长度，或者，被1个或几个非螺旋形的结构域中断。胶原蛋白占关节软骨干ffi的50%以上，其中，90%〜95%是丨丨甩胶原。但楚，软骨基质中也有乂、\^1、[\、\、)(1咽胶股。关节软骨的胶原蛋白使组织具有张力与的力特性，固定萆质中的蛋白多糖。软骨中的胶原纤维一般比肌腱或骨组织中的要纤细，部分原W也许与其在绀织中与相对多的蛋白多糖相互作用的功能有关。M然胶原的宽度可以W年龄或疾病增加，但在10〜lOOnm变化，胶原纤维并不十分有序排列，特別办:软骨的中间层呈随机分布（阌2-1-3)。

所有胶原具有三螺旋结构，由3条多肽链（a 链）组成。链中33%的氨基酸是甘氨酸，25%是脯氨酸。由于脯氨酸的存在，每一条多肽链都呈现特征性的左手螺旋构铟，并且在三螺旋结构中绕共同的轴右旋，编织成独特的具有抗拉伸应力的结构。胶原蛋白还含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、糖坫化(半乳糖基或半乳糖葡萄糖基）羟赖氨酸。胶职三螺旋结构的氨基酸序列可以表示为（Gly- Xaa-Yaa) n，除氨酸以外，Xaa与’ Yaa处可以是任何一种氨基酸，主要是脯氨酸与羟脯氨酸。鉍酸是构成三螺旋空间结构中必需的分子W敁小的