骨和软骨再生-0512

二、骨组织的组成
骨祖细胞（ 骨祖细胞（osteoprogenitor cells） ）
细胞
成骨细胞（ 成骨细胞（osteoblast） ） 骨细胞（ 骨细胞（osteocyte） ） 破骨细胞（ 破骨细胞（osteoclast） ）
细胞外基质 （骨基质） 骨基质）
胶原纤维、 有机成分 ：胶原纤维、无定形基质 无机成分：骨盐， 无机成分：骨盐，羟基磷灰石结晶
近年来基因重组的BMP- 2和BMP-7的安全性和有效性得到 近年来基因重组的 和 的安全性和有效性得到 也于2002年7月批准重组 月批准重组BMP-2用于 了充分的证实，美国FDA也于 也于 年 月批准重组 用于 了充分的证实，美国 脊柱融合。 脊柱融合。 功能：可明显增加І型胶原 型胶原、 功能：可明显增加 型胶原、ALP、骨钙蛋白、骨桥蛋白、 、骨钙蛋白、骨桥蛋白、 血管内皮细胞生长因子及血小板衍生生长因子mRNA的表达， 血管内皮细胞生长因子及血小板衍生生长因子 的表达， 的表达 增强刺激成骨细胞分化、骨基质蛋白形成和矿化作用、 增强刺激成骨细胞分化、骨基质蛋白形成和矿化作用、血管 发生和软骨形成的能力，从而提高其骨诱导性。 发生和软骨形成的能力，从而提高其骨诱导性。也可诱导肌 源性细胞向骨及软骨细胞分化。 源性细胞向骨及软骨细胞分化。
第二节 生长因子与骨再生
根据国内外骨缺损修复生物学研究表明， 根据国内外骨缺损修复生物学研究表明，影响骨再 四个方面： 生的因素主要包括以下四个方面 生的因素主要包括以下四个方面： ①有分化增殖能力的原始细胞； 有分化增殖能力的原始细胞； ②调控骨发生的多种生物活性物质，主要包括细 调控骨发生的多种生物活性物质， 胞因子及其受体； 胞因子及其受体； ③适合细胞生长并利于恢复原有的骨形态及骨连 续性的微环境和框架结构； 续性的微环境和框架结构； ④机体本身所提供的血供和营养成份。 机体本身所提供的血供和营养成份。
成骨细胞分泌的基质从形态上可分为定形成分和无定形成分。 成骨细胞分泌的基质从形态上可分为定形成分和无定形成分。 定形成分 定形成分： 型胶原，是钙盐沉着和细胞附着的支架。 定形成分：Ⅰ型胶原，是钙盐沉着和细胞附着的支架。 无定形成分：骨结合素（ ）、骨钙素 ）、骨桥蛋白 无定形成分：骨结合素（ON）、骨钙素（OC）、骨桥蛋白 ）、骨钙素（ ）、 ）、纤连蛋白及一系列生长因子 （OPN）、纤连蛋白及一系列生长因子。 ）、纤连蛋白及一系列生长因子。 成骨细胞还能释放钙离子和ALP等酶类物质。 等酶类物质。 成骨细胞还能释放钙离子和 等酶类物质 体外培养的成骨细胞表现为增殖态和功能态两种相对状态。 体外培养的成骨细胞表现为增殖态和功能态两种相对状态。按顺 增殖态 两种相对状态 序进入增殖期、胞外基质合成期及钙化期。 序进入增殖期、胞外基质合成期及钙化期。 增殖期 І型胶原从增殖期开始表达，基质合成期达高峰； 型胶原从增殖期开始表达，基质合成期达高峰； 型胶原从增殖期开始表达 ALP是成骨细胞分化的早期标志物，基质合成期开始出现， 是成骨细胞分化的早期标志物，基质合成期开始出现， 是成骨细胞分化的早期标志物 钙化期达高峰； 钙化期达高峰； OC是成骨细胞分化成熟的标志，一般钙化早期开始表达，钙 是成骨细胞分化成熟的标志，一般钙化早期开始表达， 是成骨细胞分化成熟的标志 结节成熟后达高峰。 结节成熟后达高峰。 一般常将І型胶原、 一般常将 型胶原、ALP、OC作为成骨细胞的鉴定指标和功 、 作为成骨细胞的鉴定指标和功 能状态的评价指标。 能状态的评价指标。
第三节 细胞工程骨的种子细胞
成骨细胞是组织工程骨的关键细胞。 成骨细胞是组织工程骨的关键细胞。 是组织工程骨的关键细胞 成骨细胞的组织来源主要有骨髓、骨膜及颅顶骨、 成骨细胞的组织来源主要有骨髓、骨膜及颅顶骨、髂骨等 松质骨。随着细胞培养技术的提高，现已可从各种动物及 松质骨。随着细胞培养技术的提高， 人的胚胎、幼年及成年个体中培养出相应的成骨细胞。 人的胚胎、幼年及成年个体中培养出相应的成骨细胞。 成骨细胞主要功能是合成、 成骨细胞主要功能是合成、分泌骨基质并促进基质矿化形 合成 成骨组织。 成骨组织。 在体内环境中，成骨细胞位于细胞外基质（ 在体内环境中，成骨细胞位于细胞外基质（ECM）中， ） 与骨细胞、破骨细胞、血管内皮细胞等有广泛联系。 与骨细胞、破骨细胞、血管内皮细胞等有广泛联系。
骨松质（ 骨松质（spongy bone） ）
长 骨 骨 干 结 构 模 式 图
（三）骨髓
骨髓充填于骨髓腔和松质间隙内。 骨髓充填于骨髓腔和松质间隙内。 胎儿和幼儿的骨髓内含发育阶段不同的红细胞和某些白细 胞，称红骨髓，有造血功能。 红骨髓，有造血功能。 5岁以后，长骨骨干内的红骨髓逐渐被脂肪组织代替，呈 岁以后，长骨骨干内的红骨髓逐渐被脂肪组织代替， 岁以后 黄色， 黄骨髓，失去造血活力。 黄色，称黄骨髓，失去造血活力。 但在慢性失血过多或重度贫血时，黄骨髓可转化为红骨髓， 但在慢性失血过多或重度贫血时，黄百度文库髓可转化为红骨髓， 恢复造血功能。而在椎骨、髂骨、肋骨、 恢复造血功能。而在椎骨、髂骨、肋骨、胸骨及肱骨和股 骨的近侧端松质骨内，终生都是红骨髓，因此， 骨的近侧端松质骨内，终生都是红骨髓，因此，临床常选 髂后上棘等处进行骨髓穿刺 检查骨髓象。 等处进行骨髓穿刺， 髂后上棘等处进行骨髓穿刺，检查骨髓象。
（1）软骨雏形形成 ）
间充质细胞→骨祖细胞 间充质细胞 骨祖细胞→ 骨祖细胞 成软骨细胞→软骨细胞 成软骨细胞 软骨细胞 周围的间充质分化为软骨膜
（2）骨领形成 ）
软骨膜内的骨祖细胞 分化为成骨细胞， 分化为成骨细胞，成 骨细胞形成骨细胞。 骨细胞形成骨细胞。
（3）初级骨化中心与骨髓腔形成 ） 最早出现过渡型骨小梁的 部位即初级骨化中心 部位即初级骨化中心 过渡型骨小梁被破骨细胞 分解吸收，融合成骨髓腔 分解吸收，融合成骨髓腔 （4）次级骨化中心与骨骺形成 ） 骺板 次级骨化中心出现在骨 干两端的软骨中央， 干两端的软骨中央，出 现时间多在出生后数月 或数年。 或数年。成骨过程与初 级骨化中心相似， 级骨化中心相似，但骨 化是从中央向四周进行 最终形成骨骺。 的。最终形成骨骺。
一、骨的基本结构
（一）骨膜
骨外膜（ 骨外膜（periosteum） ） 纤维层 血管未分化区 生发层 骨内膜（ 骨内膜（endosteum） ） Sharpey纤维 纤维 穿通纤维） （穿通纤维）
（二）骨质
骨密质（ 骨密质（compact bone） ）
环状骨板
外环骨板:10--40层 层 外环骨板
二、生长因子的作用机制
ras通路 通路 JAKs-STATs途径 途径
三、生长因子的协同作用
PDGF与IGF的协同作用 与 的协同作用 VEGF与BMP的协同作用 与 的协同作用 BMP与TGF-β的协同作用 与 的协同作用
时间-效应错位 时间 效应错位
BMP与FGF的协同作用 与 的协同作用 富血小板血浆
（circumferential lamellae） 内环骨板 数层 ） 内环骨板:数层 骨单位 （osteon，又称哈弗系统， ，又称哈弗系统， Haversian system） ） 间骨板 (interstitial lamellae)
哈弗斯骨板:10-20层同 层同 哈弗斯骨板 心圆排列的骨板 中央管） 哈弗斯骨管 (中央管） 中央管 不规则的平行骨板（ 不规则的平行骨板（骨单位 被吸收后的残留结构） 被吸收后的残留结构）
转化生长因子β（ 转化生长因子 （TGF-β） ）
在骨组织中， 的含量最为丰富， 在骨组织中，TGF-β1的含量最为丰富，其对骨再生的作用 的含量最为丰富 表现为： 表现为：
①对骨基质的形成和吸收有多效性，是骨形成与吸收的双重因子； 对骨基质的形成和吸收有多效性，是骨形成与吸收的双重因子； 多效性 ②促进骨膜下间质细胞增殖分化为成骨细胞和成软骨细胞，成骨细 促进骨膜下间质细胞增殖分化为成骨细胞和成软骨细胞， 增殖分化为成骨细胞和成软骨细胞 胞合成大量胶原，最终导致新骨形成； 胞合成大量胶原，最终导致新骨形成； ③诱导人胚成骨细胞合成胶原蛋白，增加骨形成过程中胶原蛋白的 诱导人胚成骨细胞合成胶原蛋白， 合成胶原蛋白 含量，从而加速新骨基质的形成及新骨的沉积； 含量，从而加速新骨基质的形成及新骨的沉积； ④刺激成骨细胞不断增殖并由不成熟型向成熟型转化。 刺激成骨细胞不断增殖并由不成熟型向成熟型转化。
骨 组 织 的 各 种 细 胞 和 骨 板
三、骨的发生
（一）膜内成骨 (intramembranous ossification) （二）软骨内成骨 (endochondral ossification)
骨组织形成的基本过程
间充质细胞 分泌
骨祖细胞
成骨细胞
转化为
纤维和基质（类骨质） 类骨质）
钙化
1963年是美国的 年是美国的Marshall R.Urist教授发现了 年是美国的 教授发现了 BMP。 。
发现：把脱钙的皮质骨植入动物的肌肉中， 发现：把脱钙的皮质骨植入动物的肌肉中，1-2 周后会有新骨形成。 周后会有新骨形成。 结论：植入的骨虽是死的，但其中可能含有某 结论：植入的骨虽是死的， 种物质在诱导新骨的形成。 种物质在诱导新骨的形成。 从皮质骨中提取获得了对成骨至关重要的“ 从皮质骨中提取获得了对成骨至关重要的“骨 形态发生蛋白” 形态发生蛋白”，在全世界范围内掀起了成骨 诱导研究的热潮。 诱导研究的热潮。
促进骨再生的机制主要有三种： 促进骨再生的机制主要有三种：
①骨发生：指移植物携带的细胞能在移植骨区形 骨发生： 成新骨； 成新骨； ②诱导成骨：指移植物的生物活性物质能诱导宿 诱导成骨： 主间充质细胞聚集并分化为成骨细胞形成新骨； 主间充质细胞聚集并分化为成骨细胞形成新骨； ③传导成骨：指移植物能提供支架结构引导血管 传导成骨： 和成骨细胞长入移植骨形成新骨。 和成骨细胞长入移植骨形成新骨。
一、骨生长因子及其生物学特性
骨形态发生蛋白（ 骨形态发生蛋白（BMPs） ） 转化生长因子β（ 转化生长因子 （TGF-β） ） 碱性成纤维细胞生长因子（ 碱性成纤维细胞生长因子（bFGF） ） 胰岛素样生长因子（ 胰岛素样生长因子（IGF） ） 血小板衍生生长因子（ 血小板衍生生长因子（PDGF） ） 血管内皮细胞生长因子（ 血管内皮细胞生长因子（VEGF） ） 肿瘤坏死因子（ 肿瘤坏死因子（TNF） ） 白细胞介素-1（ 白细胞介素 （IL-1） ）
骨细胞
骨基质
骨组织
骨组织的吸收
骨组织的形成和吸收同时存在，处于动态平衡。 骨组织的形成和吸收同时存在，处于动态平衡。
（一）膜内成骨
在原始的结缔组织内直接成骨，扁骨和不规则骨 在原始的结缔组织内直接成骨， 以此种方式成骨。 以此种方式成骨。
骨化中心
骨组织
（二）软骨内成骨
在预先形成的软骨雏形的基础上，将软骨逐步替换 在预先形成的软骨雏形的基础上， 为骨。见于四肢骨、躯干骨等。 为骨。见于四肢骨、躯干骨等。
过渡型骨小梁 初级骨髓腔
四、骨的生长、改建与修复 骨的生长、
加长 软骨储备区 软骨增生区 软骨钙化区 成骨区 一般17~20岁终止 岁终止 一般 增粗 一般30岁终止 一般 岁终止
五、影响骨生长发育的因素
（一）激素对骨生长发育的影响 （二）骨生长因子对骨生长发育和愈合改建 的影响 （三）维生素对骨生长发育的影响 （四）物理因素对骨生长发育的影响
骨再生
神经再生重点实验室 张琦 2010.05
主要内容
• 骨的基本结构和功能 • 生长因子与骨再生 • 细胞工程骨的种子细胞 • 细胞工程骨的支架材料 • 组织工程骨的临床应用
第一节 骨的基本结构和功能
骨的基本结 骨膜、 构包括骨膜 构包括骨膜、 骨质和骨髓。 骨质和骨髓。
功能：支持、保护、 功能：支持、保护、 造血、 造血、贮钙
培养的鼠 成骨细胞
人脐带间质干细胞 分化为成骨细胞
茜素红染色 检测钙结节
兔桡骨远侧 15mm缺损 缺损 修复后16周 修复后 周