关节软骨的发育

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1、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:深 层是骨骺的一部分。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

2、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) 。滑动带过渡带放射带潮线 钙化较骨软骨于骨板ffi 2-1-1关节软骨的分层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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、 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。那乘百分优干血分比遴明较骨纤维软骨无机蔭质EJ肓机雄质腔原韩性蛋白械供门段蔦他S 2-1-2 透阴轶科、奸握软昏和肾的内容物比较宦氫遶（1M轨骨的水分和蛋白雾糊的竄试盼2-1-1盖节软骨的生物力学组成成分湿甬:（主要咸分的宗就水分缸&0胶原（

9、11型）10 20可聚眾口聚糖次妥成分的量少丁 蛋白多植双糖核心蛍口聚糖纤调買白蚩辅胶原V型可型IX塑丫型卅型连按蛋白透明质酸纤维威醱脂质A71. 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

10、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

11、。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1 5种不同的胶原种类，它们由

12、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、入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10lOOnm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） 。

13、注去圧(ID%-20%)-申间层（40%-fiO%）弼杞软骨 l-h?i关节軟肾腔嫌奸堆结构先齐義血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

14、子W战小的氨基酸，因为每三个残基的功能组构成螺旋内 部结构。因羟脯氨酸能使分子内氢键沿着分 子的 长度形成，故对于维持胶原的稳定性是必需的。 羟赖氨酸参与共价结合以维持胶原纤 维集合的稳 定性。某些胶原（如n型），分布于整个软骨基质，而另外一些则局限于特定区域，如VI、K、 XI型胶股。图2-1-4是胶原单体（以前的文献称为原胶原）的典型投。基质中，胶原 单体由连续的三螺旋结 构 it 尾或侧侧相连排列成1/4 交错取杵的三维结 构，该结构形式 产生了胶原纤维的特征性的带形。软骨中该结构以丨I5?胶原最为典甩，X丨甩胶原蛋白 也可形成胶原纤维但较纤细。rtl于三螺旋结构的断裂，K型胶原A身不形

15、成纤维结构， 但与纤维 表面有关。惟戲原歼维那威组威腔原f的二強口蛍羽成二蝉、錠鉛枸阚脚外呻SA的n瑞和（：辎蹦孫结构域薇介幵収利:纤维在捋殊的 J空措卅列中形威贬啜分子! Idflnni | 腔惊軒维庄1皿交開排列中表乙42股原的类壁类型集合方式1炎胶原茁加三燥能）I型连接纤悄I型戟甘，椎闻也连復杆维31型底狀，血廿连接纤维Y型伴隘1型巒脱连摆纤维IRh闍fffifi LI麗腔原it接好饥2类腔匝*基底膜）IV型基底屋三比网狀站构上检垄宓腹固定舛维1$1内曲基底膜未知旳广奁存住續丝，lldna连搖的集樂涉IV软骨f诽U塑胶匝交址连橫U割胶廉X肥大软骨不明XI平明谓内皮制胞不明3、蛋白多糖蛋白多糖是一种杂的大分 子，从名字上看，由核心蛋白共价结合多糖链（糖 胺 聚糖）（以前的名称为黏多糖）组成。蛋白多糖 正规应该叫做蛋白质核心多糖或黏多糖， 后者仍被用来描述遗传件疾病。糖胺聚糖（glyeosamin-oglycaruGAG）由长链的、未 分叉的重复二糖单位 组成。软骨的蛋白多糖主要有3 种类型 :即 4-与 6-硫酸软背紊同分 异构体、硫酸角柬和硫酸皮