骨组织与矿化

骨骼中的无机物占干重量骨的65%～75%，其中95%是固体的钙和磷。无定形的钙-磷固体在嫩的、新形成的骨组织中较多（40%～50%），在很成熟的骨组织中较少（25%～30%）。人体内的主要矿物质见表5-1。

表5-1 正常成人（70kg）骨骼的主要成分

2.1 骨矿物质

2.1.1 钙

正常人血浆钙维持在2.2～2.7mmol/L。钙是人体必不可少的物质，成人体内的钙含量约为1kg，血浆钙仅占体内总钙含量的1%，其余99%的钙存在于骨骼中，以磷酸盐、碳酸盐和氢氧化物的形式存在于骨组织中。钙进入体内与蛋白结合，约占30%，为结合形式的钙；离子形式的钙约占70%。体内的钙在参与血液凝固、保持神经-肌肉的应激性和肌肉的收缩性，维持细胞的渗透压及酸碱平衡中起重要作用，也是许多酶形成所必不可少的。

2.1.2 磷

正常人体内含磷总量为400～800g，其中80%～90%以无机磷酸盐的形式存在于骨内（占骨矿物质的8%），其余10%～20%存在于血液、软组织及脏器的细胞内和细胞外液中。磷在骨内和钙结合形成羟基磷灰石。骨内磷酸盐由不稳定的碎片组成，和血中离子状磷酸盐保持动态平衡，稳定的磷酸盐碎片附着在骨组织中。正常成人每天磷的最低需要量为0.88g，孕妇和发育期的儿童摄入量需多一些。磷主要的饮食来源是奶、肉类、蛋、坚果和所有的谷类食物。磷酸盐在体内具有十分重要的生理功能，其生理意义几乎涉及全身各组织器官的各种功能，主要包括骨生长和发育、合成核酸、参与能量代谢、调节PTH分泌、维持酸碱平衡和组成细胞成分等。低磷血症，特别是急性低磷血症，可导致机体的多种功能障碍甚至死亡。

2.1.3 镁

正常成人血镁水平为0.75～1.0mmol/L，女性较男性略低。血镁的调节主要由肾脏完成，取决于肾小球滤过镁的浓度和肾小管对镁的重吸收率，并与骨骼软组织游离出来的镁有关。机体缺镁时，肾脏潴留镁，尿中排镁减少。相反，镁摄入过多时，尿中排镁增加。镁直接影响骨细胞功能以及羟基磷灰石的形成。镁还可影响骨的矿化过程，使骨生长受损，成骨细胞活性降低，骨的强度减弱以及骨脆性增加。也有研究认为，镁缺乏可能是骨质疏松的危险因素。

2.1.4 铁

骨铁指铁元素在骨组织中的沉积量。与血清铁蛋白不同，骨铁需经长期生物化学变化而形成，比较稳定，更能直接反映骨组织的铁状态。骨铁形态学变化可以直观说明铁在骨组织中沉积的区域，对了解铁增加与骨组织骨矿化结构关系（矿化骨质与未矿化类骨质关系）非常有益。张林林等认为，铁主要沉积在成骨细胞和骨细胞中；而Mille则认为，铁沉积在矿化骨小梁和类骨质交界区的矿化前沿。张伟等研究显示：铁主要沉积在矿化骨小梁和类骨质之间，骨小梁表面散在的铁染色可能与骨细胞内铁沉积有关，两者均说明铁在骨组织过度沉积可造成骨代谢异常。

2.2 骨组织的形成与矿化

2.2.1 骨组织的形成

骨组织的形成经历两个步骤：第一步是形成类骨质，第二步是类骨质钙化为骨组织。在胚胎早期，首先由中胚层间充质细胞在将要形成骨的部位转化为前成骨细胞（又名骨原细胞、骨祖细胞），然后分化为成骨细胞，再由成骨细胞进一步成为成熟的骨细胞。当骨膜形成以后，骨细胞则由骨膜中的骨原细胞逐步分化而来。

成骨细胞是骨组织形成过程中最活跃的细胞，具有合成和分泌骨胶纤维和基质的功能。刚形成的骨细胞尚有产生基质的能力，而当其成为成熟的骨细胞时便失去了这种功能。在骨组织形成过程中，有机骨基质和骨胶纤维是成骨细胞首先合成的物质，其内含类脂、硫酸软骨素、唾液蛋白等，因为没有骨盐的沉积，所以被称为类骨质。随后，成骨细胞会逐渐被类骨质包埋，埋入类骨质中的成骨细胞即为骨细胞。类骨质形成后不久就会有钙盐沉积。钙盐在类骨质的沉积称为类骨质的钙化。此种钙盐由钙、磷酸根和羟基结合而成，称为羟基磷灰石，其结晶体呈针状，沿骨胶纤维平行排列。类骨质一经钙化便成为骨组织。随后在新形成的骨组织表面又会有新的成骨细胞继续依照上述过程形成新的类骨质，并有钙盐沉积钙化。

2.2.2 骨矿化

骨的矿化是指无定形的磷酸钙演变为羟基磷灰石结晶并沉积于骨的有机质间隙内的过程。骨的矿化过程非常复杂，包括细胞内和细胞外过程，但关键是磷灰石的成核过程。当成骨细胞合成并分泌骨的有机基质（包括骨胶原纤维和无定形有机基质）后，在一定条件下，无机盐有序地沉积于其内。在这一过程中，有机质以骨胶原纤维为主，而无机质以羟基磷灰石为主要物质。骨胶原纤维是骨基质中含量最高的有机成分。矿化后的骨基质是无机盐成分以晶体的针状或板层结构沉着于骨胶原纤维空隙内。

矿化过程及其影响因素：骨基质矿化是以Ⅰ型纤维为支架，在矿物盐类、非胶原蛋白（蛋白聚糖、糖蛋白和磷蛋白）及相关酶类、脂类协同调节下发生的。基质小泡（MV）是一种位于胞外、直径为100～250nm的膜囊嵌微颗粒，起源于软骨细胞、成骨细胞的质膜，其特征是能与钙磷结合蛋白（膜联蛋白）、钙离子结合，使大量Ca2+进入MV。MV通过调节焦磷酸盐与磷酸盐比率、提供羟基磷灰石结晶成核位点及作为离子通道调节MV内外钙离子和磷酸盐浓度等，在骨矿化过程中发挥重要作用。矿化第一步始于MV中，在磷脂酰丝氨酸（PS）、钙结合蛋白、骨涎蛋白、钙磷结合蛋白以及细胞膜和MV膜上的Ⅲ型协同转运蛋白作用下，无机离子（钙离子、磷酸盐）开始在MV中积累，一旦钙离子和磷酸盐积累到一定量，首先形成非晶体的无定形的磷酸钙（ACP），ACP再转变成磷酸八钙（OCP），最后形成高度难溶的羟基磷灰石。羟基磷灰石在磷酸水解酶（尤其是TNAP和NPPI）和钙结合分子作用下开始沉积。然后，羟基磷灰石通过MV膜释放进入细胞外基质，与胶原蛋白连接，继而在细胞外环境控制下不断生长。在此矿化过程中，MV中的一些蛋白起到重要作用。

除了上述蛋白，羟基磷灰石结晶的形成受到诸多因素如血钙磷浓度、胶原、激素（甲状旁腺素、维生素D3等）、黏多糖类、脂质及细胞活性因子的调控和影响。另外，有研究表明，胎球蛋白A在骨矿化早期起重要的抑制作用。

（毕擎）