第二章 软骨及软骨组织
软骨是一种固态的结缔组织，具有独特的物理特性和分子组成，含有大量的Ⅱ型、Ⅸ型、X型及Ⅺ型胶原，使得其组织结构及生理特性比较特殊而具有“软骨特异性”。软骨的胶原网架结构具有抗张能力，聚合素使其具有抗压能力。软骨的周围一般被覆以纤维结缔组织的软骨膜，它在软骨被骨取代时转化为骨膜。
软骨的主要功能是（器官）结构的支持与支撑、（关节）力的负重与缓冲和减少关节摩擦力。在儿童及青少年期，软骨（干骺端）还具有使身体生长的重要作用。
一、软骨组织的结构
软骨组织主要由低密度的软骨细胞和细胞外基质（extracellular matrix，ECM）组成（图2-1）。ECM含有不同类型的胶原蛋白（以Ⅱ型胶原为主、占干重的70%）、黏多糖及水（约占湿重的80%）。
图2-1 正常软骨组织
软骨的共同特性为：可以产生和分泌软骨外基质成分的软骨细胞少；软骨ECM含有独特的、被包绕在水化胶原纤维中的蛋白多糖为其生物力学功能的发挥提供支撑；反过来，通过合成额外的非胶原蛋白（蛋白聚糖和糖蛋白）又有助于软骨细胞介导的基质合成及组装。
除关节软骨表面外，软骨外面包裹有一层较致密结缔组织，即“软骨膜”。软骨膜分为内层和外层：外层纤维较致密、血管少、细胞疏散，主要起保护作用；内层纤维较少，血管和细胞较多。其中一些较小的梭形细胞，称骨原细胞或前成软骨细胞，这些细胞可增殖分化为成软骨细胞或软骨细胞，在软骨的生长和修复中起重要作用。
1.软骨细胞
软骨细胞的数量较少，位于软骨基质的小腔——软骨陷窝内。新鲜软骨中的软骨细胞充满在软骨陷窝内，软骨陷窝周围的软骨基质含硫酸软骨素较多，染色时呈强嗜碱性，称软骨囊。经固定的切片标本中，软骨细胞的胞质皱缩，细胞变形，软骨陷窝壁与细胞间出现空隙。软骨细胞的形态、大小不一。靠近软骨表面的软骨细胞是从软骨膜内的骨原细胞增殖分化而来，细胞较小而幼稚，呈扁平椭圆形，大多数单个存在，渐至软骨深部，软骨细胞逐渐增多，呈圆形或椭圆形，并在软骨陷窝内继续分裂增殖，形成2～8个细胞为一群的同源细胞群。软骨细胞核呈圆形或椭圆形，细胞质微嗜碱性。电镜下，软骨细胞质内含有较丰富的粗面内质网和发达的高尔基复合体，线粒体较少，还可见散在的脂滴。
2.细胞间质
由软骨基质和纤维组织组成。软骨的细胞外基质由不同比例的胶原和弹性纤维组成，交织在由透明质酸、软骨素和角蛋白硫酸盐及基质蛋白-1（matrilin-1）组成的基质内，与许多其他分子一起共同维持着软骨内环境的稳态。
（1）软骨基质：
软骨基质呈凝胶状，具有韧性，内含由成软骨细胞或软骨细胞分泌的软骨黏蛋白，为蛋白多糖大分子物质。蛋白多糖由蛋白质和糖胺多糖组成，糖胺多糖中的透明质酸构成蛋白多糖的主干。干链上连接以蛋白质和其他糖胺多糖（硫酸软骨素和硫酸角质素）构成的亚单位。软骨基质中的硫酸软骨素含量较多，故呈嗜碱性，且具有异染性，软骨囊的基质内含硫酸软骨素尤多。随着软骨细胞的不断增殖，软骨基质内的纤维也逐渐增多。基质蛋白-1是一种分子量为148kDa的软骨特异性蛋白，分布于细胞外基质内。它由3个相同的二硫键连接的亚单位经羧基端线圈结构域组装成三聚体。基质蛋白-1在气管、鼻、耳廓及剑突软骨高表达，但在正常成人关节软骨内不表达。
（2）纤维组织：
软骨组织内含有胶原纤维及弹性纤维。在哺乳动物体内至少发现了19种不同的胶原纤维。软骨富含大量Ⅱ型、Ⅸ型、Ⅹ型及Ⅺ型胶原，其中Ⅱ型胶原在关节软骨内含量最高，占胶原总量的80%～85%。Ⅱ型、Ⅵ型和Ⅻ型胶原也见于非软骨组织。Ⅱ型、Ⅸ型和Ⅺ型胶原是构成基质的主要纤维；Ⅺ型胶原调节纤维大小；Ⅸ型胶原有助于纤维与多聚糖大分子的相互作用。
在显微镜下，软骨中胶原的分布及方向规律形成不同的解剖学区域：在接近软骨表面的浅表区域（10%～20%）的胶原纤维排列与关节面平行；在中间区域（40%～60%）的排列为拱廊形；在深层区域（30%～40%）呈垂直形。
关节软骨内含有大量胶原，包括Ⅱ型、Ⅵ型、Ⅸ型、Ⅹ型及Ⅺ型。除Ⅹ型以外的其他4种胶原也见于玻璃体、角膜、髓核、半月板等“软骨样”组织。Ⅸ型及Ⅺ型胶原是软骨特异性分子，但含量较Ⅱ型低。依软骨类型及年龄不同，占软骨内总胶原含量的3%～10%不等。Ⅹ型胶原亦为软骨特异性蛋白，富集于含有肥大性软骨细胞的区域及骨折愈合处，正常成人软骨中仅含少量Ⅹ型胶原。软骨内也含有其他种类的胶原纤维，但不具有软骨特异性。Ⅵ型胶原在软骨内含量极微。
二、软骨的分布及分类
在成人，软骨的解剖学分布主要在关节、气管和鼻中隔、耳廓、椎间盘、肋软骨等处（图2-2）。根据软骨间质内蛋白聚糖及胶原纤维种类和含量的不同，将软骨分为透明软骨、纤维软骨和弹性软骨三种类型。
1.透明软骨
体内最常见，分布较广，结构也较典型，主要分布在关节、肋软骨和呼吸道等处。胚胎软骨和较大的软骨内偶尔可见大血管穿行，但不分支形成毛细血管。新鲜的透明软骨呈透明状，水含量占软骨湿重的60%～85%；胶原分子种类多、以Ⅱ型胶原为主的多聚体结构及依靠Ⅸ型胶原共价键相互连接而形成内部细网状纤维整体结构。光镜下观察，同源细胞群较明显，基质中无胶原纤维，但电镜下观察，可见许多细小的胶原纤维，无横纹，纤维相互交织成网。此网状结构占软骨干重的70%，留有水化空间高达100nm，为软骨组织提供拉力和扭转力。
图2-2 软骨分布部位
2.纤维软骨
纤维软骨分布在椎间盘、关节盂、半月板、耻骨联合及关节软骨的肌腱附着处，与致密结缔组织相连处无明显连接线。纤维软骨的结构特点是纤维间质内含大量呈平行或交错排列的胶原纤维束。具有可提供强拉力的高密度Ⅰ型胶原。此类软骨基质中的细胞周边含有Ⅵ型胶原、少量Ⅱ型胶原及蛋白聚糖。软骨细胞较小而少，常成行分布于纤维束之间的软骨陷窝内。
3.弹性软骨
弹性软骨分布在耳廓、外耳道、咽鼓管、会厌和喉软骨等处。基质中主要为Ⅱ型胶原、蛋白聚糖和大量交织分布的弹性纤维，故具有较强的弹性。
三、软骨的生长、代谢及承重原理
1.软骨的生长
通常有两种并存的方式。一种为软骨内生长，又称间质性生长。其基本过程是新生的软骨细胞不断增殖，并由周边移至深部，细胞体积增大，并生成基质和纤维，细胞彼此逐渐远离。深部的软骨细胞继续分裂增殖，形成同源细胞群，由此软骨不断地从内部增长。这是幼稚时期软骨生长的主要方式，使软骨的外形具有可塑性变化。另一种为软骨膜下生长，又称附加性生长。在胚胎整个时期，软骨膜内层的骨原细胞不断地分裂增殖和分化为成软骨细胞或软骨细胞，由此产生新的基质和纤维。新生的软骨组织不断附加在原有软骨的表面，使软骨从表面逐渐增大增粗。这是较成熟时期软骨的主要生长方式，但间质性生长仍保持较长时期。
2.软骨代谢及承重的原理
软骨是一种无血管、无神经、无淋巴的“三无”结缔组织，无法直接从循环中获取营养，主要依靠软骨膜内的血管提供营养物质。因此，软骨的营养代谢方式比较特殊。
软骨代谢及承重机制依靠的是“唧筒原理”（图2-3）。依靠其与受力相关的压缩与膨胀的变换，非受力（膨胀）状态下，带阴离子的硫酸软骨素及硫酸角质素将水吸入软骨组织，使蛋白聚糖膨胀，依靠胶原纤维的拉力而达到张力平衡；在负重（压缩）状态下，硫酸软骨素及硫酸角质素紧密靠近，水被取代的同时增加了其膨胀潜力，并平衡了所受负重；软骨负重一旦解除，膨胀力释放，软骨组织再次恢复到之前的非受力平衡。
在此机制中，软骨细胞在产生、组织和维持细胞外基质方面发挥着重要作用，基质蛋白多聚糖水化后的膨胀和胶原交织网提供的膨胀限制之间的力平衡转换是关节软骨承重及几乎无摩擦力运动的水动力学的关键基础。推测营养物质及代谢产物通过通透性较强的软骨基质进行交换。
图2-3 软骨代谢承重原理
四、软骨病的发病机制与修复
依据对软骨相关疾病的动物模型及人类疾病的研究进展，目前认为：软骨是风湿病受累部位之一。近年有国外学者提出了“软骨病（cartilage disease）”的概念，即以软骨病变为主的疾病，包括七大类疾病（表2-1）。
表2-1 软骨病
1.软骨病的概念
软骨病有以下要点：①软骨病的种类繁多，包括任何累及软骨的疾病。②各种软骨病的发生率差异很大。从非常常见（美国的发病率为37%）的骨关节炎（osteoarthritis，OA）到罕见的（目前仅有3例报道的）遗传性疾病先天性脊柱骨骺发育不全（Sponduloepimetaphyseal dysplasia，SEMD）。③不同种类软骨病的发病机制各不相同。研究提示：基于细胞外基质中的蛋白溶解酶激活及软骨细胞的凋亡是炎症性软骨病发病的重要过程，因此，ECM在软骨病的发生及发展过程中发挥着重要作用。目前，需要加强对软骨病的病因、发病机制、临床特点及其治疗的深入研究，才能使软骨病的概念进一步完善。
2.软骨病的临床特点
软骨病有以下临床特点：①基于软骨无神经的特性，往往软骨破坏达到一定程度时才会有症状，因此，不易早期发现；②基于软骨无血管的特性及ECM结构使得药物在软骨组织内的转运受阻，因此，治疗困难；③基于软骨无淋巴的特性，免疫细胞在软骨病的免疫机制中的作用尚需进一步深入研究；关于对RP、OA及假痛风的代表性研究参相关章节及参考文献。
3.软骨的修复
成人软骨的重要性在于其能对正常机体内稳态造成正性和负性影响的机械刺激、生长因子及细胞因子等产生反应。在成人的软骨内所含有的胶原、蛋白聚糖以及软骨特异和非特异蛋白构成的特殊基质中，软骨细胞是成熟软骨组织中唯一的细胞类型，能保持软骨基质成分合成和分解的稳态平衡，但很微弱。随着年龄增长或在关节疾病如类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA）、OA中，这种稳态平衡会被打破，使基质中胶原和蛋白聚糖的丢失率超过新合成分子的沉积率，在炎症的病理基础上，出现软骨丢失及退变。
尽管只要软骨下骨板保持完整，软骨细胞就具有一定的修复能力；但当深达软骨下骨板的软骨深层损伤，关节软骨的修复就有广泛的成纤维细胞产生而失去润滑及弹性。因而，软骨的修复就是不完全的。
基于对软骨代谢、软骨炎症过程了解的匮乏，目前对软骨病变干预（如针对软骨组织的药物投递）的手段尚少。
（王振刚）