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骨生物學基礎與應用(原書第二版) 版權信息
- ISBN：9787030739612
- 條形碼：9787030739612 ; 978-7-03-073961-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
骨生物學基礎與應用(原書第二版) 內容簡介
本書共23章，內容可分為三大部分，**部分介紹骨的基礎生物學知識，包括骨骼的基本結構、骨骼的生長和適應性、骨組織細胞的結構與功能、骨的病理生理組織學特征、骨塑建與骨重建的組織形態學評估技術、骨生物力學、特定基因/蛋白質和表觀遺傳在骨代謝中的作用；第二部分介紹臨床相關知識，包括機械誘導的骨適應、骨折愈合、骨代謝和營養及激素與骨骼疾病的關系；第三部分轉向臨床重點課題，介紹骨骼與其他器官系統的相互作用，涵蓋了骨骼與肌肉、免疫系統、神經系統、微生物群落和腎臟的相互作用，以及骨骼與癌癥和糖尿病的主題。每章附有習題和參考資料。
骨生物學基礎與應用(原書第二版) 目錄
目錄
第1章 骨的形態與組織 1
1.1 骨的功能 1
1.2 骨是一種多尺度材料 2
1.3 骨成分 3
1.4 骨的納米結構 3
1.5 骨的微組織 10
1.6 骨的宏觀組織結構 14
1.7 骨的血液供應和神經支配 17
1.8 骨內部液體 19
1.9 骨量和骨質量 19
推薦閱讀文獻目錄 22
第2章 骨髓和干細胞生態位 23
2.1 發育中的生態位 24
2.2 生態位成像 25
2.3 骨髓生態位細胞 25
2.4 造血干細胞生態位的神經調節 29
2.5 造血干細胞生態位的激素調節 29
2.6 生態位和惡性腫瘤 29
2.7 衰老與骨髓微環境 30
2.8 展望 30
推薦閱讀文獻目錄 31
第3章 骨組織細胞 32
3.1 破骨細胞 32
3.2 成骨細胞 39
3.3 骨細胞 43
推薦閱讀文獻目錄 48
第4章 骨組織細胞功能的局部調節 50
4.1 細胞因子和生長因子及其受體 50
4.2 調節破骨細胞和成骨細胞分化與功能的局部因子 51
4.3 調節破骨細胞分化和功能的因子 53
4.4 影響成骨細胞分化和功能的因子 54
4.5 影響破骨細胞和成骨細胞的局部因素 63
4.6 通過細胞間接觸調節骨組織細胞的分化和功能 70
4.7 調節骨組織細胞活性的局部血管生成因子 73
4.8 細胞表面黏附分子 74
推薦閱讀文獻目錄 76
第5章 骨骼生長、骨塑建和骨重建 78
5.1 骨骼發育 78
5.2 骨塑建 82
5.3 骨重建 85
5.4 骨修復 89
5.5 骨塑建和骨重建對骨結構與骨材料性能的影響 90
5.6 骨塑建與骨重建的實驗室評估 91
推薦閱讀文獻目錄 93
第6章 骨骼影像學 94
6.1 X射線 94
6.2 計算機斷層掃描 99
6.3 高分辨率外周定量計算機斷層掃描 103
6.4 磁共振成像 109
6.5 放射性核素顯像 110
6.6 超聲 112
6.7 總結 113
推薦閱讀文獻目錄 113
第7章 骨硬組織生物力學 115
7.1 骨的基本結構和功能 115
7.2 固體力學基本原理 115
7.3 測試骨力學性能的方法 119
7.4 影響骨力學性能的因素 123
7.5 骨組織力學性能的測定方法 127
推薦閱讀文獻目錄 129
第8章 組織形態計量學技術 130
8.1 組織學樣本 130
8.2 組織形態計量學分析 134
8.3 前提假設與技術要求 140
8.4 疾病的組織學特征與治療 141
推薦閱讀文獻目錄 145
第9章 骨遺傳學：從基因鑒定到鼠科動物疾病模型 147
9.1 骨表型的遺傳分析 147
9.2 轉基因技術與構建新型研究模型 151
9.3 轉基因動物與骨生物學 165
9.4 總結 170
推薦閱讀文獻目錄 171
第10章 人一生中骨骼的變化 172
10.1 胎兒期生長 172
10.2 出生后生長 173
10.3 生殖過程中的骨骼變化 181
10.4 衰老過程中的骨骼變化 182
推薦閱讀文獻目錄 185
第11章 力學適應性 187
11.1 沃爾夫定律——歷史回顧 187
11.2 引起成骨應變的可能因素 188
11.3 骨力學傳導的動物模型 190
11.4 骨適應規則 193
11.5 力學調控系統 195
11.6 細胞敏感性和不應期 197
11.7 對沃爾夫定律的檢驗 199
11.8 小尺度上的力學傳導：細胞類型及其環境 199
11.9 骨組織中的液體流動引起多種細胞效應 200
11.10 細胞變形和刺激 202
11.11 什么是力受體 203
11.12 力學刺激引起的生化反應的調控 206
11.13 臨床應用：優化骨骼健康的運動處方 208
11.14 發育期運動對骨的益處 208
11.15 成年后骨對運動的響應 210
11.16 維持骨健康的*佳訓練和運動原則 210
11.17 總結 214
推薦閱讀文獻目錄 215
第12章 骨折愈合 217
12.1 骨折類型 217
12.2 一期愈合和二期愈合機制 217
12.3 骨折愈合階段 219
12.4 骨折愈合評估方法 221
12.5 骨折愈合的細胞活動 222
12.6 骨折愈合過程中軟骨形成和骨形成的分子調控機制 223
12.7 骨折愈合的局部調節 225
12.8 骨折愈合中的系統因素 229
12.9 骨質疏松癥藥物對骨折愈合的影響 230
12.10 力學和電刺激對骨折愈合的影響 232
12.11 總結 233
推薦閱讀文獻目錄 234
第13章 鈣和磷酸鹽：激素調節和代謝 235
13.1 器官系統相互作用調節鈣和磷酸鹽代謝 235
13.2 全身鈣代謝的調節 239
13.3 全身磷酸鹽代謝的調節 252
13.4 總結 259
推薦閱讀文獻目錄 260
第14章 營養 261
14.1 骨健康中宏量和微量營養素的作用 261
14.2 營養素何時及如何影響骨量 265
14.3 干擾鈣代謝 266
14.4 全面飲食至關重要 268
14.5 膳食中的生物活性物質及其作用機制 271
14.6 肥胖和減重對骨骼的影響 272
14.7 糾正營養缺乏與優化攝入 274
14.8 營養素干預對骨實效研究的挑戰 274
推薦閱讀文獻目錄 276
第15章 激素對骨組織細胞的影響 277
15.1 激素對骨組織細胞的直接和間接影響 277
15.2 甲狀旁腺激素 277
15.3 性類固醇 280
15.4 糖皮質激素 283
15.5 甲狀腺激素 285
15.6 生長激素 287
15.7 胰島素 288
15.8 1，25-二羥維生素D3 289
15.9 瘦素 290
推薦閱讀文獻目錄 292
第16章 骨和肌肉 293
16.1 肌肉的發育和結構 293
16.2 肌肉與骨的力學相互作用 297
16.3 肌肉與骨之間的內分泌相互作用 298
16.4 骨對肌肉的內分泌作用 301
16.5 骨和肌肉關聯疾病 303
16.6 衰老對肌肉骨骼系統的影響 305
16.7 總結 307
推薦閱讀文獻目錄 307
第17章 骨骼與免疫系統（骨免疫學） 308
17.1 天然免疫 309
17.2 獲得性免疫 310
17.3 B細胞與骨重建 312
17.4 T細胞與骨重建 313
17.5 髓系細胞與骨重建 314
17.6 感染與骨組織細胞 314
17.7 免疫介導骨質流失的內分泌激活 316
17.8 自身疾病可導致局部或全身性骨質流失 319
推薦閱讀文獻目錄 322
第18章 骨和腦 323
18.1 神經系統簡介 323
18.2 骨的神經支配 324
18.3 骨和腦之間的神經連接 328
18.4 中樞和外周傳入神經通路的功能 330
18.5 骨中感覺神經遞質的功能 339
18.6 骨骼對大腦的反饋 341
18.7 神經系統疾病對骨的影響 341
18.8 總結 341
推薦閱讀文獻目錄 342
第19章 微生物組與骨 343
19.1 微生物組概述 344
19.2 微生物組對骨的影響 345
19.3 微生物組與骨聯系的機制 347
19.4 總結 348
推薦閱讀文獻目錄 348
第20章 骨和腎 349
20.1 CKD-MBD——骨異常 351
20.2 CKD-MBD——生化異常 357
20.3 CKD-MBD——血管鈣化 358
20.4 總結 359
推薦閱讀文獻目錄 360
第21章 骨質疏松癥的藥物治療 361
21.1 骨質疏松癥 361
21.2 骨質疏松癥療法 367
21.3 治療指南和決策 381
21.4 總結 384
推薦閱讀文獻目錄 385
第22章 骨和癌癥 386
22.1 骨惡性腫瘤引起的骨重建異常 386
22.2 骨轉移機制 388
22.3 腫瘤細胞的內在特性增強了其骨轉移潛能 388
22.4 骨微環境誘導的癌細胞表型變化 389
22.5 骨中轉移前生態位的形成 390
22.6 腫瘤細胞歸巢至骨 391
22.7 骨轉移中的免疫抑制 391
22.8 骨的物理特征有助于骨轉移 391
22.9 骨組織細胞在骨腫瘤細胞休眠、再活化、化療耐藥和腫瘤發展中的作用 391
22.10 破骨細胞在骨轉移發生和發展中的作用 392
22.11 成骨細胞在骨轉移發展和腫瘤細胞生長中的作用 393
22.12 骨轉移影像學 396
22.13 骨轉換標志物和骨中癌癥的其他生物標志物 396
22.14 骨轉移的骨靶向治療 397
22.15 總結 397
推薦閱讀文獻目錄 398
第23章 甜骨：糖尿病對骨的影響 399
23.1 引言 399
23.2 糖尿病骨折 402
23.3 糖尿病患者的骨骼變化 404
23.4 糖尿病患者的礦物質穩態與骨轉換 408
23.5 糖尿病患者的其他激素/細胞水平的變化 409
23.6 骨組織的材料特性 409
23.7 糖尿病管理與治療方法 411
23.8 總結 415
推薦閱讀文獻目錄 415
第1章 骨的形態與組織 1
1.1 骨的功能 1
1.2 骨是一種多尺度材料 2
1.3 骨成分 3
1.4 骨的納米結構 3
1.5 骨的微組織 10
1.6 骨的宏觀組織結構 14
1.7 骨的血液供應和神經支配 17
1.8 骨內部液體 19
1.9 骨量和骨質量 19
推薦閱讀文獻目錄 22
第2章 骨髓和干細胞生態位 23
2.1 發育中的生態位 24
2.2 生態位成像 25
2.3 骨髓生態位細胞 25
2.4 造血干細胞生態位的神經調節 29
2.5 造血干細胞生態位的激素調節 29
2.6 生態位和惡性腫瘤 29
2.7 衰老與骨髓微環境 30
2.8 展望 30
推薦閱讀文獻目錄 31
第3章 骨組織細胞 32
3.1 破骨細胞 32
3.2 成骨細胞 39
3.3 骨細胞 43
推薦閱讀文獻目錄 48
第4章 骨組織細胞功能的局部調節 50
4.1 細胞因子和生長因子及其受體 50
4.2 調節破骨細胞和成骨細胞分化與功能的局部因子 51
4.3 調節破骨細胞分化和功能的因子 53
4.4 影響成骨細胞分化和功能的因子 54
4.5 影響破骨細胞和成骨細胞的局部因素 63
4.6 通過細胞間接觸調節骨組織細胞的分化和功能 70
4.7 調節骨組織細胞活性的局部血管生成因子 73
4.8 細胞表面黏附分子 74
推薦閱讀文獻目錄 76
第5章 骨骼生長、骨塑建和骨重建 78
5.1 骨骼發育 78
5.2 骨塑建 82
5.3 骨重建 85
5.4 骨修復 89
5.5 骨塑建和骨重建對骨結構與骨材料性能的影響 90
5.6 骨塑建與骨重建的實驗室評估 91
推薦閱讀文獻目錄 93
第6章 骨骼影像學 94
6.1 X射線 94
6.2 計算機斷層掃描 99
6.3 高分辨率外周定量計算機斷層掃描 103
6.4 磁共振成像 109
6.5 放射性核素顯像 110
6.6 超聲 112
6.7 總結 113
推薦閱讀文獻目錄 113
第7章 骨硬組織生物力學 115
7.1 骨的基本結構和功能 115
7.2 固體力學基本原理 115
7.3 測試骨力學性能的方法 119
7.4 影響骨力學性能的因素 123
7.5 骨組織力學性能的測定方法 127
推薦閱讀文獻目錄 129
第8章 組織形態計量學技術 130
8.1 組織學樣本 130
8.2 組織形態計量學分析 134
8.3 前提假設與技術要求 140
8.4 疾病的組織學特征與治療 141
推薦閱讀文獻目錄 145
第9章 骨遺傳學：從基因鑒定到鼠科動物疾病模型 147
9.1 骨表型的遺傳分析 147
9.2 轉基因技術與構建新型研究模型 151
9.3 轉基因動物與骨生物學 165
9.4 總結 170
推薦閱讀文獻目錄 171
第10章 人一生中骨骼的變化 172
10.1 胎兒期生長 172
10.2 出生后生長 173
10.3 生殖過程中的骨骼變化 181
10.4 衰老過程中的骨骼變化 182
推薦閱讀文獻目錄 185
第11章 力學適應性 187
11.1 沃爾夫定律——歷史回顧 187
11.2 引起成骨應變的可能因素 188
11.3 骨力學傳導的動物模型 190
11.4 骨適應規則 193
11.5 力學調控系統 195
11.6 細胞敏感性和不應期 197
11.7 對沃爾夫定律的檢驗 199
11.8 小尺度上的力學傳導：細胞類型及其環境 199
11.9 骨組織中的液體流動引起多種細胞效應 200
11.10 細胞變形和刺激 202
11.11 什么是力受體 203
11.12 力學刺激引起的生化反應的調控 206
11.13 臨床應用：優化骨骼健康的運動處方 208
11.14 發育期運動對骨的益處 208
11.15 成年后骨對運動的響應 210
11.16 維持骨健康的*佳訓練和運動原則 210
11.17 總結 214
推薦閱讀文獻目錄 215
第12章 骨折愈合 217
12.1 骨折類型 217
12.2 一期愈合和二期愈合機制 217
12.3 骨折愈合階段 219
12.4 骨折愈合評估方法 221
12.5 骨折愈合的細胞活動 222
12.6 骨折愈合過程中軟骨形成和骨形成的分子調控機制 223
12.7 骨折愈合的局部調節 225
12.8 骨折愈合中的系統因素 229
12.9 骨質疏松癥藥物對骨折愈合的影響 230
12.10 力學和電刺激對骨折愈合的影響 232
12.11 總結 233
推薦閱讀文獻目錄 234
第13章 鈣和磷酸鹽：激素調節和代謝 235
13.1 器官系統相互作用調節鈣和磷酸鹽代謝 235
13.2 全身鈣代謝的調節 239
13.3 全身磷酸鹽代謝的調節 252
13.4 總結 259
推薦閱讀文獻目錄 260
第14章 營養 261
14.1 骨健康中宏量和微量營養素的作用 261
14.2 營養素何時及如何影響骨量 265
14.3 干擾鈣代謝 266
14.4 全面飲食至關重要 268
14.5 膳食中的生物活性物質及其作用機制 271
14.6 肥胖和減重對骨骼的影響 272
14.7 糾正營養缺乏與優化攝入 274
14.8 營養素干預對骨實效研究的挑戰 274
推薦閱讀文獻目錄 276
第15章 激素對骨組織細胞的影響 277
15.1 激素對骨組織細胞的直接和間接影響 277
15.2 甲狀旁腺激素 277
15.3 性類固醇 280
15.4 糖皮質激素 283
15.5 甲狀腺激素 285
15.6 生長激素 287
15.7 胰島素 288
15.8 1，25-二羥維生素D3 289
15.9 瘦素 290
推薦閱讀文獻目錄 292
第16章 骨和肌肉 293
16.1 肌肉的發育和結構 293
16.2 肌肉與骨的力學相互作用 297
16.3 肌肉與骨之間的內分泌相互作用 298
16.4 骨對肌肉的內分泌作用 301
16.5 骨和肌肉關聯疾病 303
16.6 衰老對肌肉骨骼系統的影響 305
16.7 總結 307
推薦閱讀文獻目錄 307
第17章 骨骼與免疫系統（骨免疫學） 308
17.1 天然免疫 309
17.2 獲得性免疫 310
17.3 B細胞與骨重建 312
17.4 T細胞與骨重建 313
17.5 髓系細胞與骨重建 314
17.6 感染與骨組織細胞 314
17.7 免疫介導骨質流失的內分泌激活 316
17.8 自身疾病可導致局部或全身性骨質流失 319
推薦閱讀文獻目錄 322
第18章 骨和腦 323
18.1 神經系統簡介 323
18.2 骨的神經支配 324
18.3 骨和腦之間的神經連接 328
18.4 中樞和外周傳入神經通路的功能 330
18.5 骨中感覺神經遞質的功能 339
18.6 骨骼對大腦的反饋 341
18.7 神經系統疾病對骨的影響 341
18.8 總結 341
推薦閱讀文獻目錄 342
第19章 微生物組與骨 343
19.1 微生物組概述 344
19.2 微生物組對骨的影響 345
19.3 微生物組與骨聯系的機制 347
19.4 總結 348
推薦閱讀文獻目錄 348
第20章 骨和腎 349
20.1 CKD-MBD——骨異常 351
20.2 CKD-MBD——生化異常 357
20.3 CKD-MBD——血管鈣化 358
20.4 總結 359
推薦閱讀文獻目錄 360
第21章 骨質疏松癥的藥物治療 361
21.1 骨質疏松癥 361
21.2 骨質疏松癥療法 367
21.3 治療指南和決策 381
21.4 總結 384
推薦閱讀文獻目錄 385
第22章 骨和癌癥 386
22.1 骨惡性腫瘤引起的骨重建異常 386
22.2 骨轉移機制 388
22.3 腫瘤細胞的內在特性增強了其骨轉移潛能 388
22.4 骨微環境誘導的癌細胞表型變化 389
22.5 骨中轉移前生態位的形成 390
22.6 腫瘤細胞歸巢至骨 391
22.7 骨轉移中的免疫抑制 391
22.8 骨的物理特征有助于骨轉移 391
22.9 骨組織細胞在骨腫瘤細胞休眠、再活化、化療耐藥和腫瘤發展中的作用 391
22.10 破骨細胞在骨轉移發生和發展中的作用 392
22.11 成骨細胞在骨轉移發展和腫瘤細胞生長中的作用 393
22.12 骨轉移影像學 396
22.13 骨轉換標志物和骨中癌癥的其他生物標志物 396
22.14 骨轉移的骨靶向治療 397
22.15 總結 397
推薦閱讀文獻目錄 398
第23章 甜骨：糖尿病對骨的影響 399
23.1 引言 399
23.2 糖尿病骨折 402
23.3 糖尿病患者的骨骼變化 404
23.4 糖尿病患者的礦物質穩態與骨轉換 408
23.5 糖尿病患者的其他激素/細胞水平的變化 409
23.6 骨組織的材料特性 409
23.7 糖尿病管理與治療方法 411
23.8 總結 415
推薦閱讀文獻目錄 415
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骨生物學基礎與應用(原書第二版) 節選
第1章骨的形態與組織 戴維 B.伯爾（DavidB.Burr） 1印第安納大學醫學院解剖學和細胞生物學系，美國印第安納波利斯； 2印第安納大學與普渡大學印第安納波利斯聯合分校生物醫學工程系，美國印第安納波利斯 1.1骨的功能 骨具有多種功能，在機體的力學支持與保護、礦物質穩態維持和造血等方面發揮著重要作用。近年來，人們也已經清楚地認識到骨還具有內分泌功能。 迄今為止，骨的力學功能得到了廣泛的認識和研究，松質骨和皮質骨都對該功能起作用，但有部分特征不同。致密的皮質骨占據大部分骨量，承擔大多數的力學載荷，疏松多孔的松質骨也支持載荷，但其重要功能是將應力重新定向到更堅硬的皮質骨上。骨的力學功能不只是需要一定硬度和剛度的簡單載荷，而且由于骨是一種多尺度材料，所以非常適應生理水平上的反復力學加載，從而避免骨折，如疲勞性骨折。 骨還對生物體起到保護作用，特別是容易受到致命傷害的重要部位，如軀干和頭部等處的骨。這些部位的骨，其微觀結構與其他部位的骨沒有什么不同，但其組織方式有差異——能在對自身創傷*小的情況下，吸收*大能量。例如，顱骨穹隆部是三明治結構，由兩塊致密的薄骨板中間夾著多孔的松質骨組成（由于松質骨具有多孔外觀，有時也被稱為海綿骨）。肋骨的組織方式也差不多，但其松質骨密度較小，肋骨固有的彎曲能增加其抵抗撞擊的能力。在發育過程中，具有保護功能的骨（如顱骨和肋骨）至少部分是通過膜內成骨，而不是軟骨內成骨形成的（見第5章）。 人們還沒有廣泛認識到骨也是一種造血器官，其實大多數海綿骨，如髂嵴、椎骨和股骨近端，一生都是紅細胞的來源。骨髓腔是紅骨髓存在的主要場所，在人體生長發育過程中起造血作用，但成人的骨髓主要由黃色脂肪組成。人體內還存在白色脂肪和棕色脂肪，這兩種脂肪受成骨細胞所產生的骨鈣素調控，在骨髓中沒有發現這兩種脂肪。其中，白色脂肪可以存儲能量并分泌脂肪因子，過多脂肪的積累與糖尿病和其他骨代謝疾病相關。棕色脂肪含有大量可產生能量、儲存鐵的線粒體，負責消耗脂肪產生熱量。兒童體內存在大量的棕色脂肪，尤其是在脊椎周圍和肩胛骨兩側的部位。這些棕色脂肪不僅可以使機體保持溫度，還為機體提供了一個巨大的鐵庫，對機體快速的新陳代謝和骨骼發育至關重要。同時，成人體內也存在棕色脂肪，其數量會隨著年齡的增長而減少，在肥胖人群中，可能會減少得更多。黃骨髓的脂肪細胞與成骨細胞起源于同一種前體細胞，它不僅為生物體提供了儲能庫，還可以通過調控甘油三酯來調節脂質代謝。另外，由于松質骨表面積大，其也負責骨組織的快速轉換過程，對生物體內鈣的穩態平衡起重要作用。 骨轉換對衰老、激素缺乏或骨骼激素的生成等引起的能量代謝變化很敏感，這使鈣和磷酸鹽（以及鐵和鎂等其他礦物質）能維持更新。鈣不僅可以增加骨骼的硬度和強度，也對酶反應、凝血、肌肉收縮和神經沖動的傳遞起作用。皮質骨和松質骨都是離子長期儲存和快速交換的場所。通過骨重建釋放礦物質是一個相對漫長的過程，需要幾天到幾周的時間，而完全更換這些礦物質則需要更長的時間。但是，由于骨陷窩和骨小管的表面積較大，所以可實現礦物質的短期交換和即時需求。據統計，骨小管的表面積大約是體內所有松質骨表面積的120倍。發生在這些表面的礦物質交換是有時在骨陷窩周圍觀察到環形區的原因，這種環形區可能是高度礦化的，也可能是低度礦化的，取決于該表面的游離鈣含量。 骨也被認為是一種內分泌器官，通過分泌成纖維細胞生長因子23（FGF-23）和骨鈣素來調節磷酸鹽代謝和能量代謝。人體大部分的FGF-23是由骨細胞產生的，骨細胞也是骨含量*為豐富的細胞。FGF-23能降低腎臟對磷酸鹽的重吸收，并降低血清1，25-二羥維生素D3的水平。FGF-23與其他激素一起，協調腎臟和腸道代謝及骨自身的礦化過程。現在也有一些證據表明，在骨吸收過程中從骨基質中能釋放出未羧化的骨鈣素，骨鈣素可以調節胰島β細胞的增殖并增加胰島素的分泌。另外，骨鈣素還作用于脂肪細胞使其產生脂聯素，從而降低胰島素抵抗，來增加葡萄糖利用率和減少脂肪。骨對生物體能量儲存的調節也可以通過瘦素介導自主神經系統和下丘腦來發揮作用。因此，骨通過多種激素，協調骨髓、大腦、腎臟和胰腺，影響骨組織礦化、脂肪沉積和糖代謝等過程。 1.2骨是一種多尺度材料 為了實現上述生物學功能，骨從納米到毫米尺度，以一種分層、分形模式組織在一起（圖1.1），這使其同時具有高剛度和高韌性（這兩者通常是相反的，參見第7章），也有助于其力學支持和運動功能。在納米水平上，骨由有機物和礦物質組成，主要包括交聯的I型膠原和碳酸磷灰石納米晶體。膠原和礦物質結合形成復合材料，礦物質可賦予骨組織剛度，膠原賦予骨組織彈性和延展性。這種復合物不僅可以避免脆性礦物質（羥基磷灰石）斷裂，而且分散了骨受到的不連續性應力，降低骨基質應力的同時，使其力學負載能力提高了一倍。在微觀［微米（10.6m）］水平上，鑲嵌著礦物質的單根膠原纖維以不同的方式進行組織，具體取決于膠原組織的形成速率、所處的位置和底物（如果有的話）。在微觀結構水平上，骨的組織與其功能需求密切相關：在骨折愈合或發育過程中需要快速成骨來保持穩定；在適應變化的力學載荷或修復受損傷區域來維持其力學性能時需要緩慢成骨。骨可以是致密的（皮質骨或密質骨）或多孔的（松質骨、小梁骨或海綿骨），取決于特定的力學或生物需要及其所處的位置。 1.3骨成分 按重量計算，大約65%的骨是礦物質（主要是碳酸磷灰石），但作為活的組織，其有機成分占25%，主要是I型膠原（圖1.2）。其余（約10%）成分為結合在膠原–礦物質復合體上的水和流經骨小管和血管的游離水。當骨承受力學載荷時，游離水可以被重新分配，作為一種信號使細胞接收到力學載荷（見第11章）。水與礦物質的交換比例接近1∶1，隨著骨礦化程度的提高，水分含量會下降，反之亦然，這對于骨的力學行為很重要。礦化程度越高的骨越堅硬，因為其含有更多的礦物質和更少的水分。此外，盡管更干的骨骼更硬，但也會更脆，從而更容易骨折。 骨的有機物大約90%是I型膠原，在骨細胞周圍區域也有少量的Ⅲ型膠原和V型膠原。剩下10%的有機物為非膠原蛋白（NCP），它們在調節膠原形成和纖維尺寸、礦化、細胞附著和抵抗微斷裂方面起著重要的作用。其中，約85%的非膠原蛋白位于細胞外，其余在細胞內。 1.4骨的納米結構 1.4.1膠原 從根本上說，骨由膠原纖維及纖維內和纖維間鑲嵌的礦物質組成。單個膠原分子是由兩條α1鏈和一條α2鏈構成的三螺旋結構（圖1.3A）。每條鏈的長度約為1000個氨基酸，膠原分子的螺旋中心由Gly-X-Y三聯體重復序列組成。甘氨酸殘基的周期性重復對于三螺旋結構的形成是必不可少的。雖然膠原中幾乎包含所有的氨基酸，但X和Y經常是脯氨酸和羥脯氨酸殘基。這兩種氨基酸均與三螺旋主鏈形成環狀，提高了螺旋的剛性（專欄1.1）。 羥脯氨酸對于膠原尤為重要，其羥基是與水分子之間形成氫鍵的關鍵。羥脯氨酸吸引的水分子組成一個保護層維持三螺旋的穩定性。在細胞內膠原產生的時候，分子兩端的非螺旋肽段（N-前肽和C-前肽）通過硫交聯穩定主鏈結構。帶有末端前肽結構的三螺旋膠原分子稱為前膠原分子。這些分子被胞吐到細胞外后，前肽區被酶裂解，留下的分子兩端的非螺旋結構域稱為N端肽或C端肽（分別在N端或C端），形成的成熟膠原分子由三螺旋區和兩端的非螺旋區N端肽或C端肽組成。 膠原分子的橫向和縱向延伸對于從納米到微米結構是必要的。在這種組裝中，5個分子以半六邊形排列形成微纖絲。微纖絲再橫向和縱向延伸，*終形成直徑約150nm、長約10μm的纖維。膠原纖維的電鏡圖像呈大約67nm的帶狀，稱為D-帶，能顯示相鄰膠原分子之間的空隙，以及相鄰膠原分子末端的重疊區域（圖1.3B）。骨質疏松性骨中膠原纖維的平均直徑和間距均小于健康骨，這可能增加了骨的脆性。 膠原纖維不同的交聯方式對骨組織的材料特性產生了很大的影響，進而影響整個骨的力學行為（圖1.4）。這種交聯可由酶促和非酶促糖基化作用兩種方式形成，*終形成晚期糖基化終末產物（AGE）。 1.4.1.1酶促反應介導的膠原交聯 吡啶啉和脫氧吡啶啉是兩種成熟的膠原交聯物，由賴氨酰氧化酶引發的酶促途徑衍生而來。吡啶啉是從α-螺旋區含有一個羥基賴氨酸（Hyl）殘基的端肽形成的有兩個Hyl殘基的產物，而脫氧吡啶啉在α-螺旋區含有一個賴氨酸殘基。這些三價交聯物非常穩定。在人類骨膠原中，成熟交聯物的含量急劇增加，在10～15歲到達峰值，此后保持不變或略有下降。吡啶啉和脫氧吡啶啉交聯的量會受到一些治療方式的影響，如能改變骨轉換的一些治療。吡啶啉與脫氧吡啶啉比值的增加與骨強度和剛度的增加有關，但對骨韌性或延展性沒有影響。 1.4.1.2非酶促反應介導的膠原交聯 精氨酸、賴氨酸和核糖發生非酶促反應也能引起膠原交聯。戊糖苷，一種熒光AGE，是組成非酶促糖基化交聯的*小片段，由于其是唯一能準確定量的AGE，所以常作為表征AGE總量的標志物。其他AGE還包括Nε-羧甲基賴氨酸（CML）、糠氨酸、咪唑酮和胱氨酸。目前已經證實非熒光性的CML也存在于骨骼中，其含量是戊糖苷的40～100倍。因為AGE形成需要幾年的時間，膠原蛋白等半衰期長的蛋白質會隨著年齡增長而大量積累AGE；在30年中，戊糖苷的積累能增加3倍，同樣的時間里CML的積累可能增加5～10倍。此外，AGE已被證明可以減小膠原纖維直徑。因為AGE要在糖類（如葡萄糖或核糖）存在下形成，所以糖尿病患者會積累AGE（見第23章），這也是糖尿病患者骨骼脆性增加的原因之一。 在骨細胞外基質中積累的AGE通過與AGE特異性受體（RAGE）相互作用，來調節成骨細胞的增殖和分化。AGE與RAGE結合可激活成骨細胞中的核因子κB（NF-κB），刺激細胞因子的產生。AGE-RAGE的相互作用還可上調活性氧的產生，從而引發炎癥反應，導致骨質流失。膠原中AGE的積累會損害成骨細胞的增殖和分化，減少骨鈣素的分泌，從而抑制細胞與基質的相互作用和細胞黏附，*終影響骨形成。 AGE還可以調節破骨細胞的生成和活性。在AGE存在時，破骨細胞的骨吸收會減慢，部分原因可能是膠原的溶解性降低。AGE在2型糖尿病患者骨中含量較高，AGE可以通過對破骨細胞分化和活性的調節，以及對基質溶解度的影響，使2型糖尿病患者骨量保持正常，甚至骨量增加。但AGE的存在會使骨材料（組織）變脆，因此即使有更多的骨量，也還是更容易骨折。 1.4.1.3膠原纖維取向 骨組織中的膠原纖維呈規則排列，膠原纖維束在相鄰片層中相互平行，或彼此垂直或交替排列，這引起了偏振光下骨微觀形態的不同（圖1.5）。這可能部分是光學和截面平面的影響，而不只是由于膠原纖維束的排列方式。在交叉偏振光下，垂直于視平面的膠原纖維束顯得較亮或呈雙折射，而平行于視平面（即縱向）的膠原纖維束則較暗。這是因為橫向取向的膠原纖維束能相對于視平面旋轉偏振光的平面，而縱向取向的膠原纖維束不能。交替排列或中間排列是連續片層中膠原纖維束的一種組合排列。實際上，膠原纖維束的排列有很多變化，即使在一個片層內的膠原纖維束也可能以許多不同的方式排列，通過顯微鏡或X射線衍射可觀察到的是膠原纖維束的主要取向。 片層中的膠原纖維束優先沿骨主要應力方向排列。縱向排列的纖維束主要存在于受拉力（即被拉得更開）的部分，而橫向纖維束通常處于受壓（即被推得更近）的區域。這一點可以通過計數已知加力方向的骨截面上亮或暗的骨單位數量來顯示。在實驗中，也可以通過改變加力方向，觀察新形成的骨中膠原纖維束的排列方向。這兩種方法都表明膠原纖維束的取向與力學加載的主要方向有關。
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