CARTILAGE 軟 骨 是 結 締 組 織 的 特 化 ， 所 以 結 構 仍 可 分 為 細 胞 與 細 胞 外 質 （ extracellular matrix

CARTILAGE

軟 骨 是 結 締 組 織 的 特 化 ， 所 以 結 構 仍 可 分 為 細 胞 與 細 胞 外 質

（extracellular matrix）。基 質 包 括 fibers 和 ground substance。

結 構

1. 軟 骨 細 胞 位 於 腔 隙 (lacunae)中

腔 隙 中 會 有 由 多 個 子 細 胞 形 成 的 軟 骨 細 胞 群 (isogenous group)。

2. 軟 骨 細 胞 分 泌 細 胞 外 質 (extracellular matrix) 。 包 括 ：a. fibers (collagen and elastic)

b. ground substance 如 glycosaminoglycans，

proteoglycans， hyaluronic acid ＆ glycoprotein 等 軟 骨 特 質

1. 從 結 締 組 織 特 化 而 來

2. 能 夠 忍 受 物 理 性 的 壓 力 而 不 扭 曲 →→支 持 和 連 結 軟 組 織

3. 在 胚 胎 期 間 有 更 多 軟 骨 細 胞 （ 尤 其 在 四 肢 骨 ）： 軟 骨 會 變 硬 骨 4. 無 血 管 和 神 經 （ 血 管 和 神 經 位 在 perichondrium）

5. 軟 骨 有 三 種 ， 主 要 差 異 取 決 於 基 質 的 組 成 不 同

Hyaline Cartilage (透 明 軟 骨 )

1. 分 布 最 廣 。 如 肋 軟 骨 ， 關 節 ， 呼 吸 道

2. 纖 維 :主 要 是 由 type II collagen（ collagen fibrils）組 成。Type II collagen在 LM下 不 易 分 辨，一 部 份 是 因 為 組 成 是 fibril，另 外 就 是 其 折 射 率 （refractive index） 與 包 裹 在 外 的 ground

substance幾 乎 相 同 。

3. chondroitin 屬 於 glycosamionglycan 一 類 ， 與 core protein 組 成 proteoglycan。

4. perichondrium 是 緻 密 的 結 締 組 織 （ dense connective tissue）， 有 血 管 神 經 可 供 給 軟 骨 細 胞 營 養 。

***

a. 在 組 織 玻 片 製 作 過 程 中 ， 軟 骨 細 胞 會 萎 縮

b. territorial matrix 在 HE 染 色 下 偏 藍 色，而 interterritorial 則 比 較 淡 藍 。 這 是 因 為 territorial matrix 的 glycosaminoglycans 較 多 。 c. perichondrium 內 側 靠 軟 骨 部 分 細 胞 較 多 （ 扁 平 的 chondroblast

和 fibroblast）， 外 側 較 遠 部 分 則 是 纖 維 多 。

d. collagen 在 HE stain 下 呈 粉 紅 色 （ 被 eosin 染 色 ） interterritorial matrix territorial matrix

軟 骨

Lacunae

P e i c h o n d r i u m

Elastic cartilage (彈 性 軟 骨 )

1. 分 布 ： auricle, walls of external acoustic meatus, auditor y tube, epiglottis, etc

2. 一 般 HE 染 色 下 ， elastic fiber 通 常 看 不 到 。 只 有 在 少 數 地 方 ， 如 彈 性 軟 骨 中 ， 會 聚 集 成 粗 的 構 造 ， 才 能 看 到 。

Fibrocartilage (纖 維 軟 骨 )

1. 分 布 ： intervertebral disks 椎 間 盤 , symphysis pubis 恥 骨 聯 合 & attachments of certain ligaments to cartilaginous surfaces of bones

2. 簡 單 的 說，fibrocartilage 就 是 chondrocyte 和 其 matrix 分 散 在 結 締 組 織 所 形 成 的 構 造 。 所 以 在 LM 下 不 易 找 到 。 而 結 締 組 織 內 的 纖 維 是 屬 於 type I collagen（ collagen fibers)

BONE

骨 頭 的 構 成

1. Calcified(鈣 化 )intercellular material 使 得 養 分 不 易 輸 送 ， 主 要 依 頼 canaliculi（ 骨 小 管 ） 的 gap junction

2. 3 種 骨 細 胞 osteocyte, osteoblast, osteoclast

3. 還 有 內 外 的 兩 層 膜 periosteum（ 圍 骨 膜 ） , endosteum（ 內 骨 膜 ， 在 軟 骨 缺 此 構 造 ）， 表 面 有 osteoprogenitor cells

軟 骨 ， 硬 骨 比 較

硬 骨 periosteum osteocyte osteoblast osteoclast 軟 骨 perichondrium chondrocyte chondroblast chondroclast

1. Cartilage matrix ：

Main type II collagen fiber ， 其 他 有 proteoglycans, glycoprotein, chondronectin..

2. Bone matrix ：

a. Organic matrix： type I collagen

b. Inorganic matrix： calcium & phosphorus 形 成 hydroxyapatities or mineral salts

3. 硬 骨 是 非 常 特 別 的 結 締 組 織 ， 其 纖 維 構 成 硬 骨 組 織 的 實 體 。 另 一 項 的 重 要 特 徵 是，硬 骨 的 纖 維 以 特 殊 的 走 向 排 列，並 加 上 鈣 化 的 基 質，

來 加 強 骨 頭 硬 度 。

Microscopic Structure of Bone

1. Haversian canal 內 走 神 經 和 血 管 ， 平 行 長 骨 長 軸 ， canal 內 圍 表 面 有 endosteum

2. Volkmann’s canal 與 長 骨 長 軸 垂 直 ， 連 結 central canal， 周 圍 無 同 心lamella環 繞 。

3. lamellae 中 的 collagen fiber 同 一 層 走 向 相 同，相 鄰 內 外 兩 層 走 向 交 錯

4. endosteum的 分 佈 在 compact bone最 內 層 ， lining of Haversian canal ， sponge bone的 trabeculae上

atrix M

1. Ground section： 研 磨 至 薄 片 ， 未 染 色 ， 看 不 到 有 機 質 色

one Cells

2. Decalcified section： 脫 鈣 法 ， 例 如 泡 EDTA 再 用 HE 染 3. 脫 鈣 法 時 ， 基 質 會 染 成 紅 色 ， 因 為 它 成 份 有 collagen fiber

B

1. Osteoprogenitor cell

lls 分 化 而 來

eum 的 表 面 發 現 ， 也 叫 做 c.

2. Os

a. 由 mesenchymal ce

b. 可 以 在 periosteum 和 endost

periosteal cells 或 endosteal cells， 具 有 分 裂 與 增 殖 的 能 力 。 是 處 於 休 眠 狀 態 的 細 胞 。 觀 察 時 ， 細 胞 淡 染 扁 平 ， 核 呈 微 長 或 橢

圓 。 受 到 刺 激 時 （ 如 骨 折 ）， 會 轉 成 活 躍 的 osteoblast teoblast

a. Osteoblast 是 由 osteoprogenitor cell 分 化 來 的 ， 主 要 分 泌 硬 骨 基 質 （ 即 負 責 基 質 的 鈣 化 ）。 具 有 很 多 rER， 是 basophilic，

所 以 HE 下 染 成 blue 剛 分 泌 出 來 的 基 質 尚 未

b. 鈣 化 時 ， 稱 為 osteoid（ 淡 染 ）。

隔 壁 的

d. ，osteoblast 就 會 轉 型 為

附 註 ： 一 般 而 言 ， 會 分 泌 物 質(蛋 白 質 )的 細 胞 ， 如 osteoblast，

3. Os

c. osteoblast 會 有 很 細 的 細 胞 質 凸 起 ， 以 gap junction 與

osteoblast 或 是 osteocyte 連 通。到 後 來，這 些 通 道 會 被 鈣 化 的 硬 骨 基 質 包 裹 ， 形 成 canaliculi。

當 鈣 化 的 基 質 包 裹 osteoblast 時 osteocyte

chondroblast， fibroblast 等 等 ， 都 會 被 HE 染 呈 藍 色 。 teocyte

a. osteocyte 比 較 扁 平 ， 長 軸 與 lamella 方 向 平 行 ， 環 繞 中 心 為 i

c. 養 擴 散 ， 再 由 process 的 gap junction

d. o ne ma 很 少，僅 維 持 周 圍 的 新 陳

4.

b. osteocyte 的 process 被 bone matrix 包 住 形 成 的 通 道 canalicul （ 骨 小 管 ）

分 即 由 central canal 傳 給 其 他 osteocyte

steocyte 也 會 產 生 bo trix，但 代 謝

Osteoclast

a. osteoclast 細 胞 膜 形 成 凹 陷，有 ruffled border（ EM 才 看 得 到 ）。

d. 大 ，HE下 very very 紅

b. ruffled border附 近 有 clear zone包 圍 封 閉 ， 以 增 加 H⁺的 濃 度 。 c. 內 有 多 種 enzyme， 並 在 ruffled border 處 把 質 子 打 出 去 進 行 蝕

骨 作 用 ， 所 以 HE 染 色 下 特 別 紅 。 Osteoclast的 三 個 特 徵 ： 多 核 ， 細 胞

st

f. oclast 努 力 工 作 ， 把 骨 鈣 釋 出 至 血 液

e. Osteoclast 與 上 述 三 個 細 胞，其 實 並 無 "血 緣 "關 係。 Osteocla 主 要 來 自 骨 髓 中 的 monocyte， 經 過 核 分 質 不 分 ， 或 是 多 個 monocyte（ 發 育 中 的 osteoclast 也 行 ） 融 合 而 來 。 這 也 是 osteoclast 多 核 的 原 因 。

血 鈣 不 足 時 ， 會 刺 激 oste 中 。

Osteoblast

Calcified bone matrix

Calcified cartilage matrix

BONE FORMATION Osteoclast

Bone formation（ osteogenesis） 分 為 兩 類 ：

兩 種 方 式 最 先 出 現 的 都 是primary bone（ woven bone）， 很 快 的 又 1. Intramembranous ossification（ 膜 內 骨 化 ）

2. Endochondral ossification（ 軟 骨 內 骨 化 ）

這

被secondary bone（ lamellar bone） 取 代 。 兩 者 的 區 分 在 於 是 否 有 軟 骨 做 為 骨 頭 成 形 的 模 版。不 過 要 注 意 的 是，將 骨 骼 形 成 的 過 程 分 為 兩 類 ， 並 不 代 表 這 些 骨 頭 終 其 一 生 都 是 膜 狀 骨 （membrane bone） 或 是 軟 骨 內 骨（endochondral bone）。 這 兩 個 名 稱 只 是 指 剛 開 始 的 骨 頭 形 成 機 制。骨 骼 在 發 育 過 程 中，會 快 速 的 重 塑 改 造（remodel）來 取 代 原 先 的 的 骨 骼 ， 而 取 代 骨 均 會 在 原 來 的 骨 頭 表 面 生 成 （ 如 骨 內 的

trabeculae上 ）。

硬 骨 的 合 成 與 removal 是 同 時 發 生 的 。 這 種 重 塑 現 象 （ remodeling）

tramembranous Ossification（ 膜 內 骨 化 ） 一 生 都 存 在 著 ， 只 是 有 速 率 的 差 別

In

1. 膜 內 骨 化 發 生 於 間 葉 組 織 的 聚 集 處 （ condensations of

織 ）， 其 分

. 形 成 部 位 ： skull（ except a few at the base）， clavicle（ 鎖 骨 ） mesenchymal tissue， 為 非 常 原 始 為 分 化 的 疏 鬆 結 締 組

化 為 osteoblast， 並 被 自 己 向 內 分 泌 的 bone matrix 往 外 推 ， 形 成 如 膜 狀 的 構 造 ， 故 名

2

骨 步 驟 ：

圖 想 像 成 立 體 的 ！(所 以 中 間 聚 集 的 是 一 個 球 狀 ， 形 成 骨 頭 的

內 骨 化 是 由

me e 個

化 的 基 growth of short bones， thickening of long bones

成

一 定 要 把 這 張 是 長 條 形 的) A.

膜

mesenchy nter，這

center 裡 面 的 細 胞 會 分 化 成 比 較 圓 的 成 骨 細 胞 (osteoblasts)， 而 osteoblasts 會 分 泌 硬 骨 基 質 (bone matrix or osteoid – 這 是 未 鈣

質)。 分 泌 基 質 變 多 之 後 osteoblast 彼 此 會 被 matrix 推 開 成 下 一 張 圖 的 構 的 原 始 間 葉 組 織 的 細 胞 聚 集 成 一 個 ossification c

造 ， 在 這 裡 要 特 別 注 意 ossification center 是 一 個 球 狀 的 構 造 。 B.

基 質 osteoid

osteoblast 陷 在 裡 面 ， 這 些 細 胞 會 成 熟 為 骨 細 胞 ， 要 注 意 的 是

胎 血 管 侵 骨 小 樑 的 網 路)，

在

推 開 的 過 程 會 有

一 些 原 始 的

在 osteoblast 分 泌 基 質 它 也 同 時 在 進 行 分 裂 ， 當 這 些 細 胞 彼 此 推 開 之 後 會 在 基 質 外 排 成 一 圈 ， 形 成 未 來 骨 頭 的 構 造(可 知 此 時 越 接 近 中 間 的 基 質 ， 形 成 時 間 越 早 。 而 越 外 面 的 基 質 則 越 年 輕)。Osteoid 過 幾 天 就 會 開 始 ”礦 物 質 化”mineralized 或 鈣 化 calcified(也 是 從 中 間 往 外 )而 變 成 熟 。

C.

(osteocyte)

入，形 成 一 些 空 腔 以 及 network of trabeculae(

胚

這 些 空 腔 就 是 未 來 有 骨 髓 的 地 方 ， 但 不 一 定 是 骨 髓 腔(因 為 我 們 現 在 膜 內 骨 化 大 部 分 都 在 講 扁 平 骨 ， 所 以 未 來 這 些 空 腔 的 地 方 會 形 成 海 綿 骨)。 血 管 侵 入 後 帶 進 osteoblasts 和 osteoclasts， 而 外 面 的 原 始 間 葉 組 織

(mesenchyme)會 在 未 來 的 骨 頭 外 面 慢 慢 濃 縮 形 成 periosteum。

D.

外 層 未 來 變 成 骨 頭 的 地 方 形 成 compact bone， 內 層 形 成 sopngy bone。 血 管 被 留 在 裡 面 但 仍 然 和 外 界 相 通 ， 空 腔 內 開 始 出 現 骨 髓 。

※ 簡 化 步 驟

mesenchyme→ osteoblast→ 分 泌 osteoid→ 成 熟 變 osteocyte→ 血 管 侵 入 形 成 空 腔 及 trabeculae network→ 形 成 骨 頭 及 periosteum

3.

a. 在 mesenchymal condensation layer 會 有 一 群 間 葉 細 胞 分 化 成 osteoprogenitor cells ， 再 分 化 成 osteoblasts ， 形 成 ossification center。

b. 這 些 osteoblasts 會 分 泌 bone matrix（ osteoid）。 隨 著 時 間 osteoblasts 會 被 osteoid 向 外 分 散 開 來 ， 而 osteoid 也 逐 漸 鈣 化 （calcification）。 此 時 ， 一 些 留 在 中 央 被 被 matrix 包 圍 住 的 osteoblasts 漸 漸 變 成 osteocytes。 故 愈 靠 近 osteoblasts 的 osteoid 鈣 化 愈 少 ， 愈 靠 近 中 心 鈣 化 愈 多 。

c. osteoid 鈣 化 後 會 形 成 骨 針 （ bone spicules ）。 接 著 有 些 osteoprogenitor cells 會 跑 到 剛 形 成 的 骨 針 上 ， 轉 型 為 osteoblasts，繼 續 分 泌 osteoid（ appositional growth）。久 而 久 之 ， 骨 針 彼 此 相 互 癒 合 形 成 network of trabeculae（ woven bone） 構 成 了 spongy bone。

d. network of trabeculae 形 成 同 時 ， 血 管 伸 入 其 中 的 空 腔 （ 也 帶 來 了 osteoclast）。另 一 方 面，vascularized mesenchyme 則 聚

集 在 woven bone 外 面 並 轉 變 成 periosteum。Membrane bone

（ 或 稱 Intramembranous bone） 正 式 形 成 。

4. osteoprogenitor cells 的 存 在 可 以 提 供 膜 內 骨 化 時 osteoblast 的 穩 定 來 源 。

Endochondral Ossification（ 軟 骨 內 骨 化 ）

1. 軟 骨 內 骨 化 同 樣 開 始 於 間 質 細 胞 （ mesenchymal cells） 在 將 形 成 骨 頭 處 的 增 殖 與 聚 集。不 過，間 質 細 胞 會 會 先 分 化 成chondroblast，

接 著 製 造 軟 骨 基 質 。 這 塊 先 形 成 的 透 明 軟 骨 模 型 ， 必 須 具 有 成 骨 的 大 致 形 狀 與 外 觀 。

2. 軟 骨 模 型 一 旦 建 立 ， 軟 骨 便 開 始 由 間 質 （ interstitial growth） 與 表 面 （appositional growth） 生 長 。 模 型 兩 端 的 間 質 生 長 造 成 軟 骨 增 長，而 寬 度 的 增 加 主 要 是 軟 骨 膜 內（perichondrium）的 軟 骨 增 生 。 3. 形 成 部 位 ： 主 要 是 在 透 明 軟 骨 內 進 行 （ replacing hyaline

cartilage）。包 括 頭 骨 以 下 的 全 身 骨 頭（ 鎖 骨 除 外 ），short and long bones

4. 成 骨 步 驟 ：

Part I. Primary ossification center在 diaphysis（ 骨 幹 ） 形 成 a. 軟 骨 模 型 的 周 圍 細 胞 ， 產 生 osteoprogenitor cells 或 是

osteoblasts 來 取 代 chondrocytes ， 於 是 軟 骨 膜

（perichondrium ） 功 能 改 變 ， 名 存 實 亡 ， 名 稱 也 換 成 硬 骨 膜

（periosteum），或 是 osteogenic layer。 當 Bone collar在 軟 骨 模 型 中 段 以 膜 內 骨 化 方 式 生 成 時 ， 軟 骨 內 骨 化 旋 即 開 始 。

b. 隨 著 周 圍 硬 骨 組 織 的 形 成，在 軟 骨 模 型 中 央 的 軟 骨 細 胞 會 開 始 肥 大 （hypertropy）， 軟 骨 基 質 也 開 始 鈣 化 。 鈣 化 的 基 質 抑 制 養 分 的 擴 散 ， 結 果 中 央 的 軟 骨 細 胞 死 亡 。

c. 軟 骨 細 胞 一 死 ， 基 質 也 開 始 瓦 解 ， 留 下 一 堆 lacunae。 Lacunae 彼 此 融 合 ， 產 生 更 大 的 空 腔 。 血 管 便 在 這 時 趁 虛 而 入 ， 佈 滿 整 個

骨 幹 中 央 。

d. 血 管 以 與 骨 幹 垂 直 的 角 度 侵 入 bone collar 後 ， 其 中 所 含 osteoclast 前 趨 細 胞 跑 出 血 管 ， 形 成 osteoclasts， 往 骨 幹 兩 端 兵 分 多 路 吃 掉 鈣 化 的 軟 骨 基 質 。 血 管 並 同 時 帶 入 了 periosteum 的 osteoprogenitor cells，在 殘 餘 的 鈣 化 軟 骨 基 質 上，繼 續 堆 積 osteoid，生 成 硬 骨（ 稱 為 endochondral bone）。此 時 primary ossification center 在 diaphysis（ 骨 幹 ） 形 成 。

Part II. Secondary ossification center在 epiphysis形 成

e. 在 primary ossification center 形 成 後，兩 端 的 epiphysis 其 中 之 一 （ 不 會 同 時 ） 亦 被 血 管 侵 入 ， 先 形 成 次 級 骨 化 中 心 （ 硬 骨 堆 積 方 式 如 同 初 級 骨 化 中 心 ）。 另 一 端 雖 然 較 慢 ， 不 過 也 叫 做 secondary ossification center。

f. primary ossification center 向 兩 端 發 展 。 secondary ossification center 則 呈 輻 射 發 展 ， 最 後 只 剩 下 關 節 處 與 epiphyseal plates仍 保 有 hyaline cartilage 。 軟 骨 內 骨 化 的 同 時 ，epiphyseal plate內 也 有 許 多 動 作 ， 來 增 長 骨 頭 。

Epiphyseal Plate

1. 在 diaphysis 與 epiphysis 交 接 處 ， 稱 為 epiphyseal plate。 長 骨 生 長 主 要 依 賴 其 中 的 epiphyseal cartilage。 由 遠 離 至 接 近 骨 幹 中 心 ， 可 分 為 五 區 ：

a. Resting zone

此 區 由 hyaline cartilage 組 成 ， 並 無 細 胞 增 生 或 骨 基 質 的 生 成 。 b. Proliferative zone

此 區 的 chondrocytes 不 斷 地 分 裂 ， 並 且 活 潑 開 心 地 製 造 基 質 。 c. Hypertrophic cartilage zone

含 有 許 多 肥 大 的 chondrocytes， 基 質 被 擠 壓 成 線 狀 。 d. Calcified cartilage zone

軟 骨 外 的 基 質 鈣 化，使 chondrocytes 死 亡，此 時 尚 未 被 血 管 侵 入 e. Ossification zone

血 管 及 osteoprogenitor cells （ from periosteum ） 侵 入 chondrocytes 死 亡 後 留 下 的 空 腔，osteoprogenitor cells 轉 變 成 osteoblasts，並 在 殘 餘 的 鈣 化 軟 骨 基 質 表 面（ trabeculae 的 表 面 ） 排 成 連 續 的 一 層 cells，開 始 堆 積 bone matrix。Osteoblasts 若 陷 於 其 中 則 形 成 osteocytes

2. 為 了 維 持 硬 骨 的 適 當 比 例 與 形 狀，外 面 與 裡 面 的 remodeling 速 度 要 隨 著 生 長 而 調 整 。 這 裡 ，epiphyseal plate 必 須 ：

a. epiphyseal plate 厚 度 要 十 分 固 定 b. 軟 骨 生 成 的 量 要 等 於 被 吸 收 的 量

c. 吸 收 的 軟 骨 會 由 疏 鬆 的 spongy bone 取 代

3. 當 個 體 達 最 大 生 長 時 ， epiphyseal plate 的 軟 骨 細 胞 便 不 再 增 生 。 最 後 軟 骨 用 盡 ， 骨 幹 與 骨 端 的 骨 髓 腔 融 合 。epiphyseal plate 也 退 化 成 由 硬 骨 組 織 構 成 的 epiphyseal line