骨转移瘤生长首先起源于肿瘤细胞转移至骨髓，骨髓由主要造血干细胞组成，存在成骨和血管微环境两种不同生物结构。肿瘤细胞与成骨细胞及其他造血干细胞之间主要通过化学趋向因子联系，如基质细胞及其受体CXR4上的基质衍生因子-1(SDF-1)。
肿瘤细胞与骨髓造血干细胞之间的联系对骨转移瘤的生长极为重要。SDF-1(也称作CXCL12)与CXCR4及由其合成介导的CXCR4信息传递，在肿瘤细胞和骨之间承担一个非常重要的角色。破骨细胞对骨/胶原蛋白的附着/粘附，大部分是通过组织蛋白酶K介导，再从胶原蛋白到αvβ3暴露RGD序列促进的。破骨细胞激活看似可直接导致溶骨性损伤/侵蚀和疼痛，实则为C-Src激酶活性增高，继而与整合素结合蛋白以及RANKL–RANK相互作用的结果，因而破骨功能的激活与C-Src的增高有关。
骨转移瘤的生长是多步续联过程，包括：(1)肿瘤细胞生长，肿瘤细胞分离，组织基质损伤;(2)新生血管生成;(3)肿瘤细胞从损伤的组织侵入血管;(4)肿瘤细胞循环中生存;(5)骨髓血管内皮细胞化学趋向和阻止(对接和锁定);(6)肿瘤细胞外渗;(7)通过肿瘤细胞与骨细胞之间的相互作用建立转移微环境(成骨细胞转移瘤)[18-21]。
肿瘤细胞通过趋向性吸引单核细胞/吞噬细胞系中破骨细胞的前体细胞(前破骨细胞)获得局部骨吸收，刺激成熟破骨细胞的形成和融合。这种破骨细胞的生成过程需要通过核因子kappaβ(NF-kβ)配体(RANKL)–RANK骨保护素系统调节。RANKL主要在成骨细胞表面表达。RANK通过其配体的减少的刺激破骨细胞的形成与激活。可溶性糖蛋白(OPG)可诱导受体结合于RANKL，能够抑制RANKL–RANK间相互作用。OPG通过抑制肿瘤细胞的迁移和骨吸收，可以显著降低前列腺癌细胞在骨中的发展。
分泌型尿激酶纤溶酶原激活物(uPA)在成骨细胞表面与其受体(uPA-R)相结合，在临近成骨细胞的位置激活后，产生蛋白水解活性。由于uPA具有直接蛋白酶活性，或通过uPA介导的纤维蛋白溶酶以及随后的基质金属蛋白酶(MMPs)的激活间接作用，最终导致局部蛋白水解增加。
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