中國20～60歲男性腰3椎體松質(zhì)骨生物學(xué)和生物力學(xué)參數(shù)的變化*

劉國民，孔 寧，白云深，韓宏志

1)吉林大學(xué)第二醫(yī)院骨科 長春 130041 2)吉林大學(xué)藥學(xué)院醫(yī)用生物材料學(xué)教研室 長春 130021 3)吉林大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院流行病與衛(wèi)生統(tǒng)計學(xué)教研室 長春 130021 4)吉林大學(xué)學(xué)報編輯部 長春 130021

骨小梁生物力學(xué)性質(zhì)隨年齡的改變是引發(fā)骨質(zhì)疏松的主要原因，也是骨折危險性逐漸增加的直接原因[1]。松質(zhì)骨骨微結(jié)構(gòu)的改變是骨小梁生物力學(xué)性質(zhì)改變的基礎(chǔ)。近些年，國外許多研究機(jī)構(gòu)[2-3]對白種人松質(zhì)骨骨微結(jié)構(gòu)隨年齡的改變做了大量研究，但沒有黃種人的研究數(shù)據(jù)，同時各研究中年齡的分組存在著許多差異，結(jié)果也存在著許多矛盾之處。作者通過對中國20～60歲男性的腰3椎體(L3)松質(zhì)骨密度、生物力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測量、分析，探討年齡與骨折危險性的關(guān)系，為骨質(zhì)疏松的治療提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1標(biāo)本來源取捐獻(xiàn)的新鮮中國男性L3椎體32個，捐獻(xiàn)者年齡20～60歲，分成20～、30～、40～和50～60歲4個年齡組，每組8個椎體。常規(guī)操作去除L3椎體周圍軟組織及附屬結(jié)構(gòu)，只保留椎體部分。用生理鹽水紗布包裹后置于-20 ℃冰箱冷藏保存。所選椎骨均經(jīng)CT掃描排除腰椎存在肉眼可見的病理性改變。實(shí)驗(yàn)標(biāo)本通過吉林省倫理委員會的審核。

1.2骨小梁膠原纖維的形態(tài)學(xué)觀測取出標(biāo)本，室溫下解凍。沿椎體正中矢狀面將椎體切成左右兩半，均保留上、下終板，在各個半椎體的中心位置切取長×寬為12 mm×12 mm的試件，不包括椎體的皮質(zhì)骨。對試件周圍松質(zhì)骨反復(fù)用生理鹽水沖洗后，脫水、噴金，掃描電鏡下對骨小梁膠原纖維進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析、測量。

1.3密度測量將各組其中的8個試件均制成7 mm×7 mm×20 mm的規(guī)則試件，計算試件體積(Va)。清水反復(fù)沖洗6 h后，于20 000 U/mL肝素溶液中浸泡12 h，每6 h換液一次，再用生理鹽水刷洗，完全去除髓腔內(nèi)的血液及組織碎屑。按文獻(xiàn)[4]的方法，用無水分析乙醇對試件脫脂48 h，24 h更換乙醇一次。脫脂試件在空氣中干燥24 h后用電子分析天平(精度0.000 1 g)稱質(zhì)量(M)，根據(jù)阿基米德定律，測得試件骨小梁的體積(Vb)。表觀密度=M/Va；體積比=Vb/Va。

1.4生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)每組取剩余8個試件，用骨水泥填補(bǔ)，使試件的上、下面水平。在試件表面貼上電阻應(yīng)變片[德國都利公司，標(biāo)距1×1 mm(膠基泊式)，阻值為120 Ω，靈敏度為2.12]，保證各試件的縱向電阻應(yīng)變片位于同一水平面上，將應(yīng)變片導(dǎo)線連于電阻應(yīng)變儀(上海華東電子儀器廠，YJ-26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀)上，采用萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(日本島津AG-107A自動控制電子萬能試驗(yàn)機(jī))以0、50、100 N級別生理載荷分級加載，在電阻應(yīng)變儀上直接讀取相應(yīng)載荷下試件的應(yīng)變位移，計算彈性模量。然后去除應(yīng)變片，進(jìn)行極限載荷試驗(yàn)。

1.5統(tǒng)計學(xué)處理采用SPSS 10.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。4組間L3椎體的表觀密度、體積比、彈性模量及極限應(yīng)力的比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用SNK-q檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1骨小梁膠原纖維的形態(tài)學(xué)表現(xiàn)20～歲年齡組，骨膠原交聯(lián)成粗細(xì)均勻的膠原纖維，寬2～3 μm，纖維排列緊密靠攏，走向一致，其間由較細(xì)的膠原纖維呈斜形連接加固。隨著年齡的增長，骨膠原交聯(lián)能力下降，膠原纖絲粗細(xì)不等，走向基本一致,但排列松散、稀疏、紊亂，其間連接相鄰較粗纖絲的更細(xì)的膠原纖絲的走向雜亂無章，相鄰較粗的膠原纖絲結(jié)構(gòu)松散，排列不緊密。這種變化在40～歲年齡組和50～60歲年齡組尤為明顯，見圖1。

圖1 骨小梁膠原纖維的掃描電鏡觀測(×10 000)

2.2 4組L3椎體松質(zhì)骨表觀密度測定及生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 4組L3椎體松質(zhì)骨表觀密度測定及生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

*與20～歲組比較，P<0.05；#與30～歲組比較，P<0.05。

3 討論

人自出生以后，骨形成的同時伴隨著骨吸收，在所受應(yīng)力的指引下不間斷地進(jìn)行著骨改建。當(dāng)骨形成大于骨吸收，是成骨的過程。隨著年齡的增長，骨吸收逐漸占優(yōu)勢，導(dǎo)致大量骨量丟失，骨密度逐漸減低。有文獻(xiàn)[5]報道人骨表觀密度的峰值出現(xiàn)在30～40歲，而該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，中國20～30歲男性L3骨的表觀密度達(dá)到最高值，30～40歲時顯著下降。隨著年齡的增長，中國男性椎體松質(zhì)骨體積比也逐漸降低，進(jìn)一步證實(shí)骨髓腔隨著年齡的變化而增大。

骨主要的有機(jī)成分是Ⅰ型膠原。Ⅰ型膠原是一種具有3個肽鏈的微纖維蛋白，在體內(nèi)，通過酶介導(dǎo)的交聯(lián)反應(yīng)和非酶介導(dǎo)的交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行微纖維化，形成聚合的膠原纖維[6-7]。骨膠原纖維不僅是骨礦物質(zhì)沉積的載體，而且Ⅰ型膠原微纖維化后誘導(dǎo)細(xì)胞分化和增殖的能力明顯高于其單體形式。它不僅能夠吸附各種細(xì)胞因子，而且可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的增生和分化，加速骨的形成[7]。骨膠原的交聯(lián)還可增加骨的韌性和彈性模量[8-12]。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著年齡的增長，中國男性L3椎體骨交聯(lián)能力下降，膠原纖維粗細(xì)不等，排列松散、稀疏、紊亂，這種變化在40～60歲時尤為明顯。主要原因可能是隨著年齡的增長，骨微環(huán)境內(nèi)酶和非酶介導(dǎo)的交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生改變。骨礦化的減少也降低了膠原交聯(lián)的能力，而膠原交聯(lián)能力的改變反過來延緩了骨礦沉積[13-14]。隨著年齡的增長，膠原微纖維肽鏈尾肽縮短，也可能降低了膠原的微纖維化能力。

骨小梁的彈性模量是反映骨韌性的力學(xué)參數(shù)，當(dāng)彈性模量降低，骨的柔韌性減小，脆性增高，發(fā)生骨折的幾率相應(yīng)增大[15]。骨小梁的彈性模量與骨膠原的交聯(lián)程度直接有關(guān)。隨著年齡的增長，骨膠原的交聯(lián)程度降低，骨小梁的柔韌性變小，彈性模量也隨之降低。另一個決定骨小梁彈性模量的因素是礦物質(zhì)的骨沉積。Uchitama研究組[16]報道，當(dāng)?shù)V物質(zhì)骨沉積減少時，彈性模量相應(yīng)減小，這與該實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

作者觀察到，中國男性骨小梁的極限載荷隨著年齡的增長而降低，與文獻(xiàn)[7]報道相符合。20～40歲中國男性腰椎極限載荷的減小可能歸因于骨小梁寬度的減小和骨密度的減低。40～60歲極限載荷的減小可能歸因于骨膠原纖維的排列紊亂和骨韌性的降低。

總之，中國20～60歲男性L3椎體骨膠原排列逐漸紊亂，交聯(lián)能力逐漸降低，椎體松質(zhì)骨的密度、極限載荷和彈性模量均逐漸減小。隨著年齡的變化，骨微結(jié)構(gòu)、密度和生物力學(xué)的改變是引起骨質(zhì)疏松和骨折危險性增加的重要原因。

[1]Stauber M,Müller R.Age-related changes in trabecular bone microstructures:global and local morphometry[J].Osteoporos Int,2006,17(4):616

[2]Consensus development conference：prophylaxis and treatment of osteoporosis[J].Am J Med,1991,90(1):107

[3]Consensus development conference:diagnosis,prophylaxis,and treatment of osteoporosis[J].Am J Med,1993,94(6):646

[4]Clarke BL,Ebeling PR,Jones JD,et al.Changes in quantitative bone histomorphometry in aging healthy men[J].J Clin Endoerinol Metab,1996,81(6):2264

[5]Milovanovic P,Djuric M,Rakocevic Z.Age-dependence of power spectral density and fractal dimension of bone mineralized matrix in atomic force microscope topography images:potential correlates of bone tissue age and bone fragility in female femoral neck trabeculae[J].J Anat,2012,221(5):427

[6]Knott L,Bailey AJ.Collagen cross-links in mineralizing tissues:a review of their chemistry,function,and clinical relevance[J].Bone,1998,22(3):181

[7]Bilezikian JP,Raisz LG,Rodan GA.Principles of bone biology(vol 1)[M].San Diego CA,USA:Academic Press,2002:211

[8]Zioupos P.Ageing human bone:factors affecting its biomechanical properties and the role of collagen[J].J Biomater Appl,2001,15(3):187

[9]Wang X,Shen X,Li X,et al.Age-related changes in the collagen network and toughness of bone[J].Bone,2002,31(1):1

[10]Paschalis EP,Shane E,Lyritis G,et al.Bone fragility and collagen cross-links[J].J Bone Miner Res,2004,19(12):2000

[11]Portero-Muzy NR,Chavassieux PM,Bouxsein ML,et al.Early effects of zoledronic acid and teriparatide on bone microarchitecture,remodeling and collagen crosslinks:comparison between iliac crest and lumbar vertebra in ewes[J].Bone,2012,51(4):714

[12]Saito M,Marumo K.Roles of collagen enzymatic and advanced glycation end products associated crosslinking as a determinant of bone quality[J].Nihon Rinsho,2011,69(7):1189

[13]Tsangari H,Kuliwaba JS,Fazzalari NC.Trabecular bone modeling and subcapital femoral fracture[J].J Musculoskelet Neuronal Interact,2007,7(1):69

[14]劉國民，孫紅輝，張艷秋，等.幼鼠和老齡鼠尾膠原體外纖維化的形態(tài)學(xué)比較[J].吉林大學(xué)學(xué)報：醫(yī)學(xué)版，2012，28(4)：705

[15]Catanese JCI,Bank RA,TeKoppele JM,et al.Increased cross-linking by non-enzymatic glycation reduces the ductility of bone and bone collagen[J].Proc Bioen Conf,1999,42(2):267

[16]Uchitama T,Tanizawa T,Muramatsu H,et al.Three-dimensional microstructural analysis of human trabecular bone in relation to its mechanical properties[J].Bone,1999,25(4):487