骨膠原屬性與骨強(qiáng)度關(guān)系研究進(jìn)展

溫鑫鑫 丁海蛟 張英霞 馬翔宇 劉鵬 王天勝

解放軍第四六三醫(yī)院骨科，遼寧 沈陽(yáng) 110041

雙能X線吸收儀(dual X-ray absorptiometry，DXA)測(cè)量骨密度(bone mineral density，BMD)是目前國(guó)際上公認(rèn)的診斷骨質(zhì)疏松癥的方法，根據(jù)WHO制定的骨密度數(shù)值參考標(biāo)準(zhǔn)，約有50%的BMD數(shù)值正常的絕經(jīng)后婦女仍存在發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折的風(fēng)險(xiǎn)[1]，這一現(xiàn)象提示，單純的測(cè)量BMD并不能反映和準(zhǔn)確評(píng)估骨折風(fēng)險(xiǎn)。骨強(qiáng)度除了受到骨量的影響，還受骨骼解剖形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)以及骨基質(zhì)材料屬性的影響，在評(píng)估骨折風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，這些因素都不可忽略。

復(fù)雜的復(fù)合材料按照一定的層級(jí)結(jié)構(gòu)組成骨組織。從生物化學(xué)角度來(lái)看，骨組織由膠原纖維編織，羥基磷灰石結(jié)晶充填其中而組成。膠原的90%為I型膠原，羥基磷灰石等骨礦鹽晶體決定了骨組織具有堅(jiān)硬的強(qiáng)度，而膠原決定了骨組織具有一定的韌性[2,3]。骨組織受力時(shí)，其屈服前的彈性線性應(yīng)變主要受羥基磷灰石等骨礦鹽晶體的影響，而達(dá)到屈服應(yīng)變后的非線性應(yīng)變主要受膠原基質(zhì)的影響。影響膠原完整性的一些干擾手段，如高溫、福爾馬林固定等導(dǎo)致膠原變性，都會(huì)導(dǎo)致骨組織韌性下降[4]，由此可見骨膠原對(duì)骨強(qiáng)度具有不容忽視的影響。研究骨膠原屬性的改變?nèi)绾斡绊懝菑?qiáng)度，對(duì)于闡明骨強(qiáng)度降低機(jī)制、預(yù)防骨質(zhì)疏松癥等具有重要意義。

1 骨膠原的組成與結(jié)構(gòu)

I型膠原是骨組織中的主要膠原成分，其占骨膠原的比例高達(dá)95%，占骨組織中總蛋白的比例為80%～90%，其他類型膠原如III型和V型膠原，在骨組織中含量較低，且其主要作用是輔助調(diào)節(jié)I型膠原的纖維直徑[5]。骨膠原的分子結(jié)構(gòu)具有明顯的層級(jí)性，最初始的組成為三條多肽鏈通過(guò)轉(zhuǎn)錄后修飾和二硫鍵形成三螺旋膠原蛋白分子，被酶水解切割后露出N端和C端，之后這些斷端可以自發(fā)進(jìn)行組配，在轉(zhuǎn)錄后修飾的作用下進(jìn)一步穩(wěn)定，形成膠原纖維束，在酶促和非酶促反應(yīng)的作用下，纖維束可形成分子間交聯(lián)和纖維之間交聯(lián)[6]。羥基磷灰石晶體填充在這些膠原纖維束之間，以提供骨組織的硬度[7]。

2 膠原分子結(jié)構(gòu)對(duì)骨強(qiáng)度影響

骨膠原中占比最高的I型膠原，其分子結(jié)構(gòu)是由2條α-1鏈和1條α-2鏈組成的異源三聚體。另一類膠原分子的結(jié)構(gòu)為3條相同的α-1鏈組成的同源三聚體，由于缺少了α-2鏈，其對(duì)骨強(qiáng)度是否存在影響，引起了研究者的興趣[8]。骨性關(guān)節(jié)炎患者其軟骨下骨中存在著大量的同源三聚體的I型膠原[9]。攜帶有COL1A1基因Sp1轉(zhuǎn)錄因子變異個(gè)體，I型膠原中同源三聚體的比例可達(dá)10%～15%，這種高同源三聚體比例的個(gè)體，其骨骼強(qiáng)度顯著降低，且這種骨強(qiáng)度降低的現(xiàn)象是獨(dú)立于BMD之外的[10]。I型膠原分子結(jié)構(gòu)的改變，可能導(dǎo)致骨組織力學(xué)強(qiáng)度降低。為了進(jìn)一步驗(yàn)證膠原分子結(jié)構(gòu)對(duì)骨強(qiáng)度的影響，Miller等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在I型膠原發(fā)生突變(α-1鏈取代了α-2鏈，導(dǎo)致異源三聚體轉(zhuǎn)變?yōu)橥慈垠w)的小鼠(OIM小鼠)中，其骨骼強(qiáng)度顯著下降。在分子水平，McBride等[12]發(fā)現(xiàn)，α-2鏈對(duì)于維持膠原分子三重螺旋的穩(wěn)定性至關(guān)重要。Miles等[13]利用差示掃描量熱法進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，同源三聚體的I型膠原分子其膠原分子之間距離增大，因而導(dǎo)致膠原分子之間交聯(lián)度下降，這可能是其導(dǎo)致骨強(qiáng)度下降的原因。近幾年，隨著分子動(dòng)力學(xué)研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)同源三聚體形式的I型膠原因其分子扭轉(zhuǎn)角度更大，導(dǎo)致其硬度低于異源三聚體[14]。

膠原分子C端的異構(gòu)化反映與骨強(qiáng)度相關(guān)。Garnero等[15]利用胎兒時(shí)期的牛作為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn)，膠原分子C端的異構(gòu)化反應(yīng)程度高低與骨組織屈服、垂直壓縮的力學(xué)強(qiáng)度之間成正比。Viguet-Carrin等[16]在人椎體中發(fā)現(xiàn)了類似的研究結(jié)果，膠原分子C端的異構(gòu)化反應(yīng)程度較低時(shí)，其骨組織垂直壓縮強(qiáng)度也顯著降低。這種異構(gòu)化引起的單純構(gòu)象變化可能并不會(huì)影響膠原分子的力學(xué)屬性，但是可將該項(xiàng)信息作為反映骨膠原力學(xué)性能的一項(xiàng)指標(biāo)。

3 膠原纖維排布走向?qū)菑?qiáng)度的影響

膠原纖維在骨組織中的排布走向會(huì)對(duì)骨強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。Goldman等[17]利用偏振光顯微鏡研究了尸體標(biāo)本的股骨發(fā)現(xiàn)，骨組織內(nèi)的膠原排布走向在不同年齡組之間具有顯著差異。Martin等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在皮質(zhì)骨內(nèi)，當(dāng)縱行排布的膠原纖維比例較高時(shí)，即膠原纖維排布方向與骨組織主要受力載荷方向相同時(shí)，其骨組織強(qiáng)度顯著提高。Ramasamya等[19]在其研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，小鼠股骨皮質(zhì)骨前部區(qū)域縱向排布膠原比例要高于后部區(qū)域，相應(yīng)的前部骨組織力學(xué)強(qiáng)度也高于后部。骨質(zhì)疏松癥會(huì)導(dǎo)致骨膠原纖維的排布走向發(fā)生改變，Silva等[20]利用老年骨質(zhì)疏松小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，在老年骨質(zhì)疏松小鼠體內(nèi)，其骨組織主應(yīng)力方向上的膠原纖維比例顯著低于對(duì)照組。在椎體松質(zhì)骨中進(jìn)行的研究也表明，膠原纖維的走向?qū)菑?qiáng)度具有顯著影響。Puustjarvi等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期奔跑訓(xùn)練的狗的椎體內(nèi)，其骨密度顯著下降，而椎體骨強(qiáng)度保持不變，通過(guò)利用偏振光顯微鏡研究松質(zhì)骨，在椎體縱向上骨膠原纖維排布與對(duì)照組相比，奔跑實(shí)驗(yàn)組其縱向膠原纖維比例增高，膠原分子之間的酶促交聯(lián)沒(méi)有顯著差異，由此研究者認(rèn)為，骨膠原纖維在主應(yīng)力方向上的重新分布維持了椎體的骨強(qiáng)度。

4 膠原分子交聯(lián)對(duì)骨強(qiáng)度的影響

膠原分子間交聯(lián)反應(yīng)作為重要的膠原分子轉(zhuǎn)錄后修飾，其保證了膠原纖維基質(zhì)具有一定的延展性和粘彈性，對(duì)骨強(qiáng)度具有顯著影響。在骨組織發(fā)育過(guò)程中，膠原分子末端的賴氨酸在細(xì)胞外基質(zhì)酶賴氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槿┵嚢彼醄22]。醛賴氨酸與臨近膠原分子中的螺旋(羥基)賴氨酸反應(yīng)形成不成熟的二價(jià)交聯(lián)，即二羥基賴正己氨酸(DHLNL)和羥基賴正己氨酸(HLNL)。這些二價(jià)交聯(lián)中的一部分進(jìn)一步成熟，形成三價(jià)交聯(lián)，即吡啶啉和吡咯類。此外，還有另一種非酶促交聯(lián)反應(yīng)，高級(jí)糖化終末產(chǎn)物交聯(lián)(advanced glycation endproduct， AGE)，也可形成交聯(lián)膠原[23]。

膠原分子的交聯(lián)程度對(duì)骨強(qiáng)度由顯著影響。Knott等[24]研究發(fā)現(xiàn)，膠原分子之間的交聯(lián)程度與骨骼屈服極限應(yīng)力之間具有顯著的相關(guān)性。在年輕個(gè)體中，因?yàn)槿狈S生素B6或缺乏銅離子導(dǎo)致的賴氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)活性下降，而LOX作為膠原分子酶促交聯(lián)反應(yīng)的重要蛋白酶，進(jìn)而導(dǎo)致膠原交聯(lián)程度下降，最終導(dǎo)致骨強(qiáng)度顯著降低[24]。Oxlund等[25]利用β-氨基丙腈處理大鼠后發(fā)現(xiàn)，骨組織中吡啶啉交聯(lián)下降了45%，骨組織的屈服強(qiáng)度和硬度相應(yīng)下降了20%～30%。

5 膠原屬性與骨質(zhì)疏松癥所致骨強(qiáng)度降低之間的關(guān)系

早在1978年，Sanada等[26]就提出，女性絕經(jīng)后的雌激素撤退會(huì)通過(guò)降低LOX活性而影響到骨組織中I型膠原的屬性，導(dǎo)致骨強(qiáng)度降低。Acerbo等[27]利用去勢(shì)大鼠研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松癥大鼠骨組織內(nèi)膠原的排布走向發(fā)生了明顯變化。Knott等[24]進(jìn)一步利用動(dòng)物試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松癥可導(dǎo)致賴氨酸羥基化增加，進(jìn)而導(dǎo)致吡咯類化合物之間的交聯(lián)降低，最終導(dǎo)致骨強(qiáng)度降低。該結(jié)果在人體標(biāo)本中得到了進(jìn)一步證實(shí)，Paschalis等[28]利用傅立葉紅外分光成像技術(shù)對(duì)比了骨質(zhì)疏松患者和正常人的髂骨活檢標(biāo)本發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松組和正常組的膠原交聯(lián)情況存在顯著差異。Kowitz等[29]利用從骨質(zhì)疏松性骨折患者體內(nèi)獲得的股骨頭標(biāo)本研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松患者骨組織內(nèi)膠原分子的賴氨酸殘基過(guò)度羥基化、羥賴氨酸的過(guò)度糖基化會(huì)導(dǎo)致膠原纖維束直徑顯著降低，進(jìn)而影響到膠原纖維與礦物質(zhì)晶體之間的結(jié)合，最終導(dǎo)致骨強(qiáng)度的降低。Willett等[30]提出，絕經(jīng)后的雌激素撤退會(huì)導(dǎo)致膠原晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation endproducts，AGEs)的增加，AGEs一方面通過(guò)和AGEs受體結(jié)合，產(chǎn)生信號(hào)通路效應(yīng)導(dǎo)致骨重塑的紊亂；另一方面，AGEs與骨組織材料屬性的改變相關(guān)。氧化應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致AGEs增多，抑制正常的酶促膠原交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致膠原結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而降低骨強(qiáng)度，這也是抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)可以增強(qiáng)骨強(qiáng)度的原因之一。

6 膠原屬性與II型糖尿病所致骨強(qiáng)度降低之間的關(guān)系

II型糖尿病患者其骨強(qiáng)度顯著降低，發(fā)生骨折風(fēng)險(xiǎn)更高，但是患者的骨密度數(shù)值往往正常甚至高于一般人群的平均值，諸多研究表明，是骨組織中膠原屬性的改變導(dǎo)致II型糖尿病患者發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)更高[31]。為了闡明II型糖尿病如何影響膠原屬性，進(jìn)而影響骨強(qiáng)度，Tang等[32]將從新鮮尸體標(biāo)本中獲得的松質(zhì)骨標(biāo)本在糖溶液中培養(yǎng)，通過(guò)構(gòu)建和機(jī)體內(nèi)溫度、pH相同的環(huán)境來(lái)模擬糖尿病患者的骨組織，之后生物力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高糖溶液培養(yǎng)會(huì)使松質(zhì)骨中的非酶促糖基化反應(yīng)增加，進(jìn)而導(dǎo)致松質(zhì)骨的屈服后非線性應(yīng)變吸收能量的能力顯著下降。然而，體外高糖溶液培養(yǎng)骨組織與真實(shí)的體內(nèi)糖尿病體液環(huán)境差距較大，為了進(jìn)一步闡明膠原屬性與II型糖尿病所致骨強(qiáng)度降低之間的關(guān)系，Satio等[23]利用糖尿病大鼠模型進(jìn)行了相關(guān)研究，研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病大鼠骨組織內(nèi)，其酶促交聯(lián)反應(yīng)顯著低于對(duì)照組，而膠原中的戊糖素含量顯著增加，導(dǎo)致糖尿病大鼠的骨強(qiáng)度發(fā)生顯著降低。

7 結(jié)論與展望

骨組織作為一種復(fù)合生物材料，膠原是其最重要的有機(jī)成分之一，其屬性的改變會(huì)顯著的影響到骨組織的強(qiáng)度。膠原屬性如何影響骨強(qiáng)度，這一機(jī)制還有待相關(guān)研究進(jìn)一步深入展開。未來(lái)的研究應(yīng)主要集中于研究膠原分子合成后的修飾改變，同時(shí)應(yīng)該觀察研究骨組織重塑過(guò)程中膠原屬性如何變化。探索可以反映膠原改變的體外非侵入性生化代謝指標(biāo)，可以為預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥提供重要參考。