造模早期兔激素性股骨頭壞死骨質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化影像學(xué)觀察*

楊璐希 吳少平 黃雨 鄭永基 王竹 李卓 劉中財(cái) 唐曦 喻鈞倫 潘志華

(1.成都醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院·核工業(yè)四一六醫(yī)院放射科，四川 成都610051； 2.成都醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像系, 四川 成都 610500；3.德陽(yáng)市人民醫(yī)院放射科, 四川 德陽(yáng) 618000；4.南充市中心醫(yī)院超聲科，四川 南充 637000；5.漢源縣中醫(yī)醫(yī)院骨科，四川 雅安 625300)

激素性股骨頭壞死(Steroid-Induced Avascular Necrosis of the Femoral Head，SANFH)是激素所致股骨頭血運(yùn)障礙，骨與骨髓壞死、壞死后修復(fù)及骨質(zhì)塌陷的過(guò)程，脂類(lèi)代謝紊亂、血管內(nèi)凝血、骨內(nèi)壓增高、二次碰撞、骨神經(jīng)內(nèi)分泌紊亂是其目前較受認(rèn)可的致病學(xué)說(shuō)[1-3]，但具體機(jī)制尚不明確。有研究認(rèn)為，松質(zhì)骨改變是壞死股骨頭結(jié)構(gòu)性能改變的主要原因[4]，而激素可導(dǎo)致骨丟失和骨強(qiáng)度減弱[5]。既往與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)多在造模2周之后，而此時(shí)多已發(fā)生壞死。鑒于SANFH早期骨質(zhì)變化研究尚少，及其在SANFH發(fā)病機(jī)制研究中可能具有的價(jià)值，本研究旨在動(dòng)態(tài)觀察兔SANFH局部骨質(zhì)結(jié)構(gòu)2周之內(nèi)的變化。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 普通級(jí)，新西蘭，大白兔45只，雌雄均可，2月齡，體重(2.3±0.3)kg，由成都醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院科研實(shí)驗(yàn)中心動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室提供。實(shí)驗(yàn)通過(guò)成都醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)審核。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑 MR(MAGNETOM AVANTO)，SIEMENS，德國(guó)；CT(SOMATOM Defintion AS+)，SIEMENS，德國(guó)；小動(dòng)物Micro-CT，廣州中科凱盛醫(yī)療科技有限公司；影像診斷工作站，柯達(dá)公司，美國(guó)；LEICA RM 2016石蠟切片機(jī)，上海徠卡儀器有限公司；TK-218型恒溫?cái)偲酒瑱C(jī)，湖北泰維醫(yī)療科技有限責(zé)任公司；Leica DM4000 BLED正置顯微鏡，Leica公司，德國(guó)； 4～20 ℃冰箱，海爾公司，中國(guó)；脂多糖，Sigma公司，美國(guó)；醋酸潑尼松龍注射液，浙江仙琚制藥股份有限公司；水合氯醛(分析純)，成都市科龍化工試劑廠；蘇木素染色液，北京諾博萊德科技有限公司；伊紅染色液，北京諾博萊德科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 動(dòng)物模型建立 45只兔先行適應(yīng)性喂養(yǎng)，1周后隨機(jī)數(shù)字表法分為對(duì)照組(n=15)與實(shí)驗(yàn)組(n=30)。實(shí)驗(yàn)組按造模5、7、9、11、13 d共5個(gè)觀察組進(jìn)行隨機(jī)、平均分配，對(duì)照組同樣隨機(jī)分為5個(gè)小組(n=3)，與造模組(n=6)進(jìn)行同期觀察。造模方法為激素聯(lián)合脂多糖造模[6]。

1.3.2 常規(guī)CT與MRI掃描 腹腔注射10%水合氯醛(4.0 mL/kg)，麻醉后取仰臥位，兔固定板固定后置于CT/MRI檢查床，雙側(cè)兔髖關(guān)節(jié)同時(shí)掃描。CT薄層掃描后行三維重建。MRI掃描選擇表面覆蓋體部相控陣表面線圈，采用腕關(guān)節(jié)掃描參數(shù)進(jìn)行平掃，得到軸位T2WI脂肪抑制、矢狀位T1WI、質(zhì)子密度加權(quán)圖像。掃描后分析股骨頭及小轉(zhuǎn)子的形態(tài)、密度/信號(hào)變化。

1.3.3 Micro-CT檢查 掃描電壓70 Kpv，電流1 mA，功率50 w，托架轉(zhuǎn)動(dòng)0.72度采圖一幅，掃描后行二維、三維重建。ROC選擇骺上區(qū)、骺下區(qū)及小轉(zhuǎn)子，觀測(cè)骨礦物質(zhì)密度(Bone Mineral Density，BMD)、骨小梁間隙(Trabecular Spacing，Tb.Sp)、骨小梁厚度(Trabecular Plate Thickness，Tb.Th)、骨小梁相對(duì)體積(Bone Volume To Total Volume，BV/TV)。

1.3.4 組織學(xué)觀察 股骨頭脫鈣、脫水處理后石蠟包埋、脫蠟至水、蘇木素染色、鹽酸酒精分化、伊紅染色、脫水、透明、封片后行組織學(xué)觀察，計(jì)算空骨陷窩率。

2 結(jié)果

2.1 造模結(jié)果 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中造模5、7、9 d每小組各死亡1只，11、13 d每小組各死亡2只，合計(jì)死亡7只，對(duì)照組全部存活。

2.2 常規(guī)CT、MRI觀察 MRI掃描T1加權(quán)、T2加權(quán)及質(zhì)子密度加權(quán)，見(jiàn)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組髖關(guān)節(jié)對(duì)位良好，關(guān)節(jié)間隙未見(jiàn)異常，骨質(zhì)形態(tài)、信號(hào)無(wú)確切變化，未見(jiàn)明顯關(guān)節(jié)積液，見(jiàn)圖1A～C。CT掃描見(jiàn)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組髖關(guān)節(jié)均對(duì)位良好，關(guān)節(jié)間隙未見(jiàn)異常，骨皮質(zhì)連續(xù)，骨質(zhì)形態(tài)、密度未見(jiàn)確切異常，周?chē)浗M織未見(jiàn)異常，三維重建如常，見(jiàn)圖1D。

2.3 Micro-CT觀測(cè) 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組Micro-CT測(cè)量部位，見(jiàn)圖2。三維結(jié)構(gòu)圖顯示，實(shí)驗(yàn)組股骨頭骺下區(qū)與小轉(zhuǎn)子造模5，7，9，11，13 d各小組未見(jiàn)明顯改變，股骨頭骺上區(qū)隨造模時(shí)間延長(zhǎng)，骨小梁變細(xì)、稀疏、部分?jǐn)嗔眩切×洪g距增寬，見(jiàn)圖3。隨造模時(shí)間延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組股骨頭骺下區(qū)、小轉(zhuǎn)子的BMD、Tb.Sp、Tb.Th、BV/TV的改變無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。股骨頭骺上區(qū)BMD、Tb.Th、BV/TV逐漸減小，Tb.Sp呈逐漸增大，造模第9天及之后實(shí)驗(yàn)小組各參數(shù)值的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)圖4。

圖1 MRI及CT三維重建

圖2 股骨頭骺上區(qū)、骺下區(qū)及小轉(zhuǎn)子ROI選擇示意圖

圖3 Micro-CT三維重建示意圖

2.4 組織學(xué)觀察 隨造模時(shí)間延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組骺上區(qū)脂肪細(xì)胞增大，骨小梁變稀疏，部分?jǐn)嗔?，髓腔?nèi)可伴發(fā)出血，空骨陷窩增多，空骨陷窩率逐漸增高，于造模第7 d小組開(kāi)始，與對(duì)照組有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)；骺下區(qū)及小轉(zhuǎn)子骨小梁清晰整齊，未見(jiàn)空骨陷窩和髓腔內(nèi)出血，見(jiàn)圖5。對(duì)照組脂肪細(xì)胞未見(jiàn)增大，骨小梁未見(jiàn)變細(xì)、斷裂，空骨陷窩少見(jiàn)。

3 討論

非創(chuàng)傷性股骨頭壞死中，激素性股骨頭壞死的發(fā)病率最高。SANFH股骨頭血液循環(huán)障礙可導(dǎo)致股骨頭內(nèi)不同程度的細(xì)胞死亡，壞死區(qū)域宏觀機(jī)械強(qiáng)度逐步減低，最終導(dǎo)致股骨頭塌陷、髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎[7-8]。已有學(xué)者行CT定量評(píng)估和骨組織形態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)骨轉(zhuǎn)換和孔隙率的增加會(huì)減弱骨強(qiáng)度，增加股骨頭塌陷的可能性[9]，但造模2周內(nèi)變化情況研究報(bào)道鮮少。

本研究發(fā)現(xiàn)，2周內(nèi)SANFH常規(guī)CT和MRI檢查股骨頭形態(tài)、骨質(zhì)密度和信號(hào)均無(wú)異常，這與此前研究結(jié)果一致[6，10-11]，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已有病理性改變，具體而言，一是出現(xiàn)骨小梁變少、變薄等與骨質(zhì)疏松類(lèi)似的變化，其原因可能系大劑量激素沖擊引發(fā)微小骨質(zhì)改變、骨細(xì)胞成骨能力降低，而壞死區(qū)短期內(nèi)骨修復(fù)能力不足，從而引起骨質(zhì)量減低；二是此改變主要出現(xiàn)在骺上區(qū)，推測(cè)與三個(gè)區(qū)域血供及壓力分布差異有關(guān)；三是骺上區(qū)變化呈進(jìn)行性加重趨勢(shì)，即：組織學(xué)觀測(cè)造模第5 d小組可見(jiàn)部分骨小梁空骨陷窩增多，脂肪細(xì)胞增大，部分骨小梁斷裂，至第7 d小組出現(xiàn)顯著性改變；而Micro-CT在造模前9 d小組中未見(jiàn)參數(shù)出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，之后才見(jiàn)BMD、Tb.Th、BV/TV、Tb.Sp的顯著性異常變化，提示CT定量分析診斷SANFH早期變化的時(shí)間窗稍晚于組織學(xué)檢查，且其結(jié)構(gòu)分析需綜合考慮多個(gè)參數(shù)，以提高其診斷效能[12-15]。

圖4 股骨頭骺上區(qū)、骺下區(qū)及小轉(zhuǎn)子MicroCT各參數(shù)值變化

圖5 股骨頭骺上區(qū)、骺下區(qū)及小轉(zhuǎn)子HE染色

已有較多研究觀察了股骨頭壞死進(jìn)程中骨質(zhì)成分的變化，如：Pascart等[16]用拉曼光譜對(duì)股骨頭壞死和正常股骨頭進(jìn)行骨質(zhì)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)骨小梁的礦物質(zhì)和有機(jī)成分僅存在年齡相關(guān)性差異，而組織學(xué)檢查在發(fā)現(xiàn)健康區(qū)域也有廣泛的骨髓壞死和骨細(xì)胞凋亡，壞死區(qū)與健康區(qū)小梁骨的組成并無(wú)區(qū)別；而Aruwajoye等[17]也認(rèn)為股骨頭壞死骨質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)改變，但壞死區(qū)域分子穩(wěn)定性并不會(huì)改變。本研究使用Micro-CT進(jìn)行定量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)SANFH早期壞死骨的顯著性結(jié)構(gòu)變化主要為骨量的減少，而壞死和健康區(qū)域的生物力學(xué)特性仍相似[18]，這與前述觀點(diǎn)一致，但可能具有臨床應(yīng)用價(jià)值。

本實(shí)驗(yàn)顯示，造模9 d及之后小組股骨頭骨質(zhì)結(jié)構(gòu)明顯變薄弱，但僅見(jiàn)于骺上區(qū)，這可能與本實(shí)驗(yàn)造模兔月齡較小，骨骺線尚未完全閉合，骺上區(qū)和骺下區(qū)、小轉(zhuǎn)子存在受力差異、骺板屏蔽作用或血供差異等多個(gè)內(nèi)在因素有關(guān)。通常，幼兔股骨頭骨骺由關(guān)節(jié)積液滋養(yǎng)，阻斷血供后只會(huì)發(fā)生表面部分壞死，而家兔股骨頭血管分布呈現(xiàn)出關(guān)節(jié)軟骨下方、骺板兩側(cè)分布居多，而關(guān)節(jié)軟骨和骺板沒(méi)有分布的特點(diǎn)，而骺板上下方血供又相對(duì)獨(dú)立，骺板上方由圓韌帶動(dòng)脈供血，下方由旋股內(nèi)外側(cè)動(dòng)脈和骨內(nèi)滋養(yǎng)動(dòng)脈供血[19]。當(dāng)然，局限于骺上區(qū)的SANFH改變肯定與使用大劑量激素的外在因素直接相關(guān)，至于其機(jī)理則仍有待于深入研究。

4 結(jié)論

早期兔激素性股骨頭壞死局部骨質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)逐步加重的疏松變化趨勢(shì)，主要發(fā)生部位為骺上區(qū)，其于第9 d后Micro-CT變化有顯著性差異，該變化雖晚于組織學(xué)觀察，但可能具有影像學(xué)定量診斷研究?jī)r(jià)值。