骨质疏松对骨微损伤修复重建的影响及相关机制研究

The loss of bone quality resulting from osteoporosis is a hot topic in both basic and clinical research. As a component of bone quality, the importance of bone microdamage and repair mechanism received increasing attention.Well, it is not known by us about the effect of osteoporosis on bone microdamage repair.In our previous studies, microPET/CT was used to detect bone microdamage in osteoporotic bone, and a positive correlation was found between the severity of osteoporosis and bone microdamage, which providing a new noninvasive method for the longitudinal study of microdamage repair. We also found that impaired microarchitecture and increased microdamage were present in subchondral cancellous bone among women with postmenopausal osteoporosis, both of which contributed to compromising bone biomechanical properties. Based on these results, we will further unveil the mechanism of microdamage repair in ovariectomized rats and osteoporostic patients,analyze the spatial and temporal relationships between bone microdamage, osteocyte apoptosis, bone remodeling, the expression of the gene and protein levels in bone marrow cells, also the influence of bone microdamage and microarchitecture impair bone biomechanical properties after fatigue loading will be investigated. The purpose of this study is to expose the characteristic features of microdamage formation and repair in osteoporotic bone, and to shed new light on the prevention and treatment of osteoprostic fractures.

骨质疏松造成的骨质量损害是基础和临床研究的热点问题。作为骨质量的组成部分,骨微损伤与损伤后修复的重要作用已越来越受到关注。但骨质疏松对微损伤修复的影响及其机制尚不明确。申请人在前期工作中采用microPET/CT骨显像在体研究骨质疏松骨组织的微损伤,证实骨质疏松与微损伤程度成正相关,为进一步采用无损伤方法及骨质疏松小动物模型在体连续观察微损伤修复过程奠定了基础;发现骨质疏松患者骨微结构改变及骨微损伤明显,可能会导致生物力学性能损害。本课题将以申请人近期的重要发现为基础,通过对去卵巢大鼠微损伤修复过程的纵向观察和对骨质疏松患者微损伤的横断面研究,分析骨微损伤、骨细胞、骨重建、骨髓相关基因和蛋白表达在时间和空间变化的相互关系,以及疲劳加载后微损伤、微结构对骨生物力学性能的影响,阐明骨微损伤修复过程,明确骨质疏松影响微损伤产生、发展和修复的相关机制,为骨质疏松性骨折的防治提供理论基础和临床指导。

通过本课题的实施，我们初步阐明长期雌激素缺乏对骨微损伤修复机制的影响及生物力学意义, 为临床应用研究奠定理论基础。动物实验研究发现，连续疲劳加载可造成大鼠胫骨骨微损伤，在骨质疏松组中骨微损伤更加明显。在不同时间点观察骨组织形态计量学的动态变化，发现胫骨的编织骨形成增加，这可能与成骨相关基因表达增加有关。这个研究同时也说明骨微损伤的修复过程和骨折的膜内成骨相似，在骨微损伤区域首先进行血管化反应，随后细胞分化增加，发生成骨反应。微损伤部位及附近区域膜内成骨作用使得骨膜编织骨形成的厚度增加。本实验中去卵巢组和假手术组大鼠加载侧胫骨在疲劳载荷作用下，胫骨中段产生了微损伤，在随后的修复和骨重建过程中，骨形成增加。去卵巢大鼠由于雌激素缺乏，骨量丢失，骨显微结构退化，在疲劳载荷下骨骼力学性能下降显著，骨结构破坏严重，比假手术组大鼠的皮质骨产生更多的微损伤，这些微损伤使得去卵巢组大鼠损伤部位及附近区域骨的修复重建和膜内成骨作用大于假手术组，因此，胫骨中段骨形成的动态参数比假手术组有显著性上升，这是骨骼对病理性应变所造成损伤的代偿性反应。. 人体实验研究发现：绝经后妇女骨质疏松患者与对照的骨关节炎患者股骨头软骨下承重区松质骨进行研究比较，这两类患者的松质骨在生物力学性能和骨显微结构上存在显著性差异，骨质疏松患者骨生物力学性能差于骨关节炎患者，骨显微结构退化。纳米压痕技术检测，两者骨小梁的纳米硬度和弹性模量没有差异，但是，通过对骨小梁上骨微损伤的比较发现，骨质疏松患者微裂纹的密度和表面密度都高于骨关节炎患者。骨微结构参数BV/TV和SMI是比较骨质疏松和骨关节炎软骨下松质骨骨质量的一个重要指标，骨微损伤产生与骨质疏松骨微结构BV/TV低，SMI高的杆状结构骨小梁密切相关。长期雌激素缺乏会造成骨组织中骨细胞少，骨髓细胞内的间充质干细胞的成骨分化能力下降，骨微结构退化，骨微损伤多，最终导致骨强度下降，容易发生骨折。