骨微损伤累积与修复

中南大学湘雅二医院代谢内分泌研究所 戴如春 石泽梅 李瑾

戴如春 主任医师，硕士、博士生导师。发表论文63篇，主参编著作6部。获国家各级科研奖励5项、发明专利3项，获4次国家自然科学基金资助及教育部新世纪优秀人才计划支持。研究方向为骨质疏松性骨折。

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种骨量减少、微观结构退行性改变、骨脆性增加易于骨折的疾病[1]，其最大的危害在于骨质疏松性骨折。骨质疏松性骨折致残、致死率高，使患者劳动力丧失、生活质量下降，给社会经济造成了沉重的负担。骨折发生与骨强度密切相关，骨强度决定于骨量与骨质量[2]，骨质量对骨强度的影响甚至比骨量更为重要。骨质量包括骨微结构、胶原成分、基质矿化以及微损伤的修复能力等[3]。临床诊断骨质疏松是基于对骨密度(bone mineral density，BMD)的测量，主要关注骨量，但敏感性和特异性均较低。综合骨量及骨质量进行评估，才能更为客观准确的评价骨生物力学性能，为骨质疏松及骨折的早期发现及干预提供依据。

骨微损伤分类

骨微损伤主要包括线性微破裂和弥散性微损伤两种类型，其中以线性微破裂最为常见[4]。

线性微破裂是指骨横断面上轮廓锐利、50～100μm的细小破裂。疲劳损伤是导致线性微破裂形成的主要原因。在拥有健康骨组织的个体，这种微破裂可依赖骨组织自身修复能力进行修复，而当疲劳损伤超过了骨组织自身修复能力之后，这种微破裂逐渐累积，并最终发展至骨折。线性微破裂的积累与骨组织机械性能如硬度、力度、韧性下降直接相关[5]。

弥散型微损伤由密集分布的超微破裂损伤聚集而成，主要位于小梁骨的表面区域，并且男性高于女性。在所有的损伤类型中，弥散型损伤更容易、更早出现[6]。

骨微损伤累积过程

骨组织作为特殊的生物学材料，生理状态下具有自身修复的能力。骨微损伤产生与修复处于动态平衡，当各种原因造成骨修复能力下降时，就会发生骨微损伤累积。骨微损伤累积不是一个线性的过程。在循环疲劳负载条件下，骨微损伤和骨弹性模量的改变存在三个不同阶段：第一阶段，骨微损伤快速产生，弹性模量相对下降很快。第二阶段不是微损伤进一步的产生，而是微损伤与骨组织中具有韧性作用的微结构相互作用抵抗负载。微损伤在第二阶段吸收分散能量但是骨硬度和骨强度并未发生明显变化，最终第三阶段微损伤数量超过内部微结构相互作用，微损伤聚集，骨组织机械性能快速衰退。各种各样具有韧性作用的结构可阻止微损伤延长，如矿物结晶、胶原纤维、骨板、骨单位等[7,8]。除此之外，非胶原蛋白质在微损伤形成时也能吸收能量，提高骨组织韧性[9]。正常骨组织中，微损伤容易形成但难以进一步累积。正常情况下，大部分生物工程复合材料包括骨组织在疲劳负荷下常处于第二阶段，在第二阶段负荷引起的微损伤达到一定数量程度，通过韧性微结构的相互作用防止微损伤的生长。骨组织对负荷耐受，同时有利于增强骨骼力度、硬度。

骨损伤累积的利弊

实验显示，疲劳负载产生的微损伤累积对骨组织有利有弊。骨骼的周期性负载产生微损伤，但产生的微裂纹又可以消耗负载力传递给骨的能量，故而微损伤的产生是骨骼对于机械负荷的一种调节反应[10]。骨是一个拥有能量消散机制的分层结构，骨组织能通过纤维滑行和微损伤形成方式变形以抵抗压力[11]，大的微破裂可消散更多的能量[12]，弥散型损伤吸收能量的作用则更为明显。研究发现微损伤有助于能量分散，在疲劳重负后骨损伤累积第二阶段，损伤形成限制线(如粘合线)限制了裂缝的形成，因此限制了能量的消散。因而在第三阶段微破裂通过延长限制线，产生更大的裂缝来消散能量[13]。微损伤累积的主要弊端在于降低骨机械性能。当疲劳负载超过了一定的强度范围，骨组织形成微损伤来抵抗负载，长期处于这种疲劳重负之下，骨机械性能下降，表现为刚度、强度、韧性方面下降。例如特定的药物治疗时，韧性结构的相互作用被削弱，降低了骨的机械力学性能。

骨微损伤的修复

与普通机械材料不同，骨组织作为活性生物材料，具有自身修复能力。骨组织依靠基础多细胞单元(basic multicellular unit，BMU)为基础的骨重建修复微损伤[14]，骨细胞感知力学变化和微损伤后，破骨细胞移除损伤组织，成骨细胞生成新骨组织进行修复，并可以根据力学需求而变化成骨部位和数量[15]，同时微损伤产生启动骨重建。不同微损伤类型对骨重建的影响不同[16]，微损伤与骨重建之间关系取决于疲劳损伤的程度[17]。

如果产生的微损伤在骨骼承受的阈值内，则进行以BMU为特征的局灶性骨重建，修复微损伤。一些理论认为骨细胞可以感知骨的损伤以及间歇性负载引起的力学改变，并发出信号诱导破骨细胞迁移至损伤部位，通过破骨过程使损伤局部形成吸收空腔，并移除微损伤。之后，由成骨细胞填补破骨细胞形成的吸收空腔，开始生成新骨和参与骨的合成代谢。在此期间，也就是负载后的几天后，可以观察到微裂纹内有组织液淤积和充血[18]。另一方面，如果损伤超过了骨骼可承受的阈值，骨基质抵抗骨微裂纹延伸扩展的能力不足，这样就可能会引起应力性骨折。

微损伤积聚以及修复依赖于微损伤产生与局灶性骨重建之间的平衡。诸多因素都可能与微损伤的不断扩展蔓延相关，然而，最终的决定因素在于成骨过程和破骨过程之间的平衡，这个平衡是有由成骨细胞以及破骨细胞调节的[19]。成骨与破骨平衡失调的后果可能是加剧骨质疏松，或者是导致应力性骨折。正因为这个原因，较多治疗骨质疏松的药物作用机制在于抑制破骨活动，从而预防可能发生的骨折。在骨质疏松治疗领域，也已证明抑制骨转换的药物可以有效地预防骨量丢失，减少骨质疏松性骨折的风险[20]，但这类药物长期治疗可能会降低骨重建的强度，导致微损伤的积聚[21]。这些药物能够增加BMD的可能解释在于：随着治疗持续时间的增加，通过填充骨吸收腔而重新生成的新骨越来越少，而与这种通过骨重建形成的新生骨基质相比，在治疗过程数月前就形成的骨基质经历了更多完整的二次矿化过程[22]，这些经过完整矿化的骨基质使骨的BMD测量值更高。而当抑制骨重建的治疗时间延长时，人们开始质疑药物的有效性，骨骼中微损伤的积聚以及非典型骨折的出现，使得骨质量因此受到不良影响。Samuel Gourion-Arsiquaud[23]发现双膦酸盐压制骨转换率，可以提高骨矿化程度并使基质组织成熟，特别是在转换率比较高的松质骨和皮质骨内层区域可以降低骨折风险，但是也会导致微损伤累积降低、骨组织生物力学性能下降、骨脆性增加。这提示我们，在双膦酸盐的临床使用过程中，要兼顾其增加骨密度的作用和抑制骨转换导致的骨微损伤累积作用，更好地把握药物使用的剂量及疗程。

展 望

目前骨质疏松的治疗及骨折风险评估已经取得较大进展，但值得进一步了解和探索的问题仍然很多：①临床多用骨密度作为骨质疏松诊断指标，但对骨质疏松性骨折危险性预测的能力尚有不足，无法全面反映骨生物力学性能。②临床缺乏骨质量评价行之有效的技术手段，忽略了骨微损伤累积在骨质疏松性骨折发生中的作用。随着影像学技术的发展，骨生物力学性能研究逐步深入到微纳观水平。影像学技术如显微CT(micro CT，μCT)可重点分析骨内部空间微结构特征；定量CT(quantitative computer tomography，QCT)结合有限元分析(finite element analysis，FEA)方法将结构与力学性能完美结合，可实际应用于临床的无创伤检测，在骨质疏松性骨折的预测、评估方面具有里程碑性质的作用。这些技术的发展有助于阐明骨微结构退变、骨微损伤累积在骨质疏松性骨折发生发展中的作用。这些方法的深入，不仅在基础实验研究上提供了深入方法，也为临床实际应用开辟了很好前景，有助于骨质疏松及骨折的早期诊断和干预。

[1] Rachner TD, Khosla S, Hofbauer LC. Osteoporosis： now and the future[J]. Lancet, 2011, 377(9773)： 1276-1287.

[2] Hernandez CJ, Keaveny TM. A biomechanical perspective on bone quality[J]. Bone, 2006, 39(6)： 1173-1181.

[3] Brennan TC, Rizzoli R, Ammann P. Selective modification of bone quality by PTH, pamidronate, or raloxifene[J]. J Bone Miner Res, 2009, 24(5)： 800-808.

[4] Seref-Ferlengez Z, Kennedy OD, Schaffler MB. Bone microdamage, remodeling and bone fragility： how much damage is too much damage?[J]. Bonekey Rep, 2015, 4： 644.

[5] Sroga GE, Karim L, Colon W, et al. Biochemical characterization of major bone-matrix proteins using nanoscale-size bone samples and proteomics methodology[J]. Mol Cell Proteomics, 2011, 10(9)： M110. 006718.

[6] Seref-Ferlengez Z, Basta-Pljakic J, Kennedy OD, et al. Structural and mechanical repair of diffuse damage in cortical bone in vivo[J]. J Bone Miner Res, 2014, 29(12)： 2537-2544.

[7] Hansma PK, Fantner GE, Kindt JH, et al. Sacrificial bonds in the interfibrillar matrix of bone[J]. J Musculoskelet Neuronal Interact, 2005, 5(4)： 313-315.

[8] Yeni YN, Kim DG, Dong XN, et al. Do sacrificial bonds affect the viscoelastic and fracture properties of bone?[J]. Clin Orthop Relat Res, 2006, 443： 101-108.

[9] Poundarik AA, Diab T, Sroga GE, et al. Dilatational band formation in bone[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2012, 109(47)： 19178-19183.

[10] Sharma D, Ciani C, Marin PA, et al. Alterations in the osteocyte lacunarcanalicular microenvironment due to estrogen deficiency[J]. Bone, 2012, 51(3)： 488-497.

[11] Vashishth D. Hierarchy of Bone Microdamage at Multiple Length Scales[J]. Int J Fatigue, 2007, 29(6)： 1024-1033.

[12] Akkus O, Rimnac CM. Cortical bone tissue resists fatigue fracture by deceleration and arrest of microcrack growth[J]. J Biomech, 2001, 34(6)： 757-764.

[13] Zimmermann EA, Schaible E, Bale H, et al. Age-related changes in the plasticity and toughness of human cortical bone at multiple length scales[J]. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011, 108(35)： 14416-14421.

[14] Burr DB. Why bones bend but don't break[J]. J Musculoskelet Neuronal Interact, 2011, 11(4)： 270-285.

[15] Taylor D, Hazenberg JG, Lee TC. Living with cracks： damage and repair in human bone[J]. Nat Mater, 2007, 6(4)： 263-268.

[16] Herman BC, Cardoso L, Majeska RJ, et al. Activation of bone remodeling after fatigue： differential response to linear microcracks and diffuse damage[J]. Bone, 2010, 47(4)： 766-772.

[17] van Oers RF, van Rietbergen B, Ito K, et al. Simulations of trabecular remodeling and fatigue： is remodeling helpful or harmful?[J]. Bone, 2011, 48(5)： 1210-1215.

[18] Kalpakcioglu BB, Engelke K, Genant HK. Advanced imaging assessment of bone fragility in glucocorticoid-induced osteoporosis[J]. Bone, 2011, 48(6)： 1221-1231.

[19] Yao X, Wang P, Dai R. Experimental study of damage and fracture of cancellous bone using a digital speckle correlation method[J]. J Biomed Opt, 2008, 13(3)： 034026.

[20] Dai R, Ma Y, Sheng Z, et al. Effects of genistein on vertebral trabecular bone microstructure, bone mineral density, microcracks, osteocyte density, and bone strength in ovariectomized rats[J]. J Bone Miner Metab, 2008, 26(4)： 342-349.

[21] Ascenzi MG, Liao VP, Lee BM, et al. Parathyroid hormone treatment improves the cortical bone microstructure by improving the distribution of type I collagen in postmenopausal women with osteoporosis[J]. J Bone Miner Res, 2012, 27(3)： 702-712.

[22] Yang L, Burton AC, Bradburn M, et al. Distribution of bone density in the proximal femur and its association with hip fracture risk in older men： the osteoporotic fractures in men(MrOS) study[J]. J Bone Miner Res, 2012, 27(11)： 2314-2324.

[23] Gourion-Arsiquaud S, Allen MR, Burr DB, et al. Bisphosphonate treatment modifies canine bone mineral and matrix properties and their heterogeneity[J]. Bone, 2010, 46(3)： 666-672.