年龄对老年股骨粗隆间骨折患者骨组织钙、磷及金属微量元素相对含量的影响

林上进 杨丰建 林伟龙 潘依潇 许乐洋 李现龙 范永前

(复旦大学附属华东医院骨科 上海 200040)

随着人口老龄化发展,骨质疏松症的发病率日愈上升,以绝经后女性人群的发病率最高[1]。骨质疏松症是一种以骨量减少和骨微结构改变为特征的全身系统性骨骼系统疾病,表现为骨的脆性增加,其最严重并发症是脆性骨折[2]。众所周知,骨量的多少与年龄有一定的相关性。正常成人的骨量在30岁左右达到峰值,之后骨量会随着年龄增加而不断丢失。金属微量元素不仅可以影响骨矿化和钙盐沉积,还能影响骨有机胶原纤维合成与交联,其含量的不足或过剩均能产生不同程度的骨代谢性疾病[3]。

本研究旨在探讨老年股骨粗隆间骨折患者骨组织钙、磷及金属微量元素相对含量的年龄差异性,以进一步明确年龄的分布差异是否与骨组织无机元素相对含量相关。

资 料 和 方 法

研究对象对2015年9月至2016年9月在复旦大学附属华东医院骨科因股骨粗隆间骨折接受手术治疗的62例老年患者骨组织进行取材并收集其临床资料,平均年龄为(83.82±9.03)岁,本临床研究取得所有患者知情同意,获得复旦大学附属华东医院伦理委员会批准(编号2014K40)。为了比较不同年龄组骨组织钙、磷及金属元素的相对含量差异,以85岁为界,将患者分成2组:高龄组(<85岁)和超高龄组(≥85岁)。入组标准:(1)因跌倒、滑倒等低能量损伤原因造成的股骨粗隆间骨折接受PFNA-Ⅱ内固定植入术治疗且年龄≥65岁的老年患者;(2)入院前6个月未经过雌激素、降钙素、双磷酸盐等抗骨质疏松治疗;(3)不合并慢性肝肾疾病、代谢性疾病、免疫性疾病、感染、肿瘤等;(4)无长期服用糖皮质激素等药物史;(5)围手术期间无并发坠积性肺炎或心衰等系统性疾病。

主要材料和仪器全自动电化学发光免疫分析系统(E170,瑞士Roche公司),双能X线骨密度仪(美国Hologic公司),空心股骨近端螺旋桨钉改进钻头(自制);多聚甲醛固定液,液氮,100%丙酮溶液,甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃);EXAKT 510脱水仪、EXAKT 520光固化包埋机、EXAKT300 CP切片机、EXAKT 400 CS磨片机(德国艾卡特公司),X线聚焦荧光能谱仪(美国Ametek公司)。

试验方法

血清骨代谢及血生化指标检测 所有的入组患者在入院第2天清晨空腹采取静脉血10 mL,2 h内完成血清分离,当日检测。应用自动电子发光免疫分析仪检测血清Ⅰ型原胶原氨基端延长肽(N-terminalpropeptides of type Ⅰ procollagen,PINP)、Ⅰ型胶原C端肽β降解产物(C-terminaltelopeptide of type Ⅰ collagen,β-CTX)、骨钙素(osteocalcin,OC)、25-羟维生素D3(25-hydroxy vitamin D3,25-OH-D3)以及甲状旁腺素(parathyroid hormone,PTH)等骨代谢指标。酶动力法检测血清白蛋白、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、血清钙和磷水平等血化验指标。

骨密度检测 所有试验对象在入院后第2天运用双能X线骨密度仪检测健侧髋部和股骨颈骨密度,仪器由专业的骨质疏松科技师操作,骨密度仪每天常规进行质量控制。仪器重复测定变异系数:股骨颈为1.86%,髋部为0.95%。WHO定义髋部或脊柱的骨密度检测为诊断骨质疏松症的金标准:T值≥-1.0 SD为正常;T值在-1.0 ～-2.5 SD为骨量减低,T值≤-2.5 SD为骨质疏松症[4]。

股骨粗隆间骨组织标本的取材、固定、塑料包埋及无机元素测定 所有研究对象均接受股骨粗隆间髓内钉PFNA-Ⅱ植入术治疗,术中在打入近端螺旋刀片前运用改进的空心钻头对股骨进行皮质骨和松质骨的圆柱形整体取材(图1)。取材的骨组织标本立即放入多聚甲醛固定液固定48 h,再经冲洗、脱水等步骤对骨组织标本行塑料包埋,包埋结束后将骨组织标本的塑料包块吸附于切片机夹具上,用金刚锯条切割暴露标本表面,最后对标本表面进行抛光。将抛光后塑料包块置入X线聚焦荧光能谱仪的真空样品室,要求标本抛光表面平行于XYZ轴马达台,设置加速电压为40 kV,对标本进行聚焦清晰后,选择皮质骨区域、松质骨区域以及两者交界处区域分别进行Ca、P、Fe、Mn、Zn、Cu等6种元素成分定量分析,每个区域随机选择2个部位采集,元素成分定量分析结果取平均值,6种元素比重百分比之和为100%。

图1 改进的空心股骨近端螺旋桨钉钻头及取材的标本Fig 1 Improved hollow propeller nail drill bits of proximal femur and specimens

统计学分析采用SPSS 21.0 统计软件进行统计学分析。运用独立样本t检验观察比较超高龄组与高龄组的患者临床资料及骨组织无机元素之间的差异性;运用Pearson相关分析研究年龄、BMI、白蛋白及血电解质指标与骨无机元素之间的相关性。P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

超高龄组和高龄组患者的临床资料以及骨代谢、骨密度指标情况比较超高龄组的平均年龄为(90.33±3.87)岁,高龄组的平均年龄为(77.72±8.17)岁,两者差异有统计学意义(P<0.01)。在血骨代谢水平上,超高龄组的PINP值[(44.22±21.69)ng/mL]较高龄组[(55.75±28.61)ng/mL]明显减少,同时超高龄组的25-OH-D3值也小于高龄组,但差异性均无统计学意义。两组的骨密度指标比较差异无统计学意义。具体详见表1。

Clinical dataSuper age group (n=30)Advanced age group (n=32)tPAge (y)90.33±3.8777.72±8.177.84<0.01BMI (kg/m2)20.89±2.0119.70±2.480.950.36ALB (g/L)36.68±5.1337.16±3.29-0.440.67Serum Ca (mmol/L)2.16±0.152.18±0.11-0.560.57Serum P (mmol/L)1.05±0.181.01±0.161.210.23ALP (U/L)79.97±30.8675.66±25.920.590.55β-CTX (pg/mL)616.65±351.93672.01±262.92-0.560.58OC (ng/mL)14.99±7.2418.88±7.91-1.630.11PINP (ng/mL)44.22±21.6955.75±28.61-1.450.16PTH (pg/mL)49.49±17.8547.23±21.790.360.7225-OH-D3 (ng/mL)14.38±6.3418.17±9.86-1.430.16Neck BMD (g/cm2)0.47±0.120.54±0.17-1.160.26Troch BMD (g/cm2)0.45±0.150.43±0.110.330.75Inter BMD (g/cm2)0.67±0.220.66±0.170.010.99Total Hip BMD (g/cm2)0.58±0.180.57±0.150.050.96

年龄对骨钙、磷及金属元素的影响比较超高龄组及高龄组的骨组织钙、磷及金属元素含量比重,超高龄组骨铁相对含量在皮质骨与松质骨交界区域为0.22%±0.20%,远远高于高龄组(0.08%±0.06%),两组差异有统计学意义(P=0.018);另外在交界区域,超高龄组骨锰含量比重为0.05%±0.04%,明显低于高龄组(0.13%±0.10%),差异无统计学意义(P=0.058),同时超高龄组骨铜含量比重(0.04%±0.03%)也较高龄组(0.09%±0.07%)明显减小。在松质骨与皮质骨区域,两组各元素含量比重未见明显差异。具体详见表2。

ElementsSuper age group(n=30)Advanced age group(n=32)tPCortical bone zone (%) Ca 63.74±4.0463.07±4.060.550.59 P 36.08±4.0936.77±4.07-0.560.58 Mn 0.04±0.030.03±0.021.160.25 Fe 0.04±0.030.04±0.02-0.350.73 Cu0.03±0.020.02±0.011.190.24 Zn0.07±0.040.06±0.020.730.47Cancellous bone zone (%) Ca 54.69±22.3459.08±25.52-0.610.55 P 37.97±21.7632.72±21.560.810.43 Mn 1.69±0.581.71±0.76-0.030.97 Fe3.61±1.622.95±1.760.270.39 Cu 0.77±0.571.42±0.91-0.860.17 Zn 1.29±0.682.12±1.07-1.510.14Interfacing zone (%) Ca 59.16±8.4161.38±9.06-0.730.47 P40.43±8.3738.04±9.210.830.41 Mn 0.05±0.040.13±0.10-1.960.06 Fe0.22±0.200.08±0.06-2.530.02 Cu 0.04±0.030.09±0.07-1.840.08 Zn 0.09±0.070.16±0.13-1.570.13

年龄、BMI、白蛋白及血电解质与骨钙、磷及金属元素含量比重之间的相关性年龄与骨无机元素含量比重的相关性分析结果仅提示年龄与皮质骨与松质骨交界区域的骨铁含量比重呈显著正相关性(r=0.30,P=0.049)。另外还发现血白蛋白水平与松质骨区域骨组织的锰和铁元素含量比重呈显著性负相关(r=-0.34、-0.30,P=0.024、0.048)。在松质骨区域,血钙水平与骨锰和铁元素含量比重均存在显著相关性(r=-0.35、-0.39,P=0.020、0.009);而血磷水平骨铜元素含量比重呈负相关性(r=-0.30,P=0.047)。具体详见表3。

表3 年龄、BMI等临床指标与骨钙、磷及金属元素的相关性Tab 3 The correlation between clinical markers and bone calcium,phosphate and metallic elements contents

aP<0.05.

讨 论

目前测量骨无机元素含量的方法主要有原子吸收光谱分析法、电感耦合等离子体质谱分析法以及X射线聚焦荧光光谱分析法。前两种方法所测量的骨样本均为不完全的骨组织,因为需要通过燃烧成灰或溶剂溶解等步骤对骨样本进行胶原蛋白、脂肪、骨髓等成分的去除[5-6],而这一步骤可能会引起一些微量元素的丢失,故本研究采用X射线聚焦荧光光谱分析法对获取的骨组织进行不同区域的无机元素相对含量测定,明确不同年龄的股骨粗隆间骨折患者骨组织不同区域无机元素相对含量的差异性。

比较超高龄组及高龄组的骨组织钙、磷及金属元素含量比重,发现在皮质骨与松质骨交界区域,超高龄组骨铁含量比重(0.22%±0.20%)与高龄组(0.08%±0.06%)差异有统计学意义(P=0.018),且相关性分析也提示年龄与皮质骨与松质骨交界区域的骨铁含量比重呈显著正相关性(r=0.30,P=0.049),说明皮质骨与松质骨区域的铁元素含量比重可能会随着年龄增长而不断蓄积在骨组织。张伟等[7]对156例行人工髋关节置换术的绝经后女性患者的骨组织行骨铁含量检测,检测结果显示骨组织铁含量随着年龄增加而升高,并且骨铁含量在81～90岁年龄段达到高峰,与本研究结果相一致。王兵等[8]对10例因脆性骨折而行人工髋关节置换的绝经后女性患者和6例因暴力创伤引起骨折的年轻女性患者进行骨组织取材以测量骨铁含量,发现绝经后女性患者的骨铁含量明显高于年轻女性,因此认为骨铁含量增高可能是导致绝经后女性发生骨质疏松症的潜在危险因子。但Zaichick等[9]对80例尸体进行肋骨组织活检,运用电感耦合等离子体原子发射光谱法测量骨组织铁元素含量,发现男性尸体的肋骨铁元素含量会随着年龄增加而增加,与本研究结果相反。Zaichick等[9]的研究对象的年龄段在15～55岁,而本试验研究对象为老年患者,骨铁含量在不同年龄段的变化趋势可能不同。另外超高龄组骨锰含量比重(0.05%±0.04%)明显低于高龄组(0.13%±0.10%),差异无统计学意义(P=0.058),超高龄组骨铜含量比重(0.04%±0.03%)也较高龄组(0.09%±0.07%)明显减小(P=0.076),说明随着年龄增加,骨组织的铜和锰元素可能会逐渐丢失,而铜和锰元素作为体内多种生物酶辅酶因子和活性中心,是骨骼发育和修复必不可少的矿物元素,不仅能促进骨有机基质形成,还能促进新骨形成,增加骨矿化作用,故铜和锰元素的丢失可能为“为什么骨量随年龄增加而逐渐丢失”这一共识提供一个理论依据。

本研究结果还提示在松质骨区域,血钙水平与骨锰和铁元素含量比重均存在显著负相关性(r=-0.35、-0.39,P=0.020、0.009),这可能与锰和铁元素能促进骨矿化活动和新骨形成有关。锰的超氧化物歧化酶能清除破骨细胞分泌的自由基来保护成骨细胞的活性,进而抑制骨钙溶解释放并促进钙盐沉积[10],铁元素能促进新骨形成和骨矿化活动,最终导致钙盐释放减少以促进羟基磷灰石的合成[11]。

综上所述,骨铁元素含量会随着年龄增长而不断蓄积,提示铁元素在体内的蓄积可能与骨质疏松症的发生有一定的关系。另外,超高龄组的骨铜和锰相对含量较高龄组明显下降,提示超高龄组的骨密度下降可能与微量元素铜和锰的丢失有关。