骨质疏松绵羊模型的建立与纤维蛋白胶复合骨形态发生蛋白对提高骨质疏松椎体强度的实验研究

摘要

一研究背景: 随着人口老龄化的发展，骨质疏松的发病率越来越高，其中又以脊柱骨质疏松最为多见。根据椎体是否出现骨折塌陷，其治疗手段有所不同。对于已经出现椎体塌陷的患者，临床治疗措施主要以药物、佩戴支具为主；椎体成型术或球囊成型术也能迅速缓解疼痛、矫正脊柱畸形。而对于临床上更为多见的骨密度下降严重、椎体尚未濒临骨折塌陷的“高危”骨质疏松患者群体，却并不适用手术治疗，仅能采用药物和支具治疗。然而，药物治疗周期长，见效慢，难以在短期内迅速提高骨强度，患者常会在治疗期间发生椎体骨折塌陷。如何能在短期内迅速改善椎体的骨质量，避免“高危”椎体在治疗期间出现骨折塌陷，就成为临床上急待解决的问题。此外，对于因脊柱退行性改变而需要行内固定手术治疗的老年患者，术后卧床引起的骨量丢失速度大于药物治疗获得的骨量提升速度，这会导致脊柱骨质疏松进一步加重，增加内固定松动失败的风险。因此，如何在术中对“高危”椎体进行处理，采用生理性的方法提高椎体骨质强度，降低术后内固定松动的风险，已成为脊柱外科的研究热点。 二研究目的: 1. 摸索采用去势法建立绵羊绝经后骨质疏松动物模型的确切时间；评估去势后松质骨及皮质骨的微观结构和宏观力学性能的改变；从而建立一种适用于骨科领域研究的绝经后骨质疏松大动物模型。 2. 通过对骨矿密度、骨小梁空间结构参数及生物力学指标进行相关分析，寻找评估骨生物力学特性的最佳预测指标。 3. 在绝经后骨质疏松模型体内，采用“二维组织形态—三维空间结构— 生物力学特性”的综合手段，评估纤维蛋白胶复合bBMP 对提高骨质疏松椎体骨密度、骨小梁微观结构及力学强度的作用。 三研究内容和方法: 第一部分建立并验证骨质疏松的动物模型 采用随机对照研究方案，将20 只绵羊随机分为3 组：去势5 个月组（OVX-1 组，n＝4）、去势12 个月组（OVX-2 组，n＝8）和对照组（Sham组，n=8）。所有动物术前均采用DEXA 测定腰椎骨密度。分别于术后5 个月、12 个月①采用组织病理学对骨小梁结构进行组织病理学观察；②采用DEXA测定所有动物腰椎、股骨颈及股骨髁部的骨密度；③采用MicroCT 分析松质骨骨小梁三维结构改变；④采用生物力学实验，比较去势组和对照组的松质骨和皮质骨的力学强度。 第二部分纤维蛋白胶复合bBMP 对骨质疏松椎体治疗作用的研究 采用拉丁方设计方案，通过经椎弓根注射途径，分别在6 只骨质疏松绵羊的L4、L5、L6 椎体上注射三种药物：实验组（A）20mg bBMP/FS，对照组（B）20mg bBMP，对照组（C）单纯FS。术后3 个月时，①采用组织病理学对骨小梁结构进行组织病理学观察；②采用DEXA 对腰椎椎体骨质的整体骨密度进行测量；③采用MicroCT 对骨小梁微观三维结构进行分析；④采用生物力学实验评估椎体骨质的结构力学强度。⑤对获得的骨密度值、骨小梁空间结构参数和力学强度指标进行相关性分析。通过?°微观结构－宏观密度－功能强度?±的方法，全面衡量bBMP/FS 对脊柱骨质疏松的治疗作用。 四研究结果: 第一部分：手术前，Sham组、OVX-1 组和OVX-2 组的腰椎BMD分别为（1.15?à0.09）g/cm2、（1.26?à0.08）g/cm2和（1.11?à0.10）g/cm2；5 个月后，OVX-1 组的BMD为（1.28?à0.06）g/cm2；12 个月后，Sham组和OVX-2 组的BMD分别为（1.22?à0.07）g/cm2、（0.86?à0.09）g/cm2。OVX-2 组的BMD较Sham组平均下降为29.5％。组织学切片观察发现，去势12 个月后，绵羊椎体松质骨骨小梁明显稀疏，局部存在骨小梁骨折及骨缺损，而对照组骨小梁结构完整，呈圆形或椭圆形拱形结构。MicroCT分析表明，OVX-2 组的骨小梁三维构筑较Sham组显著改变（骨小梁厚度明显变细、连接率明显下降），而OVX-1 组骨小梁结构与Sham组无显著性差别。生物力学研究显示，OVX-2组椎体抗压缩强度（531?à200 N/cm2）较Sham组（969?à207 N/cm2）有显著性降低，而OVX-1 组（987?à59 N/cm2）则无显著性差异。 第二部分：组织形态学观察发现，bBMP/FS组骨小梁连接性明显优于对照组，形态较为规则，小梁间连接程度优于对照组。骨小梁微骨折、微骨缺损处明显减少。骨密度检测显示，bBMP/FS组骨密度(1.334g/cm2)明显高于对照组(1.139 g/cm2和1.163 g/cm2)，bBMP/FS可在3 个月内明显提高椎体骨质密度。MicroCT三维重建显示，bBMP/FS组的骨小梁三维结构（骨小梁厚度、连接率、骨体积分数等）明显优于对照组(P<0.05)，而骨小梁分隔率及骨表面积体积比则明显低于对照组(P<0.05)。生物力学实验结果表明，bBMP/FS组椎体的最大压缩应力、最大压缩应变、能量吸收值及骨质弹性模量也明显高于对照组。基于Micro-CT的骨小梁微观结构参数与骨力学强度指标之间的相关性又优于DEXA获得BMD（r>0.5）。 五结论: 1. 通过去势的方法可以建立绵羊的脊柱骨质疏松模型，但去势时间应在12 月以上，以保证模型的成功建立；去势12 个月时皮质骨骨质疏松的模型尚未完成。 2. 绵羊脊柱出现骨质疏松后，椎体内骨小梁稀疏、变细、断裂，微观三维构筑受到破坏，并且局部形成骨小梁微骨折及微骨缺损，最终导致其力学性能下降。 3. 基于Micro-CT 的骨小梁微观结构参数与骨力学强度指标之间的相关性优于DEXA 所获得BMD，因此可以作为预测骨力学强度的新指标。 4. 纤维蛋白胶复合bBMP 能修复骨质疏松椎体内出现的微骨折及微骨缺损，可以显著提高骨小梁的骨密度和骨强度，有希望成为一种良好的骨质疏松局部治疗方法。