骨质疏松情况下胶原极性分布与羟基磷灰石微晶变异对骨生物力学影响的相关研究

Osteoporosis is a harmful and serious global public health problem. However,in the study of the process of osteoporosis , the bone micro-structural damage still remain in the cancellous degeneration and mineral loss levels in the trabecular bone,which seriously lagged the treatment of osteoporosis. Some scholars have found that excessive non-enzymatic glycosylation of the collagen in the aging process may lead to increased bone fragility, and reduced mechanical strength. Our previous studies have found that collagen glycosylation will increase the distribution of polar groups in the collagen fiber surface, thereby affecting the structure and distribution of hydroxyapatite, and eventually led to the composite mechanical properties (strength and toughness) to change. Therefore, the mechanical strength of bone depends not only on the quantitative parameters of the trabecular bone density, some other aspects, such as, bone collagen cross-linking, collagen network structure, morphology and distribution of hydroxyapatite crystals, should also be taken into consideration. According to the above, we raised the subject of design: First, how the structure, arrangement and distribution of the hydroxyapatite crystals changes in the process of senile osteoporosis? Second, the relationship between the above changes of hydroxyapatite crystals and biomechanical changes of the bone. Third,whether these changes in hydroxyapatite crystals is mediated by non-enzymatic glycosylation of collagen? Through our study we can provide a deeper understanding of the process of pathophysiology change and a theoretical support for the scientific treatment of osteoporosis.

骨质疏松是危害严重的全球性公共卫生问题。 骨微观结构破坏与力学平衡改变的相关性仍停留在骨小梁变细和矿物质丢失层面,这严重影响了骨质疏松的认识。 部分学者发现老化过程中骨胶原出现过度非酶糖基化，认为可能与骨脆性增大、力学强度下降有关。我们的前期研究发现，胶原糖基化修饰，会增加胶原纤维表面的极性基团分布，进而影响羟基磷灰石晶体的结构和分布，最终导致复合材料的力学性质（强度和韧性）改变。 因此，骨的力学强度不仅取决于骨小梁密度等定量参数，还要考虑到骨胶原交联及胶原网状结构，羟基磷灰石晶体的形态、排列与分布等问题。 据此提出本课题设计：第一、老年骨质疏松过程中，羟基磷灰石晶体的结构、排列与分布是如何变化的？第二、羟基磷灰石晶体的这些改变与骨力学改变的关系。第三、胶原非酶糖基化修饰是否介导了羟基磷灰石晶体这些改变？以期更深刻地认识骨质疏松病理生理变化过程，为科学合理指导骨质疏松治疗提供理论

项目背景：骨质疏松是危害严重的全球性公共卫生问题。但在骨松过程中，骨微观结构破坏的认识仍停留在骨小梁变细和矿物质丢失层面,这严重影响了骨质疏松的治疗。部分学者发现老化过程中骨胶原出现过度非酶糖基化，认为可能与骨脆性增大、力学强度下降有关。我们的前期研究发现，胶原糖基化修饰，会增加胶原纤维表面的极性基团分布，进而影响羟基磷灰石晶体的结构和分布，最终导致复合材料的力学性质（强度和韧性）改变。.研究内容：本课题进行了以下研究：1）分析大鼠骨质疏松过程骨代谢、生物力学变化、骨微观结构及羟基磷灰石晶体结构变化，评价阿仑膦酸钠对骨质疏松型大鼠的上述指标的影响；2）分析人体骨质疏松过程生物力学变化及微观结构变化；3）分析骨质疏松患者股骨头内骨组织结构特征，建立骨组织结构不均一性定量评价方法；同时分析不均一性与解剖位置、骨质疏松严重程度之间的关联关系。.实验结果及意义：本研究证实骨质疏松致使骨吸收标记物显著增加、骨生物力学性能明显降低，同时会致使骨小梁微观结构紊乱，使骨小梁数量降低、变薄、 疏松，使羟基磷灰石晶体尺寸相对增大、 晶轴比降低及结晶度下降。在去势大鼠应用阿仑膦酸钠治疗后效果显著，明显降低了骨吸收情况，改善了骨代谢并显著提升了去势大鼠股骨及腰椎的生物力学性能，同时改善了去势骨微观结构，显著提升了骨小梁数量及厚度，适当改善了羟基磷灰石晶体尺寸、适度增高了晶轴比及结晶度。此外本研究发现骨组织不均一度可以从骨吸收情况，即骨密度、骨结构特征变化的角度对骨质疏松状态进行评价，将骨组织评价的原始指标(即骨密度、骨小梁结构等原始参数)与二次计算后的骨组织不均一度相互结合起来，能够更加全面的对骨质疏松状态进行评估。