基于骨髓DCE-MRI药物代谢动力学模型对骨质疏松的研究

临床与组织病理学的最新研究成果显示骨密度与松质骨灌注的某些特征有很强的相关性，然而其机理以及骨髓灌注功能对骨质疏松的形成的影响仍属未知，相关研究还处起步阶段，真正揭示其中的生理意义将依赖基于生理模型的定量分析，目前国际上还未出现针对骨髓的药物代谢动力学模型。鉴于此认识，本项目将致力于研究并建立针对骨髓的动态增强磁共振成像（DCE-MRI）药物代谢动力学模型，并基于模型研究骨髓组成和血管特性与骨密度关系，从而从全新的角度研究骨质疏松形成机理。本项目的开展将借助生理模型仿真、DCE-MRI成像分析以及借鉴现存灌注模型，发展创新骨髓DCE-MRI药物代谢动力学模型，此模型将包括骨髓组成结构和成分以及相关血管特性的重要生理参数，并将基于模型的信号处理方法在不同骨密度人群进行临床试验，其结果将对骨质疏松的机理研究有创新性突破，对骨质疏松的预防与治疗有重要贡献。

骨质疏松是一种常见的系统性骨代谢疾病，特征为：骨质减少、骨组织微结构退化，从而引发骨质脆弱、易于骨折。由于症状表现为骨折和骨量减少，骨质疏松一直以来被认为是“骨质”的疾病，然而近年有研究发现长期连续服抑制破骨细胞的药物虽然稳定了骨矿密度却导致了骨折率增高，说明骨健康与骨矿质密度并不等价。作为一个整体，松质骨的主要组成不仅包含骨小梁还包含骨髓和毛细血管系统，到目前为止包围骨小梁的骨髓特性与骨健康之间的关系尚未知晓，然而骨髓是为骨代谢提供营养的组织，其成分与特性与骨健康紧密相关。针对这样的问题，本项目提出了采用磁共振DCE-MRI技术对骨髓灌注过程进行成像，通过药物代谢动力学建模来研究骨髓灌注特性与骨质疏松之间的关系，从而从新的角度研究骨质疏松的机理。. 本项目通过三年的系统工作，重点研究了以下几方面的内容：1）有限元仿真研究骨髓组成对松质骨承受应力和药物代谢过程的影响，通过骨结构的三维重建，将包含骨小梁与骨髓的松质骨进行整体仿真，并通过改变骨矿质密度、红/黄骨髓比例等条件研究骨髓对骨应力以及骨灌注的影响；2）研究DCE-MRI药物代谢动力学模型对骨髓信号进行建模，建立了改进型Tofts模型和基于肌肉信号的药物代谢动力学模型，从不同层面对骨髓药物代谢进行定量分析；3）将所建立的骨髓药物代谢动力学模型应用到临床数据，利用模型参数定量分析骨质疏松病人与正常人之间的差异，从而得出骨灌注与骨流失之间的关系；4）由于骨再生机制与周围肌肉的作用力息息相关，基于上面的成果研究了腰椎骨矿密度与椎旁肌肉之间的关系，分析了骨与肌肉间的相互作用。. 经过上述研究，本项目得出了一系列原创性的科学发现和结论，主要如下：.1）骨髓的组成对松质骨的生物力学特性有显著影响，黄骨髓可以缓解骨应力集中的现象，而红骨髓则会加重骨应力的强度。.2）骨髓的组成对松质骨的血液灌注有显著性影响，红骨髓占多数的松质骨灌注性能高于黄骨髓占多数的松质骨。.3）骨质疏松病人的骨灌注功能低于正常人，具体表现为骨质疏松病人的血液灌注总量、药物交换效率等方面均较正常人有显著性降低。.4）骨质疏松病人腰椎上的肌肉体积与腰椎骨密度呈正相关，用"肌肉-骨单元"做量化发现骨质疏松病人的单位骨体积所承受的力高于正常人，进一步从骨-肌肉关系的层面解释了骨质疏松病人易于骨折。