骨膠原屬性與骨強度關系研究進展

溫鑫鑫 丁海蛟 張英霞 馬翔宇 劉鵬 王天勝

解放軍第四六三醫院骨科，遼寧 沈陽 110041

雙能X線吸收儀(dual X-ray absorptiometry，DXA)測量骨密度(bone mineral density，BMD)是目前國際上公認的診斷骨質疏松癥的方法，根據WHO制定的骨密度數值參考標準，約有50%的BMD數值正常的絕經后婦女仍存在發生骨質疏松性骨折的風險[1]，這一現象提示，單純的測量BMD并不能反映和準確評估骨折風險。骨強度除了受到骨量的影響，還受骨骼解剖形態、微觀結構以及骨基質材料屬性的影響，在評估骨折風險時，這些因素都不可忽略。

復雜的復合材料按照一定的層級結構組成骨組織。從生物化學角度來看，骨組織由膠原纖維編織，羥基磷灰石結晶充填其中而組成。膠原的90%為I型膠原，羥基磷灰石等骨礦鹽晶體決定了骨組織具有堅硬的強度，而膠原決定了骨組織具有一定的韌性[2,3]。骨組織受力時，其屈服前的彈性線性應變主要受羥基磷灰石等骨礦鹽晶體的影響，而達到屈服應變后的非線性應變主要受膠原基質的影響。影響膠原完整性的一些干擾手段，如高溫、福爾馬林固定等導致膠原變性，都會導致骨組織韌性下降[4]，由此可見骨膠原對骨強度具有不容忽視的影響。研究骨膠原屬性的改變如何影響骨強度，對于闡明骨強度降低機制、預防骨質疏松癥等具有重要意義。

1 骨膠原的組成與結構

I型膠原是骨組織中的主要膠原成分，其占骨膠原的比例高達95%，占骨組織中總蛋白的比例為80%～90%，其他類型膠原如III型和V型膠原，在骨組織中含量較低，且其主要作用是輔助調節I型膠原的纖維直徑[5]。骨膠原的分子結構具有明顯的層級性，最初始的組成為三條多肽鏈通過轉錄后修飾和二硫鍵形成三螺旋膠原蛋白分子，被酶水解切割后露出N端和C端，之后這些斷端可以自發進行組配，在轉錄后修飾的作用下進一步穩定，形成膠原纖維束，在酶促和非酶促反應的作用下，纖維束可形成分子間交聯和纖維之間交聯[6]。羥基磷灰石晶體填充在這些膠原纖維束之間，以提供骨組織的硬度[7]。

2 膠原分子結構對骨強度影響

骨膠原中占比最高的I型膠原，其分子結構是由2條α-1鏈和1條α-2鏈組成的異源三聚體。另一類膠原分子的結構為3條相同的α-1鏈組成的同源三聚體，由于缺少了α-2鏈，其對骨強度是否存在影響，引起了研究者的興趣[8]。骨性關節炎患者其軟骨下骨中存在著大量的同源三聚體的I型膠原[9]。攜帶有COL1A1基因Sp1轉錄因子變異個體，I型膠原中同源三聚體的比例可達10%～15%，這種高同源三聚體比例的個體，其骨骼強度顯著降低，且這種骨強度降低的現象是獨立于BMD之外的[10]。I型膠原分子結構的改變，可能導致骨組織力學強度降低。為了進一步驗證膠原分子結構對骨強度的影響，Miller等[11]研究發現，在I型膠原發生突變(α-1鏈取代了α-2鏈，導致異源三聚體轉變為同源三聚體)的小鼠(OIM小鼠)中，其骨骼強度顯著下降。在分子水平，McBride等[12]發現，α-2鏈對于維持膠原分子三重螺旋的穩定性至關重要。Miles等[13]利用差示掃描量熱法進一步研究發現，同源三聚體的I型膠原分子其膠原分子之間距離增大，因而導致膠原分子之間交聯度下降，這可能是其導致骨強度下降的原因。近幾年，隨著分子動力學研究的深入，研究者發現同源三聚體形式的I型膠原因其分子扭轉角度更大，導致其硬度低于異源三聚體[14]。

膠原分子C端的異構化反映與骨強度相關。Garnero等[15]利用胎兒時期的牛作為研究對象發現，膠原分子C端的異構化反應程度高低與骨組織屈服、垂直壓縮的力學強度之間成正比。Viguet-Carrin等[16]在人椎體中發現了類似的研究結果，膠原分子C端的異構化反應程度較低時，其骨組織垂直壓縮強度也顯著降低。這種異構化引起的單純構象變化可能并不會影響膠原分子的力學屬性，但是可將該項信息作為反映骨膠原力學性能的一項指標。

3 膠原纖維排布走向對骨強度的影響

膠原纖維在骨組織中的排布走向會對骨強度產生顯著影響。Goldman等[17]利用偏振光顯微鏡研究了尸體標本的股骨發現，骨組織內的膠原排布走向在不同年齡組之間具有顯著差異。Martin等[18]研究發現，在皮質骨內，當縱行排布的膠原纖維比例較高時，即膠原纖維排布方向與骨組織主要受力載荷方向相同時，其骨組織強度顯著提高。Ramasamya等[19]在其研究中也發現了類似的結果，小鼠股骨皮質骨前部區域縱向排布膠原比例要高于后部區域，相應的前部骨組織力學強度也高于后部。骨質疏松癥會導致骨膠原纖維的排布走向發生改變，Silva等[20]利用老年骨質疏松小鼠模型研究發現，在老年骨質疏松小鼠體內，其骨組織主應力方向上的膠原纖維比例顯著低于對照組。在椎體松質骨中進行的研究也表明，膠原纖維的走向對骨強度具有顯著影響。Puustjarvi等[21]研究發現，在長期奔跑訓練的狗的椎體內，其骨密度顯著下降，而椎體骨強度保持不變，通過利用偏振光顯微鏡研究松質骨，在椎體縱向上骨膠原纖維排布與對照組相比，奔跑實驗組其縱向膠原纖維比例增高，膠原分子之間的酶促交聯沒有顯著差異，由此研究者認為，骨膠原纖維在主應力方向上的重新分布維持了椎體的骨強度。

4 膠原分子交聯對骨強度的影響

膠原分子間交聯反應作為重要的膠原分子轉錄后修飾，其保證了膠原纖維基質具有一定的延展性和粘彈性，對骨強度具有顯著影響。在骨組織發育過程中，膠原分子末端的賴氨酸在細胞外基質酶賴氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)的作用下轉變為醛賴氨酸[22]。醛賴氨酸與臨近膠原分子中的螺旋(羥基)賴氨酸反應形成不成熟的二價交聯，即二羥基賴正己氨酸(DHLNL)和羥基賴正己氨酸(HLNL)。這些二價交聯中的一部分進一步成熟，形成三價交聯，即吡啶啉和吡咯類。此外，還有另一種非酶促交聯反應，高級糖化終末產物交聯(advanced glycation endproduct， AGE)，也可形成交聯膠原[23]。

膠原分子的交聯程度對骨強度由顯著影響。Knott等[24]研究發現，膠原分子之間的交聯程度與骨骼屈服極限應力之間具有顯著的相關性。在年輕個體中，因為缺乏維生素B6或缺乏銅離子導致的賴氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)活性下降，而LOX作為膠原分子酶促交聯反應的重要蛋白酶，進而導致膠原交聯程度下降，最終導致骨強度顯著降低[24]。Oxlund等[25]利用β-氨基丙腈處理大鼠后發現，骨組織中吡啶啉交聯下降了45%，骨組織的屈服強度和硬度相應下降了20%～30%。

5 膠原屬性與骨質疏松癥所致骨強度降低之間的關系

早在1978年，Sanada等[26]就提出，女性絕經后的雌激素撤退會通過降低LOX活性而影響到骨組織中I型膠原的屬性，導致骨強度降低。Acerbo等[27]利用去勢大鼠研究發現，骨質疏松癥大鼠骨組織內膠原的排布走向發生了明顯變化。Knott等[24]進一步利用動物試驗研究發現，骨質疏松癥可導致賴氨酸羥基化增加，進而導致吡咯類化合物之間的交聯降低，最終導致骨強度降低。該結果在人體標本中得到了進一步證實，Paschalis等[28]利用傅立葉紅外分光成像技術對比了骨質疏松患者和正常人的髂骨活檢標本發現，骨質疏松組和正常組的膠原交聯情況存在顯著差異。Kowitz等[29]利用從骨質疏松性骨折患者體內獲得的股骨頭標本研究發現，骨質疏松患者骨組織內膠原分子的賴氨酸殘基過度羥基化、羥賴氨酸的過度糖基化會導致膠原纖維束直徑顯著降低，進而影響到膠原纖維與礦物質晶體之間的結合，最終導致骨強度的降低。Willett等[30]提出，絕經后的雌激素撤退會導致膠原晚期糖基化終產物(advanced glycation endproducts，AGEs)的增加，AGEs一方面通過和AGEs受體結合，產生信號通路效應導致骨重塑的紊亂；另一方面，AGEs與骨組織材料屬性的改變相關。氧化應激反應導致AGEs增多，抑制正常的酶促膠原交聯反應，導致膠原結構破壞，進而降低骨強度，這也是抑制氧化應激反應可以增強骨強度的原因之一。

6 膠原屬性與II型糖尿病所致骨強度降低之間的關系

II型糖尿病患者其骨強度顯著降低，發生骨折風險更高，但是患者的骨密度數值往往正常甚至高于一般人群的平均值，諸多研究表明，是骨組織中膠原屬性的改變導致II型糖尿病患者發生骨折的風險更高[31]。為了闡明II型糖尿病如何影響膠原屬性，進而影響骨強度，Tang等[32]將從新鮮尸體標本中獲得的松質骨標本在糖溶液中培養，通過構建和機體內溫度、pH相同的環境來模擬糖尿病患者的骨組織，之后生物力學試驗發現，高糖溶液培養會使松質骨中的非酶促糖基化反應增加，進而導致松質骨的屈服后非線性應變吸收能量的能力顯著下降。然而，體外高糖溶液培養骨組織與真實的體內糖尿病體液環境差距較大，為了進一步闡明膠原屬性與II型糖尿病所致骨強度降低之間的關系，Satio等[23]利用糖尿病大鼠模型進行了相關研究，研究發現，在糖尿病大鼠骨組織內，其酶促交聯反應顯著低于對照組，而膠原中的戊糖素含量顯著增加，導致糖尿病大鼠的骨強度發生顯著降低。

7 結論與展望

骨組織作為一種復合生物材料，膠原是其最重要的有機成分之一，其屬性的改變會顯著的影響到骨組織的強度。膠原屬性如何影響骨強度，這一機制還有待相關研究進一步深入展開。未來的研究應主要集中于研究膠原分子合成后的修飾改變，同時應該觀察研究骨組織重塑過程中膠原屬性如何變化。探索可以反映膠原改變的體外非侵入性生化代謝指標，可以為預防和治療骨質疏松癥提供重要參考。