温鑫鑫 丁海蛟 张英霞 马翔宇 刘鹏 王天胜

解放军第四六三医院骨科，辽宁 沈阳 110041

双能X线吸收仪(dual X-ray absorptiometry，DXA)测量骨密度(bone mineral density，BMD)是目前国际上公认的诊断骨质疏松症的方法，根据WHO制定的骨密度数值参考标准，约有50%的BMD数值正常的绝经后妇女仍存在发生骨质疏松性骨折的风险[1]，这一现象提示，单纯的测量BMD并不能反映和准确评估骨折风险。骨强度除了受到骨量的影响，还受骨骼解剖形态、微观结构以及骨基质材料属性的影响，在评估骨折风险时，这些因素都不可忽略。

复杂的复合材料按照一定的层级结构组成骨组织。从生物化学角度来看，骨组织由胶原纤维编织，羟基磷灰石结晶充填其中而组成。胶原的90%为I型胶原，羟基磷灰石等骨矿盐晶体决定了骨组织具有坚硬的强度，而胶原决定了骨组织具有一定的韧性[2,3]。骨组织受力时，其屈服前的弹性线性应变主要受羟基磷灰石等骨矿盐晶体的影响，而达到屈服应变后的非线性应变主要受胶原基质的影响。影响胶原完整性的一些干扰手段，如高温、福尔马林固定等导致胶原变性，都会导致骨组织韧性下降[4]，由此可见骨胶原对骨强度具有不容忽视的影响。研究骨胶原属性的改变如何影响骨强度，对于阐明骨强度降低机制、预防骨质疏松症等具有重要意义。

1 骨胶原的组成与结构

I型胶原是骨组织中的主要胶原成分，其占骨胶原的比例高达95%，占骨组织中总蛋白的比例为80%～90%，其他类型胶原如III型和V型胶原，在骨组织中含量较低，且其主要作用是辅助调节I型胶原的纤维直径[5]。骨胶原的分子结构具有明显的层级性，最初始的组成为三条多肽链通过转录后修饰和二硫键形成三螺旋胶原蛋白分子，被酶水解切割后露出N端和C端，之后这些断端可以自发进行组配，在转录后修饰的作用下进一步稳定，形成胶原纤维束，在酶促和非酶促反应的作用下，纤维束可形成分子间交联和纤维之间交联[6]。羟基磷灰石晶体填充在这些胶原纤维束之间，以提供骨组织的硬度[7]。

2 胶原分子结构对骨强度影响

骨胶原中占比最高的I型胶原，其分子结构是由2条α-1链和1条α-2链组成的异源三聚体。另一类胶原分子的结构为3条相同的α-1链组成的同源三聚体，由于缺少了α-2链，其对骨强度是否存在影响，引起了研究者的兴趣[8]。骨性关节炎患者其软骨下骨中存在着大量的同源三聚体的I型胶原[9]。携带有COL1A1基因Sp1转录因子变异个体，I型胶原中同源三聚体的比例可达10%～15%，这种高同源三聚体比例的个体，其骨骼强度显著降低，且这种骨强度降低的现象是独立于BMD之外的[10]。I型胶原分子结构的改变，可能导致骨组织力学强度降低。为了进一步验证胶原分子结构对骨强度的影响，Miller等[11]研究发现，在I型胶原发生突变(α-1链取代了α-2链，导致异源三聚体转变为同源三聚体)的小鼠(OIM小鼠)中，其骨骼强度显著下降。在分子水平，McBride等[12]发现，α-2链对于维持胶原分子三重螺旋的稳定性至关重要。Miles等[13]利用差示扫描量热法进一步研究发现，同源三聚体的I型胶原分子其胶原分子之间距离增大，因而导致胶原分子之间交联度下降，这可能是其导致骨强度下降的原因。近几年，随着分子动力学研究的深入，研究者发现同源三聚体形式的I型胶原因其分子扭转角度更大，导致其硬度低于异源三聚体[14]。

胶原分子C端的异构化反映与骨强度相关。Garnero等[15]利用胎儿时期的牛作为研究对象发现，胶原分子C端的异构化反应程度高低与骨组织屈服、垂直压缩的力学强度之间成正比。Viguet-Carrin等[16]在人椎体中发现了类似的研究结果，胶原分子C端的异构化反应程度较低时，其骨组织垂直压缩强度也显著降低。这种异构化引起的单纯构象变化可能并不会影响胶原分子的力学属性，但是可将该项信息作为反映骨胶原力学性能的一项指标。

3 胶原纤维排布走向对骨强度的影响

胶原纤维在骨组织中的排布走向会对骨强度产生显著影响。Goldman等[17]利用偏振光显微镜研究了尸体标本的股骨发现，骨组织内的胶原排布走向在不同年龄组之间具有显著差异。Martin等[18]研究发现，在皮质骨内，当纵行排布的胶原纤维比例较高时，即胶原纤维排布方向与骨组织主要受力载荷方向相同时，其骨组织强度显著提高。Ramasamya等[19]在其研究中也发现了类似的结果，小鼠股骨皮质骨前部区域纵向排布胶原比例要高于后部区域，相应的前部骨组织力学强度也高于后部。骨质疏松症会导致骨胶原纤维的排布走向发生改变，Silva等[20]利用老年骨质疏松小鼠模型研究发现，在老年骨质疏松小鼠体内，其骨组织主应力方向上的胶原纤维比例显著低于对照组。在椎体松质骨中进行的研究也表明，胶原纤维的走向对骨强度具有显著影响。Puustjarvi等[21]研究发现，在长期奔跑训练的狗的椎体内，其骨密度显著下降，而椎体骨强度保持不变，通过利用偏振光显微镜研究松质骨，在椎体纵向上骨胶原纤维排布与对照组相比，奔跑实验组其纵向胶原纤维比例增高，胶原分子之间的酶促交联没有显著差异，由此研究者认为，骨胶原纤维在主应力方向上的重新分布维持了椎体的骨强度。

4 胶原分子交联对骨强度的影响

胶原分子间交联反应作为重要的胶原分子转录后修饰，其保证了胶原纤维基质具有一定的延展性和粘弹性，对骨强度具有显著影响。在骨组织发育过程中，胶原分子末端的赖氨酸在细胞外基质酶赖氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)的作用下转变为醛赖氨酸[22]。醛赖氨酸与临近胶原分子中的螺旋(羟基)赖氨酸反应形成不成熟的二价交联，即二羟基赖正己氨酸(DHLNL)和羟基赖正己氨酸(HLNL)。这些二价交联中的一部分进一步成熟，形成三价交联，即吡啶啉和吡咯类。此外，还有另一种非酶促交联反应，高级糖化终末产物交联(advanced glycation endproduct， AGE)，也可形成交联胶原[23]。

胶原分子的交联程度对骨强度由显著影响。Knott等[24]研究发现，胶原分子之间的交联程度与骨骼屈服极限应力之间具有显著的相关性。在年轻个体中，因为缺乏维生素B6或缺乏铜离子导致的赖氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)活性下降，而LOX作为胶原分子酶促交联反应的重要蛋白酶，进而导致胶原交联程度下降，最终导致骨强度显著降低[24]。Oxlund等[25]利用β-氨基丙腈处理大鼠后发现，骨组织中吡啶啉交联下降了45%，骨组织的屈服强度和硬度相应下降了20%～30%。

5 胶原属性与骨质疏松症所致骨强度降低之间的关系

早在1978年，Sanada等[26]就提出，女性绝经后的雌激素撤退会通过降低LOX活性而影响到骨组织中I型胶原的属性，导致骨强度降低。Acerbo等[27]利用去势大鼠研究发现，骨质疏松症大鼠骨组织内胶原的排布走向发生了明显变化。Knott等[24]进一步利用动物试验研究发现，骨质疏松症可导致赖氨酸羟基化增加，进而导致吡咯类化合物之间的交联降低，最终导致骨强度降低。该结果在人体标本中得到了进一步证实，Paschalis等[28]利用傅立叶红外分光成像技术对比了骨质疏松患者和正常人的髂骨活检标本发现，骨质疏松组和正常组的胶原交联情况存在显著差异。Kowitz等[29]利用从骨质疏松性骨折患者体内获得的股骨头标本研究发现，骨质疏松患者骨组织内胶原分子的赖氨酸残基过度羟基化、羟赖氨酸的过度糖基化会导致胶原纤维束直径显著降低，进而影响到胶原纤维与矿物质晶体之间的结合，最终导致骨强度的降低。Willett等[30]提出，绝经后的雌激素撤退会导致胶原晚期糖基化终产物(advanced glycation endproducts，AGEs)的增加，AGEs一方面通过和AGEs受体结合，产生信号通路效应导致骨重塑的紊乱；另一方面，AGEs与骨组织材料属性的改变相关。氧化应激反应导致AGEs增多，抑制正常的酶促胶原交联反应，导致胶原结构破坏，进而降低骨强度，这也是抑制氧化应激反应可以增强骨强度的原因之一。

6 胶原属性与II型糖尿病所致骨强度降低之间的关系

II型糖尿病患者其骨强度显著降低，发生骨折风险更高，但是患者的骨密度数值往往正常甚至高于一般人群的平均值，诸多研究表明，是骨组织中胶原属性的改变导致II型糖尿病患者发生骨折的风险更高[31]。为了阐明II型糖尿病如何影响胶原属性，进而影响骨强度，Tang等[32]将从新鲜尸体标本中获得的松质骨标本在糖溶液中培养，通过构建和机体内温度、pH相同的环境来模拟糖尿病患者的骨组织，之后生物力学试验发现，高糖溶液培养会使松质骨中的非酶促糖基化反应增加，进而导致松质骨的屈服后非线性应变吸收能量的能力显著下降。然而，体外高糖溶液培养骨组织与真实的体内糖尿病体液环境差距较大，为了进一步阐明胶原属性与II型糖尿病所致骨强度降低之间的关系，Satio等[23]利用糖尿病大鼠模型进行了相关研究，研究发现，在糖尿病大鼠骨组织内，其酶促交联反应显著低于对照组，而胶原中的戊糖素含量显著增加，导致糖尿病大鼠的骨强度发生显著降低。

7 结论与展望

骨组织作为一种复合生物材料，胶原是其最重要的有机成分之一，其属性的改变会显著的影响到骨组织的强度。胶原属性如何影响骨强度，这一机制还有待相关研究进一步深入展开。未来的研究应主要集中于研究胶原分子合成后的修饰改变，同时应该观察研究骨组织重塑过程中胶原属性如何变化。探索可以反映胶原改变的体外非侵入性生化代谢指标，可以为预防和治疗骨质疏松症提供重要参考。