周期性動態(tài)力學載荷對抗骨質疏松的研究.pdf

1、課題研究背景:骨質疏松(Osteoporosis,OP)尤其是絕經(jīng)后的骨質疏松(PostmenopausalOP)是中老年婦女中的一種常見病,特點是雌性激素匱乏引起的骨量下降和骨組織微觀結構的退化與破損,主要表現(xiàn)為骨的脆性及骨折風險的顯著升高;近年來,由于在骨生理學領域史無前例的有效應用,嚙齒類動物模型成為研究并治療骨質疏松的重要工具,小鼠骨質疏松模型越來越受到研究者的關注。另外,力學生物學的研究已逐漸揭示出應力/應變與骨生長、重建之間

2、的密切關系,為骨質疏松等骨科相關疾病的預防與治療開拓了一條嶄新的道路。
　　課題研究目的:本實驗通過去勢手術建立可以模擬絕經(jīng)后婦女骨質疏松癥狀的小鼠骨質疏松模型,進而研究周期性動態(tài)力學加載對去勢后早期骨質疏松形成的對抗作用與效果,為臨床預防與治療骨質疏松提供有力的實驗支持。
　　課題研究方法:(1)借助Micro-CT掃描得到雌性昆明(KM)小鼠前肢尺骨的影像數(shù)據(jù),在Mimics軟件中重建出其三維實體模型,導入ANSYS12

3、.0中劃分網(wǎng)格,定義材料常數(shù)和邊界條件后,通過有限元計算與分析,獲得尺骨整體應變-中段應變曲線、載荷-中段應變曲線,并依次確定小鼠尺骨周期性動態(tài)力學加載的具體實驗條件;(2)2-3月齡雌性KM小鼠隨機分為去勢組(OVX)和假手術組(SHAM),并將去勢組左側和右側尺骨分別設為去勢未加載組(OVX)和去勢加載組(OVX+Loading)。去勢組切除雙側卵巢,術后對去勢加載組(OVX+Loading)小鼠尺骨施加在體軸向周期性動態(tài)力學載荷(

4、f=15Hz,中段峰值應變εmax≈2500με),對側尺骨(OVX)作為骨質疏松對照。4weeks后,小鼠處死,采集血液并解剖分離小鼠尺骨,血液離心得到血清,用小鼠血清骨鈣素Elisa試劑盒測定血清骨鈣素含量,對尺骨進行三點彎曲力學性能、骨小梁微觀結構參數(shù)、骨組織堿性磷酸酶(AKP)含量的測定。
　　實驗結果:(1)通過有限元分析計算發(fā)現(xiàn),在小應變(<5000με)條件下,尺骨整體應變與中段應變存在很好的線性關系,載荷與中段應變

5、也存在著可預測的關系,利于加載條件的簡化與確定;通過對確定加載條件的分析計算顯示,尺骨內局部應變在峰值載荷時分布集中趨勢明顯,病理性應變比例很小,大部分區(qū)域處于利于成骨的生理性或微過載范圍(200-3000με),而由于動態(tài)加載頻率較高(15Hz),較小的局部應變(50-200με)也可能會產(chǎn)生較強的成骨效應。因此,確立了比較合理的動態(tài)加載條件;(2)陰道涂片H.E染色的結果顯示去勢手術后小鼠停留在生理靜止期;體重增長加快的趨勢也暗示著

6、雌激素調節(jié)作用的減弱;與假手術組相比,去勢組小鼠血清BGP含量顯著下降,可能與雌激素匱乏后成骨細胞活性及更新速率降低有關;三點彎曲力學性能比較的結果顯示去勢手術4weeks后尺骨的各項力學性能均有顯著下降,更為有力的說明了骨質疏松模型的成功建立。(3)通過尺骨干骺端的非脫鈣制片H.E染色以及Micro-CT掃描三維截面圖均可定性的發(fā)現(xiàn),去勢未加載組(OVX)尺骨松質骨微觀結構退化破損明顯,而去勢加載組尺骨(OVX+Loading)相對于

7、假手術組(SHAM)變化不太顯著;骨組織堿性磷酸酶(AKP)和血清BGP含量的測定結果顯示,去勢手術導致與成骨活性正相關的骨組織AKP和血清BGP含量顯著下降,而力學加載顯著提高了上述指標,因而從分子生物學角度證明動態(tài)力學載荷對骨質疏松的對抗作用;三點彎曲力學性能測定以及Micro-CT對松質骨微觀結構參數(shù)測量的結果則分別從宏觀和微觀兩方面定量地證明,去勢手術后,雌激素的匱乏導致小鼠尺骨松質骨微觀結構的退化與破損,主要表現(xiàn)為松質骨面積比

8、(B.Ar/T.Ar)下降,骨小梁厚度(Tb.Th)降低,骨小梁分離度(Tb.Sp)增加,骨小梁數(shù)目(Tb.N)增加,導致宏觀上力學性能的下降,而動態(tài)力學加載則顯著地抑制了以上微觀結構參數(shù)的惡化,宏觀上緩解與改善了尺骨的機械性能。
　　實驗結論:(1)通過有限元分析計算的方法可以很好的預測軸向載荷條件下小鼠尺骨內的應變分布情況,進而確定合理的小鼠尺骨在體周期性動態(tài)力學加載條件;(2)卵巢切除手術后4周可以成功建立小鼠的骨質疏松模型