成都华西华科研究所分析胶原变性对骨形成与QCT骨密度软件体模检测

胶原变性对骨形成与 骨折的影响（The effect of collagen denaturation on the deformation and fracture of bone)

骨的里要功能之一足支持和保护人体，保证人的正 常生理运动功能。由于代谢、年龄、药物和环境等闵素引 起#变形和断裂行为的异常，对于骨科疾病的预防、发 生、治疗和康复都会带来m大影响。对于讶的变形特别 足断裂行为、影响因素及其微观机制的深人研究一直是 骨科、生物力学和临床医务工作者关注的重要内容。

对于骨的变形和断裂行为的研究已有近丨〇〇年的历 史。怛是，大部分研究往往局限于骨密度，即骨的无机成 分对于骨的变形和断裂行为的影响，很少考虑骨的其 他主要组分对于骨的变形和断裂行为的影响。一般认 为，骨足一种天然复合村料，去水后的骨千茧除了由 65%无机成分绀成外，还包括24%的有机成分。骨中有 机相的90%〜95%为胶原纤维，而其中的90%为丨咽胶 KL无机成分主要为纳米尺度的羟基磷灰石（HAP)微 品，沿胶原纤维长轴规则排列并通过骨粘蛋A的粘合，沉 积在胶颀纤维之间。冇机成分（主要对骨的韧性有贡献） hi无机成分（主要对#的硬度有贡献）的紧密结合使骨既 坚FL韧^[2;，因组织中所含有的胶原对骨的变形和断 裂行为的影响是不容忽视的_a Manse丨丨等人的研究也显 示骨纽织的性能不只取决于骨密度，同时取决于胶原的 状态

胶原是人体极重要的结构蛋白质，它的萆本结构单 位是厣胶厣原胶原姑一个长约3000人，直径约15人，由 W条a,(丨）和一条力（丨）多肽链（均为左-f•螂旋构钽）相互 绅绕在一起形成右手超螺旋结构的纤维状蛋白质。三螺 旋结构区可表示为（Gly- X- Y>n，其中的甘氨酸残基 (Cily)含M卨，因为甘氨酸侧链较短，适合三蜾旋结构的 中心，而对于二螺旋结构本身不产生显芳影响；而大部分 的X和Y则分别为脯氨酸和羟脯氨酸残苺，它们可限制 多肽链旋转。此外，三煉旋结构常冇4羟鯆氨酸，产生氢 键及试桥，使结构相对牢阁，通常还冇球状序列插人，使 胶原分子更有弹性W。

I铟胶原的特荷结构和性质在骨的形成和代谢的过 程中，以及对背的生物力学性质起到了举足轻1的作用。 A从上批纪90年代末w_ang等人报道/他们有关胶原 对于骨的变形和断裂行为影响的系列研究以来，胶厣对 骨的材料忭质的影响开始受到了生物力学和骨科研究工 作者的扦逋关注^is]，他们的研究结果对于进一步揭示骨 的变形与断裂的微观机制有若®要的启示作用。

胶原变性的彩响因素（The factors contributing to collagen denaturation)

尽管胶肤足骨组织的组成成分之一，如采它并不随 着外界条件的影响而使得其自身的若千物理化学和生物 学性质的改变的话，它并不会对钟的变形和断裂有任何 的影响。然而.审实是胶原蛋白和其他蛋白质一样，当外 部条件的改变破坏了维持蛋d质空间构象的次级键（如 氢镩、范德华力〉或二硫键、盐键时，胶原蛋白质会变性， 即胶原分子的大小和构象改变，形成松敗且乱的结构。

已有--•些研究结果表明：60 X：为骨中非矿化胶原和 背鸺基质的变性温度，超过此温度，胶原纤维会缩短2/3 并变成橡胶状；150 t：为矿化胶原的变性温度^f6’⁷³。M 然，溢度是胶原变性的影响因素之一。佴楚，诸如年龄、 激素、病变和药物，以及辎射芍的一托影响因索史'引起学 者们的关注。

(一）  年龄

随者经济的发展，人们生活和医疗条件口益改莕，人 们的平均斿命和老年人所占比例在不断增加，机体衰老 问題引起学者们的广泛关注。机体衰老是一个全身过 程，伴随着结缔组织和细胞外基质的变化（胶原变性）。 Wang等人研究发现随荐年龄的增长，长付的矿化增加， 胶原数M减少，且其显微结构发生变化，变性温度降 低^[8]_;Takah_ashi等人研究发现当年龄高于40岁以后，1 型胶原的al多肽链的C端尾肽的变化随宥年龄的增大 而增大，胶原变性植增多^1<];而（：11^₆7等人的研究发现老 年人的骨胶原组织较年轻骨中的胶原组织更易受到辐射 的破坏，胶原变性撤多^[1<>1_;张吞萍等人的研究则发现老 年人I型胶职特异性序列与讶密度下降，最终出现骨质 疏松^|11]。

此外.随者年龄的增长，有很多因索可促进机体袞 老，如体内性激素分泌M减少，疾病发生串增多，服用多 种药物（副作用多），受到辐射作用等等。这些影响因索 互相交织，且在一定程度hlf:为W來。同时，他们会影响 钙的吸收，造#细胞的活动，胶原的合成，有的甚至导致 胶原变性，表现在尿中酶性交联产物的增多和非酶性交 联的高级糖化终末产物在對组织中的积聚，导致这啤组 织硬度增加¹¹²¹。总之，随狩年龄的增长，骨小梁稀疏、变 细、穿孔，股骨颈皮质变薄，哈氏管扩大，骨胶原纤维排列 紊乱并出现腔隙，胶原稳定性降低易变性^h31，继而会导 致骨的抵抗变形和断裂性能的T降。

(二）  激素

激家在骨的代谢调节方面起电要作用，不同的激素

对骨中钙的吸收、成骨细胞的活动和丨组胶厣的合成起 着不同的作用。糖皮质激素可阻碍#中钙的吸收、抑制 成骨细胞的活动、增加骨质吸收和抑制I型胶原的合成， 从而减少骨形成，导致骨质疏松^:1<)。甲状腺素能引起钙 磷代谢紊乱，使钙丟失量增加，而呈钙的负平衡，骨吸收 大于骨形成，骨代谢呈高转换型加速进行，使骨骼脱钙。 总之，他们能导致胶原更新率降低.胶原代谢加快。

相反，有一些激素则可起到促进胶原合成等的作用， 比如维生索C、D和有机酸对骨生长有H接剌激作用，能 使骨胶原合成增加，促进钙、磷沉积于骨，促使#钙化；降 钙素和二磷酸盐类可迅速抑制骨质吸收；甲状旁腺激素 可促进活性维生素D的合成，有利于钙的吸收，并能减少 尿钙的排出，从而有利于胶原的合成和骨的形成；雄性激 索可促进蛋白质和骨胶原合成及骨生成的功能，以及保 留钙的作用；雌激素能剌激骨小梁的形成，有益于钙的吸 收利用及增加骨质密度和骨胶原的转换，并可加强降钙 索的作用^[|31。

(三） 疾病和药物

由于不同的激索对骨中钙的吸收、成骨细胞的活动 和丨型胶原的合成起着不同的作用，因而由一些疾病（如 甲状腺机能亢进患者或甲状旁腺切除者和糖尿病患者 等）而引发的某种激衆的缺失；或是为了治疗疾病所版用 的一些药物（如地寒米松）带来的副作用将会影响胶原的 合成。相反地，由那些能促进胶原合成的激素制成的药 物（如补肾方药、阿仑璘酸钠、黄芪复方制剂、背化三醉和 麦角#化醉、氟化物和皮质类固醉类替代药物等）可用来 防治骨质疏松症。

近几年来，雌激索类药物是研究相对较多的防治骨 质疏松症的激素类药物之一。杨学辉等人研究表明卵巢 切除后雌激素水平降低，大鼠骨小梁断裂、稀疏，骨组织 I型胶原mKNA表达降低约26. 3%,基质金厲蛋白酶 pix>MMP9活性明敁提高（PC0.05)，然而应用雌激索 类药物进行治疗后发现I型胶原mRNA表达较卵巢切 除组增加34.1 % ,基防金属蛋酶pro MMP 9活性的增 加明显降低^[~。Lubec等人定堪分析去卵巢大鼠右股 骨，发现胶原含贵明显低于假手术组^|17]。而Kafamari等 人则研究发现去卵巢大鼠骨胶原纤维直径变小，结构也 有一定的变化此外，歼麦的Fleddius等人采用高压 液相法测定发现绝经后妇女的尿中的吡啶啉和脱氧吡啶 啉含t明显高于绝经前的妇女，且与前臂骨丢失率相关， 而用雌激素类药物治疗后吡啶啉和脱氧吡啶啉含撤明显 降低^[~。

(四） 辐射

胶厣是细胞外基质屮最丰亩的成分，紫外线和7射 线等的电磁波辐射能破坏胶原绀织，造成骨性能的下降。 这在一些学者的研究中得到证实。Weadock等人将长期 受紫外线辐射后的人骨进行研究发现基质金属蛋白酶高 表达而降解细胞外基质，胶原蛋白平均含S降低，以至于 骨韧性降低等人通过声响监测系统观察到，经27.5kGy y射线辐照处理后的人股骨微裂纹形成和扩 散时的应力强度都明显下降^{[21 ]};在临床应用上，Uctman 等人发现，经过10〜30kGy 7射线辐照灭菌的骨移植物 术后2〜9年的骨折发生率明M比对照组高^[22]; Heermeier等人则研究表明电磁波辐射可通过影响胶原 蛋白mRNA的表达，使人体造骨细胞的细胞外基质合成 增加，从而产生骨骼疾病^:23i。

事实上.紫外光和低强度激光辐射对于胶原组织也 存在有利的一面。Weadock等人曾研究衣明紫外光照射 可提供打效的交联，提离交联胶原膜的萎缩温度以及抗 胶原抽降解的能力，达到较大的拉伸强度而Freitas 等人在研究He-Ne激光照射对进行骨折手术后的骨生 成的影响实验中则发现低强度激光照射后成纤维细胞胶 原蛋白表达增加，迫骨细胞活动增强成都华西华科研究所分析研发定量CT QCT骨密度体模软件分析系统  
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