成都华西华科研究所研发生产定量CT QCT骨密度体模软件分析系统骨重建过程与QCT骨密度体模软件检测方法

  骨重建的意义

我们知道，骨重建包括秤吸收和骨形成两个最审要 部分。骨吸收的发生一方面珐为了释放钙离子以满足机 体内环境稳定的潘要，另一方面足为了®塑骨的形态以 满足人体生物力学的耑要；骨形成的H的是为了恢复背 的缺失，维持机体平衡。在实验研究中人们有两个m要 发现：①人们通过使用钙或钚的放射性示踪进行的动力 学实验，对生理和病理条件下动物和人类的#形成和背 吸收的比率进行研究，发现骨吸收增加的同时骨形成也 增加。例如高甲状腺血症和雌激岽缺乏。反之，背吸收 成弱骨形成也问时减弱，例如雌激素替代疗法。②组织 学方面，骨切片检査发现破骨细胞的毋吸收和成骨细胞 的#形成在骨重建过程中是紧密相连的，在BUM中两 者是紧邻的，呈现出吸收和M建的序列。对竹窀逑（骨转 换）率的组织形态学研究认为吸收早于形成的发生，这种 偶联已被确认，足骨重建过程中的一个特征性表现^[16)。

骨重建是维持#组织代谢和力学功能的重要机制。 骨骼由于微缺损的产生和累积，如不及时修复则会导致 疲劳性骨折，唯一的修复途径是经过骨的虽建。背重建 是一个骨组织自我更新和自我调整的生理过程。rfn讶重 建的产物，在皮质骨中新哈弗系统的形成，在松质骨表面 是新骨小梁packet的形成。在人的一生中骨的車：建过程 是始终存在的。丹组织不断自我更新使皮质骨的平均年 龄维持在20年左右，使松质骨的f■均年龄维持在4年左 右。骨重建对组织水平的背质里有正负两方面的影响。 骨重逮在修复傲缺损，取代死骨而使骨组织适应外力环 境的同时，可以因过度吸收而穿透骨小梁，进而使之消 失；还可以因过度吸收造成皮质骨小孔增多，厚度变薄而 导致强度减弱。

    骨重建分期

通常情况下，骨重達包括静止期、激活期、骨吸收期、 偶联期和骨形成期这五个先后发生过程。

1.      静止期在正常#组织中，80%以上的松质骨表 面和90%以上的密质#表面是处于静止状态的。处于 静止状态中的矿化#表闹上覆盖着一层0.1〜0.5pm柙 的类钟质，类骨质上又覆盖着一层扁平的卄衬细胞。骨 表面的这两层覆盖物又称骨膜屏障.使矿化骨与外界隔 绝而不受各种因子所影响。

2.      激活期骨重建的激活过程指骨表面从静止状态 转变为骨吸收状态的过程。在全身和局部W素的影响 下，#衬细胞开始收缩并分泌蛋白溶酶，使骨衬细胞由扁 平形状变为立方形而暴餌了下面的类骨质薄层，进而被 蛋白溶酶所降解。这时的骨膜屏陣被完全去除。矿化钟

表面被完全暴餌，破骨细胞前体因而向裸餌的骨表面迁 移，同时又因被骨衬细胞释放的破骨细胞分化因子的诱 导下分化和相互融合成为成熟的破骨细胞而具有强烈的 骨吸收功能。

3.      骨吸收期在与矿化骨表面接触后，破#细胞开 始吸收骨组织。生成的表面凹陷在松质骨中称为How- ship陷窝，在皮质骨中则称为切割锥形体。随着破骨细 胞向的挖掘，切割锥形体也向前推进。动物试验显示，破 骨细胞的纵向挖抿速度可达每天20~4(Vrn，而其横向挖 掘速度则为每天5〜10/xm。#吸收腔的平均深度在松质 骨表面约为60um,而在皮质骨及面则为100〜125/im。 骨重建的吸收阶段大约需要1〜3周时间来完成。骨重建过程与QCT骨密度体模软件检测方法

4.      偶联期骨吸收完成后，通常在1〜2周后骨形成 才开始。由于这一阶段把两个完仝相反的过程（破骨和 成骨）连接在一起，我们把它称为偶联期。组织切片上可 见破骨细胞只出现在切割锥形体的前半部，而后半部则 被-些功能不明的单核细胞所占据。一些学者认为破骨 细胞的功能仅限于去矿化，而#基质的降解和吞咩则由 单核细胞来负责。还有学者认为单核细胞是成骨前体细 胞，黹要1〜2周时间分化为成熟成#细胞，进而开始成 骨过程。在生理状况下，骨重建工程中的成骨细胞偶联 于破骨细胞起骨生物学的基本常识。然而产生这一偶联 的细胞学机理和激索调控机制尚未完全淸楚。一些学者 认为骨吸收过程屮有许多局部因子从骨基质内释放出 来，例如胰岛素样生长闪子I和n，转移生长因子和纤维 生长因子等。这些局部因子诱导了成骨前体细胞的增 殖、分化和成熟，从而启动了#形成过程。

5.      骨形成期骨形成的过程包括类骨质的合成和分 泌，和类骨质矿化这两个过程。当成骨细胞排列在陷窝 衣面时，首先分泌一尼粘合剂而形成粘合线，然后开始分 层的分泌类骨质带。相邻两层的类骨质带中胶原纤维的 走向是相互垂直的。类骨质分泌后，其中的胶原纤维分 了芮要10X时间互相交联，并在连接处形成孔腔结构而 接受矿物质的沉积和结晶。类骨质的矿化是一个由快到 慢的过程，在该过程的头5—丨0天内，类骨质的矿物化程 度可达70%。剩F的25%则茁要3~6个月的时间来完 成。在IF.常的骨组织中，矿化速度不会达到100%.只有 在坏死讶中才可达到100%的矿化程度。

(三）骨重建中细胞学程序

松质骨中的骨重建发生在骨的表面。一般悄况下， 骨表面被内衬细胞所覆盖，内衬细胞是一种单层扁平细 胞，起源于成#细胞，沉枳在骨苹质L,呈静止状态。内 衬细狍可以对刺激（如甲状旁腺激素或者机械性张力）产 生反应启动骨重建周期。一般认为，这蜱细胞下面的非 矿化箪质可以被胶原酶消化暴錤出骨基质，然后被破骨 细胞所吸收。PTH可以剌激成骨细胞中胶原酶的产生 和分泌，最初产生的胶原酶呈职酶状态，其激活需要纤溶 酶厣和纤溶酶取激动子的调节，许多骨吸收剌激因素，如 PTH,可以促进成骨细胞产生胶原酶。这些观点基于体 外研究发现，还霈要体内研究的进一步证实。最近一些

研究采用基因敲除（knockout)技术使鼠缺乏纤溶酶厣的 表达，但未发现#吸收的缺失^[17"^8]。

成骨系细胞和破骨系细胞是相ft协调作用，破骨细 胞幵始骨吸收，大约可持续2〜4周左右的时间，多组破 胥细胞形成约30_Mm深的背吸收区域。在吸收末期，吸 收区的底部总能发现单核细胞，参与完成最后的吸收过 程。这些细胞后续成为巨噬细胞，巨咮细胞紧邻吸收K 表囱的前成骨细胞，这种从骨吸收至骨形成的过程被称 作骨转换，其转换平面可以通过特定染色和显傚镜观察 发现。骨转换的转化线（cement line)包含大里的骨桥蛋 白，骨桥蛋白由破骨细胞和成骨细胞災•同产生，结构是稍 氨酸-付衩酸-天冬氨酸（RGD)，含有细胞外基质蛋白， 其与破骨细胞中透明连接蛋白受体avB3和成讶细胞中 avB5相互作用。这些整合素受体调控若细胞貼附至骨 基质上，发挥信号传导受体的作用。目前对成骨细胞和 破骨细胞中的骨桥蛋白作用还不完全淸楚。骨桥蛋白存 在于骨转换处，可能是作为破骨细胞活动终止信号或者 是成钟细胞骨形成启动信号，或者二者兼而有之。成熟 的成骨细胞呈立方划，富含内质网，是核为卵圆形的极化 细胞，细胞之间相互连接形成一个连续的层面。当胶原 原纤维的面积超过单个细胞的面积时，它们相互协调产 生细胞外基质。胶原组织的良好排列可以抵抗作用在饽 上的机械力，成骨细胞可以感知机械张力和产生反应，例 如在制动和失重的情况下骨形成明M减少就是一个证 明。骨吸收持续数周，然后骨形成蓠持续儿个月来进行 替换。成骨细胞逐渐扁平，类骨质表面逐渐变薄，逐渐形 成一层扁平内衬细胞覆盖一薄层非矿化基质，形成一个 静止的骨表面。皮质骨的骨重建也是相似的过程，由 Haversian管中的内衬细胞或钟细胞启动。破骨细胞挖开 一个吸收区然后由成骨细胞填充。

(四）骨t的平衡   骨重建过程与QCT骨密度体模软件检测方法

在正常情况下，人体的骨贵处于一种平衡状态。所 有健康个体的BMD和BMC都处于均值的上下10%。 骨S是由遗传决定的，近来的研究揭示了与其相关的基 因，如VDR和coH等。骨M和BMC的柃测是非侵人性 的，如脊柱的双能X线检测，反映的是皮质骨和松质#的 骨贵。皮质骨里由骨外膜、骨内膜和Harvenson小讶的骨 重建决定。松质骨tt由松质骨表面骨吸收和骨形成的相 对程度决定。遗传学控制者骨1平衡过程，皮质类固醉 潋索和性激索都参与了骨&的遗传学控制过程。男性比 女性骨馕更大史密。文献表明，雌激素和雄性激素缺乏 可以导致骨里滅少。雌激素受体缺陷和雌激素受体敲除 的雄性大鼠均出现#M减少，雄性和雌性都出现骨骺不 闭。包括人类在内性激素受体存在于各个种属的成骨细 胞中。在体外，雌激素在现为抑制破骨细胞的活性。性 激素对骨形成和吸收具有宵接和间接的影响，作为-种 全身性激素，不受骨骼功能的控制，也不能产生信号终止 吸收和形成，只娃提供一个广泛的背景使得细胞对这些 信号产生反应。Fmst认为雌激素水甲决定骨骼对机械 信号反应的平衡设定点。机械刺激可能是骨贵维持的最直接输人信号，因此在毋蹴平衡中具有主要作用，并决定 着骨吸收和竹形成的偶联程度。

(五）         机械应力的影响

机械应力对骨吸收和骨形成的影响，是通过骨基质 的张力来调控的。制动或失重所致的机械负荷减少最后 造成骨贵减少，这是由于在开始骨吸收增加，接着是骨形 成减少，然后一直持续下去，最终机体达到一个新的平 衡，承栽相应的机械负荷。失窀是_个很好的失偶联的 例子，骨吸收增加和背形成减少，衣明偶联环境中的机械 负荷情况。通过对脊柱椎体的研究发现，松质骨电镜扫 描淸晰M示出没有机械负荷的松质骨疏松明M,伴有骨 小梁不连，表现骨吸收广泛，没冇骨形成。反之，承受机 械负荷的松质骨表现为骨小梁相互连接，骨吸收轻微，骨 形成明显。最初骨转换增加是由于机械负荷的剌激，制 动使得骨形成率越来越低，在相应的机械应力下达到新 的稳定的#M平衡状态。松质骨和皮质骨，由于骨吸收 机械性能降低，随着张力逐渐加强骨形成会开始增加。 也就说结构总是与其相应的张力相适应。松质骨结构总 是与相应的张力分布相适应，长背直径增加对应骨《减 少。这就是为什么在使用r吸收抑制剂，如雌激索，开始 获得骨形成，但足•在2〜3周后由出现回落，是由于新形 成骨贵使骨张力降低的原因。对于骨质疏松患者，服用 背吸收抑制剂后持续增加一段时间添充重建空间， 这其中骨铯的增加主要在皮质骨，即在机械持审的髋部 远大于低机械负荷的腰椎。

完全休息或者失重的产生短期的骨该丢失，反之，大 运动s如职业网球运动员，也可以产生与其运动a相应 的廿萤增加。因此，我们认为骨M和骨结构是由张力决 定，骨的形成总娃与机械张力相适应。机械张力是偶联 骨吸收和骨形成的重.要因素之一。

(六）         骨重建中的调控

我们知道骨骼具有三个重要的功能：机械支撐，保持 钙离子等内环境稳定，造血库。骨1建在使动剌激的作 用F完成相应功能，机械性剌激就足-种局部剌激，可以 激发骨1建。此外，细胞外基质张力的变化，可以被内衬 细胞或骨细胞感知，在相应的环境下进行骨重建。其他 局部环境的变化，如aracidonic acid释放的代谢产物，PGE 以及其他细胞因子，直接影响者破骨细胞及其前体细胞， 引发局部的骨重建。激发肯形成的机制包括：①始动因 子如PGK等对成骨细胞前体有迕接促进作用；②在相应 吸收部位，GH等从基质或血管细胞，巨噬细胞中释放出 来；③在吸收表面，基质分子如骨桥蛋白等发挥作用。成 骨系细胞感知机械性张力，剌激成骨，持续进行背形成。 这种张力的传递子可能足imergrins，起到信号传递性受 体的作用，影响宥细胞内分子磷酸化，这同GH受体的作 用途径相似，进行相应的基因衣达和蛋内质合成，从而将 细胞锚定在基质上。

骨吸收和骨形成，在一定程度上是机械应力进行平 衡调控，输人信号以内分泌的形式迸行。抑制破毋细胞

活性的因子，如釀激素，可能调节若吸收期的速率和程 度；在白介素或PTH等破骨细胞促进因子作用下，或在 雌激素缺乏的情况下，骨吸收就会明显加强。#形成同 样如此，成骨细胞活性促进因子，如丨GF，_androgen_S,TG- FB,BMP等，在骨形成期会增加#形成的速率和程度。骨重建过程与QCT骨密度体模软件检测方法

骨转换的另一个促进因素是骨骼中钙剂的补充，由 PTH始动。PTH促进的骨吸收似乎皮质#是最优先的 粑目标，这可能足成骨细胞系中PTH受体分布情况的一 种反映。增高的PTH浓度可以提高发生骨吸收的总体 水平，增强由于力学负荷下降所致的骨S丢失。补充钙 剂和VitD对防止髋部骨折是有益的，在甲状旁腺切除患 者可以增加腌椎的BMD。

人们对骨東建的研究已经有30余年的历史，对其认 识在不断加深\ #重建过程中的两个进要绀成部分—— 骨吸收和骨形成总是紧密协调的。它们在同-•地点发 生，并且总是吸收在前，形成在后。在讶吸收期，一定擞 的旧骨被淸除，在骨形成期，被吸收的部分又被新骨形成 所替代。这个过程十分协调，需要对相关细胞的分化过 程进行精密调节。种吸收和竹形成的不平衡可以导致许 多种疾病，如骨质疏松症和石骨症等。关于饵重违过程 中的具体作用机制和病理过程还有待进一步的深人研 究。

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