林华:骨质疏松性骨折的骨损害

2022-04-19   文章来源:中华医学杂志   作者:林华,包丽华 点击量:331 我要说


随着我国人口老龄化,骨质疏松性骨折发生率逐年增加,预防骨质疏松性骨折以及再骨折的发生已是我国的重要课题。防治骨质疏松性骨折的同时,预防骨质疏松症的发生也尤为重要。

因此,由骨科在线主办、昆明积大制药股份有限公司支持的“固松杯”2022骨质疏松防治科普短视频大赛活动已于4月10日云端正式启航。希望更多有志于科普传播的临床医师积极参与其中,帮助骨松患者充分了解和认识骨质疏松,提高其对骨质疏松症的预防意识,及时就诊、规范诊治,提高骨质疏松症患者的生活质量、促进国民健康。

本次大赛评审专家、南京大学医学院附属鼓楼医院骨科主任林华教授通过视频形式为大赛送上寄语,并带来一篇文章《骨质疏松性骨折的骨损害》(发表于《中华医学杂志》2022年4月5日第102卷第13期),通过阐述骨质疏松性骨折的材料属性和组织结构损害,强调明确并重视骨骼病变及其风险,积极地抗骨质疏松治疗,预防再骨折的发生的重要意义。

林华视频

林华教授寄语本次大赛

摘要

骨质疏松性骨折与创伤性骨折有着本质的不同,它是基于全身骨骼在骨质疏松疾病状态下发生的病理性骨折,其病变的实质是骨强度的下降。骨强度受到骨骼的材料属性和组织结构,以及肌肉负荷等多种因素的影响。骨质疏松性骨折的病理变化主要包括骨量和骨质量等多方面的损害,骨质疏松性骨折发生后,即使成功的手术治疗也无法阻止骨质疏松骨损害的进一步发展。本文将针对骨质疏松性骨折的材料属性和组织结构损害进行阐述,强调明确并重视这些骨骼病变及其风险,积极地抗骨质疏松治疗,对提高骨质疏松及其骨折干预的临床疗效,预防再骨折的发生至关重要。

关键词:骨质疏松;骨折;骨强度;骨损害

骨质疏松性骨折是骨质疏松最严重的后果,其发生与衰老、骨强度下降和跌倒密切相关,临床骨质疏松防治的最终目的是避免骨折的发生[1]。骨质疏松性骨折与创伤性骨折有着本质的不同,它是基于全身骨骼在骨质疏松疾病状态下发生的病理性骨折[1-2。骨质疏松性骨折具有低知晓率、高发生率、高再发率和高死亡率,我国老年人群面临着较高风险[3]。目前临床骨质疏松诊断和骨折风险评估,主要是通过双能X线骨密度测量(dual energy Xray absorptiometry,DXA)来完成,所以大多数人认为,骨质疏松就是骨密度(bone mineral density,BMD)降低。骨密度降低固然是骨质疏松及其骨折时骨骼病变的一个重要内容,但并非唯一因素。骨质量下降是独立于骨密度,与骨质疏松及其骨折发生直接相关的另一个重要原因。骨骼生物力学性能取决于骨量、骨骼形态结构以及骨基质材料属性等多因素的变化,如何全面认识和正确理解骨质疏松骨骼的病理变化,准确判断骨质疏松的骨折风险,是临床骨质疏松诊治,尤其是骨质疏松性骨折干预的重要前提。现将针对骨质疏松骨折时,材料属性和结构等方面的骨骼病理变化,阐述骨质疏松性骨折的骨损害。

一、骨骼的构成及其特点

骨基质是骨骼的主要组成部分,由无机物、有机物及液体等成分构成,无机物的主体是羟基磷灰石晶体,它赋予骨骼硬度和抗压强度;有机物的主要成分为由成骨细胞合成的胶原蛋白,它赋予骨骼刚度和抗弯强度。骨骼胶原也随着年龄和疾病而发生变化,是决定骨质量的重要因素。杠杆和弹簧作用是骨骼性能的特殊表现,所谓杠杆作用主要由长骨的特性体现,而弹簧作用则主要由椎体的特性体现[4]。骨骼的宏观内部结构由松质骨和皮质骨构成,松质骨小梁数目、形态和方向及皮质骨厚度、骨髓腔大小都会随着骨骼承受的负荷和环境的不同而变化[5]。骨骼的抗骨折能力取决于骨骼复杂的多维材料属性和不同组织结构,这种物理负荷、材料属性、组织结构和机械性能之间的复杂而默契的变化,构成了骨骼特殊的生物力学特性,其中材料属性和组织结构的变化直接提示了骨骼损害的严重程度和骨折发生的风险程度。

二、骨质疏松性骨折骨骼的材料属性和组织结构病变

骨骼各组成成分的完整性决定了骨强度。从骨骼的大小到胶原分子和矿物质的含量,这些决定因素的任何改变都会影响骨骼的强度。骨骼抵抗骨折能力主要取决于其材料属性和组织结构的特性。

(一)骨质疏松及其骨折时骨骼材料属性的变化

骨骼由骨基质组成,它是一种含无机(矿物质)和有机(胶原蛋白等)成分,具有高度异向性,能不断适应机体生理或机械环境变化的特殊结缔组织。随着增龄或某些疾病的发生,骨基质中矿物质和胶原蛋白的性质发生了变化,改变了骨组织的材料属性。当静态、动态或疲劳状态下负荷加载时,骨基质中不同属性的材料之间相互作用,引起了骨骼力学性能异常,而这些异常改变是独立的,与骨组织结构无关。

1.无机物的变化

骨质疏松及其骨折时,无机物(钙磷等矿物质)的丢失,表现出的临床骨密度下降,如今已被人们所熟知。骨密度变化与骨质疏松病变及骨质疏松性骨折风险密切相关,骨密度决定了70%的骨强度,双能X线骨密度仪检测是目前骨质疏松临床诊断的金标准和骨折风险评估的首要选择[6],骨密度每减少1个标准差,骨折风险就增加2~3 倍[7]。骨密度越低,骨质疏松性骨折风险越高[8]。骨密度是那些无骨折病史的绝经后骨质疏松女性骨折风险的最重要预测因素,她们的骨密度与骨质疏松性骨折之间有很强的、持续的相关性[9]。女性股骨颈骨密度每降低1个标准差,5年内骨折风险增加80%[10]。尽管骨密度检测临床常用于骨质疏松诊断及其骨折风险评估,但就骨密度与骨折的相关性而言,局部骨密度的高低与同部位骨折相关性更高[11]

2.有机物的变化

骨组织中无机物和有机物之间关系紧密,共同影响着骨骼强度。骨基质具有独特的矿化能力,与其他代谢性骨病不同,骨质疏松症的病理特征表现为骨基质材料属性中无机物和有机物的等比例变化。目前骨密度降低所导致的骨质疏松材料属性异常的相关研究较多,但以胶原蛋白为主的有机物病变所致的骨骼损害一直未被重视[5]。流行病学研究发现,有近一半的绝经后妇女发生脆性骨折时,骨密度降低并未达到骨质疏松的临床诊断标准[12],其重要原因在于骨量丢失(无机物减少)固然重要,而胶原病变(有机物减少)也是其重要原因,它是无关于骨密度变化,而直接与骨强度相关的独立因素[13]

骨胶原除受三螺旋结构的直接影响外,同样也受到胶原原纤维异常、胶原蛋白含量减少、胶原纤维直径减少以及胶原纤维拉伸性能下降等多因素的影响。骨强度依赖于胶原纤维的取向,而胶原纤维的取向会随着增龄和负荷的方向而改变,胶原纤维的取向是决定骨骼力学性能的主要因素[13],胶原纤维取向的改变也会导致矿物质沉积的数量和分布异常而降低骨强度[14],这种纤维取向的差异变化是骨骼力学性能的重要特性。胶原质量改变是导致骨骼脆性增加的主要原因。全身因素(衰老、疾病等),尤其是性激素水平降低,可直接或间接地改变Ⅰ型胶原的特性。绝经后骨质疏松症患者,骨量丢失的同时也伴随着有机基质成分的代谢率增加,这种异常的胶原合成速率增加,可导致胶原纤维质量的改变,从而引起骨强度降低,骨折风险增加。

交联是胶原蛋白转译后的主要修饰,直接影响胶原质量。新分泌的胶原蛋白分子,通过在相邻的胶原蛋白分子之间形成交联来稳定结构。交联可分为两类:赖氨酸羟化酶和赖氨酸氧化酶介导的酶交联,以及糖基化和氧化诱导的非酶交联,酶和非酶交联在胶原组织结构稳定性方面具有独特的功能。非酶糖基化(nonenzymatic glycosylation,NEG)是一种与增龄相关的代谢过程,可因衰老、糖尿病等原因而加速,从而导致晚期糖基化终末产物(advanced glycosylation end products,AGEs)的积累。而糖基化仅造成骨骼有机质的损害,不影响矿物质成分。骨胶原中NEG介导的AGEs积累与骨有机质的刚度高度相关[15]。胶原中的AGEs是影响骨骼力学性能的独立决定因素,胶原中的AGEs过度形成和积累使胶原纤维脆性上升,微损伤增多,骨骼韧性下降[16]。AGEs分析可较好地预测老年骨质疏松患者的骨强度和骨折风险[17]。除了酶和非酶交联,骨胶原结构还受到异构化和外消旋作用的影响。胶原基质结构的异构化和外消旋作用是自发的非酶反应,将导致胶原分子结构的改变。异构化是一个缓慢的过程,诱导胶原蛋白的结构异常,破坏胶原蛋白对骨强度的调节功能[14]。异构化也能干扰酶交联的形成,从而间接影响骨强度。异构化与骨强度之间的关系可能遵循U型模式,即成熟度过高或过低都会损害骨强度[13]

(二)骨质疏松及其骨折时骨组织结构的损害

人体骨骼的组织结构可以划分为三个功能性区域:皮质骨区域、松质骨区域和皮质松质骨过渡区域。老年由于皮质骨内膜的过高重建而导致的骨丢失,会扩大皮质松质骨过渡区域。松质骨和皮质骨所承担的载荷是部位特异性的,并随部位的不同而变化[18]。认识并重视骨质疏松性骨折不同部位的骨组织结构变化,对其手术方法的确定和植入物的选择及术后近期和远期疗效的预判都有重要价值。

1.松质骨结构的变化

松质骨主要分布在椎体和长骨的干骺端,占人体总骨量的20%,却构成80%的骨表面,松质骨中胶原纤维与骨小梁呈纵轴平行排列,是骨重建的敏感区域。骨质疏松时,松质骨是高转换骨重建的主要受累部位,尤其在早期和中期松质骨的骨丢失十分迅速。骨质疏松的松质骨丢失约占人体骨丢失总量的30%,伴随骨密度的下降,在女性主要造成松质骨骨小梁的穿孔和吸收,并进一步发展为骨小梁数目的减少,这将导致骨骼承载负荷2~3倍的丧失;在男性则造成松质骨骨小梁变薄,骨强度下降。临床上椎体压缩性骨折和髋部近端骨折是其最典型的表现,但松质骨骨丢失会随松质骨骨表面的不断减少而减速,直至消失[18]

2.皮质骨结构的变化

皮质骨占人体总骨量的80%,但仅构成20%的骨表面,皮质骨直径和厚度(即骨骼大小)显著影响骨骼的机械性能。具体来说,骨骼在无骨密度变化的前提下,皮质骨直径增加一倍,抗弯、抗扭载荷的机械强度将提升8倍[18-19。当骨骼受到外力时,皮质骨形态会因外力的大小表现出双线性应力的行为特征,即弹性变和脆性变。弹性变是指在纵向受力时,皮质骨在变形屈服点以下的低水平应变,骨骼可通过弹性变,储存并抵抗所受的应力,从而避免了变形过程中的骨组织微损伤;而脆性变是指在纵向受力时,皮质骨在变形屈服点以上的高水平应变,骨骼变形超出其弹性变化区域,骨组织将以微裂痕的形式出现微损伤。随着增龄,皮质骨中微裂痕的积累呈指数级增长,女性骨骼中微裂纹的积累明显高于男性[19]。大多数皮质骨丢失发生在65岁之后,皮质骨的丢失速度比松质骨慢,最初是因为它不易被重建,但随着增龄,皮质骨丢失将不断加速,在松质骨小梁逐渐穿孔并消失后,骨丢失几乎完全变成皮质性的,骨质疏松的皮质骨丢失约占骨丢失总量的70%[20]。值得强调的是,骨质疏松性骨折的发生最终取决于皮质骨,但到目前为止骨质疏松及其骨折关于皮质骨的研究甚少,相关探索应予以重视[2,18]

3.骨结构孔隙度的变化

孔隙度代表了骨基质中孔隙的分布、大小和范围,骨骼孔隙是指包括血管供应、骨髓储存、血细胞生成、生化信号、转导和重建过程所需的空间[5]。孔隙度决定了骨骼对荷载响应的极限强度,包括在骨折前抵抗变形(刚度)、吸收应力(弹性)和吸收能量(韧性)。高孔隙度是松质骨的一个显著且有意义的结构特征,正常情况下松质骨的孔隙度为50%~90%,而皮质骨的孔隙度为5%~10%。孔隙度上升是以牺牲强度为代价的,孔隙度的小幅增加相当于骨量不成比例的大幅下降。相对于具有高度多孔性的松质骨结构而言,皮质骨结构的孔隙率增加对骨强度的损害程度更严重。研究发现,无论在什么部位,孔隙度都是力学性能的主要预测指标。孔隙率增加4%,微裂纹在骨骼中的扩展率增加84%,超过了骨峰值时骨折应力的50%。当孔隙率从4增加到20%时,骨骼抗变形能力降低三倍。就骨强度而言,皮质骨的薄变和孔隙率增加比骨密度下降更具危害[18]。皮质骨孔隙度上升是骨质疏松及其骨折骨强度下降的独立预测因素[19-20

三、骨损害的临床风险与干预难点

骨损害是骨质疏松及其骨折发生的病理基础,骨重建异常引起的骨转换失调,是骨材料性能变化和骨微结构损伤的直接原因。笔者认为,骨损害的临床风险主要表现为以下三个方面:高骨折与再骨折风险,骨折愈合延缓,以及植入物松动或移位。重视这些骨损害的临床风险,积极有效的进行针对性干预,对于骨质疏松性骨折和再骨折防治至关重要。

1.临床风险

(1)高骨折与再骨折风险:骨折风险与骨骼的材料属性损害和组织结构异常密切相关,其中骨密度降低和破骨细胞功能亢进是骨质疏松性骨折和再骨折发生的重要原因,高骨折与再骨折风险是骨损害的首要临床问题[3-4,11,21

(2)骨折愈合延缓:骨折愈合延缓与破骨功能亢进和成骨细胞功能低下相关,主要影响因素是成骨功能情况,尤其是有机物中的Ⅰ型胶原的损害程度[3-4,11,21

(3)植入物松动或移位:骨折手术内固定和关节置换的植入物移位,与破骨细胞功能亢进和成骨细胞功能障碍均有关,受到骨骼的材料属性损害和组织结构异常的共同影响[3-4,11,21

2.干预难点

骨质疏松性骨折术后远期疗效的优劣,骨损害是重要的决定因素。但到目前为止,骨损害的概念和危害尚未受到真正的重视,尚无与之相关的循证医学研究,原因在于骨损害病变的临床评估和治疗还有很多难点和盲区[1]。虽然研究已经证实,骨质疏松性骨折时骨骼出现了材料属性和组织结构的损害,但目前临床骨质疏松性骨折的评估只能通过骨密度来测定矿物质的含量变化,以及X线检查来观察骨折的变形,而骨骼中的有机成分和骨组织结构变化尚无法直接测量。在治疗方面,外科手术解决了骨折的移位和固定,为患者的骨质疏松性骨折加速康复提供了重要的基本保障,但手术无法改变骨质疏松的病理变化和发展进程。骨质疏松性骨折骨损害的治疗更依赖非手术干预,有效的抗骨质疏松治疗是骨质疏松再骨折预防,以及骨折术后远期疗效维护的重要措施[1-2

骨质疏松的防治的最终目的是骨折的预防,骨损害所致的骨折风险是抗骨质疏松治疗的重要依据[21]。目前抗骨质疏松药物主要包括抗骨吸收类药物和促骨形成类药物,通过不同的作用机制实现增加骨密度、改善骨微结构、提高骨质量的疗效。抗骨吸收类药物治疗是目前骨质疏松及其骨折常规治疗的主要选择,这类药物不影响骨折愈合,但也无法促进骨折愈合,对骨损害的治疗作用主要表现为提高骨量、改善骨质量。促骨形成类药物治疗在提高骨密度的同时,增加Ⅰ型胶原的合成,对骨质疏松性骨折骨损害有直接的治疗作用,对骨折愈合也有一定的促进作用[22-24。骨质疏松性骨折患者属于极高骨折风险人群,近年来的学术观点认为,对于极高骨折风险人群,应首先选择促骨形成类药物治疗[25]

综上所述,骨质疏松性骨折是骨骼在骨质疏松病变的基础上发生的病理性骨折,主要表现为骨骼材料属性和组织结构等方面的损害。这些骨骼的病变,严重影响骨质疏松性骨折手术后的临床疗效。骨质疏松性骨折单纯的手术治疗无法阻止骨质疏松骨损害的进一步发展,重视并明确这些骨骼病变,术后积极的抗骨质疏松治疗,对确保骨质疏松性骨折的术后疗效和预防再骨折的发生至关重要。骨质疏松性骨折骨质量变化的评估与干预有待进一步深入研究。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突

参考文献


专家简介

林华

南京大学医学院附属鼓楼医院骨科主任医师

南京市代谢性骨病防治研究中心主任

国际骨质疏松基金会科学委员会(IOF-CSA)委员

中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病委员会副主任委员

中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病委员会骨与关节学组组长

中华医学会骨科学分会骨质疏松专业组副组长

中国医师协会骨科医师分会骨质疏松委员会副主任委员

赛事简介

“固松杯”2022骨质疏松防治科普短视频大赛于2022年4月10日正式启动,本次活动将通过骨科在线网络平台面向全国有志于传播科普的骨松领域临床医生,开展线上报名、征集参赛作品,邀请全国各地区骨松领域知名专家开展线上评审。选手将通过入围赛、复活赛、PK赛及网络投票的角逐,历时8个月的时间,评选出10位优秀选手当选“固松杯”2022年骨质疏松防治十佳科普使者。

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