论文部分内容阅读
骨质疏松是由于骨骼密度和质量降低而导致的常见慢性疾病，多发生于中老年人群中。在骨质疏松病程中，骨小梁结构变得更加多孔、脆弱，骨质力学特性恶化，骨折风险也随之增加。目前治疗骨质疏松药物和治疗方案的疗效均不理想，广大的骨质疏松患者往往在经过多种不同的药物或手术治疗后仍然面临着骨折风险。因此，寻找一种更有效的缓解或者治愈骨质疏松病症的手段刻不容缓。
甲状旁腺激素(ParathyroidHormone，PTH，简称甲旁素)是美国食品药品监督管理局FDA批准的第一种可以在临床中用于治疗骨质疏松症的促骨质生成药物。尽管PTH有极强的促骨质生长功效，但持续使用PTH会给患者带来很多副作用，如引发血钙升高，血磷降低的钙磷代谢失衡等症状。所以美国FDA规定PTH在临床治疗中只能短期使用18-24个月。
针对以上问题，本课题采用大鼠和小鼠骨质疏松模型从多角度探索PTH对骨质的作用效果和机理，从骨骼微结构，组织学，力学的尺度上阐述骨质对PTH的反应，进而提出一种周期性(3周)间歇使用PTH治疗骨质疏松的治疗方案，以及交替周期(3周)使用PTH和双膦酸盐(Alendronate, ALN)的治疗方案，以探索长期，有效地使用PTH治疗雌激素匮乏引起的骨质疏松病症的可能性，为骨质疏松病症的临床治疗提供新思路和理论数据支持。主要的研究内容和结果如下：
(1)精确、安全的活体动物骨骼微型CT扫描方法的建立：本课题结合3D打印自行设计了针对不同尺寸实验动物的扫描床和麻醉装置，并运用μCT三维成像技术获取高精度的骨骼微结构数据。然后使用图像配准技术，在不同的扫描中精确定位同一个骨骼微结构的位置并做定量分析。经过多次扫描测试，该扫描方案可以批量地进行高精度的活体动物扫描，展现骨骼三维微结构的动态变化，且表现出良好的可重复性。另一方面，扫描前后骨骼微结构形态和病理的分析结果显示，该扫描方案不会对实验动物的骨骼造成辐射危害。该扫描方案的建立，突破了传统的DXA成像法的局限，实现了高效精确的骨骼微结构原位分析，为本课题后续的研究奠定了实验基础，也为骨科研究领域的同行提供了安全的、精确的、标准化的活体扫描方案。
(2)稳定可靠的骨质疏松动物模型的建立：为了更好地研究药物对骨质疏松动物的治疗效果，本研究中通过双边卵巢切除手术(OVX)和吊尾法分别处理SD大鼠和C57BL/6J小鼠。通过对成年雌性SD大鼠进行双边卵巢切除手术(OVX)，可以在术后四周获得稳定的失去50%骨含量的雌激素匮乏骨质疏松大鼠模型。通过特制的吊尾装置将C57BL/6J小鼠的尾巴吊起，3周后由于后肢离地失重造成了小鼠后肢39%的骨含量损失，从而获得小鼠失重骨质疏松模型。骨质疏松动物模型的建立为后续的实验批量提供骨质疏松动物样本。
(3)PTH撤回效应的研究及周期间歇性使用PTH方案的提出：为了更好地理解PTH对骨骼微结构的作用机理，本课题通过横断面研究，基于μCT以及组织学手段，对健康动物及骨质疏松动物进行PTH治疗后并停药，持续记录骨骼微结构从接受PTH刺激，到PTH停药后的持续变化。实验结果显示，在短期(3周)PTH治疗停药后，有一个短暂的促骨质生长窗口期，即骨质在无PTH刺激的情况下仍然持续生长一段时间。在这期间，成骨细胞可以维持很强的活性水平，破骨细胞维持较低活性水平，骨含量会持续增加。在PTH停药2周后，才出现骨量降低的撤回效应。该结果表明，骨骼在短期的PTH刺激后会持续生长一段时间。
基于这一发现，本课题提出一种周期性的注射-停药-注射-停药的间歇PTH治疗方案：PTH治疗3周，换生理盐水治疗3周，共循环3次，可以避免PTH撤回效应。通过对骨质疏松动物模型进行治疗并持续活体μCT扫描发现，在短期PTH治疗后实验动物骨量上升，停药后骨量能维持在一个较高水平，在3个周期的治疗后没有出现PTH的撤回效应，成功延长了PTH的使用功效和治疗时间。
(4)周期交替使用PTH和双膦酸盐(Alendronate, ALN)方案对骨质疏松治疗的研究：为了进一步抑制破骨细胞的活性，从而进一步提高间歇性PTH治疗方案的疗效。在上文提出的循环PTH治疗方法的停药期间加入ALN的联合用药方案：PTH治疗3周，换ALN治疗三周，共循环3次。通过在整个实验周期中定期进行活体μCT扫描和骨骼力学性能测试，实验结果显示，交替循环PTH-ALN和交替循环ALN-PTH的治疗都可极大提高实验动物的骨量，并且提高骨骼的抗压能力。这表明，本课题中提出的循环联合用药治疗方法，能够有效提高骨小梁与骨皮质的强度，其中对骨小梁的治疗效果优于对骨皮质的治疗效果。
综上所述，本课题通过多种实验手段，从图像学，组织学，力学等维度深入探索了骨骼微结构在PTH作用下的机理变化。研究结果为进一步理解PTH对骨骼微结构的影响及机理，提供了重要的基础数据和理论模型。同时，本研究不仅在骨科界首次发现短期PTH治疗停药后出现的“促骨质生长窗口期”，还对其加以应用，提出并验证了三种针对骨质疏松的有效用药方案：1)周期间歇性使用PTH，2)交替循环使用PTH和ALN，3)交替循环使用ALN和PTH。新方案不仅成功解决了PTH在临床治疗中遇到的撤回效应，延长了PTH治疗时间，还为临床长期使用PTH治疗骨质疏松创造了可能，提供了指导思路和理论基础。
甲状旁腺激素(ParathyroidHormone，PTH，简称甲旁素)是美国食品药品监督管理局FDA批准的第一种可以在临床中用于治疗骨质疏松症的促骨质生成药物。尽管PTH有极强的促骨质生长功效，但持续使用PTH会给患者带来很多副作用，如引发血钙升高，血磷降低的钙磷代谢失衡等症状。所以美国FDA规定PTH在临床治疗中只能短期使用18-24个月。
针对以上问题，本课题采用大鼠和小鼠骨质疏松模型从多角度探索PTH对骨质的作用效果和机理，从骨骼微结构，组织学，力学的尺度上阐述骨质对PTH的反应，进而提出一种周期性(3周)间歇使用PTH治疗骨质疏松的治疗方案，以及交替周期(3周)使用PTH和双膦酸盐(Alendronate, ALN)的治疗方案，以探索长期，有效地使用PTH治疗雌激素匮乏引起的骨质疏松病症的可能性，为骨质疏松病症的临床治疗提供新思路和理论数据支持。主要的研究内容和结果如下：
(1)精确、安全的活体动物骨骼微型CT扫描方法的建立：本课题结合3D打印自行设计了针对不同尺寸实验动物的扫描床和麻醉装置，并运用μCT三维成像技术获取高精度的骨骼微结构数据。然后使用图像配准技术，在不同的扫描中精确定位同一个骨骼微结构的位置并做定量分析。经过多次扫描测试，该扫描方案可以批量地进行高精度的活体动物扫描，展现骨骼三维微结构的动态变化，且表现出良好的可重复性。另一方面，扫描前后骨骼微结构形态和病理的分析结果显示，该扫描方案不会对实验动物的骨骼造成辐射危害。该扫描方案的建立，突破了传统的DXA成像法的局限，实现了高效精确的骨骼微结构原位分析，为本课题后续的研究奠定了实验基础，也为骨科研究领域的同行提供了安全的、精确的、标准化的活体扫描方案。
(2)稳定可靠的骨质疏松动物模型的建立：为了更好地研究药物对骨质疏松动物的治疗效果，本研究中通过双边卵巢切除手术(OVX)和吊尾法分别处理SD大鼠和C57BL/6J小鼠。通过对成年雌性SD大鼠进行双边卵巢切除手术(OVX)，可以在术后四周获得稳定的失去50%骨含量的雌激素匮乏骨质疏松大鼠模型。通过特制的吊尾装置将C57BL/6J小鼠的尾巴吊起，3周后由于后肢离地失重造成了小鼠后肢39%的骨含量损失，从而获得小鼠失重骨质疏松模型。骨质疏松动物模型的建立为后续的实验批量提供骨质疏松动物样本。
(3)PTH撤回效应的研究及周期间歇性使用PTH方案的提出：为了更好地理解PTH对骨骼微结构的作用机理，本课题通过横断面研究，基于μCT以及组织学手段，对健康动物及骨质疏松动物进行PTH治疗后并停药，持续记录骨骼微结构从接受PTH刺激，到PTH停药后的持续变化。实验结果显示，在短期(3周)PTH治疗停药后，有一个短暂的促骨质生长窗口期，即骨质在无PTH刺激的情况下仍然持续生长一段时间。在这期间，成骨细胞可以维持很强的活性水平，破骨细胞维持较低活性水平，骨含量会持续增加。在PTH停药2周后，才出现骨量降低的撤回效应。该结果表明，骨骼在短期的PTH刺激后会持续生长一段时间。
基于这一发现，本课题提出一种周期性的注射-停药-注射-停药的间歇PTH治疗方案：PTH治疗3周，换生理盐水治疗3周，共循环3次，可以避免PTH撤回效应。通过对骨质疏松动物模型进行治疗并持续活体μCT扫描发现，在短期PTH治疗后实验动物骨量上升，停药后骨量能维持在一个较高水平，在3个周期的治疗后没有出现PTH的撤回效应，成功延长了PTH的使用功效和治疗时间。
(4)周期交替使用PTH和双膦酸盐(Alendronate, ALN)方案对骨质疏松治疗的研究：为了进一步抑制破骨细胞的活性，从而进一步提高间歇性PTH治疗方案的疗效。在上文提出的循环PTH治疗方法的停药期间加入ALN的联合用药方案：PTH治疗3周，换ALN治疗三周，共循环3次。通过在整个实验周期中定期进行活体μCT扫描和骨骼力学性能测试，实验结果显示，交替循环PTH-ALN和交替循环ALN-PTH的治疗都可极大提高实验动物的骨量，并且提高骨骼的抗压能力。这表明，本课题中提出的循环联合用药治疗方法，能够有效提高骨小梁与骨皮质的强度，其中对骨小梁的治疗效果优于对骨皮质的治疗效果。
综上所述，本课题通过多种实验手段，从图像学，组织学，力学等维度深入探索了骨骼微结构在PTH作用下的机理变化。研究结果为进一步理解PTH对骨骼微结构的影响及机理，提供了重要的基础数据和理论模型。同时，本研究不仅在骨科界首次发现短期PTH治疗停药后出现的“促骨质生长窗口期”，还对其加以应用，提出并验证了三种针对骨质疏松的有效用药方案：1)周期间歇性使用PTH，2)交替循环使用PTH和ALN，3)交替循环使用ALN和PTH。新方案不仅成功解决了PTH在临床治疗中遇到的撤回效应，延长了PTH治疗时间，还为临床长期使用PTH治疗骨质疏松创造了可能，提供了指导思路和理论基础。