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引用本文:林华. 重视骨质疏松骨胶原的破坏与修复[J]. 中华医学杂志, 2026, 106(39): 4217-4223. DOI: 10.3760/cma.j.cn112137-20260409-00968.
通信作者:林华,Email:lh2116@126.com.
摘要
骨质疏松不仅表现为骨量下降,还伴随骨基质及骨胶原结构和功能受损。传统骨密度评估虽能反映骨矿化水平,但难以全面体现骨质量及骨组织力学性能。骨胶原在维持骨组织韧性、能量吸收及骨微结构稳定性方面具有重要作用,其异常交联、降解及修复障碍与骨脆性增加密切相关。该文围绕骨胶原在骨质疏松中的作用与价值,阐述骨胶原相关病理变化、影响因素及在骨质疏松性骨折中的作用机制,并介绍最新诊疗技术与发展方向。强调建立兼顾骨矿化与骨胶原状态的“矿化胶原双维度”骨质量评估体系的重要价值,为骨质疏松及骨质疏松性骨折的精准诊疗提供新思路。
关键词:骨质疏松;骨质量;骨微结构;骨胶原;成骨先行
传统观念中,骨质疏松几乎只与低骨密度画等号。世界卫生组织的诊断标准也基于骨密度测量值来评估骨质疏松的病情和疗效 [ 1 ] ,随着研究的逐渐深入,临床发现单纯的骨密度检测无法准确地提示骨结构和骨强度病变的真实状态。其根本原因在于:骨骼是一种材料,由约70%无机矿物质(主要是羟基磷灰石)和约30%有机基质(其中90%以上为Ⅰ型胶原)构成 [ 2-3 ] 。与骨软化或成骨不全等代谢性骨病不同,骨质疏松的病理特征主要表现为骨骼组成成分(矿物质与胶原)在微观结构上的等比例破坏与功能紊乱,而不仅仅是骨量的丢失;而骨软化主要以骨矿化障碍为特征,成骨不全则主要由Ⅰ型胶原结构或功能异常所导致。
目前绝大多数研究与临床干预措施仅聚焦于骨量,而骨质疏松及其骨折时的骨胶原损害与修复几乎被忽略。骨骼最重要的生理特性是其卓越的生物力学性能,即兼备硬度与韧性。矿物质赋予骨骼坚硬度和抗压力,而骨胶原纤维网络则提供了骨骼的抗弯强度和扭转韧性 [ 4 ] 。一个常被引用的比喻:纯矿物质像生铁一样硬而脆,而单纯胶原像橡皮筋一样软而柔,两者有机的结合才造就了骨骼的坚强与柔韧 [ 5-6 ] 。因此,单纯依赖骨密度难以反映骨结构与力学性能的真实状态 [ 7 ] 。
一、正确认识骨胶原的作用与价值
1.组织架构:骨胶原主要为Ⅰ型胶原,由成骨细胞合成并分泌到细胞外基质中。其自我组装成具有周期性横纹的纤维,这些纤维进一步交错、编织,形成支撑矿物沉积的有机框架,为羟基磷灰石晶体的有序沉积提供模板,共同构成骨骼的基本结构。更为重要的是,胶原纤维内部和纤维之间通过共价交联进行加固,这些交联是决定骨骼韧性的化学基础 [ 8 ] 。
2.生理作用:骨胶原赋予骨骼抵抗拉伸和扭曲的能力。当骨骼受力时,胶原纤维可通过自身的变形和纤维间的滑动来吸收能量,防止裂纹的快速扩展 [ 9 ] 。
3.临床作用:骨胶原的质与量直接决定骨骼的“韧性”。即使骨密度正常,如果胶原交联异常(如过度成熟的非酶促交联)( 图1 、 表1 ),骨骼韧性也会急剧下降,轻微创伤即可导致骨折 [ 10 ] 。这解释了为何部分骨密度正常和许多骨量减少的老年人经常会发生骨折的现象。流行病学调查证实,骨质疏松性骨折人群中,骨量减少患者人数更多 [ 11 ] 。
图1 胶原正常交联与异常交联对比图
二、全面理解骨质疏松骨胶原的病理变化和临床特征
在骨质疏松的病理过程中,骨吸收与骨形成的偶联失衡不仅发生在矿物质层面,同样深刻地影响着骨胶原。在骨质疏松状态下,骨胶原的损害不仅体现在数量减少,更表现为分子结构和交联模式的异常。
(一)破骨细胞对骨胶原的影响
破骨细胞在吸收骨矿物质的同时,通过分泌组织蛋白酶K等蛋白酶,高效降解骨胶原基质 [ 12 ] 。在骨质疏松状态下,破骨细胞活性异常增高,导致骨胶原被过快、过度的分解,破坏了骨骼的有机框架。
(二)成骨细胞对骨胶原的影响
伴随着增龄或疾病,成骨细胞的功能可能出现衰退,甚至凋亡,其合成新的质地优良的Ⅰ型胶原能力下降,无法形成具备正常生理功能的骨胶原,导致骨质量损害 [ 13 ] 。
(三)其他影响并加速骨胶原损害的因素
1.衰老:衰老导致成骨细胞功能衰退,同时伴随晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products,AGE)在骨胶原上的累积。AGE形成的非酶促交联使胶原变脆,是骨骼韧性下降的主要原因之一 [ 14 ] 。同时,AGE还可抑制成骨细胞分化并促进破骨细胞活化,进一步破坏骨基质稳态( 图2 ) [ 15 ] 。
图2 晚期糖基化终产物对胶原的影响
2.不良的生活方式:吸烟、酗酒和营养不良(如维生素C缺乏,维生素C是胶原合成必需的辅因子)都会损害胶原的合成与质量。
3.代谢性疾病、炎症及遗传因素等:这些因素通过不同机制影响成骨细胞功能、胶原合成及骨基质稳定性,从而导致骨质量下降。(1)糖尿病:糖尿病与骨健康的相关性研究相对较多。研究发现,在糖尿病患者中,AGE会在胶原分子之间形成非酶促交联,这种异常交联可改变胶原三螺旋结构,使胶原纤维网络变得更加刚性并降低其延展性和能量吸收能力,最终降低骨组织的抗裂性能 [ 16 ] 。在糖尿病患者中常出现“骨密度正常或偏高但骨折风险升高”的现象,这被称为“diabetic bone paradox”。其机制之一是骨基质中AGE积累导致胶原交联异常,降低骨组织韧性 [ 17 ] 。进一步的机制与临床综合研究指出,AGE在骨胶原中的积累会破坏骨基质材料性质,使骨组织在相同机械应力下更容易发生断裂,从而解释了“diabetic bone paradox”这一临床现象 [ 18 ] 。另外还有研究发现,AGE不仅通过形成异常非酶促交联直接改变骨胶原力学性能,还可通过AGE受体介导的炎症与氧化应激通路影响骨重建,表现为骨转换降低、成骨受抑以及老化骨胶原更新减少。在此情况下,患者骨密度可维持正常甚至轻度升高,但骨基质材料性能和骨韧性下降,从而形成“diabetic bone paradox” [ 19 ] 。因此,在高龄或糖尿病患者中,应关注患者的AGE负荷、骨基质质量以及骨微结构,而不仅仅是骨密度。(2)雌激素缺乏:雌激素是维持骨基质稳态的重要激素。研究表明,雌激素不仅抑制破骨细胞活性,还直接调节成骨细胞产生骨基质蛋白(尤其是Ⅰ型胶原) [ 20 ] 。(3)慢性炎症:慢性炎症性疾病(如类风湿关节炎)可通过炎症因子破坏骨基质稳态。炎症细胞释放的肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1和白细胞介素-6等细胞因子能够促进破骨细胞分化,并诱导骨基质降解 [ 21 ] 。(4)甲状旁腺功能亢进:甲状旁腺激素(parathyroid hormone,PTH)在生理条件下参与骨重建调节,但在持续升高状态(如原发性甲状旁腺功能亢进)时,可明显增加骨吸收 [ 22 ] 。(5)遗传因素带来的基因问题(如成骨不全):成骨不全主要由编码Ⅰ型胶原的 COL1A1和 COL1A2基因突变引起(占约85%~90%的病例)。这些基因突变会导致Ⅰ型胶原分子结构异常,从而破坏骨基质的正常结构和力学性能 [ 23 ] 。
三、重视骨质疏松治疗中的骨胶原修复
如前所述,骨组织是一种典型的矿物-有机复合材料。因此,骨质疏松的发生不仅是骨量减少,同时伴随着骨胶原结构与质量受损。不同抗骨质疏松药物对骨胶原代谢的影响存在明显差异,这提示目前治疗策略可能存在对骨胶原修复关注不足的盲区。
(一)钙与维生素D
钙和维生素D是骨质疏松治疗的基础补充治疗,其主要作用是维持钙磷代谢平衡并促进骨矿化。然而,这类治疗并不直接促进骨胶原合成或改善胶原结构 [ 24 ] 。对骨胶原合成和结构修复的作用有限。
(二)抗骨吸收类药物(如双膦酸盐、地舒单抗等)
这类药物通过抑制骨吸收,间接减少了骨胶原的降解,起到了“保护”现存胶原的作用,但其对合成新的胶原无直接促进作用 [ 25 ] 。抗骨吸收药物在骨胶原层面的主要作用是保护既有胶原结构,而非促进新的胶原合成。
(三)促骨形成类药物(如特立帕肽、阿巴洛肽等)
作为PTH及其类似物,其能强力刺激成骨细胞活性,促进Ⅰ型胶原的合成 [ 26 ] 。特立帕肽不仅增加骨量,还能改善骨基质组成和胶原结构质量 [ 27 ] 。基于这一机制,近年来提出了“成骨先行”的治疗理念,即在严重骨质疏松或极高骨折风险患者中优先使用成骨药物,然后再序贯抗骨吸收治疗,以获得更好的骨结构修复 [ 11 ] 。
(四)双重作用药物
罗莫索单抗是一种靶向硬骨素的单克隆抗体,通过激活Wnt/β-catenin信号通路促进骨形成,同时抑制骨吸收。实验研究发现,罗莫索单抗能够上调成骨相关基因表达,从而促进骨基质生成和骨微结构改善。影像学研究也证实,罗莫索单抗能够增加皮质骨厚度和松质骨密度,从而改善骨结构。因此,罗莫索单抗不仅增加骨量,还能够改善骨基质质量和骨胶原相关结构 [ 28-29 ] 。
(五)干细胞与未来发展
间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSC)是成骨细胞的重要来源,近年来成为骨质疏松治疗的重要研究方向。MSC可以分化为成骨细胞、合成Ⅰ型胶原以及形成骨基质。组织工程研究显示,通过构建富含胶原的骨修复支架并结合成骨因子,可显著促进骨再生和骨基质形成 [ 30 ] 。此外,利用MSC-衍生细胞或生物材料调控成骨分化,有望从根本上恢复骨胶原结构和骨基质质量,为未来骨质疏松治疗提供新的方向 [ 31 ] 。
四、创新研发骨胶原病变诊治的新技术和新方法
要将骨胶原病变的诊治真正纳入骨质疏松防治的临床实践,未来需要在骨胶原损害评估、胶原修复治疗以及再生医学技术等方面取得突破。目前,针对骨胶原及骨基质质量的评估仍以研究性技术为主,尚缺乏成熟、标准化且广泛应用于临床的检测体系。现有方法主要包括骨代谢标志物、骨微结构评估、MRI结合水成像、拉曼光谱及其他分子影像技术等。其中,部分指标[如骨小梁评分(trabecular bone score,TBS)、骨转换标志物]已具有一定临床应用基础,而多数直接反映骨胶原结构与交联状态的检测技术仍处于基础研究或转化研究阶段。当前面临的主要困难包括:缺乏统一参考标准、检测成本较高、设备可及性有限、结果重复性与稳定性不足以及缺少大规模前瞻性临床研究验证其对骨折风险预测的独立价值。
(一)骨胶原损害的评估:发展无创骨胶原检测技术
目前骨质疏松的诊断主要依赖双能X线吸收检测法(dual-energy X-ray absorptiometry,DXA)测量骨密度,但该方法只能反映骨矿含量,而无法直接评估骨基质中胶原含量、交联状态和结构完整性。近年来,多种新型影像和光谱技术被用于探索骨胶原损害的无创评估。
1.MRI评估骨胶原含量:骨组织中的胶原含量可以通过测量与胶原结合的水间接反映 [ 32 ] 。
2.拉曼光谱评估骨基质成分:拉曼光谱能够检测骨组织中的矿物与基质比例、胶原含量以及胶原交联状态。研究发现通过机器学习模型可实现90%准确率区分骨质疏松与骨量减少患者,且利用光谱参数可预测DXA测得的骨密度 [ 33 ] 。另外,拉曼光谱能够检测骨胶原交联比例变化,而这种变化与骨强度下降密切相关 [ 34 ] 。这些新技术有望成为继骨密度之后评估骨质量的重要工具。
(二)骨胶原损害的修复:矿化与胶原修复并重
未来骨质疏松治疗应从单纯“增加骨量”转向矿化提高与胶原修复并重的双维度诊疗模式。
1.靶向胶原交联的药物开发:AGE在胶原纤维中的积累会改变纤维力学行为,使胶原更加刚性但更易断裂,从而降低骨组织韧性 [ 35 ] 。因此,未来药物研发方向包括:清除AGE以及抑制AGE形成。这些策略可能从骨基质层面改善骨质量。
2.营养与生活方式干预:胶原合成需要多种营养因子参与,例如:甘氨酸、脯氨酸等氨基酸以及维生素C(促进胶原羟化) [ 36 ] 。因此,针对胶原代谢的营养干预(如补充特定氨基酸、维生素C或胶原肽)可能成为骨质疏松治疗的重要辅助策略。
3.新型仿生生物材料:近年来骨组织工程领域开发了多种矿化胶原仿生材料,其设计模拟天然骨结构,例如:(1)胶原纤维:主要提供结构支架,模拟骨骼中的有机质。(2)羟基磷灰石:主要提供矿物强度,模拟骨骼中的矿物成分。研究表明,这类材料能够促进成骨细胞黏附、血管生成以及骨再生 [ 37 ] 。既往研究也指出,胶原-羟基磷灰石复合支架已成为骨再生工程中最有前景的材料之一 [ 38 ] 。目前,这类矿化胶原仿生材料主要探索性应用于骨缺损修复、骨折内固定辅助、种植体骨整合以及骨组织工程支架等领域,由于其能够同时模拟天然骨组织中的矿物质与胶原基质,因此在改善骨再生微环境、促进骨整合及提高骨修复质量方面具有潜在优势。
4.基因与细胞治疗:MSC是成骨细胞的重要来源,其可分化为成骨细胞并合成Ⅰ型胶原。近年来的研究重点包括:调控MSC向成骨细胞分化、上调 COL1A1、 RUNX2等成骨基因以及利用基因编辑技术增强胶原合成能力。蛋白质组学研究已鉴定出多种与胶原代谢相关的潜在靶点(如COL1A1、COL1A2、LOX),为未来精准治疗提供新的方向 [ 39 ] 。这些技术有望实现从分子层面恢复骨基质结构。
5.“矿化-胶原双维度”风险评估模型:基于上述证据及新技术进展,未来骨质疏松风险评估可从两个维度进行:(1)矿化维度:评估骨量和矿化水平,基于DXA骨密度及定量计算机断层扫描等;(2)胶原维度:评估骨基质质量,基于AGE/戊糖素、骨代谢标志物(Ⅰ型前胶原氨基端前肽、Ⅰ型胶原C端肽)以及骨微结构(TBS、高分辨率外周定量计算机断层扫描)等。这种“矿化-胶原双维度模型”能够实现更精准的骨折风险预测与个体化治疗。但是目前“矿化-胶原双维度”骨质量评估模型仍处于临床转化探索阶段,尚缺乏统一的指标阈值、风险分层标准及循证验证体系。不同评估指标之间的整合方式及其对骨折风险预测的独立价值,仍需大规模前瞻性研究进一步明确。因此,该模型目前更适合作为未来骨质疏松精准评估与个体化干预的发展方向( 表2 )。
综上所述,骨质疏松防治必须从“唯骨密度论”走向提高骨骼质量、降低骨折风险的全方位干预。骨胶原在维持骨组织力学性能及骨质量中具有重要作用,其破坏是骨质疏松性骨折发生的重要因素,骨胶原修复则是重建骨骼生物力学性能的关键环节。未来,通过多学科交叉创新,有望实现对骨胶原从评估到修复的全程管理,从而真正为骨质疏松及其骨折的诊治提供一项全方位干预的重要手段。
利益冲突 所有作者声明不存在利益冲突
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(编辑:胡子衿)
(初审:梁明修)
(终审:张晓冬)
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