骨质疏松压缩椎体骨折时的骨密度与病理对照

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.22.001

摘要/Abstract

摘要：

背景：骨密度作为骨质疏松判断标准的一个条件已被广泛应用于临床疾病诊断中，但其体现椎体骨折自身病理改变特点的价值很少得到体现。
目的：观察骨质疏松性椎体压缩骨折在不同时期的骨密度范围及病理学特征，验证骨密度变化与病理特点的一致性。
方法：对45例影像学表现为骨质疏松性椎体压缩骨折的病例按年龄进行分组，术前均行股骨颈及腰椎骨密度(T值)检测，同时常规行影像学检查，之后给予经皮穿刺椎体成形术，术中常规行活组织取出进行病理切片观察。
结果与结论：术前骨密度测定可见骨密度值随年龄增加而逐渐减低；病理学表现：骨小梁随骨密度的丢失而变细、稀疏、数量减少，同时骨小梁之间间隔增宽，排列随着压缩程度的不同呈不规则或断裂、紊乱、甚至出现坏死，周围可见纤维增生，后期有反应性新生骨的形成。骨密度下降的趋势与骨折病理表现的过程有一致的相关性。结果表明骨质疏松性椎体骨折的骨质破坏分期是一个渐进性的病理发展过程，而骨密度的下降可反映椎体的压缩破坏程度。

关键词: 骨关节植入物, 脊柱损伤基础实验, 骨质疏松, 椎体压缩骨折, 骨密度, 病理学, 压缩性骨折

Abstract:

BACKGROUND: Bone mineral density, as the osteoporosis criteria, has been widely used in clinical disease diagnosis, but its value of reflecting the changes of pathological characteristics of vertebral body fracture has not been explored.
OBJECTIVE: To observe the bone mineral density range and pathological features in different periods of osteoporotic vertebral compression fractures, and to verify the consistency of bone mineral density and pathology.
METHODS: Forty-five cases of osteoporotic vertebral compression fractures in imaging findings were divided into groups according to age, femoral neck and lumbar vertebral bone mineral density (T value) tests were performed before surgery, as well as the routine imaging test. Then, all the patients received percutaneous kyphoplasty, and the living tissues were obtained for the pathological section observation.
RESULTS AND CONCLUSION: Preoperative bone mineral density range tests showed that the bone mineral density was decreased with the increasing age; the pathological findings showed that with the reducing bone mineral density, the trabecular became thining and sparse, and the number was reduced, the space between trabeculars was widened; the arrangement was irregular with broken, disorder, or even necrosis, and fibrous tissue proliferation could be seen around the trabecular, and reactive new bone formation could be seen later. There was consistency between the bone mineral density decreasing trend and the pathological manifestations. The results indicate that the bone destruction staging of osteoporotic vertebral fractures is a progressive pathological process, while the decrease in bone mineral density may reflect the extent of vertebral compression damage.

Key words: bone and joint implants, basic experiment of spinal cord injury, osteoporosis, vertebral compression fractures, bone mineral density, pathology, compression fractures

中图分类号:

R318

崔江朝，孙建民，崔新刚，蒋振松. 骨质疏松压缩椎体骨折时的骨密度与病理对照[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(22): 3991-3997.

Cui Jiang-chao, Sun Jian-min, Cui Xin-gang, Jiang Zhen-song. Bone mineral density and pathologic study of osteoporotic vertebral compression fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(22): 3991-3997.

图/表（结果） 5

2.1 参与者数量分析 参与临床试验的患者共45例，按年龄分为4组，资料均完整，病史详细，数据准确可靠，均进行结果分析，未出现数据资料的丢失等。

2.2 各组基线资料比较 见表1-3。各组间患者年龄构成比差异有显著性意义(P < 0.05)，在60-69岁组与其他组可见明显性别差异，而体质量指数在各组之间差异无显著性意义(P > 0.05)。

2.3 不同年龄组间所测定的骨质疏松骨折患者骨密度值比较 各年龄组间腰椎平均骨密度值下降差异存在显著性意义(P < 0.05)，且腰椎骨密度降低比股骨近端较为明显。高年龄组(60-69岁组、70-79岁组、80岁以上组)的椎体骨密度值明显低于较低年龄组(50-59岁组)，且呈逐渐加重的降低趋势；各组间的椎体密度值差异有显著性意义(P < 0.05)，见图1和表4。

椎体骨密度的大小直接影响椎体的抗变形能力^[5,9-10] ，结果发现椎体骨质密度与压缩比值程度存在明显的正相关关系，见图2，与肖越勇等^[11]的实验研究相一致，即椎体骨密度下降明显者所引起的椎体压缩变形程度更为严重，而椎体破坏直接表现为病理形态学的变化。

2.4 病理切片观察结果 45例患者共取骨组织标本47个，未发现有肿瘤、结核等病例。 50-59岁组共10例，主要表现为骨小梁变细减少、小梁之间连接断续，间隔增宽、排列不规则，有少量纤维增生及血块组织，见图3A。

60-69岁组共18例，病理主要表现为可见少量坏死的骨组织，骨小梁断裂、排列紊乱，周围间质、纤维组织增生，可见骨髓细胞，有反应性新生骨形成，见图3B；1例出现周围软组织肌纤维母样细胞反应性增生。

70-79岁组共11例，其病理示有较多骨组织变性坏死，骨小梁结构破坏紊乱不规则，周围结缔组织也伴有变性坏死，有少量编织骨形成，见图3C。

80岁以上组6例，病理见反应性硬化骨形成，部分组织变性伴坏死，可有慢性炎细胞，坏死骨质较多，见图3D。

2.5 骨密度与病理特征的相关性 通过病史、影像及骨密度检查，所有45例椎体压缩骨折均为单纯性骨质疏松性骨折。4个年龄组骨密度测量显示随着时间的延长，椎体内的密度逐渐降低，且下降的趋势加重；病理组织学可见早期有较明显的血块组织及急慢性炎细胞浸润，骨小梁随骨折的不断加重出现变细减少、稀疏、断裂等，其排列出现移位、不规则、甚至紊乱等，同时周围可见有纤维软骨组织、结缔组织等增生，也有少量的反应性新生骨。

Konermann等^[12]以及Ebbesen等^[13]的研究证实椎体的骨质疏松早先发生在椎体中部区域，而到后期才波及到椎体周边骨质；在实验所观察的骨显微结构切片中得到相同的结论，椎体深部所取标本可见骨组织的结构与序列破坏较为严重，而浅层标本尚可见存在一定结构的骨小梁及纤维结缔组织。

参考文献

[1]An Z,Yang DZ,Zhang ZJ,et al. Zhongguo Guzhi Shusong Zazhi. 2002;8(1):82-83.安珍,杨定焯,张祖君,等.骨质疏松性脊椎压缩性骨折流行病学调查分析[J]. 中国骨质疏松杂志, 2002,8(1):82-83.

[2]Li NH,Qu PZ,Zhu HM,et al. Zhonghua Yixue Zazhi: Yingwenban. 2002;115(5):773-775.李宁华,区品中,朱汉民,等.中国部分地区中老年人群骨质疏松症患病率研究[J].中华医学杂志:英文版,2002,115(5):773- 775.

[3]Ettinger MP. Aging bone and osteoporosis: strategies for preventing fractures in the elderly. Arch Intern Med. 2003; 163(18):2237-2246.

[4]Fechtenbaum J, Cropet C, Kolta S,et al.The severity of vertebral fractures and health-related quality of life in osteoporotic postmenopausal women. Osteoporos Int. 2005;16(12):2175-2179.

[5]Xu WH,Ma Y,Li Y,et al. Jiangxi Yixueyuan Xuebao. 2005; 45(5):21-23,27.徐文华,马勇,李云,等.椎体骨密度与椎体生物力学的关系[J]. 江西医学院学报, 2005, 45(5):21-23,27.

[6]Xu SW,Gu GH,Zhao GF,et al. Zhonghua Jizhen Yixue Zazhi. 2002;11(5):324-326.徐少文,顾耕华,赵光锋,等.实验性骨质疏松性骨折愈合中的骨密度及组织学观察[J].中华急诊医学杂志,2002,11(5):324-326.

[7]Wu L,Wu YN,Shen Y,et al. Yunnan Yiyao. 2007;28(1):11-14.吴玲,吴亚楠,沈芸,等.骨质疏松性骨折与老年保健[J].云南医药, 2007,28(1):11-14.

[8]Hao YQ,Dai KR. Zhongguo Guzhi Shusong Zazhi. 2005;11(3): 273-277.郝永强,戴尅戎.骨质疏松性骨折愈合与骨量、骨结构及力学性能相关性的实验研究[J].中国骨质疏松杂志, 2005, 11(3):273-277.

[9]Hulme PA, Boyd SK, Ferguson SJ. Regional variation in vertebral bone morphology and its contribution to vertebral fracture strength.Bone. 2007;41(6):946-957.

[10]Vega E, Ghiringhelli G, Mautalen C,et al. Bone mineral density and bone size in men with primary osteoporosis and vertebral fractures.Calcif Tissue Int. 1998;62(5):465-469.

[11]Xiao YY,Zhang JS,Hua BX,et al. Zhongguo Yixue Yingxiang Jishu. 2002; 18(7):625-627.肖越勇,张金山,华伯勋,等. 定量CT骨密度测量预测椎体压缩骨折的实验研究[J].中国医学影像技术, 2002, 18(7):625-627.

[12]Konermann W, Stubbe F, Link T,et al. Axial compressive strength of thoraco-lumbar vertebrae--an experimental biomechanical study. Z Orthop Ihre Grenzgeb. 1999;137(3): 223-231.

[13]Ebbesen EN, Thomsen JS, Beck-Nielsen H,et al. Age- and gender-related differences in vertebral bone mass, density, and strength.J Bone Miner Res. 1999;14(8):1394-1403.

[14]Xu L.Zhongguo Guzhi Shusong Zazhi. 2000;6(2):44-47.徐苓. 骨质疏松症的流行病学调查[J].中国骨质疏松杂志, 2000, 6(2):44-47.

[15]Bai B,Jazrawi LM,Kummer FJ,et al. The use of an injectable, biodegradable calcium phosphate bone substitute for the prophylactic augmentation of osteoporotic vertebrae and the management of vertebral compression fractures.Spine (Phila Pa 1976). 1999;24(15):1521-1526.

[16]Tohmeh AG, Mathis JM, Fenton DC, et al. Biomechanical efficacy of unipedicular versus bipedicular vertebroplasty for the management of osteoporotic compression fractures.Spine (Phila Pa 1976). 1999;24(17):1772-1776.

[17]Feltrin GP, Macchi V, Saccavini C,et al. Fractal analysis of lumbar vertebral cancellous bone architecture.Clin Anat. 2001;14(6):414-417.

[18]Heaney RP. Pathophysiology of osteoporosis. Endocrinol Metab Clin North Am. 1998;27(2):255-265.

[19]Briggs AM, Greig AM, Wark JD.The vertebral fracture cascade in osteoporosis: a review of aetiopathogenesis. Osteoporos Int. 2007;18(5):575-584.

[20]Kumasaka S,Asa K, Kawamata R, et al. Relationship between bone mineral density and bone stiffness in bone fracture. Oral Radiol. 2005; 21:38-40.

[21]McDonnell P,McHugh PE, O'Mahoney D.Vertebral osteoporosis and trabecular bone quality.Ann Biomed Eng. 2007;35(2):170-189.

[22]Jager PL,Jonkman S, Koolhaas W, et al. Combined vertebral fracture assessment and bone mineral density measurement: a new standard in the diagnosis of osteoporosis in academic populations.Osteoporos Int. 2011;22(4):1059-1068.

[23]Shen NJ, Kuhn V, Eckstein F, et al.Zhongguo Guzhi Shusong Zazhi. 2002; 8(3):222-225.沈宁江, Kuhn V, Eckstein F, et al. 老年及不同老龄段脊柱椎体骨密度测定研究[J]. 中国骨质疏松杂志, 2002, 8(3):222-225.

[24]Antonacci MD, Mody DR, Rutz K,et al. A histologic study of fractured human vertebral bodies. J Spinal Disord Tech. 2002; 15(2):118-126.

[25]Diamond TH, Clark WA, Kumar SV. Histomorphometric analysis of fracture healing cascade in acute osteoporotic vertebral body fractures. Bone. 2007;40(3):775-780.

[26]Chen H, Shoumura S, Emura S,et al. Regional variations of vertebral trabecular bone microstructure with age and gender.Osteoporos Int. 2008;19(10):1473-1483.

[27]Legrand E, Chappard D, Pascaretti C,et al.Trabecular bone microarchitecture, bone mineral density, and vertebral fractures in male osteoporosis. J Bone Miner Res. 2000;15(1): 13-19.

[28]Ravn P, Rix M, Andreassen H,et al. High bone turnover is associated with low bone mass and spinal fracture in postmenopausal women. Calcif Tissue Int. 1997;60(3): 255-260.

[29]Zhang SX,Guo XQ,Qiu YJ,et al. Shiyong Fangshexue Zazhi. 2008; 24(10):1414-1417.张淑娴,郭新全,邱玉金,等.兔椎体骨折愈合过程的X线表现与病理学变化对照研究[J].实用放射学杂志, 2008, 24(10):1414- 1417.

[30]Li SP. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu. 2011;15(20):3767-3770.李素萍.骨质疏松动物模型的研究现状[J].中国组织工程研究与临床康复, 2011,15(20):3767-3770.

引言

随着现代社会人口老龄化的逐步进展，骨质疏松症的发病率正逐年显著增加，已成为常见的公众健康问题之一。而据报道，中国50岁以上老年人骨质疏松症的患病率约为15%^[1-2] ，骨折发生率接近1/3，脊柱压缩骨折的发病率随年龄而呈直线增高，80岁以上患者甚至可达到36%。美国学者Ettinger的统计表明，在美国由骨质疏松所引起的脊柱骨折发病率可达到16%^[3] 。椎体骨质疏松骨折可引起腰背痛、后凸畸形及降低生活质量^[4] 。骨质疏松是脊柱椎体压缩骨折的最常见病因，主要表现为骨量下降、骨组织微结构退变、骨骼力学性能下降及易于发生骨折为特征的一系列病理过程，而衡量是否骨质疏松的最简单和常用的方法就是测定骨密度来反映椎体的骨质疏松程度和骨折危险性^[5] 。徐少文等^[6]通过大鼠骨质疏松性骨折实验研究证明：骨质疏松不仅仅可以使全身的骨密度下降，也能使骨折愈合中骨折端骨密度升高的速度减慢；同时骨质疏松性骨折愈合过程中的质量降低是骨折端骨密度值降低的重要原因。吴玲等^[7]对临床大量病例进行骨密度测定的调查研究显示：骨质疏松骨折组骨密度值明显低于非骨折组，认为骨密度的下降是引起骨质疏松骨折的主要因素之一。郝永强等^[8]对大鼠骨质疏松性骨折实验研究的测试结果表明：骨折在愈合修复的过程中，骨痂组织的有机成分组成、显微结构、骨矿代谢与骨质量的异常改变致使骨组织力学强度的下降乃至骨折愈合质量的降低，是再次发生骨折的主要原因。为此，作者拟通过观察不同年龄段骨质疏松性骨折过程中椎体骨密度值的改变、力学性能与病理组织学观察的显微结构特点及其相关性改变，探讨骨质疏松性椎体压缩骨折发展过程中骨量、骨密度与病理特征的相互关系。

山东大学附属省立医院脊柱外科对45例椎体压缩性骨折患者行经皮椎体后凸成形术，实施椎体内组织病理切片检查，并进行骨密度测定，获得骨质疏松易发生骨折的范围值，评价椎体压缩骨折的发病过程。

材料方法

设计：回顾性病例分析。
时间及地点：于2011年2月至2012年3月在山东大学附属省立医院脊柱外科及病理科完成。
对象：选择2011年2月至2012年3月在山东大学附属省立医院脊柱外科住院就诊的骨质疏松骨折患者45例，男10例，女35例，年龄53-90岁，平均年龄67岁，中位年龄65岁。所有患者均为椎体压缩性骨折，包括胸椎21节及腰椎26节。按年龄将所有病例分为50-59岁组10例，平均年龄56.7岁；60-69岁组18例，平均年龄63.8岁；70-79岁组11例，平均年龄72.5岁，80岁以上组6例，平均年龄83.5岁。
诊断标准：术前进行常规腰椎及非优势侧股骨近端骨密度值测定。通过X射线、MR确定为骨质疏松性骨折。
纳入标准： ①所有病例均为成年人(年龄≥18岁)。②均为单纯骨质疏松性骨折，不包含病理性骨折(如转移瘤、结核、感染等)。③椎体后凸成形术中留取骨组织标本、切片观察。④病例资料完整，随访3个月以上。
排除标准：术前进行血(生化、肝功、血沉、C-反应蛋白等)、尿检查，排除肿瘤、肾病、糖尿病、甲状旁腺疾病、结核及长期应用激素患者。
方法：
骨密度测定：采用双能X射线骨密度仪测定骨密度，测定部位为腰椎(L2-L4)，观测骨密度值并计算相应T值。
病理学检查：患者常规取俯卧位，在局麻下经椎弓根入路行椎体后凸成形术，术中常规取3 mm×4 mm左右大小的骨组织样本，用体积分数为10%甲醛溶液进行固定，做病理学观察。在经甲醛溶液固定之后，将骨组织用乙二胺四乙酸二钠脱钙，并常规方法脱水、石蜡包埋、切片、苏木精-伊红染色，由经验丰富的病理学医师在显微镜下进行切片观察。
主要观察指标：腰椎骨密度，骨组织标本经苏木精-伊红染色观察骨小梁结构和骨组织坏死结构。
统计学分析：所有数据采用统计学分析SPSS 16.0软件包进行整理分析，计量资料用x(_)±s表示，计算各年龄组的骨密度范围值，显著性检验采用两个样本均数比较的t 检验，检验水准为双侧α=0.05，P < 0.05为差异有显著性意义；对不同年龄组椎体压缩高度比指标进行直线相关分析比较。统计学处理由第一作者完成。

讨论

据中华医学会骨质疏松与骨矿盐疾病学会^[14]报道，目前中国的骨质疏松患者至少有8 800万之多，而脊柱压缩性骨折是由其引起的重要并发症与常见病之一。脊柱椎体骨质疏松性压缩骨折是由于其本身力学性能降低、体内激素代谢引起骨量较少、骨组织结构紊乱，在自身重力或轻微外力作用下导致的骨脆性增加，发生骨折。Bai等^[9,15]已经证实骨密度是反映椎体生物力学性质的较良好指标，其中主要的衡量指标是椎体的刚度和压缩强度，二者反映了椎体的抗变及负荷能力。Tohmeh等^[16]及肖越勇等^[11]研究表明骨密度与压缩强度、刚度有着明显的相关性，当出现骨质疏松时，椎体内的骨矿物质含量丢失减少、骨密度降低，骨结构退化，表现为骨小梁变薄细、断裂、脆性增加等，因此骨密度是预测椎体退变及压缩骨折的重要指标。但后者的实验表明骨密度与椎体压缩强度之间并不是直线关系，而是平方回归关系。由此可见影响椎体压缩强度的因素除与椎体本身钙盐含量多少有关之外，还存在其他的复杂因素，可能有椎体本身的密质骨与松质骨的成分比例、排列结构方式及由此产生的生物特性^[17] 。Heaney^[18-19]也认为骨质疏松性骨折是骨强度下降的表现。Kumasaka等^[20]认为虽然骨密度测定是最佳的，但是，骨折的发生并不依赖于骨密度或骨骼强度值。McDonnell等^[21]认为该方法并没有对骨小梁质量变化的影响进行很好的说明。最近Jager等^[22]认为联合椎体骨折评估和骨密度测量是作为诊断的新标准。由上述的病例研究结果，得出椎体密度随年龄的增加而逐渐下降，且组间比较差异有显著性意义。与国内沈宁江等^[23]进行的尸体标本研究相一致，但他认为各年龄组间差异无显著性意义。

在本组病例47个病理切片标本中含有椎体内的骨组织、纤维组织及软组织等，45例的病例结果均符合术前骨质疏松性压缩骨折的诊断。Antonacci等^[24]研究尸体的椎体标本变化，发现骨折愈合病变中包含坏死、无血管的骨组织内出现软骨内成骨。国外学者Diamond等^[25]对椎体压缩性骨折后1-24周内的椎体活组织切片进行了组织病理形态学的观察，按骨折愈合的不同阶段分析，椎体内的骨组织反映也不同。可大致分4个时期：①骨折2周内主要为含纤维组织及死骨的血肿较多。②2-4周内，表现为骨基质及软骨的合成。③编织骨形成和软骨内成骨主要在骨折后4-6周内。④6周后则以骨硬化及塑形为主。该研究认为骨折时间是椎体内组织愈合分期的重要预测点，同时每个阶段没有严格的划分，其病例中76%的表现至少有2个阶段的组织病理学改变。这与作者所研究的病理结果大致相同，主要是骨小梁破坏、结缔组织增生、反应性硬化骨形成，但未见骨基质合成及软骨内成骨，之间有少量纤维软骨组织，可能与所取活组织、病程长短、手术时间早等有关。

Chen等^[26]发现骨质量和骨小梁的数量随着骨密度下降而丢失，可能与骨质再吸收活动的增强有关。Legrand等^[27]的调查结果表明骨小梁的微结构是骨质疏松椎体骨折的主要与独立决定因素。由于骨密度能反应骨质疏松程度、预测骨折危险性，在很大程度上正确的反应椎体的骨质状况。Ravn等^[28]临床发现高度骨转换吸收是脊柱骨折与骨质疏松发生率较高的危险因素，尤其是在绝经后的妇女中；这与作者所研究的临床发现相一致：女性在椎体骨质疏松的发生率中处于较高水平。

疏松的椎体在骨折后，由于脊柱本身的负重，骨折部位则处于一个不断受挤压、碰撞的动态运动过程，使得断端的骨小梁相互摩擦、碰撞，甚至压缩、颠倒和扭曲等，直至最后出现断裂，排列紊乱、结构消失。由于椎体松质骨骨折处缺少骨痂的形成，骨小梁难以愈合，在重力及其他应力的多重作用下，使骨折的椎体非常容易的发生压缩。

此项回顾性实验研究以临床单纯骨质疏松性椎体压缩骨折患者为病例研究对象，测定了不同骨质疏松年龄组的骨密度范围值，结果显示：不同年龄段的老年骨质疏松症人群，骨密度降低有着明显的差异性，这与椎体本身的骨质成分、组织结构及生物力学性能存在着明显的相关性。实验中病理学所观察到的结果可大致描绘出骨折后椎体内的组织微观结构改变，一定程度上反映了骨质疏松压缩破坏过程中的骨密度改变的病理学基础。

目前很少有文献报道应用人体骨密度值来评价椎体骨质疏松性骨折的病理发展过程，只是对骨质疏松骨折的病理表现进行了单一的阐述。国内张淑娴等[29]利用兔的椎体骨折愈合模型观察其病理变化特点，其骨密度通过平片来分析，在一定程度上反映骨折愈合过程的病理改变，但并没有对骨密度的增高与减少进行直接评价。李素萍[30]对目前动物实验模型进行综合提炼，认为兔的骨质疏松动物模型应用的比较广泛。动物实验模型作为一种最常用的并且可以间接地反映人类所患疾病发生发展过程的媒介和手段方法，还不能完全代表人体病患。骨质疏松症是一类病程较长且进展缓慢的慢性代谢性疾病，所以目前所能做到的动物实验模型可能仅仅是侧重于表现该疾病的某一阶段发展、某些特征性病理生理性变化或者是某一种的主要病因。由于动物椎体骨质疏松模型的解剖学结构、自身变化、生物力学变化等方面与人类存在相当程度的不同，所以要通过实验动物模型来表现人体所患骨质疏松的病理生理变化特点，进行实验前必须在实验设计上明确所要研究的内容或关键，选择合适的模型方法。随着国内外对其研究的不断深入，不断会有更准确、更接近人体生理的动物实验模型出现，也更能全面地了解和认识骨质疏松的进展。

综上研究表明，骨密度下降的严重程度是影响骨质疏松患者椎体骨折的一个重要因素，在临床工作中可通过对老年骨质疏松人群进行普遍的骨密度筛查并进行常规拍片检查，对高危人群进行详细的安全评估，积极预防与治疗骨折疏松症，这样可进一步提高骨质疏松患者的生活质量。