将微架构退化与卵巢切除小鼠股骨中的组织层面力学环境变化联系起来

《Scientific Reports》：Linking microarchitectural deterioration to altered tissue-level mechanical environments in ovariectomized mouse femora

　　

摘要

雌激素缺乏是导致骨质疏松性骨骼脆弱性的主要因素。虽然其形态学特征已有较多研究，但股骨不同区域的组织级力学环境仍不明确。本研究采用实验与计算相结合的方法，利用离体股骨三点弯曲数据以及小鼠模型的高分辨率微计算机断层扫描图像。我们量化了远端干骺端松质骨、股骨中段皮质骨及近端皮质骨相关区域的形态学参数。针对不同样本，建立了基于微计算机断层扫描的有限元模型，以重现实验中的加载条件，并通过实验得到的位移数据对其进行了验证。通过百分位数指标分析局部力学环境，即最大和最小主应变的数值，再通过线性回归分析这些应力值与结构参数之间的关系。雌激素缺乏组的干骺端松质骨微观结构质量较差，表现为骨体积分数、骨小梁厚度和骨小梁数量较低，而骨小梁间距较大。相比之下，皮质骨在面积和惯性矩方面存在较为明显但幅度较小的差异。经过验证的有限元模型显示，卵巢切除组在股骨所有区域的组织级应力水平均较高。其中，干骺端松质骨的应力差异最为显著，这类应力主要受骨小梁微观结构的影响；而皮质骨的应力则主要由横截面几何结构决定。这些研究结果表明，雌激素缺乏会导致组织级力学负荷分布发生变化，从而为观察到的骨骼更高脆弱性提供了机制上的解释。此外，该研究还展示了二次有限元分析在从现有实验数据中提取深层生物力学信息方面的作用，有助于更深入地理解结构缺陷如何导致骨质疏松症中的机械故障。