《Brain and Spine》：Georg Schmorl Prize of the German Spine Society (DWG) 2025: Abdominal aortic calcification indicates altered bone microarchitecture and extracellular matrix quality in patients undergoing lumbar fusion surgery
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骨质量对于获得令人满意的脊柱手术疗效至关重要。腹主动脉钙化（AAC）与较低的骨矿密度（BMD）及增高的骨折风险相关，但其与骨微观结构及细胞外基质（ECM）质量的关联尚探索不足。研究旨在探讨在腰椎融合手术患者中，AAC是否独立于BMD与骨质量相关。研究纳入139
骨质量对于获得令人满意的脊柱手术疗效至关重要。腹主动脉钙化（AAC）与较低的骨矿密度（BMD）及增高的骨折风险相关，但其与骨微观结构及细胞外基质（ECM）质量的关联尚探索不足。研究旨在探讨在腰椎融合手术患者中，AAC是否独立于BMD与骨质量相关。研究纳入139例接受腰椎融合手术的患者，采用Kauppila评分在侧位腰椎X线片上评估AAC；通过定量CT（qCT）测量BMD；采用显微CT（micro-CT）分析髂嵴活检标本的骨微观结构，采用傅里叶变换红外成像（FTIRI）分析ECM参数。采用相关分析及校正BMD或混杂因素（年龄、性别、体重指数、吸烟、糖尿病）后的多变量回归分析检验关联性。结果显示，AAC严重度增高与较低的BMD（r = –0.37, p < 0.001）、较高的骨小梁组织矿密度（TMD）（r = 0.40, p < 0.001）和皮质TMD（r = 0.29, p = 0.001）、较低的皮质矿化成熟度/结晶度（MMC）（r = –0.26, p = 0.003）、以及较高的皮质（r = 0.27, p = 0.002）和骨小梁（r = 0.24, p = 0.005）MMC异质性相关。在多变量模型中，AAC仍独立地与较低的BMD（p = 0.001）、较高的骨小梁TMD（p = 0.02）和较高的骨小梁MMC异质性（p < 0.001）相关。术前AAC评估可能代表独立于BMD的骨质量特征改变。因此，AAC评分可优化术前风险评估，并触发骨学检查以降低脊柱融合手术的并发症风险。
该研究由Paul K?hli、Alexander P. Hughes等研究人员开展，发表于《Brain and Spine》，旨在探讨腹主动脉钙化（AAC）与腰椎融合手术患者骨微观结构及细胞外基质（ECM）质量之间的关系，以期为术前骨质量评估提供简便易行的替代标志物。
研究背景与问题：骨质量对于骨折预防及骨科手术成功与否至关重要。在临床实践中，骨质量通常通过病史采集及骨矿密度（BMD）测量进行评估，包括双能X线吸收法（DXA）或脊柱手术中更为常用的机会性定量CT（qCT）。然而，骨质量并非仅指宏观矿含量，其宏观与微观结构、ECM质量以及肌肉提供的张力带机制共同构成了骨骼的抗骨折能力。在脊柱融合手术患者中，骨质量低下与假关节形成、内固定松动或邻近节段骨折等机械性并发症密切相关。AAC是心血管疾病的替代标志物，与年龄、性别、吸烟及糖尿病等危险因素相关。既往研究已证实AAC与普通人群及脊柱手术患者骨质量降低、骨折风险增高及术后疗效较差相关。尽管AAC与BMD的关联已在不同人群中广泛研究，但关于骨微观结构和ECM质量的研究却十分有限。由于骨微观结构和ECM质量评估需要侵入性骨活检，相关临床数据匮乏。鉴于侧位腰椎X线片在腰椎术前常规获取，若AAC与骨微观结构及ECM质量相关，则其有望成为超越BMD的骨质量评估工具，指导脊柱外科医师启动骨学检查并调整手术策略以降低机械性并发症风险。因此，该研究旨在分析AAC与腰椎融合手术患者髂嵴活检标本中骨微观结构和基质成分之间的关联。
研究设计与技术方法：该研究为机构审查委员会批准的前瞻性队列研究的回顾性二次分析（证据级别3级），于2014年至2021年间纳入因退行性疾病接受后路腰椎融合手术的成年患者，排除使用抗骨质疏松药物或术前侧位X线片不适宜AAC分级者，最终139例患者纳入分析。AAC评估采用Kauppila法在站立位侧位腰椎X线片上进行半定量评分，评估L1至L4水平主动脉壁前壁及后壁的钙化程度，总分0-24分，并分为无钙化（0分）、中度钙化（1-4分）和重度钙化（≥5分）三组。术中在取髂骨植骨前，采用15mm定制环钻于髂后上棘下方获取双皮质髂嵴活检标本。标本经乙醇固定后行micro-CT扫描（Scanco μCT35系统，分辨率10μm），随后包埋于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），切片后进行FTIRI分析（Perkin-Elmer Spotlight 300系统，分辨率6.25μm×6.25μm/像素）。BMD测量采用机会性qCT（Mindways QCT Pro软件）评估L1/L2椎体及髂嵴的骨小梁体积BMD（vBMD）。统计分析采用Spearman相关分析及校正vBMD或混杂因素后的多变量线性回归分析。
研究结果：
研究队列特征：在153例接受腰椎融合手术的患者中，排除10例使用抗骨质疏松药物和4例术前侧位X线片不足者后，139例患者纳入分析。中位年龄62岁，男女比例相近。AAC严重度较高者年龄更大，高血压及吸烟史患病率更高，而BMI、糖尿病、慢性阻塞性肺疾病及饮酒情况组间无显著差异。
骨矿密度、微观结构及ECM组成：分组比较显示，不同AAC严重度组在腰椎和髂嵴vBMD方面存在显著差异（p<0.001及p=0.003），中度和重度AAC组的腰椎vBMD均显著低于无AAC组（重度vs无：-30%，p<0.001；中度vs无：-16%，p=0.001），骰后检验髂嵴vBMD结果类似。皮质骨微观结构中，骨体积分数（BV/TV）和表观密度（AD）无组间差异，但TMD显著不同（p=0.003），重度AAC组皮质TMD较无AAC组高 Anyway, looking at the data - no AAC组显著升高（+4%，p<0.01）。骨小梁微观结构参数除TMD外均无显著组间差异，而TMD在重度AAC组较无AAC组显著升高（+4%，p<0.001），中度AAC组亦升高（+1%，p<0.05）。ECM特性方面，皮质骨中MMC（p=0.010）及其异质性（p=0.011）组间差异显著，重度AAC组皮质MMC显著降低（-2.5%，p<0.01），而MMC异质性显著升高（+33%，p<0.01）。骨小梁中仅MMC异质性组间差异显著（p=0.012），重度AAC组较无AAC组升高（+14%，p=0.012）。
相关性与多变量分析：Spearman相关分析证实，AAC严重度与腰椎vBMD（rho = –0.37, p < 0.001）和髂嵴vBMD（rho = –0.33, p = 0.001）呈负相关，与皮质TMD（rho = 0.29, p = 0.001）、骨小梁TMD（rho = 0.40, p < 0.001）、皮质MMC异质性（rho = 0.27, p = 0.003）及骨小梁MMC异质性（rho = 0.24, p = 0.005）呈正相关。多变量回归模型校正vBMD后，AAC仍与皮质TMD（p = 0.019）、骨小梁TMD（p < 0.001）及皮质和骨小梁MMC异质性（p = 0.001, p = 0.023）独立相关。进一步校正年龄、性别、BMI、糖尿病和吸烟状态后，AAC仍独立地与较低的腰椎vBMD（p = 0.001）和髂嵴vBMD（p = 0.042）、较高的骨小梁TMD（p = 0.016）及骨小梁MMC异质性（p = 0.001）Grade。实验室参数中，仅血肌酐（rho = 0.22, p = 0.008）和糖化血红蛋白（rho = 0.24, p = 0.009）与AAC呈弱相关，骨转换标志物及维生素D水平无显著关联。
讨论与结论：该研究证实了AAC与vBMD的负向关联独立于年龄、性别、BMI、吸烟状态或糖尿病等潜在危险因素。同时发现，尽管AAC与较低vBMD相关，但AAC严重度较高者的皮质和骨小梁TMD更高、MMC异质性更大，且此关联独立于vBMD。这是迄今最大规模的探讨非透析或脊柱手术患者AAC与骨micro- architecture关系的髂嵴活检研究，并首次采用FTIRI addressed AAC与骨ECM property的关联。研究表明，AAC所反映的血管钙化与骨代谢改变可能存在 shared pathophysiological pathway，包括慢性炎症、异常硬化蛋白（sclerostin）信号传导、肾上腺素能信号增强及晚期糖基化终末产物（AGEs）积累等。其中，交感神经系统（SNS）活性增高尤为值得关注，因其可能是可干预的治疗靶点——β肾上腺素能信号促进血管平滑肌细胞成骨分化和钙化，同时通过β2肾上腺素能受体抑制成骨细胞活性。
对于脊柱融合手术患者，AAC相关的骨微观结构改变可能解释其术后机械性并发症风险增高。研究观察到的模式——TMD增高伴随MMC降低和MMC异质性增高——提示骨骼基质中同时存在更多经过长期继发矿化的骨包块和更多较小、较不完美的晶体，后者通常与新生骨相关，这可能与力学特性改变导致的机械性并发症风险增高有关。FTIRI研究表明， mineral:matrix ratio和MMC增高通常与更大的压痕模量相关，提示更成熟的骨组织具有更强的机械性能。Gourion-Arsiquaud等观察到髋部骨折患者Min:Mat和C/P异质性降低而MMC异质性增高，与本研究结果一致。
值得注意的是，该队列中AAC严重度与micro-CT derived microstructure parameters除TMD外均无显著关联，表明AAC相关改变主要影响骨矿化和基质成分而非 architectural properties。这与血液透析患者采用DXA derived trabecular bone score或HR-pQCT观察到的结果不同，可能反映了慢性肾病的影响或测量部位及分辨率差异。
鉴于AAC易从术前常规侧位腰椎X线片获取，而骨微观结构和ECM质量在术前常规实践中难以评估，AAC评分可作为识别骨质量受损患者的实用替代标志物。将AAC评估纳入术前评估有助于骨科和脊柱外科医师更好地进行风险分层、优化植入物策略并改善手术疗效。
该横断面研究的局限性包括：单中心 US healthcare system 的研究背景下结论外推性受限；回顾性分析受限于可用的临床变量，详细的 cardiovascular history 和社会经济状态未系统获取；髂嵴活检标本虽能提供高分辨率信息，但可能无法完全反映腰椎椎体或植入物界面的局部骨特性；机会性qCT评估的vBMD未涵盖其他临床相关部位；研究设计的 cross-sectional nature 无法确定 temporal relationship 和 causality；Kauppila评分虽实用且经验证，但仍为半定量方法；FTIRI分析存在微米级空间分辨率限制，且仅采样五个区域，可能无法捕捉活检标本内的区域差异，其相对比值测量也限制了与其他研究的直接比较。
研究结论如下：该横断面研究证实了vBMD与AAC之间的负向关联独立于年龄、性别、BMI、吸烟状态或糖尿病，并证实AAC还与超越传统BMD指标的独特骨质量改变独立相关。较高的AAC与TMD增高、MMC降低以及MMC异质性增高相关。这种模式提示在更重矿化的骨基质中存在更小、更不完美且变异性更大的 mineral crystals——这可能为BMD independence的增高骨折风险提供解释。这些关联独立于AAC增高伴随的vBMD降低，支持血管钙化与受损骨质量之间存在 shared pathway 的观点，突显了骨与血管健康的相互关联性，以及进一步研究炎症、交感神经支配和晚期糖基化终末产物作为可能作用途径的必要性。鉴于骨微观结构和ECM质量在常规术前实践中不易获取，从标准侧位脊柱X线片即可 readily available 的AAC评分可作为检测骨质量受损患者的实用替代标志物。将AAC评估纳入术前评估因此可能帮助骨科和脊柱外科医师更好地进行风险分层、优化植入物策略并改善脊柱融合手术或其他骨质量关键手术患者的手术疗效。
