《Biomimetics》：Controlled Intramedullary Pressure Fluctuations Enhanced Periosteal and Endosteal Bone Formation in Young, but Not Old, Fischer-344 Rats
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模拟骨内血管功能可能有助于刺激成骨作用。研究人员开发了一种微泵和无线压力传感系统，用于在年轻（6个月）和老年（24个月）雄性Fischer?344大鼠股骨骨干中波动和记录髓内压（intramedullary pressure, IMP）。在体内测定了IMP（每
模拟骨内血管功能可能有助于刺激成骨作用。研究人员开发了一种微泵和无线压力传感系统，用于在年轻（6个月）和老年（24个月）雄性Fischer?344大鼠股骨骨干中波动和记录髓内压（intramedullary pressure, IMP）。在体内测定了IMP（每组n = 5）。此外，在年轻（n = 14）和老年（n = 11）大鼠右股骨（EXP）制造两个骨缺损并导管连接至微泵和无线压力传感器。髓内压波动10分钟，左股骨作为对照（CTL）。术后7天，通过μCT（15 μm）扫描股骨，评估骨小梁微结构、皮质厚度及骨内膜和骨膜表面的新生骨体积。数据使用SPSS软件分析，显著性水平为p ≤ 0.05。体内IMP在老年（约16 mmHg）较年轻（约36 mmHg）大鼠更低（p < 0.05）。近端干骺端骨小梁厚度在老年大鼠更高（p < 0.05），皮质骨壳更厚（p < 0.05）且年轻大鼠新生骨体积更大（p < 0.05）。重要的是，年轻EXP股骨新生骨体积（14 ± 7 mm3）大于年轻CTL股骨（7 ± 7 mm3）（p < 0.05）。10分钟的IMP波动刺激了年轻大鼠的成骨作用。
该研究围绕骨重塑受机械负荷与血管系统调控的背景展开，目前存在的主要问题是老龄化背景下骨质疏松与骨折风险增加，而现有干预多聚焦外部加载、植入生物材料或分子调控，较少关注骨血管系统通过髓内压（intramedullary pressure, IMP）调节间质液流动在骨改建中的作用，且年龄相关的血管功能下降可能导致IMP降低与成骨能力减退，因此研究人员开展此项研究以验证可控IMP波动能否作为一种非药物策略刺激骨形成并比较年轻与老年个体的反应差异。研究人员通过在年轻（6个月）与老年（24个月）雄性Fischer?344大鼠股骨诱导可控IMP波动，发现年轻个体在10分钟IMP波动后骨膜与骨内膜新生骨体积显著增加，而老年个体未见明显成骨响应，同时证实老年大鼠基础IMP低于年轻大鼠，说明模拟血管功能的IMP调控在年轻骨中具有成骨潜力，但在老年骨中可能因细胞敏感性下降或血管退化而未产生显著效应，该研究为基于骨血管?IMP耦合的非药物成骨干预提供了原理验证，论文发表在《Biomimetics》。
为开展研究，研究人员主要采用以下关键技术方法：使用年轻与老年雄性Fischer?344大鼠作为样本队列；开发并验证无线压力传感器系统在0～150 mmHg范围内测量IMP的可靠性与有效性；建立体内股骨骨干IMP记录实验；构建微泵驱动IMP波动的外科模型，在股骨骨干制造两个骨缺损并置入导管连接微泵与传感器，进行10分钟IMP波动干预，对侧股骨作为同期对照；术后7天取材并通过显微计算机断层扫描（micro?computed tomography, μCT）以15 μm分辨率定量评估骨小梁微结构、皮质骨参数及骨内膜与骨膜表面新生骨体积；采用SPSS软件进行单因素与双因素方差分析及最小显著差数法事后检验，显著性设为p ≤ 0.05。
研究结果如下。
3.1. Experiment 1 Reliability and Validity of the Wireless Pressure Sensors：通过对已知静水柱压力（约7 mmHg、59 mmHg、118 mmHg）的三次重复测试，研究人员发现无线压力传感器在不同测试日之间记录无显著差异，且读数与已知压力一致，证明其测量IMP具备有效性与可靠性。
3.2. Experiment 2 Femoral IMP in Young and Old Rats：不同传感器记录的IMP在组内无差异，老年大鼠股骨IMP显著低于年轻大鼠（传感器1与传感器2记录p < 0.05，传感器3呈趋势p = 0.09），老年约16 mmHg，年轻约36 mmHg。
3.3. Experiment 3：3.3.1. Body Mass and IMP Fluctuations：年轻大鼠体重显著低于老年大鼠，微泵产生的平均IMP波动幅度在年轻（42 ± 26 mmHg）与老年（46 ± 24 mmHg）组间无差异。3.3.2. Trabecular Bone Microarchitecture and Density in the Proximal Metaphysis：近端干骺端骨体积分数（bone volume fraction, BV/TV）、骨小梁数量（trabecular number, Tb.N）、骨小梁分离度（trabecular separation, Tb.Sp）无差异，但老年CTL与EXP股骨的骨小梁厚度（trabecular thickness, Tb.Th）与骨小梁密度（trabecular density, Tb.Density）显著高于年轻组（p < 0.05）。3.3.3. Trabecular Bone Microarchitecture and Density in the Distal Metaphysis：远端干骺端BV/TV、Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp均无组内与组间差异，但老年CTL与EXP骨小梁密度高于年轻组（p < 0.05）。3.3.4. Cortical Bone Parameters at the Midshaft：年轻大鼠皮质厚度（cortical thickness, Ct.Th）大于老年（p < 0.05），而老年皮质密度（cortical density, Ct.Density）高于年轻，皮质孔隙度（cortical porosity, Ct.Porosity）无差异。3.3.5. New Bone Formation at the Endosteal and Periosteal Surfaces：年轻CTL与EXP股骨的新生骨体积均高于老年CTL与EXP（p < 0.05），但年轻新生骨密度低于老年；年轻EXP新生骨体积为14 ± 7 mm3，显著高于年轻CTL的7 ± 7 mm3（p < 0.05），老年EXP与CTL分别为4 ± 2 mm3与1 ± 1 mm3且无显著差异。
讨论部分总结指出，本研究三大发现为无线压力传感器有效可靠、老年大鼠IMP降低、10分钟IMP波动增强年轻大鼠骨膜与骨内膜骨形成。年龄相关血管病理可能通过降低IMP与间质液流动削弱成骨，而微泵可在生理范围内提升IMP波动但未在老年引发显著成骨，可能与老化骨细胞功能下降、反应阈值升高或观察期较短有关。新生骨形成不仅位于骨缺损附近，说明IMP波动可能通过增加骨髓与骨内间隙间质液流动及流体剪切应力作用于骨细胞与成骨细胞。对照肢亦出现一定新生骨，反映手术缺损愈合与瞬时力学不稳定等混杂因素，但年轻EXP较CTL翻倍的新增骨体积极大程度来自IMP波动本身。由于干预为单次急性10分钟且观察仅7天，未观察到骨小梁与皮质结构整体改变，符合短期机械刺激引发早期基质形成但尚未累积为结构改变的已知规律。研究局限包括急性单次干预、对侧对照可能存在全身炎症反应影响、未直接测量间质液流动、仅用雄性大鼠等。未来需延长干预与观察、加入假手术导管但不激活泵组、结合骨组织形态计量学并纳入雌雄两性以分离损伤修复与压力诱导成骨并探索老化骨敏感性降低的机制。
结论部分译文如下：总之，无线压力传感器有效可靠，老年大鼠IMP降低，单次10分钟IMP波动增强了年轻而非老年大鼠股骨骨膜与骨内膜的新生骨形成。因此，旨在模拟骨血管系统活动（即IMP调节）的实验方案可作为增加骨量的治疗手段。但须在本文实验设计背景下解释，新生骨形成不能仅归因于IMP波动，结果应结合手术骨缺损模型中的其他潜在生物学因素（如骨愈合、全身炎症反应等）与瞬时力学不稳定来解读。老年动物未见适应可能反映机械敏感性降低，值得进一步研究。这些结果强调了在青年与老龄期考虑血管功能在骨重塑中作用的重要性，因为衰老的生物学背景常使骨骼与血管动力学转向不利结局。未来研究将聚焦于更长时间IMP调节以刺激老年动物及两性各年龄组的骨小梁与皮质骨适应性变化。
