不同剂量糖皮质激素对生长期雄性大鼠骨组织结构的影响及其机制探讨

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目的:  糖皮质激素(GC)可导致人类骨质疏松,对青少年骨骼生长有较强的抑制作用。糖皮质激素性骨质疏松(GIOP)和对青少年骨骼的抑制作用的防治是临床亟待解决的难题,而合适的动物模型对其发病机制及药物研究具有重要作用,目前学术界对GIOP大鼠模型的建立仍存争议。本实验通过观察长期大剂量泼尼松对生长期大鼠不同部位骨组织形态计量学、骨矿含量、骨生物力学、骨髓脂肪细胞分化和血清学生化指标的作用特点,系统性地探讨长期大剂量泼尼松对生长期大鼠骨骨组织结构的影响机制,并探讨建立糖皮质激素致生长期大鼠骨丢失模型的合适的造模剂量。  方法:  选用3月龄SPF级Sprague-Dawley(SD)健康雄性大鼠42只随机分出6只作为基础组,在实验开始即处死,剩下的36只再次随机分为4组,每组9只,分别为:正常对照组(CON组)给予蒸馏水5ml/kg/d灌胃;低剂量泼尼松组(GC-L组)给予1.5mg/5ml/kg/d醋酸泼尼松混悬液灌胃;中剂量泼尼松组(GC-M组)给予3.0mg/5ml/kg/d醋酸泼尼松混悬液灌胃;高剂量泼尼松组(GC-H组)给予6.0mg/5ml/kg/d醋酸泼尼松混悬液灌胃。所有大鼠共计给药时间为90天。在实验结束前14、13天和4、3天分别给所有大鼠皮下注射盐酸四环素(35mg/kg)和钙黄绿素(10mg/kg)荧光标记两次。用药结束后,心脏抽血处死大鼠,分离血清检测血液生化指标;分离胸腺和肾上腺测定器官指数;取左侧胫骨和左侧股骨均用于骨组织形态计量学检测;取右侧胫骨经脱钙后进行石蜡包埋切片,观察脱钙骨病理学改变;取右股骨及第5腰椎分别测量其骨密度及骨生物力学参数,然后取右侧股骨盐酸消化后测骨钙(Ca)、骨磷(P)和骨羟脯氨酸(Hyp)含量。  结果:  1.醋酸泼尼松导致大鼠体重和免疫器官指数降低。  在实验开始后第6周以前,各组大鼠体重随着月龄增加而逐渐增加,体重增加幅度:正常对照组>低剂量组>中剂量组>高剂量组。从第6周开始,正常对照组体重呈现缓慢增长趋势,低剂量组和中剂量组体重基本保持稳定,而高剂量组体重呈缓慢下降趋势。实验结束时,与正常对照组相比,低、中、高三个剂量组大鼠体重降低均有统计学差异(P<0.01,P<0.01,P<0.01)。与正常对照组相比,各激素用药的胸腺指数和肾上腺指数均有不同程度降低。  2.醋酸泼尼松导致大鼠血脂代谢紊乱、骨转换指标降低。  对大鼠血液生化指标检测发现,与正常对照组相比,低、中、高剂量组血清中甘油三酯水平显著升高(P<0.01,P<0.01,P<0.01),而高密度脂蛋白胆固醇水平显著降低(P<0.01,P<0.01,P<0.01)。此外,高剂量组大鼠血清碱性磷酸酶及血钙均显著升高(P<0.05,P<0.01),而血磷无显著改变。对骨吸收指标抗酒石酸酸性磷酸酶-5b和骨钙素含量的检测发现,与正常对照组相比,低、中、高剂量组抗酒石酸酸性磷酸酶-5b含量呈不同程度降低,其中高剂量组降低有统计学差异(P<0.05);同时低、中、高剂量组骨钙素含量呈不同程度降低,其中中剂量和高剂量组降低有统计学差异(P<0.01,P<0.01)。此外,高剂量泼尼松能显著降低血清胰岛素样生长因子(Ⅰ)的含量(P<0.01)。  3.醋酸泼尼松不明显影响松质骨骨量,但降低骨形成和骨吸收,导致骨生物力学性能降低。  对大鼠腰椎骨密度的检测发现,用药90天后,各激素用药组腰椎骨密度与正常对照组相比并无显著的改变。同时,在对胫骨上段松质骨和股骨远端松质骨的骨组织形态计量学测定中发现,各激素用药组所有静态指标与正常对照组相比也无统计学差异;而各激素用药组动态指标与正常对照组相比,均有不同程度的降低,其中,高剂量组胫骨上段及股骨远端松质骨的所有动态指标,含荧光标记周长百分数(%L.Pm)、矿化沉积率(MAR)、骨表面骨形成率(BFR/BS)、骨体积骨形成率(BFR/BV)和组织体积骨形成率(BFR/TV)降低均有统计学差异。另外,与正常对照组相比,各激素组的成骨细胞和破骨细胞相关参数,如成骨细胞周长百分数(%Ob.Pm)、平均每毫米成骨细胞个数(Ob.N)、破骨细胞周长百分数(%Oc.Pm)和平均每毫米破骨细胞个数(Oc.N)均呈现显著降低。腰椎生物力学测定的结果显示,各激素用药组可使最大压缩载荷呈不同程度降低。其中,高剂量组与正常对照组相比,最大压缩载荷和弹性模量降低有统计学差异(P<0.01,P<0.05)。  4.醋酸泼尼松明显降低皮质骨骨量或影响皮质骨结构,降低骨生物力学性能。  对大鼠股骨全段骨矿密度测定发现,用药90天后,各激素用药组骨密度和骨矿含量与正常对照组相比均有不同程度降低,其中高剂量组骨密度和骨矿含量降低有统计学差异(P<0.05,P<0.05)。在对胫骨中段皮质骨的骨组织形态计量学测定发现,与正常对照组相比,各激素用药组皮质骨面积百分数(%Ct.Ar)和骨髓腔面积百分数(%Ma.Ar)均无统计学差异,皮质骨动态参数也未受到显著影响,但是在中剂量和高剂量组的皮质骨内发现有一定数量骨吸收空洞。在对股骨远端皮质骨的骨组织形态计量学测定发现,与正常对照组相比,低、中、高剂量组皮质骨厚度显著降低且有统计学差异(P<0.01,P<0.01,P<0.01)。同时,皮质骨内外膜动态参数均呈现不同程度降低,其中高剂量组外膜荧光标记周长百分数(%P-L.Pm)、内膜荧光标记周长百分数(%E-L.Pm)、内膜矿化沉积率(E-MAR)和内膜骨形成率(E-BFR/BS)降低有统计学差异(P<0.01,P<0.05,P<0.01、P<0.01)。股骨生物力学三点弯曲测定结果显示,与正常对照组相比,各激素组股骨弹性载荷、最大载荷、断裂载荷、刚性系数均呈不同程度降低,其中高剂量组弹性载荷、最大载荷、断裂载荷、刚性系数降低均有统计学差异(P<0.01,P<0.01,P<0.01,P<0.01)。  5.醋酸泼尼松明显抑制长骨纵向生长率,并导致骨髓腔脂肪化,但不影响骨成分。  对股骨和胫骨生长板荧光的测定结果发现,各激素用药组股骨和胫骨纵向生长率均较正常对照组降低且有统计学差异。对胫骨上段脱钙骨病理切片脂肪组织的测定发现,各激素用药组均可使骨髓腔平均脂肪细胞面积和脂肪面积百分数增高且有统计学差异。对股骨消化液钙、磷和羟脯氨酸含量测定发现,各组直接均无统计学差异。  结论:  1.长期大剂量泼尼松显著抑制长骨纵向生长,从而抑制大鼠生长。  2.长期大剂量泼尼松造成脂质代谢紊乱,诱导骨髓基质干细胞脂向分化。  3.长期大剂量泼尼松既抑制大鼠松质骨骨形成,又抑制其骨吸收,降低骨转换,骨量可维持不变,骨矿含量也可以维持不变。  4.长期大剂量泼尼松抑制皮质骨骨形成,可能促进内皮质骨骨吸收,使股骨皮质骨骨量变薄,胫骨皮质骨内空洞形成。  5.长期大剂量泼尼松导致股骨和腰椎力学性能显著降低。  6.生长抑制及成骨抑制作用与泼尼松剂量呈正相关;骨吸收和脂肪细胞面积等与剂量无相关关系,超过生理剂量可能导致骨吸收增加和脂肪组织增加。
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