作者：

林上进¹ 程群² 邵云潮³ 齐进⁴ 钱念东⁴ 林伟龙¹ 范永前¹

单位：

1.复旦大学附属华东医院骨科

2.复旦大学附属华东医院骨质疏松科

3.复旦大学附属中山医院骨科

4.上海市伤骨科研究所

摘要：目的  研究血骨代谢指标及髋部骨密度（bone mineral density，BMD）值与骨组织不同区域骨钙、磷及金属元素含量的相关性，明确骨矿物质元素与骨质疏松的关系。方法  对2015年9月至2016年9月在复旦大学附属华东医院骨科接受手术治疗的62例股骨粗隆间骨折老年患者进行骨组织取材，运用X线聚焦荧光能谱仪检测骨组织皮质骨区域、松质骨区域及交界区域的钙、磷、锰、铁、铜、锌元素含量比重，控制年龄、性别、体质量指数（body mass index，BMI）等因素，运用偏相关分析研究血骨代谢指标和BMD与骨钙磷及金属元素含量的相关性。结果  25羟维生素D₃[25 hydroxy vitamin D₃，25（OH）D₃）]与松质骨区域的骨铜和锌含量呈正相关（r=0.589、0.494，P=0.002、0.012）；血甲状旁腺素（parathyroid hormone，PTH）与交界区域的骨钙、铁、锌含量呈正相关（P=0.009、0.011、0.025），相关系数分别为0.568、0.554、0.498，而与骨磷含量呈负相关（r=-0.582，P=0.007）。全髋BMD值与骨铁含量可能存在负相关性（r=-0.472，P=0.089），大粗隆BMD值与松质骨区域的骨钙含量呈负相关性（r=-0.621，P=0.031），与骨磷含量呈正相关性（r=0.690，P=0.013）。结论  充足的维生素D₃可能促进机体锌和铜元素的吸收以提高BMD和增加骨量。大粗隆部BMD值的下降可能与松质骨区域骨钙含量比重上升导致金属微量元素含量比重下降有关。

关键词：股骨粗隆间骨折；骨代谢；骨密度；金属微量元素；骨质疏松

骨质疏松症是一种多因素引起的以骨密度(bone mineral density，BMD)下降和骨微结构破坏为特征的系统性骨病，其致死率最高的并发症就是脆性骨折，但发病机制尚不清楚，目前研究认为其与遗传因素、内分泌功能、运动锻炼以及体内的钙、磷常量元素和金属微量元素相关。近年来，金属元素在骨质疏松症的发病机制中所起的作用备受关注。机体的新骨形成和骨转化过程受到金属微量元素调节和参与，如锰、铁、锌、铜等，它们在体内的含量过高或过低都会影响骨矿物质形成和骨基质合成过程进而促进骨质疏松症的发病。

血骨代谢指标和BMD值是反映骨质疏松动态和静态的参数，通过血骨代谢指标和BMD值可以间接了解机体内的骨矿化和骨转化情况。目前临床上常用的血骨代谢指标包括血清Ⅰ型原胶原氨基端延长肽(N-terminal propeptides of type 1 procollagen，P1NP)、Ⅰ型胶原C端肽β降解产物(C-terminal telopeptide of type 1 collagen，β-CTX)、骨钙素(osteocalcin，OC)、25羟维生素D₃[25-hydroxy vitamin D₃，25(OH)D₃]、甲状旁腺素(parathyroid hormone，PTH)以及碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)。本研究通过X射线聚焦荧光能谱仪检测老年股骨粗隆间骨折患者的骨组织标本不同区域的骨钙、磷及锰、铁、铜和锌4大金属元素含量，结合血清骨代谢指标及BMD测量值，探讨骨矿物质元素含量与血骨代谢指标、BMD值的相关性，进一步明确骨金属微量元素与骨质疏松症患者体内骨矿化和骨转化的关系。

对象

选取从2015年9月至2016年9月在复旦大学附属华东医院骨科因股骨粗隆间骨折接受手术治疗的102例老年患者，通过入组条件筛选获得62例符合要求的股骨粗隆间骨折患者临床资料并获取包含皮质骨和松质骨的骨组织标本。本临床研究取得所有患者知情同意，获得复旦大学附属华东医院伦理委员会批准(编号2014K40)。

研究对象入组标准：(1)因跌倒、滑倒等低能量损伤原因造成的股骨粗隆间骨折接受PFNA-Ⅱ内固定植入术治疗的患者；(2)年龄＞60岁；(3)入院前6个月未接受过雌激素、降钙素、双磷酸盐等抗骨质疏松治疗；(4)无并发慢性肝肾疾病、代谢性疾病、免疫性疾病、感染、肿瘤等；(5)无长期服用糖皮质激素等药物史；(6)围手术期间无并发坠积性肺炎或心力衰竭等系统性疾病。

血骨代谢指标和BMD检测

所有的试验对象在入院第2天清晨空腹采取静脉血10 mL，立即送检，当日检测P1NP、β-CTX、OC、25(OH)D₃、PTH和ALP等骨代谢指标。运用双能X线吸收检测法(dual energy X ray absorptiometry, DXA)对研究对象进行健侧髋部和股骨颈BMD检测，仪器由专业技师操作，BMD仪每天常规进行质量控制。

骨组织钙、磷及金属微量元素检测

本研究人员已经完成了股骨近端螺旋桨钉钻头的改进，将其改为空心钻头(钛合金材料)，这样在手术过程中直接完成皮质骨和松质骨圆柱形的整体取材(图 1)，且未对手术过程和患者产生任何不良影响。以髋部大粗隆顶点2cm左右行上纵切口，扪及大粗隆顶点，以大粗隆顶点前中1/3处插入PFNA-Ⅱ主钉，在置入近端螺旋刀片前运用改进的空心钻头对股骨进行皮质骨和松质骨的圆柱形的整体取材，取材的骨组织标本立即放入多聚甲醛固定液固定48h，接着将标本行流水冲洗24h并用100%丙酮溶液脱水，脱水后的骨组织标本置入塑料模具进行有机玻璃包埋，包埋结束后用金刚锯条切割暴露标本表面并进行表面抛光。将暴露标本表面的塑料包块置入X线聚焦荧光能谱仪的真空样品室，设置加速电压为40kV，对标本进行聚焦清晰后选择皮质骨区域、松质骨区域以及两者交界处区域，分别进行Ca，P，Fe，Mn，Zn，Cu等6种元素成分定量分析，每个区域随机选择两个部位采集，元素成分定量分析结果取平均值，6种元素比重百分比之和为100%，每次采集时间为100s。

统计学方法

采用SPSS 21.0统计软件进行统计学分析。控制年龄、BMI、性别等因素，运用偏相关分析研究骨代谢指标、BMD值与骨无机元素含量的相关性，以P＜0.05为差异有统计学意义。

62例股骨粗隆间骨折患者的临床资料

研究对象平均年龄为(83.82±9.03)岁，体质量指数为(20.43±2.19)kg/m²，白蛋白水平为(36.93±4.25)g/L，血钙浓度为(2.17±0.13)mmol/L，血磷浓度为(1.02±0.17)mmol/L，股骨颈BMD值为(0.505±0.149)g/cm²，股骨粗隆间BMD值为(0.666±0.195)g/cm²，全髋BMD值为(0.581±0.158)g/cm²，全髋BMD T值为-3.21±1.54。虽然BMD值严重低于正常值，但骨代谢指标基本处于正常范围(表 1)。

骨代谢指标与骨钙磷及金属元素含量比重间的相关性

在松质骨区域，血25(OH)D₃与骨铜及骨锌含量呈正相关性，相关系数分别为0.589、0.494，P值分别为0.002、0.012；在皮质骨与松质骨交界区域，血PTH与骨组织的钙、铁和锌元素含量均存在正相关性(r=0.568、0.554、0.498，P=0.009、0.011、0.025)，与骨组织磷元素含量呈负相关(r=-0.582, P=0.007)；而在皮质骨区域，骨代谢指标与骨组织无机元素含量不存在相关性(表 2)。

BMD值与骨钙磷及金属元素含量比重间的相关性

仅大粗隆BMD值与松质骨区域的骨钙含量呈负相关(r=-0.621, P=0.031)，与骨磷含量呈正相关(r=0.690, P=0.013)。在松质骨区域，虽然全髋BMD值与骨铁含量比重无统计学相关性(r=-0.472, P=0.089)，但对BMD与骨组织铁元素的相关性判断有一定的指导意义(表 3)。

钙和磷元素是组成骨组织矿物质羟基磷灰石的主要成分，占骨无机基质65%，骨质疏松患者体内的骨组织钙含量明显减少，钙剂和活性维生素D₃被作为抗骨质疏松的基础治疗方案。金属微量元素通过调节和参与骨转化和骨形成活动来影响机体骨骼的生长发育和骨量多少，如锌、铜等在机体内参与多种催化酶或辅酶因子的组成，对骨代谢和骨转换有着不可或缺的功能。骨质疏松症发病与某些无机元素在体内的代谢和含量紧密相关，摄入不足或过量均会引起骨代谢紊乱以及BMD下降。

目前对微量元素与骨质疏松之间的相关研究主要基于动物实验模型或血清学研究层面，直接对骨组织中的钙磷元素及金属元素进行检测的研究较少，运用X射线聚焦荧光光谱法对人体骨组织检测无机元素含量的样本数据研究尚未见报道，故本研究运用X线聚焦荧光光谱法对老年股骨粗隆间骨折患者的骨组织样本的不同区域进行测量钙、磷、锰、铁、铜、锌6种元素的含量比重，以探究骨钙磷及金属元素与骨代谢、BMD等指标关系，旨在为无机元素在骨质疏松症的临床早期干预及诊治提供一定指导意义。

BMD与骨无机元素含量的偏相关分析结果仅仅提示大粗隆BMD值与松质骨区域的骨钙含量呈负相关(r=-0.621, P=0.031)，与骨磷含量呈正相关(r=0.690, P=0.013)，这与共识“骨钙/磷比值越大，骨量越大，BMD值越大”相矛盾，但本研究结果的大粗隆BMD值与松质骨区域的钙含量呈负相关，而非皮质骨区域的钙含量，故笔者假设可能是因为松质骨区域的钙含量比重越大引起金属微量元素比重下降，而金属微量元素主要储存在松质骨区域，其对骨代谢和骨矿化的作用随着其含量的下降而减弱，最终引起皮质骨的羟基磷灰石形成和钙盐沉积减少；也可能与BMD值和血PTH的相互作用有间接联系，但本研究未发现血PTH与BMD值有统计学相关性，需要后期进一步研究明确其相关性。

另外本研究发现在松质骨区域全髋BMD值与骨铁含量比重可能存在负相关性(r=-0.472, P=0.089)。王兵等对10例骨质疏松性骨折的绝经后女性患者的骨组织铁元素含量及BMD检测，同样也发现骨铁含量与髋部BMD呈负相关(P=0.004)，相关系数为-0.82。Kim等募集1729名健康受试者进行长达3年的大型纵向健康中心研究，对所有受试者进行血清铁浓度和髋部、股骨颈、股骨粗隆3个部位的BMD测量，结果发现血清铁浓度与这3个部位的BMD呈负相关性，提示体内铁的过度蓄积会加速骨量丢失，甚至在健康人群中也是独立危险因素。2008-2010年的韩国国家健康和营养检测调查对年龄在10~80岁的14017名韩国人行血清铁元素和BMD检测，发现在45岁以上女性志愿者的血清铁元素含量与BMD呈负相关性，提出对血清铁元素含量的早期监测与干预能有效预防骨量丢失和骨质疏松的发生。

血骨代谢指标与骨无机元素含量的偏相关结果提示在松质骨区域，血25(OH)D₃浓度与骨铜及骨锌元素含量比重呈正相关性，相关系数分别为0.589、0.494。研究发现，锌元素可以调节维生素D₃的功能和活性，维生素D₃能提高肠道和肾脏对钙磷的吸收，促进骨组织钙磷沉积，预防佝偻病发生，对新骨形成和骨矿化过程有促进作用，这与本研究结果相一致。杜文冉等对2007年1~12月在唐山市妇幼保健院维生素D₃缺乏的佝偻病患儿血微量元素检测结果进行分析发现维生素D₃缺乏的患儿血清锌和铜元素含量明显低于正常患者，差异有统计学意义，杜文冉等认为维生素D₃缺乏患儿多伴有锌和铜元素的不足，及时适量补充这两种微量元素有助于防治维生素D₃缺乏引起的佝偻病。研究发现，维生素D₃的摄入可以促进机体必需微量元素的吸收，如锌元素和铜元素。

血PTH是甲状旁腺合成并分泌的直链多肽类激素，参与钙、磷代谢调节，调节维生素D₃的功能和活性，具有升高血钙和降低血磷的作用，不仅能促进成骨细胞增生，还能刺激成骨细胞表面RANKL蛋白表达以诱导和活化破骨细胞。本研究结果提示在皮质骨与松质骨交界区域，血PTH与骨组织的钙存在正相关性(r=0.568，P=0.009)，与骨组织磷元素含量呈负相关(r=-0.582, P=0.007)，这可能与PTH参与钙磷代谢的调节有关。另外，血PTH在交界区域与骨锌元素含量比重也呈正相关(r=0.498, P=0.025)，这可能与锌元素可以通过调节血PTH的活性以刺激成骨细胞的增生和分化有关。Soria等为了研究递增运动对血微量元素和血清激素水平的影响对19名职业运动员的血PTH和血清锌元素含量进行检测，发现血PTH与血锌含量呈正相关(r=0.910, P=0.002)，与本研究结果相一致。本研究还发现在交界区域血PTH与骨铁元素含量比重也呈显著性正相关，目前尚无对骨铁元素含量与血PTH相关性的研究报道，但心肌铁蓄积与高水平的血PTH有相关性已经被较多研究证实。

本临床研究有以下不足之处：(1)本临床研究样本量小且研究对象的年龄段偏大，本研究结果只能为将来研究正常人群骨组织无机元素与骨代谢及BMD的关系提供一定的指导意义；(2)本研究采用的X射线聚焦荧光光谱法只能测量骨组织无机元素的相对含量比重，但骨组织的绝对含量受到较多因素干扰，如性别、体质量、年龄、身高、人种、地域差别等，且测量绝对含量的方法均会造成或多或少微量元素的丢失，也无法同时精准测量同一骨组织的皮质骨、松质骨及交界区域的无机元素含量。