造模早期兔激素性股骨頭壞死骨質結構動態變化影像學觀察*

楊璐希 吳少平 黃雨 鄭永基 王竹 李卓 劉中財 唐曦 喻鈞倫 潘志華

(1.成都醫學院第二附屬醫院·核工業四一六醫院放射科，四川 成都610051； 2.成都醫學院第一附屬醫院醫學影像系, 四川 成都 610500；3.德陽市人民醫院放射科, 四川 德陽 618000；4.南充市中心醫院超聲科，四川 南充 637000；5.漢源縣中醫醫院骨科，四川 雅安 625300)

激素性股骨頭壞死(Steroid-Induced Avascular Necrosis of the Femoral Head，SANFH)是激素所致股骨頭血運障礙，骨與骨髓壞死、壞死后修復及骨質塌陷的過程，脂類代謝紊亂、血管內凝血、骨內壓增高、二次碰撞、骨神經內分泌紊亂是其目前較受認可的致病學說[1-3]，但具體機制尚不明確。有研究認為，松質骨改變是壞死股骨頭結構性能改變的主要原因[4]，而激素可導致骨丟失和骨強度減弱[5]。既往與之相關的實驗觀測多在造模2周之后，而此時多已發生壞死。鑒于SANFH早期骨質變化研究尚少，及其在SANFH發病機制研究中可能具有的價值，本研究旨在動態觀察兔SANFH局部骨質結構2周之內的變化。

1 材料和方法

1.1 實驗動物 普通級，新西蘭，大白兔45只，雌雄均可，2月齡，體重(2.3±0.3)kg，由成都醫學院第一附屬醫院科研實驗中心動物實驗室提供。實驗通過成都醫學院第一附屬醫院倫理委員會審核。

1.2 實驗儀器與試劑 MR(MAGNETOM AVANTO)，SIEMENS，德國；CT(SOMATOM Defintion AS+)，SIEMENS，德國；小動物Micro-CT，廣州中科凱盛醫療科技有限公司；影像診斷工作站，柯達公司，美國；LEICA RM 2016石蠟切片機，上海徠卡儀器有限公司；TK-218型恒溫攤片烤片機，湖北泰維醫療科技有限責任公司；Leica DM4000 BLED正置顯微鏡，Leica公司，德國； 4～20 ℃冰箱，海爾公司，中國；脂多糖，Sigma公司，美國；醋酸潑尼松龍注射液，浙江仙琚制藥股份有限公司；水合氯醛(分析純)，成都市科龍化工試劑廠；蘇木素染色液，北京諾博萊德科技有限公司；伊紅染色液，北京諾博萊德科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 動物模型建立 45只兔先行適應性喂養，1周后隨機數字表法分為對照組(n=15)與實驗組(n=30)。實驗組按造模5、7、9、11、13 d共5個觀察組進行隨機、平均分配，對照組同樣隨機分為5個小組(n=3)，與造模組(n=6)進行同期觀察。造模方法為激素聯合脂多糖造模[6]。

1.3.2 常規CT與MRI掃描 腹腔注射10%水合氯醛(4.0 mL/kg)，麻醉后取仰臥位，兔固定板固定后置于CT/MRI檢查床，雙側兔髖關節同時掃描。CT薄層掃描后行三維重建。MRI掃描選擇表面覆蓋體部相控陣表面線圈，采用腕關節掃描參數進行平掃，得到軸位T2WI脂肪抑制、矢狀位T1WI、質子密度加權圖像。掃描后分析股骨頭及小轉子的形態、密度/信號變化。

1.3.3 Micro-CT檢查 掃描電壓70 Kpv，電流1 mA，功率50 w，托架轉動0.72度采圖一幅，掃描后行二維、三維重建。ROC選擇骺上區、骺下區及小轉子，觀測骨礦物質密度(Bone Mineral Density，BMD)、骨小梁間隙(Trabecular Spacing，Tb.Sp)、骨小梁厚度(Trabecular Plate Thickness，Tb.Th)、骨小梁相對體積(Bone Volume To Total Volume，BV/TV)。

1.3.4 組織學觀察 股骨頭脫鈣、脫水處理后石蠟包埋、脫蠟至水、蘇木素染色、鹽酸酒精分化、伊紅染色、脫水、透明、封片后行組織學觀察，計算空骨陷窩率。

2 結果

2.1 造模結果 實驗過程中造模5、7、9 d每小組各死亡1只，11、13 d每小組各死亡2只，合計死亡7只，對照組全部存活。

2.2 常規CT、MRI觀察 MRI掃描T1加權、T2加權及質子密度加權，見實驗組與對照組髖關節對位良好，關節間隙未見異常，骨質形態、信號無確切變化，未見明顯關節積液，見圖1A～C。CT掃描見實驗組與對照組髖關節均對位良好，關節間隙未見異常，骨皮質連續，骨質形態、密度未見確切異常，周圍軟組織未見異常，三維重建如常，見圖1D。

2.3 Micro-CT觀測 實驗組與對照組Micro-CT測量部位，見圖2。三維結構圖顯示，實驗組股骨頭骺下區與小轉子造模5，7，9，11，13 d各小組未見明顯改變，股骨頭骺上區隨造模時間延長，骨小梁變細、稀疏、部分斷裂，骨小梁間距增寬，見圖3。隨造模時間延長，實驗組股骨頭骺下區、小轉子的BMD、Tb.Sp、Tb.Th、BV/TV的改變無統計學意義(P>0.05)。股骨頭骺上區BMD、Tb.Th、BV/TV逐漸減小，Tb.Sp呈逐漸增大，造模第9天及之后實驗小組各參數值的差異有統計學意義(P<0.05)，見圖4。

圖1 MRI及CT三維重建

圖2 股骨頭骺上區、骺下區及小轉子ROI選擇示意圖

圖3 Micro-CT三維重建示意圖

2.4 組織學觀察 隨造模時間延長，實驗組骺上區脂肪細胞增大，骨小梁變稀疏，部分斷裂，髓腔內可伴發出血，空骨陷窩增多，空骨陷窩率逐漸增高，于造模第7 d小組開始，與對照組有統計學差異(P<0.05)；骺下區及小轉子骨小梁清晰整齊，未見空骨陷窩和髓腔內出血，見圖5。對照組脂肪細胞未見增大，骨小梁未見變細、斷裂，空骨陷窩少見。

3 討論

非創傷性股骨頭壞死中，激素性股骨頭壞死的發病率最高。SANFH股骨頭血液循環障礙可導致股骨頭內不同程度的細胞死亡，壞死區域宏觀機械強度逐步減低，最終導致股骨頭塌陷、髖關節骨關節炎[7-8]。已有學者行CT定量評估和骨組織形態分析，發現骨轉換和孔隙率的增加會減弱骨強度，增加股骨頭塌陷的可能性[9]，但造模2周內變化情況研究報道鮮少。

本研究發現，2周內SANFH常規CT和MRI檢查股骨頭形態、骨質密度和信號均無異常，這與此前研究結果一致[6，10-11]，但其內部結構已有病理性改變，具體而言，一是出現骨小梁變少、變薄等與骨質疏松類似的變化，其原因可能系大劑量激素沖擊引發微小骨質改變、骨細胞成骨能力降低，而壞死區短期內骨修復能力不足，從而引起骨質量減低；二是此改變主要出現在骺上區，推測與三個區域血供及壓力分布差異有關；三是骺上區變化呈進行性加重趨勢，即：組織學觀測造模第5 d小組可見部分骨小梁空骨陷窩增多，脂肪細胞增大，部分骨小梁斷裂，至第7 d小組出現顯著性改變；而Micro-CT在造模前9 d小組中未見參數出現統計學差異，之后才見BMD、Tb.Th、BV/TV、Tb.Sp的顯著性異常變化，提示CT定量分析診斷SANFH早期變化的時間窗稍晚于組織學檢查，且其結構分析需綜合考慮多個參數，以提高其診斷效能[12-15]。

圖4 股骨頭骺上區、骺下區及小轉子MicroCT各參數值變化

圖5 股骨頭骺上區、骺下區及小轉子HE染色

已有較多研究觀察了股骨頭壞死進程中骨質成分的變化，如：Pascart等[16]用拉曼光譜對股骨頭壞死和正常股骨頭進行骨質評估，發現骨小梁的礦物質和有機成分僅存在年齡相關性差異，而組織學檢查在發現健康區域也有廣泛的骨髓壞死和骨細胞凋亡，壞死區與健康區小梁骨的組成并無區別；而Aruwajoye等[17]也認為股骨頭壞死骨質結構會出現改變，但壞死區域分子穩定性并不會改變。本研究使用Micro-CT進行定量檢測，發現SANFH早期壞死骨的顯著性結構變化主要為骨量的減少，而壞死和健康區域的生物力學特性仍相似[18]，這與前述觀點一致，但可能具有臨床應用價值。

本實驗顯示，造模9 d及之后小組股骨頭骨質結構明顯變薄弱，但僅見于骺上區，這可能與本實驗造模兔月齡較小，骨骺線尚未完全閉合，骺上區和骺下區、小轉子存在受力差異、骺板屏蔽作用或血供差異等多個內在因素有關。通常，幼兔股骨頭骨骺由關節積液滋養，阻斷血供后只會發生表面部分壞死，而家兔股骨頭血管分布呈現出關節軟骨下方、骺板兩側分布居多，而關節軟骨和骺板沒有分布的特點，而骺板上下方血供又相對獨立，骺板上方由圓韌帶動脈供血，下方由旋股內外側動脈和骨內滋養動脈供血[19]。當然，局限于骺上區的SANFH改變肯定與使用大劑量激素的外在因素直接相關，至于其機理則仍有待于深入研究。

4 結論

早期兔激素性股骨頭壞死局部骨質結構呈現逐步加重的疏松變化趨勢，主要發生部位為骺上區，其于第9 d后Micro-CT變化有顯著性差異，該變化雖晚于組織學觀察，但可能具有影像學定量診斷研究價值。