制动性及废用性骨质疏松.ppt

1,废用性及制动性 骨质疏松症 DISUSE AND IMMOBILISATION OSTEOPOROSIS,2,废用性骨质疏松症病因,运动能力受限或功能障碍 运动系统损伤或病损 神经系统损伤或病损,3,废用性骨质疏松的病因,脊髓损伤 偏瘫 脊髓灰质炎及其后遗症 骨折 长期卧床 太空飞行,4,废用性骨质疏松症发病机理,机械负荷减少或消失 运动丧失 失重状态 营养不良,5,废用性及制动性骨质疏松骨丢失,主要发生在 松质骨 负重骨 下肢，特别是末端 年轻 老年，青少年 6 个月达 50% 制动期限、方式及程度,6,机械负荷与骨组织,骨骼的发育与骨量多少与运动密切相关 肌肉容积和肌力与 BMD 相关 肌肉收缩是增加骨量的重要因素 骨组织丧失重力负荷或肌肉收缩的刺激 骨代谢紊乱 骨钙外逸，血钙，尿钙,7,骨骼与机械张力,骨骼在一定生理范围机械张力下进行运动 机械张力超过上限时，成骨增加 低于阈值时，骨量下降，骨支撑功能减退 减少负荷时骨丢失 - Frost,8,骨生物力学调控系统 （The Mechanostat of Bone Biomechanics）,骨组织对其力学环境有明显适应性，力学环境改变后，当原有骨量分布已不能适应，某些部位因骨量不足负荷增加，遂增加骨量；某些部位因骨量过多负荷减少而降低骨量，如此使骨量分布重新适应新的力学环境,9,骨生物力学调控系统 （The Mechanostat of Bone Biomechanics）,生物化学信号指令（signal）通过间隙连接传递到骨表面的骨衬细胞，合成和分泌有关因子，进而激活骨塑建和骨重建等骨生物调节机制，并通过自我更新，修复微缺损和自我调整，以适应新的力学环境 骨组织中生物力学反馈系统（回路）将“未能满足”的信息不断地传递到骨组织生物调节机制，使之继续工作，直到力学环境需要得到满足为止,10,骨生物力学调控系统 （The Mechanostat of Bone Biomechanics）,非生物力学因素只起辅助调节作用，不能决定骨组织是否需要改变部位和方向（增加或减少），只能在特定部位促进或抑制其特定变化（增加或减少),11,骨生物力学调控系统 （The Mechanostat of Bone Biomechanics）,12,骨生物力学调控系统 （The Mechanostat of Bone Biomechanics）,骨量的增减取决于外力的幅度和敏感性（阈值） 骨重建阈值 200 ，骨组织处于废用状态，现有骨量大大超出外力作用需要，合成和分泌特定信号指令，促使骨重建激活频率大幅度增加，骨吸收量大于骨形成量，骨单位骨量平衡（B.BMU) 为负, 总骨量减少,13,骨生物力学调控系统 （The Mechanostat of Bone Biomechanics）,外力作用在200 1 000 ，骨组织处于适应状态，骨量大体满足外力作用需要，骨重建激活频率正常，应变过高处骨吸收量小于骨形成量，B.BMU 为正；应变过低处骨吸收量大于骨形成量，B.BMU 为负，骨总量不变,14,骨生物力学调控系统 （The Mechanostat of Bone Biomechanics）,外力作用 1 000 ，骨组织处于中度超负荷状态，信号指令激活骨塑建的板状骨成骨漂移机制，骨吸收量小于骨形成量，B.BMU为正，总骨量逐渐增加,15,骨生物力学调控系统 （The Mechanostat of Bone Biomechanics）,骨的极限强度一般为 25 000，即骨折所需外力作用强度 成年人正常生活中，骨塑建几乎处于静止状态中，外力 1 000 ， 开始被激活，成骨漂移在应力过大的骨表面缓慢地增加板状骨；外力 3 000 ，成骨漂移在应力过大的骨表面迅速增加交织骨,16,骨骼承受外力,骨骼所受外力常用地面支撑力表示，最大外力始终与体重成正比 外力单位定义为“体重的倍数”，以排除体重对骨强度分析的影响 股骨颈强度表示股骨颈在骨折前能承受的最大外力，当最大外力以体重的倍数为单位时，股骨颈强度被称为股骨颈抗骨折能力,17,影响骨应力的因素,骨的负荷及骨应力主要来自肌肉的主动收缩而非体重 影响肌力的因素包括肌肉的数量及质量、神经信号的强弱及关节运动功能的好坏 分析骨应力降低的原因需定量测量肌肉数量、神经功能及关节障碍程度,18,骨应变与骨量,0 100 骨量减少 100 1 000 骨量保持 1 000 3 000 骨量增加（塑性变形） 3 000 25 000 骨微损伤 25 000 骨折,19,骨应变与骨量,骨骼废用 ：骨量丢失 锻炼或肌肉用力收缩 ：增加骨量及骨强度 较大的力 ：骨痛或骨损伤 过大的力 ：骨折,20,应力- 应变曲线,21,骨应变,骨应变超过理论上骨塑建阈值（Modeling threshold range,MESm）时，骨塑建开始，骨组织有所增加，骨形态与微构筑(Microarchitecture) 改变，骨强度和骨量增加后，在同一载荷下骨应变减少 骨应变低于理论上骨塑建阈值时，骨塑建活动终止，皮质骨阈值范围约为 1 000 ，相当于 20 MPa,22,骨重建转变方式,失用型骨重建模式(Disuse-mode of remodeling) ：动态性应变低于理论上骨重建阈值，将使临近骨髓腔的骨组织被移出，引起“失用性骨量减少” (Osteopenia)，表现为小梁骨减少，髓腔增宽，皮质骨变薄，骨外径正常或略增加 保存型骨重建模式(Conservation-mode of remodeling) ：动态性应变高于理论上骨重建阈值，可保持已存在的骨组织，防止骨丢失，阈值范围 1001000 ，相当于 440 MPa,23,微损伤（Microdamage, MDx）,一定量的重复性循环负荷可导致骨组织的 MDx，BMUs 可通过骨重建形成新生骨，取代损伤骨，以修复 MDx 应变高于理论上 MESp 时，将引起大量MDx, 难以完全修复，长期的积累将致骨脆性增加而发生应力骨折 青壮年皮质骨 MESp 范围约为 3 000 ，相当于 60 MPa,24,微损伤（Microdamage, MDx）,骨折阈值 （Fx）：高于骨塑建及骨重建阈值而低于骨组织最大强度时的应变阈值 正常骨应变峰值 （E）：适应于人体生理活动，介于骨塑建及骨重建阈值之间,25,微损伤（Microdamage, MDx）,在小于屈服点的外力重复作用下，骨组织的力学强度或杨氏模量随时间延长而逐渐降解，称为疲劳(fatigue)，骨结构中微裂隙 由积累形成 微裂隙在外力重复作用下可逐渐延伸、增长和相互连接，使已经“疲劳”的骨组织产生骨折所需外力比正常要小得多,26,骨组织的力学顺应性,骨重建阈值（MESr） 正常应变峰值（“E”） 骨塑建阈值（MESm） 微损伤阈值（MESp） 骨折阈值（Fx）,27,骨组织的力学顺应性,人在生长期体重与肌力不断增加，骨骼持续处于轻度超负荷状态，约为 1 000 ，引起骨塑建性骨量增加（Modeling-induced bone gain ）和板层骨形成 骨骼受到病理性超负荷，活跃的骨塑建交织骨形成，骨量降至100 1 000 ，骨的动态应变范围回到正常负荷区（Adapted window）,28,骨组织的力学顺应性,随着骨应变的下降，骨塑建活动停止而骨重建活动依然保持，更换旧骨和修复微损伤 废用和固定降至 50 100 时，出现骨重建性骨丧失（Remodeling-dependent bone loss) ,未承担足够负荷的骨组织被移除，造成典型的失用性减少（Disuse pattern osteopenia）,29,骨组织的力学顺应性,通过增加骨量与骨强度，减少过高的骨应变或减少骨量与骨强度来增加骨应变，而维持骨应变在正常范围内 老年人肌力的减弱可导致或加重骨质疏松，肌肉收缩对骨骼施加最经常，有时也是最大的动态负荷 骨质疏松性骨折后，由于进一步活动受限加重骨质疏松，增加再骨折的危险性,30,肌力,肌力决定骨结构和骨量，使骨强度适应运动负荷 股骨受到的肌力负荷比体重大 5 倍左右，正常活动的年轻人在 3 倍左右 举重运动员的肌力最大，马拉松、游泳等耐力性运动员的骨量相对较低 肌肉萎缩病人的骨强度较低,31,肌力,肌力的变化先于骨强度（抗骨折能力）的变化，后者由肌力变化引起 废用或雌激素缺乏时，肌力下降的速度快于骨强度下降的速度；高强度运动或补充雌激素后，肌力的增加先于骨强度的提高,32,肌力,人体发育显示，青少年时代肌力逐渐增加，成年时达到高峰，30 岁后，肌力逐渐下降，80 岁时只是年轻时一半左右 生长发育期，骨强度相对弱于肌力，骨负荷相对过载，骨以塑建（骨增加）为主；成年时骨强度与肌力相平衡，骨以保护性重建（骨保持）为主；在老年期，骨强度稍大于肌力，骨处于相对废用状态，骨以废用性重建（骨丢失）为主,33,肌力,长期卧床或外伤病人，肌力下降速度快于骨量的下降；但在恢复阶段（骨折愈合）肌力增加速度快于骨量的升高 宇航飞行员在微重力环境下，肌力下降速度快于骨量的下降，下肢尤为明显；返回地面重力环境后， 肌力的恢复早于骨量的恢复,34,肌力,肌肉数量不足或肌肉本身功能障碍可影响肌力的大小 人体肌肉数量和分布的测量方法 ： MRI或CT计算机三维重建 ：获得下肢肌肉体积或分布曲线 MES (人体肌肉功能分析仪）：快速测量人体下肢肌肉沿下肢方向的分布，由此分析整条腿或大、小腿的肌肉数量，求得关节功能障碍系数（R） CYBEX （肌力测量分析仪）,35,骨强度,骨强度表示骨骼某一局部在不发生骨折条件下承受最大的力 骨强度依靠骨的负荷，主要来源于肌肉的主动收缩，肌肉通过杠杆以几倍体重的力，抵抗重力和外力 骨强度取决于骨的质和量，即骨组织的分布、几何形状、尺寸大小、材料性能、骨密度、体重及骨骼所受外力等因素,36,骨强度,根据载荷变形曲线可确定结构断裂前所能承受的载荷、变形及储存能量 在弹性区域曲线内，卸载后结构恢复原来形状，不产生永久变形 继续加载超过屈服点，进入非弹性（塑性）区，将出现永久变形 继续加载达到极限断裂点，即发生骨折 适当的骨应力是保持和增加骨量的必要条件,37,骨强度,骨强度及骨量大小与骨局部应变大小成正比，骨骼首先在应力最大部位增加骨量 骨骼的内部结构及外部尺寸直接受应力分布的影响，其生长按照等应变方式 骨的形状试图用最小的骨量达到最大的骨强度,38,外力与骨骼,骨组织中的骨陷窝-骨小梁系统形成的立体网状结构是敏感的力感受器 外力使骨组织变形，引起骨小管内液体的流动，产生剪切应力和流动电压 骨骼负重后，可能活化细胞的某些代谢过程，包括能量代谢、生长因子产生和基质合成等,39,急性制动后骨丢失,急性制动后每周骨丢失约占骨总量 1，相当于正常一个人一年的“生理性骨丢失量” 急性制动引起钙吸收负平衡，以每天150200mg 的速度丢失骨钙 急性制动后骨吸收率短期迅速，骨形成受到持续抑制，导致骨丢失,Krolner B et al. Clin Sci 1983:64:537-40 Tsakalakos N et al. Osteoporos Int. 1993 Dec; 3(6): 337-40 Riggs BL.et al.,J Clin Invest 1981:67:328-35,40,制动后骨丢失,手术或骨折后较长时间的制动 机体负荷骤然下降 尿钙、可发生肾结石及病理性骨折 机体重新恢复有效负荷可使骨丢失逆转,Lyritis et al., Calcitonin effects on cartilage and fracture healing. J Musculoskel Neuron Interact 2019;2(2):137-142 Cowe LL. et al. Med Sci Sports Exerc. 18:501-508,41,制动后骨丢失的进程,期 迅速（16） 期 大量（8090） 期 稳定（2050）,42,急性制动后骨丢失的机制,运动及肢体负荷减少,骨重建系统破坏,钙内环境调节紊乱,43,急性制动后骨丢失的危害,骨质疏松症 疼痛：腰背痛、坐骨结节痛、足跟痛 骨折危险性增加 桡骨远端及肱骨外 科颈骨折 脊柱压缩性骨折 股骨颈及股骨转子间骨折 肢体功能障碍,44,急性制动后骨丢失,疼痛 骨折,骨吸收 增加,病情 加重,骨质疏松 恶性循环,活动减 少卧床,骨折或手术后急性制动,Ringe J: Non bone related effects of calcitonin. Bone Matters. The hightlights of a meeting held at Sintra, Portugal. Februray 1988,鲑鱼降钙素,鲑鱼降钙素,45,骨量丢失,脊髓损伤病人髂嵴组织计量学检查： 第25周前，小梁骨体积33%，保持低水平 破骨细胞吸收头16周，40周恢复正常 成骨细胞明显，810周恢复正常,46,骨量丢失,志愿者卧床制动后 120天，骨吸收与骨形成与瘫痪病人有相同改变，但无小梁骨体积减少 狗及灵长类制动，头 6 周快速， 变慢 最后在不活跃期维持低骨量,47,骨量丢失,制动最后稳定的骨量可能是适合力学需要的最小骨量 青少年到达生长停止期前，骨量较同年龄正常低 25% 30%，此差值是正常载荷及锻炼所需要的骨量,48,瘫痪,脊髓损伤后，第3、4、16个月股骨近端骨丢失分别为对照的22%、27% 和37%，12年后稳定于低骨量水平状态 脑血管疾患偏瘫病人从发病至 2月，OP 发生率为 6.7%； 36月为46.9%；610月保持稳定,49,骨折,OP 发病高危阶段为伤后 46月 腕部伤后固定 5周，尺、桡骨 骨密度2.4%4%，持续到恢复训练后 4 周 髋部伤后最初 46 月骨丢失 2%/d, 以后 1%/d,50,长期卧床,卧床第 1、2、3 个月，跟骨骨矿分别丢失2.6%、7.0% 和 11.2%, 个别达 40% 卧床 17 周，椎骨、股骨颈、胫骨近端均有明显骨丢失，但头部 BMD 稍增加,51,失重与骨组织,失重时，体液向躯体上部和头部转移 血流改变通过骨内膜血管和骨膜淋巴系统的压差影响组织液流动、剪切应力及骨骼负重应力 骨细胞对流体切变应力通过旁/自分泌调整骨重建,52,太空飞行,131312 d 后，股骨颈和大转子骨矿分别5.0%2.2% 和 9.1%2.8% 366天后，第 13 腰椎骨矿分别8%、10%、12%,53,不同病因所致骨丢失特点,卧床 脊髓损伤 太空飞行 初始速度 慢 快 中 06月 小 中-大 中 6月 不明 小-中 中 个体差异 小 中-大 中-大 锻炼后恢复 快 不确定 慢 锻炼后水平 完全 不确定 不完全-完全,54,骨形态计量学改变,长骨近侧干骺端骨小梁体积 骨小梁厚度 骨形成受抑制，骨吸收表面 抗重力肌肉附着部骨丢失明显 骨髓脂肪 ,55,骨代谢生化标志物,骨吸收指标： 血清CTx（C-telopeptide)、NTx(N-telopeptide) 尿 Ca、HOP 、HYP 尿 CTx、NTx 尿 PYD (pyridinoline)、 DPD (Deoxy-pyridinoline) 骨形成指标 血清BALP 、TRAP (tartrate resistant acid phosphatase) OC (osteocalcin, BGP)、 BSP (bone sialo protein) PICP、PINP (pro-peptides of collagen type ),56,骨吸收生化指标,血清 CTx(来自骨基质） NTx(来自骨基质） TRAP(来自骨基质） 尿 HOP/Cr(来自骨基质） PYD(来自骨、软骨、皮肤） DDD(来自骨基质） ,57,骨形成生化指标,血清 BALP 来自骨 OC 来自骨（成骨细胞） BSP 来自骨 PICP 来自骨、皮肤 PINP 来自骨、皮肤 ,58,血清PICP,骨吸收敏感及特异指标 反映成骨细胞活性及型胶原合成速率，但受肝功能改变影响 反映全身型胶原转换 型胶原降解时释出 应用抗骨吸收制剂后数值降低,59,骨吸收评估指标,尿羟脯氨酸（HOP） 尿钙/肌酐（Ca/Cr）比值 血浆抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP） 尿I型胶原交联N末端肽（NTX） 骨超声传递速度（USV）,60,钙代谢改变,尿钙平均 108 mg/d 尿 HOP 平均 25% 钙丢失最初较少，1月后为 50mg/d, 2月末达 200 mg/d 制动者尿钙，磷酸盐排泄，再加尿路感染，引流不畅，尿 pH,可引起肾结石,61,X线改变,骨皮质变薄，骨小梁稀疏，骨骺端和关节周围脱矿化 骨膜下骨吸收 髋臼部位可出现双皮质线 可为泛发型、斑点型、骺端线状型、皮质下透明带型及皮质分层型或挖空型,62,椎体X线诊断标准,级 纵行骨小梁明显突出 级 纵行骨小梁模糊、粗糙 级 纵行骨小梁不清,63,废用性骨质疏松的防治,卧床体位 运动锻炼 物理治疗 药物治疗,64,卧床体位,宜半坐位，保持头高足低，避免体液向头部和躯体上部转移 勤翻身，防止压疮,65,体育锻炼治疗机制,力学刺激诱导体液流动，对成骨细胞和破骨细胞产生刺激作用 应力刺激产生负压电位，易于结合阳性钙离子，促进骨形成 骨血流量，促进骨骼肌循环 通过神经及内分泌调节，影响钙平衡 提高组织营养,66,体育锻炼原则,尽早进行 循序渐进 主动运动 缩小固定范围及时间，对非损伤部位尽可能进行力所能及的运动 根据个体情况适当制订锻炼方法 对原发病积极治疗,67,体育锻炼方法,主动锻炼 等长及等张肌力受缩 关节活动度训练 站立、步行 被动锻炼：适用于瘫痪及偏瘫病人,68,物理治疗,电刺激：低电压高频率有效 脉冲电磁场 水疗 温热疗法 生物反馈疗法,69,药物治疗,降钙素（密盖息针剂及鼻喷剂） 双膦酸盐 etidronate、clodronate alendronate、risedronate等 钙剂及维生素D 中药,70,鲑鱼降钙素,安慰剂,尿HOP/Cr比值,鲑鱼降钙素可以有效减少羟脯氨酸的排泄，以防止卧床期间的骨丢失,G.P. Lyritis et al. Acta Orthop Scand Suppl. 2019 Oct; 275: 112-4,*P 0.01 *p0.001 (与基线相比),N=100,鲑鱼降钙素有效防止急性制动后骨吸收,0,0.005,0.010,0.015,0.020,0.025,0.030,0,7,28,*,*,天,71,鲑鱼降钙素有效防止急性制动后骨吸收,H.E. Van Der Wiel et al., Journal of Bone and Mineral Research 1993, Vol. 8, p. 1459-1465,与基线相比HOP/Cr比值增加百分率（）,天,N=32 *P=0.01(各组间比较),0,12,24,36,48,60,2,4,7,10,17,鲑鱼降钙素,安慰剂,*,*,*,*,*,72,鲑鱼降钙素有效防止急性制动后骨吸收,H.E. Van Der Wiel et al., Journal of Bone and Mineral Research 1993, Vol. 8, p. 1459-1465,与基线相比Ca/Cr比值增加百分率（）,天,N=32 *P=0.04（各组间比较）,-20,0,20,40,60,80,100,120,140,2,4,7,10,17,鲑鱼降钙素,安慰剂,*,*,*,*,*,73,鲑鱼降钙素,安慰剂,-50,-40,-30,-20,-10,0,10,基线,3,6,9,12,尿NTX/Cr变化百分比（）,月,鲑鱼降钙素有效降低骨吸收,*P0.05 #P0.01 P0.001 P0.0005,* #,#, ,Trovas GP et al. J Bone Miner Res. 2019 Mar; 17(3): 521-7,鲑鱼降钙素治疗组尿NTX/Cr比值迅速、显著持续降低,74,鲑鱼降钙素,安慰剂,-60,-50,-40,-30,-20,-10,0,基线,3,6,9,12月,尿CTX/Cr变化百分比（）,鲑鱼降钙素有效降低骨吸收,鲑鱼降钙素治疗组尿CTX/Cr比值迅速、显著持续降低,Trovas GP et al. J Bone Miner Res. 2