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文章导读：股骨头骨坏死(ONFH)的发病机制尚不清楚。本研究旨在从生物力学角度探讨ONFH的发病机制，为改进治疗提供理论依据。通过Micro-CT扫描和组织学评估比较骨折股骨头与坏死股骨头的骨结构。通过生物力学测试，比较股骨头骨折区与坏死区各区域的生物力学性能。与骨折股骨头相比，坏死股骨头坏死区和硬化区骨微结构和骨形态计量学均有明显改变。此外，股骨头坏死区生物力学特性明显减弱，而硬化区生物力学特性增强。我们推测股骨头的骨结构与功能的不协调可能参与了ONFH的发病机制，应重视对这种不协调的预防和治疗。 声明：因中英文表达习惯不同，翻译可能存在偏差，如有疑问请文末留言或参看英文原文。 
股骨头坏死(ONFH)是骨科中一种使人衰弱的顽固性疾病。其患病率不断增加，常累及年龄在三十岁、四十岁和五十岁的患者生命。ONFH的自然发展迅速，可在几年内发展为股骨头塌陷或继发性髋关节骨关节炎。该病严重影响患者（尤其是年轻患者）的工作和休闲活动，因此迫切需要提高患者的生活质量。此外，ONFH可能造成重大的经济和社会负担。ONFH的治疗包括非手术和手术方法，但手术治疗是主流治疗方法。ONFH有多种手术治疗方法，包括核心减压、血管化骨移植、髋关节牵张、截骨术、髋关节表面置换和全髋关节置换术。虽然这些治疗的疗效仍有争议，但全髋关节置换术为ONFH患者提供了良好的早期疼痛缓解和良好的功能预后。然而，全髋关节置换术需要切除更多的宿主骨，因此限制了未来的手术选择。此外，在ONFH患者中观察到与其他原因引起的关节退行性变相关的假体耐久性较差。缺乏对疾病发病机制的了解可能导致难以治疗该疾病。ONFH的危险因素，如糖皮质激素、酗酒、创伤和镰状细胞病，可以明确说明，但关于ONFH的发病机制仍没有一致的结论。 目前已提出一系列假说，如血流障碍、骨细胞凋亡、脂代谢紊乱、基因多态性、免疫因素和生物力学因素等。许多学者认为血液循环中断是ONFH的发病原因。钱德勒将ONFH称为“髋关节冠状动脉疾病”，“股骨头缺血性坏死”一词已在许多研究中使用。Ueo等指出股骨头坏死区域与血管分布不一致，生物力学因素可能在ONFH的发展中起重要作用。在临床上，外伤性ONFH患者通常在手术后1至3年出现症状。如果血流障碍是ONFH的真正病理因素，那么患者应该更早出现症状。Mechanostat的发明者Harold Frost在1961年首次提出，小梁微骨折可能是导致ONFH的原因。Yang等表明，坏死股骨头塌陷是疲劳性骨折引起的。髋关节作为人体的主要负重关节，特定的骨小梁排列是股骨头功能的结构基础。内部空间结构和生物力学特性的变化可能在ONFH的发生和发展中起重要作用。因此，我们使用微计算机断层扫描、硬组织切片和生物力学测试来评估ONFH期间内部空间结构和生物力学特性的变化。我们的研究目的是为了更好地了解ONFH的发病机制和潜在的临床治疗靶点。我们获得15例坏死股骨头，15例骨折股骨头。入组患者的特征见表1。15例股骨头坏死患者年龄为50 ~ 67岁[(58.4±8.2)岁]，15例股骨头骨折患者年龄为56 ~ 77岁[(66.2±9.3)岁]。两组患者年龄差异有统计学意义(P < 0.05)。代表性x线片(图1)显示明显的股骨头塌陷和股骨颈骨折。10例股骨头坏死病例由糖皮质激素摄入引起，另外5例由酒酗酒引起。此外，他们均为疾病晚期(FICAT III或IV期)。显微ct图像及组织学标本显示坏死区位置与近端压缩小梁区位置对应，硬化区与交界区位置对应。此外，坏死股骨头远端受压骨小梁区和拉伸骨小梁区位置与骨折股骨头相同。因此，我们比较了病变股骨头坏死区与骨折股骨头近端受压骨小梁区，病变股骨头硬化区与骨折股骨头交界区。将远端受压骨小梁区和拉伸骨小梁区与股骨头骨折相同部位进行比较。骨折的股骨头在冠状面上轮廓光滑近似圆形(图2)，软骨结构完整规则。内部骨小梁结构基本完整，排列有序，皮质下的骨小梁的排列整体上几乎垂直于皮质。我们可以从图2中看到股骨头骨折各区域重建的三维结构:各区域的骨小梁排列有序、规则;各区域的骨小梁分离一致，其中拉伸骨小梁区域的骨小梁分离似乎大于其他区域(近端压缩骨小梁区、交界区、远端压缩骨小梁区)。 坏死股骨头内光滑近似圆形的轮廓消失，股骨头变形成各种不规则形状。软骨结构变薄或缺失，8个标本可见软骨与软骨下骨分离。坏死股骨头各区骨小梁内结构及重建三维结构(图3)显示，坏死区骨小梁离散，不完整，部分骨小梁塌陷挤压。此外，部分骨小梁似乎被其他非骨组织吸收并替代，在下方硬化区，骨小梁呈无序和各向异性排列;骨小梁变厚并融合，远端受压区和拉伸区骨小梁的排列和分离没有改变，保持均匀。 每个区域的骨形态测量结果见表2和图4。在骨折的股骨头中，远端压缩小梁区显示Tb增加。Th和Tb。Sp和降低的Tb。N与近端压缩小梁区和连接区相比，而拉伸小梁区具有较低的BV/TV, Tb、N和Tb。但较高的值tbsp。与骨折股骨头近端受压小梁区相比，坏死股骨头坏死区BV/TV和Tb较低。N (P = 0.001, P < 0.0001)和较高的Tb。Sp (P = 0.0001)。与骨折股骨头连接处相比，BV/TV和Tb值.结核硬化区结核发生率增高(P = 0.003和P = 0.001)。N和Tb。Sp降低(P = 0.002, P = 0.037)。骨折股骨头远端压缩骨小梁区与坏死股骨头远端压缩骨小梁区具有相似的骨形态计量学特征。与骨折股骨头拉伸小梁区相比，坏死股骨头拉伸小梁区Tb值较低。N (P = 0.003)和更高的Tb值。Sp (P = 0.003)。骨折股骨头内可见均匀的软骨层，软骨细胞无坏死。软骨下骨板完整，各区域骨小梁未见骨折，排列有序。大部分骨陷窝可见骨细胞，骨折股骨头空腔的比例明显低于坏死股骨头空腔的比例(11.38%±1.8% VS . 75.03%±8.98%，P < 0.05)。在骨髓中，脂肪细胞大小均匀(图5)。8 在坏死的股骨头中，部分标本软骨层不规则、开裂或缺失。软骨细胞出现萎缩，数量减少。部分标本在软骨下骨板处观察到微骨折。 坏死区和硬化区可见骨小梁微骨折和断裂，2区骨小梁排列紊乱。坏死区部分骨小梁和骨髓被肉芽组织或纤维组织替代，颗粒状或纤维组织内可见新生血管形成。在骨髓中，造血组织比例降低。脂肪细胞数量增加，且大小不均匀(图6)。此外，坏死股骨头中脂肪细胞的平均大小大于骨折股骨头(79.15±4.11 μm VS 66.21±2.81 μm, P < 0.05)。取骨折股骨头制备99块骨块(其中近端压缩骨小梁区29块、交界区30块、远端压缩骨小梁区25块、拉伸骨小梁区15块)，坏死股骨头制备85块骨块(其中坏死骨小梁区20块、硬化骨小梁区30块、远端压缩骨小梁区20块、10层骨小梁区15块)。各区域的极限强度、屈服强度、弹性模量及统计结果见表3和图7。在股骨头骨折中，与受压骨小梁区(近端受压骨小梁区、交界区、远端受压骨小梁区)相比，拉伸骨小梁区表现出更弱的生物力学性能。拉伸区骨小梁的极限强度、屈服强度和弹性模量均值均显著小于压缩区骨小梁。与股骨头骨折近端压缩小梁区相比，股骨头坏死区弹性模量降低70% (P = 0.001)，屈服强度降低36% (P = 0.021)，极限强度降低37% (P = 0.024)。与交界区相比，硬化区弹性模量高58% (P = 0.011)，屈服强度高42% (P = 0.031)，极限强度高45% (P = 0.037)。坏死股骨头远端压缩骨小梁区和拉伸骨小梁区生物力学性能与骨折股骨头相比差异均无统计学意义(P >均为0.56)。我们的研究表明，在ONFH晚期，股骨头的骨微结构和生物力学发生了很大的改变。与骨折股骨头相比，坏死股骨头坏死区和硬化区骨小梁排列紊乱，骨小梁性质发生明显改变。坏死区生物力学性能减弱，硬化区生物力学性能增强。松质骨的结构性退化被认为对股骨头塌陷的发生有很强的影响。在动物模型和人类中观察到骨微结构的显著变化，我们在Micro-CT扫描和组织学评估中获得了相似的结果。然而，Wang Cet al等没有检测到坏死区和健康区之间的微机械性能有任何差异。他们对同一坏死股骨头的坏死区和另一个健康区进行了比较。事实上，我们发现同一股骨头不同区域之间的骨形态计量学和生物力学性能存在一些差异(表2和表3)。将坏死股骨头的不同区域与骨折股骨头的相应区域进行比较，我们检测到显著不同的生物力学性能。根据Wolff定律，健康人或动物的骨骼会适应其所处的载荷。如果某块骨头承受的载荷增加，随着时间的推移，骨头会自我重塑，变得更强壮，以抵抗这种载荷。反之亦然。骨骼的内部结构是由其功能决定的，反过来，骨骼的功能又受其结构的影响。人类属于两足行走的灵长类群体，在日常活动中，数倍体重的载荷可以作用在股骨头上。人类股骨头在高压缩载荷下形成了复杂的骨小梁结构，包括主压缩组和主拉伸组。在日常活动中，股骨头上的应力主要由压缩骨小梁承担;因此，骨小梁需要是致密的，并且有足够的强度。相比之下，拉伸小梁只承担股骨头上的一小部分应力。因此，这些骨小梁不需要那么强，骨小梁的机械质量和数量都很低。应力再分布在ONFH的发生和发展过程中发生。应力集中在坏死区和下方松质骨的交界处。为适应应力的再分布，底层松质骨发生重塑，骨小梁增厚、排列紊乱、各向异性，生物力学性能增强。由此形成硬化区。Pascart T等检测到硬化区蛋白多糖含量减少，这与骨重建增加相关。此外，他们的组织学检查显示编织骨的存在，与快速无序的新骨沉积相对应。骨重建和骨结构的改变也与其他骨科疾病有关;在骨关节炎中，可以观察到软骨下骨丢失、软骨下骨硬化、软骨下骨板增厚和骨小梁厚度增加，在骨质疏松中也可以观察到结构参数的显著改变。整个生命过程中骨建模和重塑的目的是为了适应骨的组成和结构与主要负荷的关系。骨强度受许多因素的影响;其中，微结构是骨质量的重要因素，其完整性有助于骨的力学能力。 我们推测股骨头内部结构和功能的不一致可能是ONFH的病理因素。对于非创伤性ONFH，糖皮质激素和酒精滥用等危险因素会导致骨质流失和并削弱骨骼强度。股骨头持续受到应力，骨强度减弱，导致小原发区域的骨小梁微骨折。随后，修复过程被激活，由于持续存在的危险因素，修复和微骨折之间可能发生失衡。股骨头持续受到的应力会扩大微骨折的范围，导致骨小梁塌陷，出现坏死区。塌陷的小梁被吸收并被非骨组织取代，因此其BV/ TV、 Tb值较低。Th，更高的Tb值。Sp，坏死区弹性模量、屈服强度和极限强度较低。此外，坏死区与下方小梁的交界处发生应力遮挡，应力的大小和方向发生改变以适应这种新的应力。随后，底层小梁被重塑，小梁厚度增加，小梁排列紊乱，生物力学性能增强(BV/TV和Tb值增加)。Th，减少的Tb。Sp，硬化区弹性模量、屈服强度和极限强度较高)。如果达到新的力学平衡，患者的症状就会改善(虽然下肢短缩，但疼痛会缓解);否则，塌陷会继续进行，直到达到新的机械平衡。对于外伤性ONFH，虽然手术固定股骨头，但并不总能实现解剖复位，股骨头内小梁的排列方向不再与股骨头上的应力方向协调。股骨头内部结构的不一致和应力导致小梁微骨折在一个小的原发区域，随后的过程与非外伤性ONFH相同。因此，预防股骨头内部结构不协调和应力失调，提高骨强度可能是预防和治疗ONFH的有效方法。在大鼠创伤性ONFH模型中，双膦酸唑来膦酸治疗已被证明可以保护股骨头结构，临床研究也证实了双膦酸盐对ONFH股骨头早期塌陷的预防作用。钽结合了强大的机械阻力、高生物相容性、骨传导和骨诱导特性，它的目的是在提供机械支持的同时允许骨骼生长。关于这些治疗的临床研究和荟萃分析显示早期ONFH患者的病情有明显的改善。此外，ONFH的早期治疗通常采用椎体减压，其目的是降低骨髓压力，增加股骨头的血流量，尽管临床结果并不如人所期待的那样。对于外伤性ONFH，复位质量对股骨颈患者ONFH的发展有显著影响;复位质量差可能导致内部结构不协调更严重，股骨头承受的应力更大，发生ONFH的可能性急剧增加。 我们的研究有一些局限性。首先，本院股骨颈骨折的全髋关节置换术指征是骨折的股骨头标本来自老年患者。年龄可影响股骨头的骨结构和生物力学性能，但我们确实使用ANCOVA来校正年龄偏差。其次，要求全髋关节置换术的ONFH患者往往处于疾病的晚期。本研究中使用的坏死股骨头标本均为FICAIII期IV期，由于未获得早期标本，其内部空间结构和生物力学特性尚不清楚。第三，坏死股骨头的骨间隙结构和生物力学特性的改变代表了细胞生物学的问题，我们计划在进一步的研究中探索。股骨头内部结构和功能的不协调可能参与了ONFH的发病机制，我们建议对这种不协调的预防和治疗给予更多的重视。
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