老年与青年骨内无机及微量元素分布比较
作者：吴小涛 戴克戎 裘世静 张元勋 张勇平
单位：吴小涛(南京铁道医学院附属医院骨科 210009)； 戴克戎(上海第九人民医院骨科)； 裘世静(上海第九人民医院骨科)； 张元勋(中国医学科学院上海原子核研究所)； 张勇平(中国医学科学院上海原子核研究所)
关键词：髋部骨折；骨质疏松症；微量元素；松质骨
江苏医药000210 摘 要：目的 研究老年髋部骨折病人松质骨内无机及微量元素含量。方法 应用质子激发X射线荧光分析技术(PIXE)测定12只股骨头松质骨中无机及微量元素含量,其中青年组5例,老年组7例。结果 老年组钙、磷、铜、铁和锶元素含量明显低于青年组(P<0.05～0.01),而硫、钾、镍和锌元素含量无显著性差异。结论 测定老年人骨内微量元素含量可能对预测髋部骨折及骨质疏松症的疗效评价等有一定临床价值。
A comparative study of inorganic substances and trace elements in the cancellous part of femoral head between old and young people
, http://www.100md.com
WU Xiaotao,DAI Kerong,QIU Shijing,et al
(Department of Orthopedics,the Affiliated Hospital of Nanjing Railway Medical College,Nanjing 210009)
Abstract：Objective To investigate the quantitative changes of the inorganic substances and trace elements in the cancellous part of femoral head of the elderly patients with hip fracture.Methods We determined the content of inorganic substances and trace elements in the capital cancellous part of the elderly with femoral neck fractures by means of proton induced x-ray emission(PIXE),and compared with that of the young adults.Results It was revealed that the concentration of Ca,P,Cu,Fe and Sr in aged group were significantly lower than those in the young group (P<0.05～0.01),while the concentration of S,K,Ni and Zn showed no significant difference.Conclusion It is suggested that the determination of inorganic substances and trace elements in elderly patients might have an important clinical significance in the treatment of the elderly patients with osteoporosis.
, http://www.100md.com
Key words：Hip fracture Osteoporosis Trace elements Cancellous▲
老年人易致髋部骨折的原因是骨质疏松,后者表现为骨矿含量下降和骨小梁结构异常。这与其骨内微量元素含量有何关系?目前研究甚少。本研究应用质子激发X射线荧光分析技术(PIXE)测定了老年股骨颈骨折患者股骨头松质骨中无机及微量元素的含量,并与青年人作比较,现报告如下。
材料与方法
取股骨头松质骨样本12只,其中青年组5例,为死于急性脑外伤健康男性,年龄在18～30岁之间,平均24.8岁。样本在死亡后5小时内采集,生前均无慢性疾病或滥用药物史。老年组7例,为新鲜股骨颈囊内骨折行人工股骨头置换而取出的股骨头,其中男性2例,女性5例,年龄在55～76岁之间,平均68.3岁,样本在术中采集。为防止污染和减少股骨头样本组织中无机元素的丢失,本研究所用取样工具均经高纯水严格清洗,所有样本放入干净聚乙烯袋,密封后置于低温冰箱内冷冻保藏。采样时将股骨头在常温下解冻24小时后放入烧杯,用去离子水浸泡2小时后用滤纸吸干,每只样本都取股骨头软骨下松质骨,称得其湿重后置入干净瓷坩埚内,-40℃以下真空冷冻48小时直至恒重为止(此即该样本的干重)。在样品坩埚中滴入3 ml 65%的硝酸溶液,置于电热板上微加热至70℃左右,使骨样完全溶解,冷却后加入200 μl钇0.5 mg溶液作为内标,充分混合后用移液管吸取100 μl溶液滴于干净的6 μm厚涤纶薄膜上,每个样本滴两个平行样品,真空干燥成为PIXE分析用靶片。使用美国国家静电公司(NEC)制造的4UH重离子加速器产生的质子束作为激发源。每个样本辐射测量时间约20分钟,测量信号经处理后送入脉冲分析器行解谱分析和数据处理。
, http://www.100md.com
结 果
一、骨样本干湿比(见表1)。
表1示青年组干湿比高于老年组约20%(P<0.05)。说明股骨颈骨折的老年人骨矿质含量明显下降。
二、无机及微量元素含量测定(见表2)。
表1 骨样干湿比测定(
±s)
青年组(n＝5)
老年组(n＝7)
P值
湿重(g)
2.248±0.440
, http://www.100md.com
3.367±0.547
干重(g)
1.411±0.322
1.723±0.404
干重/湿重
0.625±0.036
0.519±0.082
<0.005
表2 无机及微量元素含量(干重,g.g-1,±s) 元素
青年组(n＝5)
, 百拇医药
老年组(n＝7)
P值
P
8098±1623
5839±1809
<0.05
S
201±70
203±72
>0.05
K
682±287
688±220
, 百拇医药
>0.05
Ca
38698±5638
21445±5779
<0.01
Fe
54.6±16.0
27.9±12.0
<0.05
Na
34.2±19.0
21.0±11.0
, 百拇医药
>0.05
Cu
2.98±1.20
1.49±0.85
<0.05
Zn
61.7±23.0
52.8±13.0
>0.05
Sr
88.8±19.0
57.5±19.0
, 百拇医药
<0.05
表2示股骨头松质骨中无机及微量元素浓度测定结果,采用student t检验示老年组元素P、Ca、Fe、Cu和Sr含量明显低于青年组(P<0.05～0.01),而元素S、K、Na和Zn无显著性差异。讨 论
骨中微量元素含量测定文献报道甚少,这与骨样坚硬,粉碎困难和不易制备有关。常用原子吸收光谱法测定,但灵敏度较差。为提高灵敏度,扩大分析范围,又研制出火花源质谱法。它可以测定30多种元素,准确度和精确度达±10%。后来离子质谱仪分析法的建立使测定常量(宏量)和PPM级微量成分成为可能,而且具有极好的横向和纵向分辩率,但它不能作多元素同时分析,因此工作效率极低。我们采用质子激发X射线荧光发射分析法(PIXE)弥补了这一不足。它能一次同时分析15种以上的各种元素,快速、准确地得出分析结果,已成功地应用于微量分析领域。
本研究中,老年组Ca、P、Fe、Cu和Sr含量明显低于青年组。其结果与Saltman等报道一致[1]。钙是人体内含量最多的一种无机元素,成人体内约1公斤钙,其中99%集中在骨骼和牙齿内,另1%分布在全身肌肉、血液和细胞内。骨骼中的钙和全身其它组织及体液中的钙互相不断释放、交换和沉积,保持动态平衡,维持正常生理功能。老年人,尤其骨质疏松症患者,由于骨吸收大于骨形成,导致骨转换(bone turnover)负平衡[2]。这一过程由破骨细胞直接参与。破骨细胞在骨表面受成骨细胞介导而进行骨吸收活动[3]。活化后的破骨细胞皱折缘与矿化骨基质接触,后者即被破骨细胞所吸收。在骨吸收过程中,无机盐首先被溶解、消化,其中钙、磷、铜、铁等丢失最为严重,而胶原成分则较慢降解[4],在骨表面留下一个Howship吸收陷窝。如陷窝进一步增大,骨小粱即会穿孔、中断、消失。骨的抗压强度因此下降,最终导致骨折发生。
, 百拇医药
铜是人体内重要的微量元素,以金属酶的形式存在于体内,位于酶的活性部位,对骨的生长发育和修复等起重要作用。铜在胶原和弹性蛋白的交联中起重要作用。在骨重建过程中铜的缺乏使骨基质内胶原成熟发生障碍[1]。而无机盐是有规律地沉积于胶原表面的,胶原成熟障碍直接影响无机盐沉积,在综合因素作用下使骨矿质含量减少,且同时引起骨结构紊乱,从而导致骨质疏松症,皮质骨变薄、松质骨被吸收,其内出现显微骨折(microfracture)[5]。由于Ca、P、Cu等丢失,以及导致骨质疏松症的其它因素的综合作用,使这些显微骨折的修复出现障碍,从而使骨强度下降。重复性、周期受载或受到暴力时,可导致股骨等颈骨折发生。同样也可导致椎体和桡骨远端骨折。
本研究老年组股骨头内微量元素中明显低于青年组的还有锶和铁元素。锶具有抗衰老作用。骨骼内锶元素和钙元素关系密切。钙主要以钙盐形式保留在体内。有人证明锶的保留与钙一样,并且它的贮留对钙无损失,当钙浓度已到低限边缘时,锶能提供新的快速骨质矿化。锶也可以使受损骨再矿化,增加骨量。在骨的羟磷酸盐结晶中,锶的稳定型和活化型形式都能快速地与钙进行离子交换。饮食中锶含量增加,骨矿质内的锶也随之增高。动物实验发现,稳定型锶对骨的形态学和体内钙平衡有影响。进一步研究发现,正常剂量钙和高剂量锶混合饮食饲养也可导致高矿化而使骨量增加。其骨量增加明显高于单纯钙剂饮食组,因而,联合应用锶进行骨质疏松症治疗比单纯用钙治疗为好。
, 百拇医药
铁元素与骨代谢的直接关系仍不清楚。文献报道铁元素含量的数据波动也很大[1]。本研究中老年组铁的浓度明显低于青年组。铁在体内与氧运输有密切关系。低氧状态下,二氧化碳分压增高导致局部环境呈酸性,使骨细胞向溶骨相甚至退变相转化,诱发骨细胞性骨吸收[6]。因而骨内铁含量下降是否是骨质疏松症的病因之一,有待进一步研究。
本研究显示,老年组骨内铜、铁、锶等元素含量明显降低,补充体内这些元素的不足,预测骨质疏松性骨折发生可能具有一定临床意义。■
参考文献：
[1]Vase G.Cellar biology and biochemical mechanism of bone resorption.Clin Orthop,1988；213：239-246.
[2]Heersche JNM,Lagan E,Schabelski M.Displacement of osteoblast by osteoclast is a significant factor in osteoclastic bone resorption.Bone Mineral,1992；17(Suppl-l)：83-89.
, http://www.100md.com
[3]Mackie IG.Human bone microstructure studied by collagenase etching.J Bone Joint Surg,1989；71B：509-517.
[4]Grynpas MD,Marie PJ.Effects of low doses of strontium on bone quantity and quality in rats.Bone,1990；11：313-321.
[5]Cody Bunger.Bone circulation and metabolism.Acta Orthop Scand 1985；56：167-175.
[6]Saltman PD,Strause LG.The role of trace minerals in osteoporosis.J Ameri Colleg Nutri,1993;12(4):384-393.
收稿日期：1999-04-05
修稿日期：1999-07-13, 百拇医药
单位：吴小涛(南京铁道医学院附属医院骨科 210009)； 戴克戎(上海第九人民医院骨科)； 裘世静(上海第九人民医院骨科)； 张元勋(中国医学科学院上海原子核研究所)； 张勇平(中国医学科学院上海原子核研究所)
关键词：髋部骨折；骨质疏松症；微量元素；松质骨
江苏医药000210 摘 要：目的 研究老年髋部骨折病人松质骨内无机及微量元素含量。方法 应用质子激发X射线荧光分析技术(PIXE)测定12只股骨头松质骨中无机及微量元素含量,其中青年组5例,老年组7例。结果 老年组钙、磷、铜、铁和锶元素含量明显低于青年组(P<0.05～0.01),而硫、钾、镍和锌元素含量无显著性差异。结论 测定老年人骨内微量元素含量可能对预测髋部骨折及骨质疏松症的疗效评价等有一定临床价值。
A comparative study of inorganic substances and trace elements in the cancellous part of femoral head between old and young people
, http://www.100md.com
WU Xiaotao,DAI Kerong,QIU Shijing,et al
(Department of Orthopedics,the Affiliated Hospital of Nanjing Railway Medical College,Nanjing 210009)
Abstract：Objective To investigate the quantitative changes of the inorganic substances and trace elements in the cancellous part of femoral head of the elderly patients with hip fracture.Methods We determined the content of inorganic substances and trace elements in the capital cancellous part of the elderly with femoral neck fractures by means of proton induced x-ray emission(PIXE),and compared with that of the young adults.Results It was revealed that the concentration of Ca,P,Cu,Fe and Sr in aged group were significantly lower than those in the young group (P<0.05～0.01),while the concentration of S,K,Ni and Zn showed no significant difference.Conclusion It is suggested that the determination of inorganic substances and trace elements in elderly patients might have an important clinical significance in the treatment of the elderly patients with osteoporosis.
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Key words：Hip fracture Osteoporosis Trace elements Cancellous▲
老年人易致髋部骨折的原因是骨质疏松,后者表现为骨矿含量下降和骨小梁结构异常。这与其骨内微量元素含量有何关系?目前研究甚少。本研究应用质子激发X射线荧光分析技术(PIXE)测定了老年股骨颈骨折患者股骨头松质骨中无机及微量元素的含量,并与青年人作比较,现报告如下。
材料与方法
取股骨头松质骨样本12只,其中青年组5例,为死于急性脑外伤健康男性,年龄在18～30岁之间,平均24.8岁。样本在死亡后5小时内采集,生前均无慢性疾病或滥用药物史。老年组7例,为新鲜股骨颈囊内骨折行人工股骨头置换而取出的股骨头,其中男性2例,女性5例,年龄在55～76岁之间,平均68.3岁,样本在术中采集。为防止污染和减少股骨头样本组织中无机元素的丢失,本研究所用取样工具均经高纯水严格清洗,所有样本放入干净聚乙烯袋,密封后置于低温冰箱内冷冻保藏。采样时将股骨头在常温下解冻24小时后放入烧杯,用去离子水浸泡2小时后用滤纸吸干,每只样本都取股骨头软骨下松质骨,称得其湿重后置入干净瓷坩埚内,-40℃以下真空冷冻48小时直至恒重为止(此即该样本的干重)。在样品坩埚中滴入3 ml 65%的硝酸溶液,置于电热板上微加热至70℃左右,使骨样完全溶解,冷却后加入200 μl钇0.5 mg溶液作为内标,充分混合后用移液管吸取100 μl溶液滴于干净的6 μm厚涤纶薄膜上,每个样本滴两个平行样品,真空干燥成为PIXE分析用靶片。使用美国国家静电公司(NEC)制造的4UH重离子加速器产生的质子束作为激发源。每个样本辐射测量时间约20分钟,测量信号经处理后送入脉冲分析器行解谱分析和数据处理。
, http://www.100md.com
结 果
一、骨样本干湿比(见表1)。
表1示青年组干湿比高于老年组约20%(P<0.05)。说明股骨颈骨折的老年人骨矿质含量明显下降。
二、无机及微量元素含量测定(见表2)。
表1 骨样干湿比测定(
±s)青年组(n＝5)
老年组(n＝7)
P值
湿重(g)
2.248±0.440
, http://www.100md.com
3.367±0.547
干重(g)
1.411±0.322
1.723±0.404
干重/湿重
0.625±0.036
0.519±0.082
<0.005
表2 无机及微量元素含量(干重,g.g-1,
±s) 元素青年组(n＝5)
, 百拇医药
老年组(n＝7)
P值
P
8098±1623
5839±1809
<0.05
S
201±70
203±72
>0.05
K
682±287
688±220
, 百拇医药
>0.05
Ca
38698±5638
21445±5779
<0.01
Fe
54.6±16.0
27.9±12.0
<0.05
Na
34.2±19.0
21.0±11.0
, 百拇医药
>0.05
Cu
2.98±1.20
1.49±0.85
<0.05
Zn
61.7±23.0
52.8±13.0
>0.05
Sr
88.8±19.0
57.5±19.0
, 百拇医药
<0.05
表2示股骨头松质骨中无机及微量元素浓度测定结果,采用student t检验示老年组元素P、Ca、Fe、Cu和Sr含量明显低于青年组(P<0.05～0.01),而元素S、K、Na和Zn无显著性差异。讨 论
骨中微量元素含量测定文献报道甚少,这与骨样坚硬,粉碎困难和不易制备有关。常用原子吸收光谱法测定,但灵敏度较差。为提高灵敏度,扩大分析范围,又研制出火花源质谱法。它可以测定30多种元素,准确度和精确度达±10%。后来离子质谱仪分析法的建立使测定常量(宏量)和PPM级微量成分成为可能,而且具有极好的横向和纵向分辩率,但它不能作多元素同时分析,因此工作效率极低。我们采用质子激发X射线荧光发射分析法(PIXE)弥补了这一不足。它能一次同时分析15种以上的各种元素,快速、准确地得出分析结果,已成功地应用于微量分析领域。
本研究中,老年组Ca、P、Fe、Cu和Sr含量明显低于青年组。其结果与Saltman等报道一致[1]。钙是人体内含量最多的一种无机元素,成人体内约1公斤钙,其中99%集中在骨骼和牙齿内,另1%分布在全身肌肉、血液和细胞内。骨骼中的钙和全身其它组织及体液中的钙互相不断释放、交换和沉积,保持动态平衡,维持正常生理功能。老年人,尤其骨质疏松症患者,由于骨吸收大于骨形成,导致骨转换(bone turnover)负平衡[2]。这一过程由破骨细胞直接参与。破骨细胞在骨表面受成骨细胞介导而进行骨吸收活动[3]。活化后的破骨细胞皱折缘与矿化骨基质接触,后者即被破骨细胞所吸收。在骨吸收过程中,无机盐首先被溶解、消化,其中钙、磷、铜、铁等丢失最为严重,而胶原成分则较慢降解[4],在骨表面留下一个Howship吸收陷窝。如陷窝进一步增大,骨小粱即会穿孔、中断、消失。骨的抗压强度因此下降,最终导致骨折发生。
, 百拇医药
铜是人体内重要的微量元素,以金属酶的形式存在于体内,位于酶的活性部位,对骨的生长发育和修复等起重要作用。铜在胶原和弹性蛋白的交联中起重要作用。在骨重建过程中铜的缺乏使骨基质内胶原成熟发生障碍[1]。而无机盐是有规律地沉积于胶原表面的,胶原成熟障碍直接影响无机盐沉积,在综合因素作用下使骨矿质含量减少,且同时引起骨结构紊乱,从而导致骨质疏松症,皮质骨变薄、松质骨被吸收,其内出现显微骨折(microfracture)[5]。由于Ca、P、Cu等丢失,以及导致骨质疏松症的其它因素的综合作用,使这些显微骨折的修复出现障碍,从而使骨强度下降。重复性、周期受载或受到暴力时,可导致股骨等颈骨折发生。同样也可导致椎体和桡骨远端骨折。
本研究老年组股骨头内微量元素中明显低于青年组的还有锶和铁元素。锶具有抗衰老作用。骨骼内锶元素和钙元素关系密切。钙主要以钙盐形式保留在体内。有人证明锶的保留与钙一样,并且它的贮留对钙无损失,当钙浓度已到低限边缘时,锶能提供新的快速骨质矿化。锶也可以使受损骨再矿化,增加骨量。在骨的羟磷酸盐结晶中,锶的稳定型和活化型形式都能快速地与钙进行离子交换。饮食中锶含量增加,骨矿质内的锶也随之增高。动物实验发现,稳定型锶对骨的形态学和体内钙平衡有影响。进一步研究发现,正常剂量钙和高剂量锶混合饮食饲养也可导致高矿化而使骨量增加。其骨量增加明显高于单纯钙剂饮食组,因而,联合应用锶进行骨质疏松症治疗比单纯用钙治疗为好。
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铁元素与骨代谢的直接关系仍不清楚。文献报道铁元素含量的数据波动也很大[1]。本研究中老年组铁的浓度明显低于青年组。铁在体内与氧运输有密切关系。低氧状态下,二氧化碳分压增高导致局部环境呈酸性,使骨细胞向溶骨相甚至退变相转化,诱发骨细胞性骨吸收[6]。因而骨内铁含量下降是否是骨质疏松症的病因之一,有待进一步研究。
本研究显示,老年组骨内铜、铁、锶等元素含量明显降低,补充体内这些元素的不足,预测骨质疏松性骨折发生可能具有一定临床意义。■
参考文献：
[1]Vase G.Cellar biology and biochemical mechanism of bone resorption.Clin Orthop,1988；213：239-246.
[2]Heersche JNM,Lagan E,Schabelski M.Displacement of osteoblast by osteoclast is a significant factor in osteoclastic bone resorption.Bone Mineral,1992；17(Suppl-l)：83-89.
, http://www.100md.com
[3]Mackie IG.Human bone microstructure studied by collagenase etching.J Bone Joint Surg,1989；71B：509-517.
[4]Grynpas MD,Marie PJ.Effects of low doses of strontium on bone quantity and quality in rats.Bone,1990；11：313-321.
[5]Cody Bunger.Bone circulation and metabolism.Acta Orthop Scand 1985；56：167-175.
[6]Saltman PD,Strause LG.The role of trace minerals in osteoporosis.J Ameri Colleg Nutri,1993;12(4):384-393.
收稿日期：1999-04-05
修稿日期：1999-07-13, 百拇医药