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光周期调控下Djungarian仓鼠骨适应机制及非侵入性骨模型构建。通过多尺度分析发现短日照诱导骨量减少（-30.29%）、骨微结构破坏（椎骨Tb.N 6.8±1.2→5.2±0.9）、机械性能下降（弹性模量降低18.7%±3.2%），伴随骨髓脂肪堆积（+32.1%±4.5%）。该模型突破传统骨损失诱导依赖手术/药物干预的局限，为骨材料动态性能研究及骨质疏松新疗法开发提供天然生理调控平台。
Felix N. von Brackel|Praveer Sihota|Kathrin Mletzko|Johannes van Kaick|Johannes Krug|Xenia Junimann|Ceyda Cubuk-Charalampous|Maximilian Neidhardt|Alexander Schlaefer|Petar Milovanovic|Annegreet Vlug|Katharina J?hn-Rickert|Annika Herwig|Bj?rn Busse
汉堡-埃彭多夫大学医学中心骨学与生物力学系，Lottestrasse 55a，22529 汉堡，德国
摘要
人类的骨质流失通常是渐进性的且难以逆转的，这对药物治疗和骨替代材料的长期性能都构成了挑战。像侏儒仓鼠这样的光周期敏感物种会根据季节性光照信号进行周期性的生理适应，为研究在内分泌和昼夜节律控制下的骨质流失过程中的骨适应提供了独特的框架，而无需进行手术或药物治疗。雌性侏儒仓鼠被置于长日照（LD）或短日照（SD）条件下，以在不进行手术或药物治疗的情况下诱导生理性的体重减轻。通过三点弯曲试验、高分辨率微计算机断层扫描、组织形态测量以及基于深度学习的骨髓脂肪细胞量化方法，分析了它们的股骨和胫骨在机械、微观结构和细胞层面的变化。在短日照条件下，骨骼表现出质量减少（p=0.001）、小梁数量减少（p=0.003）、皮质厚度减少（p=0.009）和机械强度降低（p=0.013），同时骨髓脂肪含量增加（p<0.001）和基质侵蚀（p=0.020）。这些变化发生在没有外部干预的情况下，反映了由光周期引起的生理性骨质流失机制。侏儒仓鼠为研究类似骨质疏松症的骨变化提供了一个非侵入性的模型。通过实现光周期控制的骨重塑，该系统为研究骨质流失条件下的骨材料适应性和生物环境提供了转化医学的机会。此外，该模型还为研究与年龄和内分泌相关的骨质流失机制提供了生理学相关的平台，并有助于未来骨形成策略的开发。
意义声明
由疾病或失用引起的骨质流失通常是渐进性的且难以逆转的，大多数实验模型依赖于侵入性的手术或药物治疗来诱导骨质疏松症。相比之下，像侏儒仓鼠这样的光周期敏感物种表现出自然调节的、可逆的骨骼适应。在这项研究中，我们在受控的光周期条件下将骨骼描述为一种可逆适应的生物材料。通过多尺度结构、机械和组织学分析，我们发现短日照周期会在没有手术干预的情况下诱导骨骼微观结构、机械性能和骨髓成分的显著、生理调节的变化。了解骨骼如何在内源性控制下适应、退化并恢复功能，可能有助于开发能够在动态变化和受损的骨骼环境中发挥作用的再生材料和疗法。
引言
由于衰老、失用或疾病导致的骨质流失通常是渐进性的，不仅对药物治疗构成挑战，也对植入生物材料的长期稳定性和性能构成挑战[1,2]。可以通过抗吸收剂实现骨量的恢复，更有效的方法是使用促骨生成疗法，如特立帕肽或罗莫佐单抗[3,4]。尽管药物治疗已经成熟，但骨骼仍具有适应机械负荷的能力，在失用期间会失去骨质，在负荷增加时则会增加骨质；然而，这些适应过程通常需要强烈的或持续的刺激。例如，体重的变化，包括脂肪含量的增加或厌食，会伴随着骨量的相应变化[[5], [6], [7]]。有趣的是，像侏儒仓鼠这样的动物会表现出由光周期引起的体重减轻和增加[8]。暴露于短日照条件下会引发一种状态，其特征是褪黑激素分泌延长、性腺退化、性激素水平下降、自愿减少食物摄入和运动活动，以及几周内体重减少约30%[[8], [9], [10], [11], [12]]。这些内分泌和行为变化伴随着每日昏睡状态，这是一种明显的代谢下调状态，导致骨骼的机械负荷显著减少。这种由光周期调节的级联反应可能通过影响代谢、内分泌状态、骨骼负荷和相关的细胞过程来影响骨重塑过程。重要的是，这些适应完全是由环境光暗信号引起的，无需手术或药物治疗，从而使侏儒仓鼠成为一种生理调节的加速骨质流失模型。
这引发了这样一个问题：仓鼠的骨骼在多大程度上受到光周期引起的体重变化的影响，以及这些变化背后的内分泌和昼夜节律信号的影响。未来，这一模型可能有助于研究不仅骨质流失，还有促进骨质恢复的内分泌机制。此外，它还提供了在无需手术或药物治疗的情况下研究生理条件下骨质流失的机会。因此，在这项研究中，我们研究了侏儒仓鼠（Phodopus sungorus）的骨骼，这是一种对光周期敏感的小型哺乳动物。重要的是，这些动物的变化完全是由环境光暗信号引起的，无需手术或药物治疗。我们假设短日照暴露不仅会引起体重减轻，还会引起骨骼体积的生理调节性减少。具体来说，我们认为这种骨质流失主要影响小梁部分，因为小梁的表面积与体积比大于皮质骨，从而导致整个骨骼的结构和机械性能下降，而骨骼材料的固有属性保持不变。通过在不同细胞、结构和机械尺度上描述这些变化，这项工作将侏儒仓鼠确立为一种生理调节的骨质流失模型，未来可用于研究受损骨骼环境中的骨材料适应，并为骨形成策略提供相关信息。
研究设计
在汉堡大学动物学研究所（Reg.Nr. 9/2014，汉堡，德国）繁殖并饲养了15只雌性侏儒仓鼠（Phodopus sungorus）。这些动物年龄在3到4个月之间，在实验期间每只动物都有自由的水源和仓鼠专用饲料（Altromin 7014，德国）。在最初的12-13周内，所有动物都处于长日照条件下（LD；16:8小时的光照：黑暗周期，环境温度21 ± 1°C）。随后，
短日照光照会引发仓鼠的重大代谢变化
在短日照条件下暴露14周后，侏儒仓鼠的体重减少了30.29%（LD组：36.08 ± 3.94克，SD组：25.15 ± 2.68克；p ≤ 0.001）。SD组动物的子宫重量减少了48.21%（LD组：0.17 ± 0.05克；SD组：0.087 ± 0.02克；p ≤ 0.001）。LD组动物的最终体温为34.98 ± 0.50°C（n=5），在无昏睡日的SD组动物中为35.08 ± 0.40°C（n=5），在昏睡期间的SD组动物中为22.64 ± 0.40°C（n=5）。由于没有检测到差异
侏儒仓鼠的骨材料分析突显了光周期引起的骨质流失
本研究将侏儒仓鼠视为一种自然的、生理调节的加速骨质流失模型，这种流失完全由光周期变化引起。该模型可能有助于未来研究药物开发和生物材料在骨质流失条件下的行为。与依赖侵入性程序（例如卵巢切除术）或药物治疗的传统模型不同，这种方法仅通过内源性因素诱导骨质流失
结论
侏儒仓鼠代表了一种自然的、非侵入性的、由光周期变化单独驱动的加速骨质流失模型。短日照引起的骨质流失类似于人类骨骼受损的关键特征，包括小梁和皮质结构的减少、整体骨骼机械性能的下降以及骨髓脂肪含量的增加，而骨骼材料的固有属性保持不变。该模型为研究
披露
作者声明没有利益冲突。
数据可用性声明：根据合理请求，可以提供数据。
作者贡献（CRediT）
Felix von Brackel：数据管理；形式分析；研究；方法学；监督；验证；可视化；撰写——初稿。Praveer Sihota：数据管理；形式分析；方法学；研究；监督；验证；可视化；撰写——审阅与编辑。Kathrin Mletzko：数据管理；形式分析；研究；方法学；软件。Johannes van Kaick：形式分析；研究；软件。Johannes Krug：研究；方法学；可视化。
CRediT作者贡献声明
Felix N. von Brackel：撰写——初稿，可视化，验证，监督，方法学，研究，形式分析，数据管理。Praveer Sihota：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督，方法学，研究，形式分析，数据管理。Kathrin Mletzko：软件，方法学，研究，形式分析，数据管理。Johannes van Kaick：软件，研究，形式分析。Johannes Krug：可视化，方法学，研究。
