败血症状态下骨骼的微观结构与电磁耦合变化

《Journal of Biomechanics》：Microstructural electromechanical coupling changes in bone under sepsis

　　

唐朝军|邢逸晨| Tian金溪|孙耀

哈尔滨工业大学（深圳）理学院，中国深圳518055

摘要

I型胶原纤维在骨骼承重中起着核心作用，其内在的压电性对于机械转导和重塑至关重要。然而，在疾病进展过程中，机电耦合的演变机制仍不明确。本研究使用扫描探针显微镜（SPM）定量评估了轻度败血症后大鼠皮质骨中单个I型胶原纤维的机械和压电性质。在确定的时间点测量杨氏模量和压电幅度，以追踪其随时间的变化。结果表明，机械响应呈现出双相特性：杨氏模量最初下降后恢复，而压电响应则呈现相反的趋势。两个参数在术后48小时都出现了明显的拐点。在此阶段，纤维的直径减小，D周期缩短，机械异质性降低。这些发现揭示了败血症骨骼中机电行为的时变解耦现象，为骨骼病理生理学提供了微观层面的见解，并可能对早期诊断和干预具有重要意义。

引言

骨骼是脊椎动物的主要承重组织，其机械性能源于由有机基质（胶原蛋白和非胶原蛋白）、矿物质和水组成的分层结构（Rho等人，1998年；Collins等人，2002年）。I型胶原蛋白占有机相的约90%（Wallace等人，2011年），形成由两条α1链和一条α2链组成的异三聚体三螺旋结构（Li等人，2016年）。其非中心对称结构赋予了内在的剪切压电性（Denning等人，2017年；Minary-Jolandan和Yu，2009年）。胶原蛋白分子（约1.5纳米）组装成纤维（50–200纳米），进一步形成纤维束或纤维团（Dutov等人，2016年；Oosterlaken等人，2021年；Weiner和Traub，1992年）。羟基磷灰石（HA）晶体沉积在纤维内部和之间，形成具有机械强度和压电功能的矿化胶原纤维，这对骨骼修复和再生至关重要（Ferreira等人，2012年；Oladapo等人，2023年）。

败血症是全球感染相关死亡的主要原因之一，2020年有4890万例病例和1100万例死亡（约占所有死亡的20%）（Fleischmann-Struzek等人，2020年）。大约30%的重症监护病房（ICU）患者会发生败血症，死亡率为25.8%（Sakr等人，2018年）。败血症与免疫失调、营养不良和神经内分泌紊乱有关，这些都会加速骨质流失（Rousseau等人，2020年）。患有败血症的ICU患者在出院后通常表现出骨密度（BMD）显著下降（Hongo等人，2019年）。然而，骨骼的微观力学变化仍知之甚少，针对败血症引起的骨损伤的有效治疗方法也缺乏（Rousseau等人，2020年；Epsley等人，2021年；Loi等人，2016年；Redlich和Smolen，2012年）。

以往对骨损伤的研究主要依赖于分子和细胞方法（Loi等人，2016年），这些方法未能将病理变化与微观结构和力学改变直接联系起来。结构恶化是通过医学成像（Chang等人，2016年；Florkow等人，2022年；Minopoulou等人，2023年）以及扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等显微技术来评估的（Masters等人，2019年；Shah等人，2019年等）。然而，传统成像缺乏纳米级分辨率（Hussain等人，2022年），而SEM和TEM无法直接评估生物样品的生物力学或压电行为，且适用于非导电样品有限（Palmquist等人，2012年）。

扫描探针显微镜（SPM）能够高分辨率地绘制局部形态、机械和功能特性。压电响应力显微镜（PFM）是一种SPM模式，通过检测施加电场引起的变形来量化机电响应（Bian等人，2021年）。最近的研究报告了败血症大鼠中胶原蛋白结构和力学的炎症相关变化（Tschaikowsky等人，2022年；Cui等人，2019年），以及矿物质和胶原纤维的杨氏模量在形态退化前的降低（Sun等人，2018年）。然而，机电性质的演变机制仍不清楚。

在我们之前的研究中，微CT、组织学和基于SPM的机械测试未发现败血症后的显著结构变化（Puthucheary等人，2017年）。然而，术后24小时胶原纤维的强度和杨氏模量下降，但在96小时时恢复（Sun等人，2018年）。这些发现表明材料层面存在早期变化，但机电性质的动态演变仍不清楚。在此基础上，本研究探讨了轻度败血症后胶原纤维功能性质的时变过程，系统评估了术后12–144小时内的机械和压电行为。本研究采用了盲肠结扎和穿刺（CLP）模型（Rittirsch等人，2009年），并使用SPM来表征形态、机械性质和压电响应的动态变化，旨在阐明急性炎症下骨骼适应的机电耦合机制。

章节摘录

CLP诱导的败血症大鼠模型

所有实验程序均获得了香港理工大学深圳研究院动物伦理委员会的批准，40只雄性Sprague-Dawley大鼠（8周龄，300–350克）被随机分配到假手术组（Sham，n=20）或盲肠结扎和穿刺组（CLP，n=20）。CLP大鼠接受了盲肠结扎和穿刺，而假手术组仅接受了开腹手术（Puthucheary等人，2017年；Rittirsch等人，2009年）。动物通过二氧化碳安乐死

使用PeakForce QNM测定I型胶原纤维的微观力学性质

图2显示了每个亚组中I型胶原纤维的代表性2D形态图像及其对应的杨氏模量图像（更多图像见支持信息中的图S5）。定量分析显示，CLP组的平均纤维直径（83.54±19.81纳米）低于假手术组（88.31±17.96纳米）。这种差异在术后48小时最为明显，此时CLP组的纤维直径显著降低

讨论

先前的研究（Puthucheary等人，2017年）表明，早期败血症引起的骨损伤主要发生在材料性质层面，而非宏观结构恶化。我们的发现与此结论一致。形态分析显示，CLP组的胶原纤维与假手术组相比发生了变化，尤其是在48小时时差异最为明显，表现为D间距和纤维直径的减小。尽管这些变化较微小，但它们具有时间依赖性

结论

在本研究中，我们系统地研究了轻度败血症大鼠模型中I型胶原纤维的微观形态、机械性质和压电行为。败血症改变了纤维的周期性，并显示出杨氏模量与压电响应之间的的反比关系，揭示了机电解耦现象，为早期损伤和修复提供了亚纤维级别的见解。

作者贡献声明

唐朝军：撰写——原始稿件、验证、方法学。邢逸晨：撰写——原始稿件、方法学。天金溪：撰写——原始稿件、方法学。孙耀：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（参考编号：12102113）和国家自然科学基金重大项目（T2293720/T2293722）的支持。