老年性骨质疏松(senile osteoporosis，SOP)及其所致脆性骨折是医疗费升高的原因之一。年老体衰，骨量渐失，骨质量下降，但SOP症状隐匿，后果严重，诊疗滞后[1]。因此，尽早地预防、诊断和治疗SOP，是老龄化社会亟待解决的重要问题之一。SOP的发病过程复杂，机制未明，目前仍需凭借实验动物开展广泛而深入的研究，根据需要可以选择自然衰老性SOP模型、快速老化SOP模型和D-半乳糖致衰老性SOP模型[2]。自然衰老性SOP模型存在死亡率高、管理成本高、实验周期长等诸多弊端，而快速老化小鼠P6品系(senescence accelerated mouse prone 6，SAMP6)小鼠是通过AKR/J系小鼠近交繁殖培育出的一种模型小鼠，具有衰老快、寿命短(平均约7.9个月)、骨骼早衰等特征，表现为骨微结构受损、骨量减少和骨脆性增加，是目前公认的SOP模型之一[3]。本文综述了SAMP6小鼠骨骼的力学性能、微结构和基质组成，并总结了遗传基因、功能分子等与骨代谢相关的机制。
1 SAMP6小鼠的骨生物力学性能骨生物力学性能是评估骨质量的直接可靠方法，可用于评价骨骼在受外力作用后的力学特性和生物效应。相比于SAMR1小鼠，SAMP6小鼠在整体上显示较差的力学性能。全骨模量降低了23%，屈服强度降低了37%，极限强度降低了40%，全骨韧性降低了62%。此外，SAMP6小鼠的胫骨硬度和弯曲矩减少了20%~25%。在股骨方面，屈服力矩和最终力矩分别减少了20%和35%，关节位移和骨折能量减少了70%[4]。这些结果表明，SAMP6小鼠的胫骨和股骨易碎、韧性差、抗骨折能力较弱。然而，与胫骨和股骨不同的是，SAMP6小鼠的椎骨在力学性能上与SAMR1小鼠相比，差异无显著性。尽管椎骨骨小梁体积减少，但这一变化被骨质矿化和皮质骨厚度的增加所抵消[5]，说明椎骨和四肢骨在力学性能上存在差异。进一步观察四肢骨，相比于SAMR1小鼠，SAMP6小鼠的股骨和胫骨的皮质骨模量增加了8%，硬度增加了11%。此外，股骨的皮质骨模量和硬度均高于胫骨[6]，表明SAMP6小鼠的皮质骨矿化程度高，且硬度较大。另有研究发现，低、中、高强度运动可以提高SAMP6小鼠股骨的断裂强度，从而改善其生物力学性能[7]。这一发现对于预防和治疗骨质疏松症具有重要意义。总之，SAMP6小鼠在整体和四肢骨方面均表现出较差的生物力学性能特征。
2 SAMP6小鼠的骨微结构特征从整体来看，SAMP6小鼠与SAMR1小鼠在椎骨高度、股骨、胫骨长度、骨组织重量等方面，差异无显著性，但骨组织微结构的各项指标均发生了不同程度的改变。在椎骨方面，随着年龄增长，SAMP6小鼠的椎骨总面积和骨内面积增加了15%和38%，而皮质骨厚度减少了18%[5]。此外，SAMP6小鼠椎骨的骨小梁体积分数(bone volume/total volume，BV/TV)在不同区域呈现差异，中部区域小于1%，而顶端和尾端比SAMR1小鼠减少了35%。SAMP6小鼠的骨小梁结构模型指数(structure model index，SMI)明显高于SAMR1小鼠[5]。这表明椎骨在不同区域的骨小梁变化不同，且骨小梁形状发生了改变。在股骨和胫骨方面，SAMP6小鼠的骨髓腔面积、骨内膜周长和骨外膜周长均高于SAMR1小鼠，但皮质骨面积和厚度差异无显著性[8]。然而，股骨和胫骨松质骨中的骨小梁发生了不同变化。与SAMR1小鼠相比，SAMP6小鼠的股骨BV/TV下降了15%~16%，骨小梁数量(trabecular number，Tb.N)和骨小梁厚度(trabecular thickness，Tb.Th)也明显降低，而骨小梁分离度(trabecular separation，Tb.Sp)和骨小梁模式因子(trabecular bone pattern factor，TB.Pf)则明显增加。SAMP6小鼠的胫骨中BV/TV下降了18%，同时Tb.N、Tb.Th、SMI、TB.Pf与股骨的变化趋势相似[9]。这表明SAMP6小鼠的股骨、胫骨与SAMR1小鼠相比，在外观上没有明显差别，但骨组织微结构中的骨小梁数量减少，分离度增大，杆状结构增多，骨微结构受到了一定程度的损伤。
骨形态计量学参数进一步说明了SAMP6小鼠的骨量和骨形态的变化。与3月龄SAMR1小鼠相比，同龄的SAMP6小鼠股骨的骨小梁吸收表面长度、骨矿沉积率和骨小梁面积明显减少，表明SAMP6小鼠具有骨吸收活跃、骨形成减少和低骨量的特点。与3月龄SAMP6小鼠相比，6月龄SAMP6小鼠的皮质骨宽度平均数和类骨质面积明显减少，表明随着年龄的增加，骨质疏松程度进一步加重。这些骨形态计量学参数显示SAMP6小鼠骨微结构受到了破坏，是骨吸收加快和骨形成减少共同作用的结果[10]。
综上所述，SAMP6小鼠的椎骨、股骨和胫骨与SAMR1小鼠在外观上无明显差异，但出现骨微结构损坏、骨代谢失衡、骨量低下等骨质疏松的发病特征，且严重程度随年龄增加进一步加剧。
3 SAMP6小鼠的骨基质组成成份骨基质由有机质和无机质组成。有机质中的胶原纤维占90%以上；无机质主要由钙、磷、镁等成分组成，以羟磷灰石结晶的形式存在。骨密度(bone mineral density，BMD)是评价骨矿含量水平的国际金标准之一[11]。在SAMP6小鼠骨骼的有机质中，总蛋白减少5%，胶原含量减少13%，且定向性较差[12]。在无机质方面，SAMP6小鼠的骨钙、骨磷水平明显降低，而血钙、血磷水平明显升高，表明骨骼的无机质流失加快。SAMP6小鼠的椎骨灰分增加18%，有机含量降低11%，水分降低了28%，表明其椎骨矿化程度更高[5]。SAMP6小鼠的BMD测量结果表明，头部区域的BMD最高，其次是脊柱、尾巴和腿部[13]。在1月龄时，SAMP6小鼠全身的BMD与SAMR1小鼠相比差异无显著性，但在2月龄时开始低于SAMR1小鼠；两者的全身BMD在4~5月龄时达到峰值，SAMP6小鼠的峰值较低。然而，SAMP6小鼠的全身骨矿含量和骨组织面积持续增加至8月龄[14]，原因未明。总之，随着年龄增加，SAMP6小鼠的胶原和总蛋白含量降低，而灰分和矿物质含量增加，这种无机质和有机质水平的变化对于研究SOP提供了重要参考。
4 SAMP6小鼠的骨代谢细胞和功能分子骨髓中存在多种与骨代谢相关的细胞，包括骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)、骨骼干细胞(skeletal stem cells，SSCs)、成骨细胞、破骨细胞、脂肪细胞等，在骨代谢中均发挥重要作用。与SAMR1小鼠相比，1~2月龄SAMP6小鼠BMSCs数量差异无显著性，在3~4月龄时，BMSCs数量减少，并伴随骨形成下降和骨量减少[15]。在衰老过程中，SAMP6小鼠的骨细胞和成骨细胞衰退，出现线粒体肿胀和髓鞘样结构[16]，破骨细胞抗酒石酸酸性磷酸酶阳性率较高，破骨活性增强[17]，过氧化物酶体增殖物激活物γ的表达增加，脂肪细胞分化增强[18]。体外培养的SAMP6小鼠BMSCs的细胞增殖和代谢活性降低，细胞凋亡比例增高，成骨分化潜能受损，脂肪分化能力增强[15, 19-20]。这些现象提示，SAMP6小鼠的BMSCs出现衰老的特征。总之，SAMP6小鼠骨量低下是多种细胞共同作用的结果。近年来，SSCs对骨骼发育和修复的作用越来越受到重视，但其在SAMP6小鼠中的研究尚未见报道。
SAMP6小鼠的骨代谢过程受到多种因素的调控，其中甲状旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)是重要的参与者之一。与SAMR1小鼠相比，SAMP6小鼠的甲状旁腺分泌颗粒数量增加，甲状旁腺颗粒内质网和高尔基复合体体积增加，而溶酶体体积减少[21]，呈甲状旁腺功能亢进状态。此外，SAMP6小鼠的尿cAMP和尿钙水平较高，血钙、血磷和PTH水平也明显升高，提示甲状旁腺功能亢进会导致骨吸收增加，骨量减少[22]。研究表明，PTH对皮质骨和松质骨的作用相反：一方面，低剂量PTH可以增加皮质骨中c-fos的表达，促进破骨细胞成熟，增强骨吸收，抑制Ι型胶原的合成，阻碍成骨细胞介导的骨形成活动，导致皮质骨孔隙率增大，骨密度降低[23]；另一方面，低剂量PTH可以改善SAMP6小鼠松质骨骨小梁微结构，增加干骺端的骨强度[24]。白介素11(interleukin 11，IL-11)作为一种抑炎因子，也会影响SAMP6小鼠的骨代谢过程。在SAMP6小鼠骨髓基质细胞中，IL-11表达减少，若增强TGF-β水平和AP-1活性，有可能促进IL-11表达的增加，破骨细胞和成骨细胞的生成也相应增强[25]；补充IL-11，则会抑制成脂分化，同时会促进成骨分化与破骨分化[18]。可见，PTH的增加和IL-11的异常减少可能是导致SAMP6小鼠骨代谢异常的主要原因。
5 SAMP6小鼠的遗传基因和分子机制SAMP6小鼠具有骨密度低下、遗传稳定的特征，其骨量主要受多个基因的共同调控，但与骨骼相关的基因位于不同染色体上。简言之，第11号染色体上的位点可以调控骨内膜和骨膜的形成，从而影响股骨横断面的形状。13号染色体上的Pbd2位点与成熟前的骨形成有关，是增加峰值骨密度的位点，并能增加干骺端的骨小梁和皮质骨体积，但不影响骨骼的几何形状[26]。X染色体上的Pbd3位点与成熟后的骨丢失率相关，但不影响峰值骨量[27]。
Wnt/β-catenin信号通路在骨形成调控中扮演着重要角色。低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6和Frizzled受体与Wnt结合，促进β-catenin转位入核，与TCF/LEF转录因子相互作用，最终激活成骨细胞的分化[28]。分泌型卷曲相关蛋白4(secreted frizzled-related protein 4，SFRP4)作为受体阻遏物，妨碍Wnt信号在细胞内的传递，抑制成骨分化，导致骨密度下降。在SAMP6小鼠中，SFRP4的表达水平明显增高，影响骨代谢过程。然而，在松质骨和密质骨中，SFRP4的作用途径并不一致。松质骨缺失SFRP4基因，典型的Wnt信号通路激活，骨小梁数量增加；皮质骨缺失SFRP4基因，通过激活非典型的Wnt通路，增强BMP信号，导致硬化蛋白表达增加，皮质骨变薄[29]。低剂量PTH和IL-11通过激活Wnt/β-catenin信号通路，促进骨形成。研究表明，PTH通过抑制MEF2C的表达，降低骨硬化蛋白(sclerostin，SOST)的表达，从而促进Wnt信号传递，增加骨密度。另据报道，IL-11通过抑制Dickkopf相关蛋白1(Dickkopf-related protein 1，DKK1)和DKK2的表达，激活Wnt/β-catenin信号通路，促进成骨细胞分化[30]。然而，在SAMP6小鼠中，IL-11是否通过DKK1和DKK2来激活Wnt/β-catenin信号通路，目前尚不明确(Fig 1)。
|
| Fig 1 SAMP6 mouse bone metabolism-related molecular pathway diagram |
综上所述，SAMP6小鼠是一种用于研究SOP分子机制的模型。尽管已经取得了一些进展，但仍需要进一步的研究来揭示SAMP6小鼠SOP的详细机制和潜在治疗靶点。
6 总结与展望SAMP6小鼠具有遗传稳定、骨量低下等特点，在骨骼形态、结构组成和BMD力学性能方面均与人类相似，椎骨除外。SAMP6小鼠骨量低下的原因较为复杂，根据现有的研究报道，其发病机制可能与BMSCs衰老、成骨细胞减少、破骨细胞与脂肪细胞增多、IL-11和PTH表达异常有关。目前，以SAMP6小鼠作为模型研究与开发防治SOP的药物，已经取得了一系列研究成果，尤其是抗骨质疏松中药及其天然产物。例如，黄芪可以通过Vitamin-D/FGF-23/Klotho通路影响骨形成活动，进而提高钙、磷含量，改善SAMP6小鼠骨质疏松[31]。白藜芦醇能够增强线粒体功能，改善细胞代谢，促进成骨分化，从而增加SAMP6小鼠的骨形成功能[32]。肉苁蓉总糖苷和肉苁蓉多糖可以通过激活Wnt/β-catenin信号通路，改善SAMP6小鼠的骨质疏松症状[33]。此外，小檗碱、干发酵大豆食品、膳食根皮苷、补肾壮骨颗粒均可提高SAMP6小鼠BMD，对SOP具有很好的治疗潜力。前述研究为解决老龄化社会中SOP问题提供了有希望的治疗策略，并促进了对SOP发病机制的深入了解，为未来进一步研究和临床应用奠定了基础。
| [1] |
谢辉, 林上阳, 夏晨洁, 等. 肠道菌群对骨质疏松的影响机制及治疗的研究进展[J]. 中国药理学通报, 2020, 36(5): 600-3. Xie H, Lin S Y, Xia C J, et al. Research progress on the mechanism and treatment of intestinal flora on osteoporosis[J]. Chin Pharmacol Bull, 2020, 36(5): 600-3. doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2020.05.003 |
| [2] |
李晓敏, 张岩. 老年性骨质疏松症动物模型及其发病机制的研究进展[J]. 中国骨质疏松杂志, 2015, 21(2): 245-8. Li X M, Zhang Y. Research progress in animal models of senile osteoporosis and its pathogenesis[J]. Chin J Osteoporos, 2015, 21(2): 245-8. |
| [3] |
Takeda T, Hosokawa M, Higuchi K. Senescence-accelerated mouse (SAM): a novel murine model of senescence[J]. Exp Gerontol, 1997, 32(1-2): 105-9. doi:10.1016/S0531-5565(96)00036-8 |
| [4] |
Silva M J, Brodt M D, Hucker W J. Finite element analysis of the mouse tibia: Estimating endocortical strain during three-point bending in SAMP6 osteoporotic mice[J]. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol, 2005, 283(2): 380-90. |
| [5] |
Silva M J, Brodt M D, Uthgenannt B A. Morphological and mechanical properties of caudal vertebrae in the SAMP6 mouse model of senile osteoporosis[J]. Bone, 2004, 35(2): 425-31. doi:10.1016/j.bone.2004.03.027 |
| [6] |
Silva M J, Brodt M D, Fan Z, et al. Nanoindentation and whole-bone bending estimates of material properties in bones from the senescence accelerated mouse SAMP6[J]. J Biomech, 2004, 37(11): 1639-46. doi:10.1016/j.jbiomech.2004.02.018 |
| [7] |
李丽辉. 运动训练对老年性骨质疏松小鼠(SAMP6)骨密度及骨生物力学的影响[D]. 上海: 上海体育学院, 2013. Li L H. Effects of exercise training on bone mineral density and bone biomechanics in senile osteoporosis mice (SAMP6)[D]. Shanghai: Shanghai University of Sport, 2013. |
| [8] |
Silva M J, Brodt M D, Ettner S L. Long bones from the senescence accelerated mouse SAMP6 have increased size but reduced whole-bone strength and resistance to fracture[J]. J Bone Miner Res, 2002, 17(9): 1597-603. doi:10.1359/jbmr.2002.17.9.1597 |
| [9] |
Chen H, Zhou X, Emura S, et al. Site-specific bone loss in senescence-accelerated mouse (SAMP6): A murine model for senile osteoporosis[J]. Exp Gerontol, 2009, 44(12): 792-8. doi:10.1016/j.exger.2009.09.009 |
| [10] |
刘庆忠, 刘碌, 董承超, 等. 快速老化模型小鼠SAMP6骨组织形态计量学观察[J]. 实验动物科学与管理, 2004, 21(4): 9-11. Liu Q Z, Liu L, Dong C C, et al. Morphometric observation of SAMP6 bone tissue in rapid aging model mice[J]. Lab Anim Sci Manag, 2004, 21(4): 9-11. doi:10.3969/j.issn.1006-6179.2004.04.003 |
| [11] |
Kushchayeva Y, Pestun I, Kushchayev S, et al. Advancement in the treatment of osteoporosis and the effects on bone healing[J]. J Clin Med, 2022, 11(24): 7477. doi:10.3390/jcm11247477 |
| [12] |
Silva M J, Brodt M D, Wopenka B, et al. Decreased collagen organization and content are associated with reduced strength of demineralized and intact bone in the SAMP6 mouse[J]. J Bone Miner Res, 2006, 21(1): 78-88. doi:10.1359/JBMR.050909 |
| [13] |
Kasai S, Shimizu M, Matsumura T, et al. Consistency of low bone density across bone sites in SAMP6 laboratory mice[J]. J Bone Miner Metab, 2004, 22(3): 207-14. doi:10.1007/s00774-003-0471-1 |
| [14] |
岑伟强, 杨亚军, 刘钰瑜. 衰老动物模型的研究进展及其在骨代谢疾病中的应用[J]. 广东化工, 2018, 45(9): 121-3. Cen W Q, Yang Y J, Liu Y Y. Research progress in animal models of aging and its application in bone metabolic diseases[J]. Guangdong Chem Ind, 2018, 45(9): 121-3. |
| [15] |
Sikora M, Śmieszek A, Marycz K. Bone marrow stromal cells (BMSCs CD45-/CD44+/CD73+/CD90+) isolated from osteoporotic mice SAM/P6 as a novel model for osteoporosis investigation[J]. J Cell Mol Med, 2021, 25(14): 6634-51. doi:10.1111/jcmm.16667 |
| [16] |
Chen H, Shoumura S, Emura S. Ultrastructural changes in bones of the senescence-accelerated mouse (SAMP6): a murine model for senile osteoporosis[J]. Histol Histopathol, 2004, 19(3): 677-85. |
| [17] |
Okamoto Y, Takahashi K, Toriyama K, et al. Femoral peak bone mass and osteoclast number in an animal model of age-related spontaneous osteopenia[J]. Anat Rec, 1995, 242(1): 21-8. doi:10.1002/ar.1092420104 |
| [18] |
Kodama Y, Takeuchi Y, Suzawa M, et al. Reduced expression of interleukin-11 in bone marrow stromal cells of senescence-accelerated mice (SAMP6): Relationship to osteopenia with enhanced adipogenesis[J]. J Bone Miner Res, 1998, 13(9): 1370-7. doi:10.1359/jbmr.1998.13.9.1370 |
| [19] |
Silva M J, Brodt M D, Ko M, et al. Impaired marrow osteogenesis is associated with reduced endocortical bone formation but does not impair periosteal bone formation in long bones of SAMP6 mice[J]. J Bone Miner Res, 2005, 20(3): 419-27. doi:10.1359/JBMR.041128 |
| [20] |
Jilka R L, Weinstein R S, Takahashi K, et al. Linkage of decreased bone mass with impaired osteoblastogenesis in a murine model of accelerated senescence[J]. J Clin Invest, 1996, 97(7): 1732-40. doi:10.1172/JCI118600 |
| [21] |
Chen H, Emura S, Yao X F, et al. Morphological study of the parathyroid gland and thyroid C cell in senescence-accelerated mouse (SAMP6), a murine model for senile osteoporosis[J]. Tissue Cell, 2004, 36(6): 409-15. doi:10.1016/j.tice.2004.07.002 |
| [22] |
Kawase M, Tsuda M, Matsuo T. Accelerated bone resorption in senescence-accelerated mouse (SAM-P/6)[J]. J Bone Miner Res, 1989, 4(3): 359-64. |
| [23] |
Takeda N, Tsuboyama T, Kasai R, et al. Expression of the c-fos gene induced by parathyroid hormone in the bones of SAMP6 mice, a murine model for senile osteoporosis[J]. Mech Ageing Dev, 1999, 108(1): 87-97. doi:10.1016/S0047-6374(99)00002-0 |
| [24] |
Washimi Y, Chen H, Ito A, et al. Effect of intermittent treatment with human parathyroid hormone 1-34 in SAMP6 senescence-accelerated mice[J]. J Endocrinol Invest, 2010, 33(6): 395-400. doi:10.1007/BF03346610 |
| [25] |
Tohjima E, Inoue D, Yamamoto N, et al. Decreased AP-1 activity and interleukin-11 expression by bone marrow stromal cells may be associated with impaired bone formation in aged mice[J]. J Bone Miner Res, 2003, 18(8): 1461-70. doi:10.1359/jbmr.2003.18.8.1461 |
| [26] |
Nakanishi R, Shimizu M, Mori M, et al. Secreted frizzled-related protein 4 is a negative regulator of peak BMD in SAMP6 mice[J]. J Bone Miner Res, 2006, 21(11): 1713-21. doi:10.1359/jbmr.060719 |
| [27] |
Shimizu M, Higuchi K, Bennett B, et al. Identification of peak bone mass QTL in a spontaneously osteoporotic mouse strain[J]. Mamm Genome, 1999, 10(2): 81-7. doi:10.1007/s003359900949 |
| [28] |
Rim E Y, Clevers H, Nusse R. The Wnt pathway: From signaling mechanisms to synthetic modulators[J]. Annu Rev Biochem, 2022, 91: 571-98. doi:10.1146/annurev-biochem-040320-103615 |
| [29] |
Azuma K, Zhou Q, Kubo K Y. Morphological and molecular characterization of the senile osteoporosis in senescence-accelerated mouse prone 6 (SAMP6)[J]. Med Mol Morphol, 2018, 51(3): 139-46. doi:10.1007/s00795-018-0188-9 |
| [30] |
Saidak Z, Le Henaff C, Azzi S, et al. Low-dose PTH increases osteoblast activity via decreased Mef2c/Sost in senescent osteopenic mice[J]. J Endocrinol, 2014, 223(1): 25-33. doi:10.1530/JOE-14-0249 |
| [31] |
Chai Y, Pu X, Wu Y, et al. Inhibitory effect of Astragalus Membranaceus on osteoporosis in SAMP6 mice by regulating vitaminD/FGF23/Klotho signaling pathway[J]. Bioengineered, 2021, 12(1): 4464-74. doi:10.1080/21655979.2021.1946633 |
| [32] |
Lv Y J, Yang Y, Sui B D, et al. Resveratrol counteracts bone loss via mitofilin-mediated osteogenic improvement of mesenchymal stem cells in senescence-accelerated mice[J]. Theranostics, 2018, 8(9): 2387-406. doi:10.7150/thno.23620 |
| [33] |
Wang F, Tu P, Zeng K, et al. Total glycosides and polysaccharides of Cistanche deserticola prevent osteoporosis by activating Wnt/β-catenin signaling pathway in SAMP6 mice[J]. J Ethnopharmacol, 2021, 271: 113899. doi:10.1016/j.jep.2021.113899 |