铝暴露致大鼠骨损伤的分子机制

为探讨铝暴露致大鼠骨损伤的分子机制，将100只4周龄清洁级Wistar大鼠随机均分成染铝组（430mg·L-1，Al3+）与对照组（蒸馏水），设立5个观测点，每隔30d处死染铝大鼠和对照大鼠各10只。记录大鼠临床症状和体重；用火焰原子吸收分光光度法测定血清、骨与软骨中铝（Al）、钙（Ca）、镁（Mg）、锌（zn）、铁（Fe）、铜（Cu）、锰（Mn）、硼（B）、锶（Sr）和硒（se）含量；放射免疫法检测血清中骨钙素（BGP）、甲状旁腺素（PTH）和降钙素（CT）含量；固相夹心ELISA法检测血清中1，25-二羟基维生素D3（1，25-（OH）2-D3）、骨源性碱性磷酸酶（B-ALP）、抗酒石酸酸性磷酸酶（TRACP-5b）、Ⅰ型前胶原羧基末端前肽（PICP）、Ⅰ型胶原C末端肽（CTX-Ⅰ）、Ⅱ型胶原（collagenⅡ）和Ⅱ型胶原c末端肽（CTX-Ⅱ）和蛋白聚糖（Aggrecan）含量；实时荧光定量PCR检测转化生长因子β1（TGF-β1）和骨形态发生蛋白-2（BMP-2）基因mRNA的表达量；双能X线骨密度仪检测骨密度（BMD）；并对铝暴露大鼠的骨与软骨组织形态学、骨功能细胞和软骨细胞超微结构进行观察。结果表明：
　　 1大鼠灌胃结晶三氯化铝的LD50为1283.60 mg/kg体重，以430mg/L（Al3+）饮水染铝可成功复制慢性铝中毒大鼠模型。
　　 2光镜观察发现，染铝大鼠骨基质中出现大量软骨样不成熟骨基质，并在染铝120～150d有破骨吸收增强现象：软骨基质结构松散，双细胞“背靠背”分布减少。电镜观察发现，骨细胞细胞核固缩，细胞器数量明显减少，胞质内电子密度较低，线粒体嵴断裂，粗面内质网扩张脱颗粒，在染铝后期线粒体和内质网等膜性结构呈空泡变性：软骨细胞细胞器数量减少，脂滴颗粒减少，基质纤维短小，排列紊乱。
　　 3铝暴露大鼠血清中PTFI、CT和1，25-（OH）2-D3含量分别从染铝90（P<0.01）、30（P<0.05）和90d（P<0.01）显著低于对照组，说明铝暴露可通过激素调节途径来间接影响骨代谢。
　　 4铝暴露大鼠骨中矿物质元素Ca、Mg、P及微量元素Zn、Fe、Cu、Mn、B、Sr和se的含量均不同程度的低于对照组，说明铝暴露可抑制骨矿化元素的沉积。
　　 5血清中BGP，PICP和B-ALP含量分别从染铝60d（P<0.05）、60d（P<0.01）、90d（P<0.01）显著低于对照组：局部调节因子TGF-β1和BMP-2基因mRNA表达量从染铝90d和60d显著低于对照组（P<0.01）；说明铝暴露可抑制骨功能细胞活性、代谢酶活性和局部调节因子表达，导致骨生成抑制。
　　 6血清中CTX-Ⅰ从染铝90d极显著高于对照组（P<0.01），TRACP-5b在染铝30d、60d和150d显著低于对照组（P<0.05），但在染铝120d高于对照组。说明铝暴露可诱导代偿性骨吸收增强，导致骨损伤。
　　 7染铝组整体股骨和胫骨BMD在整个实验周期中与对照组相比差异不显著性，但股骨干骺端BMD在染铝120～150d时显著低于对照组（P<0.05），4～6腰椎（L）在染铝150d时显著低于对照组（P<0.05），说明长期铝暴露可诱发骨丢失。
　　 8血清中Ⅱ型胶原含量从染铝30d开始显著低于对照组（P<0.05），CTX-Ⅱ从染铝90d开始极显著高于对照组（P<0.01），Aggrecan在90-120 d显著高于对照组（P<0.05）。说明铝暴露可抑制软骨细胞活性和软骨胶原的合成，并在染铝90d后诱发软骨基质降解增强，导致软骨损伤。