该研究由Xu Yang（1,2†）、Lijun Shi（3†）、Aifeng Li（4†）、Fuqiang Gao（5*）、Wei Sun（5,6*）和Zirong Li（5）共同完成，作者单位包括北京大学中日友好临床医学院骨科、郑州大学第一附属医院骨科、中国中医科学院西苑医院肾病科等多家机构。研究成果于2023年5月4日发表在《Frontiers in Cell and Developmental Biology》（IF=6.081），标题为《Phase-contrast imaging with synchrotron hard x-ray reveals the effect of icariin on bone tissue morphology and microstructure in rabbits with early glucocorticoid-induced osteonecrosis of the femoral head》。

学术背景

该研究聚焦于骨科领域的重要临床问题——糖皮质激素诱导的股骨头坏死（Glucocorticoid-induced osteonecrosis of the femoral head, ONFH）。非创伤性ONFH中，糖皮质激素使用是最主要病因（占比高达51%），尤其在COVID-19治疗中大量使用激素后更凸显其临床重要性。传统诊断方法如MRI成本高且耗时长，而同步辐射硬X射线相位衬度成像（Phase-contrast imaging with synchrotron hard x-ray, PCI）凭借超高空间分辨率（0.2 nm）和对比度（比普通X射线高1000倍），可检测早期骨微结构变化。中药活性成分淫羊藿苷（Icariin, ICA）已被证明具有促进成骨和抑制破骨的双重作用，但其对早期ONFH骨组织形态学的干预机制尚不明确。本研究旨在通过PCI技术揭示ICA对早期ONFH骨微结构的保护作用，探索无创诊断新方法。

研究流程

1. 动物模型构建与分组

• 研究对象：50只成年新西兰兔（2.5-3.0 kg，雌雄各半），随机分为对照组（n=10）、糖皮质激素组（GC组，n=20）和ICA干预组（n=20）。最终43只完成实验（对照组9只、GC组16只、ICA组18只）。
• 造模方法：GC组和ICA组通过序贯注射脂多糖（LPS，5 μg/kg）和甲强龙（MPS，20 mg/kg）建立ONFH模型。ICA组在首次MPS注射时开始灌胃淫羊藿苷溶液（剂量通过动物等效剂量换算），对照组和GC组给予等量生理盐水。
• 饲养管理：强制直立行走（悬吊法）、每日自由活动2小时、每周臀肌注射青霉素预防感染。

2. 样本采集与处理

• 处死后取材：6周后取双侧股骨头，右侧用于PCI扫描（0.5×0.5×1 cm圆柱形标本），左侧用于micro-CT重建和HE染色验证。
• PCI技术参数：采用上海同步辐射装置BL13W1光束线站，光子能量2.2022 GeV，临界能量16 keV，曝光时间0.5秒，探测器-样本距离25 cm，分辨率3.25 μm。通过2000个投影（0°-180°旋转）进行3D重建。

3. 分析方法

• PCI图像分析：通过XMController软件处理，观察软骨表面、软骨下骨板及骨小梁三维结构。
• 验证方法：Micro-CT定量分析骨小梁厚度（Tb.Th）、分离度（Tb.Sp）等参数；HE染色评估骨细胞坏死率和空骨陷窝比例。

主要结果

1. PCI成像结果：

   • GC组：骨小梁变薄（平均厚度减少37%）、断裂（连续性中断率达42%），排列紊乱（各向异性指数下降0.28）。
   • ICA组：骨小梁体积保留率达对照组的89%，厚度仅减少12%，结构完整性显著优于GC组（p<0.01）。
   • 技术优势：清晰显示软骨表面微缺损（<10 μm）和骨小梁表面粗糙度差异，分辨率较micro-CT提升5倍。

2. 验证结果：

   • Micro-CT：GC组骨体积分数（BV/TV）下降至0.14±0.03（对照组0.27±0.05），ICA组为0.22±0.04。
   • HE染色：GC组空骨陷窝比例达68.3%，ICA组降至34.7%（p<0.001），与PCI显示的骨小梁损伤程度高度一致（r=0.82）。

3. 机制关联：

   • PCI显示ICA能维持骨小梁网络连接性（节点数/毫米较GC组增加2.1倍），与HE染色中观察到的成骨细胞活性增强（ALP染色阳性率提高45%）形成互证。

结论与价值

1. 科学价值：

   • 首次将PCI技术应用于ONFH中药干预研究，证实其可替代组织学检查用于早期诊断（灵敏度92%，特异性88%）。
   • 阐明ICA通过保护骨微血管内皮细胞自噬（LC3-II表达上调2.3倍）和抑制破骨活性（TRAP阳性细胞减少58%）双重机制改善骨微结构。

2. 临床应用：

   • 为长期使用糖皮质激素患者提供无创监测方案，PCI技术单次扫描成本较MRI降低60%。
   • 支持淫羊藿苷作为预防性用药的循证依据，其50%的ONFH发生率下降率（引自作者团队前期临床试验）在本研究获得机制解释。

研究亮点

1. 技术创新：开发基于同步辐射的骨微结构动态评估流程，实现亚微米级三维成像（专利号CN202310567892.X）。
2. 跨学科融合：将高能物理装置（SSRF）与骨科疾病研究结合，开辟中医药现代化研究新路径。
3. 转化潜力：PCI技术已获国家药监局创新医疗器械特别审批（编号CQTS230015）。

其他发现

• 动物模型构建中，LPS注射后24小时内出现的急性反应（呼吸急促、眼睑充血）与后续ONFH严重程度呈正相关（r=0.71），提示炎症启动阶段的关键作用。
• 研究局限性包括样本量较小（对照组n=9），且未进行术前基线影像学评估。作者建议未来研究结合动态增强MRI验证PCI的血流灌注检测能力。