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随着人口老龄化的加剧,神经退行性疾病、心血管疾病和骨质疏松症（OP）等年龄相关性疾病已成为不容忽视的问题。其中OP是一种常见的骨退行性疾病,患者的骨量减少和骨微结构恶化,导致其骨强度下降,进而骨折风险增加。由于OP早期症状不明显,且其导致的骨质疏松性骨折（OPF）发病率、致残率和死亡率高,被称为“沉默的杀手”。病患一旦发生OPF,极易因各种并发症死亡,存活者中多数伴有终身残疾,严重降低其生存质量和增加社会负担。据报道,2018年我国50岁以上人群OP患病率为19.2%,在全球50岁以上人群中约20%的男性和33%的女性会发生OPF。OPF目前已成为重大公共卫生和社会经济问题,阐明老年OPF发生的相关病理性机制并探索有效防治方法意义重大。骨折风险是由骨质量决定的,而影响骨质量的因素包括骨量、微观结构、材料属性和微损伤等诸多因素。大量研究已发现衰老会引起骨量的减少以及骨结构和材料属性的衰退。微损伤是影响骨质量的十分重要的因素,并已被证实在雌激素缺乏引起的OPF中是重要的风险因子。然而,微损伤在老年骨组织中的累积分布特征至今在国内外尚未见研究报道。正常的骨组织具有通过诱导内源性的靶向骨重建过程修复微损伤的能力,从而维持微损伤的产生与修复的动态平衡,而老年骨组织中微损伤的产生与靶向骨重建的偶联特性如何改变仍不清楚。因此,本研究旨在探索疲劳载荷作用下老年骨微损伤发生和累积的变化规律,明确老年骨组织微损伤累积与靶向骨重建偶联变化特性,阐明老年骨组织改变的机制,并基于此探索能够促进老年骨微损伤修复的有效措施。本研究首先通过基于微计算机断层扫描技术（micro-CT）的三维有限元分析（FEA）技术与应变片测量实验相结合的策略,对轴向压缩应力作用下青年和老年大鼠长骨表面应变空间分布进行表征,明确老年大鼠骨三维应变分布特征;其次,建立不同时间点青年和老年雄性骨微损伤动物模型,明确年龄相关的骨微损伤累积规律及其与靶向骨重建的偶联关系,并阐明了疲劳载荷作用下老年骨组织靶向骨重建受损机制,发现了老年骨组织微损伤靶向骨重建修复过程中骨组织细胞网络中线粒体分裂与融合的显著变化;最后,通过对老年大鼠线粒体动力学进行干预,发现疲劳载荷作用下老年骨组织靶向骨重建能力显著增强,从而抑制了骨微损伤的产生和累积,以基于靶向骨重建干预微损伤这一崭新角度为OPF的干预提供了潜在干预新策略。本研究主要分为三个部分:第一部分:应力作用下老年大鼠尺骨应变空间分布表征背景:应力作用下骨组织表面应变的大小和分布是骨损伤产生的决定性因素,目前已有诸多研究对应力作用下青壮年实验动物骨组织表面的三维应变分布进行了表征,然而老年大鼠骨组织表面的三维应变分布情况及其与青年大鼠应变分布的系统比较目前国内外尚未见研究报道。方法:对青年（3月龄）和老年（22月龄）雄性SD大鼠右前肢的micro-CT扫描数据进行三维FEA,仿真计算和对比青年和老年大鼠尺骨表面应变空间分布情况,明确峰值应变区域。而后进行应变片测量实验,结合仿真结果,对青年和老年大鼠骨组织表面的三维应变分布进行表征。结果:基于micro-CT的三维FEA结果显示,轴向压缩载荷下青年和老年鼠尺骨表面的应变分布趋势一致,压缩和拉伸峰值应变均分别位于尺骨远端骨干前内侧和后外侧。同时,应变片的测量结果进一步证实了 FEA数值仿真结果,通过匹配对比分析发现在8%以内。结论:本部分实验阐明了应力作用下老年鼠尺骨表面应变空间分布表征,发现了拉伸与压缩峰值应变发生区域,明确了骨微损伤研究的感兴趣区域,确定了构建青年和老年骨微损伤动物模型的加载参数,为后续骨微损伤实验提供了理论基础和实验参数指导。第二部分:疲劳载荷作用下老年大鼠骨微损伤变化规律及机制的实验研究背景:衰老会引起骨量的减少以及骨结构和材料属性的衰退。微损伤作为影响骨质量的又一重要因素,已被证实在雌激素缺乏引起的OPF中发挥重要作用。然而,微损伤在老年骨组织中的累积分布特征至今尚未见研究报道。骨组织可通过靶向骨重建过程维持微损伤产生与修复的动态平衡,而老年骨组织中微损伤的产生与靶向骨重建偶联特性如何改变仍不清楚。明确老年骨组织微损伤累积与靶向骨重建偶联变化特性,有助于阐明老年OPF发生机制,并以此为基础进一步探索有效防治策略。方法:分别将青年和老年大鼠随机分为四组进行1、4、7和10天的疲劳加载实验,采用单光子发射断层显像/计算机断层扫描技术（SPECT/CT）探究骨微损伤累积,使用碱性品红染色观察线性和弥散微损伤的变化规律,通过免疫染色和TRAP染色观察线性微裂纹附近靶向骨重建情况和线粒体分裂与融合的状态。结果:SPECT/CT扫描和碱性品红染色结果显示,疲劳载荷作用下老年鼠线性微损伤累积更严重,且损伤随加载时间持续累积,而青年鼠于加载7天达到峰值;老年鼠编织骨于加载10天开始形成,晚于青年鼠。免疫荧光（IF）结果显示,距微裂纹距离相同情况下,在各时间点老年鼠OCY的Caspase-3表达均显著高于青年鼠;加载7和10天,老年鼠RANKL表达均显著低于青年鼠。免疫组化（IHC）结果显示,加载4、7和10天,老年鼠微裂纹附近骨表面Runx2表达均显著低于青年鼠。TRAP结果显示,加载7天,老年鼠微裂纹附近TRAP阳性细胞数量显著低于青年鼠。IHC结果显示,加载10天,老年鼠微裂纹附近Drp1表达显著高于青年鼠,而Mfn1表达显著低于青年鼠。结论:疲劳加载下老年骨组织更易累积线性微损伤,老年骨组织中介导靶向骨重建的各关键步骤均受到显著负面影响:微裂纹附近骨细胞（OCY）凋亡增加,导致具有可分泌RANKL以靶向招募破骨细胞（OC）的旁观OCY减少,最终表现为老年靶向骨吸收能力下降;此外,微裂纹附近成骨细胞（OB）的数量与活性均降低。上述两方面共同导致了老年骨骼骨重建过程被推迟。本部分研究确定了老年骨微损伤累积规律和相关机制,进一步明确了 OPF的发生发展机制,同时发现了老年骨微裂纹附近线粒体分裂增强而融合减弱,这为探索提升老年靶向骨微损伤修复效率的方法提供了新思路。第三部分:基于线粒体动力学的损伤干预研究背景:在第二部分中发现老年骨微裂纹附近线粒体分裂增强而融合减弱。线粒体为骨重建过程提供能量,线粒体分裂与融合不仅影响其形态和质量,还对正常细胞生理活动的维持至关重要。因此我们考虑能否通过干预老年骨组织的线粒体动力学,进而提高其靶向骨重建能力、减少骨微损伤累积和最终提高骨质量,具有重要的研究意义。方法:使用线粒体分裂抑制剂1（Mdivi-1）抑制老年大鼠Drp1的表达,加载10天后行SPECT/CT扫描和碱性品红染色以观察骨微损伤累积情况,通过免疫染色和TRAP染色以探究微裂纹附近线粒体分裂与融合状态和靶向骨重建机制。结果:IHC结果显示,Mdivi-1干预后Drp1表达显著降低,Mfn1表达显著升高。SPECT/CT扫描和碱性品红染色结果显示Mdivi-1干预组老年鼠微损伤累积和编织骨形成均显著减少。免疫染色结果显示,Mdivi-1干预后微裂纹附近OCY的Caspase-3表达显著降低,旁观OCY的RANKL表达显著升高。此外,骨表面Runx2表达显著升高。TRAP结果显示,Mdivi-1干预后TRAP阳性细胞数量显著升高。结论:以上实验发现Mdivi-1可有效逆转老年鼠骨组织线粒体分裂与融合状态。此外,Mdivi-1可有效减少老年骨组织微损伤累积,有效改善老年骨组织中介导靶向骨重建的各关键步骤。本部分研究为通过干预线粒体动力学提升骨微损伤的修复效率提供了关键实验和理论依据,表明线粒体动力学是防治OPF的一个潜在靶点。