一、研究背景

骨折是常见的骨科疾病，其术后延迟愈合或不愈合发病率较高。过去数十年中，一系列体外和体内研究表明镁基植入物的应用可以改善手术治疗结果。与传统骨科金属材料相比，可降解镁及其合金具备的显著优势包括：与皮质骨相近的弹性模量，降解产物的促成骨效应，较低的再手术（植入物取出术）风险，以及作为镁元素补充来源对肌骨系统功能的调节等。然而，亦有研究表明镁离子的持续释放可能在局部骨修复中产生潜在负面效应，这提醒研究者需要对镁基材料的合理临床应用进行更深入的评估。

最近，德国Helmholtz-Zentrum Hereon的Regine Willumeit-Römer教授课题组采用大鼠外固定截骨模型进行了一项探索性临床前研究，验证了髓内可降解纯镁植入物（圆柱形，直径1.2 mm，长度5.0 mm）促进股骨骨折愈合的作用，并分析了多个解剖部位在术后第12周的骨组织矿化情况。影像学研究表明，镁植入物的应用改善了股骨骨折的愈合结果。此外，本文揭示了镁植入物在体内对全身骨组织矿化状态的复杂调控效应。

二、图文导读

研究采用了两个实验分组，分别为接受髓内纯镁植入物和骨折外固定的实验组，与仅接受骨折固定但无髓内植入物的对照组。手术和分组设计如文章图1所示。实验采用雌性Sprague-Dawley大鼠，经腹腔注射诱导全身麻醉后进行手术，在随访期间密切监测一般状态、切口并发症及肢体活动情况。实验动物可在术后第一天恢复四肢负重活动，随访至术后第12周未发现皮下气肿或软组织感染征象。术后第12周取材后，对多个解剖部位的骨组织样本进行了基于micro-CT的定量评估，分析部位如图2所示。

图1 手术设计和分组：(a) 术前完整股骨；(b) 通过截骨制备股骨骨折模型；

(c) 实验组接受髓内植入物和骨折外固定； (d) 在对照组中仅进行骨折外固定

图2 影像学定量分析解剖部位：（a-e）手术侧股骨，（f-j）对侧股骨；（k-m）第3腰椎；（n-r）肱骨

为对骨折愈合结果进行组间比较，文章进行了骨折区域的三维和二维影像学评估（图3）。在三维评估中，骨折近端和远端通过皮质骨桥接恢复连续性者，定义为稳定愈合（stable union）；当近端和远端仅通过髓内区域建立骨性连接、而未形成有效髓外皮质桥接时，定义为不稳定愈合（unstable union）；如术后12周时骨折端未形成骨性连接，定义为不愈合（Non-union）。二维评估中，根据密度阈值绘制了截骨水平皮质区域颜色映射伪彩图，以模拟和改良RUST评估模式，用于对皮质骨桥接状态进行评分。三维评估表明，术后第12周镁植入物组总体愈合结果优于对照组。在对照组中发现不愈合病例，且不稳定愈合例数高于镁组。二维影像分析表明，镁植入物组的皮质骨桥接情况亦优于对照组。然而，单纯应用基于颜色映射改良的评分系统，无法准确区分较低分数样本的愈合结果。

图3 骨折愈合的影像学分析：（a-i）三维愈合结果评估和二维皮质骨桥接评分示意图；（j-l）骨折愈合和皮质骨桥接评分结果

文章进一步对不同部位骨组织样本的矿化状态进行了组间比较（图4和图5）。研究中对术后12周骨折稳定愈合动物的双侧股骨进行分析，在手术侧股骨全骨中未发现组间差异，而镁植入物组中非手术侧股骨全骨的骨矿物质密度（TMD）高于对照组。进一步分析表明，在非手术侧的股骨中部骨干和远端皮质骨区域，镁植入物组TMD高于对照组。手术侧股骨的区域性分析表明，快速降解的镁解植入物在长期留置过程中，对骨折部位及其远端矿化状态的潜在影响：在截骨区域，镁组的骨矿物质含量（BMC）低于对照组；在远端，镁组的皮质骨TMD高于对照组，但松质骨区的BMC低于对照组。对腰椎样本分析表明，镁植入组的TMD高于对照组，而在肱骨样本中未检测到组间差异。

图4 股骨样本的骨组织矿化分析（部分节选）

图5 腰椎和肱骨样本的骨组织矿化分析（部分节选）

作者还对骨折愈合和和矿化检测结果进行了基于PCA的机器学习研究（图6）。考虑在临床实际治疗和随访中采集全部类似数据的可能性极低，本文选择在医疗实践中获取可行性高的参数构建简化数据集。结果表明，基于简化数据集和PCA构建的主成分作为潜在影像学标记物，有助于鉴别骨折术后第12周的不同愈合结果，结合t-SNE可进一步呈现稳定愈合和不稳定愈合样本间的聚类趋势。

图6 基于 PCA 的数据分析（部分节选）

三、结论与展望

骨折愈合并非单纯的局部组织修复和再生进程，同时还伴随全身的骨矿化状态改变。本研究提示局部镁植入物可发挥系统性的骨组织矿化调控作用，可能有助于降低非植入部位的骨折风险。然而，研究亦表明长期或高剂量镁离子释放可能导致局部的骨组织抑制效应。基于PCA的机器学习分析提示，在对可降解金属或生物活性材料进行研究时，有必要同时关注局部和系统性肌骨组织反应，以及二者间潜在相关性。从整体角度应将骨折愈合视为全身性病理生理进程、而非单纯局部创伤修复进行分析，有助于提升临床转化价值。

此外，本探索性研究还提出了以下需要更多在体实验回答和解决的问题：（1）能否通过调控材料的体内降解，使镁植入物在促进骨折愈合并改善全身肌骨系统状态的同时、避免产生局部骨抑制效应？（2）降解中的镁植入物及相关产物、与愈合中的骨组织微环境之间，如何互动并影响治疗结果？（3）监测愈合过程中的全身骨组织矿化状态，是否有助于骨折不愈合等并发症的早期诊断？

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2024年第12卷第3期：

[1] Yu Sun*, Heike Helmholz, Regine Willumeit-Römer, Systemic modulation of skeletal mineralization by magnesium implant promoting fracture healing: Radiological exploration enhanced with PCA-based machine learning in a rat femoral model [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(3): 1009-1020.

五、中文摘要

镁及其合金作为植入物用于临床骨折治疗已得到体外和体内试验的支持。然而亦有研究表明，高剂量镁摄入和镁离子持续局部释放可能对骨代谢或修复进程产生负面影响，在开发镁基植入物时应予以重视。因此，有必要在具备临床相关性的动物模型中深入评估镁植入物的生物学效应。本研究的目标是在大鼠手术模型中验证髓内镁植入物的促进股骨骨折愈合作用，并对多个解剖部位的骨组织矿化参数进行评估，以分析这些参数与愈合结果的相关性及潜在临床意义。术后第12周的影像学分析表明，镁植入组的骨折愈合优于未使用镁植入物的对照组，三维分析表明镁植入组的骨折端稳定愈合率较高，二维评估表明镁植入组的骨折端皮质骨桥接情况优于对照组。对非手术侧股骨和腰椎的评估表明，镁植入物组的骨矿物质密度更高，而对肱骨的矿化指标分析未发现组间差异。在手术侧股骨中，镁植入组的远端区域骨矿物质密度较高，但远端骨组织体积和骨矿物质含量、以及截骨区域的骨矿物质含量相对较低。基于主成分分析的机器学习研究发现，具备临床相关性的影像学参数可构建用于鉴别愈合结果的影像学标记物，其性能优于二维放射学评分。本研究为合理评估生物活性金属材料、识别潜在不良反应、以及改善骨折愈合诊断方式提供了新的见解和临床前证据。

六、英文摘要

The clinical application of magnesium (Mg) and its alloys for bone fractures has been well supported by in vitro and in vivo trials. However, there were studies indicating negative effects of high dose Mg intake and sustained local release of Mg ions on bone metabolism or repair, which should not be ignored when developing Mg-based implants. Thus, it remains necessary to assess the biological effects of Mg implants in animal models relevant to clinical treatment modalities. The primary purpose of this study was to validate the beneficial effects of intramedullary Mg implants on the healing outcome of femoral fractures in a modified rat model. In addition, the mineralization parameters at multiple anatomical sites were evaluated, to investigate their association with healing outcome and potential clinical applications. Compared to the control group without Mg implantation, postoperative imaging at week 12 demonstrated better healing outcomes in the Mg group, with more stable unions in 3D analysis and high-mineralized bridging in 2D evaluation. The bone tissue mineral density (TMD) was higher in the Mg group at the non-operated femur and lumbar vertebra, while no differences between groups were identified regarding the bone tissue volume (TV), TMD and bone mineral content (BMC) in humerus. In the surgical femur, the Mg group presented higher TMD, but lower TV and BMC in the distal metaphyseal region, as well as reduced BMC at the osteotomy site. Principal component analysis (PCA)-based machine learning revealed that by selecting clinically relevant parameters, radiological markers could be constructed for differentiation of healing outcomes, with better performance than 2D scoring. The study provides insights and preclinical evidence for the rational investigation of bioactive materials, the identification of potential adverse effects, and the promotion of diagnostic capabilities for fracture healing.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

孙羽（第一作者/通讯作者），2009年毕业于中国医科大学临床医学专业，就职附属第一医院，任骨外科医师。美国印第安纳大学-普渡大学访问学者。参与Willumeit-Römer教授团队并负责肌骨系统生物材料的临床前评估，研究内容和方法包括外科手术，多模镇痛，在体动态影像分析（X线/micro-CT，超声/光声，荧光成像，磁共振等），组织病理学流程构建和验证，分子生物学检测，生物力学分析，以及基于人工智能的探索性数据分析等。