生理周期性骨质疏松是雄性鹿科动物骨骼特有的现象，由于鹿茸发育需要从骨骼大量重吸收矿物质，伴随鹿茸的年度再生而周期性发生。人类的骨质疏松是一个不可逆的过程，其治疗一直是医学界的难题。鹿科动物生理周期性骨质疏松症(osteoporosis，OP)的病理组织学表现与人类老年和女性绝经期后的骨质疏松症非常相似。因为鹿茸骨化完成后，骨骼骨质疏松完全恢复至正常水平，为我们提供了一个研究骨质疏松的模型。骨质疏松症是人类最常见的骨代谢病之一，是一种以骨量减少、骨的脆性增加、骨组织显微结构退行性改变、易于发生骨折为特征的全身代谢性骨骼疾病，多发生于绝经后妇女及老年人。骨质疏松性骨折发病率高，严重威胁着人们的生命健康，有超过10%的人口受到骨质疏松的困扰^[1]。目前骨质疏松症一旦发生，只能通过药物缓解症状而不能彻底根治，所以它的治疗一直是医学界的难题。如果能够利用自然界某些动物生理性现象作为模型，寻找钙、磷吸收和代谢的特异性规律，确定调节钙质吸收的调控因子，对于揭示骨质疏松的机理以及为可逆调节及治疗此病变提供依据。

1 鹿科动物生理周期性骨质疏松的特异性

研究表明，生理周期性骨质疏松是雄性鹿科动物骨骼特有的生物学现象，每年周期性发生。但是驯鹿除外，驯鹿的雌性鹿也有一定程度的生理周期性骨质疏松现象。鹿茸每年一度的周期性的再生、骨化、脱落，伴随着骨骼的年度周期性的疏松、完全恢复。以肋骨为例，在组织学上表现为：肋骨皮质变薄，重吸收窦增多，破骨细胞和成骨细胞均较为活跃，重吸收和骨重塑并存，造成骨质多孔；骨质疏松恢复后，内环骨板变厚，没有明显的吸收窦，恢复到骨质疏松前的状态。由于鹿骨质疏松后具有完全恢复能力，这个自然现象为我们提供了一个独一无二的研究骨质疏松的机会，为人类早日摆脱骨质疏松的困扰、实现完全愈合提供了一个宝贵的研究模型。

1.1 鹿茸生长发育规律

鹿科动物这一独特的骨质疏松现象发生在鹿茸的再生周期内，是在探索鹿茸骨化所需的矿物质来源的过程中被发现的，其发生与鹿茸快速骨化所需大量矿物质有关。鹿茸是鹿科动物雄性第二性征，骨化后称为鹿角，是自然界最坚硬的骨组织之一，也是动物界生长最快的骨组织^[2-4]。鹿茸每年完全再生1次：对大多数温带鹿种来说，鹿茸每年的再生开始于春季，快速生长于夏季，发育最快时能达到2.7 cm/d，是生长最快的动物组织^[5]；骨化于秋季，最终鹿茸将脱去外部皮肤，完全骨化成骨质器官(鹿角)；第2年的春天鹿角脱落后，新一轮鹿茸再生周期开始。组织学上，鹿茸内部主要由软骨组织和骨组织构成，自鹿茸尖部至鹿茸基部，细胞分化程度越来越高，骨化程度也越来越高。鹿茸的生长发育过程也是鹿茸逐步骨化的过程^[5]。自鹿茸再生开始至鹿角形成大约需要4个月的时间，产生大量的骨组织，如：赤鹿角平均重量7 kg，个别动物个体甚至达到30 kg，平均每天沉积矿物质达100 g^[6-7]；驼鹿角平均重量30 kg，平均每天沉积矿物质超过250 g^[8]。每年鹿角沉积的骨质达到体重的10%~15%^[9-10]。鹿角的主要成分为矿物质，含量达到61%^[9]。这就产生了一个问题：在短短4个月的时间，雄性鹿科动物如此快速的产生如此庞大的骨组织，矿物质是从哪里来的呢？科研工作者围绕这个问题开展了一系列探索工作。

在鹿茸生长期，鹿科动物对矿物质的需求量升高^[11-12]；对组织学的研究发现，这一时期骨骼内的矿物质被动员流失，即使饲粮中矿物质含量很高这种流失也会发生^[13]。这说明鹿茸生长期所需的矿物质的量巨大，超过了从食物中可以消化吸收矿物质的生理极限，因而还需要动员骨骼中的矿物质，造成骨骼矿物质的重吸收，引起骨骼组织发生暂时性的骨质疏松^{[9, 14-16]}。当鹿茸完全骨化完成后，进入发情期之前，为了保证最佳的争偶状态，骨骼的骨质疏松状态完全消失而恢复至正常水平。毫无疑问，生理周期性骨质疏松过程包含2个可逆的矿物质流动：在鹿茸的快速生长过程中，矿物质流出骨骼；在鹿茸骨化末期到发情期前，矿物质流向骨骼^{[4, 9]}。

1.2 鹿科动物生理周期性骨质疏松过程中矿物质重吸收的特点

鹿科动物生理周期性骨质疏松主要发生在不承重的骨骼。在赤鹿^[16]、白尾鹿^[17]、黑尾鹿^{[14, 18]}、驯鹿^[19-20]等鹿种中发现，肋骨矿物质流失较为严重，肋骨皮质骨重吸收记录最高达到26.5%^[14]；但是髂骨的生理周期性骨质疏松不明显^[16]。鹿骨骼重吸收对应于鹿茸再生周期中的时间点一直难以准确确定，也就是说骨骼重吸收发生在开始疏松、疏松逆转和完全恢复期中哪个时期，一直是科研界尚不清楚的问题。研究最为清楚的是骨质疏松开始逆转(骨重吸收程度最高)的时间点，且在不同鹿种上的发现也不尽相同。Banks等^[14]在赤鹿和Pritzker等^[17]在白尾鹿上的发现类似，认为肋骨的重吸收开始于鹿茸再生的开始，最大重吸收与鹿茸生长速率最快的时间点重合，并于鹿茸骨化期开始恢复。而Baxter等^[16]发现雄性赤鹿骨质疏松开始逆转时间点处于鹿茸生长末期，并于鹿角形成时，完成骨质疏松的恢复。

1.3 鹿科动物作为骨质疏松研究模型的潜力

鹿科动物生理周期性骨质疏松现象的独特之处在于其恢复过程。首先，这种恢复是一种再生性的恢复，是骨质疏松的逆向过程，能够完全恢复到骨质疏松发生前的状态。这与人类及其他用于研究骨质疏松的模型动物(如鼠、猫、狗、猪、羊、鸡甚至非人灵长类)的骨质疏松不同，因为这些骨质疏松都是不可逆的^[21-22]，一旦骨质疏松，再也无法恢复自然条件下形成的骨组织的状态。其次，这种恢复非常迅速，恢复时期发生在发情期前的2个月内。从配种季节开始，骨骼矿物质的动员和沉积达到动态平衡状态^{[1, 4]}。

鹿科动物生理周期性骨质疏松现象与人类骨质疏松症具有很大的相关性，生理周期性骨质疏松现象是鹿科动物在自然界生存的生理性适应现象，跟人类老年和女性绝经期后的骨质疏松在表观^[23-24]和基因表达模式方面非常类似^[1]。在表观上均表现为骨质量降低、矿物质化程度降低以及组织的显微结构退化、变脆易折断；在基因表达模式方面，这3种类型的骨质疏松受共同的基因网络调控^[1]。Borsy等^[1]通过对雄性赤鹿生理周期性骨质疏松期的肋骨、人类女性绝经期的股骨和老年性骨质疏松病人的股骨进行比较转录组学分析，发现人类和赤鹿的骨质疏松相关基因的表达模式方面非常类似，并推测通过模型动物的比较基因组学分析，能够确定人类骨质疏松诊断和治疗的新靶点。

综上所述，由于大多数哺乳动物骨质疏松难以愈合，而且几乎是不可逆的。而鹿的生理周期性骨质疏松却是一个特例，能够在骨质疏松发生后完全恢复到疏松前的状态。如果能够利用梅花鹿作为骨质疏松可逆恢复研究模型，进一步筛选赋予梅花鹿骨质疏松完全恢复能力的关键因子，可为解决人类骨质疏松不可逆这一关键科学问题找到一条切实可行的研究途径。

2 鹿科动物骨质疏松调节相关的研究进展

尽管早在20世纪50~60年代，鹿骨骼生理周期性骨质疏松这一现象就已经被发现^[13-15]，但是这一难得的研究模型至今仍没有被广大研究人员所熟知和利用，相关研究结果也较少，仅有的几篇报道主要集中在钙、磷代谢和转录组学初步分析方面。

2.1 鹿科动物钙、磷代谢和吸收的规律

生理周期性骨质疏松过程中，骨骼矿物质流出的成分主要为钙和磷^{[9, 15, 20, 25]}，如：雄性北美驯鹿(鹿角最大的鹿种)鹿角形成需要从骨骼中重吸收的钙和磷的量分别为不少于25和12 g/d。鹿角中的钙磷比与鹿骨骼一样，均为2 : 1^{[20, 26]}。但是鹿骨骼中钙、磷的重吸收比例却并非2 : 1，造成鹿骨骼中钙磷比在鹿茸生长期时能够达到3.3 : 1.0^[20]。试验证明，磷比钙更容易重吸收，骨骼中25%的钙和50%的磷能够被重吸收^[20]。钙、磷摄入不足的白尾鹿^[27]，赤鹿^{[11, 28]}、驯鹿^[20]等鹿种，其鹿茸发育均受到了抑制，说明生理周期性骨质疏松过程中钙、磷的重吸收并不是无限制的，而是有一个生理上能够承受的上限。

2.2 饲粮中钙、磷含量与鹿茸发育的关系

为了确定梅花鹿生茸期对钙、磷需求量是否增加，本课题组人员开展了相应的试验，选择了18头4~5岁(该年龄段鹿的生茸能力较强)同期脱角盘的健康雄性梅花鹿，分3组，饲喂低、中、高3个不同钙、磷水平的全价颗粒料，至形成二杠茸或者三杈茸。结果发现，高钙、磷饲粮组的梅花鹿形成二杠茸和三杈茸的时间更早，说明饲料钙、磷含量对鹿茸的形成至关重要。

2.3 梅花鹿生理周期性骨质疏松的组织学特征

为了验证梅花鹿生理周期性骨质疏松的发生，本课题组进行了如下前期研究：1)采取了梅花鹿肋骨皮质进行了组织学检查，发现在鹿茸快速生长期，肋骨皮质有明显的重吸收现象。在角盘脱落时，没有重吸收现象；在鹿茸快速生长期，有明显的重吸收腔，可见腔体边缘活跃的破骨细胞；在鹿茸骨化期，重吸收腔开始回填。相比之下，在同一时期，不生茸的雄性梅花鹿无重吸收现象。2)对梅花鹿后肢胫骨进行了X光骨质密度的测定，发现在鹿茸快速生长期，胫骨骨质密度有所下降，但下降幅度并不是十分明显。同时分析了试验结果不明显的主要原因：生理周期性骨质疏松主要发生在非承重骨骼，胫骨虽然有所疏松，但是疏松程度不大；此外，对部分血液学指标进行了测定，发现在鹿角形成期，降钙素和骨钙素在血液中的浓度同时升高。

3 梅花鹿作为骨质疏松研究模型的研究方向展望 3.1 探讨鹿茸再生周期中骨质疏松发生逆转的时间

以梅花鹿的生理周期性骨质疏松为研究对象，检测骨质疏松逆转发生在哪个时间段，确定是鹿茸骨化期还是脱皮期，可以利用组织学方法检测鹿茸再生周期不同时间点，通过判断肋骨的骨质重吸收程度，以确定骨质重吸收最大值的时间点；此外，还可以利用X光成像方法检测鹿茸再生周期不同时间点胫骨骨质密度，以确定胫骨骨质密度最低的时间点；结合以上组织学方法和X光成像技术综合分析骨质疏松逆转的发生时间。

3.2 代谢差异蛋白质及候选因子分析

不同时期组织差异蛋白质筛选：利用双向荧光差异凝胶电泳(two-dimensional fluorescene difference in gel electrophoresis，2D-DIGE)技术，筛选骨质疏松前期、骨质疏松形成期、骨质疏松恢复期3个时期肋骨皮质的差异蛋白质点，进行质谱鉴定。分析参与骨质疏松完全恢复过程的蛋白质、代谢因子和信号通路，探索骨质疏松的完全恢复机制，获得负责调控骨质疏松完全恢复的关键因子。通过生物信息学分析上述试验中获得的蛋白质、代谢因子和信号通路，探索骨质疏松的完全恢复机制，推测可能负责调控骨质疏松完全恢复的关键因子，作为候选因子。

3.3 矿物质代谢相关因子在血清中的差异检测

检测骨质疏松前期、骨质疏松形成期、骨质疏松恢复期3个时期血清中钙、磷、镁、睾酮、雌二醇、甲状旁腺素、降钙素、骨钙素、碱性磷酸酶等矿物质及其代谢相关因子的差异。

3.4 活体验证方法

通过分子生物学技术离体表达(合成)候选因子，构建大鼠骨质疏松模型，将合成的候选因子应用于该模型，验证该因子在大鼠骨质疏松愈合过程中的作用，利用大鼠骨质疏松模型验证候选因子对大鼠骨质疏松愈合的作用效果。

4 小结

鹿科动物具有特殊的钙、磷代谢规律，骨质疏松具有可逆性，因此，鹿科动物具备作为研究此类疾病模型的潜力。研究技术手段包括探索矿物质代谢和重吸收规律、血液激素变化以及不同生理周期骨组织学变化规律、蛋白质组学和代谢组学技术手段。未来的研究思路包括：通过分析骨质疏松可逆过程中蛋白质的表达差异和血清中矿物质相关代谢产物的差异，获得生理周期性骨质疏松代谢途径的关键蛋白质、代谢因子和信号通路；探索骨质疏松的可逆恢复机制；通过大鼠骨质疏松模型，验证候选调控因子对促进骨质疏松愈合作用的效果。