運(yùn)動(dòng)與限食對(duì)肥胖大鼠股骨骨密度和骨生物力學(xué)特性的影響

李松波 張愛芳張琳 汪洋

1北京體育大學(xué)（北京 100084） 2河北省廊坊市人民醫(yī)院CT室

肥胖已成為人類社會(huì)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問題，針對(duì)肥胖的干預(yù)研究也受到更多關(guān)注。關(guān)于減肥對(duì)骨發(fā)育影響的研究很少。大量研究發(fā)現(xiàn)體重、肌肉量與骨密度呈正相關(guān)，體重減輕的同時(shí)，各部位骨密度降低、骨力學(xué)特性下降。同時(shí)多數(shù)研究認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)與骨代謝之間存在著“應(yīng)變效應(yīng)”，即機(jī)械力學(xué)信號(hào)可轉(zhuǎn)化為促進(jìn)成骨的生化信號(hào)。適宜強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)對(duì)未成年骨骼的影響主要表現(xiàn)為促進(jìn)峰值骨量的增加［1］；對(duì)成年骨骼的影響表現(xiàn)為一定程度的骨量增加或保持［2，3］；對(duì)骨的生物力學(xué)特性也有積極的影響［1，4，5］。在上述研究中，體重減輕對(duì)骨發(fā)育的消極作用與運(yùn)動(dòng)對(duì)骨發(fā)育的積極作用產(chǎn)生了對(duì)立：運(yùn)動(dòng)與限食共同干預(yù)對(duì)肥胖大鼠長(zhǎng)骨的發(fā)育有何影響？此類研究未見報(bào)道。本研究通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)明確運(yùn)動(dòng)與限食干預(yù)減肥對(duì)肥胖大鼠長(zhǎng)骨骨密度、力學(xué)特性的影響，為減弱限食減肥對(duì)骨代謝的不利影響，完善減肥運(yùn)動(dòng)處方和運(yùn)動(dòng)員科學(xué)降體重提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 肥胖大鼠模型的建立與分組

雄性SD大鼠88只，4周齡，體重60g～80g，購(gòu)自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司［許可證編號(hào)：SCXK（京）2007-0001］。將大鼠按體重隨機(jī)分為建模對(duì)照組（8只）和建模組（80只），參考孫志等［6］的方法，采用高脂飼料喂養(yǎng)建立肥胖模型。動(dòng)物房溫度24±2℃，濕度40～60%，明暗周期12小時(shí)，自由進(jìn)食飲水。高脂飼料喂養(yǎng)第11周末，體重超過對(duì)照組20%的大鼠數(shù)量達(dá)到樣本量要求。取體重達(dá)標(biāo)大鼠測(cè)量并計(jì)算Lee’s指數(shù)，建模成功組（32只，成功率為 40%）Lee’s指數(shù)為319.63±4.48，與建模對(duì)照組（297.50±6.45）相比差異顯著（P<0.01）。然后按體重將建模成功大鼠隨機(jī)分為4組：對(duì)照組（7只），限食組（7只），運(yùn)動(dòng)組（9只）和運(yùn)動(dòng)限食組（9只）。實(shí)驗(yàn)期間，運(yùn)動(dòng)組和運(yùn)動(dòng)限食組各有1只大鼠意外死亡。

1.2 運(yùn)動(dòng)和限食干預(yù)方案

1.2.1 運(yùn)動(dòng)方案

肥胖模型建成后，對(duì)運(yùn)動(dòng)組和運(yùn)動(dòng)限食組進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)。運(yùn)動(dòng)形式為游泳，90分鐘/次，每周6次，持續(xù)5周，周日休息。水溫33～37℃，水深55cm。

1.2.2 限食方案

肥胖模型建成后，各組大鼠繼續(xù)給予高脂飼料喂養(yǎng)，限食組和運(yùn)動(dòng)限食組喂食量為對(duì)照組喂食量的80%，每天記錄投食量和次日剩余量，根據(jù)對(duì)照組食量調(diào)整限食組的投食量。自由飲水。

1.3 動(dòng)物取材與前期處理

最后一次訓(xùn)練結(jié)束60小時(shí)后宰殺動(dòng)物，宰殺前禁食12小時(shí)。宰殺前稱重，采用20%烏拉坦按5m l/kg體重劑量腹腔麻醉。截取大鼠雙側(cè)下肢，剝離雙側(cè)股骨上所附著的軟組織。用游標(biāo)卡尺（精度為0.02mm）測(cè)量右側(cè)股骨的長(zhǎng)度（自股骨頭上緣至股骨內(nèi)髁下緣），然后迅速用浸透生理鹽水的紗布將兩側(cè)股骨分別包好，4℃保存，并于24小時(shí)內(nèi)完成骨密度、骨生物力學(xué)指標(biāo)測(cè)試。

1.4 指標(biāo)測(cè)試

1.4.1 體重

大鼠購(gòu)入后、實(shí)驗(yàn)期間每周日和宰殺前，用SL4001N電子秤（上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司）測(cè)量并記錄大鼠體重。

1.4.2 股骨骨密度

肢體定量計(jì)算機(jī)斷層掃描（pQCT）為美國(guó)GE公司Highspeed DX/I CT機(jī)，測(cè)量前使用GE公司提供的體模進(jìn)行校正。檢測(cè)時(shí)先縱向掃描，顯示右股骨形態(tài)，以股骨頸為參考線向下做斷層測(cè)定，并測(cè)定參考線下5.0mm處的骨密度（mg/cm3）。

1.4.3 股骨生物力學(xué)參數(shù)

室溫下將新鮮右股骨置于WD-1電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)（長(zhǎng)春）上進(jìn)行3點(diǎn)彎曲測(cè)試，跨度為25mm，加載速度為2mm/min，記錄載荷－變形曲線。通過載荷－變形曲線計(jì)算最大撓度、彈性撓度、最大載荷、彈性載荷、最大能量和剛性系數(shù)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 不同干預(yù)方案肥胖大鼠體重比較

多因素方差分析表明，運(yùn)動(dòng)主效應(yīng)顯著（P<0.001），運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致肥胖大鼠體重顯著下降；限食主效應(yīng)顯著（P<0.01），限食導(dǎo)致大鼠體重顯著下降；運(yùn)動(dòng)與限食交互作用不顯著（P>0.05）。不同干預(yù)組大鼠體重變化見表1。

表1 各組大鼠體重比較

2.2 不同干預(yù)方案肥胖大鼠股骨長(zhǎng)度比較

多因素方差分析表明，運(yùn)動(dòng)主效應(yīng)不顯著（P>0.05），限食主效應(yīng)不顯著（P>0.05），運(yùn)動(dòng)與限食交互作用亦不顯著（P>0.05）。不同干預(yù)組大鼠股骨長(zhǎng)度變化見表2。

表2 各組大鼠股骨長(zhǎng)度比較

2.3 不同干預(yù)方案肥胖大鼠股骨骨密度比較

表3 各組大鼠股骨骨密度比較（mg/cm3）

多因素方差分析表明，運(yùn)動(dòng)主效應(yīng)不顯著（P>0.05），限食主效應(yīng)不顯著（P>0.05），運(yùn)動(dòng)與限食交互作用不顯著（P>0.05）。不同干預(yù)組大鼠股骨骨密度變化見表3。

2.4 不同干預(yù)方案肥胖大鼠股骨生物力學(xué)參數(shù)比較

多因素方差分析表明（表4），限食對(duì)肥胖大鼠股骨生物力學(xué)參數(shù)最大載荷、彈性載荷和最大能量主效應(yīng)顯著（P<0.01），限食導(dǎo)致該三項(xiàng)力學(xué)參數(shù)顯著下降；運(yùn)動(dòng)與限食對(duì)其最大撓度、彈性撓度和剛性系數(shù)交互作用顯著（P<0.001，P<0.01）。不同干預(yù)組大鼠股骨生物力學(xué)參數(shù)變化見表5。

表4 運(yùn)動(dòng)與限食對(duì)大鼠股骨生物力學(xué)參數(shù)影響的多因素方差分析結(jié)果

表5 各組大鼠股骨生物力學(xué)參數(shù)比較

3 討論

3.1 不同干預(yù)方案對(duì)肥胖大鼠體重的影響

低熱量飲食和體育運(yùn)動(dòng)已被認(rèn)為是有效的減肥方法。由于限食使大鼠作為能量消耗的碳水化合物與脂肪酸來源大大減少，從而使體內(nèi)脂肪儲(chǔ)量明顯減少，體重減輕。運(yùn)動(dòng)增加了能量消耗，不僅運(yùn)動(dòng)本身消耗大量能量，運(yùn)動(dòng)后的恢復(fù)過程所消耗的能量也不容忽視。本研究中，限食組減少熱量攝入，其體重與對(duì)照組相比減少約6.3%；運(yùn)動(dòng)組通過增加熱量消耗也減少了熱量在體內(nèi)的蓄積，體重與對(duì)照組比較減少約13.1%；運(yùn)動(dòng)限食組在熱量攝入減少的同時(shí)熱量消耗增加，所以體內(nèi)熱量積蓄量最少，體重減少約18.7%。同時(shí)，由于嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，運(yùn)動(dòng)限食組減重量基本是運(yùn)動(dòng)組與限食組減重量之和。

3.2 不同干預(yù)方案對(duì)肥胖大鼠股骨長(zhǎng)度和骨密度的影響

關(guān)于適宜運(yùn)動(dòng)有利于骨形態(tài)發(fā)育的報(bào)道有不同觀點(diǎn)：高麗等［7］采用2月齡雌性SD大鼠進(jìn)行不同強(qiáng)度跑臺(tái)訓(xùn)練10周（6d/w），發(fā)現(xiàn)耐力運(yùn)動(dòng)組、中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組、大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組股骨、脛骨形態(tài)學(xué)指標(biāo)與對(duì)照組相比未改變。Talbott等［8］研究發(fā)現(xiàn) 20周齡（青年）和 48周齡（老年）雌性SD大鼠限制40%熱量攝入9周后，股骨長(zhǎng)度與對(duì)照組無顯著性差異。本研究中，雖然運(yùn)動(dòng)限食組股骨長(zhǎng)度減少3.1%，5周游泳運(yùn)動(dòng)或5周限食20%對(duì)處于青年期的肥胖大鼠股骨長(zhǎng)度無明顯影響，這可能因?yàn)楸狙芯康倪\(yùn)動(dòng)和限食干預(yù)時(shí)間短，其次是因?yàn)槌赡甏笫蠊趋篱L(zhǎng)度變化小。

很多研究認(rèn)為肥胖是骨量的保護(hù)因素，即肥胖者的骨密度較正常體型或消瘦者高［9-11］。國(guó)內(nèi)也有研究報(bào)道峰值骨量或 BMD 與體重存在線性相關(guān)［12，13］。Dyson 等［14］采用雙能X線骨密度測(cè)量?jī)x研究顯示，7～11歲女子體操運(yùn)動(dòng)員股骨頸骨密度、腰椎骨密度都較非運(yùn)動(dòng)員顯著升高，表明青春期前運(yùn)動(dòng)可增加骨密度。羅冬梅［15］觀察了4周齡SD大鼠在分別進(jìn)行為期3周、6周、9周不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后股骨骨量的變化，采用雙能X線骨密度測(cè)量?jī)x檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，3周時(shí)低負(fù)荷運(yùn)動(dòng)組和高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)組BMD下降（P<0.05）；6周時(shí)低負(fù)荷運(yùn)動(dòng)組BMD稍增加，但無顯著差異，而高負(fù)荷組BMD下降（P<0.01）；9周時(shí)各組間差異完全消失。本研究采用pQCT測(cè)量的是骨體（三維）密度（g/cm3），能將皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨分開測(cè)量，以排除骨的幾何因素，能夠代表骨的材料密度［16］。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：5周游泳運(yùn)動(dòng)或5周限食20%均未對(duì)肥胖大鼠股骨整體骨密度、皮質(zhì)骨密度和松質(zhì)骨密度產(chǎn)生顯著影響，雖然運(yùn)動(dòng)組松質(zhì)骨密度下降較多，達(dá)16.7%。考慮到成年后骨塑建和骨改建的過程，認(rèn)為短時(shí)間運(yùn)動(dòng)或限食干預(yù)并未影響肥胖大鼠股骨材料密度，雖然骨BMC可能發(fā)生變化。

3.3 不同干預(yù)方案對(duì)肥胖大鼠股骨生物力學(xué)參數(shù)的影響

關(guān)于游泳運(yùn)動(dòng)對(duì)大鼠骨生物力學(xué)特性影響的研究較多。步斌［17］的研究顯示，4周齡雄性SD大鼠進(jìn)行6周間歇游泳訓(xùn)練（5次/天，5分鐘 /次，間歇 4分鐘），腰椎骨生物力學(xué)性能和骨礦含量等參數(shù)顯著增加；但股骨骨礦含量沒有變化，股骨最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和能量吸收反而下降。房冬梅等［18］對(duì)4周齡SD雌性大鼠分別進(jìn)行游泳、跑臺(tái)訓(xùn)練9周（5d/w，1h/d）后發(fā)現(xiàn)，游泳運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以提高脛骨抗變形能力（最大撓度、彈性撓度），但其作用小于跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，可是其對(duì)脛骨抗斷裂能力（彈性載荷）的影響大于跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)?？梢娪斡镜倪@種作用不是通過骨量增加而獲得的。由于各研究中運(yùn)動(dòng)量、強(qiáng)度和時(shí)間等不同，選擇測(cè)量的骨不同，導(dǎo)致游泳對(duì)大鼠骨生物力學(xué)特性影響的結(jié)論也不同。

骨的生長(zhǎng)發(fā)育受飲食和體重影響［19，20］，所以骨生物力學(xué)特性也受限食影響。Talbott［8］等研究發(fā)現(xiàn)，20周齡（青年）和48周齡（老年）雌性SD大鼠限制40%熱量攝入9周后與對(duì)照組比較：限食對(duì)股骨長(zhǎng)度無顯著影響，但限食導(dǎo)致股骨最大載荷、彈性載荷減小。LaMothe［21］等研究發(fā)現(xiàn)，限食的中年后期（28月齡，從第14周開始限制40%熱量攝入）雄性F344BN大鼠脛骨與對(duì)照組比較，其結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)中最大載荷、彈性載荷和剛性系數(shù)分別下降20%、35%和19%，差異有顯著性。材料力學(xué)參數(shù)中只有受彎剛度下降19%，差異有顯著性。本研究發(fā)現(xiàn)：5周限食20%使肥胖大鼠股骨最大載荷、彈性載荷和最大能量顯著下降，表明限食使肥胖大鼠股骨硬度下降，抗斷裂能力下降。

本研究還發(fā)現(xiàn)：運(yùn)動(dòng)與限食對(duì)最大撓度、彈性撓度和剛性系數(shù)的交互作用顯著。限食干預(yù)時(shí)，運(yùn)動(dòng)使骨撓度增加，剛性系數(shù)下降，即限食干預(yù)時(shí)，運(yùn)動(dòng)使骨的抗變形能力下降；無限食干預(yù)時(shí)，運(yùn)動(dòng)使骨撓度下降，剛性系數(shù)升高，即無限食干預(yù)時(shí)，運(yùn)動(dòng)使骨的抗變形能力升高。LaMothe等［21］研究還發(fā)現(xiàn)雄性 F344BN大鼠從第14周開始限制40%熱量攝入到第28個(gè)月時(shí)，CT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其脛骨長(zhǎng)度減小、橫斷面積減小、骨髓腔變大（P>0.05）、皮質(zhì)層面積減小等形態(tài)計(jì)量學(xué)參數(shù)的改變。Tatsumi等［22］研究發(fā)現(xiàn)雄性C57BL/6小鼠和雄性F344大鼠終生限食（3～9個(gè)月）后，CT檢測(cè)見脛骨三維骨體積減小。結(jié)合上述研究及本研究中大鼠骨材料密度不變及限食后大鼠骨材料力學(xué)特性變化很小的結(jié)果推測(cè)：5周限食20%對(duì)肥胖大鼠股骨生物力學(xué)特性的影響及其和5周游泳運(yùn)動(dòng)對(duì)股骨生物力學(xué)特性的交互作用主要是通過骨結(jié)構(gòu)即骨形態(tài)計(jì)量學(xué)參數(shù)的改變實(shí)現(xiàn)的，還可能與它們影響肥胖大鼠股骨有機(jī)物代謝有關(guān)，骨基質(zhì)的有機(jī)成分在決定骨結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性方面有著重要作用。

4 總結(jié)

本研究采用的運(yùn)動(dòng)或限食干預(yù)能顯著降低肥胖大鼠體重，但對(duì)肥胖大鼠（青年）股骨長(zhǎng)度、骨密度未產(chǎn)生顯著影響。限食干預(yù)使肥胖大鼠股骨最大載荷、彈性載荷和最大能量顯著降低，使骨硬度下降，抗斷裂能力下降。限食與運(yùn)動(dòng)干預(yù)對(duì)肥胖大鼠股骨最大撓度、彈性撓度和剛性系數(shù)有交互效應(yīng)。

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