運動結(jié)合藥物對大鼠骨骼密度影響的研究

張健 卜淑敏 魏兆松

關(guān)鍵詞： 運動醫(yī)學(xué)；骨骼密度；骨質(zhì)疏松

中圖分類號： G 804.5 文章編號：1009783X（2012）03027406 文獻標(biāo)志碼： A

收稿日期：20110509

基金項目：國家自然科學(xué)基金（30771046）。

作者簡介：張健（1963—），男，北京人，碩士，副教授，研究方向為運動生物力學(xué)；卜淑敏（1967—），女，山西人，博士，教授，研究方向為運動生理學(xué)；魏兆松（1981—），男，安徽人，碩士，講師，研究方向為運動生物力學(xué)。

作者單位：首都體育學(xué)院，北京 100191

Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100191，China.隨著人口的老齡化，骨質(zhì)疏松癥不僅是一個醫(yī)療問題，也是一個社會問題，是常見的骨代謝性疾病，是一種危害中老年人群常見的疾病，在世界多發(fā)病中位居第6位，對該類疾病的研究及治療在影響人類生存質(zhì)量的因素中，已經(jīng)占有了越來越重要的地位。骨密度是診斷骨質(zhì)疏松的重要標(biāo)準(zhǔn)，受很多因素的影響。為探求骨密度對骨質(zhì)疏松癥的影響，本文采用去卵巢大鼠模型，通過觀察各組大鼠的體重、脛骨體重指數(shù)、脛骨長度、股骨和第4腰椎的骨密度的變化情況，得出運動和雌激素對骨質(zhì)疏松預(yù)防和治療的作用。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

60只雌性健康3月齡SD大鼠，體重（220±20）g，身體情況正常。由北京維通利華實驗動物中心提供，飼養(yǎng)于北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部實驗動物學(xué)部，嚙齒類動物飼料喂養(yǎng)，自由飲食、飲水，動物室溫度22～25 ℃，相對濕度50%～55%。

1.2 方法

1.3 實驗指標(biāo)的測定

在取材的前2 d開始制備取材的設(shè)備和儀器并注意制備充足的材料，開始斷食。在取材的當(dāng)日5時從動物實驗學(xué)部用專門的鼠籠把動物帶到首都體育學(xué)院重點實驗室進行取材。

1.3.1 體重

在平時要注意觀察大鼠的精神狀況和運動能力的變化，并注意各組的飲食量。在取材時要準(zhǔn)確地測量出每只大鼠的體重。

1.3.2 股骨和腰椎骨標(biāo)本的制備

大鼠飼養(yǎng)到期時，要提前2 d斷食物，但正常飲水。麻醉后測量體重，股動脈放血處死。注意勿損傷骨質(zhì)去除附著的肌肉和結(jié)締組織將兩側(cè)股骨、脛骨和腰椎骨摘出，將摘出的骨骼用pbs生理鹽水浸透的紗布包裹，裝入密閉試劑盒中，放置于-20℃冰箱內(nèi)，測試時將其于室溫下自然解凍[12]。

1.3.3 脛骨干重和長度的測定

用水合氯醛麻醉并用電子天平（JA5002）稱量出大鼠的體重。對所有的大鼠進行股動脈放血處死并取下大鼠的后下肢左、右脛骨。把脛骨按編號放置在60℃的實驗室烤箱（型號 XU027200）烘烤 12 h后取出。用電子分析天平（型號 FA1004A）稱量所有脛骨的質(zhì)量。再用游標(biāo)卡尺（精確度為0.02 mm）測出大鼠脛骨的長度（測量時，采用游標(biāo)卡尺卡緊骨的兩端結(jié)構(gòu)，并且骨兩端的距離是最短（要求骨的縱徑與游標(biāo)卡尺主尺面平行）。計算出左、右脛骨質(zhì)量的平均值和大鼠體重的質(zhì)量指數(shù)（脛骨和體重的質(zhì)量指數(shù)=一側(cè)脛骨的質(zhì)量/大鼠體重）。

1.3.4 股骨和腰椎骨的骨密度的測定

1.4 實驗數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計

所有指標(biāo)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，數(shù)理統(tǒng)計采用統(tǒng)計軟件SPSS 12.0進行單因素方差分析，組間相互比較采用LDS法，對F值明顯的指標(biāo)，用t檢驗對各組均值進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

3 實驗結(jié)果與討論

去勢大鼠作為骨質(zhì)疏松模型也已經(jīng)是一門成熟的技術(shù)。大鼠在3月齡時性腺與內(nèi)分泌系統(tǒng)才完全發(fā)育成熟，肌肉骨骼系統(tǒng)基本定型，故以3月齡青春期大鼠為研究的起始年齡；但此時大鼠的骨骼仍然在生長，至7月齡時，皮質(zhì)骨才發(fā)育成熟達到骨峰值，故3～8月齡為復(fù)制成年大鼠疏松模型的合適年齡，7～8月為最佳年齡；但采用 7、8 月齡大鼠耗資較大，故在設(shè)立對照組的前提下，用3～4月齡的大鼠仍是可行的[3]。通過以上所有的實驗數(shù)據(jù)分析，可以看出本次實驗的造模是成功的，得到手術(shù)靜止組的大鼠的體重和骨密度與假手術(shù)組、手術(shù)干預(yù)組有高度顯著性差異（P<0.01），即手術(shù)靜止組的大鼠，由于缺少雌激素和運動發(fā)生了骨質(zhì)疏松癥[46]。

3.1 脛骨指標(biāo)數(shù)據(jù)的比較分析及討論

骨長軸方向的成長依靠軟骨內(nèi)骨化過程，骸軟骨細胞不斷增生和不斷骨化（軟骨變成骨的過程），使骨長度不斷增加[7]。比較手術(shù)靜止組與假手術(shù)靜止組，可以看出SD雌性大鼠的脛骨由于在去勢手術(shù)的環(huán)境下生長而導(dǎo)致其脛骨長度的增長不明顯（P<0.05），之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象是去勢造成的雌性大鼠的雌激素的減少出現(xiàn)的以骨礦物質(zhì)的減少，骨骼微細組織構(gòu)造退行性衰退，骨骼脆性增加，而導(dǎo)致大鼠機體的自身防御性的保護，減少運動量等。運動能有效地改善去勢導(dǎo)致的長骨長度增長的劣勢。張兆賢等用測定骨大小和骨量的方法，觀察運動對去卵巢大鼠骨大小和骨量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對去卵巢大鼠進行中等強度的運動訓(xùn)練后，骨直徑和骨體積均較去卵巢組增加，說明運動對去卵巢大鼠骨大小和骨量的降低有改善作用[8]。章曉霜等[910]的研究表明，中等強度運動通過主要抑制去卵巢后骨吸收和骨形成，但抑制骨吸收的作用更明顯，且增加了骨礦的沉積作用，最終使骨形成大于骨吸收，可減少去卵巢大鼠脛骨骨丟失，這種作用直接表現(xiàn)在骨形態(tài)和骨的長度參數(shù)上。相對運動干預(yù)的方法，藥物對提高脛骨長度的效果不顯著性，盡管有改善的趨勢。可以從假手術(shù)靜止與假手術(shù)運動組可以看出運動在提高脛骨長度指標(biāo)上是有一定的效果的，這已經(jīng)成為人們的共識，即使在人類的實驗中也發(fā)生了該效果。根據(jù)Wolff定律：骨功能的每一互變，都有與數(shù)學(xué)法則一致的確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)的變化，適宜的運動可以改善去勢大鼠脛骨的長度的劣勢。鮑麗穎等[11]研究發(fā)現(xiàn)，運動中下肢骨承重及受力大小與其縱向生長有關(guān)。手術(shù)后的給藥也能治療去勢導(dǎo)致的長骨縱向生長的異常，但不如運動組的作用積極。雌激素是調(diào)節(jié)鈣擦狀謝的主要因素之一，因而極大地影響著骨代謝和骨重建過程。以往研究證實雌激素可通過降低破骨細胞活性抑制骨吸收[12]。給予雌激素的作用效果不如運動明顯，是因為雌激素對機體的刺激相比運動而言比較單一，該結(jié)果與Peng等[13]的研究結(jié)果一致。脛骨和體重的質(zhì)量指數(shù)比單純地比較脛骨或體重質(zhì)量要全面。因為單純的比較體重不能考慮到人為干預(yù)對骨質(zhì)量的影響，單純的比較骨骼的質(zhì)量，也忽視了對體重指標(biāo)的影響，缺少了一項指數(shù)比較。本實驗各組的脛骨與體重的質(zhì)量指數(shù)和模型組都有顯著的區(qū)別。手術(shù)運動組與手術(shù)靜止組比較有顯著的區(qū)別，是運動不僅有助體重的減小，還有增加骨礦鹽的沉積作用，使骨骼的無機礦物質(zhì)流失減少，骨骼有機質(zhì)的膠原纖維網(wǎng)格更加致密，骨骼變得更加粗壯，骨密度相對手術(shù)靜止組的高的結(jié)果。從脛骨長度和質(zhì)量指數(shù)指標(biāo)的比較中，可以看出手術(shù)給藥加運動組與正常運動組、假手術(shù)運動組間無差異；但是與手術(shù)給藥組、手術(shù)運動組間均有差異或具有差異趨勢。這說明單純的藥物或運動干預(yù)確實不如藥物加運動的效果更加顯著，藥物和運動起到協(xié)同的作用。

3.2 骨密度指標(biāo)分析及討論

骨密度（BMD）是機體某一部位骨組織中單位骨面積內(nèi)所含的礦物質(zhì)量，是影響骨強度的一個重要因素，是評價骨強度的一個最方便、最常用的指標(biāo)，并且BMD的高低也被作為診斷骨質(zhì)疏松的一項主要標(biāo)準(zhǔn)。BMD受到諸多因素的影響，如遺傳背景、性別、年齡、激素、營養(yǎng)和運動因素等。宋冰，張兆強研究顯示，切除大鼠雙側(cè)卵巢后，骨礦物元素Ca、S、Mg、Zn、Co、Mn等含量顯著降低（P<0.01）；骨P含量升高（P<0.01），出現(xiàn)骨元素代謝的紊亂，說明運動和半量CCE3聯(lián)合應(yīng)用后，去卵巢大鼠的骨元素代謝紊亂得到了糾正，并且基本恢復(fù)到對照組水平。可見，運動對CCE3抗去卵巢大鼠骨元素代謝紊亂的效應(yīng)有加強作用。臨床上用CCE3治療骨質(zhì)疏松癥時，可考慮聯(lián)合應(yīng)用適量運動，既能保證臨床療效，又能降低其用量，以減輕其副作用[14]。大量的科學(xué)研究結(jié)果都表明：適度的體育運動和激素能夠改善和維持骨結(jié)構(gòu)，增加骨量，提高BMD。隨著運動施加于骨的載荷增加，其應(yīng)變量增大達到或超過某一限度時便可以啟動塑建過程，從而使應(yīng)變增大部位的骨量增加，構(gòu)筑方式和結(jié)構(gòu)形態(tài)將發(fā)生改變，以適應(yīng)承載的需要。雌激素替代療法（ERT）是歐美國家常用的治療方法，雌激素通過抑制骨吸收、促進骨形成使骨轉(zhuǎn)換降低，骨量丟失減少[15]。本實驗中采用的17B泊貧醇針對去勢大鼠的干預(yù)治療后大鼠的骨密度值增大，證明在治療和預(yù)防骨質(zhì)疏松方面有效果。

雌激素具有下調(diào)骨重建閾值的作用[16]，當(dāng)雌激素減少時骨重建閾值提高，因此，原先使骨骼進行保留型骨重建的應(yīng)變只能進行廢用型骨重建了。絕經(jīng)后雌激素減少，通過運動可以增加骨骼載荷以增加骨骼的應(yīng)變，使之達到骨重建閾值而進行保留型骨重建，減少絕經(jīng)后骨量的丟失[17]。體育運動影響骨的力學(xué)特性。影響骨的力學(xué)特性的因素包括骨的幾何形態(tài)（體積、橫斷面、管壁厚度等）、骨礦密度（與骨組織的孔隙率呈反比）、骨質(zhì)的質(zhì)量（原有骨質(zhì)和新形成骨質(zhì)之比、礦化度、骨膠原成分和含量、骨膠原和骨礦的排列方向，以及骨基質(zhì)中和骨單位周圍存在的細微骨折數(shù)量等。骨骼所受的外力，即使骨產(chǎn)生形變的外源性機械力可概括為內(nèi)源性肌肉收縮力與外源性反作用力。這些力對骨生長發(fā)育的調(diào)控主要通過調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)生長與骨化、關(guān)節(jié)軟骨的發(fā)育，以及軟骨周緣/骨膜的骨化和軟骨內(nèi)成骨[18]。機械力學(xué)信號可轉(zhuǎn)化成促進成骨的生化信號。力學(xué)信號激活骨細胞網(wǎng)絡(luò)通路而成骨，尤其在達到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)[19]。跑步運動時骨骼肌的頻繁收縮，大量增加肌肉的血液供應(yīng)，進而增加骨皮質(zhì)血流量，改善骨組織血液供應(yīng)，促進鈣的吸收，保存骨量。陳柏齡等的研究顯示：雌激素和運動均可顯著提高骨密度及生物力學(xué)性能；但與雌激素相比，運動在防治Ⅰ型骨質(zhì)疏松的作用中具有如下優(yōu)點：1） 更強的促進骨形成的能力；2）調(diào)節(jié)骨重建的部位和方向，使骨的顯微結(jié)構(gòu)適應(yīng)其生物力學(xué)功能；3）提高骨的硬度，增強骨抵抗變形的能力[20]。李梅、李爽等人研究顯示：運動和雌激素均能明顯提高去卵巢大鼠脛骨的BMD，但在維持去卵巢大鼠BMD方面，運動的功效作用優(yōu)于雌激素。這可能是因為運動不僅能對骨骼系統(tǒng)提供有效的力學(xué)刺激，而且可以改善機體神經(jīng)材詵置詮δ埽明顯提高絕經(jīng)后婦女的內(nèi)源性雌二醇水平，能夠有效緩解絕經(jīng)后各種低雌激素癥狀從而達到良好的維持或改善骨健康的功效[21]。

本實驗手術(shù)運動組大鼠的骨密度相對手術(shù)靜止組有高度顯著性差異，就是運動給予骨骼機械力的作用而引起的，通過上述研究分析可以明確為什么運動組大骨密度增高。同樣孫穎等[2224]的研究發(fā)現(xiàn)，低、中強度的跑臺運動訓(xùn)練可以延緩股骨骨量的丟失，高強度運動并不能產(chǎn)生這種效果。王怡婧，張焱等人研究發(fā)現(xiàn)中等強度跑臺運動和E2單獨或聯(lián)合作用均能顯著增加去卵巢大鼠肝組織勻漿NO含量，二者是通過上調(diào)肝臟 eNOS 蛋白表達而發(fā)揮作用[25]；因此，大部分研究認為，中等強度的承重性練習(xí)更有利于延緩骨量的丟失。張林等人的研究顯示：去卵巢后大鼠表現(xiàn)為高轉(zhuǎn)換型骨代謝特征，雌激素下降，甲狀旁腺激素分泌加強，促進骨吸收，從而骨鈣流失；因此，血鈣含量上升，而運動可使血鈣流入并沉積在骨中，主要原因推測為：1）運動能促進血液循環(huán)，利于血鈣向骨內(nèi)輸送和破骨細胞向成骨細胞轉(zhuǎn)變，促進骨鈣化，增加骨密度。2）運動負荷的機械應(yīng)力可促進骨細胞的增殖，加強其活性，使骨的礦化過程加強，使血中的鈣以鈣鹽的形式沉積在骨中，從而使骨量增加。

運動結(jié)合藥物對由于去勢而導(dǎo)致的骨礦物質(zhì)丟失有預(yù)防和治療的作用，已經(jīng)成為人們的共識。很多動物實驗都已經(jīng)證明：適度運動結(jié)合雌激素對由于老年化而導(dǎo)致的骨質(zhì)疏松有協(xié)同的效果。本實驗的手術(shù)給藥加運動組與手術(shù)給藥和手術(shù)運動組大鼠間有顯著性差異也證明在該實驗條件下，對去勢大鼠的骨骼礦物質(zhì)的丟失是有效果的。

4 結(jié)論

3）本實驗的不足之處，假手術(shù)運動與靜止組別在一些數(shù)據(jù)指標(biāo)上沒有顯著性的差異；可能是該運動量對健康大鼠的影響程度不高，沒有去勢大鼠改善效果明顯的緣故。

實驗的結(jié)果提示我們在預(yù)防和治療由于老年化引起的骨質(zhì)疏松，單純的藥物與運動干預(yù)，不如兩者共同協(xié)同作用效果顯著，并且在實際的對待人類而言，很重要的一點是必須控制好藥物量及運動的強度和量度，還要安排好干預(yù)的時間和頻率。

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2.2 各組大鼠左、右側(cè)脛骨長度和相對重量的比較

2.3 各組大鼠股骨骨密度比較