運動負荷驟降對生長期大鼠長骨骨量和骨代謝生化指標的影響①

闞世鋒，余波，陳文華，張雯，祁奇

合理的運動對人一生的骨健康都有著積極影響，能有效提高成長期的骨峰值，維持成年期的骨密度(bone mineral density,BMD)，降低老年期骨量(bone mass,BMC)的丟失[1-2]。骨骼的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)主要取決于其遺傳因素，但也依賴其所處的應力環(huán)境。施加在骨上的載荷在骨的生理活動中起著“方向盤”的作用，它決定了骨形成、骨吸收發(fā)生的部位，也決定著骨重建的形式[3]。大量研究表明，持續(xù)高強度運動負荷能有效刺激骨組織，使骨形成大于骨吸收，骨礦物質(zhì)沉積，骨量增加。但當高強度的運動負荷驟然降低或停止后，如專業(yè)運動員退役后，骨代謝會如何發(fā)生變化，對應力部位骨骼的骨量和骨密度又有何影響，國內(nèi)此類研究甚為少見。本研究擬用大鼠做跑臺運動，大強度運動一段時間后驟降其運動強度，觀察大鼠骨代謝生化指標及應力部位長骨骨量和骨密度的變化，以期為建立科學的運動訓練方法提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 實驗動物分組與飼養(yǎng) 雄性3月齡SD大鼠48只，購于中科院上海實驗動物中心，平均體重(305±8)g。購回后適應性喂養(yǎng)2 d，按體重匹配分成大強度運動組(T1)、大強度轉(zhuǎn)低強度運動組(T2)、低強度運動組(T3)、對照組(Con)，每組12只。大鼠分籠飼養(yǎng)，自由進食、飲水，以國家標準嚙齒類動物常規(guī)飼料喂養(yǎng)。動物房溫度20℃~24℃，相對濕度45%~55%，自然光照。

1.2 主要試劑與儀器 血清堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(BGP)和抗酒石酸性磷酸酶(TRACP5b)ELISA試劑盒：上海瑞齊生物科技有限公司；Hologic Discovery A骨密度儀：美國Hologic公司；小動物跑臺(JD-PT)：上海繼德教學實驗器械廠。

1.3 運動干預 所有運動組大鼠在小動物跑臺上適應性訓練1周。T1、T2組進行18 m/min，跑臺傾斜0°正式跑臺運動，持續(xù)20 min；隨后隔日跑速增加3 m/min，持續(xù)時間增加10 min；第2周起跑速達30 m/min，持續(xù)60 min，跑臺傾斜5°。維持此強度，5 d/周，持續(xù)6周。T3組跑速12 m/min，持續(xù)時間20 min，跑臺傾斜度0°，5 d/周，運動6周。6周后T2組跑臺運動強度降低，與T3組一致，T1、T3組運動強度不變，繼續(xù)運動6周。對照組不做運動干預。

1.4 實驗動物取材 第6周末，每組隨機抽取6只大鼠，按體重腹腔注射水合氯醛麻醉，脫頸處死，腹主動脈抽血，迅速放入離心機，2000 r/min離心10 min，分離上清液待測。取其左側(cè)股骨，小心去除骨組織上附著的軟組織，用生理鹽水浸濕的紗布包裹，放入-20℃冰箱保存待測。12周末，剩余大鼠按上述方法取其標本。

1.5 生化指標的檢測 酶標儀法測定ALP、BGP和TRACP5b，按照ELISA試劑盒說明書進行。

1.6 BMC及BMD測定 股骨室溫下自然解凍，用Hologic DiscoveryA骨密度儀對股骨進行掃描。

1.7 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件處理，參數(shù)以(±s)表示，組間差異顯著性采用One Way-ANOVA檢驗，顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

實驗過程中T1組1只大鼠因跑臺后部電極刺激電流過大電擊而死，余47只順利完成實驗。

2.1 6周末BMC和BMD比較 6周運動后，T1、T2組BMC高于對照組(P<0.05)，而BMD與對照組無顯著性差異(P>0.05)。T3組BMC和BMD與對照組無顯著性差異(P>0.05)。見表1。

2.2 6周末ALP、BGP和TRACP5b比較 T1、T2組BGP明顯高于對照組(P<0.01)，ALP高于對照組(P<0.05)，TRACP5b低于于對照組(P<0.05)；T3組ALP、BGP、TRACP5b與對照組無顯著性差異(P>0.05)。見表2。

表1 6周末各組大鼠股骨BMC和BMD的比較

表2 6周末各組大鼠ALP、BGP和TRACP5b的比較

2.3 12周末BMC和BMD比較 12周末，T1組BMC高于其他3組(P<0.05)，BMD各組間無顯著性差異(P>0.05)。

表3 12周末各組大鼠股骨BMC和BMD的比較

2.4 12周末ALP、BGP和ACTRP5b比較 T2組BGP明顯低于T1組(P<0.01)，低于T3組(P<0.05)；ALP低于T1組(P<0.05)，與T3組和對照組無顯著性差異；TRACP5b明顯高于T1組(P<0.01)，高于T3組和對照組(P<0.05)。此外，T1組ALP、BGP和ACTRP5b均與對照組有顯著性差異(P<0.05)。見表4。

2.5 T2組運動負荷降低前后各觀測值的比較 將T2組兩次檢測值進行t檢驗，BMC和BMD無顯著性差異(P>0.05)；運動負荷降低后，BGP和ALP降低(P<0.05)，TRACP5b升高(P<0.05)。見表5。

表4 12周末各組大鼠ALP、BGP和TRACP5b的比較

表5 T2組運動負荷降低前后各觀測值的比較(n=6)

3 討論

骨組織持續(xù)不斷地重建，使骨量維持著動態(tài)平衡。通過檢測血、尿骨代謝生化指標的變化，可間接反映骨的生理狀況。骨代謝生化指標分為骨形成性和骨吸收性兩大類，BGP和ALP都是骨形成性指標，其中BGP是活躍、成熟的成骨細胞分泌的非膠原蛋白，是骨形成的決定因素，血清BGP與骨內(nèi)BGP含量成正相關(guān)，測定血中BGP濃度可反映骨組織中BGP的水平[4]；ALP是骨形成所必需的酶，是成骨細胞分化成熟和功能的標志，其活性反映了成骨細胞的活性。TRACP為骨吸收性指標，是酸性磷酸酶的第5型，血清中TRACP分為5a和5b兩型，研究證實，TRACP5b由破骨細胞分泌，能夠反映破骨細胞的活性[5]。

骨代謝也就是骨的重建過程，包括骨形成、骨吸收和靜止階段。骨代謝的變化最終會影響骨量及骨密度：當骨代謝活動以骨形成為主時，骨量增加，骨密度提高；當骨代謝活動以骨吸收為主時，骨量減少，骨密度降低。

6周跑臺運動使BGP、ALP升高，TRACP5b降低，與國外研究結(jié)果相似[6]。表明適量機械負荷能有效誘導成骨細胞的增殖和活性提高，抑制破骨細胞的活性。高強度跑臺運動使大鼠股骨BMC增加，但BMD變化不明顯。這是因為跑臺運動能促進成長期大鼠受應力部位長骨的縱向生長，增加骨皮質(zhì)厚度，而不能顯著提高長骨的骨密度[6-7]。低強度的機械負荷不足以有效刺激骨組織，不能影響成骨細胞和破骨細胞的數(shù)量和活性，不能改變骨重建過程。

跑臺運動由大強度轉(zhuǎn)低強度后，骨形成指標降低，而骨吸收指標升高，即運動負荷驟降抑制了骨形成，促進骨吸收。值得注意的是，T2組骨形成指標不但低于T1組，甚至還低于T3組，骨吸收指標高于T3組，而T3組實驗過程中各項指標無明顯變化。提示持續(xù)的低強度運動負荷不會引起骨代謝顯著變化，而當運動負荷由高強度轉(zhuǎn)為低強度后，成骨細胞活性降低，破骨細胞活性增高，骨代謝出現(xiàn)負平衡。

Weiler等以英國某足球俱樂部的20名足球運動員作為研究對象，觀察2007/2008賽季結(jié)束后經(jīng)8周休息調(diào)整，運動員骨吸收和骨形成標記物跟賽季結(jié)束初做比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，停止大強度運動8周后，骨吸收標記物CTx升高17.7%，骨形成標記物PINP降低9.9%[8]。Karlsson 等也有類似報道[9]。

成骨細胞、破骨細胞活性的變化必然導致BMC和BMD的變化。運動負荷驟降后大鼠BMC和BMD較前都有所下降，但無顯著性差異。我們分析原因可能為BMC和BMD的變化滯后于骨細胞活性及骨代謝的變化[10]，6周時間過短，不足以出現(xiàn)BMC和BMD的顯著性變化。Nordstrom等對平均年齡為21歲的男性運動員(足球、曲棍球)退役后的隨訪中發(fā)現(xiàn)，退役運動員的股骨頸BMD較未退役運動員下降，全身性BMD也低于后者[11]。運動強度降低使處于生長期骨的BMC和BMD都有不同程度下降[12-13]。

Lanyon提出最小有效應力與刺激理論，即保持骨量所需的應力大小，隨著應力的分布、速度以及控制器的非機械性因素的變化而變化。根據(jù)Lanyon的理論，作用在骨細胞上的有效機械應力可引起骨組織產(chǎn)生形變，導致骨組織內(nèi)的DNA和骨膠原合成增加，從而使骨量增加；當機械應力減少時，骨量也隨著應力減少而出現(xiàn)廢用性下降。

Frost提出“力學穩(wěn)態(tài)理論”來解釋應力引起骨量重新分配而適應力學環(huán)境的機制。他認為，骨量的增減取決于外力作用的大小，當應力作用于骨產(chǎn)生的應變處于生理范圍時，骨吸收和骨形成速度相等，骨量維持平衡；應變超過生理范圍上限時，骨形成速度大于骨吸收速度，骨量增加，骨骼進行塑建，即在骨表面形成板層骨，從而降低局部應變；應變小于生理范圍下限時，骨吸收速度大于骨形成速度，總骨量減少，骨骼進行重建過程，即被吸收，從而使局部應變增大到生理范圍[14]。

基于上述理論，我們認為，經(jīng)過一段時間大強度訓練后，應力部位骨骼的應變生理范圍上調(diào)，即維持骨量所需的最小應力提高，這時只有在大強度負荷水平下才能保持骨代謝平衡。當運動強度下降，降低的運動負荷即使還處于正常骨的應變生理范圍內(nèi)，但低于已上調(diào)的最小應力閾值，使骨吸收大于骨形成，骨代謝出現(xiàn)負平衡。這可解釋實驗中運動強度驟降后骨細胞活性的改變和BMC和BMD的降低，也可解釋大強度轉(zhuǎn)低強度運動組骨形成指標低于持續(xù)低強度運動組，骨吸收指標高于持續(xù)低強度運動組。

運動對骨健康有著重要影響。持續(xù)的一定強度的運動能有效刺激骨組織，使骨形成大于骨吸收，有利于骨健康。當驟然出現(xiàn)明顯的運動強度降低、運動量減少后，骨組織因承受的應力的改變而發(fā)生骨代謝的變化，骨形成減少，骨吸收增加，骨量出現(xiàn)廢用性下降，增加骨質(zhì)疏松的風險。總之，運動作為健骨手段，要有科學、規(guī)律的訓練方法，才能真正起到促進骨健康、預防骨質(zhì)疏松的作用。

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