運(yùn)動負(fù)荷驟降對生長期大鼠長骨骨量和骨代謝生化指標(biāo)的影響①

闞世鋒，余波，陳文華，張雯，祁奇

合理的運(yùn)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(yīng)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(qiáng)度運(yùn)動負(fù)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(dāng)高強(qiáng)度的運(yùn)動負(fù)荷驟然降低或停止后，如專業(yè)運(yùn)動員退役后，骨代謝會如何發(fā)生變化，對應(yīng)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(yùn)動，大強(qiáng)度運(yùn)動一段時間后驟降其運(yùn)動強(qiáng)度，觀察大鼠骨代謝生化指標(biāo)及應(yīng)力部位長骨骨量和骨密度的變化，以期為建立科學(xué)的運(yùn)動訓(xùn)練方法提供理論基礎(chǔ)。

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(yīng)性喂養(yǎng)2 d，按體重匹配分成大強(qiáng)度運(yùn)動組(T1)、大強(qiáng)度轉(zhuǎn)低強(qiáng)度運(yùn)動組(T2)、低強(qiáng)度運(yùn)動組(T3)、對照組(Con)，每組12只。大鼠分籠飼養(yǎng)，自由進(jìn)食、飲水，以國家標(biāo)準(zhǔn)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(xué)實驗器械廠。

1.3 運(yùn)動干預(yù) 所有運(yùn)動組大鼠在小動物跑臺上適應(yīng)性訓(xùn)練1周。T1、T2組進(jìn)行18 m/min，跑臺傾斜0°正式跑臺運(yùn)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(dá)30 m/min，持續(xù)60 min，跑臺傾斜5°。維持此強(qiáng)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(yùn)動6周。6周后T2組跑臺運(yùn)動強(qiáng)度降低，與T3組一致，T1、T3組運(yùn)動強(qiáng)度不變，繼續(xù)運(yùn)動6周。對照組不做運(yùn)動干預(yù)。

1.4 實驗動物取材 第6周末，每組隨機(jī)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(jī)，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(biāo)本。

1.5 生化指標(biāo)的檢測 酶標(biāo)儀法測定ALP、BGP和TRACP5b，按照ELISA試劑盒說明書進(jìn)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(jìn)行掃描。

1.7 統(tǒng)計學(xué)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(yùn)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(yùn)動負(fù)荷降低前后各觀測值的比較 將T2組兩次檢測值進(jìn)行t檢驗，BMC和BMD無顯著性差異(P>0.05)；運(yùn)動負(fù)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(yùn)動負(fù)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(biāo)的變化，可間接反映骨的生理狀況。骨代謝生化指標(biāo)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(biāo)，其中BGP是活躍、成熟的成骨細(xì)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(xì)胞分化成熟和功能的標(biāo)志，其活性反映了成骨細(xì)胞的活性。TRACP為骨吸收性指標(biāo)，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(xì)胞分泌，能夠反映破骨細(xì)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(dāng)骨代謝活動以骨形成為主時，骨量增加，骨密度提高；當(dāng)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(yùn)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(jī)械負(fù)荷能有效誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的增殖和活性提高，抑制破骨細(xì)胞的活性。高強(qiáng)度跑臺運(yùn)動使大鼠股骨BMC增加，但BMD變化不明顯。這是因為跑臺運(yùn)動能促進(jìn)成長期大鼠受應(yīng)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(qiáng)度的機(jī)械負(fù)荷不足以有效刺激骨組織，不能影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的數(shù)量和活性，不能改變骨重建過程。

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

Weiler等以英國某足球俱樂部的20名足球運(yùn)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(yùn)動員骨吸收和骨形成標(biāo)記物跟賽季結(jié)束初做比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，停止大強(qiáng)度運(yùn)動8周后，骨吸收標(biāo)記物CTx升高17.7%，骨形成標(biāo)記物PINP降低9.9%[8]。Karlsson 等也有類似報道[9]。

成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞活性的變化必然導(dǎo)致BMC和BMD的變化。運(yùn)動負(fù)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(xì)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(yùn)動員(足球、曲棍球)退役后的隨訪中發(fā)現(xiàn)，退役運(yùn)動員的股骨頸BMD較未退役運(yùn)動員下降，全身性BMD也低于后者[11]。運(yùn)動強(qiáng)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(yīng)力與刺激理論，即保持骨量所需的應(yīng)力大小，隨著應(yīng)力的分布、速度以及控制器的非機(jī)械性因素的變化而變化。根據(jù)Lanyon的理論，作用在骨細(xì)胞上的有效機(jī)械應(yīng)力可引起骨組織產(chǎn)生形變，導(dǎo)致骨組織內(nèi)的DNA和骨膠原合成增加，從而使骨量增加；當(dāng)機(jī)械應(yīng)力減少時，骨量也隨著應(yīng)力減少而出現(xiàn)廢用性下降。

Frost提出“力學(xué)穩(wěn)態(tài)理論”來解釋應(yīng)力引起骨量重新分配而適應(yīng)力學(xué)環(huán)境的機(jī)制。他認(rèn)為，骨量的增減取決于外力作用的大小，當(dāng)應(yīng)力作用于骨產(chǎn)生的應(yīng)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(yīng)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(jìn)行塑建，即在骨表面形成板層骨，從而降低局部應(yīng)變；應(yīng)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(jìn)行重建過程，即被吸收，從而使局部應(yīng)變增大到生理范圍[14]。

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

運(yùn)動對骨健康有著重要影響。持續(xù)的一定強(qiáng)度的運(yùn)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(dāng)驟然出現(xiàn)明顯的運(yùn)動強(qiáng)度降低、運(yùn)動量減少后，骨組織因承受的應(yīng)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(fēng)險?？傊?，運(yùn)動作為健骨手段，要有科學(xué)、規(guī)律的訓(xùn)練方法，才能真正起到促進(jìn)骨健康、預(yù)防骨質(zhì)疏松的作用。

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