跳躍訓(xùn)練對(duì)模擬失重大鼠骨密度和骨代謝指標(biāo)的影響

韓相偉

Shandong Youth University of Political Science，Jinan 250103，Shandong，China

宇航員長(zhǎng)時(shí)間處于太空微重力環(huán)境下可對(duì)機(jī)體的骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生危害，來(lái)自俄羅斯和國(guó)際太空工作站的數(shù)據(jù)顯示，長(zhǎng)期處于太空微重力環(huán)境的宇航員脊椎骨骨密度的平均下降速度為每月1.06%，髖骨骨密度的平均下降速度為每月1.0% ～1.6%［1］。大鼠尾部懸吊使后肢模擬失重模型已被廣泛應(yīng)用于因長(zhǎng)期廢用而導(dǎo)致的骨疾病的研究中。如Ju等人的研究顯示［2］，大鼠尾部懸吊使后肢模擬失重可導(dǎo)致大鼠股骨松質(zhì)骨的骨小梁產(chǎn)生退行性變化，而且這種退行性變化在大鼠尾部懸吊結(jié)束恢復(fù)自由活動(dòng)后仍然存在，同時(shí)該研究也顯示，大鼠在尾部懸吊結(jié)束恢復(fù)自由活動(dòng)后進(jìn)行跳躍訓(xùn)練可以恢復(fù)大鼠松質(zhì)骨骨小梁結(jié)構(gòu)的完整性。

目前，關(guān)于運(yùn)動(dòng)對(duì)于骨健康的促進(jìn)作用得到了運(yùn)動(dòng)生理學(xué)界的一致肯定。在宇航員太空飛行期間以及在太空飛行任務(wù)結(jié)束回到正常環(huán)境后，運(yùn)動(dòng)均可作為減少宇航員骨質(zhì)流失的一種有效干預(yù)措施，另外對(duì)于因疾病長(zhǎng)期臥床而造成廢用性骨質(zhì)疏松的病人，運(yùn)動(dòng)也是一項(xiàng)效果顯著的干預(yù)措施［3］。然而，到目前為止，還沒(méi)有關(guān)于動(dòng)物在尾部懸吊使后肢模擬失重期間進(jìn)行跳躍練習(xí)的研究報(bào)道。以往的多項(xiàng)研究從不同角度揭示肢體廢用期間機(jī)械負(fù)荷的成骨作用，如Rubin等人的研究顯示［4］，低強(qiáng)度高頻率的機(jī)械負(fù)荷的成骨效應(yīng)較強(qiáng)，他們的研究發(fā)現(xiàn)，每天10分鐘的機(jī)械刺激對(duì)于保持干骺端的骨量和減緩脛骨近端的骨丟失是十分有效的。再如Swift等人最近的研究發(fā)現(xiàn)［5］，在肢體廢用期間，每?jī)商煲淮胃邚?qiáng)度的模擬抗阻刺激可阻止松質(zhì)骨骨量的丟失和保持骨組織的材料力學(xué)性能。

然而，這些研究均是借助機(jī)械應(yīng)力器械對(duì)肢體進(jìn)行力學(xué)刺激，這和真實(shí)的運(yùn)動(dòng)條件下機(jī)體所受的應(yīng)力刺激有著較大的差別，對(duì)骨組織產(chǎn)生的成骨效應(yīng)也不盡相同。到目前為止，只有1項(xiàng)關(guān)于真正的體力活動(dòng)(抗阻訓(xùn)練)對(duì)于尾部懸吊模擬后肢失重期間肌肉萎縮和骨密度丟失影響的研究［6］，然而其訓(xùn)練方式是和跳躍訓(xùn)練完全不同的抗阻訓(xùn)練，因其每次訓(xùn)練用時(shí)較長(zhǎng)而減少了尾部懸吊的時(shí)間，可能降低了尾部懸吊模擬后肢失重的效果，故其研究存在一定的局限性。本研究通過(guò)大鼠尾部懸吊模擬后肢失重模型，研究在模擬失重期間進(jìn)行短時(shí)間的跳躍訓(xùn)練對(duì)大鼠骨密度和骨代謝指標(biāo)的影響，為預(yù)防長(zhǎng)期處于太空失重環(huán)境下的宇航員和因疾病而長(zhǎng)期臥床的病人廢用性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與分組

7周齡雄性Wistar大鼠24只，在標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下分籠飼養(yǎng)，環(huán)境溫度為(22±1)℃，環(huán)境濕度為(60±5)%，每日燈光照明時(shí)間為早8:00至晚20:00，以標(biāo)準(zhǔn)嚙齒類(lèi)動(dòng)物飼料飼養(yǎng)(鈣的含量為1.09%，磷的含量為0.86%)，自由進(jìn)水。動(dòng)物購(gòu)回適應(yīng)本實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和飲食一周后，被隨機(jī)分為3組，每組8只:正常對(duì)照組(CON)，模擬失重組(SUS)和模擬失重+跳躍訓(xùn)練組(JUM)，每周稱(chēng)量各大鼠體重3次。其中SUS組大鼠在尾部懸吊期間死亡1只，故剔除該只大鼠數(shù)據(jù)，不作為統(tǒng)計(jì)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)于2012年8月在浙江省醫(yī)學(xué)科學(xué)院完成。

1.2 尾部懸吊模擬后肢失重模型

對(duì)SUS和JUM組大鼠進(jìn)行尾部懸吊模擬后肢失重干預(yù)。大鼠尾部懸吊模擬后肢失重模型是在Ju等人的設(shè)計(jì)方案［7］基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)而成。用70%酒精清洗大鼠尾部，去除大鼠尾部皮膚的死細(xì)胞和污物，晾干。不必對(duì)大鼠進(jìn)行麻醉，松緊適度地將牽引帶螺旋纏繞在大鼠尾部，注意露出大鼠尾部遠(yuǎn)端以觀(guān)察大鼠尾部血液循環(huán)狀況，以防止大鼠尾部因纏繞過(guò)緊而缺血壞死。將牽引帶通過(guò)可自用轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬連接環(huán)連接于飼養(yǎng)籠上，保證大鼠在360°方向自由活動(dòng)。尾部懸吊后，大鼠后肢離開(kāi)地面，其軀干和地面的夾角約30°左右，只能依靠前肢和懸吊的尾部支撐體重。懸吊期間，每天定時(shí)檢查大鼠尾部懸吊裝置以確定懸吊牽引帶沒(méi)有脫落，并且檢查大鼠尾部血液循環(huán)和大鼠的進(jìn)食、飲水、理毛行為，以確保懸吊干預(yù)沒(méi)有影響到大鼠的正常活動(dòng)。

1.3 跳躍訓(xùn)練方案

從大鼠尾部懸吊干預(yù)的當(dāng)天開(kāi)始，每天同一時(shí)間對(duì)JUM組大鼠進(jìn)行跳躍訓(xùn)練。大鼠跳躍訓(xùn)練是在參照J(rèn)u等人的方案的基礎(chǔ)上［7］，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室條件在自制的大鼠跳箱中進(jìn)行的，跳箱底板為通電銅絲制成，內(nèi)部設(shè)置多個(gè)橫桿，橫桿距離底板高度為40 cm，開(kāi)始訓(xùn)練時(shí)，通過(guò)通電底板的電刺激迫使大鼠起跳，大鼠起跳后通過(guò)其前肢的抓握而爬上橫桿，之后再將大鼠放回底板，使大鼠再次跳躍而爬上橫桿，如此循環(huán)使大鼠進(jìn)行跳躍練習(xí)。一般經(jīng)幾次電刺激后，大鼠會(huì)主動(dòng)跳躍爬上橫桿而不再需要對(duì)其進(jìn)行電刺激。大鼠每周訓(xùn)練5天，每天跳躍練習(xí)30次(約在1分鐘內(nèi)完成)，共訓(xùn)練3周。大鼠跳躍訓(xùn)練時(shí)將大鼠尾部懸吊裝置暫時(shí)解除，訓(xùn)練結(jié)束后恢復(fù)尾部懸吊裝置。

1.4 取材與指標(biāo)測(cè)試

于跳躍組大鼠最后一次跳躍訓(xùn)練結(jié)束24小時(shí)后，稱(chēng)量大鼠體重，腹腔注射戊巴比妥鈉麻醉大鼠(0.1 ml/100 g BW)，心臟取血處死，血液經(jīng)3000 r/min 4℃離心20 min，分離血清，置-20℃冰箱冷藏待測(cè)血鈣(Ca2+)、血清堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(BGP)和抗酒石酸酸性磷酸酶5b(TRACP5b)等血清骨代謝指標(biāo);取大鼠右側(cè)腓腸肌和比目魚(yú)肌，立即稱(chēng)重;取大鼠右側(cè)股骨，清除骨組織表面的軟組織后，游標(biāo)卡尺測(cè)量股骨的長(zhǎng)度，隨后于-20℃冰箱保存待測(cè)骨密度。

1.5 指標(biāo)測(cè)試

大鼠腓腸肌和比目魚(yú)肌的稱(chēng)重于組織取出后立即進(jìn)行。

大鼠股骨長(zhǎng)度的測(cè)定于組織取出后，用游標(biāo)卡尺立即測(cè)量。

血鈣(Ca2+)的測(cè)定采用鄰甲酚酞絡(luò)合酮終點(diǎn)比色法(南京建成試劑盒)，血清堿性磷酸酶(ALP)的策動(dòng)采用MODULAR全自動(dòng)生化分析儀(日本)(美國(guó)Roche公司試劑盒);骨鈣素(BGP)和抗酒石酸酸性磷酸酶5b(TRACP5b)的測(cè)定采用酶免法(美國(guó)ADL公司試劑盒，美國(guó)MUL2TISCAN MK3酶標(biāo)儀)。

股骨骨密度測(cè)定前，先從-20℃冰箱取出股骨，室溫自然解凍12小時(shí)，解凍后用pDEXA型雙能X線(xiàn)骨密度儀(美國(guó)Norland公司)掃描整個(gè)股骨骨密度。

1.6 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)結(jié)果均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示，統(tǒng)計(jì)軟件為SPSS11.0，組間比較采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，P＜0.05代表具有顯著性差異，P＜0.01代表具有非常顯著性差異。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 各組大鼠體重、比目魚(yú)肌和腓腸肌重量和股骨長(zhǎng)度

由表1可知，與正常對(duì)照組組CON大鼠相比，尾部懸吊組SUS和JUM大鼠最終體重均顯著下降(P＜0.01);與正常對(duì)照組組CON大鼠相比，尾部懸吊組SUS和JUM大鼠比目魚(yú)肌和腓腸肌重量均顯著下降(P＜0.01)，而且比目魚(yú)肌下降幅度則顯著大于腓腸肌的下降幅度，與CON組相比，SUS組和JUM組比目魚(yú)肌重量分別下降50%和0.42%，而與CON組相比，SUS組和JUM組腓腸肌重量只分別下降26.87%和21.87%;各組大鼠的股骨長(zhǎng)度沒(méi)有顯著性差異(P＞0.05)。

表1 大鼠體重、比目魚(yú)肌和腓腸肌重量和股骨長(zhǎng)度一覽

2.2 各組大鼠血清骨代謝指標(biāo)

由表2可知:與正常對(duì)照組CON大鼠相比，尾部懸吊組SUS大鼠骨吸收指標(biāo)血鈣(Ca2+)和抗酒石酸酸性磷酸酶5b(TRACP5b)水平均顯著增加(P＜0.01)，而骨形成指標(biāo)血清堿性磷酸酶(ALP)和骨鈣素(BGP)水平則顯著降低(P＜0.05);與尾部懸吊組SUS大鼠相比，跳躍訓(xùn)練組JUM大鼠骨吸收指標(biāo)血鈣(Ca2+)和抗酒石酸酸性磷酸酶5b(TRACP5b)水平顯著降低，但仍沒(méi)有達(dá)到正常對(duì)照組CON水平，而骨形成指標(biāo)血清堿性磷酸酶(ALP)和骨鈣素(BGP)水平顯著增加，同時(shí)也超過(guò)了正常對(duì)照組CON水平。

表2 各組大鼠血清骨代謝指標(biāo)的比較

2.3 各組大鼠股骨骨密度

由圖1可知:與正常對(duì)照組CON大鼠相比，尾部懸吊組SUS大鼠骨密度顯著下降(P＜0.01);與尾部懸吊組SUS大鼠相比，跳躍訓(xùn)練組JUM大鼠骨密度顯著升高(P＜0.01)，而且跳躍訓(xùn)練組JUM大鼠骨密度與正常對(duì)照組CON大鼠相比也顯著升高(P＜0.05)。

圖1 各組大鼠股骨骨密度比較

3 分析與討論

骨組織是一個(gè)代謝非?；钴S的組織，其在有機(jī)體生命過(guò)程中不斷的進(jìn)行著骨重建以維持其對(duì)環(huán)境應(yīng)力的需要，低于正常狀態(tài)的應(yīng)力環(huán)境可造成骨質(zhì)的流失，使骨密度下降。如長(zhǎng)期處于太空微重力環(huán)境下的宇航員，由于其骨組織長(zhǎng)時(shí)間缺乏應(yīng)有的應(yīng)力刺激而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生［8］。另外一些研究分別報(bào)道了其他一些情況下，因骨組織在長(zhǎng)期處于應(yīng)力缺乏的情況下而出現(xiàn)的骨密度下降的情況，如Armbrecht等人關(guān)于長(zhǎng)期臥床休息的病人骨密度下降的報(bào)道［9］和Modlesky等人關(guān)于脊髓損傷病人骨密度下降的報(bào)道［10］。而運(yùn)動(dòng)作為一種有效的防治骨質(zhì)疏松癥的干預(yù)措施，已經(jīng)被廣泛接受，如適度運(yùn)動(dòng)可以有效提高青少年的峰值骨量和減緩絕經(jīng)后女性的骨質(zhì)流失［11］。此外，其他一些干預(yù)措施也被廣發(fā)應(yīng)用于防治微重力環(huán)境下宇航員的骨質(zhì)流失，如電刺激、負(fù)重服裝、藥物干預(yù)以及人工重力等手段［12］。

關(guān)于宇航員因長(zhǎng)期處于太空微重力環(huán)境中而導(dǎo)致骨質(zhì)流失的內(nèi)在機(jī)制，已有多項(xiàng)活體內(nèi)和活體外的相關(guān)研究。但是，真實(shí)的太空飛行研究條件的獲得卻是十分困難，故難以開(kāi)展大樣本的研究，因此陸地上模擬太空失重條件下骨代謝變化的研究就成為了一種非常重要的手段。大鼠尾部懸吊模擬后肢失重模型已經(jīng)被證實(shí)為研究失重對(duì)骨代謝影響的較好地動(dòng)物模型［13］。

本研究骨密度和骨代謝指標(biāo)的結(jié)果顯示，尾部懸吊導(dǎo)致大鼠破骨作用增強(qiáng)而成骨作用降低，從而導(dǎo)致骨密度降低。這和前人的研究相一致，如Basso等人的研究［14］表明，尾部懸吊導(dǎo)致了大鼠股骨骨質(zhì)流失，表現(xiàn)為近端松質(zhì)骨骨小梁寬度減小、骨小梁間距增大。在大鼠模擬失重期間骨密度的降低可能與其體重和肌肉質(zhì)量的變化有關(guān)。本研究的結(jié)果顯示，尾部懸吊組大鼠的體重、腓腸肌和比目魚(yú)肌的重量均比正常對(duì)照組大鼠顯著降低，與快肌纖維腓腸肌的下降幅度(26.87%)相比，慢肌纖維比目魚(yú)肌的下降幅度(50%)則更顯著，這一結(jié)果和Hurst等人的研究結(jié)果［15］相一致。這是由于比目魚(yú)肌屬于慢肌纖維，其主要作用是維持機(jī)體的平衡和對(duì)抗重力作用，其肌纖維蛋白的表達(dá)與重力作用的大小密切相關(guān)，而腓腸肌屬于快肌纖維，與慢肌纖維的作用不同，其主要作用是在體力活動(dòng)中快速收縮，其肌纖維蛋白的表達(dá)與重力作用關(guān)系則不如比目魚(yú)肌顯著。

從美國(guó)太空實(shí)驗(yàn)室建立以來(lái)，有氧訓(xùn)練一直作為防治宇航員骨質(zhì)流失的一種重要措施，然而其效果并不理想［1］。而以往多項(xiàng)人體和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，跳躍練習(xí)促進(jìn)骨形成的作用明顯優(yōu)于跑步等有氧運(yùn)動(dòng)［16］。Rubin 等人的研究表明［17］，運(yùn)動(dòng)維持骨密度的作用主要取決于運(yùn)動(dòng)時(shí)骨組織受到的最大載荷和載荷刺激頻率，而在跑步等有氧運(yùn)動(dòng)中，其對(duì)骨組織刺激的最大載荷小于跳躍運(yùn)動(dòng)，且其過(guò)多的刺激重復(fù)次數(shù)和刺激時(shí)間并不能增加其維持骨密度的作用。因此，在對(duì)抗廢用性骨質(zhì)疏松癥的效果方面，跳躍訓(xùn)練可能優(yōu)于有氧訓(xùn)練。

本研究發(fā)現(xiàn)在大鼠尾部懸吊模擬后肢失重期間，跳躍運(yùn)動(dòng)可以有效地防止骨組織因失重廢用而引起的骨質(zhì)疏松。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，跳躍訓(xùn)練未能完全阻止大鼠尾部懸吊造成的后肢肌肉萎縮，但跳躍訓(xùn)練對(duì)大鼠尾部懸吊造成的骨質(zhì)流失的預(yù)防作用卻非常明顯，跳躍訓(xùn)練甚至使尾部懸吊大鼠股骨骨密度高于正常對(duì)照組，這和Notomi等人研究相一致，在Notomi等人的研究中，8周的攀爬實(shí)驗(yàn)顯著提高了尾部懸吊大鼠的骨密度和骨強(qiáng)度，但卻未能使大鼠的后肢肌肉量增加［18］。究其原因，在本研究中的跳躍訓(xùn)練中，大鼠向上跳躍的過(guò)程中，大鼠的骨組織受到了骨骼肌收縮產(chǎn)生的機(jī)械刺激較強(qiáng)，而在大鼠被放回到跳箱底部時(shí)，其骨組織又可受到來(lái)自地面的較強(qiáng)的反作用力刺激，故跳躍訓(xùn)練對(duì)大鼠骨組織的應(yīng)力刺激較強(qiáng)，能夠有效防止因尾部懸吊而引起的骨質(zhì)疏松。而至于跳躍訓(xùn)練未能有效防止大鼠因尾部懸吊而導(dǎo)致的肌肉萎縮的原因，則需要進(jìn)一步的研究，這可能與在跳躍訓(xùn)練中，肌肉組織受地面沖擊力的刺激不如骨組織強(qiáng)烈有關(guān)。

以往的多項(xiàng)研究證明不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)于骨質(zhì)疏松預(yù)防的有效性，包括跑臺(tái)訓(xùn)練［19］、跳躍訓(xùn)練［20］、全身振動(dòng)刺激［21］、游泳訓(xùn)練［22］以及抗阻訓(xùn)練［23］等。但是跑臺(tái)訓(xùn)練、游泳訓(xùn)練、抗阻訓(xùn)練以及全身振動(dòng)刺激等方式，要達(dá)到較好地預(yù)防骨質(zhì)疏松的效果，每天需要的訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)(一般需要60分鐘以上)，而跳躍訓(xùn)練只需要每天訓(xùn)練1分鐘(跳躍練習(xí)30次)的時(shí)間即可達(dá)到同樣的效果。如果運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練所需時(shí)間較長(zhǎng)，那么尾部懸吊對(duì)于骨組織代謝的影響作用可能會(huì)在后肢恢復(fù)負(fù)荷訓(xùn)練的過(guò)程中發(fā)生逆轉(zhuǎn)，所以對(duì)于運(yùn)動(dòng)對(duì)大鼠尾部懸吊期間骨代謝影響的研究而言，每天較長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練方式顯然不合理，而跳躍練習(xí)每天只需較短時(shí)間(約1分鐘)的訓(xùn)練，訓(xùn)練后迅速恢復(fù)大鼠尾部懸吊的狀態(tài)，較好地模擬了宇航員所處的太空微重力環(huán)境，所以是一種較好的研究運(yùn)動(dòng)對(duì)大鼠尾部懸吊期間骨代謝影響的運(yùn)動(dòng)方式。

本研究也存在著一些不足之處，主要表現(xiàn)在:本研究通過(guò)大鼠尾部懸吊模擬后肢失重模型來(lái)研究長(zhǎng)期處于失重狀態(tài)的骨組織代謝的變化，以及跳躍運(yùn)動(dòng)對(duì)于廢用性骨質(zhì)疏松的預(yù)防作用，其結(jié)果和真實(shí)的宇航員在太空微重力環(huán)境下的骨代謝變化可能存在一定差異;而且本研究所采取的跳躍訓(xùn)練強(qiáng)度和頻率也不宜直接應(yīng)用于宇航員，因?yàn)槿祟?lèi)和大鼠的骨重建方式以及對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)仍存在一定的差異;另外，本研究所采取的跳躍干預(yù)方式是在大鼠暫時(shí)解除尾部懸吊恢復(fù)重力環(huán)境下進(jìn)行的，而處在太空微重力環(huán)境下的宇航員則不可能做到暫時(shí)恢復(fù)重力環(huán)境進(jìn)行訓(xùn)練。但是，本研究的結(jié)果至少能夠證實(shí)在失重期間進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶S訓(xùn)練，能夠有效防止廢用性骨質(zhì)疏松，這給長(zhǎng)期處于微重力環(huán)境下的宇航員預(yù)防骨質(zhì)疏松提供了方法借鑒。實(shí)際上宇航員在太空工作過(guò)程中，雖然由于處于微重力的環(huán)境下而難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨組織的機(jī)械刺激，但宇航員可以借助專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的器械進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，如通過(guò)彈力帶的作用而施加外力，Cavanagh的研究表明在太空中宇航員在跑臺(tái)上跑步訓(xùn)練時(shí)，可在彈力帶的幫助下使負(fù)重骨受到應(yīng)力刺激［24］，同樣在太空中宇航員也可以通過(guò)彈力帶的作用以增加跳躍訓(xùn)練時(shí)骨組織的應(yīng)力刺激和肌肉收縮受到的阻力。

4 結(jié)論

尾部懸吊模擬后肢失重可導(dǎo)致大鼠骨吸收作用增強(qiáng)，骨形成作用降低，從而使骨密度下降。而在模擬失重期間進(jìn)行跳躍訓(xùn)練可有效抑制大鼠骨吸收和增強(qiáng)其骨形成，從而有效抑制尾部懸吊大鼠骨密度的下降。

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