運動和藥物聯(lián)合干預對老年2型糖尿病大鼠骨密度和骨生物力學的影響

常 波，高海寧，佟 瑤，李 濤，王卉瑩，武 燕，賀 佳，曲廣才

（沈陽體育學院運動人體科學學院，遼寧 沈陽 110102）

?運動人體科學

運動和藥物聯(lián)合干預對老年2型糖尿病大鼠骨密度和骨生物力學的影響

常 波，高海寧，佟 瑤，李 濤，王卉瑩，武 燕，賀 佳，曲廣才

（沈陽體育學院運動人體科學學院，遼寧 沈陽 110102）

目的：探討有氧運動聯(lián)合藥物干預對糖尿病大鼠骨密度和骨生物力學的影響。方法：將15月齡雌性SD大鼠（55只），隨機分為正常飲食對照組（NC，11只）和高脂飲食組（HFD，44只），NC組用普通飼料喂養(yǎng)，高脂組給以高脂飼料喂養(yǎng)。8周后除NC組外，其余各組腹腔注射小劑量鏈脲佐菌素，建立2型糖尿病動物模型，并將其平均分成糖尿病對照組（DC）、糖尿病運動組（DE）、糖尿病藥物組（DD）和糖尿病藥物運動組（DDE）。DE組和DDE組進行8周的游泳訓練，DD組和DDE組按體重灌胃8周二甲雙胍。各組大鼠禁食12h，兩個運動組大鼠末次運動結(jié)束24 h后取材，分離大鼠雙側(cè)股骨，剔凈周圍肌肉和軟組織。雙能X線法（DXA）測定右側(cè)股骨骨密度，并對左側(cè)股骨進行骨生物力學試驗。結(jié)果：與NC組相比，DC組股骨重量有降低趨勢，沒有顯著性差異；DE組、DD組及DDE組與DC組相比，股骨重量有升高趨勢，但沒有顯著性差異。與NC組相比，DC組骨密度、骨生物力學指標顯著降低（P＜0．05）；游泳8周后，DE組、DD組及DDE組與DC組相比骨密度及骨生物力學指標中最大應(yīng)力、最大載荷顯著升高（P＜0．05），DDE組與DE組相比，骨生物力學指標中最大應(yīng)力、最大載荷和彈性模量顯著性增強（P＜0．05）。結(jié)論：有氧運動訓練和藥物兩種治療方式，均改善2型糖尿病大鼠骨密度和骨生物力學指標，從而改變其骨質(zhì)疏松狀態(tài)，其中運動聯(lián)合藥物組作用效果更好。

糖尿病；大鼠；骨密度；骨生物力學；有氧運動

2型糖尿?。╠iabetesmellitus，DM）是一種常見的代謝性疾病。隨著經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，發(fā)病率也逐年增加。臨床上藥物的治療雖能使糖尿病急性并發(fā)癥明顯減少，但各種糖尿病慢性并發(fā)癥明顯增加。糖尿病性骨質(zhì)疏松（diabetes osteoporosis，DOP）是DM并發(fā)癥之一，使患者全身性的骨量減少及骨組織顯微結(jié)構(gòu)改變，骨強度降低，骨折危險度增大［1］。DOP早期病癥不典型，不被患者及社會重視。一旦有骨折發(fā)生，不僅會因臥床加重糖尿病的發(fā)展，還會使DM患者傷殘率顯著升高，給家庭和社會造成巨大的經(jīng)濟負擔。目前DOP已經(jīng)引起國內(nèi)外專家、學者的高度重視。對于DOP的治療，多在治療DM基礎(chǔ)上參照原發(fā)性骨質(zhì)疏松的治療方案，如固本疏肝壯骨中醫(yī)藥治療［2－4］或補充鈣片等西醫(yī)藥療法［3］。而單純在原發(fā)性骨質(zhì)疏松的治療上，雖然骨量增加，但對骨組織結(jié)構(gòu)和生物力學特征的治療效果并不理想。可見單一方法在治療DOP上還有一定的局限性。能否將多種防治方法手段有機結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達到聯(lián)合增效的作用，還不清楚。筆者通過有氧運動和藥物兩種不同的干預方式，探討其對2型糖尿病大鼠股骨骨密度和骨結(jié)構(gòu)力學的影響，并進一步探討兩種干預方式聯(lián)合作用對糖尿病大鼠骨質(zhì)疏松的影響，為探尋防治2型糖尿病大鼠骨質(zhì)疏松的方法提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 實驗對象

以55只15月齡雌性SD大鼠為研究對象。大鼠購置于中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學實驗動物中心（許可證號：SCXK－（軍）2010－004），分籠飼養(yǎng)，動物房溫度（22±5）℃，相對濕度（50±10）%，明暗周期12／12 h。自由飲食飲水，記錄大鼠每日的飲食量。

1．2 實驗方法

大鼠適應(yīng)性喂養(yǎng)1周后，稱重，按體重將其隨機分為5組，其中正常飲食對照組（NC）11只和高脂飲食組（HFD）44只，NC組以普通飼料喂養(yǎng)，高脂組喂食高脂高糖飼料，高脂高糖飼料配方為：含蛋黃10%、豬油20%、糖9．5%、鹽1．5%、基礎(chǔ)飼料59%，總能量為12．57 KJ／g，所有飼料均由沈陽市建民飼料廠提供。高脂8周后，高脂各組腹腔一次性注射STZ（30 mg／kg，Sigma），NC組大鼠一次腹腔注射檸檬酸鹽緩沖液（pH 4．4）（1 ml／kg）。STZ注射后4周，高脂組空腹12 h，兩次空腹血糖測試結(jié)果均值≥7．8 mmol／L，餐后血糖≥11．1 mmol／L，被認為是糖尿病大鼠［5－6］。剔除造模失敗大鼠2只，并將其分成糖尿病安靜組（DC）11只、糖尿病運動組（DE）10只、糖尿病藥物組（DD）10只、糖尿病藥物運動組（DDE）11只。

造模結(jié)束后，對DE組和DDE組大鼠進行6周的有氧游泳運動，每周運動6天，共8周，具體方案見表1。大鼠游泳水深50 cm，游泳水溫保持在32℃～36℃之間［7－8］。DD組和DDE組按照大鼠體重給予二甲雙胍灌胃［7］，DC組和DE組灌等量生理鹽水。每天2次灌胃，共8周。

表1 每周游泳時間與間隔時間

實驗數(shù)據(jù)采集各組大鼠的數(shù)量如表2所示。大鼠處死條件及方法同前期研究［8］，處死后剝離大鼠雙側(cè)股骨，去除股骨上的肌肉和結(jié)締組織后，分別稱雙側(cè)股骨鮮重，分別用浸透生理鹽水的紗布包裹每側(cè)股骨，做好標記，－80℃保持待檢。

1．3 測試指標與方法

1．3．1 股骨骨密度測定 從－80℃冰箱中取出各

組大鼠左側(cè)股骨，室溫放置，待其自然解凍后，于中國醫(yī)科大學盛京醫(yī)院使用美國NORLAND公司生產(chǎn)的xR—36雙能x線骨密度測定儀測量各組股骨遠端骨密度。當大鼠股骨遠端骨密度值小于正常組大鼠平均BMD2．5個標準差，即為骨質(zhì)疏松的判斷標準［1］。存活的DC組大鼠中有10只符合標準，則DM成模后DOP成功率達90．9%（10／11）。

1．3．2 股骨生物力學的測定 在沈陽師范大學材料重點實驗室，使用意大利GALDABINI公司生產(chǎn)的材料試驗機SUN1000 V669．2003，測定各組右側(cè)骨骼3點彎曲試驗。3點彎曲試驗測試原理為：將樣本放在兩個支撐點上，使其保持一定距離，在兩個支撐點正中心點上方對樣本施加載荷，樣本的3個接觸點形成的兩個力矩相等時，發(fā)生三點彎曲，樣本將在中點處發(fā)生斷裂。依據(jù)斷裂的時長及加載力的大小等判斷股骨生物力學的指標。

測試具體方法：從－80℃冰箱中取出各組大鼠右側(cè)股骨，室溫放置，使其自然解凍。調(diào)整材料試驗機支點跨距為20 mm，將待測股骨放于兩支點上，股骨標本放置的方向、位置等保持相對一致，以減少系統(tǒng)測量誤差，調(diào)整上壓頭接近股骨，使上壓頭以1 mm／min速度下降，進行三點彎曲試驗，直至骨折，測試軟件0．1 s記錄一次實驗數(shù)據(jù)，自動保存在電腦中。記錄最大載荷、斷裂載荷、最大應(yīng)力、彈性模量等指標［8］。

1．4 統(tǒng)計學方法

用統(tǒng)計軟件SPSS 17．0處理數(shù)據(jù)，結(jié)果使用平均數(shù)±標準差（_X±S）表示，采用單因素方差分析的方法進行統(tǒng)計分析，以P＜0．05為具有統(tǒng)計學顯著差異，以P＜0．01為具有統(tǒng)計學非常顯著差異。

2 實驗結(jié)果

表2顯示，隨機分組后，各組原始體重無顯著性差異。與NC組相比，糖尿病各組通過高脂飼料的喂養(yǎng)，在注射小劑量STZ前體重均顯著升高。取材時DC組體重高于NC組（P＜0．05），與DC組相比，DE組和DD組體重均有下降的趨勢，但無統(tǒng)計學意義，DDE組體重下降具有統(tǒng)計學意義（P＜0．05）。

表2 5組大鼠各階段體重變化情況

表3顯示，各組分離股骨后，清除股骨周圍筋膜和肌肉等軟組織后，股骨處于新鮮狀態(tài)，稱量各組右側(cè)股骨重量，可見DC組左側(cè)股骨鮮重顯著性低于NC組（P＜0．01），DE組、DD組及DDE左側(cè)股骨鮮重與DC組相比顯著升高（P＜0．05，P＜0．01），其中DDE組升高最明顯。以BMD小于正常對照組大鼠2．5個標準差判斷，存活的DC組大鼠中有10只符合標準，則DM成模后DOP成功率達90．9%（10／11）。DC組右側(cè)股骨骨密度值顯著低于NC組（P＜0．01），說明DC組大鼠出現(xiàn)明顯的骨質(zhì)疏松。DE組、DD組及DDE右側(cè)股骨骨密度值與DC組相比，顯著升高（P＜0．01），與NC組相比雖然有所降低，但無顯著性差異，說明各組由于糖尿病所致的骨質(zhì)疏松明顯改善好轉(zhuǎn)。

表3 各組大鼠股骨鮮重及骨密度變化情況

由表4可見，DC組與NC相比，最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷和彈性模量顯著降低（P＜0．05，P＜0．01），DE組及DD組最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷和彈性模量與DC組相比有升高的趨勢，其中最大應(yīng)力、最大載荷兩個指標的變化趨勢明顯，有統(tǒng)計學差異（P＜0．05，P＜0．05）。DDE組與DC組相比最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷和彈性模量顯著升高（P＜0．05），與DE組相比最大應(yīng)力、最大載荷和彈性模量顯著升高（P＜0．05）。

表4 各組大鼠股骨骨生物力學指標變化情況

3 分析與討論

2型糖尿病發(fā)病率的逐年增高，骨質(zhì)疏松是2型糖尿病最常見的并發(fā)癥，其發(fā)病也隨之逐年增加。研究顯示，約50%的糖尿病患者并發(fā)骨質(zhì)疏松［1］。有文獻報道，1型糖尿病患者具有較高的骨質(zhì)疏松癥發(fā)病率，2型糖尿病患者中的骨質(zhì)疏松發(fā)病差別較大。國內(nèi)報道2型糖尿病骨量減少的發(fā)生率為30%～74．1%，是非糖尿病人群的2～4倍以上［9］。

骨密度是反映骨皮質(zhì)厚度、骨小梁結(jié)構(gòu)和骨量的重要指標，也是間接評價骨丟失程度的指標之一。雙能X線骨密度（DXA）測定是目前測量人體及實驗動物BMD的最好方法［1－10］。以BMD小于正常對照組大鼠2．5個標準差判斷，存活的DC組大鼠中有10只符合標準，則DM成模后DOP成功率達90．9%（10／11）。本研究中DC組左側(cè)股骨鮮重顯著低于NC組，DC組右側(cè)股骨骨密度值顯著低于NC組。由此可見糖尿病模型組出現(xiàn)股骨重量降低，股骨遠端骨密度降低，說明其出現(xiàn)骨質(zhì)疏松現(xiàn)象。DE組、DD組及DDE左側(cè)股骨鮮重與DC組相比顯著升高，其中DDE組升高最明顯；DE、DD及DD組右側(cè)股骨骨密度值與DC組相比顯著升高。說明通過有氧運動和藥物（二甲雙胍）干預，大鼠骨重有所增加，骨密度進一步提升，糖尿病所致骨質(zhì)疏松有所緩解和改善，運動聯(lián)合藥物干預組大鼠股骨骨密度和股骨新鮮骨重量（鮮骨重）最高，作用效果更加顯著。分析本研究大鼠骨密度變化原因，考慮與大鼠體重改變相關(guān)。本研究中，糖尿病各組大鼠體重在高脂高糖飲食后，體重增加顯著，增重約25%。DE組、DD組及DDE組，雖然在運動和藥物干預后，大鼠體重均有所下降，但仍然顯著高于正常對照組，仍然屬于肥胖大鼠。有研究認為體重對骨骼有一定的刺激作用，對骨量具有一定的保護作用。但為何本研究DE組、DD組及DDE組大鼠出現(xiàn)骨量減少？分析原因可能是肥胖的2型糖尿病患者在血糖的刺激作用下，胰島素分泌增加，長期的高血糖和胰島素的降糖能力減弱，出現(xiàn)胰島素抵抗。高血糖可產(chǎn)生滲透性利尿，在尿中大量排出鈣、磷、鎂等物質(zhì)，引起血清鈣、磷濃度顯著降低，使甲狀旁腺素分泌增多，破骨細胞活性增強，鈣磷動員增加，加重骨量丟失，出現(xiàn)骨代謝異常［11］。前人研究表明患糖尿病時，胰島素缺乏，胰島素在骨代謝過程中可能發(fā)揮重要作用，來完成骨轉(zhuǎn)化過程，胰島素不足時，骨膠原合成不足，鈣流失增多，易發(fā)生骨質(zhì)疏松［12］，這與本研究結(jié)果一致。

糖尿病破壞患者骨質(zhì)結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)，可使骨的強度、剛度和骨的穩(wěn)定性能呈現(xiàn)不同程度的降低，發(fā)生骨折的危險性大大增加。最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷和彈性模量是反應(yīng)骨骼生物力學性能的重要指標，有助于對骨質(zhì)量進行直接評價［13］。DC組與NC組相比，最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷和彈性模量顯著降低，表明糖尿病導致大鼠出現(xiàn)骨的強度和骨的剛性顯著的降低，骨的質(zhì)量顯著降低。DE組及DD組最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷和彈性模量與DC組相比有升高的趨勢，其中最大應(yīng)力、最大載荷兩個指標的變化趨勢明顯，有統(tǒng)計學差異，表明通過有氧運動或藥物（二甲雙胍）干預后，糖尿病所致的大鼠骨生物力學指標有顯著改善，骨的質(zhì)量有所提升。機械刺激和應(yīng)力影響骨的代謝、發(fā)育及骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)［14］。這種應(yīng)力主要表現(xiàn)為骨所承受的重力以及肌肉對骨的牽張力。對骨的強度起決定性作用的就是肌肉對骨的牽張力。運動時通過骨骼膠原基質(zhì)的變形產(chǎn)生壓電效應(yīng)，使骨細胞生存的物理環(huán)境發(fā)生改變，進而影響骨細胞的增生和分化［15］，這也就是骨對運動負荷產(chǎn)生的適應(yīng)性改變。Carter等的研究結(jié)果表明，在成年的股骨近端，當加大載荷量或增加載荷時，松質(zhì)骨的體積密度和皮質(zhì)骨的厚度增加，相反，當載荷減少時出現(xiàn)骨量的丟失。由此可見，合理適當?shù)挠醒踹\動可以使骨骼產(chǎn)生適應(yīng)性改變，改善骨生物力學指標的性能。另外，二甲雙胍是糖尿病常用藥。實驗證明二甲雙胍促進生理葡萄糖濃度下成骨細胞的生長與分化，誘導成骨細胞細胞外基質(zhì)礦化，促進原代成骨細胞的生長、分化及礦化［16］。進一步研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍增強大鼠下頜骨成骨細胞葡萄糖轉(zhuǎn)運體1蛋白表達，增加成骨細胞的葡萄糖攝取率［17］。由此可見，二甲雙胍在糖尿病的治療及其并發(fā)癥骨質(zhì)疏松的改善上均起到良性促進作用。本研究結(jié)果與其相同，二甲雙胍能改善糖尿病性骨質(zhì)疏松大鼠骨生物力學指標。DDE組與DC組相比最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷和彈性模量顯著升高，與DE組相比最大應(yīng)力、最大載荷和彈性模量顯著升高，表明有氧運動聯(lián)合藥物（二甲雙胍）干預，對糖尿病所致大鼠骨生物力學指標的改善是最佳的。

4 結(jié)論

高脂膳食結(jié)合小劑量STZ誘導的2型糖尿病大鼠出現(xiàn)股骨骨量減少，骨密度降低，股骨最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷和彈性模量降低；6周單純的游泳訓練和二甲雙胍對改善2型糖尿病的骨量減少、骨密度降低及骨生物力學指標變化有一定作用，兩者聯(lián)合干預效果最佳。

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責任編輯：喬艷春

Effects on Bone Density and Bone Biomechanic by M ovement and Drug in Type 2 Diabetic Old Rats

CHANG Bo，GAO Haining，TONG Yao，LITao，WANG Huiying，WU Yan，HE Jia，QU Guangcai
（School of Kinesiology，Shenyang Sport University，Shenyang 110102，Liaoning，China）

Objective：To investigate the aerobic endurance and drug effects on bonem ineral density and bone biomechanics of diabetic rat．Methods：15-months old male SD rats（55）were random ly divided into two groups：normal diet control group（NC，11）and high fat diet group（HFD，44）．HFD group was equally divided into diabetic control group（DC），diabetic exercise group（DE），diabetic drug group（DD）and exercise group（DDE）diabetic drugs．NC group was fed w ith normal dietand the other groupswere fed w ith high fatand high glucose diet．After8 weeks，groups exceptNC group were injection by streptozotocin to create diabetic model．DE and DDE group were designed to the sw imm ing training for 8 weeks，and these two groupswere gavaged by met form in upon weight for 8 weeks．Rats in each group were nest in 12 hours，and then isolated bilateral femur，tick the net around themuscle and soft tissue．Determ ination of right femur bone m ineral density by using dual-energy X-ray（DXA），and bone biomechanical of the left femur was measured．Results：compared w ith NC group，DC group of fresh femoralweight tended to be reduced，and no significant difference．Compared w ith DC group，the fresh femoral weightwas increased in the DE group，DD group and DDE group，however，there were not significant difference．Compared w ith NC group，bonem ineral density and bone biomechanics indexes were decreased significantly（P＜0．05）in DC group．After sw imm ing for8weeks，compared w ith the DC group，bonem ineral density and themaximum stress and maximum load of bone biomechanical indexes were significantly increased（P＜0．05）in DE group，DD group and DDE group．Compared w ith DE group，the maximum stress，maximum load and elastic modulus of bone biomechanical indexeswere obviously increased of DDE group（P＜0．05）．Conclusion：aerobic exercise training and drug intervention can both improve bonem ineral density and bone biomechanical indexes in type 2 diabetic rats，so as to change the osteoporosis．And themovement combined w ith drug group performs a better effect．

diabetesmellitus；rat；bonemineral density；bone biomechanics；aerobic exercise

G804．7

A

1004－0560（2015）06－0082－05

2015-10-12；

2015-11-15

遼寧省自然科學基金項目（2015020704）；沈陽體育學院重點學科建設(shè)項目（XKFX1511）。

常 波（1964—），男，教授，博士，主要研究方向為運動人體科學。