跑臺運(yùn)動對高齡大鼠運(yùn)動機(jī)能的改善作用

孫華偉,廖肇福，賴炳林，李艷梅，沈曉濤，鄭馨，

(暨南大學(xué)再生醫(yī)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室科技部及廣東省國際科技合作基地(暨南大學(xué))暨南大學(xué)發(fā)育與再生生物學(xué)系，廣州 510632)

跑臺運(yùn)動對高齡大鼠運(yùn)動機(jī)能的改善作用

孫華偉,廖肇福，賴炳林，李艷梅，沈曉濤，鄭馨，

馮珊珊，齊緒峰，蔡冬青*

(暨南大學(xué)再生醫(yī)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室科技部及廣東省國際科技合作基地(暨南大學(xué))暨南大學(xué)發(fā)育與再生生物學(xué)系，廣州 510632)

目的 探討大鼠運(yùn)動機(jī)能隨增齡的變化規(guī)律，以及運(yùn)動對高齡大鼠運(yùn)動機(jī)能的改善作用。方法 對26月齡、8月齡和2月齡SD大鼠進(jìn)行為期2周的中等強(qiáng)度跑臺運(yùn)動干預(yù)，測定大鼠運(yùn)動前后前肢拉力、耐力、軀體向上活動能力及極限速度4個機(jī)能指標(biāo)，進(jìn)行對比分析。結(jié)果 ①26月齡大鼠組的前肢拉力、耐力、軀體向上活動能力、極限速度均顯著低于8月齡組和2月齡組，且后3個指標(biāo)呈現(xiàn)增齡性下降；②26月齡和8月齡組的前肢拉力運(yùn)動后高于運(yùn)動前，8月齡組和2月齡組的軀體向上活動能力運(yùn)動后高于運(yùn)動前；③運(yùn)動干預(yù)前后4項指標(biāo)的運(yùn)動機(jī)能總評分進(jìn)行比較，26月齡組運(yùn)動后顯著高于運(yùn)動前。結(jié)論 大鼠的前肢拉力、耐力、軀體向上活動能力及極限速度等4項運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)呈增齡性下降，可作為大鼠運(yùn)動機(jī)能的衰老指標(biāo)。中等強(qiáng)度的跑臺運(yùn)動能顯著改善高齡大鼠總運(yùn)動機(jī)能的下降。

衰老；運(yùn)動機(jī)能；跑臺運(yùn)動訓(xùn)練；大鼠

運(yùn)動機(jī)能是衡量人體健康狀況的指標(biāo)之一，可以通過測定移動、耐力、力量等來評價[1]。研究表明：拉力和步行速度等運(yùn)動機(jī)能的下降與未來發(fā)生骨折機(jī)率的升高及認(rèn)知能力的減退相關(guān)[2-4]。運(yùn)動機(jī)能的下降是衰老引起人類機(jī)能與生活質(zhì)量下降的主要表現(xiàn)之一，也是與衰老相關(guān)病理改變發(fā)生原因之一[5]。因此，建立與人類相對應(yīng)的衰老動物模型的運(yùn)動機(jī)能評價指標(biāo)，對深入探討改善運(yùn)動機(jī)能能否有效地改善衰老引起的病變具有重要意義。運(yùn)動干預(yù)是現(xiàn)階段配合臨床術(shù)后恢復(fù)和延緩衰老的重要手段之一，運(yùn)動干預(yù)在改善及緩解疾病，評價運(yùn)動功能機(jī)體障礙發(fā)揮著重要作用[6-8]，以運(yùn)動干預(yù)為手段的基礎(chǔ)研究及動物運(yùn)動性模型的建立越來越多[9]，所以，以運(yùn)動為輔助手段的研究對解決臨床上一些疾病的術(shù)后恢復(fù)和延緩衰老有重要意義。

最近有研究提示，小鼠的前肢牽拉力、耐力、軀體向上活動能力及極限速度4項運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)與人類相應(yīng)的機(jī)能指標(biāo)具有極高的相似性[10]，但是上述指標(biāo)在大鼠中是否存在隨增齡的衰老變化，及運(yùn)動對該4個運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)的影響，目前均未見報道。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗動物

SPF級雌性2月齡(190～200 g)、8月齡(350 ～400 g)和26月齡(450～500 g)SD大鼠各15只，由廣東省醫(yī)學(xué)實(shí)驗動物中心提供【SCXK(粵)2013-0002】，飼養(yǎng)期間給予嚙齒類動物標(biāo)準(zhǔn)顆粒飼料(由暨南大學(xué)實(shí)驗動物中心提供)及自由飲水，晝夜明暗周期12 h/12 h，恒定濕度，室溫(23±2)℃。實(shí)驗大鼠飼養(yǎng)及組織取材均于暨南大學(xué)實(shí)驗動物中心屏障環(huán)境內(nèi)【SYXK(粵)2012-0117】進(jìn)行。動物的處置嚴(yán)格按照中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部2006年頒布的《關(guān)于善待實(shí)驗動物的指導(dǎo)性意見》標(biāo)準(zhǔn)，并得到了暨南大學(xué)動物實(shí)驗倫理委員會的批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號為20140509184949)。

1.2 儀器

大鼠的前肢拉力測定器、軀體向上活動能力測定器、極限速度測定器和耐力測定器按參考文獻(xiàn)研制[10]。 WA.115-9A生理-藥理電子刺激儀，購自北京卓川電子科技有限公司。ZH-PT計算機(jī)控制六跑道小動物跑臺，購自淮北正華生物儀器設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗分組

將45只SPF級雌性SD大鼠根據(jù)大鼠月齡的不同分為3組：2月齡組15只，8月齡組15只和26月齡組15只。

1.4 實(shí)驗方法

1.4.1 前肢拉力的測定

將大鼠懸掛在拉力桿上，大鼠前肢抓住拉力桿后，提起大鼠尾巴至身體水平懸空，讀取拉力計上的最大讀數(shù)。大鼠抓住拉力桿后會用力拉桿為有效數(shù)據(jù)。每只大鼠測5次，每次間隔3 min，以5次結(jié)果的平均值為評定結(jié)果。

1.4.2 軀體向上活動能力測定

大鼠在測定桶內(nèi)的垂直站立次數(shù)可以反映大鼠的活動能力。將大鼠放置于測定桶內(nèi)，大鼠前肢爬到桶壁上垂直站立或者整個身體伸直，計為垂直站立。記錄大鼠3 min內(nèi)的垂直站立次數(shù)，每只大鼠測量3次，每次間隔3 min，取3次結(jié)果的平均值為評定結(jié)果。

1.4.3 耐力測定

將大鼠懸于耐力測定器的抓桿上方，讓大鼠前肢抓住抓桿，使大鼠通過前肢支撐懸掛于抓桿上，記錄大鼠從懸掛開始到掉落的時間。每只大鼠測5次，每次間隔3 min，以3次結(jié)果的平均值為評定結(jié)果。

1.4.4 極限速度測定

將大鼠放入測定器的暗箱里1 min后將大鼠拿出放在暗箱前端的跑道起點(diǎn)，利用電刺激儀刺激大鼠，大鼠以最大速度跑入暗箱中，記錄大鼠從起點(diǎn)到進(jìn)入暗箱的時間。每只大鼠測量5次，每次間隔5 min，取5次結(jié)果的平均值為評定結(jié)果。

為了排除大鼠體重對4項指標(biāo)的影響，均使用測定值對同一個體體重的比值。4項指標(biāo)于運(yùn)動干預(yù)前后各測定1次。

1.4.5 運(yùn)動干預(yù)方案

按照以下中等強(qiáng)度[11-12]運(yùn)動訓(xùn)練方案訓(xùn)練大鼠。見表1。

表1 大鼠跑臺運(yùn)動訓(xùn)練方案(m/min×min)

圖1 各項運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)與大鼠體重的相關(guān)性分析Fig.1 Correlative analysis between the body weight and motor function indexes of the rats.

1.4.6 機(jī)能評分

機(jī)能評分參照已經(jīng)報道的方法[13]，大鼠的每項指標(biāo)評分為：1-(指標(biāo)最小值/大鼠指標(biāo))，即使用如下公式(1)進(jìn)行計算：

(1)

其中，worst performance：大鼠每項指標(biāo)中的最小值；current performance：大鼠運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)。總機(jī)能評分=4項機(jī)能指標(biāo)評分的平均值。

1.4.7 統(tǒng)計方法

2 結(jié)果

2.1 大鼠各項運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)與大鼠體重之間呈現(xiàn)相關(guān)性

為了觀察體重對四個運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)的影響，分析了大鼠體重與前肢拉力、耐力、軀體向上活動能力、極限速度的相關(guān)性。結(jié)果如圖1顯示：大鼠體重與前肢拉力呈正相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)為0.783，P<0.01；大鼠體重與耐力呈負(fù)相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.811，P<0.01；大鼠體重與軀體向上活動能力呈負(fù)相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.759，P<0.01；大鼠體重與極限速度呈負(fù)相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.840，P<0.01。結(jié)果提示：體重對4項指標(biāo)均有影響，故本研究采用機(jī)能指標(biāo)對體重的比值，以排除體重的影響。

2.2 大鼠運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)值隨增齡而下降

26月齡、8月齡和2月齡大鼠的運(yùn)動機(jī)體機(jī)能指標(biāo)結(jié)果如圖2顯示：26月齡大鼠組的前肢拉力明顯低于8月齡組和2月齡組(P<0.05)，8月齡大鼠的拉力略低于2月齡大鼠的前肢拉力(P>0.05)。26月齡大鼠組的耐力顯著低于8月齡組和2月齡組(P<0.05)，8月齡大鼠組的耐力顯著低于2月齡組(P<0.05)。 26月齡大鼠組的軀體向上活動能力顯著低于8月齡組和2月齡組(P<0.05)，8月齡大鼠組的軀體向上活動能力顯著低于2月齡組(P<0.05)。26月齡大鼠組的極限速度顯著低于8月齡組和2月齡組(P<0.05)，8月齡大鼠極限速度顯著低于2月齡大鼠組(P<0.05)。上述結(jié)果提示：隨著年齡的增長，大鼠的前肢拉力、耐力、軀體向上活動能力、極限速度呈現(xiàn)下降趨勢，衰老使上述運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)隨增齡而下降。

2.3 跑臺運(yùn)動能顯著改善大鼠因增齡引起的前肢拉力下降

為了研究運(yùn)動是否能改善隨增齡引起的機(jī)能指標(biāo)下降，對上述年齡組的相同個體進(jìn)行為期2周的中等強(qiáng)度跑臺運(yùn)動干預(yù)，然后對其前肢拉力、耐力、軀體向上活動能力和極限速度進(jìn)行測定，結(jié)果如圖3顯示：26月齡組和8月齡組的前肢拉力值運(yùn)動后顯著增高(P<0.05)，2月齡組運(yùn)動前后其前肢拉力的差異無顯著性(P>0.05)。26月齡組運(yùn)動前后其軀體向上活動能力的差異無顯著性(P>0.05)，而8月齡組和2月齡組的軀體向上活動能力運(yùn)動后顯著增(P<0.05)。26月齡組，8月齡組和2月齡組運(yùn)動前后其耐力值和極限速度的差異無顯著性(P>0.05)。上述結(jié)果提示：跑臺訓(xùn)練能有效改善高齡大鼠因增齡引起的前肢拉力下降，而其他指標(biāo)改善效果不明顯。

2.4 各年齡段大鼠運(yùn)動機(jī)能評分比較

4項運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)綜合評分結(jié)果如圖4顯示：26月齡組運(yùn)動后的機(jī)能總評分顯著高于運(yùn)動前(P<0.05)，而8月齡組和2月齡組的運(yùn)動后機(jī)能總評分雖然高于運(yùn)動前，但差異無顯著性(P>0.05)。提示：大鼠的運(yùn)動總機(jī)能呈現(xiàn)隨增齡而下降，中等強(qiáng)度的跑臺運(yùn)動干預(yù)能顯著性改善年老組(26月齡)的運(yùn)動機(jī)能。

圖2 大鼠運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)隨增齡的變化Fig.2 Age-related changes of the motor function indexes of rats.

圖3 跑臺訓(xùn)練前后大鼠各項運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)Fig.3 Comparison of the motor function indexes before and after treadmill training

圖4 運(yùn)動前后大鼠運(yùn)動機(jī)能評分Fig.4 Comparison of the total motor function scores of the rats

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，大鼠的前肢拉力值與體重之間呈正相關(guān)，耐力值與體重成負(fù)相關(guān)，軀體向上活動能力值與體重呈負(fù)相關(guān)，極限速度值與體重呈負(fù)相關(guān)。提示：大鼠的上述機(jī)體機(jī)能指標(biāo)值和體重具有相關(guān)性，因此，對上述4個指標(biāo)進(jìn)行對比分析時，應(yīng)該排除體重的影響。

前期研究已證明： 4月齡以下的大鼠代表年青，12月齡代表中年，24月齡代表老年[14]。本研究分別使用2月齡、8月齡和26月齡大鼠代表年青、中年和老年，對前肢拉力、耐力、軀體向上活動能力和極限速度4個運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)：隨著年齡的增長，大鼠的上述4個機(jī)能指標(biāo)均呈下降趨勢。而Justice等[10]分別在小鼠和人中對該4個指標(biāo)的隨增齡變化進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)小鼠的變化與人的變化趨勢相一致，提示：使用小鼠作為模型，對上述四個指標(biāo)隨增齡改變的觀察結(jié)果，同樣反映人的情況。本研究使用大鼠模型，對該四個指標(biāo)隨增齡改變的觀察結(jié)果，結(jié)合Justice在小鼠的發(fā)現(xiàn)均提示：以大、小鼠為模型對上述四個指標(biāo)的研究數(shù)據(jù)和結(jié)果也同樣適應(yīng)于人類。

目前，國內(nèi)外對運(yùn)動干預(yù)與機(jī)體疾病的相關(guān)研究越來越多，運(yùn)動干預(yù)的方式主要為跑臺訓(xùn)練和游泳訓(xùn)練，極少數(shù)采用轉(zhuǎn)輪法、曠野法及爬繩實(shí)驗[9]。有研究指出，跑臺運(yùn)動訓(xùn)練能夠防止蛋白同化激素引起的大鼠心肌機(jī)械功能障礙[11]，配合胰島素治療可以抑制大鼠糖尿病性神經(jīng)以及坐骨神經(jīng)疼痛[15]；同時，中等強(qiáng)度的游泳運(yùn)動訓(xùn)練能夠緩解衰老引起的大鼠心臟炎癥，心肌肥大以及心臟纖維化[16]；游泳訓(xùn)練還能夠改善IR大鼠胰島素敏感性,可能與降低IR大鼠IL-1β的表達(dá)有關(guān)[17]等。這些研究表明有效的運(yùn)動干預(yù)能夠明顯改善機(jī)體病變和緩解部分因衰老引起的癥狀。本研究采用中等強(qiáng)度的跑臺運(yùn)動訓(xùn)練，對不同年齡段的大鼠進(jìn)行運(yùn)動機(jī)能的研究，最后揭示：對大鼠進(jìn)行為期2周的中等強(qiáng)度的跑臺運(yùn)動干預(yù)，能顯著改善高齡大鼠因衰老引起的的運(yùn)動機(jī)能下降。但是，2周的跑臺訓(xùn)練并沒有明顯提高8月齡和12月齡大鼠的運(yùn)動機(jī)能，其可能的原因是：1)4月齡和12月齡大鼠運(yùn)動機(jī)能處于較高水平，可改善提高的空間較??；2)為期2周的跑臺訓(xùn)練的時間過短，大鼠的運(yùn)動機(jī)能并未得到充分提高。

因此，本研究結(jié)果證明：大鼠的前肢拉力、耐力、軀體向上活動能力及極限速度等4項運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)呈增齡性下降，可作為大鼠運(yùn)動機(jī)能的衰老指標(biāo)。中等強(qiáng)度的跑臺運(yùn)動能顯著改善高齡大鼠總運(yùn)動機(jī)能的下降。同時本研究的結(jié)果也提示：1)本文的運(yùn)動方案能有效改善隨增齡引起的運(yùn)動機(jī)能下降，從而有效延緩衰老導(dǎo)致的機(jī)體運(yùn)動機(jī)能下降；2)可以使用該四個運(yùn)動機(jī)能指標(biāo)在大鼠建模，去研發(fā)有效改善運(yùn)動機(jī)能退行性衰老改變的各種運(yùn)動處方、飲食和藥物干預(yù)配方。由于所觀察的四個機(jī)能指標(biāo)與人類的改變具有相似性，因此，本研究結(jié)果也提示：1)中等強(qiáng)度的跑臺訓(xùn)練可能對改善衰老引起的人體運(yùn)動機(jī)能的下降有一定作用；2)使用大鼠作為模型，去研發(fā)有效改善運(yùn)動機(jī)能退行性衰老改變的各種運(yùn)動處方、飲食和藥物干預(yù)配方，其結(jié)果也可能適用于人類。

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Treadmill training improves the age-related decrease of rat motor function

SUN Hua-wei, LIAO Zhao-fu, LAI Bing-lin, LI Yan-mei, SHEN Xiao-tao，ZHENG Xin, FENG Shan-shan, QI Xu-feng, CAI Dong-qing*

(Key Laboratory of Regenerative Medicine (JNU-CUHK), Ministry of Education, Jinan University,Guangzhou 510632, China；International Base of Collaboration for Science and Technology,The ministry of Science and Technology & Guangdong Province, Jinan University, Guangzhou 510632； Department of Developmental & Regenerative Biology, Jinan University, Guangzhou 510632)

Objective To analyze the changes in motor function during rat aging and explore whether treadmill training improves the age-related decrease of rat motor function.Methods 2-month-old, 8-month-old and 26-month-old SD rats were used in this study. The motor function parameters, including forelimb grip strength, endurance, rearing count and scurry speed were assessed before and after treadmill training for two weeks. Results 1)The forelimb grip strength, endurance, rearing count and scurry speed of the 26-month-old rats were significantly lower than those of the 2-month-old and 8-month-old rats.Moreover, the last three parameters were decreased with aging. 2) Treadmill training not only considerably improved the forelimb grip strength of 26-month-old and 8-month-old rats, but also increased the rearing count of 8-month-old and 2-month-old rats. 3) Treadmill training significantly increased the total scores of the motor function of 26-month-old rats.Conclusions The motor function parameters (forelimb grip strength, endurance, rearing count and scurry speed) of rats show an age-related decline. Importantly, treadmill training can improve the age-related decrease of total scores of the motor function. These four parameters can be used as aging parameters for motor function in rat models.

Aging; Motor function; Treadmill training; Rat

CAI Dong-qing，E-mail: tdongbme@jnu.edu.cn

科技部港澳臺合作專項(2012DFH30060)；國家自然科學(xué)基金(30973158,81170324,81470433)；廣東省教育廳國際合作平臺項目(2012gjhz0003)；廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(04105826，S2012020010895)；863計劃(2007AA02Z105)；廣東省科技廳國際合作平臺項目(2009B050900007，2013B051000062)；廣東省科技計劃項目(2015B020211010)。

孫華偉(1990-)，男，碩士研究生，專業(yè)：生物化學(xué)與分子生物學(xué)。Email: 455859411@qq.com

蔡冬青(1963-)，男，教授，研究方向：心肌梗死的治療研究。Email: tdongbme@jnu.edu.cn

Q95-33

A

1005-4847(2017) 01-0048-06

10.3969/j.issn.1005-4847.2017.01.009

2016-06-21