不同運動訓(xùn)練方式對老年骨質(zhì)疏松模型小鼠骨生物力學(xué)的影響

林峻先

(中國藥科大學(xué)體育部，江蘇 南京 211198)

不同運動訓(xùn)練方式對老年骨質(zhì)疏松模型小鼠骨生物力學(xué)的影響

林峻先

(中國藥科大學(xué)體育部，江蘇 南京 211198)

目的 探討跑臺運動、游泳等不同運動訓(xùn)練方式對老年性骨質(zhì)疏松小鼠骨生物力學(xué)的影響。方法 取小鼠66只，根據(jù)不同運動訓(xùn)練方式將小鼠分為游泳組、跑臺組及對照組，每組22只。采用切除雙側(cè)卵巢方法建立老年性骨質(zhì)疏松模型。游泳組前3 d每次訓(xùn)練30 min，后4 d每次訓(xùn)練40 min，水深40 cm。跑臺組持續(xù)性水平運動，前3 d每次30 min，跑臺速度0.8 m/s；后4 d跑40 min，跑臺速度1.0 m/s，共訓(xùn)練4 w。對照組不進(jìn)行運動干預(yù)自然恢復(fù)。采用骨密度儀及電子萬能試驗機(jī)測定小鼠骨密度(BMD)及右側(cè)股骨、腰椎骨生物力學(xué)指標(biāo)。結(jié)果 跑臺組、游泳組及對照組在1 w、2 w體重差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；跑臺組小鼠在3 w、4 w體重顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)。②跑臺組小鼠鈣、磷水平顯著低于游泳組和對照組(P<0.05)，堿性磷酸酶(AKP)、抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)水平顯著高于游泳組(P<0.05)；游泳組鈣、AKP、STR-ACP水平顯著低于對照組(P<0.05)，磷顯著高于對照組(P<0.05)。③跑臺組右側(cè)股骨與腰椎骨BMD水平顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)，游泳組右側(cè)股骨與腰椎骨BMD水平顯著高于對照組(P<0.05)。④跑臺組小鼠骨生物力學(xué)指標(biāo)顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)。游泳組小鼠骨生物力學(xué)指標(biāo)顯著高于對照組(P<0.05)。結(jié)論 運動訓(xùn)練對老年性骨質(zhì)疏松小鼠生物力學(xué)性能有一定的改善，游泳、跑臺運動對骨質(zhì)疏松小鼠有預(yù)防和緩解作用，可以維持并提高小鼠BMD，且生物力學(xué)顯示跑臺運動訓(xùn)練更加適宜。

骨質(zhì)疏松；運動訓(xùn)練；骨密度；骨生物力學(xué)

骨質(zhì)疏松(OP)屬于全身代謝性疾病，發(fā)病后以骨量減少、骨組織結(jié)構(gòu)損傷等為主，導(dǎo)致骨變脆，增加骨折發(fā)生率〔1〕。重力在人體骨骼系統(tǒng)正常生長、功能維持等方面發(fā)揮了重要的作用，長期脫負(fù)荷也會容易引起肢體的失用性O(shè)P〔2〕。合理的體育運動能改善骨代謝、提高骨密度(BMD)，預(yù)防骨丟失。也有文獻(xiàn)報道顯示〔3〕，運動能促進(jìn)骨量積累。青少年中長期參加體育鍛煉者骨骼長、粗壯，顯著高于參加體育運動較少者。人體中骨骼的質(zhì)量、形狀等不僅取決于基因，其功能、結(jié)構(gòu)等在一定程度還依賴于所處的力學(xué)環(huán)境，當(dāng)力學(xué)環(huán)境發(fā)生變化時，骨的形狀及骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)等均會出現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)整，以最佳狀態(tài)適應(yīng)力學(xué)環(huán)境需要〔4〕。動物研究〔5〕表明：適宜負(fù)荷的游泳訓(xùn)練能促進(jìn)老年小鼠的礦化、改善骨代謝，促進(jìn)骨生物力學(xué)指標(biāo)的優(yōu)化。本文擬進(jìn)一步探討跑臺運動、游泳等不同運動訓(xùn)練方式對老年性O(shè)P小鼠骨生物力學(xué)的影響。

1 對象和方法

1.1 實驗動物 選取清潔級小鼠66只，體質(zhì)量25.3～31.5 g，平均(27.45±4.75)g，周齡1～4 w，雌雄隨機(jī)，均由湖州市中醫(yī)院動物實驗中心提供，飼養(yǎng)條件符合國家二級動物房飼養(yǎng)及運動干預(yù)條件，室溫(23±3)℃，相對濕度55.0%～60.0%，每天換風(fēng)2次，并進(jìn)行12 h黑夜、光照更替。對小鼠處理符合《關(guān)于善待實驗動物的指導(dǎo)意見》〔6〕中相關(guān)規(guī)則。根據(jù)不同運動訓(xùn)練方式分為游泳組、跑臺組及對照組，每組22只。

1.2 老年性O(shè)P小鼠模型建立 入選小鼠均禁食12 h，手術(shù)前肌肉注射0.5 g阿托品，采用3.6%水合氯醛進(jìn)行全身麻醉，待麻醉生效后消毒、鋪巾，在大鼠背部正中切口，并在大鼠肋緣下側(cè)切除雙側(cè)卵巢，縫合切口，小鼠創(chuàng)面縫合后采用油紗、無菌紗布雙層敷料覆蓋創(chuàng)面、包扎，根據(jù)小鼠情況給予抗生素預(yù)防感染，待小鼠清醒后送回籠中飼養(yǎng)，建立老年性O(shè)P小鼠動物模型。建模完依據(jù)老年性O(shè)P標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，并結(jié)合實驗室檢查及影像學(xué)檢查確診后提示造模成功〔7〕。

1.3 老年性O(shè)P小鼠運動訓(xùn)練方法 ①游泳組前3 d進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練，每次游泳30 min，后4 d每次訓(xùn)練40 min，水深40 cm，休息1 d；第2、3、4周每周訓(xùn)練6 d，每次訓(xùn)練1次，水溫控制在(29±1)℃，游泳池長為50 cm×60 cm×90 cm。②跑臺組采用持續(xù)性水平跑運動進(jìn)行訓(xùn)練，運動強(qiáng)度根據(jù)國外學(xué)者最大攝氧量確定。跑臺訓(xùn)練第1周前3 d進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練，每次30 min，跑臺速度0.8 m/s；后4 d每次跑40 min，跑臺速度1.0 m/s；第二周訓(xùn)練6 d，每天1 h，速度為1.1 m/s；第3、4周每次訓(xùn)練1 h，速度1.2 m/s，共訓(xùn)練4 w。③對照組不進(jìn)行運動干預(yù)自然恢復(fù)〔8〕。

1.4 觀察指標(biāo) ①體重的測定。整個實驗過程中，每周采用電子秤對小鼠體重進(jìn)行測定。②血清生化指標(biāo)測定。采集小鼠靜脈血，采用相應(yīng)的試劑測定血清鈣、磷、堿性磷酸酶(AKP)及抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)含量，相關(guān)操作步驟必須嚴(yán)格按照有關(guān)要求測定。③BMD測定。運動4 w后殺死小鼠，取出右側(cè)股骨及腰椎骨，采用骨密度儀(Medilink Inc.，法國)測定股骨與腰椎骨BMD。④生物力學(xué)性能檢測。采用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)( 瑞格爾公司，中國)測定小鼠右側(cè)股骨、腰椎骨，避免標(biāo)本上微小的裂縫影響檢測結(jié)果。測定時將股骨放置在兩個支撐點上，標(biāo)本寬度朝上并水平放置，下降探頭，并以2 mm/min速度進(jìn)行施壓，當(dāng)標(biāo)本發(fā)生斷裂后停止下壓，根據(jù)壓力傳感器獲得數(shù)據(jù)，確定骨橫斷面積、最大載荷、彎曲載荷、彈性模量等數(shù)據(jù)。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS18.0軟件行t檢驗。

2 結(jié) 果

2.1 3組小鼠1、2、3、4 w體重變化比較 跑臺組、游泳組及對照組1、2 w體重差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；跑臺組小鼠3、4 w體重顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)，見表1。

2.2 3組小鼠血清生化指標(biāo)測定 跑臺組小鼠鈣、磷水平顯著低于游泳組和對照組(P<0.05)，AKP、STR-ACP水平顯著高于游泳組(P<0.05)，與對照組相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，游泳組鈣、AKP、STR-ACP水平顯著低于對照組(P<0.05)，磷水平顯著高于對照組(P<0.05)，見表2。

2.3 3組小鼠右側(cè)股骨與腰椎骨骨密度(BMD)水平比較 跑臺組右側(cè)股骨與腰椎骨BMD水平顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)；游泳組右側(cè)股骨與腰椎骨BMD水平顯著高于對照組(P<0.05)。見表3。

表1 3組小鼠0、1、2、3、4 w體重變化比較

與游泳組相比：1)P<0.05；與對照組相比：2)P<0.05，下表同

表2 3組小鼠血清生化指標(biāo)測定值比較±s,n=22)

表3 3組小鼠右側(cè)股骨與腰椎骨BMD 水平比較

2.4 3組小鼠右側(cè)股骨生物力學(xué)指標(biāo)比較 3組小鼠右側(cè)股最大撓度、彈性撓度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；跑臺組小鼠最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、破壞撓度、剛性系數(shù)及能量吸收顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)；游泳組小鼠最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、破壞撓度、剛性系數(shù)及能量吸收顯著高于對照組(P<0.05)，見表4。

2.5 3組小鼠腰椎骨生物力學(xué)指標(biāo)比較 3組小鼠腰椎骨生物力學(xué)中彈性撓度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；跑臺組小鼠最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、最大撓度、破壞撓度、剛性系數(shù)、能量吸收顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)；游泳組小鼠最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、最大撓度、破壞撓度、剛性系數(shù)、能量吸收顯著高于對照組(P<0.05)，見表5。

表4 3組小鼠右側(cè)股骨生物力學(xué)指標(biāo)比較±s,n=22)

表5 3組小鼠腰椎骨生物力學(xué)指標(biāo)比較±s,n=22)

3 討 論

目前，對于老年性O(shè)P發(fā)病機(jī)制尚不完全知曉，普遍認(rèn)為OP與年齡有關(guān)，當(dāng)人體年齡達(dá)到一定程度將會引起骨量下降，骨強(qiáng)度也相對較低，導(dǎo)致骨變脆，增加骨折發(fā)生率。而骨密度、骨質(zhì)量會影響骨強(qiáng)度，且骨質(zhì)量又受到骨生物力學(xué)、骨組織形態(tài)等因素的影響。因此，采取積極有效的措施預(yù)防、減緩骨量，能有效預(yù)防老年性O(shè)P〔9〕。

文獻(xiàn)報道顯示〔10〕：骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞在骨的重建、塑造等過程中是一個相互依賴、相互影響的關(guān)系，且處于一種動態(tài)平衡。由此看出〔11〕：人體中骨的生成與分解處于動態(tài)的平衡中，且機(jī)體活動又會影響骨強(qiáng)度和骨質(zhì)量。國外學(xué)者進(jìn)行了一次實驗，結(jié)果顯示〔12〕：身高/體重指數(shù)(BMI)是骨折風(fēng)險的危險因素，高度相關(guān)性達(dá)到95.0%。老年性O(shè)P患者BMD顯著下降，適當(dāng)增加其體重能起到預(yù)防作用〔13，14〕。本研究中，隨著三組小鼠運動訓(xùn)練的不斷推移，小鼠體重均出現(xiàn)不同程度的提高，但是跑臺組小鼠質(zhì)量增幅較高。從力學(xué)角度來說〔15〕：體重對于骨的負(fù)荷影響較大，肥胖能對OP起到代償作用。從實驗結(jié)果可以看出：跑臺運動能有效維持體重，在科學(xué)地指導(dǎo)和運動訓(xùn)練下將會改善OP小鼠體質(zhì)量降低，降低骨量的丟失。

目前，普遍認(rèn)為骨量對于骨纖維結(jié)構(gòu)的改變具有重要的意義，對骨力學(xué)性能也有著明顯的影響。文獻(xiàn)報道顯示〔16〕：骨骼力學(xué)負(fù)荷與骨量關(guān)系密切，適當(dāng)增加負(fù)荷能提高骨量，更加有利于促進(jìn)骨細(xì)胞增殖并提高其活性〔17〕。運動作為一種初級骨骼的外在負(fù)荷，適當(dāng)強(qiáng)度的運動訓(xùn)練能促進(jìn)骨的增長，降低OP發(fā)生率〔18〕。本研究發(fā)現(xiàn)，跑臺更加有利于老年性O(shè)P小鼠BMD提高。運動強(qiáng)度及負(fù)荷能直接作用在骨，可以間接引起肌肉收縮，使得骨骼產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而影響成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的增殖、分化及細(xì)胞活性，進(jìn)一步引起骨代謝酶活性。同時，運動能改善機(jī)體內(nèi)激素水平變化，間接影響B(tài)MD。

骨生物力學(xué)性能主要研究骨骼在外力作用下的力學(xué)特性及受力后產(chǎn)生的生物效應(yīng)，是一種評價骨質(zhì)量的可靠方法。骨生物力學(xué)性能包括了骨的結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)，常見指標(biāo)包括彎曲強(qiáng)度、最大載荷、彈性撓度等〔19〕。本次實驗看出：跑臺運動、游泳等均會對OP小鼠斷裂強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的積極作用，能在一定程度上減緩老年性O(shè)P小鼠骨折發(fā)生率。適當(dāng)?shù)倪\動能引起骨骼內(nèi)在和外在負(fù)荷量隨之加大，骨骼能產(chǎn)生適應(yīng)性機(jī)械負(fù)荷變化，從而引起骨生物力學(xué)性能和骨量的變化。同時，運動屬于是一種外界刺激，適當(dāng)刺激能引起自身和細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境、電熱等變化，能在適宜的條件下使骨生物學(xué)性能產(chǎn)生積極的應(yīng)變，誘導(dǎo)骨重建〔20〕。

綜上所述，運動訓(xùn)練對老年性O(shè)P小鼠生物力學(xué)性能有一定的改善，游泳、跑臺運動等對老年性O(shè)P小鼠的BMD均有維持、提高作用，且跑臺運動訓(xùn)練的BMD下降幅度低于低強(qiáng)度運動訓(xùn)練。

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〔2017-01-09修回〕

(編輯 袁左鳴)

江蘇省自然科學(xué)基金面上項目(BK20151218)；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金(BK20150860)

林峻先(1987-)，男，碩士，講師，主要從事啦啦操、健美操、排舞體育教育訓(xùn)練學(xué)、運動學(xué)研究。

R68

A

1005-9202(2017)11-2633-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.11.014