不同干預(yù)療法對(duì)去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠股骨生物力學(xué)指標(biāo)的影響

卜淑敏 楊涵

首都體育學(xué)院（北京 101101）

不同干預(yù)療法對(duì)去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠股骨生物力學(xué)指標(biāo)的影響

卜淑敏 楊涵

首都體育學(xué)院（北京 101101）

目的：對(duì)比觀察雌激素、金雀異黃酮、跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)、全身垂直振動(dòng)和氯化鋰等5種不同干預(yù)療法對(duì)去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠股骨生物力學(xué)指標(biāo)的影響。方法：將80只3月齡雌性SD大鼠按體重分層后隨機(jī)分為去卵巢（n=68）和假手術(shù)（n=12）兩個(gè)組。手術(shù)后第11周，將去卵巢組大鼠按體重分層后又隨機(jī)分為去卵巢組（11只）、振動(dòng)組（10只）、跑臺(tái)組（10只）、金雀異黃酮組（10只）、氯化鋰組（10只）和雌激素組（10只），并開始進(jìn)行不同的干預(yù)處理。干預(yù)8周時(shí)，處死各組大鼠，取右后肢股骨，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)檢測(cè)各組大鼠股骨生物力學(xué)指標(biāo)的變化。結(jié)果：（1）雌激素組、金雀異黃酮組、全身振動(dòng)組、跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)組和氯化鋰組大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)中的最大載荷和彈性載荷顯著高于去卵巢組（P＜0.01，P＜0.05），而最大撓度和彈性撓度無顯著差異；（2）雌激素組、金雀異黃酮組和全身振動(dòng)組大鼠材料力學(xué)指標(biāo)中的彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變和彈性模量顯著高于去卵巢組（P＜0.05，P＜0.01），而最大應(yīng)力和彈性應(yīng)變無顯著差異。跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)組大鼠最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變和彈性模量顯著高于去卵巢組（P＜0.05，P＜0.01），而彈性應(yīng)變無顯著差異。氯化鋰組大鼠最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力和彈性模量顯著高于去卵巢組（P＜0.05，P＜0.01），而最大應(yīng)變和彈性應(yīng)變無顯著差異。結(jié)論：雌激素、金雀異黃酮、跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)、全身垂直振動(dòng)和氯化鋰對(duì)去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的干預(yù)效果相似，而對(duì)材料力學(xué)指標(biāo)的干預(yù)效果有一定的差別。

去卵巢大鼠；骨質(zhì)疏松；全身垂直振動(dòng)；跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)；金雀異黃酮；氯化鋰；生物力學(xué)

隨著世界老齡人口的增加，骨質(zhì)疏松的發(fā)病率在逐年上升，已成為全球關(guān)注的主要健康問題之一?；诠晒穷i骨密度的調(diào)查研究表明[1]，50歲以上人群中男性骨質(zhì)疏松的發(fā)病率是6%～22%，而女性的發(fā)病率是18%～28%。造成男女發(fā)病率差異的主要原因是婦女由于絕經(jīng)引起的雌激素下降，而已知雌激素在女性骨吸收的維持中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。骨質(zhì)疏松易導(dǎo)致骨折，而由骨折引發(fā)的致殘和致死率均較高，因此，能增加骨質(zhì)疏松患者的骨強(qiáng)度，減少跌倒風(fēng)險(xiǎn)的骨質(zhì)疏松防治方法近年來已成為研究熱點(diǎn)[2]。激素替代療法[3]、全身振動(dòng)[4，5]、植物雌激素[6]、抗阻運(yùn)動(dòng)[7]、糖原合成激酶抑制劑[8]等都已被證明能夠防治絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的發(fā)生，但有關(guān)這幾種療法對(duì)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松模型大鼠骨生物力學(xué)強(qiáng)度影響的對(duì)比研究還未見報(bào)道。鑒于此，本研究在建立去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠模型的基礎(chǔ)上，對(duì)比觀察全身垂直振動(dòng)、跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)、雌激素、金雀異黃酮和氯化鋰等不同干預(yù)療法對(duì)去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)和材料力學(xué)指標(biāo)的影響，旨在為臨床絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的防治提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及模型制備

80只3月齡健康雌性未孕SD大鼠，體重260±12 g，由北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供及飼養(yǎng)，動(dòng)物合格證號(hào)：SCXK（京）2011-0012。大鼠每天自由飲水及進(jìn)食，分籠飼養(yǎng)，適應(yīng)性喂養(yǎng)1周后，按體重分層后隨機(jī)分為假手術(shù)（12只）和去卵巢手術(shù)（68只）兩個(gè)組。手術(shù)前，兩組大鼠均禁食12～18 h，腹腔注射10%水合氯醛（3 m l/kg）麻醉，手術(shù)組從背部切除雙側(cè)卵巢，假手術(shù)組不切除卵巢，而將卵巢旁與卵巢等大的脂肪組織切除。大鼠無菌手術(shù)在北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科學(xué)部進(jìn)行[SYXK（京）2011-0039]，手術(shù)過程中按實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用的3R原則給予人道關(guān)懷。大鼠手術(shù)后靜養(yǎng)10周以復(fù)制骨質(zhì)疏松模型。靜養(yǎng)過程中，有1只假手術(shù)大鼠和9只去卵巢大鼠先后因不同原因而死亡。

1.2 建模后實(shí)驗(yàn)動(dòng)物分組及處理

術(shù)后第11周，按體重將去卵巢手術(shù)組大鼠分層后隨機(jī)分為6組。即去卵巢組（11只）、振動(dòng)組（10只）、跑臺(tái)組（10只）、金雀異黃酮組（10只）、氯化鋰組（10只）和雌激素組（10只）。

不同組別的去卵巢大鼠分別開始進(jìn)行不同的干預(yù)處理，干預(yù)方案與前期報(bào)道的相同[9]，具體為：去卵巢組不做處理；振動(dòng)組每天進(jìn)行2次時(shí)間15 min、頻率90 Hz、振幅0.5 mm的振動(dòng)訓(xùn)練，每周14次；跑臺(tái)組每次進(jìn)行速度18 m/min，坡度5°、時(shí)間40 min的跑臺(tái)訓(xùn)練，每周1、3、5及周日各運(yùn)動(dòng)1次；金雀異黃酮組采用灌胃，劑量為1 mg/kg體重，每天灌胃1次；氯化鋰組采用腹腔注射氯化鋰，劑量為15 mg/kg體重，每周1、3、5各注射1次；雌激素組采用頸部皮下注射17-β雌二醇，劑量為25μg/kg體重，每周1、3、5各注射1次。干預(yù)處理均為8周。需要說明的是，我們以往的研究表明[10]，橄欖油、生理鹽水等溶媒對(duì)實(shí)驗(yàn)本身沒有影響，所以本研究未設(shè)溶媒對(duì)照組。

1.3 骨標(biāo)本的采集與保存

所有組大鼠于末次干預(yù)結(jié)束36～48小時(shí)內(nèi)，將大鼠麻醉，腹主動(dòng)脈取血處死，截取右側(cè)股骨用生理鹽水浸濕的紗布包裹后放入－80℃冰箱待測(cè)骨生物力學(xué)指標(biāo)。

1.4 股骨三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

股骨生物力學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法。在冠狀面上將股骨前面向上，磨平后面，使其平穩(wěn)地置于儀器操作臺(tái)上，跨距設(shè)置為20 mm，加載速度設(shè)置為2 mm/min進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。股骨在外力作用下折斷后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷裂處骨骼橫截面的內(nèi)外軸長(zhǎng)度。計(jì)算股骨的材料力學(xué)特性指標(biāo)的前提是要計(jì)算骨截面慣性矩。骨截面慣性矩（J）的計(jì)算公式為J=π（BH3一bh3）/64，公式中B表示骨橫截面外層長(zhǎng)軸，H表示骨橫截面外層短軸，b表示骨橫截面內(nèi)層長(zhǎng)軸，h表示骨橫截面內(nèi)層短軸。再結(jié)合骨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)與公式計(jì)算出骨材料力學(xué)參數(shù)。本研究檢測(cè)的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)有最大載荷、破壞載荷、最大撓度和破壞撓度。材料力學(xué)性能指標(biāo)有最大應(yīng)力、破壞應(yīng)力、最大應(yīng)變、破壞應(yīng)變和彈性模量。

1.5 主要儀器

DSPT-202小動(dòng)物跑臺(tái)，杭州段氏制造廠生產(chǎn)；垂直振動(dòng)臺(tái)，北京雅士林廠生產(chǎn)；WDW—3020型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器研究所生產(chǎn)。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較用單因素方差分析。P＜0.05為具有顯著性差異。

2 結(jié)果

2.1 各組大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)的比較

由圖1可知，去卵巢組大鼠最大載荷、彈性載荷和最大撓度顯著低于假手術(shù)組（P＜0.01，P＜0.05），而彈性撓度無顯著變化；雌激素組、金雀異黃酮組、氯化鋰組、跑臺(tái)組和振動(dòng)組大鼠最大載荷和彈性載荷顯著高于去卵巢組（P＜0.01，P＜0.05），而最大撓度和彈性撓度無顯著變化。

圖1 不同干預(yù)療法組與去卵巢組股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)的比較

2.2 各組大鼠股骨材料力學(xué)性能指標(biāo)的比較

由圖2可知，去卵巢組大鼠最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變和彈性模量顯著低于假手術(shù)組（P＜0.05，P＜0.01），而彈性應(yīng)變無顯著變化；雌激素組、金雀異黃酮組和全身振動(dòng)組大鼠彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變和彈性模量顯著高于去卵巢組（P＜0.05，P＜0.01），而最大應(yīng)力和彈性應(yīng)變無顯著變化。氯化鋰組大鼠最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力和彈性模量顯著高于去卵巢組（P＜0.05，P＜0.01），而最大應(yīng)變和彈性應(yīng)變無顯著變化。跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)組大鼠最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變和彈性模量顯著高于去卵巢組，而彈性應(yīng)變無顯著變化（P＜0.05，P＜0.01）。

圖2 不同干預(yù)療法組與去卵巢組股骨材料力學(xué)性能指標(biāo)的比較

3 討論

金雀異黃酮是大豆中的主要生理雌激素，目前已被認(rèn)為是潛在的防治絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的藥物之一[10]。大量體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)已表明，服用金雀異黃酮不僅有利于骨健康，而且金雀異黃酮在防治絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松方面表現(xiàn)出較好的臨床藥效以及較少的副作用[11]。加之有研究報(bào)道[12-14]，金雀異黃酮的抗骨質(zhì)疏松效應(yīng)大于高車前素和淫羊藿甙，幾乎與雌激素相等。眾所周知，適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)是防治絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的最好措施。研究表明[15，16]，低強(qiáng)度高頻機(jī)械振動(dòng)刺激能促進(jìn)骨形成，增加去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠股骨近端的骨強(qiáng)度；而耐力運(yùn)動(dòng)不僅能改善去卵巢大鼠皮質(zhì)骨的骨強(qiáng)度，而且也能改善松質(zhì)骨的骨強(qiáng)度[17，18]。氯化鋰是糖原合成激酶-3β（GSK-3β）的抑制劑，用氯化鋰抑制GSK-3β可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)β-catenin的堆積，結(jié)果使Wnt/β-catenin信號(hào)通路失活，骨髓基質(zhì)細(xì)胞向脂肪細(xì)胞分化，成骨細(xì)胞減少，骨量下降[19，20]。

骨質(zhì)量反映骨的強(qiáng)度，骨質(zhì)量參數(shù)包括破壞堆積、骨微結(jié)構(gòu)和骨的礦化。本研究用股骨三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)比檢測(cè)了雌激素、金雀異黃酮、全身垂直振動(dòng)、跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)和氯化鋰等不同干預(yù)療法對(duì)去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠股骨力學(xué)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠經(jīng)雌激素、金雀異黃酮、全身垂直振動(dòng)、跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)和氯化鋰干預(yù)后，股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)中的最大載荷和彈性載荷顯著增加，而最大撓度和彈性撓度無顯著變化。結(jié)果提示，雌激素、金雀異黃酮、全身垂直振動(dòng)、跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)和氯化鋰均能改善去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠股骨的部分結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)，且它們對(duì)去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)的改善效應(yīng)基本相同。

此外，本研究中，去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠經(jīng)雌激素、金雀異黃酮和全身垂直振動(dòng)干預(yù)后，材料力學(xué)指標(biāo)中的彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變和彈性模量顯著增加，而最大應(yīng)力和彈性應(yīng)變無顯著變化。經(jīng)跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)干預(yù)后，最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變和彈性模量顯著增加，而彈性應(yīng)變無顯著變化。經(jīng)氯化鋰干預(yù)后，最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力和彈性模量顯著增加，而最大應(yīng)變和彈性應(yīng)變無顯著變化。結(jié)果提示，雌激素、金雀異黃酮和全身振動(dòng)三種干預(yù)療法對(duì)去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠材料力學(xué)性能指標(biāo)的改善效應(yīng)基本相同，而與跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)和氯化鋰的干預(yù)效果有一定的差異。

4 結(jié)論

雌激素、金雀異黃酮、跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)、全身垂直振動(dòng)和氯化鋰對(duì)去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠股骨結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的干預(yù)效果相似，而對(duì)材料力學(xué)指標(biāo)的干預(yù)效果有一定的差別。

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Effectsof Different Interventionson Biomechanic Indexesof Femur Bonesof Ovariectom ized Ratsw ith Osteoporosis

Bu Shumin，Yang Han
CapitalUniversity ofPhysical Education and Sports，Beijing 100191，China

Bu Shumin，Email：boshumin@163.com

Objective To investigate the effects of different interventions on the biomechanic indexes in femur bones of ovariectomized rats with osteoporosis.Methods Eighty healthy female Sprague-Daw?ley rats，aged 3 months，were randomly divided into an ovariectomized（OVX，n=68）group and a sham-op?eration（Sham，n=12）group.At the 11thweek after the operation，the OVX group was further randomly di?vided into a control group（n=11），an estradiol group（E2，n=10），a genisteine group（G，n=10），a treadmill exercise group（TE，n=10），a lithium chloride group（LiCl，n=10）and a whole-body vertical vibration group（WBVV，n=10）.Then the rats began to

ifferent interventions as their group names implied.At the end of 8 weeks，their right femurs were isolated and the biomechanic parameters were detected using the three point bending test.Results（1）Both the maximum load and elastic load in E2，G，TE，WBVV and LiCl groups were significantly higher than that of the control group，while no significant dif?ferences were seen in maximum deflection and elastic deflection.（2）The elastic stress，maximum strain，and elasticity modulus in E2，G，and WBVV groups were significantly higher than that of the control group，while no significant differences were seen in maximum stress and elastic strain among them.Themaximum stress，elastic stress，maximum strain，and elasticity modulus in TE group were significantly higher than the control group while no significant differences were seen in the elastic strain.The maxi?mum stress，elastic stress，and elasticity modulus in LiCl group were significantly higher than the con?trol group，but no significant differences were seen in maximum strain and elastic strain between them.Conclusion E2，genistein，treadmill exercise，whole-body vertical vibration，and LiCl have quite similar ef?fects on structural mechanics indexes of femurs in OVX rats with osteoporosis，but they have different impacts on the material mechanics indexes.

ovariectomized rat，osteoporosis，whole-body vertical vibration，treadmill exercise，genis?tein，lithium chloride，biomechanical

2016.11.04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30771046）；北京市百千萬人才工程項(xiàng)目（201624）

卜淑敏，Email：boshum in@163.com