吡格列酮對(duì)鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠骨生物力學(xué)性能的影響

邸 倩,邱明才,張 鑫,楊 靜

(1山西醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院內(nèi)分泌科,太原 030001;2天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院內(nèi)分泌科)

吡格列酮對(duì)鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠骨生物力學(xué)性能的影響

邸 倩1,邱明才2,張 鑫2,楊 靜1

(1山西醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院內(nèi)分泌科,太原 030001;2天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院內(nèi)分泌科)

目的 探討不同劑量吡格列酮(PIO)對(duì)鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠股骨和腰椎生物力學(xué)性能的影響。 方法 大鼠尾靜脈1次注射STZ(45 mg/kg)建立糖尿病大鼠模型,28只造模成功的大鼠被隨機(jī)分為PIO低劑量組[4 mg/(kg·d)](n=10)、PIO高劑量組[20 mg/(kg·d)](n=10)和模型組(n=8)。10只未造模大鼠為對(duì)照組。PIO治療組每日吡格列酮混懸液灌胃,連續(xù)干預(yù)16周,股動(dòng)脈放血法處死大鼠,立即分離右側(cè)股骨行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)、腰椎行壓縮實(shí)驗(yàn),檢測(cè)并分析各組生物力學(xué)有關(guān)指標(biāo)。 結(jié)果 與對(duì)照組相比,模型組及各PIO治療組股骨最大載荷、彈性載荷、彎曲應(yīng)力、彎曲能量、彎曲剛性系數(shù)、彈性模量、彎曲韌性系數(shù)均不同程度減少(P<0.01),最大撓度均不同程度增加(P<0.01);腰椎最大載荷、彈性載荷、比例極限、強(qiáng)度極限、彈性模量、能量吸收均不同程度地減少(P<0.01)。與模型組相比,低劑量組各參數(shù)均差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,高劑量組股骨最大撓度增加,而最大載荷、彈性載荷、彎曲應(yīng)力、彎曲能量、腰椎最大載荷、彈性載荷、比例極限、彈性模量和能量吸收均減少(P<0.01)。 結(jié)論 高劑量PIO[20 mg/(kg·d)]可能造成糖尿病大鼠骨力學(xué)性能減低,骨質(zhì)量減低,低劑量PIO[4 mg/(kg·d)]未引起糖尿病大鼠骨生物力學(xué)性改變。

吡格列酮; 鏈脲佐菌素; 糖尿病; 骨生物力學(xué)

噻唑烷二酮類藥物(TZDs)主要通過激活過氧化物酶酶體增殖受體(PPAR-γ),增加多種基因編碼蛋白的表達(dá),從而提高胰島素敏感性,降低血糖。吡格列酮是噻唑烷二酮類的主要藥物之一。既往研究表明,PPAR-γ可增加骨折的風(fēng)險(xiǎn)[1]。也有研究認(rèn)為,骨髓干細(xì)胞膜上的PPAR-γ被配體激活后可在骨髓微環(huán)境中阻斷破骨細(xì)胞的生成[2]。目前,對(duì)于PPAR-γ影響糖尿病大鼠骨代謝和骨轉(zhuǎn)換的機(jī)制還不是十分清楚。在之前的文章[3，4]中已經(jīng)討論了PIO干預(yù)影響糖尿病大鼠骨密度、骨轉(zhuǎn)換及骨形態(tài)計(jì)量學(xué)的狀況,發(fā)現(xiàn)低劑量PIO干預(yù)糖尿病大鼠骨密度,骨計(jì)量均無影響,高劑量PIO干預(yù)可使糖尿病大鼠骨密度減低[3],骨量減少,可能通過使糖尿病大鼠骨形成速率減低的途徑[4]。本研究將進(jìn)一步探討不同劑量PIO干預(yù)對(duì)糖尿病大鼠股骨和腰椎生物力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

8周齡雄性SD大鼠38只,清潔級(jí),體質(zhì)量240 g±13 g,由軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生學(xué)環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物質(zhì)量合格證編號(hào):SGCK(京)2008-0001。標(biāo)準(zhǔn)顆粒飼料喂養(yǎng),自然照明,室內(nèi)室溫20-25 ℃,相對(duì)濕度40%-70%。實(shí)驗(yàn)期間動(dòng)物自由采食和飲水。

1.2 主要試劑和儀器

鏈脲佐菌素(美國(guó)Sigma公司)、微量血糖試紙(羅氏診斷有限公司)、PIO(北京太洋有限公司)、ACCT-CHECK Active血糖儀(羅氏診斷有限公司)、ELF 3200力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(美國(guó)BOSE公司)。

1.3 糖尿病大鼠模型建立與PIO治療

28只造模成功的大鼠被隨機(jī)分為PIO低劑量組[4 mg/(kg·d)](n=10)、PIO高劑量組[20 mg/(kg·d)](n=10)和模型組(n=8)。10只未造模大鼠為對(duì)照組。造模前夜,大鼠自由進(jìn)食飲水。造模方法為將大鼠置于鼠盒,尾靜脈1次注射STZ 45 mg/kg。給藥72 h和7 d分別測(cè)定大鼠尾靜脈血糖,兩次測(cè)定血糖均大于16.7 mmol/L判定為糖尿病造模成功。尾靜脈注射STZ大鼠糖尿病成模率為96.4%,全部動(dòng)物于成模后干預(yù)16周,股動(dòng)脈放血處死。干預(yù)期間未應(yīng)用吡格列酮之外的降糖藥物。干預(yù)方法為每日上午9時(shí)給藥,吡格列酮混懸液灌胃服用。干預(yù)期間無因血糖原因死亡大鼠。

1.4 動(dòng)物處死和獲取標(biāo)本

1.5 股骨三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)

將股骨標(biāo)本緩慢解凍,保持其濕度,自由放置在ELF 3200力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)支架上,曲面向下,使股骨中點(diǎn)、兩支點(diǎn)中心與加載點(diǎn)重合,勻速加載至標(biāo)本斷裂,描記出載荷-變形(撓度)曲線(Load-Deformaion Curve)。測(cè)試溫度23 ℃,實(shí)驗(yàn)機(jī)載荷測(cè)量精度0.01 N,位移(撓度)測(cè)量精度0.001 mm,支座跨距20 mm,壓頭直徑近似為1.5 mm,加載速度5 mm/min,選用200 N以內(nèi)的小載荷量程。用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷骨內(nèi)徑和壁厚,記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

測(cè)試指標(biāo):最大載荷(maximal loading,ML)(N),彈性載荷(elastic loading,EL)(N),最大撓度(break deflection,BD)(mm),彎曲能量(bending energy,BE)(N.mm)。最大彎曲應(yīng)力(maximal bending stress,MBS)(N/mm2),彎曲彈性模量(modulus of bending elasticity,MBE)(GPa),彎曲剛性系數(shù)(coefficient of bending stiffness,CBS)(N·mm2),彎曲韌性系數(shù)(coefficient of bending ductility,CBD)(mm/N)。

1.6 腰椎壓縮實(shí)驗(yàn)

將椎體上下端磨平,修整為高度4-6 mm,具有兩個(gè)平行平面的類圓柱體。用螺旋測(cè)微儀測(cè)量椎體的高度,顯微鏡下計(jì)算椎骨橫截面積。將濕潤(rùn)的腰椎標(biāo)本置于ELF 3200力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上,加載速度為2 mm/min,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制載荷-變形曲線,其他測(cè)試條件同股骨三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。

測(cè)試指標(biāo):最大載荷(ML)(N),彈性載荷(EL)(N),強(qiáng)度極限(maximal stress,MS)(N/mm2),比例極限(elastic stress,ES)(N/mm2),彈性模量(elastic modulus,EM)(Gpa),能量吸收(energy absorbability,EA)(N·mm)

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 大鼠股骨三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

與對(duì)照組相比,STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型組及各PIO治療組股骨最大載荷、彈性載荷、彈性模量、彎曲應(yīng)力、彎曲能量、彎曲韌性系數(shù)、彎曲剛性系數(shù)均不同程度地減少,最大撓度均不同程度地增加(均P<0.01，見表1)。與模型組相比,低劑量組各參數(shù)均差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,高劑量組股骨最大載荷、彈性載荷、彎曲應(yīng)力、彎曲能量減少(P<0.01),最大撓度增加(P<0.01)。而兩組間彈性模量、彎曲韌性系數(shù),彎曲剛性系數(shù)無顯著性差異。與低劑量組相比,高劑量組股骨最大載荷、彈性載荷、彎曲能量減少(均P<0.01)，彎曲應(yīng)力減少(P<0.05)，而最大撓度、彈性模量、彎曲剛性系數(shù)、彎曲韌性系數(shù)無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(見表1)。

組別n最大載荷(N)彈性載荷(N)彈性模量(GPa)彎曲應(yīng)力(N/mm2)最大撓度(mm)彎曲能量(N·mm)彎曲韌性系數(shù)(10-3mm/N)彎曲剛性系數(shù)(103N·mm2)低劑量組108476±1086?6767±719? 224±003?15223±1074? 110±003?1556±221? 134±0003?1983±131?高劑量組106989±1067?#△△5042±632?#△△ 103±003?13348±1145?#△ 114±007?#1113±408?#△△ 139±0006?1789±301?模型組 88686±1018?7056±712? 235±006?15582±1252? 108±005?1668±235? 133±0004?2097±26?對(duì)照組 1013654±10218856±766 337±00417910±1331 101±0092756±388 114±00022575±397

與對(duì)照組相比,*P<0.01;與模型組相比,#P<0.01;與低劑量組相比,△P<0.05,△△P<0.01

2.2 各組大鼠腰椎壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

與對(duì)照組相比,STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型組及各PIO治療組最大載荷、彈性載荷、比例極限、強(qiáng)度極限、彈性模量、能量吸收均不同程度地減少(均P<0.01，見表2)。與模型組相比,低劑量組各參數(shù)均差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,高劑量組最大載荷、彈性載荷、比例極限、彈性模量、能量吸收減少(均P<0.01)，強(qiáng)度極限無顯著性差異。與低劑量組相比,高劑量組最大載荷、彈性載荷、比例極限、能量吸收減少(均P<0.01)，而強(qiáng)度極限和彈性模量無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(見表2)。

組別n彈性載荷(N)最大載荷(N)比例極限(N/mm2)強(qiáng)度極限(N/mm2)彈性模量(GPa)能量吸收(N·mm)低劑量組109798±1577?19775±1366?994±153?902±142?1419±063?1667±122?高劑量組108302±1164?#&16711±1309?#&712±173?#&869±137?1329±038?#1021±135?#&模型組 810568±1855?20613±1758?999±162?905±157?1465±014?1856±168?對(duì)照組 1014967±266627677±16631471±1561432±2432193±0352554±185

與對(duì)照組相比,*P<0.01;與模型組相比,#P<0.01;與低劑量組相比,&P<0.01

3 討論

骨生物力學(xué)是骨量和骨結(jié)構(gòu)的綜合反映[5-7],直接反映骨組織的抗骨折能力。對(duì)骨質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估以及骨質(zhì)疏松骨折危險(xiǎn)度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是非常必要的。大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究結(jié)果表明單純骨量增加,骨質(zhì)量不一定相應(yīng)增加,有時(shí)反而下降[8],僅僅依靠骨密度檢查不能全面地反映骨代謝的情況,骨的生物力學(xué)性能是反映骨質(zhì)量的重要指標(biāo)。各種力學(xué)測(cè)試中,長(zhǎng)骨三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)及椎體壓縮試驗(yàn)最為常用。

三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)定包括結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)和骨骼剛度等三項(xiàng)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)包括最大載荷、彈性載荷、最大撓度和彎曲能量,主要反映骨的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的變化[9,10]。材料力學(xué)指標(biāo)包括最大彎曲應(yīng)力、彎曲彈性模量。彈性模量反映骨質(zhì)的內(nèi)在硬度。骨骼的剛度以彎曲剛性系數(shù)和韌性系數(shù)來表示,在單位面積不變時(shí),剛性系數(shù)越大,單位面積骨所承受載荷的能力越大,韌性系數(shù)越大說明骨的韌性越好。本實(shí)驗(yàn)指標(biāo)表明,與模型組相比,高劑量組最大載荷減少,彈性載荷減少,彎曲能量減少,最大撓度增加；低劑量組各參數(shù)均無顯著性差異。提示高劑量組大鼠股骨微結(jié)構(gòu)破壞,骨強(qiáng)度下降；低劑量吡格列酮干預(yù)對(duì)糖尿病大鼠力學(xué)性能無顯著影響。與前述關(guān)于大鼠骨密度、骨形態(tài)學(xué)參數(shù)的變化一致[3,4]。

骨組織受外力作用后其載荷-變形曲線分為彈性變形階段和塑形變形階段,在彈性變形階段,變形隨載荷增加而呈線性增加,如去除外力,變形的骨組織可恢復(fù)到初始狀態(tài)。塑形變形階段,載荷與變形失去線性關(guān)系,骨組織結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生永久變形直至骨折。即使去除外力也不能恢復(fù)到初始狀態(tài)。兩者交界處為屈服點(diǎn),彈性彎曲應(yīng)力和最大彎曲應(yīng)力反映的是單位面積骨組織在彈性變形階段和塑形變形階段所承受的最大載荷,反映了骨組織抵抗外力變形和抗骨折的能力。與模型組相比,高劑量組股骨彎曲應(yīng)力減少,低劑量組無顯著性差異。提示高劑量組抗變形能力和大鼠股骨抗骨折能力減低。壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)定最大載荷直接反映松質(zhì)骨骨小梁的骨質(zhì)、結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和皮質(zhì)骨的強(qiáng)度、骨的橫截面積的大小等,是對(duì)骨質(zhì)量的綜合反映[11]。與模型組相比,高劑量組最大載荷減少,彈性載荷減少,提示高劑量組大鼠腰椎松質(zhì)骨量丟失。腰椎以松質(zhì)骨為主,受外力作用斷裂前的應(yīng)變量減小,易發(fā)生壓縮骨折。彈性模量是反映骨材料力學(xué)特性的重要參數(shù),與骨的微結(jié)構(gòu)和構(gòu)成成分密切相關(guān)。與模型組相比,高劑量組彈性模量減少,也提示其對(duì)于大鼠骨力學(xué)性質(zhì)的消極作用。綜合眾多測(cè)試指標(biāo)的結(jié)果可以看出,高劑量組與模型組相比,大鼠骨組織骨力學(xué)性能減低,骨質(zhì)量減低,抗壓性能減低。而低劑量組干預(yù)無明顯影響。與近期部分國(guó)外研究結(jié)果一致[12,13]。

總之,上述結(jié)果提示,吡格列酮可能減低骨量,減低骨力學(xué)性能,宜小劑量使用。骨的空間微結(jié)構(gòu)破壞如骨小梁變細(xì),斷裂和骨構(gòu)成成分變化如骨鹽丟失,骨膠原性能下降都是導(dǎo)致骨力學(xué)性能下降的重要因素。在治療中,不僅要注意提高骨礦含量,而且要重視提高骨的力學(xué)性能。

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EffectsofpioglitazoneonbonebiomechanicalcharacteristicsinSTZ-induceddiabeticrats

DI Qian1,QIU Mingcai2,ZHANG Xin2,YANG Jing1

(1DepartmentofEndocrinology,FirstClinicalMedicalCollege,ShanxiMedicalUniversity,Taiyuan030001,China;2DepartmentofEndocrinology,GeneralHospitalofTianiinMedicalUniversity)

ObjectiveTo explore the effect of pioglitazone on bone biomechanical characteristics in streptozocin(STZ)-induced diabetic rats.MethodsThe diabetes mellitus(DM) rat models were established by intravenous injection of STZ(45 mg/kg) and then were randomly divided into low-dose group[4 mg/(kg·d)](n=10), high-dose group[20 mg/(kg·d)](n=10) and model group(n=8).Another 10 normal rats were chosen as control group. The rats in pioglitazone(PIO) groups were gavaged with PIO liquid every day for 16 weeks. Then the rats were killed, and the right femora were taken immediately for the three-point bending test and the lumbar vertebrae were taken for the compression test.ResultsCompared with control group, the femora maximal loading(ML), elastic loading(EL), maximal bending stress(MBS), bending energy(BE), coefficient of bending stiffness(CBS), modulus of bending elasticity(MBE), coefficient of bending ductility(CBD) all decreased(P<0.01),while break deflection(BD) increased(P<0.01), the lumbar vertebrae maximal loading(ML), elastic loading(EL), elastic stress(ES), maximal stress(MS), elastic modulus(EM), energy absorbability(EA) all decreased in the other groups(P<0.01). Compared with model group, all indexes showed no significant change in low-dose group, while the femora BD increased in high-dose group, but femora ML, EL, MBS, BE, and lumar vertebrae ML,EL,ES,EM,EA all decreased(P<0.01).ConclusionThe low-dose PIO may have no effect on bone biomechanics in diabetic rats, while high-dose PIO may reduce the biomechanics and decrease the bone quality.

pioglitazone; streptozocin; diabetes; bone biomechanics

R587.1

A

1007-6611(2017)09-0926-04

10.13753/j.issn.1007-6611.2017.09.013

邸倩,女,1975-08生,博士,副主任醫(yī)師,E-mail:diqian2008@126.com

2017-04-24