分段低強度跑步與持續(xù)中強度跑步對糖尿病性骨質(zhì)疏松大鼠骨密度、胰島素抵抗的影響研究

李秀煥 李國泰

1.重慶三峽醫(yī)藥高等專科學(xué)校公共基礎(chǔ)部體育教學(xué)部，重慶 萬州 404020 2.重慶大學(xué)體育學(xué)院，重慶 400044

糖尿病(diabetes mellitus，DM)患者很多需要終身服用降血糖藥物或者胰島素。DM能引發(fā)諸多并發(fā)癥[1]，其中糖尿病性骨質(zhì)疏松(diabetic osteoporosis，DOP)較為常見，通常表現(xiàn)為骨密度(bone mineral density，BMD)降低、骨脆性增加，易發(fā)生骨折[2]。通過運動手段改善2型糖尿病(diabetes mellitus type 2，T2DM)患者胰島素抵抗和增加骨量的效果已經(jīng)得到眾多研究的證實[3]。但許多能有效改善T2DM的患者癥狀的運動方式在臨床中較難執(zhí)行[4]。有氧跑步運動被認為是較為可行的治療T2DM的運動處方，中低強度、不間斷、持續(xù)時間較長是有氧運動處方的要點。在臨床執(zhí)行中經(jīng)常采用50 min完成5 km跑的方案[5]。但是該方案在執(zhí)行過程中患者的完成度和堅持度均較差。隨著APP計步功能的普及，萬步走也成為許多人的日常行走目標。生活態(tài)的日常運動實質(zhì)就是分段、多次、低強度、總量較大的有氧運動[6]。若在T2DM患者治療中以分段、多次、低強度、總量較大的有氧運動為運動處方，該方案完成和堅持狀況必定有所改善。但是分段、多次、低強度的有氧運動對T2DM患者胰島素敏感性和骨密度的影響效果如何，國內(nèi)尚無相關(guān)研究。本研究擬通過制造DOP模型大鼠，利用多次分段低強度跑步與單次長時間中強度跑步對DOP模型大鼠進行運動干預(yù)，探討以上兩種不同運動方式對DOP大鼠的胰島素敏感性、血糖、骨密度、骨代謝及骨生物力學(xué)性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1實驗動物：本研究使用清潔級健康雄性SD大鼠100只，體質(zhì)量190～220 g，購自成都中醫(yī)藥大學(xué)動物實驗中心，動物許可證編號：[SYXK(川)2014-049]。大鼠購回后，自由攝食取水，晝夜周期12 h。

1.1.2實驗設(shè)備與試劑:冷凍高速離心機(CTK150R，湘儀離心機儀器有限公司)；超低溫冰箱(DW-105W300，浙江捷盛制冷科技有限公司)；雙能X線骨密度分析儀(DTX-200，美國Osteometer MediTech醫(yī)療設(shè)備公司)；生物力學(xué)材料測試系統(tǒng)(Miniature -3DF，山東恒瑞金測試機有限公司)；全自動生化分析儀(SMT-100，北京普朗醫(yī)療科技有限公司)；8道實驗動物跑步機(DB030，北京智鼠多寶生物科技有限責(zé)任公司)；液相色譜儀(GC126 N，上海儀電分析儀器有限公司)；酶標儀(BS-1101，美國AWARENESS公司)；大鼠飼料、高脂大鼠飼料(江蘇協(xié)同生物科技有限公司)；血糖(plasma glucose，PG)試劑盒(M57-C人/大鼠，北京奧維亞生物技術(shù)有限公司)；胰島素(insulin，INS)檢測試劑盒(ELISA法，上海信裕生物科技有限公司)；脫氧膠原吡啶交聯(lián)(deoxypyridinoline，DPD)檢測試劑盒、血漿抗酒石酸鹽酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase, TRACP)檢測試劑盒(ELISA法，美國R&D Systems生物科技公司)；鈣含量檢測試劑盒(比色法，美國BioVision生物科技公司)；鏈脲佐菌素(streptozotocin，STZ，日本東京化成工業(yè)TCI株式會社);生理鹽水(重慶科瑞制藥集團有限公司)。

1.2 方法

1.2.1實驗設(shè)計：采用隨機對照動物實驗，對大鼠進行1周適應(yīng)飼養(yǎng)；第2～3周對大鼠進行飲食控制，每天喂食正常飼料5次；第4～10周開始對75只大鼠進行DOP模型構(gòu)建；第11周對DOP大鼠進行造模檢測，75只造模大鼠隨機被分為模型對照組(model control group，MC組，n=25)、長時間中強度跑步組(long-term medium-strength running group, LM組，n=25)、分段低強度跑步組(segmented low-intensity running group,SL組，n=25)，未進行建模的大鼠為正常對照組(normal control group，NC組，n=25)；第12周起對各組大鼠進行為期12周的運動干預(yù)；第25周進行大鼠各類樣本采集和BMD檢測、生物力學(xué)性能測量、胰島素抵抗檢測、糖脂代謝檢測。

1.2.2實驗分組方案、喂食習(xí)慣、模型構(gòu)建：①實驗運動方案：各組運動方案見表1；②喂食期控制：對大鼠每日喂食5次，時間為6點、10點、14點、18點、22點；③DOP模型構(gòu)建：造模大鼠每天食用5次高糖高脂飼料，連續(xù)3周，出現(xiàn)胰島素抵抗后采用STZ 60 mg/kg濃度為1%的溶液進行腹腔注射，正常飼養(yǎng)大鼠腹腔注射同等體積生理鹽水。注射72 h后測血糖，血糖≥16.7 mmol/L 視為2型糖尿病建模成功。建模成功的大鼠4周后測雙側(cè)股骨的骨密度，模型大鼠的股骨骨密度<正常大鼠平均股骨骨密度的2.5個標準差，判定 DOP建模成功。

表1 運動方案Table 1 The exercise plan

1.2.3檢測項目：①BMD測量：使用雙能X線骨密度儀的meiofauna模式將活體大鼠固定，利用X光頭掃描大鼠股骨遠端5次；②骨代謝測定：在運動干預(yù)結(jié)束后予大鼠禁食，置于代謝籠內(nèi)，收集24 h尿樣。運動干預(yù)結(jié)束48 h內(nèi)對大鼠靜脈采血3 mL，利用酶聯(lián)免疫分析法檢測大鼠血清骨鈣素(osteocalcin,OC)和尿液脫氧吡啶啉(deoxypyridinoline,DPD)，利用貝克曼全自動生化免疫分析儀檢測血鈣(calciumshotnmmdia,Ca)、血磷(phosphorus,P)和血清堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)濃度；③生物力學(xué)性能測量：利用萬能材料測試機進行三點彎曲試驗，將材料機兩側(cè)支架距離調(diào)為20 mm，股骨樣本置于支架上，利用材料測試機對股骨骨干遠端三分之一處進行三點彎曲試驗，材料機壓頭以4 mm/min的速度向大鼠股骨施加壓力,儀器測試過程中自動記錄不同時間點獲取結(jié)構(gòu)力學(xué)指標最大載荷、標彈性模量最大應(yīng)力等參數(shù)；④胰島素抵抗檢測：通過全自動生化分析儀測定大鼠空腹血糖濃度(fasting plasma glucose，F(xiàn)PG)、空腹胰島素水平 (fasting insulin，F(xiàn)INS)。運用穩(wěn)態(tài)模式評估法測定胰島素抵抗指數(shù)(homeostasis model assessment insulin resistance，HOMA-IR)及胰島素敏感指數(shù)(insulin sensitive index，HOMA-ISI)。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

運用SPSS 13.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。利用Student’sttest對大鼠FPG、FIN、HOMA-IR、BMD、BGP、ALP等測量結(jié)果進行比較，利用LSD檢驗組間參數(shù)指標的差異。P< 0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 實驗動物造模及數(shù)量分析

本研究中75只DOP模型大鼠全部造模成功并納入實驗數(shù)據(jù)，實驗過程中無實驗動物脫落。

2.2 各組大鼠體質(zhì)量結(jié)果比較

各組大鼠的初始體質(zhì)量比較，組間差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。造模后各組大鼠的體質(zhì)量比較，組間差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。干預(yù)結(jié)束后，NC組明顯高于 MC組、LM組、SL組，組間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；MC組大鼠體質(zhì)量高于SL組和LM組，但組間差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表2。

表2 各組大鼠體質(zhì)量變化(g)Table 2 Changes in the body mass of rats in each group (g)

2.3 各組大鼠糖代謝、胰島素敏感性結(jié)果比較

NC組大鼠FINS、FPG、HOMA-IR、ISI明顯低于MC組、LM組、SL組(P<0.05)；LM、SL組大鼠的FINS、FPG、HOMA-IR、ISI明顯低于MC組(P<0.05)；SL組大鼠的FINS、FPG、HOMA-IR、ISI明顯低于LM組(P<0.05)。見表3。

表3 大鼠胰島素抵抗和敏感性結(jié)果比較

2.4 各組大鼠脂代謝結(jié)果比較

NC組大鼠的TG、TC、LDL明顯低于MC、LM、SL組(P<0.05)；LM、SL組大鼠的TG、TC、LDL明顯低于MC組(P<0.05)；SL組大鼠的TG、TC、LDL明顯低于LM組(P<0.05)。NC組大鼠的HDL-C明顯高于MC、LM、SL組(P<0.05)；LM、SL組大鼠的HDL-C明顯高于MC組(P<0.05)；LM組的HDL-C高于SL組，但組間比較差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表4。

表4 大鼠脂代謝指標變化(mmol/L)Table 4 Changes in lipid metabolism index of rats(mmol/L)

2.5 各組大鼠骨密度結(jié)果比較

NC組大鼠BMD明顯高于MC、LM、SL組(P<0.05)；LM、SL組大鼠BMD明顯高于MC組(P<0.05)；LM組大鼠BMD高于SL組，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表5。

表5 股骨骨密度、骨生物力學(xué)性能結(jié)果比較Table 5 Comparison between BMD and bone biomechanical properties of the femur

2.6 各組大鼠骨生物力學(xué)性能結(jié)果比較

NC組大鼠的股骨最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷、彈性模量明顯高于MC、LM、SL組(P<0.05)；LM、SL組大鼠股骨最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷、彈性模量明顯高于MC組(P<0.05)；LM組雖高于SL組，但比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表5。

2.7 各組大鼠骨代謝結(jié)果比較

NC組大鼠的OC、ALP、DPD、Ca/Cre、P/Cre明顯低于MC、LM、SL組(P<0.05)；LM、SL組大鼠的OC、ALP、DPD、Ca /Cre、P/Cre明顯低于MC組(P<0.05)；LM組雖低于SL組，但比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。各組大鼠血清Ca和P濃度比較各組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表6。

表6 大鼠骨代謝指標結(jié)果比較Table 6 Comparison between bone metabolic markers of rats

3 討論

目前普遍認為T2DM 是導(dǎo)致OP的高危因素。運動對控制血糖和改善骨健康的效果已經(jīng)得到公認[8]。但是具體運動方案仍不成熟。運動處方的制定除考慮療效外，還應(yīng)考慮患者的身體狀況、生活習(xí)慣、完成難度以及持續(xù)的可能性[8]。利用強度較低的、與一般生活狀態(tài)接近的運動方式如分段低強度跑作為控制血糖和提高骨密度的方案，在臨床治療中具有較高的可操作性。T2DM的發(fā)生經(jīng)常與身體活動量不足有關(guān)[9]。本研究中的分段低強度跑被認為是靜坐生活態(tài)人群最易參與的運動，大部分人能夠完成并能堅持。持續(xù)中強度跑比分段低強度跑在時間花費和患者耐力素質(zhì)上都有更高的要求。但本研究發(fā)現(xiàn)，在控制血糖方面，分段低強度跑的效果明顯好于持續(xù)中強度跑。雖然兩種運動干預(yù)方式均能改善DOP大鼠的血糖和胰島素敏感性，但分段低強度跑大鼠的改善幅度比接受持續(xù)中強度跑的大鼠要高。這可能與運動量、運動時宜、運動次數(shù)相關(guān)。本研究中的兩種運動干預(yù)方式都屬于中低強度有氧運動，但可能DOP大鼠中強度跑的持續(xù)時間過長，導(dǎo)致患病、易疲勞，跑步中后期的有氧氧化系統(tǒng)供能不能滿足跑速，出現(xiàn)了無氧糖酵解供能，使血糖快速下降，產(chǎn)生負反饋，導(dǎo)致胰高血糖素水平升高，肝糖原分解進入血糖，影響了降糖效果。而分段低強度跑DOP大鼠，因運動強度低而且持續(xù)時間短，不會產(chǎn)生上述供能系統(tǒng)的變化，觸發(fā)胰高血糖素的分泌。在能耗方面，每日跑步5次，雖然單次運動量不大，但是單日運動量頗為可觀，能耗增加明顯，這方面從大鼠體重變化就可以驗證。運動耗能改變會導(dǎo)致細胞膜葡萄糖運載體4數(shù)量明顯增加，促進通路信號蛋白表達，使得骨骼肌、平滑肌對增加對葡萄糖攝取從而控制血糖[10]。也有研究[11]認為除上述機制外，中低強度有氧運動能不僅能夠增加能耗，還能增強機體抗氧化能力，降低炎性因子表達，促進胰腺分泌胰島素的能力。此外，運動時宜也是可能導(dǎo)致兩種運動方案效果差異的因素。本研究中分段低強度跑安排在每次喂食后20 min進行，大鼠進食后血糖上升，胰島素分泌增加，但由于DOP大鼠胰島功能受到破壞，胰島素濃度難以滿足降血糖的要求，血糖持續(xù)高位，導(dǎo)致胰島素繼續(xù)分泌，最終導(dǎo)致胰島素敏感性下降。在喂食后進行跑步可以消耗血糖，與胰島素協(xié)同作用，促進血糖恢復(fù)，從而減輕胰島負擔，使胰島素敏感性上升。本研究還發(fā)現(xiàn)分段低強度跑與持續(xù)中強度相比，在降低TC、TG、LDL-C方面也更具有優(yōu)勢。這可能也是由于持續(xù)中強度跑步的中后期，能量代謝變化所致。但持續(xù)中強度跑在促進HDL-C水平提升上優(yōu)于分段低強度跑， HDL-C能夠促進外周血管和冠狀動脈膽固醇清除，降低動脈硬化風(fēng)險，被認為是“冠心病保護因子”。有研究[12]顯示,HDL-C與運動強度呈正相關(guān)，中高強度運動能促進肝臟合成HDL-C。

DOP患者BMD下降主要是高血糖毒性和缺乏沖擊刺激兩方面導(dǎo)致的[13-14]。本研究發(fā)現(xiàn)分段低強度跑與持續(xù)中強度跑均能顯著增加DOP大鼠BMD，且變化幅度基本一致。在骨生物力學(xué)性能方面，持續(xù)中強度跑的DOP大鼠略優(yōu)于分段低強度跑大鼠。在骨代謝方面，分段低強度跑DOP大鼠的骨吸收標志物水平低于持續(xù)中強度跑的DOP大鼠。這說明可能兩種方式增加骨密度的主要途徑有所不同，持續(xù)中強度跑的DOP大鼠骨生物力學(xué)性能較好，反應(yīng)出其骨微結(jié)構(gòu)重建程度較高，可能與大鼠跑步速度較快有關(guān)。大鼠骨骼在運動中受到來自體內(nèi)和體外兩方應(yīng)力沖擊, 體內(nèi)沖擊負荷主要來自骨自重和肌肉收縮，體外沖擊負荷指的是地面對骨骼的沖擊[15-16]。應(yīng)力能夠促進骨的生長發(fā)育以及改變骨的形狀結(jié)構(gòu)。持續(xù)中強度跑與分段低強度跑相比，體內(nèi)外的沖擊負荷更高，對于骨結(jié)構(gòu)形態(tài)的再造作用也更強，所以持續(xù)中強度跑的DOP大鼠BMD改變主要來自體內(nèi)外沖擊對骨結(jié)構(gòu)形態(tài)的再造作用。而分段低強度跑由于其對血糖控制效果更好，導(dǎo)致通過尿液排出的鈣、磷、鎂離子減少[17]，腎小球腎小管的重吸收作用恢復(fù)，血液中鈣、磷、鎂離子濃度升高[18]，甲狀旁腺素水平恢復(fù)正常，骨骼中鈣、磷、鎂不再分解入血液，骨吸收作用得到抑制，骨吸收作用逐漸占據(jù)主要地位[19]。所以分段低強度跑DOP大鼠BMD改變主要源于血糖降低后，骨吸收作用受到抑制。

4 結(jié)論

綜上，分段低強度跑和持續(xù)中強度跑均有助于DOP大鼠控制血糖、緩解胰島素抵抗、改善胰島素敏感性、降低血脂，但分段低強度跑較持續(xù)中強度跑改善效果更明顯。同時，分段低強度跑和持續(xù)中強度跑均能顯著增加DOP大鼠的BMD、降低骨吸收、改善其股骨骨生物力學(xué)性能。鑒于此，臨床治療中對DOP患者制定運動輔助治療方案時，應(yīng)將分段低強度跑等易于完成和堅持的運動方案列為優(yōu)先選擇。