運動結合藥物對大鼠骨骼密度影響的研究

張健 卜淑敏 魏兆松

關鍵詞： 運動醫學；骨骼密度；骨質疏松

中圖分類號： G 804.5 文章編號：1009783X（2012）03027406 文獻標志碼： A

收稿日期：20110509

基金項目：國家自然科學基金（30771046）。

作者簡介：張健（1963—），男，北京人，碩士，副教授，研究方向為運動生物力學；卜淑敏（1967—），女，山西人，博士，教授，研究方向為運動生理學；魏兆松（1981—），男，安徽人，碩士，講師，研究方向為運動生物力學。

作者單位：首都體育學院，北京 100191

Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100191，China.隨著人口的老齡化，骨質疏松癥不僅是一個醫療問題，也是一個社會問題，是常見的骨代謝性疾病，是一種危害中老年人群常見的疾病，在世界多發病中位居第6位，對該類疾病的研究及治療在影響人類生存質量的因素中，已經占有了越來越重要的地位。骨密度是診斷骨質疏松的重要標準，受很多因素的影響。為探求骨密度對骨質疏松癥的影響，本文采用去卵巢大鼠模型，通過觀察各組大鼠的體重、脛骨體重指數、脛骨長度、股骨和第4腰椎的骨密度的變化情況，得出運動和雌激素對骨質疏松預防和治療的作用。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

60只雌性健康3月齡SD大鼠，體重（220±20）g，身體情況正常。由北京維通利華實驗動物中心提供，飼養于北京大學醫學部實驗動物學部，嚙齒類動物飼料喂養，自由飲食、飲水，動物室溫度22～25 ℃，相對濕度50%～55%。

1.2 方法

1.3 實驗指標的測定

在取材的前2 d開始制備取材的設備和儀器并注意制備充足的材料，開始斷食。在取材的當日5時從動物實驗學部用專門的鼠籠把動物帶到首都體育學院重點實驗室進行取材。

1.3.1 體重

在平時要注意觀察大鼠的精神狀況和運動能力的變化，并注意各組的飲食量。在取材時要準確地測量出每只大鼠的體重。

1.3.2 股骨和腰椎骨標本的制備

大鼠飼養到期時，要提前2 d斷食物，但正常飲水。麻醉后測量體重，股動脈放血處死。注意勿損傷骨質去除附著的肌肉和結締組織將兩側股骨、脛骨和腰椎骨摘出，將摘出的骨骼用pbs生理鹽水浸透的紗布包裹，裝入密閉試劑盒中，放置于-20℃冰箱內，測試時將其于室溫下自然解凍[12]。

1.3.3 脛骨干重和長度的測定

用水合氯醛麻醉并用電子天平（JA5002）稱量出大鼠的體重。對所有的大鼠進行股動脈放血處死并取下大鼠的后下肢左、右脛骨。把脛骨按編號放置在60℃的實驗室烤箱（型號 XU027200）烘烤 12 h后取出。用電子分析天平（型號 FA1004A）稱量所有脛骨的質量。再用游標卡尺（精確度為0.02 mm）測出大鼠脛骨的長度（測量時，采用游標卡尺卡緊骨的兩端結構，并且骨兩端的距離是最短（要求骨的縱徑與游標卡尺主尺面平行）。計算出左、右脛骨質量的平均值和大鼠體重的質量指數（脛骨和體重的質量指數=一側脛骨的質量/大鼠體重）。

1.3.4 股骨和腰椎骨的骨密度的測定

1.4 實驗數據的處理和統計

所有指標均以平均值±標準差表示，數理統計采用統計軟件SPSS 12.0進行單因素方差分析，組間相互比較采用LDS法，對F值明顯的指標，用t檢驗對各組均值進行多重比較。

2 結果與分析

3 實驗結果與討論

去勢大鼠作為骨質疏松模型也已經是一門成熟的技術。大鼠在3月齡時性腺與內分泌系統才完全發育成熟，肌肉骨骼系統基本定型，故以3月齡青春期大鼠為研究的起始年齡；但此時大鼠的骨骼仍然在生長，至7月齡時，皮質骨才發育成熟達到骨峰值，故3～8月齡為復制成年大鼠疏松模型的合適年齡，7～8月為最佳年齡；但采用 7、8 月齡大鼠耗資較大，故在設立對照組的前提下，用3～4月齡的大鼠仍是可行的[3]。通過以上所有的實驗數據分析，可以看出本次實驗的造模是成功的，得到手術靜止組的大鼠的體重和骨密度與假手術組、手術干預組有高度顯著性差異（P<0.01），即手術靜止組的大鼠，由于缺少雌激素和運動發生了骨質疏松癥[46]。

3.1 脛骨指標數據的比較分析及討論

骨長軸方向的成長依靠軟骨內骨化過程，骸軟骨細胞不斷增生和不斷骨化（軟骨變成骨的過程），使骨長度不斷增加[7]。比較手術靜止組與假手術靜止組，可以看出SD雌性大鼠的脛骨由于在去勢手術的環境下生長而導致其脛骨長度的增長不明顯（P<0.05），之所以出現這種現象是去勢造成的雌性大鼠的雌激素的減少出現的以骨礦物質的減少，骨骼微細組織構造退行性衰退，骨骼脆性增加，而導致大鼠機體的自身防御性的保護，減少運動量等。運動能有效地改善去勢導致的長骨長度增長的劣勢。張兆賢等用測定骨大小和骨量的方法，觀察運動對去卵巢大鼠骨大小和骨量的影響。結果發現對去卵巢大鼠進行中等強度的運動訓練后，骨直徑和骨體積均較去卵巢組增加，說明運動對去卵巢大鼠骨大小和骨量的降低有改善作用[8]。章曉霜等[910]的研究表明，中等強度運動通過主要抑制去卵巢后骨吸收和骨形成，但抑制骨吸收的作用更明顯，且增加了骨礦的沉積作用，最終使骨形成大于骨吸收，可減少去卵巢大鼠脛骨骨丟失，這種作用直接表現在骨形態和骨的長度參數上。相對運動干預的方法，藥物對提高脛骨長度的效果不顯著性，盡管有改善的趨勢。可以從假手術靜止與假手術運動組可以看出運動在提高脛骨長度指標上是有一定的效果的，這已經成為人們的共識，即使在人類的實驗中也發生了該效果。根據Wolff定律：骨功能的每一互變，都有與數學法則一致的確定的內部結構和外部形態的變化，適宜的運動可以改善去勢大鼠脛骨的長度的劣勢。鮑麗穎等[11]研究發現，運動中下肢骨承重及受力大小與其縱向生長有關。手術后的給藥也能治療去勢導致的長骨縱向生長的異常，但不如運動組的作用積極。雌激素是調節鈣擦狀謝的主要因素之一，因而極大地影響著骨代謝和骨重建過程。以往研究證實雌激素可通過降低破骨細胞活性抑制骨吸收[12]。給予雌激素的作用效果不如運動明顯，是因為雌激素對機體的刺激相比運動而言比較單一，該結果與Peng等[13]的研究結果一致。脛骨和體重的質量指數比單純地比較脛骨或體重質量要全面。因為單純的比較體重不能考慮到人為干預對骨質量的影響，單純的比較骨骼的質量，也忽視了對體重指標的影響，缺少了一項指數比較。本實驗各組的脛骨與體重的質量指數和模型組都有顯著的區別。手術運動組與手術靜止組比較有顯著的區別，是運動不僅有助體重的減小，還有增加骨礦鹽的沉積作用，使骨骼的無機礦物質流失減少，骨骼有機質的膠原纖維網格更加致密，骨骼變得更加粗壯，骨密度相對手術靜止組的高的結果。從脛骨長度和質量指數指標的比較中，可以看出手術給藥加運動組與正常運動組、假手術運動組間無差異；但是與手術給藥組、手術運動組間均有差異或具有差異趨勢。這說明單純的藥物或運動干預確實不如藥物加運動的效果更加顯著，藥物和運動起到協同的作用。

3.2 骨密度指標分析及討論

骨密度（BMD）是機體某一部位骨組織中單位骨面積內所含的礦物質量，是影響骨強度的一個重要因素，是評價骨強度的一個最方便、最常用的指標，并且BMD的高低也被作為診斷骨質疏松的一項主要標準。BMD受到諸多因素的影響，如遺傳背景、性別、年齡、激素、營養和運動因素等。宋冰，張兆強研究顯示，切除大鼠雙側卵巢后，骨礦物元素Ca、S、Mg、Zn、Co、Mn等含量顯著降低（P<0.01）；骨P含量升高（P<0.01），出現骨元素代謝的紊亂，說明運動和半量CCE3聯合應用后，去卵巢大鼠的骨元素代謝紊亂得到了糾正，并且基本恢復到對照組水平。可見，運動對CCE3抗去卵巢大鼠骨元素代謝紊亂的效應有加強作用。臨床上用CCE3治療骨質疏松癥時，可考慮聯合應用適量運動，既能保證臨床療效，又能降低其用量，以減輕其副作用[14]。大量的科學研究結果都表明：適度的體育運動和激素能夠改善和維持骨結構，增加骨量，提高BMD。隨著運動施加于骨的載荷增加，其應變量增大達到或超過某一限度時便可以啟動塑建過程，從而使應變增大部位的骨量增加，構筑方式和結構形態將發生改變，以適應承載的需要。雌激素替代療法（ERT）是歐美國家常用的治療方法，雌激素通過抑制骨吸收、促進骨形成使骨轉換降低，骨量丟失減少[15]。本實驗中采用的17B泊貧醇針對去勢大鼠的干預治療后大鼠的骨密度值增大，證明在治療和預防骨質疏松方面有效果。

雌激素具有下調骨重建閾值的作用[16]，當雌激素減少時骨重建閾值提高，因此，原先使骨骼進行保留型骨重建的應變只能進行廢用型骨重建了。絕經后雌激素減少，通過運動可以增加骨骼載荷以增加骨骼的應變，使之達到骨重建閾值而進行保留型骨重建，減少絕經后骨量的丟失[17]。體育運動影響骨的力學特性。影響骨的力學特性的因素包括骨的幾何形態（體積、橫斷面、管壁厚度等）、骨礦密度（與骨組織的孔隙率呈反比）、骨質的質量（原有骨質和新形成骨質之比、礦化度、骨膠原成分和含量、骨膠原和骨礦的排列方向，以及骨基質中和骨單位周圍存在的細微骨折數量等。骨骼所受的外力，即使骨產生形變的外源性機械力可概括為內源性肌肉收縮力與外源性反作用力。這些力對骨生長發育的調控主要通過調節軟骨內生長與骨化、關節軟骨的發育，以及軟骨周緣/骨膜的骨化和軟骨內成骨[18]。機械力學信號可轉化成促進成骨的生化信號。力學信號激活骨細胞網絡通路而成骨，尤其在達到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形態結構[19]。跑步運動時骨骼肌的頻繁收縮，大量增加肌肉的血液供應，進而增加骨皮質血流量，改善骨組織血液供應，促進鈣的吸收，保存骨量。陳柏齡等的研究顯示：雌激素和運動均可顯著提高骨密度及生物力學性能；但與雌激素相比，運動在防治Ⅰ型骨質疏松的作用中具有如下優點：1） 更強的促進骨形成的能力；2）調節骨重建的部位和方向，使骨的顯微結構適應其生物力學功能；3）提高骨的硬度，增強骨抵抗變形的能力[20]。李梅、李爽等人研究顯示：運動和雌激素均能明顯提高去卵巢大鼠脛骨的BMD，但在維持去卵巢大鼠BMD方面，運動的功效作用優于雌激素。這可能是因為運動不僅能對骨骼系統提供有效的力學刺激，而且可以改善機體神經材詵置詮δ埽明顯提高絕經后婦女的內源性雌二醇水平，能夠有效緩解絕經后各種低雌激素癥狀從而達到良好的維持或改善骨健康的功效[21]。

本實驗手術運動組大鼠的骨密度相對手術靜止組有高度顯著性差異，就是運動給予骨骼機械力的作用而引起的，通過上述研究分析可以明確為什么運動組大骨密度增高。同樣孫穎等[2224]的研究發現，低、中強度的跑臺運動訓練可以延緩股骨骨量的丟失，高強度運動并不能產生這種效果。王怡婧，張焱等人研究發現中等強度跑臺運動和E2單獨或聯合作用均能顯著增加去卵巢大鼠肝組織勻漿NO含量，二者是通過上調肝臟 eNOS 蛋白表達而發揮作用[25]；因此，大部分研究認為，中等強度的承重性練習更有利于延緩骨量的丟失。張林等人的研究顯示：去卵巢后大鼠表現為高轉換型骨代謝特征，雌激素下降，甲狀旁腺激素分泌加強，促進骨吸收，從而骨鈣流失；因此，血鈣含量上升，而運動可使血鈣流入并沉積在骨中，主要原因推測為：1）運動能促進血液循環，利于血鈣向骨內輸送和破骨細胞向成骨細胞轉變，促進骨鈣化，增加骨密度。2）運動負荷的機械應力可促進骨細胞的增殖，加強其活性，使骨的礦化過程加強，使血中的鈣以鈣鹽的形式沉積在骨中，從而使骨量增加。

運動結合藥物對由于去勢而導致的骨礦物質丟失有預防和治療的作用，已經成為人們的共識。很多動物實驗都已經證明：適度運動結合雌激素對由于老年化而導致的骨質疏松有協同的效果。本實驗的手術給藥加運動組與手術給藥和手術運動組大鼠間有顯著性差異也證明在該實驗條件下，對去勢大鼠的骨骼礦物質的丟失是有效果的。

4 結論

3）本實驗的不足之處，假手術運動與靜止組別在一些數據指標上沒有顯著性的差異；可能是該運動量對健康大鼠的影響程度不高，沒有去勢大鼠改善效果明顯的緣故。

實驗的結果提示我們在預防和治療由于老年化引起的骨質疏松，單純的藥物與運動干預，不如兩者共同協同作用效果顯著，并且在實際的對待人類而言，很重要的一點是必須控制好藥物量及運動的強度和量度，還要安排好干預的時間和頻率。

參考文獻：

[1] 崔偉，劉成林.基礎骨生物力學[J].中國骨質疏松雜志，1997，3（4）：8285.

[2] 孫濤.基于DR骨密度分析系統的研究[D].南京：南京醫科大學，2010.

[3] 李青南，吳鐵.骨質疏松實驗動物研究[M].成都：四川大學出版社.2001：157，201.

[4] 吳秀明，戴建偉.APACHE Ⅲ危重疾病評分系統在ICU中的應用價值[J].中國基層醫藥，2005，5（5）：522.

[5] 謝華，李清南.康力龍、潑尼松對大鼠骨組織形態學的影響[J].解剖學研究，2000，22（1）：2527.

[6] 劉本偉.不同運動方式對去卵巢大鼠骨密度、生物力學及代謝指標的影響[D].上海：華東師范大學，2007.

[7] 菲利普.J.拉希.運動學和應用解剖學[M].胡績，等，譯.北京：人民體育出版社，1985.

[8] 張兆賢，張兆強.運動對去卵巢大鼠骨大小和骨量的影響[J].微量元素與健康研究，2009，26（5）：78.

[9] 章曉霜，李紅，文質君.不同強度運動和雌激素聯合作用對去卵巢大鼠骨骼影響的骨形態計量學研究[J].體育科學，2006，26（8）：4852.

[10] 章曉霜，許豪文，趙衛東.不同強度運動和雌激素聯合作用對去卵巢大鼠骨骼生物力學性能的影響[J].中國運動醫學雜志，2006，25（2）：187191.

[11] 鮑麗穎，王佩云.不同形式的運動對生長期大鼠下肢骨縱向生長的影響[J].天津體育學院學報，2003，11（3）：6365.

[12] Oursler M J，Osdoby P，Pyfferoen J，et al.Avian osteoclasts as estrogen target cells[J].Proc Natl Acad Sci USA，1991，88：66136617.

[13] Peng Z Q，Vaananen H K，Tuukkanen J.Ovariectomy瞚nduced bone loss can be affected by different intensities of treadmill running exercise in rats[J].Calcif Tissue Int，1997，60（5）：441448.

[14] 宋冰，張兆強.運動加強尼爾雌醇對去卵巢大鼠骨元素代謝的影響效應[J].微量元素與健康研究，2009，26（4）：13.

[15] Wronski T J，Y en C F，Dann Q H，et al Parathyroid hormone is more effective than estrogen of bisphosphonates for restoration of lost bone mass in ovariectomized rats[J].Endocrinology，1993，132：832831.

[16] Harold M，Frost.Does Bone Design Intend to Minimize Fatigue Failures：A Case for the Affirmative[J].J Bone Miner Metab，2000，18：278282.

[17] Harold M，Frost.The Utah Paradigm of Skeletal Physiology：an Overview of Its Insight for bone，Cartilage，Collagenious Tissue Organs[J].J Bone Miner Metab，2000，18：305316.

[18] Henderson J H，Carter D R.Mechanical induction in limb morphogenesis：the role of growth瞘enerated strains and pressures[J].Bone，2002，18（6）：645653.

[19] Kontulainen S，Sievanen H，Kannus P，et al.Effect of long term impactloading on mass，size，and estimated strength of humerus and radius of female racquet瞫ports players：a peripheral quantitative computed tomography study between young and old starters and controls[J].J Bone Miner Res，2002，17（12）：2281228.

[20] 陳柏齡，黎藝強.運動與雌激素對去卵巢大鼠股骨骨密度及生物力學性能的影響[J].中國運動醫學雜志，2009，28（6）：609704.

[21] 李梅，李爽.運動對去卵巢大鼠骨礦含量和骨密度的影響[J].保健醫學研究與實踐，2009，6（1）：46.

[22] 孫穎.不同強度運動對骨質疏松模型大鼠骨代謝的影響[D].北京：北京體育大學，2001.

[23] 趙劍.有氧運動對2型糖尿病大鼠骨密度和骨生物力學指標的影響[D].上海：上海體育學院，2010.

[24] 董苗淼.運動配合左歸丸對去卵巢大鼠骨生物力學及相關激素的影響[D].上海：上海體育學院，2010.

[25] 卜淑敏，王怡婧.中等強度跑臺運動和雌激素對去卵巢大鼠肝臟 NO 含量及eNOS 和 iNOS 表達的影響[J].中國運動醫學雜志，2010，29（1）：45.

[26] 宋亞琪.降鈣素對卵巢切除大鼠股骨骨折愈合作用的實驗研究[D].唐山：華北煤炭醫學院，2010.

[27] 劉應芬.流體剪應力對去卵巢骨質疏松大鼠破骨細胞骨吸收功能的影響[D].成都：四川大學，2008.

2.2 各組大鼠左、右側脛骨長度和相對重量的比較

2.3 各組大鼠股骨骨密度比較