運動對去勢大鼠椎體生物力學性能影響的實驗

劉建宇　劉黎明

摘要：為了觀察運動對去勢大鼠椎體生物力學性能的影響，并探討其機理，選擇體重（240±20）g的雌性大鼠如將3月齡雌性SD大鼠96只，體重（240±20）g，按體重隨機分成假手術組(Sham組) 、模型組(Model組)、己烯雌酚組(DES組)和運動組(EX組)，每組24只。假手術組僅切除卵巢附近一團脂肪，其余組均切除雙側卵巢。術后按不同要求灌胃給藥或運動，按批次分別于8周、12周和16周后處死大鼠，每次每組8只，對各組大鼠第3腰椎行生物力學性能檢測，統計分析各組數據。結果表明：運動組能明顯提高去勢大鼠椎體的生物力學性能，且隨干預時間延長效果明顯。結論：合理的運動能減少去卵巢大鼠骨質丟失，減緩骨質量的降低速度，防治骨質疏松癥。

關鍵詞： 運動生物力學；骨質疏松癥；干預時間

中圖分類號： G 804.6 文章編號：1009783X(2012)03028405 文獻標志碼： A

收稿日期：20100722

作者簡介：劉建宇(1978—)，男，湖南岳陽人，碩士，講師，研究方向為運動醫學；劉黎明1955—)，男，重慶人，教授，研究方向為體育教育。

作者單位：重慶三峽學院體育學院，重慶 404000

School of Physical Education,Chongqing Three Gorges University,Chongqing 404000,China.絕經后骨質疏松癥是一種臨床上常見的難治性疾病，目前，藥物治療由于價格較昂貴,治療周期長而副作用多,使用有一定限制[1]。探索安全、方便、經濟的治療方式一直是醫學界的一大課題，選用非藥物手段預防或延緩骨質丟失越來越受到重視。本實驗通過運動干預的方法，觀察運動去勢大鼠骨質疏松癥椎體生物力學性能的影響，驗證運動防治原發性骨質疏松癥的療效，并進一步探討其機理。

1 材料與方法

1.1 實驗藥物

己烯雌酚片：上海信誼藥業有限公司生產，批號：030401。

1.2 實驗動物

四川大學實驗動物中心提供，共96只3月齡，體重（240±20）g的雌性SD大鼠。

1.3 造模方法

將96只大鼠按體重隨機分為A、B 2組，其中A組24只為假手術組（Sham組），B組72只為造模組。各組大鼠均以1%的硫賁妥鈉溶液按2.4 mL/kg腹腔注射麻醉。B組大鼠切除雙側卵巢，A組大鼠僅切除卵巢附近一小部分脂肪。術后均給予0.5%碘伏傷口外擦，肌肉注射青霉素鈉25萬單位/（只/d），連用3 d，以防感染。

1.4 分組

術后1周，將B組72只大鼠按體重隨機分為模型組(Model組)、己烯雌酚組(DES組)和運動組(EX組)，每組24只。所有大鼠自由進食、飲水，進食標準飼料由四川大學實驗動物中心提供。

1.5 干預措施

己烯雌酚組大鼠每日1次灌胃，按22.5 μg/（kgd）的量給藥，質量濃度為2.25 μg/mL，其余各組按體重灌服等量生理鹽水。假手術組和模型組僅灌服生理鹽水。運動組運動方式參照Bedford[2]的動物負荷標準，運動組大鼠術后第7日起在小動物跑臺上開始訓練，采取中等強度，即大鼠起始跑速12 m/min，持續時間20 min，隔日增加強度3 m/min，持續時間增加10 min，第2周起跑速達20 m/min，持續60 min將跑臺傾斜10°，維持此強度，5 d/w，每天運動分早晚2次。休息日各組照常灌藥(水)。

1.6 樣品收集及處理

采用不同方式干預各組大鼠后，分別于第8周末、12周末和16周末應用股動脈放血方法隨機處死每組大鼠8只，完整取出各組大鼠L3椎體。剪除椎體上下椎間盤、棘突及附件，并用細砂紙打磨成上下平面平行且與縱軸垂直的三棱柱，高度約為60 mm。各標本在制取過程中均用生理鹽水紗布包裹。將處理過的骨標本置于-20℃冰箱保存，測試前夜取出解凍。

1.7 觀察指標

椎體生物力學測試：椎體壓縮試驗，將椎體置于Instron萬能材料試驗機(四川大學高分子材料國家重點實驗室提供，美國Instron Co.生產)上，取加載速度1 mm/min進行測試，記錄其載荷脖湫吻線與應力燦Ρ淝線；椎體結構力學參數由載荷脖湫吻線獲得，材料力學參數由應力燦Ρ淝線獲得。

1.8 數據處理

2 實驗結果

2.1 第8周各組生物力學參數

2.1.1 第8周各組椎體結構力學參數

2.1.2 第8周各組椎體材料力學參數

3 討論

應用骨量、骨礦密度及骨質含量（骨礦物質和有機質）的變化來診斷骨質疏松癥、評價藥物療效曾被大量采用，并得到了較廣泛的公認；但這些指標僅是從“量”的角度描述了骨質的丟失，還不能準確反映骨內在性能的變化，必然存在一定偏差[34]。骨質量則是從“質”的角度對骨骼性能進行描述，它是骨的成分、構筑狀態及細微結構的綜合性概括[56]；因此，對骨質疏松性癥防治和機理研究，必須更加重視骨質疏松骨生物力學變化的影響，本實驗即選用骨生物力學性能，如此評價防治骨質疏松癥效果更準確，更有說服力。

3.1 雌激素改善椎體生物力學性能的效果

雌激素替代療法是臨床上防治絕經后骨質疏松的主要方法之一，雌激素可抑制骨質疏松的骨轉換率[7]，本實驗中，各時間段己烯雌酚組大鼠生物力學性能較模型組均有顯著變化(P<0.05或P<0.01)，與假手術組差別無統計學意義(P>0.05)，說明雌激素能顯著改善去卵巢大鼠椎體生物力學性能。楊國敏[8]報道單純應用雌激素進行替代治療雖可使去卵巢后大鼠骨生物力學性能有所改善，但骨脆性較高,而且應用雌激素治療大鼠副作用較多。本實驗中，觀察到應用雌激素的大鼠體型肥胖、毛發光澤度低、飲食差、易激惹等類似絕經期及絕經后婦女某些癥狀。一般認為應用雌激素后乳腺癌、子宮瘤等并發癥風險亦可能增加。

3.2 運動改善椎體生物力學性能及防治骨質疏松癥的效果

運動作為預防骨質疏松的一種手段，在實驗及臨床研究中已經越來越受到一些學者重視。大量研究證明中等強度的運動有利于骨量、骨強度及骨生物力學性能的提高[811]。本實驗結果表明，與假手術組相比，各時間段模型組大鼠椎體結構力學參數明顯變化(P<0.05或P<0.01)，說明大鼠去除卵巢后，椎體承受外力的強度降低，導致骨折所需的應力減小，臨床上則表現為骨骼承受外力的能力降低，易于造成骨折；與模型組相比，各時間段運動組的結構力學參數和材料力學參數標均明顯增高（P<0.05），與己烯雌酚組相比，運動組無明顯變化(P>0.05)，說明應用運動防治骨質疏松癥有明顯效果，和傳統雌激素療效相當。骨骼對運動的生物力學適應性本質上是骨骼系統對機械力信號(應力)的應變。適合的運動負荷及強度會誘導骨量增加和骨的結構改善；應變過大則造成骨組織微損傷和出現疲勞性骨折,應變過小或出現廢用則導致骨質流失過快，即wolff定理[12]。運動對長骨生物力學性能改善的相關報道較多，一般認為運動中應力沿下肢骨向上傳遞，直接對下肢骨產生力學刺激從而改善其生物力學性能，而大鼠跑步運動中四肢著地，故應力對椎體骨的影響較股骨小[13-15]。本實驗結果表明，運動能改善去勢大鼠椎體骨生物力學性能，這可能與實驗采用的運動干預跑臺具有一定坡度（較常用的Bedford動物負荷標準的5°加大到10°），使大鼠在運動中承受上下方向的應力加大，而且大鼠在上坡跑動中，腰部必須作一定程度的彎曲、伸展，這樣進一步加大了腰椎的應力刺激。這與步斌[16]報道的游泳運動改善去勢大鼠腰椎生物力學性能有一定相似性。魏兆松等[17]報道用跑步運動干預去勢大鼠，與模型組相比，大鼠腰椎多項生物力學指標明顯改善，但跑步運動對大鼠股骨生物力學指標影響較腰椎更大。骨質疏松程度與骨表面積呈正比，松質骨（如椎體）骨表面積較密質骨（如股骨）大，故臨床上骨質疏松的發生往往開始于脊柱，且椎體的骨質疏松程度較股骨重。運用運動方法治療骨質疏松癥得到認可，劉開淵[18]報道分別應用鈣爾奇 D和運動干預老年女性，治療后2組患者的 L1～4 骨密度均有顯著上升，其中運動療法組骨密度的上升更為明顯，骨痛癥狀明顯緩解，運動療法組的顯效率高于鈣爾奇 D組，其骨折發生率低于鈣爾奇 D組。臨床上可在實踐中運用四肢攀爬登階梯訓練防治下腰部疼痛和椎骨骨質疏松。亦有學者認為運動療法和其他療法聯合運用效果更佳，陳立峰[19]和江大雷[20]報道中藥與運動聯合應用防治去勢大鼠骨質疏松癥方面具有協同作用。

3.3 運動時長對改善椎體生物力學性能的影響

目前，運動時間長短對改善骨質疏松骨生物力學性能的相關報道未查閱到。本實驗結果中，隨著運動干預時間的延長，運動組多數參數數值上逐漸接近己烯雌酚組，有些參數甚至數值上超過，如破斷載荷和破斷強度，可部分說明隨著運動干預時間的延長，運動對大鼠椎體生物力學性能的影響不斷明顯，逐漸接近，甚至超過雌激素干預的影響。分析表7和表8可以得出，從第8周到第12周，大鼠椎體結構力學參數和材料力學參數多數數值上有下降趨勢，但第16周相比第12周，部分參數數值出現逆轉，甚至高于第8周，說明隨著時間的延長，去卵巢大鼠椎體的生物力學性能逐漸降低，但隨著運動干預時間的延長，大鼠椎體生物力學性能逐漸增強。雖然并無統計學意義，但已經表現出運動對大鼠椎體生物力學性能與時間呈相關關系的趨勢，這也為進一步研究運動干預時間的確定提供了方向。

4 結論

1)合理的運動干預能有效抑制去卵巢大鼠椎體生物力學性能下降，減少骨質丟失，減緩骨質量的降低速度。

2)隨運動防治骨質疏松癥干預時間延長，效果提升，實驗結果雖無統計學意義；但明顯呈現改善趨勢，可能與時長不夠有關，有待進一步研究。

3)運動是防治骨質疏松癥非藥物療法的重要手段，優勢明顯，可作為臨床防治骨質疏松癥的選擇。

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