不同運動訓練方式對老年骨質疏松模型小鼠骨生物力學的影響

林峻先

(中國藥科大學體育部，江蘇 南京 211198)

不同運動訓練方式對老年骨質疏松模型小鼠骨生物力學的影響

林峻先

(中國藥科大學體育部，江蘇 南京 211198)

目的 探討跑臺運動、游泳等不同運動訓練方式對老年性骨質疏松小鼠骨生物力學的影響。方法 取小鼠66只，根據不同運動訓練方式將小鼠分為游泳組、跑臺組及對照組，每組22只。采用切除雙側卵巢方法建立老年性骨質疏松模型。游泳組前3 d每次訓練30 min，后4 d每次訓練40 min，水深40 cm。跑臺組持續性水平運動，前3 d每次30 min，跑臺速度0.8 m/s；后4 d跑40 min，跑臺速度1.0 m/s，共訓練4 w。對照組不進行運動干預自然恢復。采用骨密度儀及電子萬能試驗機測定小鼠骨密度(BMD)及右側股骨、腰椎骨生物力學指標。結果 跑臺組、游泳組及對照組在1 w、2 w體重差異無統計學意義(P>0.05)；跑臺組小鼠在3 w、4 w體重顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)。②跑臺組小鼠鈣、磷水平顯著低于游泳組和對照組(P<0.05)，堿性磷酸酶(AKP)、抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)水平顯著高于游泳組(P<0.05)；游泳組鈣、AKP、STR-ACP水平顯著低于對照組(P<0.05)，磷顯著高于對照組(P<0.05)。③跑臺組右側股骨與腰椎骨BMD水平顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)，游泳組右側股骨與腰椎骨BMD水平顯著高于對照組(P<0.05)。④跑臺組小鼠骨生物力學指標顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)。游泳組小鼠骨生物力學指標顯著高于對照組(P<0.05)。結論 運動訓練對老年性骨質疏松小鼠生物力學性能有一定的改善，游泳、跑臺運動對骨質疏松小鼠有預防和緩解作用，可以維持并提高小鼠BMD，且生物力學顯示跑臺運動訓練更加適宜。

骨質疏松；運動訓練；骨密度；骨生物力學

骨質疏松(OP)屬于全身代謝性疾病，發病后以骨量減少、骨組織結構損傷等為主，導致骨變脆，增加骨折發生率〔1〕。重力在人體骨骼系統正常生長、功能維持等方面發揮了重要的作用，長期脫負荷也會容易引起肢體的失用性OP〔2〕。合理的體育運動能改善骨代謝、提高骨密度(BMD)，預防骨丟失。也有文獻報道顯示〔3〕，運動能促進骨量積累。青少年中長期參加體育鍛煉者骨骼長、粗壯，顯著高于參加體育運動較少者。人體中骨骼的質量、形狀等不僅取決于基因，其功能、結構等在一定程度還依賴于所處的力學環境，當力學環境發生變化時，骨的形狀及骨內部結構等均會出現相應的調整，以最佳狀態適應力學環境需要〔4〕。動物研究〔5〕表明：適宜負荷的游泳訓練能促進老年小鼠的礦化、改善骨代謝，促進骨生物力學指標的優化。本文擬進一步探討跑臺運動、游泳等不同運動訓練方式對老年性OP小鼠骨生物力學的影響。

1 對象和方法

1.1 實驗動物 選取清潔級小鼠66只，體質量25.3～31.5 g，平均(27.45±4.75)g，周齡1～4 w，雌雄隨機，均由湖州市中醫院動物實驗中心提供，飼養條件符合國家二級動物房飼養及運動干預條件，室溫(23±3)℃，相對濕度55.0%～60.0%，每天換風2次，并進行12 h黑夜、光照更替。對小鼠處理符合《關于善待實驗動物的指導意見》〔6〕中相關規則。根據不同運動訓練方式分為游泳組、跑臺組及對照組，每組22只。

1.2 老年性OP小鼠模型建立 入選小鼠均禁食12 h，手術前肌肉注射0.5 g阿托品，采用3.6%水合氯醛進行全身麻醉，待麻醉生效后消毒、鋪巾，在大鼠背部正中切口，并在大鼠肋緣下側切除雙側卵巢，縫合切口，小鼠創面縫合后采用油紗、無菌紗布雙層敷料覆蓋創面、包扎，根據小鼠情況給予抗生素預防感染，待小鼠清醒后送回籠中飼養，建立老年性OP小鼠動物模型。建模完依據老年性OP標準進行判定，并結合實驗室檢查及影像學檢查確診后提示造模成功〔7〕。

1.3 老年性OP小鼠運動訓練方法 ①游泳組前3 d進行適應性訓練，每次游泳30 min，后4 d每次訓練40 min，水深40 cm，休息1 d；第2、3、4周每周訓練6 d，每次訓練1次，水溫控制在(29±1)℃，游泳池長為50 cm×60 cm×90 cm。②跑臺組采用持續性水平跑運動進行訓練，運動強度根據國外學者最大攝氧量確定。跑臺訓練第1周前3 d進行適應性訓練，每次30 min，跑臺速度0.8 m/s；后4 d每次跑40 min，跑臺速度1.0 m/s；第二周訓練6 d，每天1 h，速度為1.1 m/s；第3、4周每次訓練1 h，速度1.2 m/s，共訓練4 w。③對照組不進行運動干預自然恢復〔8〕。

1.4 觀察指標 ①體重的測定。整個實驗過程中，每周采用電子秤對小鼠體重進行測定。②血清生化指標測定。采集小鼠靜脈血，采用相應的試劑測定血清鈣、磷、堿性磷酸酶(AKP)及抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)含量，相關操作步驟必須嚴格按照有關要求測定。③BMD測定。運動4 w后殺死小鼠，取出右側股骨及腰椎骨，采用骨密度儀(Medilink Inc.，法國)測定股骨與腰椎骨BMD。④生物力學性能檢測。采用微機控制電子萬能試驗機( 瑞格爾公司，中國)測定小鼠右側股骨、腰椎骨，避免標本上微小的裂縫影響檢測結果。測定時將股骨放置在兩個支撐點上，標本寬度朝上并水平放置，下降探頭，并以2 mm/min速度進行施壓，當標本發生斷裂后停止下壓，根據壓力傳感器獲得數據，確定骨橫斷面積、最大載荷、彎曲載荷、彈性模量等數據。

1.5 統計學處理 采用SPSS18.0軟件行t檢驗。

2 結 果

2.1 3組小鼠1、2、3、4 w體重變化比較 跑臺組、游泳組及對照組1、2 w體重差異無統計學意義(P>0.05)；跑臺組小鼠3、4 w體重顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)，見表1。

2.2 3組小鼠血清生化指標測定 跑臺組小鼠鈣、磷水平顯著低于游泳組和對照組(P<0.05)，AKP、STR-ACP水平顯著高于游泳組(P<0.05)，與對照組相比差異無統計學意義(P>0.05)，游泳組鈣、AKP、STR-ACP水平顯著低于對照組(P<0.05)，磷水平顯著高于對照組(P<0.05)，見表2。

2.3 3組小鼠右側股骨與腰椎骨骨密度(BMD)水平比較 跑臺組右側股骨與腰椎骨BMD水平顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)；游泳組右側股骨與腰椎骨BMD水平顯著高于對照組(P<0.05)。見表3。

表1 3組小鼠0、1、2、3、4 w體重變化比較

與游泳組相比：1)P<0.05；與對照組相比：2)P<0.05，下表同

表2 3組小鼠血清生化指標測定值比較±s,n=22)

表3 3組小鼠右側股骨與腰椎骨BMD 水平比較

2.4 3組小鼠右側股骨生物力學指標比較 3組小鼠右側股最大撓度、彈性撓度差異無統計學意義(P>0.05)；跑臺組小鼠最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、破壞撓度、剛性系數及能量吸收顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)；游泳組小鼠最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、破壞撓度、剛性系數及能量吸收顯著高于對照組(P<0.05)，見表4。

2.5 3組小鼠腰椎骨生物力學指標比較 3組小鼠腰椎骨生物力學中彈性撓度差異無統計學意義(P>0.05)；跑臺組小鼠最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、最大撓度、破壞撓度、剛性系數、能量吸收顯著高于游泳組與對照組(P<0.05)；游泳組小鼠最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、最大撓度、破壞撓度、剛性系數、能量吸收顯著高于對照組(P<0.05)，見表5。

表4 3組小鼠右側股骨生物力學指標比較±s,n=22)

表5 3組小鼠腰椎骨生物力學指標比較±s,n=22)

3 討 論

目前，對于老年性OP發病機制尚不完全知曉，普遍認為OP與年齡有關，當人體年齡達到一定程度將會引起骨量下降，骨強度也相對較低，導致骨變脆，增加骨折發生率。而骨密度、骨質量會影響骨強度，且骨質量又受到骨生物力學、骨組織形態等因素的影響。因此，采取積極有效的措施預防、減緩骨量，能有效預防老年性OP〔9〕。

文獻報道顯示〔10〕：骨細胞和破骨細胞在骨的重建、塑造等過程中是一個相互依賴、相互影響的關系，且處于一種動態平衡。由此看出〔11〕：人體中骨的生成與分解處于動態的平衡中，且機體活動又會影響骨強度和骨質量。國外學者進行了一次實驗，結果顯示〔12〕：身高/體重指數(BMI)是骨折風險的危險因素，高度相關性達到95.0%。老年性OP患者BMD顯著下降，適當增加其體重能起到預防作用〔13，14〕。本研究中，隨著三組小鼠運動訓練的不斷推移，小鼠體重均出現不同程度的提高，但是跑臺組小鼠質量增幅較高。從力學角度來說〔15〕：體重對于骨的負荷影響較大，肥胖能對OP起到代償作用。從實驗結果可以看出：跑臺運動能有效維持體重，在科學地指導和運動訓練下將會改善OP小鼠體質量降低，降低骨量的丟失。

目前，普遍認為骨量對于骨纖維結構的改變具有重要的意義，對骨力學性能也有著明顯的影響。文獻報道顯示〔16〕：骨骼力學負荷與骨量關系密切，適當增加負荷能提高骨量，更加有利于促進骨細胞增殖并提高其活性〔17〕。運動作為一種初級骨骼的外在負荷，適當強度的運動訓練能促進骨的增長，降低OP發生率〔18〕。本研究發現，跑臺更加有利于老年性OP小鼠BMD提高。運動強度及負荷能直接作用在骨，可以間接引起肌肉收縮，使得骨骼產生相應的變化，從而影響成骨細胞、破骨細胞的增殖、分化及細胞活性，進一步引起骨代謝酶活性。同時，運動能改善機體內激素水平變化，間接影響BMD。

骨生物力學性能主要研究骨骼在外力作用下的力學特性及受力后產生的生物效應，是一種評價骨質量的可靠方法。骨生物力學性能包括了骨的結構力學和材料力學，常見指標包括彎曲強度、最大載荷、彈性撓度等〔19〕。本次實驗看出：跑臺運動、游泳等均會對OP小鼠斷裂強度產生明顯的積極作用，能在一定程度上減緩老年性OP小鼠骨折發生率。適當的運動能引起骨骼內在和外在負荷量隨之加大，骨骼能產生適應性機械負荷變化，從而引起骨生物力學性能和骨量的變化。同時，運動屬于是一種外界刺激，適當刺激能引起自身和細胞內外環境、電熱等變化，能在適宜的條件下使骨生物學性能產生積極的應變，誘導骨重建〔20〕。

綜上所述，運動訓練對老年性OP小鼠生物力學性能有一定的改善，游泳、跑臺運動等對老年性OP小鼠的BMD均有維持、提高作用，且跑臺運動訓練的BMD下降幅度低于低強度運動訓練。

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〔2017-01-09修回〕

(編輯 袁左鳴)

江蘇省自然科學基金面上項目(BK20151218)；江蘇省自然科學基金青年基金(BK20150860)

林峻先(1987-)，男，碩士，講師，主要從事啦啦操、健美操、排舞體育教育訓練學、運動學研究。

R68

A

1005-9202(2017)11-2633-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.11.014