吡格列酮對鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠骨生物力學性能的影響

邸 倩,邱明才,張 鑫,楊 靜

(1山西醫科大學第一臨床醫學院內分泌科,太原 030001;2天津醫科大學總醫院內分泌科)

吡格列酮對鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠骨生物力學性能的影響

邸 倩1,邱明才2,張 鑫2,楊 靜1

(1山西醫科大學第一臨床醫學院內分泌科,太原 030001;2天津醫科大學總醫院內分泌科)

目的 探討不同劑量吡格列酮(PIO)對鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠股骨和腰椎生物力學性能的影響。 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只未造模大鼠為對照組。PIO治療組每日吡格列酮混懸液灌胃,連續干預16周,股動脈放血法處死大鼠,立即分離右側股骨行三點彎曲實驗、腰椎行壓縮實驗,檢測并分析各組生物力學有關指標。 結果 與對照組相比,模型組及各PIO治療組股骨最大載荷、彈性載荷、彎曲應力、彎曲能量、彎曲剛性系數、彈性模量、彎曲韌性系數均不同程度減少(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,低劑量組各參數均差異無統計學意義,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)。 結論 高劑量PIO[20 mg/(kg·d)]可能造成糖尿病大鼠骨力學性能減低,骨質量減低,低劑量PIO[4 mg/(kg·d)]未引起糖尿病大鼠骨生物力學性改變。

吡格列酮; 鏈脲佐菌素; 糖尿病; 骨生物力學

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,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可增加骨折的風險[1]。也有研究認為,骨髓干細胞膜上的PPAR-γ被配體激活后可在骨髓微環境中阻斷破骨細胞的生成[2]。目前,對于PPAR-γ影響糖尿病大鼠骨代謝和骨轉換的機制還不是十分清楚。在之前的文章[3，4]中已經討論了PIO干預影響糖尿病大鼠骨密度、骨轉換及骨形態計量學的狀況,發現低劑量PIO干預糖尿病大鼠骨密度,骨計量均無影響,高劑量PIO干預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]。本研究將進一步探討不同劑量PIO干預對糖尿病大鼠股骨和腰椎生物力學性能的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

8周齡雄性SD大鼠38只,清潔級,體質量240 g±13 g,由軍事醫學科學院衛生學環境醫學研究所實驗動物中心提供。實驗動物質量合格證編號:SGCK(京)2008-0001。標準顆粒飼料喂養,自然照明,室內室溫20-25 ℃,相對濕度40%-70%。實驗期間動物自由采食和飲水。

1.2 主要試劑和儀器

鏈脲佐菌素(美國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力學實驗機(美國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只未造模大鼠為對照組。造模前夜,大鼠自由進食飲水。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分別測定大鼠尾靜脈血糖,兩次測定血糖均大于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%,全部動物于成模后干預16周,股動脈放血處死。干預期間未應用吡格列酮之外的降糖藥物。干預方法為每日上午9時給藥,吡格列酮混懸液灌胃服用。干預期間無因血糖原因死亡大鼠。

1.4 動物處死和獲取標本

1.5 股骨三點彎曲實驗

將股骨標本緩慢解凍,保持其濕度,自由放置在ELF 3200力學實驗機支架上,曲面向下,使股骨中點、兩支點中心與加載點重合,勻速加載至標本斷裂,描記出載荷-變形(撓度)曲線(Load-Deformaion Curve)。測試溫度23 ℃,實驗機載荷測量精度0.01 N,位移(撓度)測量精度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以內的小載荷量程。用游標卡尺測量斷骨內徑和壁厚,記錄并分析實驗數據。

測試指標: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(coefficient of bending stiffness,CBS)(N·mm2),彎曲韌性系數(coefficient of bending ductility,CBD)(mm/N)。

1.6 腰椎壓縮實驗

將椎體上下端磨平,修整為高度4-6 mm,具有兩個平行平面的類圓柱體。用螺旋測微儀測量椎體的高度,顯微鏡下計算椎骨橫截面積。將濕潤的腰椎標本置于ELF 3200力學實驗機上,加載速度為2 mm/min,記錄實驗數據,繪制載荷-變形曲線,其他測試條件同股骨三點彎曲實驗。

測試指標:最大載荷(ML)(N),彈性載荷(EL)(N),強度極限(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 統計學分析

2 結果

2.1 大鼠股骨三點彎曲實驗數據比較

與對照組相比,STZ誘導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、彎曲應力、彎曲能量、彎曲韌性系數、彎曲剛性系數均不同程度地減少,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,低劑量組各參數均差異無統計學意義,高劑量組股骨最大載荷、彈性載荷、彎曲應力、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,彎曲剛性系數無顯著性差異。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)，彎曲應力減少(P<0.05)，而最大撓度、彈性模量、彎曲剛性系數、彎曲韌性系數無統計學差異(見表1)。

組別n最大載荷(N)彈性載荷(N)彈性模量(GPa)彎曲應力(N/mm2)最大撓度(mm)彎曲能量(N·mm)彎曲韌性系數(10-3mm/N)彎曲剛性系數(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?對照組 1013654±10218856±766 337±00417910±1331 101±0092756±388 114±00022575±397

與對照組相比,*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驗數據比較

與對照組相比,STZ誘導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,低劑量組各參數均差異無統計學意義,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)，而強度極限和彈性模量無統計學差異(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?對照組 1014967±266627677±16631471±1561432±2432193±0352554±185

與對照組相比,*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

骨生物力學是骨量和骨結構的綜合反映[5-7],直接反映骨組織的抗骨折能力。對骨質量進行準確評估以及骨質疏松骨折危險度準確預測是非常必要的。大量動物實驗和臨床研究結果表明單純骨量增加,骨質量不一定相應增加,有時反而下降[8],僅僅依靠骨密度檢查不能全面地反映骨代謝的情況,骨的生物力學性能是反映骨質量的重要指標。各種力學測試中,長骨三點彎曲實驗及椎體壓縮試驗最為常用。

三點彎曲實驗測定包括結構力學、材料力學和骨骼剛度等三項指標。結構力學指標包括最大載荷、彈性載荷、最大撓度和彎曲能量,主要反映骨的結構力學特征的變化[9,10]。材料力學指標包括最大彎曲應力、彎曲彈性模量。彈性模量反映骨質的內在硬度。骨骼的剛度以彎曲剛性系數和韌性系數來表示,在單位面積不變時,剛性系數越大,單位面積骨所承受載荷的能力越大,韌性系數越大說明骨的韌性越好。本實驗指標表明,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；低劑量組各參數均無顯著性差異。提示高劑量組大鼠股骨微結構破壞,骨強度下降；低劑量吡格列酮干預對糖尿病大鼠力學性能無顯著影響。與前述關于大鼠骨密度、骨形態學參數的變化一致[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到初始狀態。塑形變形階段,載荷與變形失去線性關系,骨組織結構破壞發生永久變形直至骨折。即使去除外力也不能恢復到初始狀態。兩者交界處為屈服點,彈性彎曲應力和最大彎曲應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。壓縮實驗測定最大載荷直接反映松質骨骨小梁的骨質、結構的連續性和皮質骨的強度、骨的橫截面積的大小等,是對骨質量的綜合反映[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骨量丟失。腰椎以松質骨為主,受外力作用斷裂前的應變量減小,易發生壓縮骨折。彈性模量是反映骨材料力學特性的重要參數,與骨的微結構和構成成分密切相關。與模型組相比,高劑量組彈性模量減少,也提示其對于大鼠骨力學性質的消極作用。綜合眾多測試指標的結果可以看出,高劑量組與模型組相比,大鼠骨組織骨力學性能減低,骨質量減低,抗壓性能減低。而低劑量組干預無明顯影響。與近期部分國外研究結果一致[12,13]。

總之,上述結果提示,吡格列酮可能減低骨量,減低骨力學性能,宜小劑量使用。骨的空間微結構破壞如骨小梁變細,斷裂和骨構成成分變化如骨鹽丟失,骨膠原性能下降都是導致骨力學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,副主任醫師,E-mail:diqian2008@126.com

2017-04-24