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

李秀煥 李國泰

1.重慶三峽醫藥高等專科學校公共基礎部體育教學部，重慶 萬州 404020 2.重慶大學體育學院，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能引發諸多并發癥[1]，其中糖尿病性骨質疏松(diabetic osteoporosis，DOP)較為常見，通常表現為骨密度(bone mineral density，BMD)降低、骨脆性增加，易發生骨折[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、持續時間較長是有氧運動處方的要點。在臨床執行中經常采用50 min完成5 km跑的方案[5]。但是該方案在執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。生活態的日常運動實質就是分段、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，國內尚無相關研究。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，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性質的影響。

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，體質量190～220 g，購自成都中醫藥大學動物實驗中心，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醫療設備公司)；生物力學材料測試系統(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(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實驗設計：采用隨機對照動物實驗，對大鼠進行1周適應飼養；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；第25周進行大鼠各類樣本采集和BMD檢測、生物力學性能測量、胰島素抵抗檢測、糖脂代謝檢測。

1.2.2實驗分組方案、喂食習慣、模型構建：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模型構建：造模大鼠每天食用5次高糖高脂飼料，連續3周，出現胰島素抵抗后采用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：在運動干預結束后予大鼠禁食，置于代謝籠內，收集24 h尿樣。運動干預結束48 h內對大鼠靜脈采血3 mL，利用酶聯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，將材料機兩側支架距離調為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構力學指標最大載荷、標彈性模量最大應力等參數；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，FPG)、空腹胰島素水平 (fasting insulin，FINS)。運用穩態模式評估法測定胰島素抵抗指數(homeostasis model assessment insulin resistance，HOMA-IR)及胰島素敏感指數(insulin sensitive index，HOMA-ISI)。

1.3 統計學分析

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

2 結果

2.1 實驗動物造模及數量分析

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

2.2 各組大鼠體質量結果比較

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

表2 各組大鼠體質量變化(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果比較

2.4 各組大鼠脂代謝結果比較

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計學意義(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，差異無統計學意義(P>0.05)。見表5。

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

2.6 各組大鼠骨生物力學性能結果比較

NC組大鼠的股骨最大應力、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，但比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表5。

2.7 各組大鼠骨代謝結果比較

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，但比較差異無統計學意義(P>0.05)。各組大鼠血清Ca和P濃度比較各組間差異無統計學意義(P>0.05)。見表6。

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

3 討論

目前普遍認為T2DM 是導致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，還應考慮患者的身體狀況、生活習慣、完成難度以及持續的可能性[8]。利用強度較低的、與一般生活狀態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的發生經常與身體活動量不足有關[9]。本研究中的分段低強度跑被認為是靜坐生活態人群最易參與的運動，大部分人能夠完成并能堅持。持續中強度跑比分段低強度跑在時間花費和患者耐力素質上都有更高的要求。但本研究發現，在控制血糖方面，分段低強度跑的效果明顯好于持續中強度跑。雖然兩種運動干預方式均能改善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中強度跑的大鼠要高。這可能與運動量、運動時宜、運動次數相關。本研究中的兩種運動干預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時間過長，導致患病、易疲勞，跑步中后期的有氧氧化系統供能不能滿足跑速，出現了無氧糖酵解供能，使血糖快速下降，產生負反饋，導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時間短，不會產生上述供能系統的變化，觸發胰高血糖素的分泌。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。運動耗能改變會導致細胞膜葡萄糖運載體4數量明顯增加，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，血糖持續高位，導致胰島素繼續分泌，最終導致胰島素敏感性下降。在喂食后進行跑步可以消耗血糖，與胰島素協同作用，促進血糖恢復，從而減輕胰島負擔，使胰島素敏感性上升。本研究還發現分段低強度跑與持續中強度相比，在降低TC、TG、LDL-C方面也更具有優勢。這可能也是由于持續中強度跑步的中后期，能量代謝變化所致。但持續中強度跑在促進HDL-C水平提升上優于分段低強度跑， 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，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致的[13-14]。本研究發現分段低強度跑與持續中強度跑均能顯著增加DOP大鼠BMD，且變化幅度基本一致。在骨生物力學性能方面，持續中強度跑的DOP大鼠略優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，持續中強度跑的DOP大鼠骨生物力學性能較好，反應出其骨微結構重建程度較高，可能與大鼠跑步速度較快有關。大鼠骨骼在運動中受到來自體內和體外兩方應力沖擊, 體內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]。應力能夠促進骨的生長發育以及改變骨的形狀結構。持續中強度跑與分段低強度跑相比，體內外的沖擊負荷更高，對于骨結構形態的再造作用也更強，所以持續中強度跑的DOP大鼠BMD改變主要來自體內外沖擊對骨結構形態的再造作用。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，血液中鈣、磷、鎂離子濃度升高[18]，甲狀旁腺素水平恢復正常，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 結論

綜上，分段低強度跑和持續中強度跑均有助于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中強度跑改善效果更明顯。同時，分段低強度跑和持續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，應將分段低強度跑等易于完成和堅持的運動方案列為優先選擇。