运动对去卵巢大鼠股骨生物力学性能影响的实验研究

2010-09-15刘建宇

天津体育学院学报 2010年6期

刘建宇

刘建宇

目的：探讨运动对去卵巢大鼠股骨生物力学性能的影响。方法：将96只3月龄雌性大鼠按体重随机分成假手术组（Sham组）、造模组（Model组）、己烯雌酚组（DES组）、运动组（EX组），每组24只，假手术组仅切除卵巢附近一团脂肪，其余各组均切除双侧卵巢。术后按不同要求灌胃给药和运动，按批次分别于8周、12周和16周后处死大鼠，每次每组8只，对各组大鼠左侧股骨进行生物力学性能检测，统计分析各组数据。结果：运动组能明显提高去卵巢大鼠股骨的生物力学性能，且随干预时间延长效果明显。结论：合理的运动能减少去卵巢大鼠骨质丢失，减缓骨质量的降低速度，防治骨质疏松症。

运动；干预时长；骨质疏松症；生物力学；骨质量

绝经后骨质疏松症是一种临床上常见的难治性疾病，目前应用的药物治疗由于价格较昂贵，治疗周期长且副作用多，使用有一定限制，而应用非药物手段预防或延缓骨丢失的治疗手段，因其更安全、方便、经济，而且疗效显著，越来越受到相关学者重视。本实验通过运动干预的方法，观察运动去卵巢大鼠骨质疏松症股骨生物力学性能的影响，探讨运动与防治原发性骨质疏松症疗效的关系，并进一步探讨其机理。

1 研究材料与方法

1.1 实验药物

己烯雌酚片，由上海信谊药业有限公司生产，批号：030401。

1.2 实验动物

雌性SD 大鼠96只，3月龄，体重（240±20）g，四川大学实验动物中心提供。所有大鼠自由进食、饮水，进食标准饲料由四川大学实验动物中心提供。

1.3 造模方法

所有大鼠按体重随机分为甲、乙两组，其中甲组24只为假手术组（Sham组），乙组72只为手术组。以1%的硫贲妥钠溶液按2.4 mL/kg体重进行腹腔注射麻醉。乙组大鼠切除双侧卵巢，甲组大鼠术式同甲组，进入腹腔后仅切除双侧卵巢附近脂肪各一小块。术后予0.5%碘伏外擦伤口，右下肢肌肉每日注射青霉素钠25万单位/只，每日一次，自术后起共用3天。

1.4 分组

术后7天，观察各组大鼠伤口愈合良好，将乙组72只大鼠按体重随机分为造模组（Model组）、己烯雌酚组（DES组）和运动组（EX组），每组24只。

1.5 干预措施

DES组大鼠按每天22.5 μg/kg的量给予己烯雌酚灌胃，每日1次，其余各组按体重灌服等量生理盐水。EX组运动干预参照Bedford的动物负荷标准[1]，于术后第7日起在小动物跑台上开始训练，采取中等强度，即大鼠起始跑速12 m/min，持续时间20 min，隔日增加强度3 m/min，持续时间增加10 min，第2周起跑速达20 m/min，持续60 min，将跑台倾斜5°，维持此强度，每周5天，每天运动分早晚2次。休息日各组照常灌药（水）。

1.6 标本收集及处理

分别于第8周末、12周末和16周末应用股动脉放血方法随机处死每组大鼠8只，完整取出大鼠左侧股骨，去除表面软组织。各标本制取过程中用生理盐水纱布包裹以保持其湿润。骨标本置于-20℃冰箱保存，测试前夜取出解冻。

作者单位：重庆三峡学院体育学院，重庆404000。

1.7 观测指标

股骨生物力学测试采用三点弯曲实验。将股骨标本置于Instron万能材料试验机（美国Instron Co．生产）上进行测试，跨距20 mm，加载速度2 mm/min，记录其载荷—变形曲线与应力—应变曲线。股骨的结构力学参数根据载荷—变形曲线获得，材料力学参数根据应力—应变曲线获得。

1.8 数据处理

测定所得数据应用SPSS12．0统计软件进行分析处理，参数值以±S表示，用单因素方差分析对实验结果进行统计分析，显著性水准取α=0．05，极其显著性水准取α=0．01。实验者均经过正规培训，采用盲法评估。

2 实验结果与分析讨论

2.1 第8周各组生物力学参数

2.1.1 第8周各组股骨结构力学参数与Model组比较，DES组及Sham组的最大载荷、破断载荷、结构刚度均明显增高，差别具有显著性（P＜0．05），能量吸收增加不明显，差别不显著（P＞0．05），EX 组结构刚度增加明显，差别具显著性（P＜0．05），其他各项增加不明显，差别不显著（P＞0．05）；与 Sham 组比较，DES组在上述指标上均无明显变化，差别不显著（P＞0．05）；与DES组比较，EX组最大载荷和结构刚度降低明显，差别具显著性（P＜0．05）（见表1）。

表1 第8周各组大鼠股骨结构力学参数（n=8，±S）Tab.1 The femur's structural mechanics parameters of each group rats at the 8th week

注：与 Model组比较，*P＜0.05；与 DES 组比较，△P＜0.05。

/N·mm-1能量吸收/N·mm-1Sham 110.54±17.32＊96.02±14.77＊226.53±32.19＊61.16±8.30 Model 101.53±9.87 84.75±8.34 190.75±23.77 56.12±6.73 DES 109.67±16.39＊95.35±14.20＊224.27±27.00＊58.54±8.76 EX 102.43±15.01△88.54±12.34 201.31±30.71＊△56.15±7.55组别最大载荷/N 破断载荷/N 结构刚度

2.1.2 第8周各组股骨材料力学参数与Model组比较，EX组、DES组及Sham组股骨材料力学参数中弹性模量、极限强度及破断强度增加，差别具有显著性（P＜0．05），最大应变和破断应变减小，差别具有显著性（P＜0．05）；与 Sham 组比较，DES 组弹性模量、极限强度、破断强度均降低，但无显著性差别（P＞0．05），最大应变和破断应变均增高，其中EX组最大应变差别具有显著性（P＜0．05），其余无显著性差别（P＞0．05）；与 DES 组比较，EX组上述指标差别均不显著（P＞0．05）（见表 2）。

表2 第8周各组大鼠股骨材料力学参数（n=8，±S）Tab.2 The femur's material mechanics parameters of each group rats at the 8th week

注：与 Model组比较，＊P＜0.05；与 Sham 组比较，#P＜0.05。

组别弹性模量3.90±0.67＊Model 4 882.90±/MPa极限强度/N·mm-2破断强度/N·mm-2最大应变/%破断应变/%Sham 5 381.21±543.02＊115.85±5.12＊94.56±36.01＊2.38±0.34＊678.7892.19±13.7872.21±13.762.50±0.214.55±0.75 DES 5 328.97±841.04＊3.96±0.56＊EX 5 108.36±543.01＊113.29±40.33＊94.01±32.44＊2.41±0.24＊107.07±21.02＊84.88±14.79＊2.47±0.46＊#4.21±0.44＊

2.2 第12周各组生物力学参数

2.2.1 第12周各组股骨结构力学参数与Model组比较，DES组和Sham组的最大载荷、破断载荷和结构刚度极明显增高，差别具极其显著性（P＜0．01），能量吸收明显增加，差别具显著性（P＜0．05）；与Model组比较，DE组上述各指标增加，差别具显著性（P＜0．05）；与Sham组比较，EX组及DES组在上述指标上均无明显变化，差别不显著（P＞0．05），但DES组在数值上更接近Sham组；与DES组比较，EX组上述各指标下降，但差别不具显著性（P＞0．05）（见表 3）。

表3 第12周各组大鼠股骨结构力学参数（n=8，±S）Tab.3 The femur's structural mechanics parameters of each group rats at the 12th week

注：与 Model组比较，*P＜0.05，#P＜0.01。

/N·mm-1能量吸收/N·mm Sham 110.43±19.59#95.28±14.48#224.57±34.85#60.16±8.61＊Model 94.34±9.90 82.83±8.53 187.76±24.16 53.30±6.26 DES 108.99±18.79#94.50±15.28#221.20±27.42#58.40±8.56＊EX 106.39±14.11＊93.63±11.54＊215.34±34.21＊56.02±7.02＊组别最大载荷/N 破断载荷/N 结构刚度

2.2.2 第12周各组股骨材料力学参数与Model组比较，EX组、DES组及Sham组股骨材料力学参数中弹性模量、极限强度及破断强度增加，差别具有显著性（P＜0．05），最大应变和破断应变减小，差别具有显著性（P＜0．05）；与 Sham 组比较，DES 组弹性模量、极限强度、破断强度均降低，最大应变和破断应变均增高，但无显著性差别（P＞0．05）；与 DES组比较，EX 组弹性模量、极限强度及破断强度降低，最大应变和破断应变均增高，但差别均不显著（P＞0．05）（见表 4）。

表4 第12周各组大鼠股骨材料力学参数（n=8，±S）Tab.4 The femur's material mechanics parameters of each group rats at the 12th week

注：与 Model组比较，*P＜0.05

/MPa极限强度/N.mm-2破断强度/N.mm-2最大应变/%破断应变/%Sham 5382.04±557.11＊组别弹性模量114.67±4.24＊93.95±26.97＊ 2.39±0.23＊3.88±0.75＊Model 4827.92±684.5387.16±11.9969.26±13.022.58±0.43＊4.58±0.98 DES 5375.94±841.04＊113.26±41.55＊92.89±37.42＊ 2.45±0.28 3.94±0.96＊EX 5296.30±551.07＊111.85±20.68＊88.80±15.75＊ 2.46±0.31＊4.01±0.91＊

2.3 第16周各组生物力学参数

2.3.1 第16周各组股骨结构力学参数与Model组比较，Sham组、DES组和DE组的最大载荷、破断载荷和结构刚度极明显增高，差别具极其显著性（P＜0．01），Sham组能量吸收极明显增加，差别具极其显著性（P＜0．01），DES组和DE组能量吸收明显增加，差别具显著性（P＜0．05）；与Sham组比较，EX 组及 DES组在上述指标上均无明显变化，差别不显著（P＞0．05）；与DES组比较，EX组上述各指标增高，但差别不具显著性（P＞0．05）（见表 5）。

2.3.2 第16周各组股骨材料力学参数与Model组比较，EX组、DES组及Sham组股骨材料力学参数中弹性模量、极限强度及破断强度明显增加，差别具有极其显著性（P＜0．01），最大应变和破断应变明显减小，差别具极其显著性（P＜0．01）；与Sham组比较，DES组弹性模量、极限强度、破断强度均降低，最大应变和破断应变均增高，但无显著性差别（P＞0．05）；与 DES 组比较，EX组弹性模量、极限强度及破断强度增高，最大应变和破断应变均降低，但差别均不显著（P＞0．05）（见表 6）。

表5 第16周各组大鼠股骨结构力学参数（n=8，±S）Tab.5 The femur's structural mechanics parameters of each group rats at the 16th week

注：与 Model组比较，*P＜0.05#P＜0.01（下同）。

/N·mm-1能量吸收/N·mm-1Sham 111.47±15.76#96.24±14.85#225.54±33.43#60.98±8.46#Model 88.54±9.90 79.24±9.10 180.71±24.63 49.37±7.19 DES 106.99±15.32#92.67±16.20#218.77±23.52#56.47±7.64＊EX 107.79±12.61#92.98±13.40#219.46±25.33#58.87±8.12＊组别最大载荷/N 破断载荷/N 结构刚度

表6 第16周各组大鼠股骨材料力学参数（n=8，±S）Tab.6 The femur's material mechanics parameters of each group rats at the 16th week

3.87±0.65#Model 4 753.99±/MPa极限强度/N.mm-2破断强度/N.mm-2最大应变/%破断应变/%Sham 5 385.78±组别弹性模量562.35#115.87±4.54#94.77±27.73#2.39±0.30#656.5781.17±14.9765.21±16.532.67±0.414.61±0.57 DES 5 369.92±855.07#3.98±0.96#EX 5 377.30±577.78#111.28±37.03#92.03±32.67#2.44±0.26#112.55±18.60#92.45±17.71#2.43±0.34#3.93±0.88#

导致骨质疏松的机理不仅是骨量的下降，同时还与骨体积、皮质骨厚度及松质骨小梁结构等因素有密切关系。因此仅从“量”的角度衡量骨质疏松相关诊断、疗效评价等并不能真正直接反映骨的内在性能，而从“质”的角度对骨骼性能进行描述，综合性概括骨的成分、构筑状态及细微结构，即目前越来越受到重视的“骨质量”已得到多数学者的支持。有资料表明，骨构成成分改变（如骨盐丢失），以及骨细微结构变化或破坏（如显微骨折、骨小梁减少或变薄及其空间结构变化等）是导致骨的力学性能下降的重要原因，骨的生物力学性能变化则是骨质量变化的直接反映[2-6]。因此，对骨质疏松性症防治和机理研究，必须更加重视骨质疏松骨生物力学变化的影响，本实验即选用骨生物力学性能，如此评价防治骨质疏松症效果更准确，更有说服力。

雌激素替代疗法是临床上防治绝经后骨质疏松的主要方法之一，雌激素可抑制骨质疏松症患者的骨转换率[7]。本实验中，各时间段DES组大鼠股骨生物力学指标较Model组均有显著变化（P＜0．05 或 P＜0．01），与 Sham 组差别无统计学意义（P＞0．05），说明雌激素能显著改善去卵巢大鼠股骨生物力学性能。杨国敏报道单纯应用雌激素进行替代治疗虽可使去卵巢大鼠骨生物力学性能有所改善，但骨脆性较高[8]。目前，临床上单纯应用雌激素防治骨质疏松症还存在，但因其对心血管系统及乳腺、子宫的毒副作用，具有一定的局限性[7]。本实验中观察到应用雌激素的大鼠体型肥胖、毛发光泽度低、饮食差、稀便、易激惹等类似绝经期及绝经后妇女某些症状，亦说明其副作用明显。

2.4 运动组各批次生物力学参数

2.4.1 运动组各批次股骨结构力学参数与第8周比较，第12周、第16周最大载荷、破断载荷、结构刚度及能量吸收均无显著性差别（P＞0．05），但随着时间推移，各组数值呈现上升趋势。（见图 1）。

2.4.2 运动组各批次股骨材料力学参数与第8周比较，第12周、第16周弹性模量、极限强度、破断强度、最大应变及破断应变均无显著性差别（P＞0．05），但随着时间推移，弹性模量、极限强度、破断强度数值呈现上升趋势，最大应变和破断应变数值下降趋势（见图2）。

图1 运动组各时段大鼠股骨结构力学参数变化趋势Chart 1 The variation trend of the femur's structural mechanics parameters of exercise group rats

图2 运动组各时段大鼠股骨材料力学参数变化趋势Chart 2 The variation trend of the femur's material mechanics parameters of exercise group rats

运动作为预防骨质疏松的一种手段，在实验及临床研究中已经越来越受到相关学者重视。大量研究证明中等强度的运动有利于骨量、骨强度及骨生物力学性能的提高[8-9]。本实验结果显示，各时间段EX组大鼠生物力学性能较Model组均有显著变化（P＜0．05 或 P＜0．01），与 Sham 组差别无统计学意义（P＞0．05），亦说明中等强度的运动能显著改善去卵巢大鼠股骨生物力学性能。EX组在提高去卵巢大鼠生物性能方面与DES组相比无统计学差别（P＞0．05），说明运动在防治骨质疏松方面与雌激素效果相当，这与杨国敏等报道的运动优于雌激素不尽相同[8]。

运动对骨生物力学性能影响与运动强度、运动方式及运动时间都有重要关系。骨骼对运动的生物力学适应性本质上是骨骼系统对机械力信号（应力）的应变，即wolff定理。运动产生的力学信号可以通过细胞骨架的变形而转化为生化信号，从而启动一系列生化反应。中等运动负荷及强度会诱导骨量增加和骨结构改善，运动通过对机体的整体调节作用，具有促进骨形成和抑制骨吸收的双重作用[10-14]。沿长轴力学刺激对承重骨的影响明显，魏兆松等报道跑步运动对改善大鼠的股骨力学性能比游泳更有意义[15]。Kohrt等报道39名绝经期妇女经过11个月耐力训练（慢跑、登梯），结果显示受试者Ward's三角骨密度较训练前显著增加[16]。本实验采用速度20 m/min、坡度5°的中等强度跑步训练，符合沿股骨长轴力学刺激原理，且与Kohrt的人体耐力训练方式、强度基本一致，结果亦相似，故认为本实验所采用的运动防治骨质疏松症方法可应用于人体。在将此方法应用于人体时应考虑到患病人群多为中老年人，宜采用步行、慢跑、登梯、划船、持举哑铃等运动方式、50%～60%VO2max的运动强度。运动时间方面，目前运动时长对改善骨质疏松骨生物力学性能的相关报道未查阅到。本实验中，随着运动干预时间的延长，去卵巢大鼠股骨生物力学性能呈改善方向变化，虽然并不具有统计学差异，但此种改善趋势一定程度说明时间干预长短与骨生物力学改善呈相关性，这也为进一步研究运动干预时间的确定提供了方向。

总之，运动可通过改善骨生物力学性能，从而防治骨质疏松症。运动干预疗效显著，较药物干预更方便、经济，而且老年人由于身体协调性和平衡性降低，易跌倒而致骨折，而运动可增加肌强度、协调性和平衡性，增强机体的灵活性、稳定性，减少跌倒、碰撞机会，从而减少骨质疏松患者骨折的危险。

3 结论

（1）合理的运动干预能有效抑制去卵巢大鼠股骨生物力学性能下降，减少骨质丢失，减缓骨质量的降低速度，防治骨质疏松症。（2）随运动防治骨质疏松症干预时间延长，效果提升，实验结果虽无统计学意义，但明显呈现改善趋势。差异不显著可能与时长不够有关，有待进一步研究。（3）运动是防治骨质疏松症非药物疗法的重要手段，优势明显，可作为临床防治骨质疏松症的选择。

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Experiment of the Effect of Exercise on Femur Biomechanical Osteoporosis in Ovariectomized Rats

LIU Jianyu
（School of PE，Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404000，China）

Objective：The purpose was to study the effects of exercise on osteoporosis （OP）in ovariectomized rats by biochemical index of the femur.Method：96 female SD rats were divided into 4 groups，twelve rats a group：sham operation （Sham），ovary resection （Model），Diethylstilestrol（DES）and exercise （EX）.A piece of fat was cut on Sham and the uterus was cut on other groups.Each group was fed according to various demands after operation.Next step wa to compare with the results of each group after 8 weeks，12 weeks and 16 weeks.The results include the biochemical index of the left femur and the third vertebrae body.Result：Exercise could improve significantly the femur biochemical quality of ovarietomized rats，and the longer the inventation，the effects were more significant.Conclusion：Appropriate exercise could inhibit the bone mass lose，and slow down the bone quality descent，and prevention and treatment of osteoporosis.

exercise；length of intervention；osteoporosis；biomechanics；bone quality

G 804.5

1005-0000（2010）06-0537-04

2010-07-27；

2010-10-14；录用日期：2010-10-18

四川省中医药管理局基金资助项目（项目编号：200267）

刘建宇（1978-），男，湖南岳阳人，讲师，研究方向为运动医学。