运动结合药物对大鼠骨骼密度影响的研究

张健 卜淑敏 魏兆松

关键词： 运动医学；骨骼密度；骨质疏松

中图分类号： G 804.5 文章编号：1009783X（2012）03027406 文献标志码： A

收稿日期：20110509

基金项目：国家自然科学基金（30771046）。

作者简介：张健（1963—），男，北京人，硕士，副教授，研究方向为运动生物力学；卜淑敏（1967—），女，山西人，博士，教授，研究方向为运动生理学；魏兆松（1981—），男，安徽人，硕士，讲师，研究方向为运动生物力学。

作者单位：首都体育学院，北京 100191

Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100191，China.随着人口的老龄化，骨质疏松症不仅是一个医疗问题，也是一个社会问题，是常见的骨代谢性疾病，是一种危害中老年人群常见的疾病，在世界多发病中位居第6位，对该类疾病的研究及治疗在影响人类生存质量的因素中，已经占有了越来越重要的地位。骨密度是诊断骨质疏松的重要标准，受很多因素的影响。为探求骨密度对骨质疏松症的影响，本文采用去卵巢大鼠模型，通过观察各组大鼠的体重、胫骨体重指数、胫骨长度、股骨和第4腰椎的骨密度的变化情况，得出运动和雌激素对骨质疏松预防和治疗的作用。

1 材料与方法

1.1 实验动物

60只雌性健康3月龄SD大鼠，体重（220±20）g，身体情况正常。由北京维通利华实验动物中心提供，饲养于北京大学医学部实验动物学部，啮齿类动物饲料喂养，自由饮食、饮水，动物室温度22～25 ℃，相对湿度50%～55%。

1.2 方法

1.3 实验指标的测定

在取材的前2 d开始制备取材的设备和仪器并注意制备充足的材料，开始断食。在取材的当日5时从动物实验学部用专门的鼠笼把动物带到首都体育学院重点实验室进行取材。

1.3.1 体重

在平时要注意观察大鼠的精神状况和运动能力的变化，并注意各组的饮食量。在取材时要准确地测量出每只大鼠的体重。

1.3.2 股骨和腰椎骨标本的制备

大鼠饲养到期时，要提前2 d断食物，但正常饮水。麻醉后测量体重，股动脉放血处死。注意勿损伤骨质去除附着的肌肉和结缔组织将两侧股骨、胫骨和腰椎骨摘出，将摘出的骨骼用pbs生理盐水浸透的纱布包裹，装入密闭试剂盒中，放置于-20℃冰箱内，测试时将其于室温下自然解冻[12]。

1.3.3 胫骨干重和长度的测定

用水合氯醛麻醉并用电子天平（JA5002）称量出大鼠的体重。对所有的大鼠进行股动脉放血处死并取下大鼠的后下肢左、右胫骨。把胫骨按编号放置在60℃的实验室烤箱（型号 XU027200）烘烤 12 h后取出。用电子分析天平（型号 FA1004A）称量所有胫骨的质量。再用游标卡尺（精确度为0.02 mm）测出大鼠胫骨的长度（测量时，采用游标卡尺卡紧骨的两端结构，并且骨两端的距离是最短（要求骨的纵径与游标卡尺主尺面平行）。计算出左、右胫骨质量的平均值和大鼠体重的质量指数（胫骨和体重的质量指数=一侧胫骨的质量/大鼠体重）。

1.3.4 股骨和腰椎骨的骨密度的测定

1.4 实验数据的处理和统计

所有指标均以平均值±标准差表示，数理统计采用统计软件SPSS 12.0进行单因素方差分析，组间相互比较采用LDS法，对F值明显的指标，用t检验对各组均值进行多重比较。

2 结果与分析

3 实验结果与讨论

去势大鼠作为骨质疏松模型也已经是一门成熟的技术。大鼠在3月龄时性腺与内分泌系统才完全发育成熟，肌肉骨骼系统基本定型，故以3月龄青春期大鼠为研究的起始年龄；但此时大鼠的骨骼仍然在生长，至7月龄时，皮质骨才发育成熟达到骨峰值，故3～8月龄为复制成年大鼠疏松模型的合适年龄，7～8月为最佳年龄；但采用 7、8 月龄大鼠耗资较大，故在设立对照组的前提下，用3～4月龄的大鼠仍是可行的[3]。通过以上所有的实验数据分析，可以看出本次实验的造模是成功的，得到手术静止组的大鼠的体重和骨密度与假手术组、手术干预组有高度显著性差异（P<0.01），即手术静止组的大鼠，由于缺少雌激素和运动发生了骨质疏松症[46]。

3.1 胫骨指标数据的比较分析及讨论

骨长轴方向的成长依靠软骨内骨化过程，骸软骨细胞不断增生和不断骨化（软骨变成骨的过程），使骨长度不断增加[7]。比较手术静止组与假手术静止组，可以看出SD雌性大鼠的胫骨由于在去势手术的环境下生长而导致其胫骨长度的增长不明显（P<0.05），之所以出现这种现象是去势造成的雌性大鼠的雌激素的减少出现的以骨矿物质的减少，骨骼微细组织构造退行性衰退，骨骼脆性增加，而导致大鼠机体的自身防御性的保护，减少运动量等。运动能有效地改善去势导致的长骨长度增长的劣势。张兆贤等用测定骨大小和骨量的方法，观察运动对去卵巢大鼠骨大小和骨量的影响。结果发现对去卵巢大鼠进行中等强度的运动训练后，骨直径和骨体积均较去卵巢组增加，说明运动对去卵巢大鼠骨大小和骨量的降低有改善作用[8]。章晓霜等[910]的研究表明，中等强度运动通过主要抑制去卵巢后骨吸收和骨形成，但抑制骨吸收的作用更明显，且增加了骨矿的沉积作用，最终使骨形成大于骨吸收，可减少去卵巢大鼠胫骨骨丢失，这种作用直接表现在骨形态和骨的长度参数上。相对运动干预的方法，药物对提高胫骨长度的效果不显著性，尽管有改善的趋势。可以从假手术静止与假手术运动组可以看出运动在提高胫骨长度指标上是有一定的效果的，这已经成为人们的共识，即使在人类的实验中也发生了该效果。根据Wolff定律：骨功能的每一互变，都有与数学法则一致的确定的内部结构和外部形态的变化，适宜的运动可以改善去势大鼠胫骨的长度的劣势。鲍丽颖等[11]研究发现，运动中下肢骨承重及受力大小与其纵向生长有关。手术后的给药也能治疗去势导致的长骨纵向生长的异常，但不如运动组的作用积极。雌激素是调节钙擦状谢的主要因素之一，因而极大地影响着骨代谢和骨重建过程。以往研究证实雌激素可通过降低破骨细胞活性抑制骨吸收[12]。给予雌激素的作用效果不如运动明显，是因为雌激素对机体的刺激相比运动而言比较单一，该结果与Peng等[13]的研究结果一致。胫骨和体重的质量指数比单纯地比较胫骨或体重质量要全面。因为单纯的比较体重不能考虑到人为干预对骨质量的影响，单纯的比较骨骼的质量，也忽视了对体重指标的影响，缺少了一项指数比较。本实验各组的胫骨与体重的质量指数和模型组都有显著的区别。手术运动组与手术静止组比较有显著的区别，是运动不仅有助体重的减小，还有增加骨矿盐的沉积作用，使骨骼的无机矿物质流失减少，骨骼有机质的胶原纤维网格更加致密，骨骼变得更加粗壮，骨密度相对手术静止组的高的结果。从胫骨长度和质量指数指标的比较中，可以看出手术给药加运动组与正常运动组、假手术运动组间无差异；但是与手术给药组、手术运动组间均有差异或具有差异趋势。这说明单纯的药物或运动干预确实不如药物加运动的效果更加显著，药物和运动起到协同的作用。

3.2 骨密度指标分析及讨论

骨密度（BMD）是机体某一部位骨组织中单位骨面积内所含的矿物质量，是影响骨强度的一个重要因素，是评价骨强度的一个最方便、最常用的指标，并且BMD的高低也被作为诊断骨质疏松的一项主要标准。BMD受到诸多因素的影响，如遗传背景、性别、年龄、激素、营养和运动因素等。宋冰，张兆强研究显示，切除大鼠双侧卵巢后，骨矿物元素Ca、S、Mg、Zn、Co、Mn等含量显著降低（P<0.01）；骨P含量升高（P<0.01），出现骨元素代谢的紊乱，说明运动和半量CCE3联合应用后，去卵巢大鼠的骨元素代谢紊乱得到了纠正，并且基本恢复到对照组水平。可见，运动对CCE3抗去卵巢大鼠骨元素代谢紊乱的效应有加强作用。临床上用CCE3治疗骨质疏松症时，可考虑联合应用适量运动，既能保证临床疗效，又能降低其用量，以减轻其副作用[14]。大量的科学研究结果都表明：适度的体育运动和激素能够改善和维持骨结构，增加骨量，提高BMD。随着运动施加于骨的载荷增加，其应变量增大达到或超过某一限度时便可以启动塑建过程，从而使应变增大部位的骨量增加，构筑方式和结构形态将发生改变，以适应承载的需要。雌激素替代疗法（ERT）是欧美国家常用的治疗方法，雌激素通过抑制骨吸收、促进骨形成使骨转换降低，骨量丢失减少[15]。本实验中采用的17B泊贫醇针对去势大鼠的干预治疗后大鼠的骨密度值增大，证明在治疗和预防骨质疏松方面有效果。

雌激素具有下调骨重建阈值的作用[16]，当雌激素减少时骨重建阈值提高，因此，原先使骨骼进行保留型骨重建的应变只能进行废用型骨重建了。绝经后雌激素减少，通过运动可以增加骨骼载荷以增加骨骼的应变，使之达到骨重建阈值而进行保留型骨重建，减少绝经后骨量的丢失[17]。体育运动影响骨的力学特性。影响骨的力学特性的因素包括骨的几何形态（体积、横断面、管壁厚度等）、骨矿密度（与骨组织的孔隙率呈反比）、骨质的质量（原有骨质和新形成骨质之比、矿化度、骨胶原成分和含量、骨胶原和骨矿的排列方向，以及骨基质中和骨单位周围存在的细微骨折数量等。骨骼所受的外力，即使骨产生形变的外源性机械力可概括为内源性肌肉收缩力与外源性反作用力。这些力对骨生长发育的调控主要通过调节软骨内生长与骨化、关节软骨的发育，以及软骨周缘/骨膜的骨化和软骨内成骨[18]。机械力学信号可转化成促进成骨的生化信号。力学信号激活骨细胞网络通路而成骨，尤其在达到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形态结构[19]。跑步运动时骨骼肌的频繁收缩，大量增加肌肉的血液供应，进而增加骨皮质血流量，改善骨组织血液供应，促进钙的吸收，保存骨量。陈柏龄等的研究显示：雌激素和运动均可显著提高骨密度及生物力学性能；但与雌激素相比，运动在防治Ⅰ型骨质疏松的作用中具有如下优点：1） 更强的促进骨形成的能力；2）调节骨重建的部位和方向，使骨的显微结构适应其生物力学功能；3）提高骨的硬度，增强骨抵抗变形的能力[20]。李梅、李爽等人研究显示：运动和雌激素均能明显提高去卵巢大鼠胫骨的BMD，但在维持去卵巢大鼠BMD方面，运动的功效作用优于雌激素。这可能是因为运动不仅能对骨骼系统提供有效的力学刺激，而且可以改善机体神经材诜置诠δ埽明显提高绝经后妇女的内源性雌二醇水平，能够有效缓解绝经后各种低雌激素症状从而达到良好的维持或改善骨健康的功效[21]。

本实验手术运动组大鼠的骨密度相对手术静止组有高度显著性差异，就是运动给予骨骼机械力的作用而引起的，通过上述研究分析可以明确为什么运动组大骨密度增高。同样孙颖等[2224]的研究发现，低、中强度的跑台运动训练可以延缓股骨骨量的丢失，高强度运动并不能产生这种效果。王怡婧，张焱等人研究发现中等强度跑台运动和E2单独或联合作用均能显著增加去卵巢大鼠肝组织匀浆NO含量，二者是通过上调肝脏 eNOS 蛋白表达而发挥作用[25]；因此，大部分研究认为，中等强度的承重性练习更有利于延缓骨量的丢失。张林等人的研究显示：去卵巢后大鼠表现为高转换型骨代谢特征，雌激素下降，甲状旁腺激素分泌加强，促进骨吸收，从而骨钙流失；因此，血钙含量上升，而运动可使血钙流入并沉积在骨中，主要原因推测为：1）运动能促进血液循环，利于血钙向骨内输送和破骨细胞向成骨细胞转变，促进骨钙化，增加骨密度。2）运动负荷的机械应力可促进骨细胞的增殖，加强其活性，使骨的矿化过程加强，使血中的钙以钙盐的形式沉积在骨中，从而使骨量增加。

运动结合药物对由于去势而导致的骨矿物质丢失有预防和治疗的作用，已经成为人们的共识。很多动物实验都已经证明：适度运动结合雌激素对由于老年化而导致的骨质疏松有协同的效果。本实验的手术给药加运动组与手术给药和手术运动组大鼠间有显著性差异也证明在该实验条件下，对去势大鼠的骨骼矿物质的丢失是有效果的。

4 结论

3）本实验的不足之处，假手术运动与静止组别在一些数据指标上没有显著性的差异；可能是该运动量对健康大鼠的影响程度不高，没有去势大鼠改善效果明显的缘故。

实验的结果提示我们在预防和治疗由于老年化引起的骨质疏松，单纯的药物与运动干预，不如两者共同协同作用效果显著，并且在实际的对待人类而言，很重要的一点是必须控制好药物量及运动的强度和量度，还要安排好干预的时间和频率。

参考文献：

[1] 崔伟，刘成林.基础骨生物力学[J].中国骨质疏松杂志，1997，3（4）：8285.

[2] 孙涛.基于DR骨密度分析系统的研究[D].南京：南京医科大学，2010.

[3] 李青南，吴铁.骨质疏松实验动物研究[M].成都：四川大学出版社.2001：157，201.

[4] 吴秀明，戴建伟.APACHE Ⅲ危重疾病评分系统在ICU中的应用价值[J].中国基层医药，2005，5（5）：522.

[5] 谢华，李清南.康力龙、泼尼松对大鼠骨组织形态学的影响[J].解剖学研究，2000，22（1）：2527.

[6] 刘本伟.不同运动方式对去卵巢大鼠骨密度、生物力学及代谢指标的影响[D].上海：华东师范大学，2007.

[7] 菲利普.J.拉希.运动学和应用解剖学[M].胡绩，等，译.北京：人民体育出版社，1985.

[8] 张兆贤，张兆强.运动对去卵巢大鼠骨大小和骨量的影响[J].微量元素与健康研究，2009，26（5）：78.

[9] 章晓霜，李红，文质君.不同强度运动和雌激素联合作用对去卵巢大鼠骨骼影响的骨形态计量学研究[J].体育科学，2006，26（8）：4852.

[10] 章晓霜，许豪文，赵卫东.不同强度运动和雌激素联合作用对去卵巢大鼠骨骼生物力学性能的影响[J].中国运动医学杂志，2006，25（2）：187191.

[11] 鲍丽颖，王佩云.不同形式的运动对生长期大鼠下肢骨纵向生长的影响[J].天津体育学院学报，2003，11（3）：6365.

[12] Oursler M J，Osdoby P，Pyfferoen J，et al.Avian osteoclasts as estrogen target cells[J].Proc Natl Acad Sci USA，1991，88：66136617.

[13] Peng Z Q，Vaananen H K，Tuukkanen J.Ovariectomy瞚nduced bone loss can be affected by different intensities of treadmill running exercise in rats[J].Calcif Tissue Int，1997，60（5）：441448.

[14] 宋冰，张兆强.运动加强尼尔雌醇对去卵巢大鼠骨元素代谢的影响效应[J].微量元素与健康研究，2009，26（4）：13.

[15] Wronski T J，Y en C F，Dann Q H，et al Parathyroid hormone is more effective than estrogen of bisphosphonates for restoration of lost bone mass in ovariectomized rats[J].Endocrinology，1993，132：832831.

[16] Harold M，Frost.Does Bone Design Intend to Minimize Fatigue Failures：A Case for the Affirmative[J].J Bone Miner Metab，2000，18：278282.

[17] Harold M，Frost.The Utah Paradigm of Skeletal Physiology：an Overview of Its Insight for bone，Cartilage，Collagenious Tissue Organs[J].J Bone Miner Metab，2000，18：305316.

[18] Henderson J H，Carter D R.Mechanical induction in limb morphogenesis：the role of growth瞘enerated strains and pressures[J].Bone，2002，18（6）：645653.

[19] Kontulainen S，Sievanen H，Kannus P，et al.Effect of long term impactloading on mass，size，and estimated strength of humerus and radius of female racquet瞫ports players：a peripheral quantitative computed tomography study between young and old starters and controls[J].J Bone Miner Res，2002，17（12）：2281228.

[20] 陈柏龄，黎艺强.运动与雌激素对去卵巢大鼠股骨骨密度及生物力学性能的影响[J].中国运动医学杂志，2009，28（6）：609704.

[21] 李梅，李爽.运动对去卵巢大鼠骨矿含量和骨密度的影响[J].保健医学研究与实践，2009，6（1）：46.

[22] 孙颖.不同强度运动对骨质疏松模型大鼠骨代谢的影响[D].北京：北京体育大学，2001.

[23] 赵剑.有氧运动对2型糖尿病大鼠骨密度和骨生物力学指标的影响[D].上海：上海体育学院，2010.

[24] 董苗淼.运动配合左归丸对去卵巢大鼠骨生物力学及相关激素的影响[D].上海：上海体育学院，2010.

[25] 卜淑敏，王怡婧.中等强度跑台运动和雌激素对去卵巢大鼠肝脏 NO 含量及eNOS 和 iNOS 表达的影响[J].中国运动医学杂志，2010，29（1）：45.

[26] 宋亚琪.降钙素对卵巢切除大鼠股骨骨折愈合作用的实验研究[D].唐山：华北煤炭医学院，2010.

[27] 刘应芬.流体剪应力对去卵巢骨质疏松大鼠破骨细胞骨吸收功能的影响[D].成都：四川大学，2008.

2.2 各组大鼠左、右侧胫骨长度和相对重量的比较

2.3 各组大鼠股骨骨密度比较