运动对去势大鼠椎体生物力学性能影响的实验

刘建宇　刘黎明

摘要：为了观察运动对去势大鼠椎体生物力学性能的影响，并探讨其机理，选择体重（240±20）g的雌性大鼠如将3月龄雌性SD大鼠96只，体重（240±20）g，按体重随机分成假手术组(Sham组) 、模型组(Model组)、己烯雌酚组(DES组)和运动组(EX组)，每组24只。假手术组仅切除卵巢附近一团脂肪，其余组均切除双侧卵巢。术后按不同要求灌胃给药或运动，按批次分别于8周、12周和16周后处死大鼠，每次每组8只，对各组大鼠第3腰椎行生物力学性能检测，统计分析各组数据。结果表明：运动组能明显提高去势大鼠椎体的生物力学性能，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。

关键词： 运动生物力学；骨质疏松症；干预时间

中图分类号： G 804.6 文章编号：1009783X(2012)03028405 文献标志码： A

收稿日期：20100722

作者简介：刘建宇(1978—)，男，湖南岳阳人，硕士，讲师，研究方向为运动医学；刘黎明1955—)，男，重庆人，教授，研究方向为体育教育。

作者单位：重庆三峡学院体育学院，重庆 404000

School of Physical Education,Chongqing Three Gorges University,Chongqing 404000,China.绝经后骨质疏松症是一种临床上常见的难治性疾病，目前，药物治疗由于价格较昂贵,治疗周期长而副作用多,使用有一定限制[1]。探索安全、方便、经济的治疗方式一直是医学界的一大课题，选用非药物手段预防或延缓骨质丢失越来越受到重视。本实验通过运动干预的方法，观察运动去势大鼠骨质疏松症椎体生物力学性能的影响，验证运动防治原发性骨质疏松症的疗效，并进一步探讨其机理。

1 材料与方法

1.1 实验药物

己烯雌酚片：上海信谊药业有限公司生产，批号：030401。

1.2 实验动物

四川大学实验动物中心提供，共96只3月龄，体重（240±20）g的雌性SD大鼠。

1.3 造模方法

将96只大鼠按体重随机分为A、B 2组，其中A组24只为假手术组（Sham组），B组72只为造模组。各组大鼠均以1%的硫贲妥钠溶液按2.4 mL/kg腹腔注射麻醉。B组大鼠切除双侧卵巢，A组大鼠仅切除卵巢附近一小部分脂肪。术后均给予0.5%碘伏伤口外擦，肌肉注射青霉素钠25万单位/（只/d），连用3 d，以防感染。

1.4 分组

术后1周，将B组72只大鼠按体重随机分为模型组(Model组)、己烯雌酚组(DES组)和运动组(EX组)，每组24只。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。

1.5 干预措施

己烯雌酚组大鼠每日1次灌胃，按22.5 μg/（kgd）的量给药，质量浓度为2.25 μg/mL，其余各组按体重灌服等量生理盐水。假手术组和模型组仅灌服生理盐水。运动组运动方式参照Bedford[2]的动物负荷标准，运动组大鼠术后第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10°，维持此强度，5 d/w，每天运动分早晚2次。休息日各组照常灌药(水)。

1.6 样品收集及处理

采用不同方式干预各组大鼠后，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，完整取出各组大鼠L3椎体。剪除椎体上下椎间盘、棘突及附件，并用细砂纸打磨成上下平面平行且与纵轴垂直的三棱柱，高度约为60 mm。各标本在制取过程中均用生理盐水纱布包裹。将处理过的骨标本置于-20℃冰箱保存，测试前夜取出解冻。

1.7 观察指标

椎体生物力学测试：椎体压缩试验，将椎体置于Instron万能材料试验机(四川大学高分子材料国家重点实验室提供，美国Instron Co.生产)上，取加载速度1 mm/min进行测试，记录其载荷脖湫吻线与应力灿Ρ淝线；椎体结构力学参数由载荷脖湫吻线获得，材料力学参数由应力灿Ρ淝线获得。

1.8 数据处理

2 实验结果

2.1 第8周各组生物力学参数

2.1.1 第8周各组椎体结构力学参数

2.1.2 第8周各组椎体材料力学参数

3 讨论

应用骨量、骨矿密度及骨质含量（骨矿物质和有机质）的变化来诊断骨质疏松症、评价药物疗效曾被大量采用，并得到了较广泛的公认；但这些指标仅是从“量”的角度描述了骨质的丢失，还不能准确反映骨内在性能的变化，必然存在一定偏差[34]。骨质量则是从“质”的角度对骨骼性能进行描述，它是骨的成分、构筑状态及细微结构的综合性概括[56]；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。

3.1 雌激素改善椎体生物力学性能的效果

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的骨转换率[7]，本实验中，各时间段己烯雌酚组大鼠生物力学性能较模型组均有显著变化(P<0.05或P<0.01)，与假手术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椎体生物力学性能。杨国敏[8]报道单纯应用雌激素进行替代治疗虽可使去卵巢后大鼠骨生物力学性能有所改善，但骨脆性较高,而且应用雌激素治疗大鼠副作用较多。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、易激惹等类似绝经期及绝经后妇女某些症状。一般认为应用雌激素后乳腺癌、子宫瘤等并发症风险亦可能增加。

3.2 运动改善椎体生物力学性能及防治骨质疏松症的效果

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一些学者重视。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[811]。本实验结果表明，与假手术组相比，各时间段模型组大鼠椎体结构力学参数明显变化(P<0.05或P<0.01)，说明大鼠去除卵巢后，椎体承受外力的强度降低，导致骨折所需的应力减小，临床上则表现为骨骼承受外力的能力降低，易于造成骨折；与模型组相比，各时间段运动组的结构力学参数和材料力学参数标均明显增高（P<0.05），与己烯雌酚组相比，运动组无明显变化(P>0.05)，说明应用运动防治骨质疏松症有明显效果，和传统雌激素疗效相当。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。适合的运动负荷及强度会诱导骨量增加和骨的结构改善；应变过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折,应变过小或出现废用则导致骨质流失过快，即wolff定理[12]。运动对长骨生物力学性能改善的相关报道较多，一般认为运动中应力沿下肢骨向上传递，直接对下肢骨产生力学刺激从而改善其生物力学性能，而大鼠跑步运动中四肢着地，故应力对椎体骨的影响较股骨小[13-15]。本实验结果表明，运动能改善去势大鼠椎体骨生物力学性能，这可能与实验采用的运动干预跑台具有一定坡度（较常用的Bedford动物负荷标准的5°加大到10°），使大鼠在运动中承受上下方向的应力加大，而且大鼠在上坡跑动中，腰部必须作一定程度的弯曲、伸展，这样进一步加大了腰椎的应力刺激。这与步斌[16]报道的游泳运动改善去势大鼠腰椎生物力学性能有一定相似性。魏兆松等[17]报道用跑步运动干预去势大鼠，与模型组相比，大鼠腰椎多项生物力学指标明显改善，但跑步运动对大鼠股骨生物力学指标影响较腰椎更大。骨质疏松程度与骨表面积呈正比，松质骨（如椎体）骨表面积较密质骨（如股骨）大，故临床上骨质疏松的发生往往开始于脊柱，且椎体的骨质疏松程度较股骨重。运用运动方法治疗骨质疏松症得到认可，刘开渊[18]报道分别应用钙尔奇 D和运动干预老年女性，治疗后2组患者的 L1～4 骨密度均有显著上升，其中运动疗法组骨密度的上升更为明显，骨痛症状明显缓解，运动疗法组的显效率高于钙尔奇 D组，其骨折发生率低于钙尔奇 D组。临床上可在实践中运用四肢攀爬登阶梯训练防治下腰部疼痛和椎骨骨质疏松。亦有学者认为运动疗法和其他疗法联合运用效果更佳，陈立峰[19]和江大雷[20]报道中药与运动联合应用防治去势大鼠骨质疏松症方面具有协同作用。

3.3 运动时长对改善椎体生物力学性能的影响

目前，运动时间长短对改善骨质疏松骨生物力学性能的相关报道未查阅到。本实验结果中，随着运动干预时间的延长，运动组多数参数数值上逐渐接近己烯雌酚组，有些参数甚至数值上超过，如破断载荷和破断强度，可部分说明随着运动干预时间的延长，运动对大鼠椎体生物力学性能的影响不断明显，逐渐接近，甚至超过雌激素干预的影响。分析表7和表8可以得出，从第8周到第12周，大鼠椎体结构力学参数和材料力学参数多数数值上有下降趋势，但第16周相比第12周，部分参数数值出现逆转，甚至高于第8周，说明随着时间的延长，去卵巢大鼠椎体的生物力学性能逐渐降低，但随着运动干预时间的延长，大鼠椎体生物力学性能逐渐增强。虽然并无统计学意义，但已经表现出运动对大鼠椎体生物力学性能与时间呈相关关系的趋势，这也为进一步研究运动干预时间的确定提供了方向。

4 结论

1)合理的运动干预能有效抑制去卵巢大鼠椎体生物力学性能下降，减少骨质丢失，减缓骨质量的降低速度。

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，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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