运动和药物联合干预对老年2型糖尿病大鼠骨密度和骨生物力学的影响

常 波，高海宁，佟 瑶，李 涛，王卉莹，武 燕，贺 佳，曲广才

（沈阳体育学院运动人体科学学院，辽宁 沈阳 110102）

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运动和药物联合干预对老年2型糖尿病大鼠骨密度和骨生物力学的影响

常 波，高海宁，佟 瑶，李 涛，王卉莹，武 燕，贺 佳，曲广才

（沈阳体育学院运动人体科学学院，辽宁 沈阳 110102）

目的：探讨有氧运动联合药物干预对糖尿病大鼠骨密度和骨生物力学的影响。方法：将15月龄雌性SD大鼠（55只），随机分为正常饮食对照组（NC，11只）和高脂饮食组（HFD，44只），NC组用普通饲料喂养，高脂组给以高脂饲料喂养。8周后除NC组外，其余各组腹腔注射小剂量链脲佐菌素，建立2型糖尿病动物模型，并将其平均分成糖尿病对照组（DC）、糖尿病运动组（DE）、糖尿病药物组（DD）和糖尿病药物运动组（DDE）。DE组和DDE组进行8周的游泳训练，DD组和DDE组按体重灌胃8周二甲双胍。各组大鼠禁食12h，两个运动组大鼠末次运动结束24 h后取材，分离大鼠双侧股骨，剔净周围肌肉和软组织。双能X线法（DXA）测定右侧股骨骨密度，并对左侧股骨进行骨生物力学试验。结果：与NC组相比，DC组股骨重量有降低趋势，没有显著性差异；DE组、DD组及DDE组与DC组相比，股骨重量有升高趋势，但没有显著性差异。与NC组相比，DC组骨密度、骨生物力学指标显著降低（P＜0．05）；游泳8周后，DE组、DD组及DDE组与DC组相比骨密度及骨生物力学指标中最大应力、最大载荷显著升高（P＜0．05），DDE组与DE组相比，骨生物力学指标中最大应力、最大载荷和弹性模量显著性增强（P＜0．05）。结论：有氧运动训练和药物两种治疗方式，均改善2型糖尿病大鼠骨密度和骨生物力学指标，从而改变其骨质疏松状态，其中运动联合药物组作用效果更好。

糖尿病；大鼠；骨密度；骨生物力学；有氧运动

2型糖尿病（diabetesmellitus，DM）是一种常见的代谢性疾病。随着经济发展和人民生活水平的提高，发病率也逐年增加。临床上药物的治疗虽能使糖尿病急性并发症明显减少，但各种糖尿病慢性并发症明显增加。糖尿病性骨质疏松（diabetes osteoporosis，DOP）是DM并发症之一，使患者全身性的骨量减少及骨组织显微结构改变，骨强度降低，骨折危险度增大［1］。DOP早期病症不典型，不被患者及社会重视。一旦有骨折发生，不仅会因卧床加重糖尿病的发展，还会使DM患者伤残率显著升高，给家庭和社会造成巨大的经济负担。目前DOP已经引起国内外专家、学者的高度重视。对于DOP的治疗，多在治疗DM基础上参照原发性骨质疏松的治疗方案，如固本疏肝壮骨中医药治疗［2－4］或补充钙片等西医药疗法［3］。而单纯在原发性骨质疏松的治疗上，虽然骨量增加，但对骨组织结构和生物力学特征的治疗效果并不理想。可见单一方法在治疗DOP上还有一定的局限性。能否将多种防治方法手段有机结合起来，发挥各自的优势，达到联合增效的作用，还不清楚。笔者通过有氧运动和药物两种不同的干预方式，探讨其对2型糖尿病大鼠股骨骨密度和骨结构力学的影响，并进一步探讨两种干预方式联合作用对糖尿病大鼠骨质疏松的影响，为探寻防治2型糖尿病大鼠骨质疏松的方法提供实验依据。

1 材料与方法

1．1 实验对象

以55只15月龄雌性SD大鼠为研究对象。大鼠购置于中国人民解放军军事医学科学实验动物中心（许可证号：SCXK－（军）2010－004），分笼饲养，动物房温度（22±5）℃，相对湿度（50±10）%，明暗周期12／12 h。自由饮食饮水，记录大鼠每日的饮食量。

1．2 实验方法

大鼠适应性喂养1周后，称重，按体重将其随机分为5组，其中正常饮食对照组（NC）11只和高脂饮食组（HFD）44只，NC组以普通饲料喂养，高脂组喂食高脂高糖饲料，高脂高糖饲料配方为：含蛋黄10%、猪油20%、糖9．5%、盐1．5%、基础饲料59%，总能量为12．57 KJ／g，所有饲料均由沈阳市建民饲料厂提供。高脂8周后，高脂各组腹腔一次性注射STZ（30 mg／kg，Sigma），NC组大鼠一次腹腔注射柠檬酸盐缓冲液（pH 4．4）（1 ml／kg）。STZ注射后4周，高脂组空腹12 h，两次空腹血糖测试结果均值≥7．8 mmol／L，餐后血糖≥11．1 mmol／L，被认为是糖尿病大鼠［5－6］。剔除造模失败大鼠2只，并将其分成糖尿病安静组（DC）11只、糖尿病运动组（DE）10只、糖尿病药物组（DD）10只、糖尿病药物运动组（DDE）11只。

造模结束后，对DE组和DDE组大鼠进行6周的有氧游泳运动，每周运动6天，共8周，具体方案见表1。大鼠游泳水深50 cm，游泳水温保持在32℃～36℃之间［7－8］。DD组和DDE组按照大鼠体重给予二甲双胍灌胃［7］，DC组和DE组灌等量生理盐水。每天2次灌胃，共8周。

表1 每周游泳时间与间隔时间

实验数据采集各组大鼠的数量如表2所示。大鼠处死条件及方法同前期研究［8］，处死后剥离大鼠双侧股骨，去除股骨上的肌肉和结缔组织后，分别称双侧股骨鲜重，分别用浸透生理盐水的纱布包裹每侧股骨，做好标记，－80℃保持待检。

1．3 测试指标与方法

1．3．1 股骨骨密度测定 从－80℃冰箱中取出各

组大鼠左侧股骨，室温放置，待其自然解冻后，于中国医科大学盛京医院使用美国NORLAND公司生产的xR—36双能x线骨密度测定仪测量各组股骨远端骨密度。当大鼠股骨远端骨密度值小于正常组大鼠平均BMD2．5个标准差，即为骨质疏松的判断标准［1］。存活的DC组大鼠中有10只符合标准，则DM成模后DOP成功率达90．9%（10／11）。

1．3．2 股骨生物力学的测定 在沈阳师范大学材料重点实验室，使用意大利GALDABINI公司生产的材料试验机SUN1000 V669．2003，测定各组右侧骨骼3点弯曲试验。3点弯曲试验测试原理为：将样本放在两个支撑点上，使其保持一定距离，在两个支撑点正中心点上方对样本施加载荷，样本的3个接触点形成的两个力矩相等时，发生三点弯曲，样本将在中点处发生断裂。依据断裂的时长及加载力的大小等判断股骨生物力学的指标。

测试具体方法：从－80℃冰箱中取出各组大鼠右侧股骨，室温放置，使其自然解冻。调整材料试验机支点跨距为20 mm，将待测股骨放于两支点上，股骨标本放置的方向、位置等保持相对一致，以减少系统测量误差，调整上压头接近股骨，使上压头以1 mm／min速度下降，进行三点弯曲试验，直至骨折，测试软件0．1 s记录一次实验数据，自动保存在电脑中。记录最大载荷、断裂载荷、最大应力、弹性模量等指标［8］。

1．4 统计学方法

用统计软件SPSS 17．0处理数据，结果使用平均数±标准差（_X±S）表示，采用单因素方差分析的方法进行统计分析，以P＜0．05为具有统计学显著差异，以P＜0．01为具有统计学非常显著差异。

2 实验结果

表2显示，随机分组后，各组原始体重无显著性差异。与NC组相比，糖尿病各组通过高脂饲料的喂养，在注射小剂量STZ前体重均显著升高。取材时DC组体重高于NC组（P＜0．05），与DC组相比，DE组和DD组体重均有下降的趋势，但无统计学意义，DDE组体重下降具有统计学意义（P＜0．05）。

表2 5组大鼠各阶段体重变化情况

表3显示，各组分离股骨后，清除股骨周围筋膜和肌肉等软组织后，股骨处于新鲜状态，称量各组右侧股骨重量，可见DC组左侧股骨鲜重显著性低于NC组（P＜0．01），DE组、DD组及DDE左侧股骨鲜重与DC组相比显著升高（P＜0．05，P＜0．01），其中DDE组升高最明显。以BMD小于正常对照组大鼠2．5个标准差判断，存活的DC组大鼠中有10只符合标准，则DM成模后DOP成功率达90．9%（10／11）。DC组右侧股骨骨密度值显著低于NC组（P＜0．01），说明DC组大鼠出现明显的骨质疏松。DE组、DD组及DDE右侧股骨骨密度值与DC组相比，显著升高（P＜0．01），与NC组相比虽然有所降低，但无显著性差异，说明各组由于糖尿病所致的骨质疏松明显改善好转。

表3 各组大鼠股骨鲜重及骨密度变化情况

由表4可见，DC组与NC相比，最大应力、最大载荷、断裂载荷和弹性模量显著降低（P＜0．05，P＜0．01），DE组及DD组最大应力、最大载荷、断裂载荷和弹性模量与DC组相比有升高的趋势，其中最大应力、最大载荷两个指标的变化趋势明显，有统计学差异（P＜0．05，P＜0．05）。DDE组与DC组相比最大应力、最大载荷、断裂载荷和弹性模量显著升高（P＜0．05），与DE组相比最大应力、最大载荷和弹性模量显著升高（P＜0．05）。

表4 各组大鼠股骨骨生物力学指标变化情况

3 分析与讨论

2型糖尿病发病率的逐年增高，骨质疏松是2型糖尿病最常见的并发症，其发病也随之逐年增加。研究显示，约50%的糖尿病患者并发骨质疏松［1］。有文献报道，1型糖尿病患者具有较高的骨质疏松症发病率，2型糖尿病患者中的骨质疏松发病差别较大。国内报道2型糖尿病骨量减少的发生率为30%～74．1%，是非糖尿病人群的2～4倍以上［9］。

骨密度是反映骨皮质厚度、骨小梁结构和骨量的重要指标，也是间接评价骨丢失程度的指标之一。双能X线骨密度（DXA）测定是目前测量人体及实验动物BMD的最好方法［1－10］。以BMD小于正常对照组大鼠2．5个标准差判断，存活的DC组大鼠中有10只符合标准，则DM成模后DOP成功率达90．9%（10／11）。本研究中DC组左侧股骨鲜重显著低于NC组，DC组右侧股骨骨密度值显著低于NC组。由此可见糖尿病模型组出现股骨重量降低，股骨远端骨密度降低，说明其出现骨质疏松现象。DE组、DD组及DDE左侧股骨鲜重与DC组相比显著升高，其中DDE组升高最明显；DE、DD及DD组右侧股骨骨密度值与DC组相比显著升高。说明通过有氧运动和药物（二甲双胍）干预，大鼠骨重有所增加，骨密度进一步提升，糖尿病所致骨质疏松有所缓解和改善，运动联合药物干预组大鼠股骨骨密度和股骨新鲜骨重量（鲜骨重）最高，作用效果更加显著。分析本研究大鼠骨密度变化原因，考虑与大鼠体重改变相关。本研究中，糖尿病各组大鼠体重在高脂高糖饮食后，体重增加显著，增重约25%。DE组、DD组及DDE组，虽然在运动和药物干预后，大鼠体重均有所下降，但仍然显著高于正常对照组，仍然属于肥胖大鼠。有研究认为体重对骨骼有一定的刺激作用，对骨量具有一定的保护作用。但为何本研究DE组、DD组及DDE组大鼠出现骨量减少？分析原因可能是肥胖的2型糖尿病患者在血糖的刺激作用下，胰岛素分泌增加，长期的高血糖和胰岛素的降糖能力减弱，出现胰岛素抵抗。高血糖可产生渗透性利尿，在尿中大量排出钙、磷、镁等物质，引起血清钙、磷浓度显著降低，使甲状旁腺素分泌增多，破骨细胞活性增强，钙磷动员增加，加重骨量丢失，出现骨代谢异常［11］。前人研究表明患糖尿病时，胰岛素缺乏，胰岛素在骨代谢过程中可能发挥重要作用，来完成骨转化过程，胰岛素不足时，骨胶原合成不足，钙流失增多，易发生骨质疏松［12］，这与本研究结果一致。

糖尿病破坏患者骨质结构和微结构，可使骨的强度、刚度和骨的稳定性能呈现不同程度的降低，发生骨折的危险性大大增加。最大应力、最大载荷、断裂载荷和弹性模量是反应骨骼生物力学性能的重要指标，有助于对骨质量进行直接评价［13］。DC组与NC组相比，最大应力、最大载荷、断裂载荷和弹性模量显著降低，表明糖尿病导致大鼠出现骨的强度和骨的刚性显著的降低，骨的质量显著降低。DE组及DD组最大应力、最大载荷、断裂载荷和弹性模量与DC组相比有升高的趋势，其中最大应力、最大载荷两个指标的变化趋势明显，有统计学差异，表明通过有氧运动或药物（二甲双胍）干预后，糖尿病所致的大鼠骨生物力学指标有显著改善，骨的质量有所提升。机械刺激和应力影响骨的代谢、发育及骨的形态结构［14］。这种应力主要表现为骨所承受的重力以及肌肉对骨的牵张力。对骨的强度起决定性作用的就是肌肉对骨的牵张力。运动时通过骨骼胶原基质的变形产生压电效应，使骨细胞生存的物理环境发生改变，进而影响骨细胞的增生和分化［15］，这也就是骨对运动负荷产生的适应性改变。Carter等的研究结果表明，在成年的股骨近端，当加大载荷量或增加载荷时，松质骨的体积密度和皮质骨的厚度增加，相反，当载荷减少时出现骨量的丢失。由此可见，合理适当的有氧运动可以使骨骼产生适应性改变，改善骨生物力学指标的性能。另外，二甲双胍是糖尿病常用药。实验证明二甲双胍促进生理葡萄糖浓度下成骨细胞的生长与分化，诱导成骨细胞细胞外基质矿化，促进原代成骨细胞的生长、分化及矿化［16］。进一步研究发现二甲双胍增强大鼠下颌骨成骨细胞葡萄糖转运体1蛋白表达，增加成骨细胞的葡萄糖摄取率［17］。由此可见，二甲双胍在糖尿病的治疗及其并发症骨质疏松的改善上均起到良性促进作用。本研究结果与其相同，二甲双胍能改善糖尿病性骨质疏松大鼠骨生物力学指标。DDE组与DC组相比最大应力、最大载荷、断裂载荷和弹性模量显著升高，与DE组相比最大应力、最大载荷和弹性模量显著升高，表明有氧运动联合药物（二甲双胍）干预，对糖尿病所致大鼠骨生物力学指标的改善是最佳的。

4 结论

高脂膳食结合小剂量STZ诱导的2型糖尿病大鼠出现股骨骨量减少，骨密度降低，股骨最大应力、最大载荷、断裂载荷和弹性模量降低；6周单纯的游泳训练和二甲双胍对改善2型糖尿病的骨量减少、骨密度降低及骨生物力学指标变化有一定作用，两者联合干预效果最佳。

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责任编辑：乔艳春

Effects on Bone Density and Bone Biomechanic by M ovement and Drug in Type 2 Diabetic Old Rats

CHANG Bo，GAO Haining，TONG Yao，LITao，WANG Huiying，WU Yan，HE Jia，QU Guangcai
（School of Kinesiology，Shenyang Sport University，Shenyang 110102，Liaoning，China）

Objective：To investigate the aerobic endurance and drug effects on bonem ineral density and bone biomechanics of diabetic rat．Methods：15-months old male SD rats（55）were random ly divided into two groups：normal diet control group（NC，11）and high fat diet group（HFD，44）．HFD group was equally divided into diabetic control group（DC），diabetic exercise group（DE），diabetic drug group（DD）and exercise group（DDE）diabetic drugs．NC group was fed w ith normal dietand the other groupswere fed w ith high fatand high glucose diet．After8 weeks，groups exceptNC group were injection by streptozotocin to create diabetic model．DE and DDE group were designed to the sw imm ing training for 8 weeks，and these two groupswere gavaged by met form in upon weight for 8 weeks．Rats in each group were nest in 12 hours，and then isolated bilateral femur，tick the net around themuscle and soft tissue．Determ ination of right femur bone m ineral density by using dual-energy X-ray（DXA），and bone biomechanical of the left femur was measured．Results：compared w ith NC group，DC group of fresh femoralweight tended to be reduced，and no significant difference．Compared w ith DC group，the fresh femoral weightwas increased in the DE group，DD group and DDE group，however，there were not significant difference．Compared w ith NC group，bonem ineral density and bone biomechanics indexes were decreased significantly（P＜0．05）in DC group．After sw imm ing for8weeks，compared w ith the DC group，bonem ineral density and themaximum stress and maximum load of bone biomechanical indexes were significantly increased（P＜0．05）in DE group，DD group and DDE group．Compared w ith DE group，the maximum stress，maximum load and elastic modulus of bone biomechanical indexeswere obviously increased of DDE group（P＜0．05）．Conclusion：aerobic exercise training and drug intervention can both improve bonem ineral density and bone biomechanical indexes in type 2 diabetic rats，so as to change the osteoporosis．And themovement combined w ith drug group performs a better effect．

diabetesmellitus；rat；bonemineral density；bone biomechanics；aerobic exercise

G804．7

A

1004－0560（2015）06－0082－05

2015-10-12；

2015-11-15

辽宁省自然科学基金项目（2015020704）；沈阳体育学院重点学科建设项目（XKFX1511）。

常 波（1964—），男，教授，博士，主要研究方向为运动人体科学。