负重爬梯与负重跑台运动对大鼠股骨微结构及力学特性的影响

唐 量，高小航，赵新娟，张 静，孙丽君

（陕西师范大学体育学院，陕西西安710119）

负重爬梯与负重跑台运动对大鼠股骨微结构及力学特性的影响

唐 量，高小航，赵新娟，张 静，孙丽君

（陕西师范大学体育学院，陕西西安710119）

观察负重爬梯运动与负重跑台运动对大鼠股骨微结构及生物力学的影响，分别评价两种运动对股骨的作用效果。将28只16周SD雄性大鼠随机分为3个组：负重跑台运动组（WR），负重爬梯运动组（LC）以及对照组（CON）。WR组在晚上进行每周6次持续8周无坡度15m／min的负重跑台运动，每组运动2min，间歇2min，共10组，周日休息；LC组在晚上同期进行负重爬梯训练3组，每组10次，每次间歇2min；CON组不施加干预。实验8周后，戊巴比妥钠麻醉处死，并按解剖位置截取大鼠左右股骨分别用来进行Micro－CT扫描和三点弯曲实验，对其微结构及生物力学参数进行分析。Micro－CT定量分析显示，与CON组对比，WR组与CL组的骨小梁数量（Tb. N）和骨体积分数（BV／TV）均出现显著性增加，骨小梁分离度（Tb.Sp）和结构模型指数（SMI）均呈现显著性降低；三点实验显示，与WR组和CON组对比，CL组的弹性模量（MOE）呈现出显著性增加；与CON组对比，WR组与CL组的最大载荷（ML）均出现显著性增加，WR组的刚度出现显著性增加。以上结果表明，经过8周的负重训练，两种训练方式均能在不同程度上改变骨的微结构及生物力学特性，负重爬梯训练的效果优于负重跑台训练。

负重跑台；负重爬梯；骨微结构；力学特性；大鼠

年轻个体骨发育包括骨密度、骨小梁数量、骨体积等的日趋增加，众多研究表明发育期进行运动干预是提高骨健康的最佳时期，对于骨健康的发育作用明显［1－3］。青春期进行负重运动可以提高峰值骨量，青春期是峰值骨量的形成敏感时期，在生长发育的高峰期参加运动可以促进骨的构建，从而更好地预防如骨质疏松等骨组织相关疾病发生。

Micro－CT及三维重建技术近年来兴起并广泛用于对骨、胸腔器官、腹腔器官、血管结构的相关研究中［4］；三点弯曲实验则是传统的对实验动物生物力学指标进行测试的一种手段［5］。本文采用 Micro－CT技术与三点弯曲实验相结合的方式，对负重跑台与负重爬梯两种抗阻力运动后股骨的微结构与生物力学特性进行评价，为负重训练促进骨组织健康提供实验参考。

1 材料与方法

1.1 主要试剂与仪器

生理盐水、纱布、游标卡尺、戊巴比妥钠（pentobarbital sodium）、－80℃冰箱（V410，NBS）、课题组自行研发爬梯装置、电动跑台（杭州段氏）、材料测试系统（MTS－858，MTS System Inc.，USA）、Micro－CT扫描仪（ZKKS－MCT－Sharp，中国科学院自动化研究所分子影像研发中心联合西安电子科技大学自主研发）。

1.2 实验动物分组

28只健康成年Sprague－Dawley（SD）大鼠购自西安交通大学医学院动物中心，适应性饲养后开始进行实验，分笼饲养自由饮水进食，食物为国家标准啮齿动物饲料（GB 14924.3－2001），室内温度20～24℃，湿度40%～50%，饲养及运动期间动物无任何感染现象。

1.3 运动方案

SD大鼠适应性喂养1周后，随机分为3个组：负重跑台运动组（WR）10只、爬梯训练组（LC）10只、正常对照组（CON）8只。为了防止运动组出现意外，负重饱合运动组与爬梯训练组比对照组多出2只大鼠，最后取运动状态较好的8只纳入实验。WR组在晚上进行每周6次持续8周无坡度15m／min的负重跑台运动，负荷量为体重的35%，负重装置采用自主专利产品［6］，每组运动2min，间歇2min，共10组，周日休息。LC组在晚上同期进行爬梯训练3组，每组10次，按大鼠自身体重的35%采用尾部负重进行爬梯训练［7］；爬梯高1m，每级梯阶相隔2cm；训练时爬梯倾斜85°放置；每次间歇2min。CON组不施加任何干预。

1.4 股骨样品的处理

取材前动物禁食不禁水过夜，将SD大鼠用戊巴比妥钠（50mg／kg）按体重麻醉后处死，立即取两侧股骨，剔除骨上附着的肌肉及软骨组织，用生理盐水浸过的纱布包裹保持骨样品的湿润放入－80℃保存待测。

1.5 生物力学参数的测定

1.5.1 股骨几何参数 取得样品后测量骨重，用游标卡尺分别测量股骨的骨长度、距股骨干骺端末端的矢状径、冠状径与股骨骨干中点的矢状径、冠状径的长度，并记录备用。

1.5.2 三点弯曲实验 股骨骨样品在室温融化，融化过程用生理盐水保持骨的湿润，融化后用材料测试系统进行骨样品测试，将骨样品置于支架上，调节跨距为20mm，其横截面短轴的方向与载荷方向一致，以保证每个股样品受力后沿长轴线产生的弯曲与加载后长轴产生的桡度方向一致。实验速度设置为2mm／min。测试过程中，负荷力的变化与位移变化会自动记录在电脑中，随后，将数据导入OrininPro 9.0软件（OriginalLab Corporation，USA）呈现负荷曲线及相关力学参数［8］，包括：最大载荷（Maximum Loading，ML）、斜率（Linear Slope，LS）、能量吸收（Energy Absorption Capacity，EAC）。在测试结束后于断裂处用游标卡尺分别对股骨的骨截面外侧长轴（a，mm）、骨截面外侧短轴（b，mm）、股横截面皮质骨的厚度（过四侧皮质骨得出均值t，mm）进行测量并记录。据公式求算出弹性模量（Modulus of Elasticity，MOE）：MOE＝FL3／48dI。其中，F为施与骨的载荷值（线性段），单位为N；d为载荷对应的位移，单位为mm；L跨距，单位为mm；I为惯性矩，据公式I＝π［ab3－（a－2t）（b－2t）3］／64计算。并用Origin9得出最大能量吸收（载荷－变形曲线下的面积，表示骨发生变形时吸收的总能量，单位为mJ）、刚度（线性部分斜率，单位为N／mm）。

1.6 Micro－CT

同样，股骨样品在室温融化，融化过程用生理盐水保持骨的湿润，融化后用于Micro－CT扫描测试，将骨样品固定于中间支架上，设置电压为50kV，电流为1mA，角度增益为0.36°，曝光时间为250ms，分辨率为35μm×35μm×35μm进行扫描。扫描得到PRJ格式数据，将PRJ数据导入MedProject软件进行坐标处理后得到IMO格式图像，对IMO图像进行三维重建。定量分析时，将IMO文件转换为RAW格式导入3DMed软件对感兴趣区（Region of Interest，ROI）选取距生长板远端10个片段（0.35mm）处60个片段（2.1mm）的区域进行分析，阈值分割（SegVolume，SG）为灰度值的峰值区域，对其进行可视化呈现，并分析如下物理参数：骨小梁数量（Tb.N），骨小梁分离度（Tb.Sp），骨小梁厚度（Tb.Th），骨矿物质密度（BMD），骨体积分数（BV／TV），结构模型指数（SMI）。

1.7 统计学处理

实验数据均以¯x±SD表示，用PASW18.0（IBM，USA）软件根据方差齐性进行单因素方差分析（One－Way，ANOVA）或LSD－t检验进行组间比较，P＜0.05为具有统计学意义的显著性差异。

2 结果

2.1 三组大鼠体重及骨重比较

图1显示，经过8周的负重跑台运动与爬梯运动后，WR组与LC组与CON组对比，身体重量和股骨重量均没有明显差异。

图1 三组大鼠的体重及骨重的比较Fig.1 Comparison of body weight and bone weight in three groups

2.2 三组大鼠Micro－CT定量分析

如图2中Micro－CT定量分析结果显示，经过8周训练，与CON组的大鼠相比，WR组左股骨的BV／TV与Tb.N均显著性升高（+9.2%，P＝0.029；+7.7%，P＝0.037），LC组左股骨的BV／TV与Tb.N也显著性升高（+8.8%，P＝0.025；+10%，P＝0.007）；WR组左股骨的Tb.Sp与SMI均显著性降低（－18%，P＝0.016；－34.6%，P＝0.009），LC组左股骨的Tb.Sp与SMI也显著性降低（－19.1%，P＝0.011；－37%，P＝0.005）；WR组BMD比CON组显著升高（+11.4%， P＝0.013），在WR组与LC组中，Tb.Th中均没有显著性差异（见图2b和d）。Micro CT的三维可视化图像（图3）进一步验证了统计分析的结果，WR组及LC组在骨微结构上均优于对照组。

图2 三组大鼠左股骨的Micro－CT分析结果Fig.2 Results of Micro－CT analysis in left femur of rats in three groups

图3 三组大鼠ROI区域的三维可视化图像Fig.3 Three－dimensional visualization of the region of interest（ROI）in three groups

2.3 三组大鼠三点弯曲测试结果比较

由图4显示，经过8周训练，与CON组对比，WR组的ML显著升高（+12.7%，P＝0.034），刚度显著性升高（+23.4%，P＝0.028），MOE及EAC均没有显著性差异；CL组中，与CON组对比，MOE及ML均显著性升高（+50.4%，P＝0.007；+14.1%，P＝0.024），EAC及刚度均没观察到显著性差异；CL组与WR组对比，MOE显著性升高（+20.4%，P＝0.046）。

图4 三组大鼠右股骨的三点弯曲实验结果Fig.4 Results of three－point test in right femur of rats in three groups

3 讨论

骨骼作为人体的重要支撑系统，骨组织微结构出现恶化，会增加骨折风险［9］。其中一个有效的防御措施就是在青年期提高骨量，增进骨组织健康［1011］。负重运动作为常用运动方式的一种，除了对机体的各种机能产生影响外，还对机体骨骼肌的重量、体积、密度、力量的增加具有积极意义，从而对机体骨质疏松的预防、骨组织健康的促进发挥重要作用。有研究表明，规律的负重训练是增进青少年骨组织健康的一种有效途径［11－12］。早在1989年Feldkamp等［13］就提出Micro－CT这种基于X射线显微成像系统用来分析骨结构可以精确到微米级，Micro－CT与传统的骨组织形态计量学方法相比（先使用组织学方法制作组织切片，进而获得局部的二维图像，再计算出相关数据），具有操作简便、无创性、适用范围广、数据精确、三维可视化、可重复性等优点；随后被广泛用于分析骨组织的微结构，能够真实反映骨组织的各种变化。又有学者指出在骨的微结构研究中至少要包括BV／TV、Tb.Th、Tb.Sp、和Tb.N这些基本指标［14］。三点弯曲实验应用非常广泛，相对于张拉、弯曲、压缩和扭转等测试方法具有操作简便，数据准确，受其他因素干扰小的特点，但是却不具有重复测试性。在实验中，股骨通常用来作为研究对象，相对来讲比较容易获得三点弯曲实验或四点弯曲实验等来进行相关的力学特性。因此，本文通过使用Micro－CT系统与三点弯曲实验相结合的方式对负重跑台和负重爬梯运动后的大鼠进行股骨的微结构与力学特性的评价。

近年来，有多项研究提示，负重运动训练对于提高骨量，减少骨折发生风险有积极的作用［15－17］，Hind和Burrows等［1］明确指出在青年期的负重训练能促进骨的健康，而Rizzoli等［10］进一步指出青少年骨的健康成长可有效预防骨折的发生。本研究也显示，经过8周的负重训练，股骨微结构的相关参数得到明显改善，体现为骨小梁数量明显增加，分离度明显下降，骨体积分数明显上升，SMI指数明显下降。有研究指出骨小梁数目与骨的最大力量呈正相关［18］，本实验中，我们也观察到了8周负重运动后骨小梁数目与骨的最大力量均有显著增加趋势。有研究表明，经过训练大鼠与未经过训练的大鼠中骨体积分数明显上升［19］，与本实验的结果相一致。赵献银等［20］指出Tb.Sp的增大是导致骨量下降的主要诱因，经过8周的负重训练，无论是WR组或CL组队Tb.Sp都有所下降，表明骨小梁排列更紧密，对于骨组织健康有积极意义。已经有多位学者研究显示，负重训练会提高骨骼的BMD［1，21－23］，然而，也有学者指出虽然BMD的变化提供了骨骼变化的数量信息，但是BMD的变化只是显示骨组织状况的众多因素之一，并不能客观有效地反映骨强度的变化［24］。在我们的研究中，WR组的BMD显著增加，没有观察到骨小梁厚度的差异性变化。Micro－CT的结果说明，负重跑台与负重爬梯运动均在不同程度上改善了骨微结构，从而增进骨组织健康。

在对股骨力学特性的评估中，我们观察到经过8周负重跑台运动的股骨刚度要显著高于没有经过训练的大鼠股骨刚度，而同期的负重爬梯组则没有显著性升高，提示我们8周负重跑台运动对骨刚度的效果要好于负重爬梯训练。Rubin［25］指出骨强度作为骨质健康的评价标准已经得到越来越多的学者认可，它可以反映出骨的内在特性，与骨的几何形状无关。我们同样观测到，与CON组对比，WR组与LC组的ML均显著增高，提示我们负重训练能提高骨的最大载荷。在本次实验中还观察到，LC组的MOE显著高于CON组与WT组，按照文献［26］得出的理论，MOE对于骨组织健康程度的反映要优于刚度与能量吸收。本研究结果显示，8周负重爬梯运动在提高骨的力学特性方面优于同期负重跑台的运动效果，本次研究的力学特性与骨微结构的结果相符，进一步证明了力学特性与骨微结构之间有密切的相关性。

在本研究中，体重及骨重与正常组对比均未出现显著性变化，说明负重运动并非通过增加重量的方式促进骨的健康，而是通过改变骨的微结构来改善骨的生物力学特征，促使骨组织对运动产生更好的适应性。据我们所知，鲜有学者对负重训练后骨的微结构和力学特性做深入分析。因三点弯曲实验具有不可重复的破坏性，所以在日常生活中有着致命的局限性，Micro－CT检测也有不足之处，不能完全取代组织病理学与生物学检测；但在骨骼的研究中，可以充分发挥Micro－CT在形态测量方面的优势。

4 结论

本文通过负重跑台及负重爬梯两种负重运动方式对大鼠股骨的影响进行了初步探索，用Micro－CT及三点弯曲测试对骨的微结构及力学特性进行综合分析，得出两种负重运动均可提高骨的质量而负重爬梯的效果稍优于负重跑台的训练效果，体现在骨小梁数量明显增加、分离度明显下降、骨体积分数明显上升、SMI指数明显下降、骨的最大载荷量增加等方面。负重训练在改善骨微结构，增强骨强度，改善骨负荷耐受能力，进而预防骨的相关疾病，增进骨的健康等方面具有积极意义，也为负重运动对骨的健康影响提供了可靠依据。

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〔责任编辑 李 博〕

The influence of weight－bearing treadmill running and climbing－ladder exercise on micro－structure and biomechanical properties of rats femur

TANG Liang，GAO Xiaohang，ZHAO Xinjuan，ZHANG Jing，SUN Lijun
（School of Physical Education，Shaanxi Normal University，Xi'an 710119，Shaanxi，China）

The aim of the study was to investigate the micro－structure and biomechanical properties of femur of rats that treated with weight－bearing treadmill running and climb ladder，and evaluating the meaning of two exercise to the femur.Twenty－eight male Sprague－Dawley rats were randomly divided into 3groups：weight－bearing treadmill group（WR），weight－bearing climbing ladder group（CL），control group（CON）.WR group were trained，running on a motor－driven treadmill at a speed of 15m／min（0incline）bearing with 35%their body－weight mass added，two minutes running and two minutes intervals between each 40minutes cycle，6days／week.LC group were trained three cycle（10times／cycle）with the same weight，two minutes intervals.After trained with 8weeks，all rats were euthanized by pentobarbital sodium and the femur were harvested for Micro－CT and three－point test.The results is revealed by Micro－CT.Comparing with the CON group，the trabecular number（Tb.N）and bone volume over total volume（BV／TV）of the WR group and CL group increased significantly.Meanwhile the trabecular separation（Tb.Sp）and structure model index（SMI）decreased significantly.The three－point test showed that，the Modulus of Elasticity（MOE）of the CL group were significantly higher than the WR group and CON group.The maximum loading（ML）of the WR group and CL group were significantly higher than the CON group.And the stiffness（slope linear）in the WR group increased significantly compared with the CON group.The results suggested that both ways of weightbearing training can improve the micro－structure and the biomechanical properties in different degrees after the 8weeks of weight－bearing training，and the weight－bearing climbing training is better than the weight－bearing treadmill training.

weight－bearing treadmill running；climbing－ladder exercise；bone micro－structure；biomechanical properties；rats

G804.6

：A

1672－4291（2015）06－0100－06

10.15983／j.cnki.jsnu.2015.06.264

2015－06－20

国家自然科学基金（30900710）；陕西省自然科学基金（2015JQ2051）；中央高校基础科研项目（GK201402045）

唐量，男，教授，博士，研究方向为运动与慢性病的防治。E－mail：tl531＠snnu.edu.cn