尾吊大鼠恢复负荷后肌萎缩和骨丢失的差异响应

杨 扬

西安市疾病预防控制中心（西安 710054）

失负荷引起的肌萎缩和骨丢失是衰老、长期卧床或微重力等条件下的适应性病理变化［1－2］，采用合理的锻炼方案恢复肌肉负荷是纠正失负荷引起的肌萎缩和骨丢失的有效方法。但是在恢复负荷过程中，下肢不同部位的肌萎缩与骨丢失的恢复有何特征还缺乏相关研究。本研究选择大鼠尾吊模型，尾吊3周后恢复负荷1周，检测大鼠比目鱼肌、腓肠肌、胫骨前肌和趾长伸肌的肌萎缩及改善情况，同时分离大鼠股骨和胫骨，检测骨密度与力学性能，为研究恢复负荷过程中骨骼肌和骨的生理／病理特征提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验动物

30只6 周龄雄性SD大鼠（购自上海斯莱克实验动物中心），体质量210～250g，随机分为对照组、尾吊组和恢复组，每组10只。饲养于SPF级动物中心，12h／12h明暗环境。

1.2 动物模型制备及处理

对照组不进行尾吊；尾吊组从7周龄开始尾吊，尾吊3周；恢复组从6周龄开始尾吊，尾吊3周后，解除尾吊，恢复1周。对照组从6周龄开始计算体质量。尾吊组和恢复组大鼠经苯巴比妥钠麻醉后，使用无菌的金属骨针于第2、3尾椎骨间穿过，将金属骨针弯成圆环，使用碘酒进行消毒处理后，用医用纱布包裹伤口。通过金属骨针的圆环将大鼠尾巴悬吊在尾吊鼠笼上方，使其后肢离地，前肢可与鼠笼底部接触，且身体与鼠笼底部呈30°夹角。大鼠在笼内能够自由走动、进食和饮水。每天检查尾部的伤口以防止感染，检查并调整大鼠身体与鼠笼底部夹角，保证整个实验中大鼠后肢不能接触鼠笼底部或侧壁。每周称量1次体质量，同时记录其摄食量。

1.3 取材

经苯巴比妥钠麻醉的大鼠，脱臼处死后，快速取出心脏，两侧后肢的腓肠肌、比目鱼肌、胫骨前肌和趾长伸肌，并称重。然后立即取出其整条右后肢及左股骨，使用剪刀仔细剪去骨表面的结缔组织和残余肌肉，用经生理盐水湿润的纱布将腿骨打磨干净，然后再用生理盐水湿润的纱布将其包裹，于－20°C保存，用于后期骨密度及力学性能的测量。

1.4 骨密度及力学性能测定

股骨和胫骨的骨密度测定采用双能量X线吸收法；力学性能采用三点弯曲法测定，包括屈服力，最大应力，刚度，弹性模量，最大应变及能量吸收。

1.5 统计学方法

2 结果

2.1 体质量及摄食量

尾吊显著抑制大鼠体质量增加，但不影响其摄食。从尾吊的第2周开始，大鼠体质量增长便受到显著抑制。尾吊组在3周内（7周龄至10周龄）的体质量增量仅为对照组的50%左右（P＜0.01），而恢复组在4周内（6周龄至10周龄）的体质量增量为对照组的70%左右（P＜0.01），提示恢复负荷过程能部分改善尾吊对大鼠体质量的影响。（表1和表2）

2.2 心脏及后肢骨骼肌质量

各组大鼠的心脏质量基本相等。在4种骨骼肌中，比目鱼肌萎缩最严重，其次是腓肠肌，而胫骨前肌萎缩较轻，趾长伸肌没有萎缩。为期7d的短期恢复负荷在肌萎缩方面仅有部分改善效果。其中，比目鱼肌有轻微改善，但肌肉质量及肌肉质量／体质量值都远低于对照组（P＜0.05）。（表3）

表1 各组大鼠在尾吊及恢复过程中的体质量值（n＝10，g，±s）

表1 各组大鼠在尾吊及恢复过程中的体质量值（n＝10，g，±s）

注：相同时间点，与对照组相比，＊P＜0.05，＊＊P＜0.01

组别 0周 1周 2周 3周 4周对照组 223.12±12.04 284.04±10.24 337.41±10.32 376.23±9.32 403.24±10.21尾吊组 225.22±12.31 281.23±8.41 298.14±6.22＊＊ 324.03±10.14＊＊ 340.33±12.20＊＊恢复组 224.20±8.41 257.04±8.24＊ 287.13±8.31＊ 320.24±10.22＊＊ 350.30±9.34＊＊

表2 各组大鼠体质量的增量及总摄食量（n＝10，g，±s）

表2 各组大鼠体质量的增量及总摄食量（n＝10，g，±s）

注：相同时间点，与对照组相比，＊P＜0.01

组别 体质量增量3周 4周总摄食量3周 4周对照组 119.20±6.32 180.12±9.21 570.04±10.12 795.2 788.01±15.21 1±17.13尾吊组 59.11±5.21＊ － 601.13±17.10 －恢复组 － 126.20±5.24＊ －

表3 各组大鼠心脏和骨骼肌质量及肌肉质量／体质量的比较（g，%，n＝10，±s）

表3 各组大鼠心脏和骨骼肌质量及肌肉质量／体质量的比较（g，%，n＝10，±s）

注：＊ 与对照组比较，P＜0.05

组别体质量对照 组 0.26±0.04 0.26±0.04 5.00±0.18 12.83±0.18 2.12±0.11 5.63±0.29 0.38±0.02 0.98±0.04 1.11±比目鱼肌肌肉质量 肌肉／体质量腓肠肌肌肉质量 肌肉／体质量胫骨前肌肌肉质量 肌肉／体质量趾长伸肌肌肉质量 肌肉／体质量心脏肌肉质量 肌肉／0.04 3.07±0.04尾吊组 0.13±0.02＊ 0.43±0.01＊ 3.57±0.15＊ 10.96±0.26＊ 1.69±0.09＊ 4.99±0.17＊ 0.30±0.01＊ 0.91±0.03＊ 1.07±0.04 3.28±0.07恢复组 0.18±0.03＊ 0.52±0.01＊ 3.43±0.13 10.59±0.24 1.63±0.07 4.91±0.17 0.29±0.01 0.89±0.03 1.13±0.03 3.26±0.05

2.3 后肢股骨、胫骨骨密度及股骨力学性能

尾吊引起股骨和胫骨的骨密度显著降低（P＜0.05），而短期的恢复负荷不能改善骨密度降低，而且在7d的恢复负荷后，胫骨骨密度进一步下降（图1）。同时，尾吊引起后肢股骨的力学性能改变，表现为屈服力，最大应力，刚度，弹性模量，最大应变及能量吸收均显著降低（P＜0.05），短时间恢复负荷对股骨力学性能的改变没有显著改善作用，仅弹性模量、最大应变及能量吸收明显升高（P＜0.05）（表4）。

图1 股骨及胫骨骨密度

表4 各组大鼠股骨力学性能的比较（n＝10，g，±s）

表4 各组大鼠股骨力学性能的比较（n＝10，g，±s）

注：与对照组比较，＊P＜0.05；与尾吊组比较，＃P＜0.05

屈服力／N 最大应力／N 刚度／（N／mm）弹性模量／GPa 最大应变／MPa 能量吸收／（N·mm）对照组 53.01±7.10 105.13±2.51 224.02±9.43 2.15±0.06 93.70±4.11 24.93±3.33尾吊组 24.42±3.71＊ 73.04±3.43＊ 175.03±12.84＊ 1.96±0.03＊ 73.43±2.22＊ 11.01±1.21＊恢复组 32.10±3.81 76.44±4.11 163.01±13.72 2.23±0.12＃ 92.34±3.12＃ 16.23±2.31＃

3 讨论

长期卧床等废用性病理条件下，会出现严重的骨丢失及肌萎缩。尾吊模型是模拟废用条件下肌萎缩及骨丢失效应的有效模型。恢复负荷可以有效纠正失负荷引起的骨丢失及肌萎缩。但是，各种不同类型的肌肉和骨在恢复负荷过程中可能存在不同的修复特征。本研究采用尾吊大鼠模型和恢复负荷模型，对这一现象进行了探索。

通过研究发现，尾吊主要引起骨骼肌萎缩，而对心肌影响较小。比目鱼肌作为一种慢肌，是在后肢失负荷模型中最早被确认的萎缩肌肉［3］。除比目鱼肌外，其它对失负荷敏感的肌肉依次为快肌中的腓肠肌和胫骨前肌，而趾长伸肌能够耐受失负荷。同样的，恢复负荷后，首先响应的是比目鱼肌，其它肌肉的恢复慢于比目鱼肌，从而需要较长的恢复负荷时间。在Oishi等［4］的报道中，2周失负荷引起的比目鱼肌萎缩在1周后基本恢复，可能的原因是其所用的大鼠周龄较小，处于生长期，恢复负荷后，肌肉生长能够较快弥补失负荷的影响。而Flück等［5］也发现，恢复负荷5d后比目鱼肌的肌萎缩症状显著改善。肌萎缩的恢复主要是蛋白合成升高引起，而非蛋白降解的下降［6］。同时，我们发现其他3种肌肉在恢复负荷后没有显著改善，因此不同肌肉在恢复负荷后恢复程度的差异需要进一步研究。

相对于肌萎缩的恢复，我们发现在恢复负荷过程中，骨丢失的恢复显著落后于肌肉的恢复。在Allen等［7］的研究中也发现，恢复负荷在短期内不能恢复胫骨骨密度。特别是在恢复负荷的早期（如本实验中恢复负荷1周），骨丢失不仅未能显著恢复，而且胫骨骨丢失在恢复负荷过程中进一步恶化，提示在临床对症治疗中失负荷引起的骨丢失需要较长时间的恢复期，而且需要特别关注胫骨的骨密度改善情况。

此外，对于废用性肌萎缩和骨丢失的恢复，除了恢复负荷外，同时补充钙、磷、维生素D以及能够改善肌肉功能的线粒体营养素［8］，可能有助于加快恢复过程。这些复合方案在肌肉废用性患者或航天飞行人员的肌萎缩和骨丢失防治中可能具有应用前景。

［1］陈善广，李莹辉.太空活动与生物节律——空间时间生物学，载人航天催生的新兴学科［J］.Science ＆Technology Review，2007，25（10）：44－49.

［2］阚广捍，吴斌，刘跃，等.模拟飞船应急返回高过载对恒河猴心脏的 病 理 学 影 响 ［J］.中 国 比 较 医 学 杂 志，2006，16（9）：532－532.

［3］Thomason DB，Booth FW.Atrophy of the soleus muscle by hindlimb unweighting［J］.Journal of Applied Physiology，1990，68（1）：1－12.

［4］Oishi Y，Ogata T，Yamamoto K，etal.Cellular adaptations in soleus muscle during recovery after hindlimb unloading［J］.Acta Physiologica，2008，192（3）：381－395.

［5］Flück M，Schmutz S，Wittwer M，etal.Transcriptional reprogramming during reloading of atrophied rat soleus muscle［J］.Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2005，289（1）：4－14.

［6］Taillandier D，Aurousseau E，Combaret L，etal.Regulation of proteolysis during reloading of the unweighted soleus muscle［J］.The International Journal of Biochemistry ＆ Cell Biology，2003，35（5）：665－675.

［7］Allen MR，Hogan HA，Bloomfield SA.Differential bone and muscle recovery following hindlimb unloading in skeletally mature male rats［J］.Journal of Musculoskeletal and Neuronal Interactions，2006，6（3）：217.

［8］Liu J.The effects and mechanisms of mitochondrial nutrient alpha－lipoic acid on improving age－associated mitochondrial and cognitive dysfunction：an overview ［J］.Neurochemical Research，2008，33（1）：194－203.