林峻先

(中国药科大学体育部，江苏 南京 211198)

不同运动训练方式对老年骨质疏松模型小鼠骨生物力学的影响

林峻先

(中国药科大学体育部，江苏 南京 211198)

目的 探讨跑台运动、游泳等不同运动训练方式对老年性骨质疏松小鼠骨生物力学的影响。方法 取小鼠66只，根据不同运动训练方式将小鼠分为游泳组、跑台组及对照组，每组22只。采用切除双侧卵巢方法建立老年性骨质疏松模型。游泳组前3 d每次训练30 min，后4 d每次训练40 min，水深40 cm。跑台组持续性水平运动，前3 d每次30 min，跑台速度0.8 m/s；后4 d跑40 min，跑台速度1.0 m/s，共训练4 w。对照组不进行运动干预自然恢复。采用骨密度仪及电子万能试验机测定小鼠骨密度(BMD)及右侧股骨、腰椎骨生物力学指标。结果 跑台组、游泳组及对照组在1 w、2 w体重差异无统计学意义(P>0.05)；跑台组小鼠在3 w、4 w体重显著高于游泳组与对照组(P<0.05)。②跑台组小鼠钙、磷水平显著低于游泳组和对照组(P<0.05)，碱性磷酸酶(AKP)、抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)水平显著高于游泳组(P<0.05)；游泳组钙、AKP、STR-ACP水平显著低于对照组(P<0.05)，磷显著高于对照组(P<0.05)。③跑台组右侧股骨与腰椎骨BMD水平显著高于游泳组与对照组(P<0.05)，游泳组右侧股骨与腰椎骨BMD水平显著高于对照组(P<0.05)。④跑台组小鼠骨生物力学指标显著高于游泳组与对照组(P<0.05)。游泳组小鼠骨生物力学指标显著高于对照组(P<0.05)。结论 运动训练对老年性骨质疏松小鼠生物力学性能有一定的改善，游泳、跑台运动对骨质疏松小鼠有预防和缓解作用，可以维持并提高小鼠BMD，且生物力学显示跑台运动训练更加适宜。

骨质疏松；运动训练；骨密度；骨生物力学

骨质疏松(OP)属于全身代谢性疾病，发病后以骨量减少、骨组织结构损伤等为主，导致骨变脆，增加骨折发生率〔1〕。重力在人体骨骼系统正常生长、功能维持等方面发挥了重要的作用，长期脱负荷也会容易引起肢体的失用性OP〔2〕。合理的体育运动能改善骨代谢、提高骨密度(BMD)，预防骨丢失。也有文献报道显示〔3〕，运动能促进骨量积累。青少年中长期参加体育锻炼者骨骼长、粗壮，显著高于参加体育运动较少者。人体中骨骼的质量、形状等不仅取决于基因，其功能、结构等在一定程度还依赖于所处的力学环境，当力学环境发生变化时，骨的形状及骨内部结构等均会出现相应的调整，以最佳状态适应力学环境需要〔4〕。动物研究〔5〕表明：适宜负荷的游泳训练能促进老年小鼠的矿化、改善骨代谢，促进骨生物力学指标的优化。本文拟进一步探讨跑台运动、游泳等不同运动训练方式对老年性OP小鼠骨生物力学的影响。

1 对象和方法

1.1 实验动物 选取清洁级小鼠66只，体质量25.3～31.5 g，平均(27.45±4.75)g，周龄1～4 w，雌雄随机，均由湖州市中医院动物实验中心提供，饲养条件符合国家二级动物房饲养及运动干预条件，室温(23±3)℃，相对湿度55.0%～60.0%，每天换风2次，并进行12 h黑夜、光照更替。对小鼠处理符合《关于善待实验动物的指导意见》〔6〕中相关规则。根据不同运动训练方式分为游泳组、跑台组及对照组，每组22只。

1.2 老年性OP小鼠模型建立 入选小鼠均禁食12 h，手术前肌肉注射0.5 g阿托品，采用3.6%水合氯醛进行全身麻醉，待麻醉生效后消毒、铺巾，在大鼠背部正中切口，并在大鼠肋缘下侧切除双侧卵巢，缝合切口，小鼠创面缝合后采用油纱、无菌纱布双层敷料覆盖创面、包扎，根据小鼠情况给予抗生素预防感染，待小鼠清醒后送回笼中饲养，建立老年性OP小鼠动物模型。建模完依据老年性OP标准进行判定，并结合实验室检查及影像学检查确诊后提示造模成功〔7〕。

1.3 老年性OP小鼠运动训练方法 ①游泳组前3 d进行适应性训练，每次游泳30 min，后4 d每次训练40 min，水深40 cm，休息1 d；第2、3、4周每周训练6 d，每次训练1次，水温控制在(29±1)℃，游泳池长为50 cm×60 cm×90 cm。②跑台组采用持续性水平跑运动进行训练，运动强度根据国外学者最大摄氧量确定。跑台训练第1周前3 d进行适应性训练，每次30 min，跑台速度0.8 m/s；后4 d每次跑40 min，跑台速度1.0 m/s；第二周训练6 d，每天1 h，速度为1.1 m/s；第3、4周每次训练1 h，速度1.2 m/s，共训练4 w。③对照组不进行运动干预自然恢复〔8〕。

1.4 观察指标 ①体重的测定。整个实验过程中，每周采用电子秤对小鼠体重进行测定。②血清生化指标测定。采集小鼠静脉血，采用相应的试剂测定血清钙、磷、碱性磷酸酶(AKP)及抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)含量，相关操作步骤必须严格按照有关要求测定。③BMD测定。运动4 w后杀死小鼠，取出右侧股骨及腰椎骨，采用骨密度仪(Medilink Inc.，法国)测定股骨与腰椎骨BMD。④生物力学性能检测。采用微机控制电子万能试验机( 瑞格尔公司，中国)测定小鼠右侧股骨、腰椎骨，避免标本上微小的裂缝影响检测结果。测定时将股骨放置在两个支撑点上，标本宽度朝上并水平放置，下降探头，并以2 mm/min速度进行施压，当标本发生断裂后停止下压，根据压力传感器获得数据，确定骨横断面积、最大载荷、弯曲载荷、弹性模量等数据。

1.5 统计学处理 采用SPSS18.0软件行t检验。

2 结 果

2.1 3组小鼠1、2、3、4 w体重变化比较 跑台组、游泳组及对照组1、2 w体重差异无统计学意义(P>0.05)；跑台组小鼠3、4 w体重显著高于游泳组与对照组(P<0.05)，见表1。

2.2 3组小鼠血清生化指标测定 跑台组小鼠钙、磷水平显著低于游泳组和对照组(P<0.05)，AKP、STR-ACP水平显著高于游泳组(P<0.05)，与对照组相比差异无统计学意义(P>0.05)，游泳组钙、AKP、STR-ACP水平显著低于对照组(P<0.05)，磷水平显著高于对照组(P<0.05)，见表2。

2.3 3组小鼠右侧股骨与腰椎骨骨密度(BMD)水平比较 跑台组右侧股骨与腰椎骨BMD水平显著高于游泳组与对照组(P<0.05)；游泳组右侧股骨与腰椎骨BMD水平显著高于对照组(P<0.05)。见表3。

表1 3组小鼠0、1、2、3、4 w体重变化比较

与游泳组相比：1)P<0.05；与对照组相比：2)P<0.05，下表同

表2 3组小鼠血清生化指标测定值比较±s,n=22)

表3 3组小鼠右侧股骨与腰椎骨BMD 水平比较

2.4 3组小鼠右侧股骨生物力学指标比较 3组小鼠右侧股最大挠度、弹性挠度差异无统计学意义(P>0.05)；跑台组小鼠最大载荷、弹性载荷、破坏载荷、破坏挠度、刚性系数及能量吸收显著高于游泳组与对照组(P<0.05)；游泳组小鼠最大载荷、弹性载荷、破坏载荷、破坏挠度、刚性系数及能量吸收显著高于对照组(P<0.05)，见表4。

2.5 3组小鼠腰椎骨生物力学指标比较 3组小鼠腰椎骨生物力学中弹性挠度差异无统计学意义(P>0.05)；跑台组小鼠最大载荷、弹性载荷、破坏载荷、最大挠度、破坏挠度、刚性系数、能量吸收显著高于游泳组与对照组(P<0.05)；游泳组小鼠最大载荷、弹性载荷、破坏载荷、最大挠度、破坏挠度、刚性系数、能量吸收显著高于对照组(P<0.05)，见表5。

表4 3组小鼠右侧股骨生物力学指标比较±s,n=22)

表5 3组小鼠腰椎骨生物力学指标比较±s,n=22)

3 讨 论

目前，对于老年性OP发病机制尚不完全知晓，普遍认为OP与年龄有关，当人体年龄达到一定程度将会引起骨量下降，骨强度也相对较低，导致骨变脆，增加骨折发生率。而骨密度、骨质量会影响骨强度，且骨质量又受到骨生物力学、骨组织形态等因素的影响。因此，采取积极有效的措施预防、减缓骨量，能有效预防老年性OP〔9〕。

文献报道显示〔10〕：骨细胞和破骨细胞在骨的重建、塑造等过程中是一个相互依赖、相互影响的关系，且处于一种动态平衡。由此看出〔11〕：人体中骨的生成与分解处于动态的平衡中，且机体活动又会影响骨强度和骨质量。国外学者进行了一次实验，结果显示〔12〕：身高/体重指数(BMI)是骨折风险的危险因素，高度相关性达到95.0%。老年性OP患者BMD显著下降，适当增加其体重能起到预防作用〔13，14〕。本研究中，随着三组小鼠运动训练的不断推移，小鼠体重均出现不同程度的提高，但是跑台组小鼠质量增幅较高。从力学角度来说〔15〕：体重对于骨的负荷影响较大，肥胖能对OP起到代偿作用。从实验结果可以看出：跑台运动能有效维持体重，在科学地指导和运动训练下将会改善OP小鼠体质量降低，降低骨量的丢失。

目前，普遍认为骨量对于骨纤维结构的改变具有重要的意义，对骨力学性能也有着明显的影响。文献报道显示〔16〕：骨骼力学负荷与骨量关系密切，适当增加负荷能提高骨量，更加有利于促进骨细胞增殖并提高其活性〔17〕。运动作为一种初级骨骼的外在负荷，适当强度的运动训练能促进骨的增长，降低OP发生率〔18〕。本研究发现，跑台更加有利于老年性OP小鼠BMD提高。运动强度及负荷能直接作用在骨，可以间接引起肌肉收缩，使得骨骼产生相应的变化，从而影响成骨细胞、破骨细胞的增殖、分化及细胞活性，进一步引起骨代谢酶活性。同时，运动能改善机体内激素水平变化，间接影响BMD。

骨生物力学性能主要研究骨骼在外力作用下的力学特性及受力后产生的生物效应，是一种评价骨质量的可靠方法。骨生物力学性能包括了骨的结构力学和材料力学，常见指标包括弯曲强度、最大载荷、弹性挠度等〔19〕。本次实验看出：跑台运动、游泳等均会对OP小鼠断裂强度产生明显的积极作用，能在一定程度上减缓老年性OP小鼠骨折发生率。适当的运动能引起骨骼内在和外在负荷量随之加大，骨骼能产生适应性机械负荷变化，从而引起骨生物力学性能和骨量的变化。同时，运动属于是一种外界刺激，适当刺激能引起自身和细胞内外环境、电热等变化，能在适宜的条件下使骨生物学性能产生积极的应变，诱导骨重建〔20〕。

综上所述，运动训练对老年性OP小鼠生物力学性能有一定的改善，游泳、跑台运动等对老年性OP小鼠的BMD均有维持、提高作用，且跑台运动训练的BMD下降幅度低于低强度运动训练。

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〔2017-01-09修回〕

(编辑 袁左鸣)

江苏省自然科学基金面上项目(BK20151218)；江苏省自然科学基金青年基金(BK20150860)

林峻先(1987-)，男，硕士，讲师，主要从事啦啦操、健美操、排舞体育教育训练学、运动学研究。

R68

A

1005-9202(2017)11-2633-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.11.014