卜淑敏 杨涵

首都体育学院（北京 101101）

不同干预疗法对去卵巢骨质疏松大鼠股骨生物力学指标的影响

卜淑敏 杨涵

首都体育学院（北京 101101）

目的：对比观察雌激素、金雀异黄酮、跑台运动、全身垂直振动和氯化锂等5种不同干预疗法对去卵巢骨质疏松大鼠股骨生物力学指标的影响。方法：将80只3月龄雌性SD大鼠按体重分层后随机分为去卵巢（n=68）和假手术（n=12）两个组。手术后第11周，将去卵巢组大鼠按体重分层后又随机分为去卵巢组（11只）、振动组（10只）、跑台组（10只）、金雀异黄酮组（10只）、氯化锂组（10只）和雌激素组（10只），并开始进行不同的干预处理。干预8周时，处死各组大鼠，取右后肢股骨，采用三点弯曲试验检测各组大鼠股骨生物力学指标的变化。结果：（1）雌激素组、金雀异黄酮组、全身振动组、跑台运动组和氯化锂组大鼠股骨结构力学指标中的最大载荷和弹性载荷显著高于去卵巢组（P＜0.01，P＜0.05），而最大挠度和弹性挠度无显著差异；（2）雌激素组、金雀异黄酮组和全身振动组大鼠材料力学指标中的弹性应力、最大应变和弹性模量显著高于去卵巢组（P＜0.05，P＜0.01），而最大应力和弹性应变无显著差异。跑台运动组大鼠最大应力、弹性应力、最大应变和弹性模量显著高于去卵巢组（P＜0.05，P＜0.01），而弹性应变无显著差异。氯化锂组大鼠最大应力、弹性应力和弹性模量显著高于去卵巢组（P＜0.05，P＜0.01），而最大应变和弹性应变无显著差异。结论：雌激素、金雀异黄酮、跑台运动、全身垂直振动和氯化锂对去卵巢骨质疏松大鼠股骨结构力学指标的干预效果相似，而对材料力学指标的干预效果有一定的差别。

去卵巢大鼠；骨质疏松；全身垂直振动；跑台运动；金雀异黄酮；氯化锂；生物力学

随着世界老龄人口的增加，骨质疏松的发病率在逐年上升，已成为全球关注的主要健康问题之一。基于股骨颈骨密度的调查研究表明[1]，50岁以上人群中男性骨质疏松的发病率是6%～22%，而女性的发病率是18%～28%。造成男女发病率差异的主要原因是妇女由于绝经引起的雌激素下降，而已知雌激素在女性骨吸收的维持中发挥重要的调节作用。骨质疏松易导致骨折，而由骨折引发的致残和致死率均较高，因此，能增加骨质疏松患者的骨强度，减少跌倒风险的骨质疏松防治方法近年来已成为研究热点[2]。激素替代疗法[3]、全身振动[4，5]、植物雌激素[6]、抗阻运动[7]、糖原合成激酶抑制剂[8]等都已被证明能够防治绝经后骨质疏松的发生，但有关这几种疗法对绝经后骨质疏松模型大鼠骨生物力学强度影响的对比研究还未见报道。鉴于此，本研究在建立去卵巢骨质疏松大鼠模型的基础上，对比观察全身垂直振动、跑台运动、雌激素、金雀异黄酮和氯化锂等不同干预疗法对去卵巢骨质疏松大鼠股骨结构力学指标和材料力学指标的影响，旨在为临床绝经后骨质疏松的防治提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验对象及模型制备

80只3月龄健康雌性未孕SD大鼠，体重260±12 g，由北京大学医学部实验动物中心提供及饲养，动物合格证号：SCXK（京）2011-0012。大鼠每天自由饮水及进食，分笼饲养，适应性喂养1周后，按体重分层后随机分为假手术（12只）和去卵巢手术（68只）两个组。手术前，两组大鼠均禁食12～18 h，腹腔注射10%水合氯醛（3 m l/kg）麻醉，手术组从背部切除双侧卵巢，假手术组不切除卵巢，而将卵巢旁与卵巢等大的脂肪组织切除。大鼠无菌手术在北京大学医学部实验动物科学部进行[SYXK（京）2011-0039]，手术过程中按实验动物使用的3R原则给予人道关怀。大鼠手术后静养10周以复制骨质疏松模型。静养过程中，有1只假手术大鼠和9只去卵巢大鼠先后因不同原因而死亡。

1.2 建模后实验动物分组及处理

术后第11周，按体重将去卵巢手术组大鼠分层后随机分为6组。即去卵巢组（11只）、振动组（10只）、跑台组（10只）、金雀异黄酮组（10只）、氯化锂组（10只）和雌激素组（10只）。

不同组别的去卵巢大鼠分别开始进行不同的干预处理，干预方案与前期报道的相同[9]，具体为：去卵巢组不做处理；振动组每天进行2次时间15 min、频率90 Hz、振幅0.5 mm的振动训练，每周14次；跑台组每次进行速度18 m/min，坡度5°、时间40 min的跑台训练，每周1、3、5及周日各运动1次；金雀异黄酮组采用灌胃，剂量为1 mg/kg体重，每天灌胃1次；氯化锂组采用腹腔注射氯化锂，剂量为15 mg/kg体重，每周1、3、5各注射1次；雌激素组采用颈部皮下注射17-β雌二醇，剂量为25μg/kg体重，每周1、3、5各注射1次。干预处理均为8周。需要说明的是，我们以往的研究表明[10]，橄榄油、生理盐水等溶媒对实验本身没有影响，所以本研究未设溶媒对照组。

1.3 骨标本的采集与保存

所有组大鼠于末次干预结束36～48小时内，将大鼠麻醉，腹主动脉取血处死，截取右侧股骨用生理盐水浸湿的纱布包裹后放入－80℃冰箱待测骨生物力学指标。

1.4 股骨三点弯曲试验

股骨生物力学指标的检测采用三点弯曲试验法。在冠状面上将股骨前面向上，磨平后面，使其平稳地置于仪器操作台上，跨距设置为20 mm，加载速度设置为2 mm/min进行三点弯曲试验。股骨在外力作用下折断后，用游标卡尺测量断裂处骨骼横截面的内外轴长度。计算股骨的材料力学特性指标的前提是要计算骨截面惯性矩。骨截面惯性矩（J）的计算公式为J=π（BH3一bh3）/64，公式中B表示骨横截面外层长轴，H表示骨横截面外层短轴，b表示骨横截面内层长轴，h表示骨横截面内层短轴。再结合骨结构力学参数与公式计算出骨材料力学参数。本研究检测的结构力学性能指标有最大载荷、破坏载荷、最大挠度和破坏挠度。材料力学性能指标有最大应力、破坏应力、最大应变、破坏应变和弹性模量。

1.5 主要仪器

DSPT-202小动物跑台，杭州段氏制造厂生产；垂直振动台，北京雅士林厂生产；WDW—3020型电子万能材料试验机，中国科学院长春科学实验仪器研究所生产。

1.6 统计学处理

采用SPSS19.0软件对试验数据进行统计分析，实验结果以均值±标准差表示，组间比较用单因素方差分析。P＜0.05为具有显著性差异。

2 结果

2.1 各组大鼠股骨结构力学性能指标的比较

由图1可知，去卵巢组大鼠最大载荷、弹性载荷和最大挠度显著低于假手术组（P＜0.01，P＜0.05），而弹性挠度无显著变化；雌激素组、金雀异黄酮组、氯化锂组、跑台组和振动组大鼠最大载荷和弹性载荷显著高于去卵巢组（P＜0.01，P＜0.05），而最大挠度和弹性挠度无显著变化。

图1 不同干预疗法组与去卵巢组股骨结构力学性能指标的比较

2.2 各组大鼠股骨材料力学性能指标的比较

由图2可知，去卵巢组大鼠最大应力、弹性应力、最大应变和弹性模量显著低于假手术组（P＜0.05，P＜0.01），而弹性应变无显著变化；雌激素组、金雀异黄酮组和全身振动组大鼠弹性应力、最大应变和弹性模量显著高于去卵巢组（P＜0.05，P＜0.01），而最大应力和弹性应变无显著变化。氯化锂组大鼠最大应力、弹性应力和弹性模量显著高于去卵巢组（P＜0.05，P＜0.01），而最大应变和弹性应变无显著变化。跑台运动组大鼠最大应力、弹性应力、最大应变和弹性模量显著高于去卵巢组，而弹性应变无显著变化（P＜0.05，P＜0.01）。

图2 不同干预疗法组与去卵巢组股骨材料力学性能指标的比较

3 讨论

金雀异黄酮是大豆中的主要生理雌激素，目前已被认为是潜在的防治绝经后骨质疏松的药物之一[10]。大量体内外实验已表明，服用金雀异黄酮不仅有利于骨健康，而且金雀异黄酮在防治绝经后骨质疏松方面表现出较好的临床药效以及较少的副作用[11]。加之有研究报道[12-14]，金雀异黄酮的抗骨质疏松效应大于高车前素和淫羊藿甙，几乎与雌激素相等。众所周知，适当的运动是防治绝经后骨质疏松的最好措施。研究表明[15，16]，低强度高频机械振动刺激能促进骨形成，增加去卵巢骨质疏松大鼠股骨近端的骨强度；而耐力运动不仅能改善去卵巢大鼠皮质骨的骨强度，而且也能改善松质骨的骨强度[17，18]。氯化锂是糖原合成激酶-3β（GSK-3β）的抑制剂，用氯化锂抑制GSK-3β可导致细胞内β-catenin的堆积，结果使Wnt/β-catenin信号通路失活，骨髓基质细胞向脂肪细胞分化，成骨细胞减少，骨量下降[19，20]。

骨质量反映骨的强度，骨质量参数包括破坏堆积、骨微结构和骨的矿化。本研究用股骨三点弯曲试验对比检测了雌激素、金雀异黄酮、全身垂直振动、跑台运动和氯化锂等不同干预疗法对去卵巢骨质疏松大鼠股骨力学强度的影响。结果表明，去卵巢骨质疏松大鼠经雌激素、金雀异黄酮、全身垂直振动、跑台运动和氯化锂干预后，股骨结构力学指标中的最大载荷和弹性载荷显著增加，而最大挠度和弹性挠度无显著变化。结果提示，雌激素、金雀异黄酮、全身垂直振动、跑台运动和氯化锂均能改善去卵巢骨质疏松大鼠股骨的部分结构力学指标，且它们对去卵巢骨质疏松大鼠股骨结构力学性能指标的改善效应基本相同。

此外，本研究中，去卵巢骨质疏松大鼠经雌激素、金雀异黄酮和全身垂直振动干预后，材料力学指标中的弹性应力、最大应变和弹性模量显著增加，而最大应力和弹性应变无显著变化。经跑台运动干预后，最大应力、弹性应力、最大应变和弹性模量显著增加，而弹性应变无显著变化。经氯化锂干预后，最大应力、弹性应力和弹性模量显著增加，而最大应变和弹性应变无显著变化。结果提示，雌激素、金雀异黄酮和全身振动三种干预疗法对去卵巢骨质疏松大鼠材料力学性能指标的改善效应基本相同，而与跑台运动和氯化锂的干预效果有一定的差异。

4 结论

雌激素、金雀异黄酮、跑台运动、全身垂直振动和氯化锂对去卵巢骨质疏松大鼠股骨结构力学指标的干预效果相似，而对材料力学指标的干预效果有一定的差别。

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Effectsof Different Interventionson Biomechanic Indexesof Femur Bonesof Ovariectom ized Ratsw ith Osteoporosis

Bu Shumin，Yang Han
CapitalUniversity ofPhysical Education and Sports，Beijing 100191，China

Bu Shumin，Email：boshumin@163.com

Objective To investigate the effects of different interventions on the biomechanic indexes in femur bones of ovariectomized rats with osteoporosis.Methods Eighty healthy female Sprague-Daw⁃ley rats，aged 3 months，were randomly divided into an ovariectomized（OVX，n=68）group and a sham-op⁃eration（Sham，n=12）group.At the 11thweek after the operation，the OVX group was further randomly di⁃vided into a control group（n=11），an estradiol group（E2，n=10），a genisteine group（G，n=10），a treadmill exercise group（TE，n=10），a lithium chloride group（LiCl，n=10）and a whole-body vertical vibration group（WBVV，n=10）.Then the rats began to

ifferent interventions as their group names implied.At the end of 8 weeks，their right femurs were isolated and the biomechanic parameters were detected using the three point bending test.Results（1）Both the maximum load and elastic load in E2，G，TE，WBVV and LiCl groups were significantly higher than that of the control group，while no significant dif⁃ferences were seen in maximum deflection and elastic deflection.（2）The elastic stress，maximum strain，and elasticity modulus in E2，G，and WBVV groups were significantly higher than that of the control group，while no significant differences were seen in maximum stress and elastic strain among them.Themaximum stress，elastic stress，maximum strain，and elasticity modulus in TE group were significantly higher than the control group while no significant differences were seen in the elastic strain.The maxi⁃mum stress，elastic stress，and elasticity modulus in LiCl group were significantly higher than the con⁃trol group，but no significant differences were seen in maximum strain and elastic strain between them.Conclusion E2，genistein，treadmill exercise，whole-body vertical vibration，and LiCl have quite similar ef⁃fects on structural mechanics indexes of femurs in OVX rats with osteoporosis，but they have different impacts on the material mechanics indexes.

ovariectomized rat，osteoporosis，whole-body vertical vibration，treadmill exercise，genis⁃tein，lithium chloride，biomechanical

2016.11.04

国家自然科学基金项目（30771046）；北京市百千万人才工程项目（201624）

卜淑敏，Email：boshum in@163.com