低氧环境振动训练条件下2型糖尿病骨质疏松大鼠骨质代谢及胰岛素敏感性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0203

摘要/Abstract

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文题释义：
低氧训练：指在运动周期里，利用低氧仓(人工模拟)或高海拔地区(自然条件)制造的低氧条件刺激对机体进行刺激，诱发生物学应激反应同时结合运动来增加机体的缺氧程度，激发机体潜力机能，从而产生一系列有利于提高运动能力的抗缺氧生理反应和适应，有大量研究表明低氧刺激有利于缓解胰岛素抵抗现象。
振动训练：指利用振动设备制造不稳定的运动环境，同时对机体产生频率和幅度的扰动刺激，以达到促进肌力、神经肌肉的协调能力及平衡训练的效果。最新研究表明，全身振动训练能够作为辅助练习手段减少身体脂肪量，降低内脏脂肪组织的方法水平，同时能够改善骨密度。

摘要
背景：利用低氧干预缓解2型糖尿病胰岛素抵抗的方案已被众多学者推荐，但是低氧因素对糖尿病患者造成骨质疏松的风险导致方案存在争议。
目的：探讨低氧环境下振动训练对2型糖尿病骨质疏松大鼠骨密度、骨结构力学、骨质代谢、胰岛素敏感性等的影响。
方法：90只清洁级SD大鼠随机分出60只大鼠进行高脂饲料喂食，30只大鼠正常喂食，饲养8周后，高脂饲料喂食组的60只大鼠注射链脲佐菌素，构建2型糖尿病骨质疏松动物模型，4周后对所有大鼠进行糖代谢、胰岛素敏感性、骨质代谢、骨密度前测和评价造模情况；正常喂食的30只大鼠随机分为常氧对照组、低氧对照组，造模成功的2型糖尿病骨质疏松大鼠随机分为低氧糖尿病组、低氧糖尿病振动训练组(低氧糖尿病运动组)、常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组，利用低氧仓和powerplate振动训练平台执行低氧和振动方案，进行为期12周干预。干预后对所有大鼠胰岛素敏感性指标、代谢指标、骨密度、骨质代谢进行检测。
结果与结论：①12周干预后低氧糖尿病运动组大鼠空腹胰岛素水平、空腹血糖、稳态模型的胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)、均显著优于常氧糖尿病组、低氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组(P < 0.05)；②常氧糖尿病运动组和低氧糖尿病运动组大鼠骨密度、最大应力、最大载荷、断裂载荷、弹性模量显著低于常氧对照组和低氧对照组(P < 0.05)；振动训练后各项指标显著提高(P < 0.05)；③结果说明，低氧环境能够促进2型糖尿病大鼠胰岛素敏感性提升，改善糖、脂代谢，但也能够导致骨密度下降，骨质代谢异常，骨吸收增加；低氧环境下进行振动训练能够显著改善糖尿病骨质疏松大鼠的胰岛素敏感性；并能够避免低氧因素对大鼠造成骨密度下降、骨质代谢异常和骨生物力学性质的风险。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程
ORCID: 0000-0002-7835-8470(程加秋)

关键词: 缺氧, 振动, 2型糖尿病, 骨密度, 骨质疏松, 组织构建

Abstract:

BACKGROUND: Hypoxia program to alleviate type 2 diabetes insulin resistance has been recommended, but this program is still questioned because of the risk of osteoporosis caused by hypoxia in patients with diabetes.
OBJECTIVE: To investigate the effect of vibration training on bone mineral density, bone structural mechanics, bone metabolism and insulin sensitivity in type 2 diabetic osteoporosis rats under hypoxia environment.
METHODS: Ninety clean Sprague-Dawley rats were randomly divided into two groups, and subjected to high-fat diet (n=60), or normal diet (n=30), for 8 weeks. High-fat rats were given the injection of streptozotocin to establish the rat model of type 2 diabetic osteoporosis. The control rats were subdivided into normoxia control and hypoxia control groups; the model rats were subdivided into hypoxia modeling group, hypoxia modeling vibration group, normoxia modeling group, normoxia modeling vibration group. Hypoxia and vibration program was performed by hypoxia tank and vibration platform (PowerPlate®) for 12 weeks. Glucose metabolism, insulin sensitivity, bone metabolism and bone mineral density and modeling were detected at 4 weeks after modeling and 12 weeks after vibration training.
RESULTS AND CONCLUSION: At 12 weeks after intervention, the fast insulin level, fast blood glucose, and homeostasis model assessment of insulin resistance in the hypoxia modeling vibration group were significantly superior to those in the hypoxia modeling, normoxia modeling, and normoxia modeling vibration groups (P < 0.05). The bone mineral density, maximum stress, maximum load, breaking load and elastic modulus in the normoxia modeling vibration and hypoxia modeling vibration groups were significantly lower than those in the normoxia control and hypoxia control groups (P < 0.05). After vibration training, all indexes were significantly increased (P < 0.05). These results suggest that hypoxic environment can promote the insulin sensitivity, improve glucose and lipid metabolism in type 2 diabetic rats, but can lead to a decrease in bone mineral density and increase bone resorption. Vibration training not only can significantly enhance the insulin sensitivity, but also can avoid the decreased bone mineral density, bone metabolism disorder, and biomechanical properties induced by hypoxia.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Anoxia, Vibration, Diabetes Mellitus, Type 2, Bone Density, Osteoporosis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

程加秋，张庭然. 低氧环境振动训练条件下2型糖尿病骨质疏松大鼠骨质代谢及胰岛素敏感性[J]. 中国组织工程研究, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0203.

Cheng Jia-qiu1, Zhang Ting-ran2. Effects of hypoxia and vibration training on bone metabolism and insulin sensitivity in type 2 diabetic osteoporosis rats[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0203.

图/表（结果） 2

2.1 实验动物数量分析实验选用大鼠90只，造模失败17只剔除，进入结果分析73只。

2.2 糖尿病骨质疏松模型检验结果表2-5显示：在空腹血糖、空腹胰岛素、胰岛素抵抗指数、骨密度、尿羟脯氨酸、尿脱氧吡啶喏啉、血浆抗酒石酸盐酸性磷酸酶等指标前测数据中，常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病组、低氧糖尿病运动组与常氧对照组、低氧对照组差异有显著性意义 (P < 0.05)，且常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病组、低氧糖尿病运动组空腹血糖均大于7 mmol/L，股骨骨密度值小于常氧对照组、低氧对照组大鼠平均骨密度2.5个标准差。因此认为本研究中常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病组、低氧糖尿病运动组大鼠出现胰岛素抵抗和骨质疏松症状，2型糖尿病骨质疏松大鼠造模成功。

2.3 大鼠胰岛素敏感性指标变化经过12周干预，常氧糖尿病组空腹血糖、空腹胰岛素水平和HOMA-IR指标后测结果显著高于前测(P < 0.05)；常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病组、低氧糖尿病运动组2项指标后测显著低于前测(P < 0.05)；常氧对照组2项指标后测结果高于前测，但差异无显著性意义(P > 0.05)；低氧对照组2项指标后测结果低于前测，但差异无达显著性意义(P > 0.05)；低氧糖尿病运动组2项指标后测结果显著低于常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病组(P < 0.05)。见表2。

2.4 大鼠血脂指标变化见表3。

(1)总胆固醇、三酰甘油和低密度脂蛋白胆固醇：经过12周干预，常氧糖尿病组3项指标后测结果显著高于前测(P < 0.05)；常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病组、低氧糖尿病运动组3项指标后测显著低于前测(P < 0.05)；常氧对照组3项指标后测结果高于前测，但差异无显著性意义(P > 0.05)；低氧对照组3项指标后测结果低于前测，但差异无显著性意义(P > 0.05)；低氧糖尿病运动组3项指标后测结果显著低于常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病组(P < 0.05)。

(2)高密度脂蛋白胆固醇：经过12周干预，常氧糖尿病组高密度脂蛋白胆固醇后测结果显著低于前测(P < 0.05)；常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病组、低氧糖尿病运动组后测显著高于前测(P < 0.05)；低氧对照组后测结果低于前测，但差异无显著性意义(P > 0.05)；低氧糖尿病运动组后测结果显著高于常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病组(P < 0.05)。

2.5 大鼠骨密度、骨质代谢变化见表4。

(1)大鼠股骨骨密度：经过12周干预，常氧糖尿病组、低氧糖尿病组大鼠股骨骨密度后测结果显著低于前测(P < 0.05)；常氧糖尿病运动组后测结果显著高于前测(P < 0.05)，低氧糖尿病组、低氧糖尿病运动组、常氧对照组后测与前测比较差异无显著性意义(P > 0.05)；低氧糖尿病运动组后测与常氧糖尿病运动组比较差异无显著性意义(P > 0.05)；低氧糖尿病运动组、常氧糖尿病运动组后测结果显著高于低氧糖尿病组(P < 0.05)。

(2)大鼠尿羟脯氨酸、尿脱氧吡啶喏啉和血浆TRACP：常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组、低氧对照组、低氧糖尿病组、低氧糖尿病运动组后测结果显著高于前测(P < 0.05)，常氧糖尿病组后测结果显著低于低氧糖尿病组(P > 0.05)，低氧糖尿病运动组后测与常氧糖尿病运动组比较差异无显著性意义 (P > 0.05)；低氧糖尿病运动组、常氧糖尿病运动组后测结果显著低于低氧糖尿病组(P < 0.05)。

2.6 大鼠骨生物力学指标比较结果见表5。

(1)大鼠股骨承受最大应力：低氧对照组和常氧对照组大鼠股骨承受最大应力显著高于低氧糖尿病组、常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组和低氧糖尿病运动组(P < 0.05)，低氧糖尿病组大鼠股骨承受最大应力显著低于常氧糖尿病组(P < 0.05)，低氧糖尿病运动组与常氧糖尿病运动组间差异无显著性意义(P > 0.05)，低氧糖尿病运动组、常氧糖尿病运动组大鼠股骨承受最大应力显著高于低氧糖尿病组、常氧糖尿病组(P < 0.05)。

(2)大鼠股骨承受最大载荷：低氧对照组和常氧对照组大鼠承受最大载荷显著高于低氧糖尿病组、常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病运动组(P < 0.05)，低氧对照组大鼠承受最大载荷低于常氧对照组，但差异无显著性意义(P > 0.05)，低氧糖尿病组大鼠承受最大载荷显著低于常氧糖尿病组(P < 0.05)，低氧糖尿病运动组与常氧糖尿病运动组间差异无显著性意义(P > 0.05)，低氧糖尿病运动组、常氧糖尿病运动组大鼠承受最大载荷显著高于低氧糖尿病组、常氧糖尿病组(P < 0.05)。

(3)大鼠股骨断裂载荷及弹性模量：低氧对照组2项指标显著高于低氧糖尿病组、常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病运动组(P < 0.05)，低氧对照组大鼠2项指标显著低于常氧对照组(P < 0.05)，低氧糖尿病组大鼠2项指标显著低于常氧糖尿病组(P < 0.05)，低氧糖尿病运动组与常氧糖尿病运动组2项指标比较差异无显著性意义(P > 0.05)，低氧糖尿病运动组、常氧糖尿病运动组大鼠股骨断裂载荷及弹性模量显著高于低氧糖尿病组、常氧糖尿病组(P < 0.05)。

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引言

糖尿病在全世界范围患者数持续高速增加，中国成人糖尿病患病率约为10.9%，美国成人糖尿病患病率约14%，中国成人糖耐量受损(糖尿病前期)率高达35.7%。糖尿病患者中有32.2%的人接受正规且规律的治疗，其中49.2%的患者血糖得到控制^[1-2]。糖尿病患者需要长期用药，不仅对国家和家庭造成沉重的经济负担，药物毒副反应也对糖尿病患者脏器造成损伤。中低强度运动被认为可以有效降低2型糖尿病患者的血糖和提升胰岛素敏感性^[3]。运动处方也被越来越多的临床医生作为药物治疗外的辅助治疗手段。许多研究均认为运动方式、运动强度、运动环境的差异对糖尿病患者血糖和胰岛素敏感性的改善程度会造成较大区别^[4]。

近年，张荷等^[5]研究发现低氧环境结合运动能够有效改善2型糖尿病大鼠胰岛素抵抗；Mackenzie等^[6]通过对糖尿病患者进行低氧干预使得其糖耐量和提高胰岛素敏感性得到改善。低氧刺激被认为能够诱发糖代谢变化，提高糖类的利用、氧化能力。低氧干预搭配适当运动模式已经成为目前糖尿病患者运动处方的研究热点之一，但有学者对糖尿病患者低氧运动的风险提出质疑，认为低氧刺激在一定范围内会影响骨代谢，加速骨吸收、促使骨量丢失，导致骨质疏松的发生^[7]。而骨质疏松是糖尿病常见慢性并发症，其发病机制可能与长期处于高血糖，糖基化终末化产物堆积，胰岛素抵抗，脏器神经病变，降糖药物长期使用有关^[8]。若采用低氧干预方式作为糖尿病患者的运动处方可能会导致糖尿病和低氧环境两个致骨质疏松危险因子叠加，是否会导致糖尿病患者胰岛素敏感性和糖耐量改善的同时出现骨量流失增加和骨质代谢异常的状况，目前未见相关研究得出结论^[9-19]。

振动训练是近年较为流行训练方式，该训练方式被证实能够显著提升骨密度，而且通过该训练能够刺激胰岛素样生长因子1的分泌量增加，达到改善糖尿病患者胰岛素抵抗和糖耐量受损的作用^[9]。所以在低氧环境搭配振动训练的干预方式可能达到既改善糖尿病患者胰岛素抵抗和糖耐量受损的作用，同时降低患者骨质疏松的风险。

本研究通过低氧环境和振动训练双因素干预，以了解其对2型糖尿病骨质疏松大鼠骨密度、骨结构力学、骨质代谢、胰岛素敏感性等的影响，为科学利用低氧环境运动改善糖尿病，有效规避低氧环境造成的骨质疏松风险提供参考依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1.1 设计随机对照动物实验。

1.2 时间及地点实验于2017年3至9月在西南大学运动科学实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 实验动物重庆医科大学实验动物中心提供的清洁级5周龄雄性SD大鼠90只，许可证编号：SCXK(渝) 2017 -0023，体质量(185.0±17.5) g，在室温22-25 ℃、相对湿度50%-60%清洁级动物房内，分笼饲养，明、暗12 h周期交换。

1.3.2 实验材料与设备葡萄糖氧化酶活性检测试剂盒、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)检测试剂盒、大鼠胰岛素酶联免疫分析ELISA 试剂盒由北京雷根生物技术有限公司提供；总胆固醇(TC)、三酰甘油(TG)检测试剂盒厦门慧佳生物科技有限公司提供；血浆抗酒石酸盐酸性磷酸酶、尿脱氧吡啶喏啉ELISA试剂盒检测由上海瑶韵生物科技有限公司提供，链脲佐菌素(STZ)深圳兴博盛ENZO公司提供；血糖检测仪和血糖试纸由瑞士罗氏制药司生；SpectraMax i3x多功能酶标仪由上海Molecular Devices美谷分子仪器有限公司提供；GL-22M低温离心机由上海测维光电技术有限公司提供，QDR-4500A双能X射线骨密度仪美国HOLOGIC公司提供，HITACHI-7000全自动生化分析仪由日本日立公司提供，rt-35低温离心机上海凯达公司提供，HPLC高效液相色谱仪由法国赛默飞公司提供，Oxycycler ModelA84XO低氧舱美国BioSpherix Instrume常氧糖尿病运动组公司提供，PRO-5振动训练平台由美国power plate公司提供。

1.4 实验方法

1.4.1 实验设计分组方法

(1)对90只清洁级SD大鼠适应性饲养7 d，随机分为2组：高脂饲料喂食60只，一般饲料正常喂食30只，喂食8周。

(2)8周后高脂饲料喂食组60只大鼠注射链脲佐菌素，构建2型糖尿病骨质疏松动物模型；4周后对所有大鼠进行糖代谢、胰岛素敏感性、骨质代谢、骨密度检测并评价造模情况。造模成功后大鼠随机被分为4组：低氧糖尿病组、低氧糖尿病振动训练组(低氧糖尿病运动组)、常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组，进行相关干预12周；12周后检测大鼠胰岛素敏感性指标、代谢指标及骨密度。

(3)一般饲料正常喂食组30只大鼠随机分为2组：常氧对照组(n=15)，低氧对照组(n=15)。

1.4.2 2型糖尿病骨质疏松大鼠模型制备从所有大鼠中随机将分出60只大鼠进行高脂饲料喂食，30只大鼠进行一般饲料正常喂食，进行8周，8周后对高脂饲料喂食组的60只大鼠按照30 mg/kg剂量进行单次腹腔注射脲佐菌素，对正常喂食组的30只大鼠按照1 mL/ kg剂量进行腹腔注射单次柠檬酸盐缓冲液。在注射链脲佐菌素4周后，高脂组大鼠禁食12 h，进行2次空腹血糖测试和骨密度检测。

1.4.3 2型糖尿病骨质疏松模型大鼠判定认定造模成功要全部符合以下2个条件：空腹血糖≥7.0 mmol/L；高脂喂食大鼠股骨远端骨密度值小于正常组大鼠平均骨密度2.5个标准差，当该大鼠任一条件不满足将不被剔除出实验。高脂组大鼠造模成功43只，失败17只。

1.4.4 分组干预方案见表1。将造模成功的43只，随机分为4组：常氧糖尿病组(n=10)、常氧糖尿病运动组(n=11)、低氧糖尿病组(n=11)、低氧糖尿病运动组(n=11)。对照组大鼠随机分常氧对照组(n=15)，低氧对照组(n=15)。所有大鼠在干预期间自由饮水。常氧糖尿病组、低氧糖尿病组、低氧糖尿病运动组、常氧糖尿病运动组继续高脂饮食；低氧对照组和常氧对照组正常饮食。

(1)低氧方案：低氧对照组、低氧糖尿病组、低氧糖尿病运动组采用的低氧方案，参照中国青海多巴训练基地(海拔 2 388 m)氧环境，通过低氧舱制造氧体积分数为16%的人工常压低氧环境。

(2)常氧方案：常氧对照组、常氧糖尿病组、常氧糖尿病运动组采用常氧方案，在海拔330 m环境下进行。

(3)运动方案：常氧糖尿病运动组和低氧糖尿病运动组大鼠采用振动训练训练方案，振动训练方案参照杨春等^[20]的研究中方案通过振动训练平台实现。2组大鼠振动训练每天2次，每周4次，训练12周。

1.4.5 样本采集

(1)血液样本采集：在造模完成后干预开始前的时段和12周干预结束后，通过针刺采大鼠尾静脉血3.5 mL，次日大鼠禁食12 h，进行过量麻醉从颈动抽取3.5 mL血样，置于EDTA 抗凝管内，利用低温离心机在4 ℃，以4 000 r/min，离心 15 min，提取血清，存放于-20 ℃超低温冰箱。

(2)尿液样本采集：在造模完成后干预开始前的时段和12周干预结束后将所有大鼠放置在代谢观察笼内进行尿样采集。

(3)骨组织样本：在造模完成后干预开始前的时段和12周干预结束后利用双能X射线双能骨密度仪检测骨密度，在血样采集完成后，将大鼠处死，取出大鼠双侧股骨作为杨本，对附着其上的结缔组织和肌肉组织进行清除。进行包装和样本标记，存放于-80 ℃超低温冰箱。

1.5 主要观察指标

1.5.1 胰岛素敏感性、糖类脂类代谢指标测定取大鼠尾静脉血采用血糖仪和血糖试纸测试空腹血糖浓度，取大鼠颈主动脉血利用酶联免疫分析ELISA法检测空腹胰岛素水平(FSI)、胰岛素抵抗指标[以稳态模型的胰岛素抵抗指数( HOMA-IR)表示]、胰岛素敏感性指数(ISI)，利用全自动生化检测仪检测总胆固醇、总胆固醇、高密度脂蛋白胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇浓度。

1.5.2 骨质代谢、骨密度、骨生物力学指标测定

(1)骨质代谢：血浆抗酒石酸盐酸性磷酸酶、尿脱氧吡啶喏啉利用酶联免疫分析ELISA法检测，尿羟脯氨酸利用氯胺T方法，在瑞士产PrepChrom C-700高效液相色谱系统检测含量。

(2)骨密度：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，检测使用美国产Faxitron u低氧糖尿病组rafocus100双能X射线骨密度仪测量各组股骨远端骨密度。

(3)骨生物力学：从各组大鼠右侧股骨从超低温冰箱取出，常温静置，自然解冻。将意大利产GALDABINI材料试验机两支点距离设定为20 mm，将进行测试的股骨放于两支点上，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。

1.6 统计学分析利用SPSS 22.0统计软件进行数理统计分析。数据均已x(_)±s形式进行表达，利用独立样本t 检验、大鼠胰岛素敏感性指标变化(空腹血糖、空腹胰岛素水平、胰岛素抵抗指数)、血脂指标(三酰甘油、总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、骨密度、骨质代谢指标(尿羟脯氨酸、尿脱氧吡啶喏啉、血浆 TRACP)等前后进行比较分析，判断变化。利用单因素方差分析、LSD检验进行多组均数比较和组间两两比较。本研究显著水平定为α < 0. 05。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

讨论

3.1 低氧环境振动训练对2型糖尿病骨质疏松大鼠胰岛素敏感性、脂肪代谢的影响在美国运动医学会推荐的缓解2型糖尿病患者胰岛素抵抗的运动处方中主要包括中低强度有氧运动训练、中高强度间歇训练、小负荷抗阻力训练等方式^[10]。以上训练方式都被众多研究证实能够缓解胰岛素抵抗、有效提高胰岛素敏感性。全身振动训练为新兴的训练方式，其优势在于能够以较小负荷达到较好的运动效果。但随着研究的深入，发现振动训练对于身体成分、糖脂代谢、内分泌均有改善作用。

Yin等^[11]研究发现2型糖尿病小鼠经过8周全身振动训练其糖代谢、脂代谢得到显著改善。Liu等^[12]研究表明，2型糖尿病小鼠经过16周胰岛素抵抗症状得到显著改善。本研究结果显示，在进行全身振动训练的2型糖尿病骨质疏松大鼠(低氧糖尿病运动组、常氧糖尿病运动组)在空腹血糖、空腹胰岛素、HOMA-IR等指标上均显著优于未振动训练的2型糖尿病骨质疏松大鼠低氧糖尿病组、常氧糖尿病组(P < 0.05)。该结果与Yin、Liu的研究结果一致，证明全身振动训练能够显著降低空腹血糖、提高外周胰岛素敏感性。但进行全身振动训练的2型糖尿病骨质疏松大鼠经过运动干预后在空腹血糖、胰岛素抵抗指数等指标上仍均显著高于对照组(常氧对照组、低氧对照组) (P < 0.05)，表明12周的全身振动运动训练能够在一定程度上抑制2型糖尿病大鼠的胰岛素抵抗现象，但不能完全消除胰岛素抵抗症状。其原因可能与训练时间、训练强度有关。刘影等^[13]研究中对2型糖尿病大鼠进行振动训练干预，显示高振频和中振频的振动训练能够显著效降低空腹血糖浓度，但低频率

振动训练则无明显改变。因此建议以改善胰岛素拮抗为主要目的运动干预，应有较长的训练时长和中高频振幅的振动。

脂肪代谢在胰岛素抵抗过程具有重要作用，胰岛素对脂肪代谢具有多种调控机制，如促进前脂肪细胞向脂肪细胞的分化、加速葡萄糖转运速度、脂肪合成、抑制脂肪分解^[14]。当胰岛素质量下降或产生胰岛素抵抗会导致脂肪代谢紊乱。在进行全身振动训练的2型糖尿病骨质疏松大鼠在血清总胆固醇、三酰甘油、低密度脂蛋白胆固醇水平及高密度脂蛋白胆固醇等指标上均显著优于不振动训练的2型糖尿病骨质疏松大鼠(P < 0.05)。另有研究显示，振动训练能够显著降低糖尿病患者的空腹血糖水平、三酰甘油、胆固醇、低密度脂蛋白^[15]。综上所述，全身振动训练具有减脂功效，对并且对糖尿病大鼠血脂指标具有显著改善作用，促进脂肪代谢。

近年来许多研究显示低氧环境下的持续运动能改善胰岛素抵抗大鼠糖代谢，促进胰岛素敏感性提升，本研究中进行低氧干预的低氧对照组、低氧糖尿病组和低氧糖尿病运动组在经过12周的干预，在与胰岛素敏感性和糖代谢的有关的空腹血糖、HOMA-IR、空腹胰岛素水平方面与对应的常氧对照组、常氧糖尿病组和常氧糖尿病运动组相比均出现下降趋势(P < 0.05)。低氧糖尿病运动组显著低于常氧糖尿病运动组、低氧糖尿病组和常氧糖尿病组(P < 0.05)。表明低氧干预能够改善2型糖尿病大鼠胰岛素敏感性、糖代谢，低氧环境下的振动训练则对大鼠胰岛素敏感性能提升更为显著。其产生的机制一般认为糖利用率、葡萄糖转运有关。低氧振动训练可以下增加丘脑瘦素，降低2型糖尿病大鼠食量，加速骨骼肌和脂肪组织中的脂肪动员和分解，促进胰岛素样生长因子1和胰岛素分泌^[16]。同时低氧刺激诱发神经反射、激素分泌等应激变化，导致机体优先利用糖进行供能^[17]。低氧环境，由于氧含量降低，机体产生应激，糖供能大幅攀升，氧利用率显著提高，ATP合成速率加快。研究报道，低氧环境下机体对于糖的摄取、利用率及氧化作用均有所变化。细胞膜上葡萄糖转运蛋白(GLUT)的数量和转运能力被认为是影响细胞内葡萄糖的跨膜转运的关键因素，葡萄糖只有通过GLUT4的转运最终才能为机体所用。Kurtoglu等^[9]研究证明，低氧适应后，大鼠骨骼肌细胞膜上的GLUT结合位点增多，葡萄糖摄取能力显著增强。

综上所述，低氧环境能够改善2型糖尿病骨质疏松大鼠的糖代谢和胰岛素敏感性，而且低氧环境结合振动训练能够产生叠加增强效应。

3.2 低氧环境振动训练对2型糖尿病骨质疏松大鼠骨密度、骨质代谢、骨生物力学指标影响骨质疏松的诊断和监测主要参数为骨密度以及血、尿中骨代谢生化指标。本研究选取了骨密度、尿羟脯氨酸、血浆抗酒石酸盐酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase，TRAP)和尿脱氧吡啶喏啉作为骨质疏松和骨吸收标志物进行观察。骨密度是反映骨皮质厚度、骨小梁结构和骨量的重要指标，也是评价骨丢失程度的指标之一^[18]。骨代谢生化指标包括骨形成标志物和骨吸收标志物。本研究中尿羟脯氨酸、血抗酒石酸盐酸性磷酸酶和尿脱氧吡啶喏啉作为骨吸收标志物，羟脯氨酸尿中排出的羟脯氨酸能反映骨吸收和骨转换的程度，血浆中抗酒石酸盐酸性磷酸酶能反映骨吸收状态，尿脱氧吡啶喏啉能够直接评估骨丢失率，且其比尿羟脯氨酸具有更高的灵敏性。骨能承受的最大应力、最大载荷、弹性模量等是骨生物力学性能指标，能够直接反映骨强度、韧性、刚度以及稳定性，常被用于对骨骼质量的评价。

高海拔(低氧)地区各年龄阶段人群平均骨密度均低于低海拔(常氧)地区，其中老年人群差异更为明显^[19]。许多研究都认为低氧暴露是人或动物骨密度下降、骨质疏松的危险因素。杨春^[20]认为，低氧环境对大鼠骨代谢有显著影响，会抑制骨形成过程，加快骨吸收过程、加速骨量丢失，导致骨密度下降甚至骨质疏松的发生。刘晓东等^[21]研究发现低氧暴露会导致骨吸收作用加剧，骨小梁结构发生变化，本研究中单纯进行低氧干预的低氧糖尿病组其骨质代谢指标显著高于其余组别 (P < 0.05)。这与杨春等研究结果一致。

有研究显示2型糖尿病患者骨质疏松的发病率虽显著低于1型糖尿病患者但其发病率认为是非糖尿病患者的3-5 倍^[22]。乔林等^[23]研究中发现低氧环境下去势大鼠和糖尿病大鼠骨量丢失较一般大鼠更为严重和迅速。而本研究发现在不进行运动干预的糖尿病大鼠中，低氧糖尿病组大鼠骨密度、最大应力、最大载荷、弹性模量等指标均显著低于常氧糖尿病组 (P < 0.05)，不进行振动干预的正常大鼠中低氧对照组大鼠骨密度、最大应力、最大载荷、弹性模量等指标均低于常氧对照组，但不具有统计学差异(P > 0.05)。该结果表明，低氧环境因素对大鼠骨量丢失和骨生物力学性质的改变具有显著影响，而且低氧环境因素对于糖尿病大鼠在骨密度和骨生物力学指标的影响显著大于普通正常大鼠。这与乔林的研究非常吻合。可能是低氧诱发体内与骨代谢有关的细胞因子的应激性升高，使破骨细胞及其相关酶的活性增强，骨吸收增加，从而导致骨量丢失。所以单纯对糖尿病患者进行低氧干预以获得胰岛素敏感性提升的方式是不安全的，会增加出现骨质疏松的风险。

本研究在有振动训练干预的糖尿病大鼠中低氧的低氧糖尿病运动组与常氧的常氧糖尿病运动组表发现大鼠骨密度、最大应力、最大载荷、弹性模量等指标均不具有显著性差异(P > 0.05)，且低氧糖尿病运动组、常氧糖尿病运动组显著高于低氧糖尿病组、常氧糖尿病组(P < 0.05)，这表明振动训练可以显著降低低氧因素对糖尿病大鼠造成的骨密度下降和骨生物力学性质改变的风险。振动训练在运动过程中骨骼受到自身重力负荷压力，肌肉收缩会对骨骼产生再次压力负荷，产生压电效应刺激成骨细胞的活性和骨的生成从而增加肌力和促进成骨生长，改善骨结构，进而增加骨密度^[24]。同时振动训练能够刺激人体生长激素大量分泌，当生长激素浓度上升时会刺激肝脏分泌促进骨组织生长的胰岛素样生长因子，从而促进骨密度及其骨生物力学性质的改变^[25]。振动训练对于骨密度、骨生物力学性质的改善是压力负荷和生理调节机制的复合作用下产生的。

综上所述，低氧环境能够导致糖尿病骨质疏松大鼠骨密度下降，骨质代谢异常，骨吸收增加，但是振动训练能偶显著缓解该现象，保持大鼠骨量、降低骨吸收作用，有效规避低氧和糖尿病造成的骨质疏松风险。

结论：低氧环境能够促进2型糖尿病大鼠胰岛素敏感性提升，改善糖脂代谢，但也能够导致骨密度下降，骨质代谢异常，骨吸收增加。低氧环境搭配振动训练能够显著改善糖尿病骨质疏松大鼠的胰岛素敏感性，同时能够避免低氧因素对大鼠骨密度下降、骨质代谢异常和骨生物力学性质的改变。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程