短期中等强度跑台运动对雄性高脂血症大鼠骨密度的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.37.003

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (37): 6555-6560.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.37.003

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短期中等强度跑台运动对雄性高脂血症大鼠骨密度的影响

王晓红，徐超，张卓，郭连莹，周波

沈阳医学院营养与食品卫生学教研室，环境与人口健康实验室，辽宁省沈阳市 110034

收稿日期:2013-03-05 修回日期:2013-04-18 出版日期:2013-09-10 发布日期:2013-09-10
通讯作者: 周波，博士，教授，沈阳医学院营养与食品卫生学教研室，环境与人口健康实验室，辽宁省沈阳市 110034 zhoubo@symc.edu.cn
作者简介:王晓红，女，1963年生，辽宁省辽阳市人，汉族，主任技师，主要从事食物营养方面研究。
基金资助:
辽宁省教育厅高等学校科学研究项目(2009A693)*：高胆固醇血症综合防治技术的实验研究及机制探讨

Short-time middle-load treadmill exercise affects the bone mineral density of hyperlipidemia male rats

Wang Xiao-hong, Xu Chao, Zhang Zhuo, Guo Lian-ying, Zhou Bo

Department of Nutrition and Food Hygiene, Shenyang Medical College, Shenyang 110034, Liaoning Province, China

Received:2013-03-05 Revised:2013-04-18 Online:2013-09-10 Published:2013-09-10
Contact: Zhou Bo, M.D., Professor, Department of Nutrition and Food Hygiene, Shenyang Medical College, Shenyang 110034, Liaoning Province, China zhoubo@symc.edu.cn
About author:Wang Xiao-hong, Chief technician, Department of Nutrition and Food Hygiene, Shenyang Medical College, Shenyang 110034, Liaoning Province, China wxh0515@hotmail.com
Supported by:
Science Research Program of Higher Education, Liaoning Education Bureau, No. 2009A693*

摘要/Abstract

摘要：

背景：高脂血症可导致大鼠骨质疏松，适量运动可增加骨密度，但短期运动对高脂血症导致骨质疏松的雄性动物骨密度的影响尚不清楚。
目的：探讨短期中等强度跑台运动对雄性高脂血症大鼠骨密度的影响。
方法：将26只SD雄性大鼠随机分为正常对照组(n=8)、高脂血症组(n=9)、运动干预组(n=9)。正常对照组喂饲普通饲料；其他两组喂饲高脂饲料建立大鼠高脂血症模型，持续4周。运动干预组大鼠进行跑台训练，每周训练5 d，共4周，每天强度为：第1周15 min，速度15 m/min；第2周20 min，速度15 m/min；后2周20 min，速度20 m/min，跑台坡度均为0°。实验结束后处死大鼠，取其右侧股骨检测骨密度、胫骨观察骨形态变化，测定血浆碱性磷酸酶活性和钙磷含量。
结果与结论：与正常对照组比较，高脂血症组股骨远端骨密度显著降低(P < 0.05)，胫骨近端骨小梁排列稀疏变薄，间隙增宽，髓腔内有大量脂肪细胞浸润或融合成空泡，血浆碱性磷酸酶明显增加(P < 0.01)。与高脂血症组比较，运动干预组股骨远端骨密度显著增加(P < 0.05)，经体质量校正后股骨全骨密度增加(P < 0.05)，胫骨近端骨小梁排列致密整齐，小梁间距小，血浆碱性磷酸酶增加(P < 0.01)。血浆钙磷含量各组间差异无显著性意义。实验结果说明短期中等强度跑台运动增加高脂血症雄性大鼠骨密度。

关键词: 组织构建, 骨组织构建, 高脂血症, 跑台运动, 运动干预, 雄性大鼠, 骨骼, 骨密度, 骨重建, 省级基金

Abstract:

BACKGROUND: Some studies have shown that hyperlipidemia can lead to osteoporosis in rats, and exercise can increase the bone mineral density of rats. But the effect of short-time exercise on the bone mineral density of hyperlipdemia induced osteoporosis male rats is unclear yet.
OBJECTIVE: To investigate the effect of short-time middle-load treadmill exercise on the bone mineral density of hyperlipidemia male rats.
METHODS: Twenty-six male Sprague Dawley rats were randomly divided into three groups: control group (n=8), hyperlipidemia group (n=9) and exercise intervention group (n=9). The rats in the control group were fed with normal diet, and the rats in the other two groups were fed with high-fat diet and lasted for 4 weeks to establish the hyperlipidemia models. The rats in the exercise intervention group received treadmill exercise 5 days per week for 4 weeks according to the following schedule: 15 m/min for 15 minutes in the 1st week, 15 m/min for 20 minutes in the 2nd week, and then 20 m/min for 20 minutes in the last 2 weeks. Slope grade of the treadmill was adjusted at 0°. At the end of experiment, the rats were sacrificed, and the bone mineral density of the right femur, the morphological change of tibia, the level of plasma alkaline phosphates and calcium content were examined.
RESULTS AND CONCLUSION: Compared with the control group, the distal femur bone mineral density in hyperlipidemia group was significantly decreased (P < 0.05); histological analysis of the proximal tibia showed thinning and loss of bony trabeculae arrangement, the gap was widened, and a large amount of fat cells infiltration or integration into vacuoles in the marrow was observed, the plasma alkaline phosphates was significantly increased (P < 0.01). Compared with the hyperlipidemia group, distal femur bone mineral density in the exercise intervention group was increased (P < 0.05). After adjust body weight, the whole femur bone mineral density was significantly greater in exercise intervention group compared to hyperlipidemia group (P < 0.05). The histological analysis of the proximal tibia showed that the spaces of bone trabeculae decreased and the structure of bone trabeculae compacted, the alkaline phosphates activities were increased (P < 0.01). There were no significant differences in serum calcium and phosphates levels between groups. The results show that short-time middle-load treadmill exercise can increase the bone mineral density of hyperlipidemia male rats.

Key words: hyperlipidemias, osteoporosis, bone density, exercise test, femur, tibia

中图分类号:

R318

王晓红，徐超，张卓，郭连莹，周波. 短期中等强度跑台运动对雄性高脂血症大鼠骨密度的影响[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(37): 6555-6560.

Wang Xiao-hong, Xu Chao, Zhang Zhuo, Guo Lian-ying, Zhou Bo. Short-time middle-load treadmill exercise affects the bone mineral density of hyperlipidemia male rats[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(37): 6555-6560.

图/表（结果） 4

2.1 实验样本数量分析 实验期间，各组大鼠均没有死亡发生，但高脂血症组的1只大鼠股骨标本损坏缺失，因此高脂血症组参与数据分析的动物样本数为8只。

2.2 高脂血症模型的建立 模型大鼠的胆固醇、三酰甘油分别为(2.76±0.49) mmol/L和(1.24±0.34) mmol/L，均分别高于正常对照组(1.55±0.30) mmol/L及(0.89± 0.13) mmol/L (P < 0.01)，表明高脂血症动物模型建立成功^[3]。

2.3 各组大鼠摄食量和体质量 高脂血症组终体质量和增加质量均显著高于正常对照组，而运动干预组均明显低于高脂血症组。另外，运动干预组摄食量分别少于其余两组。见表1。

2.4 各组血液生化指标 高脂血症大鼠血清碱性磷酸酶明显高于正常大鼠，而运动干预组碱性磷酸酶明显高于高脂血症模型组，3组比较差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2。

2.5 各组大鼠的骨密度 各组间股骨长度、横径和全股骨骨密度比较，差异无显著性意义。运动干预组股骨远端骨密度明显高于高脂血症模型组，经体质量标准化后的全股骨骨密度和股骨远端骨密度运动干预组均明显高于高脂血症组，见表3。
2.6 胫骨近端组织形态学观察 由图1-3可以明显看出正常对照组与高脂血症组相比，骨小梁排列致密整齐，小梁间距小，高脂血症组骨小梁排列稀疏变薄，间隙增宽，髓腔内有大量脂肪细胞浸润或融合成空泡。与高脂血症组相比，运动干预组髓腔内虽也有空泡，但骨小梁排列致密整齐，小梁间距小；与正常对照组相比，骨小梁排列更加致密。

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引言

骨质疏松症是骨吸收逐渐大于骨形成，骨代谢发生负平衡，使骨矿含量减少，骨密度降低，骨的微细结构发生变化，骨韧性降低，轻微外伤即可发生骨折。骨质疏松导致的髋部骨折大约20%的病例死亡，50%左右的患者致残^[1]。高脂血症是机体脂类代谢紊乱使血中胆固醇、三酰甘油等血脂增高，进而导致动脉粥样硬化、冠心病、糖尿病等代谢性疾病。高脂血症和骨质疏松症是影响中老年人健康的主要慢性疾病，随着人口老龄化，其发病率迅速增加给家庭和社会造成巨大的经济负担，已经成为全球主要的公共卫生问题^[2-4]。

近年来流行病学资料和动物实验研究均证实，高脂血症和骨质疏松关系密切。对绝经后妇女和老年男性调查发现骨量丢失与血脂水平升高呈相关^[5-10]。用高脂膳食饲养大鼠或小鼠，引起高脂血症的同时出现明显的骨量丢失^[11-15]。在发病机制、预防和治疗方面高脂血症和骨质疏松有很多共性。研究表明：运动可以改善血脂、提高骨密度，跑步运动对骨的机械性撞击可以增加骨密度、加强骨骼强度，是预防和减缓骨矿物质流失的有效方法。但运动的强度和时间对运动效果的作用报道结果不一致，而且目前的研究多以卵巢切除动物模型，或绝经后妇女为研究对象，观察长期运动对雌激素缺乏导致血脂紊乱和骨质疏松的作用，其研究结果更有利于应用预防绝经后骨质疏松症^[16]。

原发性骨质疏松症可分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型为女性的绝经后骨质疏松症，Ⅱ型为男女均可发生的老年性骨质疏松症，两型发病机制不同，男性骨质疏松的研究越来越引起国内外学者的关注^[17]。高脂血症可导致雄性大鼠骨质疏松^[18-19]，运动对高脂血症导致骨质疏松影响的雄性动物实验报道较少。实验通过建立高脂血症大鼠模型，观察短期中等强度跑台运动对高脂血症雄性大鼠骨密度的影响，为运动预防高脂血症引发男性骨质疏松提供一定的理论依据。

材料方法

设计：随机分组设计，对照动物实验。

时间及地点：于2010至2011年在沈阳医学院实验动物中心完成。

材料：

实验动物：9周龄健康清洁级雄性SD大鼠26只，购自北京维通利华实验动物技术有限公司动物许可证号：SCXK(京)2006-0009。普通饲料为纯合成AIN-93M配方饲料^[20]；高脂饲料按照AIN-93M配方进行调整，调整后猪油含量10%、胆固醇1%，饲料均由北京华阜康生物科技股份有限公司生产。实验动物的购买、训练干预及取材处理得到沈阳医学院伦理委员会批准。

短期中等强度跑台运动对雄性高脂血症大鼠骨密度影响实验的主要试剂与仪器：

实验方法：

分组：动物适应1周后，按体质量随机抽取8只作为正常对照组，喂饲普通饲料；其余造模组大鼠喂饲高脂饲料，喂养14 d后，内眦静脉采血，剔除血脂或体质量异常动物，再按血脂和体质量均衡原则随机将18只大鼠分为高脂血症模型组(高脂血症组，n=9)和高脂血症+运动干预组(运动干预组，n=9)，均继续喂饲高脂饲料4周。

干预：运动干预组大鼠行4周跑台训练，周一至周五训练，周末休息。训练强度参照Bedford^[21-22]，动物运动负荷标准，第1周15 min，速度15 m/min；第2周 20 min，速度15 m/min；后2周20 min，速度20 m/min。跑台坡度0°。

取材：干预结束后周一取材，取材前禁食12 h，称量大鼠体质量，按1.5 mL/kg，取2%戊巴比妥钠溶液腹腔注射麻醉大鼠，腹主动脉取血，4 ℃，4 000 r/min，离心10 min分离血清。处死大鼠，分离股骨和胫骨，剔除所有附属的肌肉和结缔组织，注意保持骨骼的完整性，股骨用浸泡生理盐水的纸巾包裹后塑料袋密封，冻存于-80 ℃冰箱待用。

摄食量和体质量测量：干预前后及干预期间每周称量各组大鼠体质量1次，每天称量给食量和剩量。

生化指标测定：用日本日立公司的7170A型自动生化分析仪测定血清中钙、磷、白蛋白和碱性磷酸酶。

骨密度测量：采用双能X射线骨密度测定仪(NORLAND XR36型，美国)进行骨密度扫描，记录右侧股骨全骨及远端骨密度和骨矿含量。

股骨长和横径测量：使用游标卡尺(长春量具刃具厂)测量股骨长(股骨头到股骨远端)、股骨横径(股骨头下端股骨最宽处)精确到0.02 mm。

胫骨近端组织形态学观察：将右侧胫骨浸泡于体积分数10%甲醛溶液中2周以上，取出胫骨脱钙，15%EDTA浸泡，每4 d换1次，直至用针能刺透，取出，常规石蜡包埋，切片，苏木精-伊红染色。在三目数码显微镜(BA400.MOTTCAM2005型)下观察胫骨远端骨小梁完整性、厚度和脂肪含量。

主要观察指标：①大鼠体质量。②大鼠血清钙、磷、白蛋白和碱性磷酸酶。③大鼠股骨、股骨远端骨密度。④股骨长和宽。⑤胫骨近端组织形态学。

统计学分析：用SPSS 13.0统计软件对数据进行处理。测试结果以x(_)±s表示。三组间比较采用单因素ANOVA方差分析，多重比较应用LSD法分析，以P < 0.05表示差异有显著性意义。

讨论

高脂膳食对骨影响的动物实验研究显示，高脂膳食可导致高脂血症使生长期大鼠和老年雌性大鼠松质骨骨密度降低^{[19, 23-25]}。实验结果显示，与正常对照组比较高脂血症组股骨远端骨密度明显降低，胫骨近端骨小梁稀疏、变细、断裂不连续，骨髓腔内脂肪细胞增多，说明已经建立了高脂血症导致的雄性大鼠骨质疏松模型。

大量研究表明，运动是预防肥胖和骨质疏松的有效方法。但不同的运动方式、运动强度和持续时间对肥胖和骨密度的影响也不尽相同，适宜的运动能有效地减少体脂肪并增加骨密度，改善机体健康状态。跑步是耐力训练的一种良好的方式，大鼠跑台运动与人在跑步机上运动基本相同。跑台运动是动物实验研究中最为常用的运动方式，通过调节跑台的速度、坡度和运动时间，能准确地控制运动负荷^[22]。实验采用间歇式、逐渐增加运动负荷的训练方式，运动强度按 Bedford等^[21-22]文献报道计算为中等强度，属于有氧运动。

跑台运动对骨作用的效果与实验动物种类、性别、月龄、骨位置、运动强度和时间等有关。运动强度不同对骨密度影响差别显著^[26-28]，中等强度增加骨量和骨密度，而大强度则降低骨密度。跑台运动对骨的作用具有位置特异性，张崇林等^[29]报道雌性大鼠跑台运动健骨的位点效果由强到弱依次为：盆骨、后肢骨、肋骨、脊椎骨、前肢骨。大鼠跑步时，四肢骨承受负荷最多，尤其是远端骨受到更强烈的地面反作用力，运动刺激作用表现早而且更显著。Hamrick 等^[30]用12周龄雌性小鼠跑步30 min/d，每周5 d，共4周，速度为12 m/min，股骨远端骨形成显著好于骨干。进一步研究发现，大鼠的跑台运动训练,其不同发育阶段，骨的应答反应部位不同，成长期以松质骨为主的骨骺部、骨干骺端部的骨密度增加，而成熟初期则主要是皮质骨为主的骨干部骨密度增加^[31-33]。这次实验大鼠为9周龄大鼠，训练强度为中等强度，结果显示运动干预组股骨远端骨密度明显高于高脂血症组。

骨组织的变化严格遵循Frost骨力学调控系统理论，当骨组织所处的力学环境变化后,骨的形状、骨量和内部结构会不断地更新调整,以适应不断增加和变化的力学环境的需要^[34]，骨的这种适应性调整即可称为骨重建过程，达到最佳适应状态所需的时间不同。动物实验显示,中长期的适量运动明显改善去卵巢大鼠骨密度^[35]，短期运动对骨密度的影响报道结果不一致。张崇林等^[29]观察到中等强度的跑台运动从4周起即可增加雌性大鼠全身及各部位骨密度。实验中经4周训练后，运动干预组股骨远端骨密度明显高于高脂血症组，可见，短期中等强度的跑台运动即可增加改善骨质疏松大鼠的骨密度。

高脂膳食导致的肥胖使体质量增加^[36]，运动具有降低肥胖大鼠体质量的作用^[37]，本实验结果显示：高脂血症大鼠体质量显著高于对照组，而经运动后体质量明显降低。骨密度与体质量呈正相关^[38]，用体质量校正骨密度能有效地排除由于高脂膳食导致大鼠体质量增加对骨密度影响的干扰因素^[39]。Gerbaix等^[40]用高脂膳食喂养雄性大鼠16周，由于体脂增加肥胖大鼠胫骨骨密度明显高于正常对照组，但经体质量校正后，差异显著性消失。本实验大鼠全股骨骨密度在运动干预组与高脂血症间差异无显著性意义，但经体质量校正后，运动干预组高于高脂血症组。

在骨的重建过程中，骨组织的形态结构随之变化，尤其是松质骨更敏感。研究显示，高脂血症对松质骨损伤大于密质骨^{[18, 41]}。为进一步确定本实验运动负荷对高脂血症大鼠骨作用，实验观察了胫骨近端组织形态学的变化。结果表明，运动干预组骨小梁数目明显多于高脂血症组，骨髓腔中脂肪空泡数目少于高脂血症对照组，表明这次实验采用的运动负荷短期内能够有效改善高脂血症雄性大鼠的骨质疏松状态。Ma等^[31]也报道适量的轮转运动改善高脂膳食雄性小鼠股骨远端松质骨的空间立体结构。

相关实验报道，跑台运动增加股骨横径^{[29, 42]}，而本实验结果显示骨长度和横径各组间均没有显著差异，可能是因为运动时间短不足以产生密质骨结构形状变化。

碱性磷酸酶是反映成骨细胞活跃程度的指标，血液中碱性磷酸酶增加说明骨代偿性形成增加既骨转换率高，运动增加血清碱性磷酸酶水平^[43]，短期运动降低体质量的同时，增加碱性磷酸酶的活性^[44]。这次实验结果显示，高脂血症大鼠碱性磷酸酶增加，而运动使其进一步升高，说明对高脂血症大鼠运动可能是通过提高成骨细胞活性改善其骨密度，其机制有待于进一步研究。

中等强度的运动对机体摄食活动的影响研究结果不一致。有研究认为正常体型者运动后食欲增加，而对肥胖者和动物实验的食量无影响^[45]。喂饲高脂膳食的肥胖大鼠，中等强度的转轮运动4周食量明显下降^[46]。实验中运动干预组大鼠平均摄食量明显低于正常对照组和高脂血症组，说明运动时摄入高脂膳食降低了食欲，摄食量降低可能也是体质量低的原因，运动干预组体质量显著低于高脂血症组，尽管与正常对照组比较差异无显著性意义，但有降低的趋势。这次实验运动干预时间仅为4周，如长期干预，则应注意食欲下降可能导致机体营养不良影响骨健康，这方面尚需深入研究。

实验从骨量、骨形态学和骨代谢指标方面观察显示，短期中等强度跑台运动增加雄性高脂血症大鼠骨密度，改善骨质疏松状态。

短期中等强度跑台运动对雄性高脂血症大鼠骨密度的影响

Short-time middle-load treadmill exercise affects the bone mineral density of hyperlipidemia male rats

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