不同运动强度干预2型糖尿病模型大鼠的骨密度变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.27.002

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：
糖尿病引起的钙质流失和骨代谢异常：糖尿病的典型症状是多饮、多尿，而大量的钙、磷矿物质就会随着尿液排除体外，如果此时缺乏必要的钙剂补充，就会造成患者的“钙负平衡”，继而引发一系列的激素水平变化，促使溶骨作用增强，最终导致骨质脱钙、骨质疏松。此外，糖尿病患者体内的活性维生素D水平往往偏低，这会影响钙、磷等矿物质在肠道的吸收。2型糖尿病所特有的胰岛素敏感性下降对于骨骼的破坏更是雪上加霜，它会影响蛋白质的正常代谢，使骨基质合成减少。所有这些因素综合在一起，最终导致糖尿病患者骨基质减少，骨小梁破坏，骨密度降低，成为骨质疏松症发作的高危人群。
骨密度：是骨质量的一个重要标志，反映骨质疏松程度，预测骨折危险性的重要依据。由于测量方法的日益改进和先进软件的开发，使该方法可用于不同部位，测量精度显著提高。除可诊断骨质疏松症之外，尚可用于临床药效观察和流行病学调查，在预测骨质疏松性骨折方面有显著的优越性。

摘要
背景：超过50%的糖尿病患者伴随骨质疏松。运动是治疗糖尿病的主要方法，其是否也对糖尿病骨质疏松的发生产生影响目前尚不明确。
目的：分析不同运动强度与2型糖尿病大鼠模型骨密度变化。
方法：将40只大鼠随机等分为模型组和低、中、高强度运动组，所有大鼠均采用一次性腹腔注射链脲佐菌素建立2型糖尿病模型。低、中、高强度运动组分别进行10，20，30 m/min的跑台训练，1 h/d，6 d为一个周期，每周期训练结束后休息1 d，连续运动8个周期。而模型组不进行运动训练。
结果与结论：与模型组相比，低、中、高强度运动组大鼠体质量减轻，血糖水平下降，骨钙素、血钙水平以及股骨生物力学指标增加，血磷和碱性磷酸酶降低，且中、高强度运动组大鼠骨密度增加。提示不同运动强度都对2型糖尿病大鼠模型骨密度和骨代谢具有一定的影响。采用运动方法治疗时采取适当的体育运动能提高血清骨钙素含量，改善骨代谢状况，更好的预防糖尿病骨质疏松症，具有较高的临床应用价值。

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ORCID: 0000-0002-8091-0914(江洪)

关键词: 实验动物, 骨软骨损伤与修复动物模型, 运动强度, 2型糖尿病, 骨密度, 骨质疏松症, 骨钙素, 生物力学, 骨代谢

Abstract:

BACKGROUND: More than 50% of patients with diabetes are accompanied by osteoporosis. Exercise is the main method to treat diabetes, but whether it has an impact on diabetes osteoporosis is unclear.
OBJECTIVE: To analyze the different exercise intensities and changes in bone mineral density in type 2 diabetic rat models.
METHODS: Forty rats were randomly divided into model group and low-, medium- and high-intensity exercise groups. All rats received intraperitoneal injection of streptozotocin to establish models of type 2 diabetes. Rats in the low-, medium- and high-intensity exercise groups did treadmill training at 10, 20, 30 m/min, 1 hour per day, 6 days as a cycle. They had a rest for 1 day after each cycle, for 8 consecutive cycles. Rats in the model group did not do any exercise.
RESULTS AND CONCLUSION: Compared with the model group, the weight of rats was decreased; blood glucose levels were reduced; osteocalcin and serum calcium levels and biomechanical indexes of femur increased; serum phosphorus and alkaline phosphatase decreased in the low-, medium- and high-intensity exercise groups. Bone mineral density increased in the medium- and high-intensity exercise groups. These findings confirmed that different exercise intensities have a certain influence on bone mineral density and bone metabolism in type 2 diabetic rat models. When using a method of treating movement, proper physical exercise can increase serum osteocalcin content, improve bone metabolism, prevent diabetic osteoporosis, and have a high clinical value.

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Key words: Diabetes Mellitus, Osteoporosis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

江洪. 不同运动强度干预2型糖尿病模型大鼠的骨密度变化[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(27): 3963-3969.

Jiang Hong. Different exercise intensities affect bone mineral density in type 2 diabetic rats[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(27): 3963-3969.

图/表（结果） 3

2.1 造模成功动物数量及过程 20只大鼠全部进行结果分析数量，中途无脱落。

2.2 模型方法的改进及模型稳定性 对大鼠高脂饲料喂养8周联合小剂量链脲佐菌素腹腔注射制备2型糖尿病大鼠模型，制备相对比较简单，省去了繁琐的程度，对于实验室的要求也相对较低。制备的2型糖尿病以测定血糖作为建立成功的标准，使得模型稳定性更强，更加符合临床实践的要求。

2.3 主要观察指标和次要观察指标

2.3.1 体质量 4组大鼠造模后体质量总体呈现上升趋势；低强度运动组、中强度运动组和高强度运动组大鼠体质量显著低于模型组(P < 0.05；表1，图1)。说明运动能控制大鼠的体质量，有益于控制机体血糖。

2.3.2 血糖及骨密度 造模后8周测定4组大鼠血糖，与模型组相比，低强度运动组、中强度运动组以及高强度运动组大鼠血糖水平明显下降(P < 0.05)，且低强度运动组、中强度运动组以及高强度运动组大鼠血糖水平接近(P > 0.05；表2，图2)。

与模型组相比，中、高强度运动组大鼠双侧股骨骨密度显著上升(P < 0.05)，但低强度运动组大鼠骨密度变化差异无显著性意义(P > 0.05；表2，图2)。提示对于2型糖尿病大鼠来说，适当的的运动能有效的控制机体血糖，提高大鼠骨密度水平。

2.3.3 骨代谢 与模型组相比，低、中、高强度运动组大鼠骨钙素以及血钙水平显著上升(P < 0.05)，血磷和碱性磷酸酶指标显著下降(P < 0.05)；随着训练强度的增加大鼠骨密度代谢水平得到改善(表3，图3)。

2.3.4 生物力学指标 与模型组相比，低强度运动组、中强度运动组以及高强度运动组大鼠股骨最大载荷、最大应力、模量以及能量显著增加(P < 0.05)；低、中、高强度运动组大鼠股骨最大应力、模量差异无显著性意义(P > 0.05)；大鼠最大载荷、最大应力随着运动强度增加出现上升趋势(表4，图4)。

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引言

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2014年12月至2015年12月在新乡医学院完成。

1.3 材料

实验动物：SPF级健康雄性SD大鼠40只，体质量为0.12-0.42 kg，平均(0.35±0.17) kg，实验动物均由新乡医学院动物实验中心提供，饲养严格遵守相关标准进行饲养，合格证号为许可证号110108008426。实验符合《关于善待实验动物的指导性意见》。

1.4 方法

1.4.1 动物分组 将40只大鼠随机分为模型组及低、中、高强度运动组，各10只。

1.4.2 建立2型糖尿病模型 禁食12 h后，将各组大鼠以体积分数3.6%水合氯醛全身麻醉，一次性腹腔注射30 mg/kg浓度为1%链脲佐菌素建立2型糖尿病模型。造模后饲养72 h，尾静脉采血，测量血糖水平，血糖≥16.7 mmol/L提示建模成功^[16]。

1.4.3 运动方法 运动方法参照Bedfoed运动方案实施^[17]。3组大鼠造模7 d后开始训练，低、中、高强度运动组分别进行10，20，30 m/min的跑台训练，1 h/d，6 d为一个周期，每周期训练结束后休息1 d，连续运动8个周期。而模型组仅给予常规喂养，不进行运动训练^[18-19]。

1.4.4 骨密度测量 运动8周期后断颈处死，取双侧股骨并放置在甲醛中固定30 min，将其放置在-20 ℃冰箱中。双能X射线骨密度仪测定骨密度。

1.4.5 骨代谢测定 4组大鼠训练8个周期后静脉采集3 mL静脉血，采用ELISA测定大鼠血清骨钙素，采用全自动电化学发光分析仪测定血钙水平，相关操作步骤必须严格遵循试剂盒及仪器操作进行^[20-21]。

1.4.6 生物力学性能测量 大鼠股骨的生物力学性能采用三点弯曲试验进行测量。将大鼠股骨放置在距离 20 mm的支架上，采用材料力学测定仪对股骨骨干远端1/3处进行三点弯曲试验，连续传感器，在支架中心施加压力，速度为10 mm/min，检测股骨的最大载荷、最大应力等^[22-23]。

1.5 结局观察指标 大鼠体质量、血糖、骨密度、骨代谢及生物力学性能。

1.6 统计学分析 采集数据采用SPSS 18.0处理，计量资料采用x(_)±s表示，组间比较采用t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

糖尿病是临床上发病率较高的代谢性疾病，患者发病后主要以血糖水平慢性升高为主，且机体长时间由于血糖异常，容易造成眼、肾以及心脏等器官发生功能性损伤^[24]。研究显示2型糖尿病患者骨质疏松发生率呈现上升趋势，已经严重影响患者生存质量^[25-26]。因此，临床上采取积极有效的措施降低骨质疏松症发生率成为医学界研究的焦点。作者对健康大鼠高糖脂饲养进行8 h喂养，采用小剂量链脲佐菌素腹腔注射制备大鼠模型，这种模型制备优点在于单一、模型确定、重复性好、实验结果可信度较大，能很好的体现雌激素水平下降特点。大量研究结果显示，2型糖尿病患者适当的体育运动能改善机体血糖，更加有利于患者骨代谢和重构^[27-28]。骨骼的强度决定于其材料的特性和结构特性，而决定骨强度的因素中，骨矿物质含量又能反应骨组织的量的因素，骨密度相对于骨强度的贡献达到60.0%-70.0%，通过不同的运动将会对大鼠骨密度产生明显的影响。实验结果显示适当的运动能控制患者血糖，从而控制机体体质量。但是，临床上对于不同运动强度对2型糖尿病骨密度的影响存在较大的争议^[29-30]。与模型组相比，低、中、高强度运动组大鼠血糖水平呈现下降趋势；低、中、高强度运动组大鼠血糖水平接近；中、高强度运动组大鼠骨密度水平显著高于低强度运动组；低强度运动组与模型组大鼠骨密度接近。出现这种现象的原因是多方面的，由于大鼠不同强度下的运动能增加机体内能量的消耗，从而加速肌肉组织对葡萄糖的摄取和利用，从而能加速提高肝胰岛素水平恢复正常，及时抑制胰岛素抵抗，帮助机体纠正血糖异常水平^[31-32]。同时，适当的运动能提高大鼠机体免疫，更好的诱导分泌胰岛素，维持机体血糖在正常范围内，降低了骨折发生率。

骨代谢在一定程度上能反映2型糖尿病患者骨细胞与成骨细胞的活动及骨基质、骨成分的变化情况。对于成骨细胞而言，由于细胞内含有较多的碱性磷酸酶，能参与骨的钙化，能促进机体骨重建^[33]。相关研究显示，2型糖尿病患者由于机体血糖长期异常，容易引发骨质疏松症，且能增强血清碱性磷酸酶活性^[34]。而骨钙则属于成骨细胞分泌的非胶原蛋白，是骨更新相对比较敏感指标之一^[35]。骨生物学指标从大的角度主要分为3个方面：①骨生物学指标能反映骨结构力学特性。②能反映骨材料力学特性。③反映骨组织抵抗外力作用^[36]。低、中、高强度运动组大鼠股骨生物力学指标显著大于模型组；低、中、高强度运动组大鼠最大应力和模量接近；大鼠最大载荷、最大应力随着运动强度增加出现上升趋势。说明运动负荷差异可能对肌肉结构以及功能产生影响，到时股骨所受机械应力不同而对于骨代谢的改善情况也不尽相同，在适当的运动下能促进骨形成和股重建，改善机体骨生物力学性能。

综上所述，不同运动强度对2型糖尿病大鼠模型骨密度和骨代谢具有一定的影响。2型糖尿病在采用运动方法治疗时采取适当的体育运动能提高血清骨钙素含量，改善骨代谢状况，更好的预防糖尿病骨质疏松症，具有较高的临床应用价值。中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植；肝移植；移植；心脏移植；组织移植；皮肤移植；皮瓣移植；血管移植；器官移植；组织工程