不同方式運動對去卵巢大鼠骨密度、骨生物力學及代謝指標的影響

李世昌，季瀏，劉體偉，馬濤，陳祥和6

（1.“青少年健康評價與運動干預”教育部重點實驗室，華東師范大學體育與健康學院，上海 200241；

2.上海民辦新華初級中學，上海 200080；3.浙江工業大學 體育軍訓部，浙江 杭州 310014）

不同方式運動對去卵巢大鼠骨密度、骨生物力學及代謝指標的影響

李世昌1，季瀏1，劉體偉2，馬濤3，陳祥和126

（1.“青少年健康評價與運動干預”教育部重點實驗室，華東師范大學體育與健康學院，上海 200241；

2.上海民辦新華初級中學，上海 200080；3.浙江工業大學 體育軍訓部，浙江 杭州 310014）

通過雌性大鼠去卵巢模型來模擬女性絕經后的狀態，比較研究跳躍和游泳兩種不同方式運動對去卵巢大鼠骨的影響，以期為骨質疏松的預防發現更為有效的運動模式。將 32只 3月齡SD雌性大鼠隨機分為4組：假手術組、安靜組、游泳組和跳躍組。其中安靜組、游泳組和跳躍組行卵巢摘除手術，假手術組只行假手術(即不摘除卵巢)。8周后，測定各組大鼠體重、骨密度(BMD)、骨生物力學和骨代謝相關指標。結果發現：與安靜組比較，跳躍組大鼠股骨BMD、最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、能量吸收和彈性應力均顯著性升高；跳躍組大鼠血清 Ca和抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)水平顯著性降低。與安靜組比較，游泳組大鼠除了血清Ca水平顯著性降低外(P<0.05)，其他指標雖有變化趨勢，但變化不顯著。結果說明：8周跳躍運動對去卵巢大鼠股骨BMD、骨生物力學以及骨代謝生化指標均起到較明顯的改善作用。而8周游泳運動對去卵巢大鼠股骨BMD、骨生物力學以及骨代謝生化指標的改善效果不如跳躍運動。跳躍運動與游泳相比，在改善骨代謝，促進骨健康方面的作用更加明顯，提示能更有利于預防絕經后女性出現骨質疏松。

運動生物化學；運動方式；骨質疏松；骨密度；生物力學；動物實驗

骨質疏松是老年人中常見的一種慢性骨病，在絕經后的女性中發病率更高。絕經后婦女常發骨質疏松癥的原因主要是其卵巢分泌雌激素減少，進而導致一系列的反應所致。流行病學研究發現，體力勞動者骨密度(BMD)高于腦力勞動者，長年臥床者的BMD則會逐漸降低。運動作為一種經濟有效的預防骨質疏松癥的方法，越來越受到人們的重視。然而體育運動類型多種多樣，防治骨質疏松較合理的運動方式是什么？不同運動項目對于骨質疏松的防治效果有什么差別？有關這方面的比較研究目前還不多見，有必要進一步深入研究。

本研究通過大鼠去卵巢模擬女性絕經后的狀態，比較游泳和跳躍兩種不同的運動方式對于去卵巢大鼠骨代謝的影響，為預防老年人骨質疏松癥的發生提供理論上的支持。

1 材料和方法

1.1 實驗動物與分組

3月齡雌性SD大鼠32只，購于上海斯萊克實驗動物中心，平均體重280 g，隨機分為4組，即假手術組、安靜組、游泳組和跳躍組。其中安靜組、游泳組和跳躍組行卵巢摘除手術，假手術組只行假手術，不摘除卵巢。大鼠在25 ℃恒溫下分籠飼養，晝夜比12︰12，標準小鼠飼料，自由飲水、攝食。運動8周結束后進行相關指標測試。

1.2 大鼠跳躍運動模型的建立[1]

自制的大鼠電刺激箱，將大鼠放在底板上，由生理刺激器給予一定強度的電刺激，讓大鼠跳上箱子一側專門設制的平臺，休息20 s，然后以平臺的高度垂直將大鼠重新落到底板上。再次給予通電，刺激大鼠再次跳躍，如此循環，直到完成預定的跳躍次數。一般經幾次電刺激后，大鼠不需電刺激就會自動跳躍到一側的高處平臺上。

1.3 運動訓練安排

所有大鼠手術后適應1周。1周后各組運動情況安排如下：

假手術組和安靜組大鼠在飼養籠中自由活動。游泳組大鼠第1周前3 d游泳30 min，后3 d游40 min，從第2周開始每天游泳時間固定為45 min，每周訓練6 d，共訓練8周，游泳訓練的玻璃水池為50 cm×60 cm×90 cm，水深40 cm，水溫為(29±1) ℃。跳躍組大鼠適應性訓練3 d后，跳躍高度和次數逐漸遞增，第3周時跳躍高度達到48 cm(約為大鼠2.3倍的體長)，每天跳躍20次。每周訓練6 d，共訓練8周。

1.4 動物取材

經8周訓練，在最后1次訓練完休息24 h后，所有大鼠被斷頸椎處死。心臟取血約5～8 mL，置于10 mL離心管中，低溫離心機以4 000 r/min離心7 min，溫度控制在4 ℃，取血清置于5 mL凍存管內，放置于-80 ℃低溫冰箱內保存待測。取右側股骨及腰椎骨(L1～L5)，去除骨上附著的軟組織，用浸透生理鹽水的紗布包裹好，放于－20 ℃冰箱保存待測。

1.5 測試指標與方法

1)體重測定。

“結構性減稅”是在2008年12月初召開的中央經濟工作會議中提出的。結構性減稅既區別于全面的、大規模的減稅，又不同于以往的有增有減的稅負調整，結構性減稅更強調有選擇的減稅，是為了達到特定目標而針對特定群體、特定稅種來削減稅負水平。結構性減稅強調稅制結構內部的優化，強調貼近現實經濟的步伐，相對更為科學。有增有減的稅負調整，意味著稅收的基數和總量基本不變；而結構性減稅則著眼于減稅，稅負總體水平是減少的。在此基礎上，“實質性減稅”是一種實實在在的減稅，全面的、大規模的減稅。納稅人會得到實實在在的好處。

實驗過程中，每周日用電子稱測量各大鼠體重，并予以記錄。

2)血清生化指標測定[2]。

取出保存于－80 ℃冰箱中的血清，檢測血清鈣、磷、堿性磷酸酶(ALP)及抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)的含量。試劑盒購自南京建成生物工程研究所，嚴格按照說明書進行操作。血鈣測定利用鄰甲酚酞絡合酮比色法；血磷利用孔雀綠直接顯色法進行測定，血清中ALP和STR-ACP利用酶標法檢測。

3)BMD測定。

從－20 ℃冰箱中取出股骨和腰椎骨，室溫自然解凍，用Hologic Discovery A骨密度儀掃描股骨和腰椎(L1～L4)BMD。

4)骨生物力學指標的測定。

將股骨放在津島 AG—20KNA萬能材料實驗機上，各測試樣本放置的位置及方向前后保持一致，支點跨距為20 mm，調整上壓頭接近股骨，以2 mm/min速度進行三點彎曲試驗，直至骨折。股骨壓斷后，用游標卡尺量取股骨斷裂處橢圓橫截面外層長軸、外層短軸、內層長軸及內層短軸的長度。

用剪刀小心剪除第5腰椎上下椎間盤、椎弓及突起，并用細砂紙打磨成上下平面平行且與縱軸垂直的三棱柱。用游標卡尺測量椎體矢狀徑、冠狀徑和高度。然后將椎體置于津島 AG—20KNA萬能材料實驗機上，調整上壓頭接近椎骨，以2 mm/min的加載速度進行壓縮實驗，直至出現椎體塌陷或壓縮性骨折時停止操作。

1.6 數據處理

各組參數以均值±標準差表示，使用軟件SPSS11.0進行統計分析，組間差異顯著性采用方差分析的LSD(ONE WAY-ANOVA)進行分析，以P<0.05為顯著性差異標準，以P<0.01為極顯著性差異標準。

2 結果及分析

2.1 大鼠體重

各組大鼠在實驗后體重均有明顯增加，尤其是前3周，去卵巢大鼠體重增加的幅度比假手術組明顯要大。3周后，各組大鼠體重增長趨于緩慢，甚至有時游泳組和跳躍組大鼠體重出現負增長(如圖1)。各組大鼠最終體重比較，安靜組((426.67±35.16) g)、游泳組((389.50±13.13) g)和跳躍組((394.67±17.99) g)均顯著高于假手術組((347.16±9.43) g)；游泳組和跳躍組均低于安靜組，但統計分析，游泳組與安靜組大鼠體重差異存在顯著性(P<0.05)，而跳躍組與安靜組大鼠體重差異不存在顯著性(P>0.05)。

圖1 實驗中各組大鼠體重變化

2.2 大鼠股骨和腰椎骨(L1～L4)BMD

安靜組股骨和腰椎骨BMD明顯低于假手術組，且差異有非常顯著性(P<0.01)，跳躍組BMD明顯高于安靜組(P<0.01)，但仍低于假手術組，游泳組BMD與安靜組相比雖有升高趨勢，但差異沒有顯著性(見表1)。

表1 各組大鼠股骨和腰椎骨BMD(±s) g/cm3

表1 各組大鼠股骨和腰椎骨BMD(±s) g/cm3

1)與安靜組比較P<0.05；2)與假手術組比較P<0.01

組別 n/只 股骨 腰椎假手術組 8 0.292 8±0.031 5 0.282 5±0.020 5安靜組 8 0.248 3±0.010 22) 0.241 8±0.013 42)游泳組 8 0.268 2±0.021 6 0.260 8±0.011 2跳躍組 8 0.283 7±0.011 71) 0.268 0±0.014 41)

2.3 大鼠股骨生物力學指標

在結構力學指標方面，跳躍組大鼠股骨最大載荷、彈性載荷、破壞載荷及能量吸收均明顯高于安靜組大鼠；跳躍組大鼠股骨彈性載荷和能量吸收明顯高于游泳組大鼠；游泳組和假手術組各指標比安靜組有所升高，但差異沒有顯著性 (見表2)。

在材料力學指標方面，跳躍組大鼠股骨彈性應力明顯高于安靜組大鼠(P<0.05)，其他指標與安靜組相比沒有顯著性差異；游泳組和假手術組各指標比安靜組有所升高，但差異沒有顯著性 (見表3)。

表2 各組大鼠股骨結構力學指標(±s)

表2 各組大鼠股骨結構力學指標(±s)

1)與安靜組比較P<0.05；2)與安靜組比較P<0.01；3)與游泳組比較P<0.05

組別 n/只 最大荷載/N 彈性荷載/N 破壞荷載/N 最大撓度/mm假手術組安靜組游泳組跳躍組8 8 8 8 141.6±9.9 132.8±11.8 137.0±10.1 159.1±21.91）126.3±7.7 115.0±17.3 117.2±10.9 145.3±22.32）3）127.6±9.3 121.2±7.8 128.7±14.9 150.1±21.81）0.901±0.265 0.816±0.094 0.861±0.201 0.840±0.180組別 n/只 彈性撓度/mm 破壞撓度/mm 剛性系數/(N·mm-1) 能量吸收/(N·mm)假手術組安靜組游泳組跳躍組8 8 8 8 0.667±0.147 0.607±0.100 0.637±0.197 0.638±0.034 1.096±0.307 0.973±0.097 0.993±0.179 0.997±0.147 197.2±45.0 191.5±25.4 199.7±65.2 224.9±46.1 179.7±22.4 158.3±15.6 168.0±11.9 201.0±21.22）3）

表3 各組大鼠股骨材料力學性能指標(±s)

表3 各組大鼠股骨材料力學性能指標(±s)

1)與安靜組比較P<0.05

組別 n/只 最大應力/(N·mm-2) 彈性應力/(N·mm-2) 破壞應力/(N·mm-2) 最大應變/%假手術組安靜組游泳組跳躍組8 8 8 8 183.3±19.0 172.4± 8.2 185.8±16.7 188.2±27.7 63.3±15.0 148.6±12.6 158.9±17.0 171.6±25.71）165.3±18.7 158.1±16.2 174.5±21.8 177.5±28.1 4.31±1.28 4.07±0.53 4.15±1.00 4.25±0.98組別 n/只 彈性應變/% 破壞應變/% 彈性模量/(N·mm-2)假手術組安靜組游泳組跳躍組8 8 8 8 3.19±0.73 3.03±0.56 3.07±0.96 3.22±0.30 5.25±1.50 4.86±0.52 4.78±0.89 5.04±0.81 5 399±1 663 5 006±777 5 667±2 023 5 391±1 179

2.4 大鼠血清Ca、P濃度和STR-ACP及ALP酶活力

跳躍組和游泳組血清中 Ca濃度均明顯低于安靜組(P<0.05)，假手術組血清中Ca含量比安靜組低，但無顯著性差異；3個手術組大鼠血清抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)活力均比假手術組升高，其中安靜組與假手術組相比差異有顯著性 (P<0.05)；兩運動組血清 STR-ACP活力均比安靜組有所降低，其中跳躍組與假手術組相比差異有顯著性(P<0.05)；各組血清 P與堿性磷酸酶(ALP)活力之間雖有不同，但差異均無顯著性(見表 4)。

表4 各組大鼠血清中Ca、P濃度、STR-ACP及ALP酶活力(±s)

表4 各組大鼠血清中Ca、P濃度、STR-ACP及ALP酶活力(±s)

1)與安靜組比較P<0.05；2)與假手術組比較P<0.05

組別 n/只 c(Ca)/(mmol·L-1) c(P)/(mmol·L-1) STR-ACP/(U·L-1) ALP(U·L-1)假手術組 8 2.27±0.37 3.58±1.38 11.91±1.49 24.35±5.64安靜組 8 2.80±0.32 4.75±1.50 14.86±1.682) 38.98±15.11游泳組 8 1.93±0.431) 4.79±1.06 13.12±1.67 36.87±12.18跳躍組 8 2.16±0.321) 5.25±1.14 12.15±1.691) 28.76±5.86

3 討論

3.1 建立大鼠骨質疏松模型

Kalu[3]的報道顯示，去卵巢大鼠的骨丟失與女性絕經后的骨丟失過程相似。因此，可以將去卵巢大鼠作為女性絕經后骨質疏松模型進行研究，突破了以人做實驗的局限性，更有利于骨質疏松深層次的防治和研究。本實驗中，與假手術組相比，安靜組大鼠股骨和腰椎BMD均明顯降低(P<0.01)、血清STR-ACP明顯升高(P<0.05)，其他生物力學和血清生化指標也表現出相同趨勢，只是差異不顯著。這說明通過去卵巢手術能夠成功模擬婦女絕經后的骨丟失過程。造模的成功為本實驗的順利實施打下良好的基礎。

3.2 運動對去卵巢大鼠體重的影響

本研究發現，摘除卵巢后大鼠體重急劇上升，增長速度明顯快于假手術組，其中安靜組大鼠體重平均比假手術組高22.9%(P<0.01)。這種體重快速增加現象可能是對去卵巢導致雌激素減少的一種代償性生理反應。其原因可能是卵巢摘除后，血中雌激素水平降低，腎上腺分泌雌酮，在脂肪組織中加速轉化為雌激素以彌補血中不足，引起體內脂質代謝失常，脂肪堆積造成肥胖[4]。也有研究指出，絕經后肥胖是對骨質疏松的一種代償作用，從力學角度上講，體重作為骨的一種長期負荷，它的增加能加大對骨骼、肌肉的刺激，進而減少骨量的丟失。但這種代償作用并未能完全抵消骨量的下降，在沒有外界刺激下，絕經后女性發生骨質疏松的概率大大提高。

有關研究表明，運動對大鼠去卵巢后體重的增加有一定的抑制作用，但這種抑制不能完全抵消摘除卵巢對體重的影響[5-6]。本研究也得出同樣的結果，與安靜組相比，跳躍組和游泳組大鼠體重都有所降低，其中游泳組體重平均比安靜組降低 8.7%(P<0.05)，但實驗后游泳組和跳躍組大鼠的體重仍比假手術組高出12.2%(P<0.05)和13.7%(P<0.01)。也有研究得出不一致的結果，如章曉霜[7]的研究發現運動訓練只能減少脂肪堆積，但對于內臟重量無影響，對于體重的增加也無作用。但根據本研究的結果顯示，大鼠去卵巢后在有運動干預的情況下，跳躍組和游泳組的體重明顯高于假手術組，低于安靜組體重。說明運動干預可以有效控制體重的增加，但其作用不能彌補因雌激素缺乏而對體重造成的影響，故大鼠去卵巢后以及絕經后女性的體重增加主要是因為雌激素缺乏所造成的。

3.3 運動對大鼠BMD、生物力學及骨代謝指標的影響

骨密度(BMD)測定對于早期診斷骨質疏松十分重要，是骨礦代謝中骨的量化指標。當 BMD減少超過一定范圍時就會產生臨床上所表現的骨質疏松。如股骨頸 BMD每減少一個標準差，其骨折危險性就增加2.6倍[8]。因此，精確檢測BMD，對于判斷骨量水平，預防骨質疏松造成的骨折具有十分重要的意義。

骨生物力學特性直接反映骨的內在質量和性能，它與骨量、骨體積、皮質骨厚度和松質骨小梁結構有密切關系，是對骨形態結構的綜合反映[9－12]。骨是由無機質與有機質兩大部分組成，無機質主要由無定形鈣磷混合物和鈣磷羥灰石晶體構成，有機質主要包括膠原蛋白、骨鈣蛋白、骨涎蛋白等。當成骨細胞活性超過破骨細胞時，新骨不斷形成，鈣不斷被沉積到骨上，骨量不斷增加。由于破骨細胞代謝，同時又有大量骨細胞被分解，釋放鈣、磷等礦物質到血液循環中。因此，通過測定血鈣、血磷的含量可間接了解骨代謝平衡的狀況。血漿中無機磷的含量水平影響骨吸收速率，血磷的穩定是骨生長和礦化的必要條件。由于血鈣與血磷濃度有密切關系，當血鈣以鈣鹽形式沉淀時，血鈣減少，相應地血磷的濃度會上升。

堿性磷酸酶(ALP)是最常用的評價骨形成和骨轉換的指標，是反應成骨細胞的活躍程度的生物標志物之一。ALP由成骨細胞分泌產生，主要存在于血清和骨中，而血清中ALP有50%來源于骨。當成骨活動增強時，成骨細胞分泌大量ALP，一部分參與骨的鈣化，一部分釋放到血液中。通常認為血液中ALP升高是由代償性骨形成增強引起的。血漿抗酒石酸酸性磷酸酶(STR-ACP)主要由破骨細胞產生釋放，主要存在于骨、前列腺、溶酶體、紅細胞、血小板及脾臟中。STR-ACP在骨吸收時對骨基質的溶解起重要作用，當骨吸收活躍時，反映在血中酶活性明顯升高。因此血漿中的STR-ACP水平可作為反映破骨細胞活性和骨吸收情況的重要指標。

大量的研究表明，運動對骨具有重要影響，適宜的運動能有效增加骨量，改善骨健康。但不同運動方式和運動強度對骨的影響也不盡相同。一般認為，垂直面上的剪切力對于骨代謝的作用效果優于側面對骨施加的載荷，在平時的運動訓練過程中承重練習和肌肉力量練習均能有效預防骨丟失，增加骨量。本研究中，跳躍組大鼠股骨在運動中有較強的垂直應力刺激作用，實驗結果顯示：與安靜組相比，跳躍組大鼠股骨BMD、最大載荷、彈性載荷、破壞載荷、能量吸收和彈性應力均顯著性升高，跳躍組大鼠血清 Ca和STR-ACP水平也顯著性降低。這說明跳躍運動能提高去卵巢大鼠成骨細胞活性并能較好的抑制破骨細胞的代謝作用，從而抑制了血清 STR-ACP水平的增加，有利于去卵巢大鼠骨細胞對鈣的吸收，從而降低大鼠血鈣的水平，促進骨鈣化，增加BMD，最終使骨的內在質量和性能的提高，表現為生物力學指標的改善。

與安靜組相比，游泳組大鼠除了血清 Ca水平顯著性降低外，其他指標雖有相應變化趨勢，但不存在顯著性差異。這說明游泳運動對于去卵巢大鼠骨的刺激作用沒有跳躍運動明顯。分析其原因可能有以下兩個方面：跳躍時體重對下肢骨作用較大，屬于負重運動(WBPA，weight-bearing physical activity)，有縱向機械刺激。而游泳運動，盡管有骨骼肌的不斷收縮，肌肉對骨產生不斷的牽拉刺激，其刺激效果明顯的小于負重對骨的作用，屬于非負重運動(NWB，PA non-weight-bearing physical activity)。很多研究表明，WBPA比 NWBPA對骨的刺激效果更明顯，如Emslander等[13]通過對21名跑步運動員、22名游泳運動員與20名非運動員的對照研究發現，跑步運動員的全身BMD和股骨頸BMD顯著高于其他兩組，而游泳運動員和非運動員之間沒有顯著性差別。

跳躍組大鼠下肢骨受到較強的地面反作用力，而游泳對于下肢骨的地面反作用力微乎其微。Pettersson等[14]比較研究了跳繩運動和足球運動對 BMD影響的差異，他們發現跳繩運動組和足球運動組的 BMD均顯著高于對照組，而且發現跳繩組的全身 BMD和腰椎 BMD均顯著高于足球組。以上說明跳躍運動時，骨在垂直面上所承受的載荷明顯大于其它運動方式，跳躍運動對于預防和治療骨質疏松具有良好的效果。

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Effects of different ways of exercising on the bone mineral density and
bone biomechanical and metabolic indexes of ovariectomized rats

LI Shi-chang1，JI Liu1，LIU Ti-wei2，MA Tao3，CHEN Xiang-he1
（1.Key Laboratory of Adolescent Health Assessment and Exercise Intervention，Ministry of Education，College of Physical Education and Health，East China Normal University，Shanghai 200241，China；
2.Shanghai Xinhua Private Junior High School，Shanghai 200080，China；
3.Physical Education and Military Department，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China）

By using a model of female rat ovariectomy to simulate women’s postmenopausal state, the authors compared and studied the effects of such two different ways of exercising as jumping and swimming on the bones of ovariectomized rats, hoping to find a more effective mode of exercising for preventing osteoporosis. The authors divided 30 3 months old female SD rats randomly into 4 groups: a sham operated group, a calm group, a swimming group and a jumping group, in which the calm group, swimming group and jumping group were operated for ovariectomy, while the sham operated group was just subjected to a sham operation (i.e. no ovariectomy). 8 weeks later,the weight, bone mineral density (BMD), bone biomechanics and bone metabolism related indexes of the rats in various groups were measured. The author revealed the following findings: as compared with the calm group, the BMD, maximum load, elastic load, destructive load, energy absorption and elastic stress of the femur of the rats inthe jumping group increased significantly; the levels of blood serum Ca and tartrate-resistant acid phosphatase(STR-ACP) of the rats in the jumping group decreased significantly; as compared with the calm group, except that the blood serum Ca level of the rats in the swimming group decreased significantly (P<0.05), all the other indexes changed insignificantly although they shown a trend of changing. The said findings indicated the followings: the 8-week jumping exercise played a role in significantly improving the BMD, bone biomechanical and bone metabolic biochemical indexes of ovariectomized rats, while the results of improvement of the BMD, bone biomechanical and bone metabolic biochemical indexes of ovariectomized rats, produced by the 8-week swimming exercise were not as good as those produced by the jumping exercise; as compared with swimming, the jumping exercise played a more significant role in improving metabolism and promoting bone health, which suggests that it is more conducive to preventing osteoporosis from occurring to postmenopausal women.

sports biochemistry；way of exercising；osteoporosis；bone mineral density；biomechanics；animal experiment

G804.7

A

1006-7116(2012)02-0132-06

2011-08-25

2010年國家社會科學基金重大項目(10ZD&052)。

李世昌（1956-），男，教授，博士研究生導師，研究方向：骨組織運動適應的生物學。