低氧環(huán)境下中等強度運動對老年T2DM大鼠骨密度、胰島素敏感性影響研究

程加秋 張庭然

1. 重慶幼兒師范高等專科學(xué)校，重慶 404047

2. 西南大學(xué)體育學(xué)院國家體育總局體質(zhì)評價與運動機能監(jiān)控重點實驗室，重慶 400715

我國于2010年由老齡化社會進入深入老齡化社會，2020年預(yù)計會進入“超級老齡化”社會。在此背景下各種慢性代謝疾病發(fā)病率持續(xù)上升，JAMA雜志報道，我國成人2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)患病率高達10.9%，糖尿病前期流行率達到35.7%，糖尿病不僅危害人民健康，還令整個社會背上巨大經(jīng)濟包袱，糖尿病的高發(fā)已經(jīng)成為嚴(yán)重的社會問題。糖尿病是由于胰島素分泌缺陷和其生物學(xué)作用障礙引起的以高血糖為主要特征的代謝性疾病[1]。糖尿病主要分1 型糖尿病 (type 1 diabetes mellitus， T1DM)、2型糖尿病、其他特殊類型和妊娠糖尿病、繼發(fā)性糖尿病。大量研究證實2型糖尿患者進行長期規(guī)律運動能夠改善糖尿病導(dǎo)致的代謝紊亂、提高其胰島素敏感性。所以目前運動處方主要在2型糖尿病臨床治療中使用。近年來許多研究顯示低氧環(huán)境下的持續(xù)運動能緩解胰島素抵抗現(xiàn)象、改善糖脂代謝，促進胰島素敏感性恢復(fù)[2]。其機制可能是低氧刺激誘發(fā)神經(jīng)反射、激素分泌等應(yīng)激變化，導(dǎo)致人體優(yōu)先利用糖進行供能[3]。當(dāng)機體處于低氧環(huán)境，由于空氣中氧含量較低，出現(xiàn)氧供不足，機體產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，無氧糖酵解供能比例提升、脂肪有氧供能比例下降。氧利用率提升，ATP合成速度增加。Kurtoglu SI[4]研究表明，低氧環(huán)境運動能夠提升糖尿病患者糖代謝能力、增加胰島素、胰島素受體及由胰島素-胰島素受體介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運速率。王寧琦[5]研究顯示低氧和運動的雙因素誘導(dǎo)下糖尿病患者體內(nèi)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT)表達和轉(zhuǎn)位、轉(zhuǎn)運能力、糖代謝酶的活性均顯著增強。Mackenzie等[6]發(fā)現(xiàn)低氧結(jié)合中等強度運動能有效改善糖尿病人糖耐量，提高胰島素的敏感性。利用模擬低氧環(huán)境運動改善糖尿病人代謝紊亂、提高胰島素敏感性、降低對藥物和人工胰島素的依賴程度已經(jīng)成為糖尿病輔助治療方面的熱點，在糖尿病治療方面有廣闊的前景。但是低氧環(huán)境存在風(fēng)險，大量研究證實高原低氧地區(qū)居民年老后在受高原缺氧影響與平原地區(qū)居民相比，骨量丟失明顯，骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機率較高[7]。雖然目前低氧誘發(fā)骨質(zhì)疏松形成的作用機制尚不明確，但低氧環(huán)境已經(jīng)被公認(rèn)為是骨質(zhì)疏松發(fā)生、發(fā)展的重要環(huán)境因素。眾所周知，骨質(zhì)疏松是2型糖尿病常見并發(fā)癥，且糖尿病誘發(fā)的骨質(zhì)疏松具有性別特征，研究顯示2型糖尿病男女患者骨質(zhì)疏松發(fā)病率分別為38.0%和65.3%，女性糖尿病患者的骨質(zhì)疏松患病率明顯高于男性糖尿病患者。在低氧環(huán)境能夠改善糖尿病患者內(nèi)分泌和胰島素敏感性，但其是否會加劇糖尿病患者骨量丟失、增加其骨質(zhì)疏松風(fēng)險，目前尚不明確，國內(nèi)外亦未見相關(guān)研究。本研究擬通過建立老年T2DM大鼠模型，并進行為期12周的低氧環(huán)境運動干預(yù)，觀察大鼠糖代謝、胰島素敏感性、骨密度等相關(guān)指標(biāo)，進一步明確低氧環(huán)境運動對糖尿病大鼠糖代謝、胰島素敏感性的影響和評價其對糖尿病大鼠骨量丟失和骨質(zhì)疏松的風(fēng)險。為日后低氧環(huán)境運動作為糖尿病患者運動處方的施用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1實驗動物：本實驗采用SPF級雌性55月齡SD大鼠72只，體重180 g～190 g，由重慶醫(yī)科大學(xué)重慶國家生物產(chǎn)業(yè)基地實驗動物中心，許可證編號: SCXK(渝) 2017-0023，分籠飼養(yǎng)，自由飲水，飼養(yǎng)環(huán)境保持22±3 ℃，相對濕度45%～60%，明暗期12 h/12 h，并對大鼠進行飲食量、飲水量、動物背毛日常觀察。實驗過程中對動物處置符合科學(xué)技術(shù)部發(fā)布的《關(guān)于善待實驗動物的指導(dǎo)性意見》。

1.1.2實驗試劑：高脂飼料由福貝世亨生物醫(yī)藥有限公司提供，熱量5.5 kcal/g，其中脂肪含量為60%，碳水化合物為25%，蛋白質(zhì)為15%。葡萄糖注射液由四川科倫藥業(yè)提供。鏈脲佐菌素(Streptozotocin，STZ)由深圳興博盛ENZO公司提供。大鼠胰島素酶聯(lián)免疫分析ELISA 試劑盒由廈門慧佳生物科技有限公司提供。檸檬酸鹽緩沖液由南通市飛宇精細(xì)化學(xué)品公司提供。葡萄糖氧化酶活性檢測試劑盒由美國SIGMA公司提供。

1.1.3實驗設(shè)備：-80 ℃冰箱(國產(chǎn)HaierDW-86L626)、血液分析儀(美國產(chǎn)貝克曼庫爾特COULTER?LH 750)、分光度計(國產(chǎn)上海譜元Alpha1860S) 等，全自動生化分析儀(日本產(chǎn)HITACHI-7000)，低溫離心機(國產(chǎn)凱達rt-35)，酶標(biāo)儀(國產(chǎn)Bio-TekELX800)，雙能 X 線骨密度儀(Faxitron ultrafocus100,USA)，材料試驗機(意大利 GALDABINI，SUN1000 V669)，低氧艙 (美國產(chǎn)Oxycycler ModelA84XO BioSpherix Instruments)，動物跑臺(國產(chǎn)賽昂斯SANS-sa101)。

1.2 方法

1.2.1實驗設(shè)計與流程：1)對所有大鼠(n=72)進行為期1周的適應(yīng)性飼養(yǎng)；2)隨機將大鼠分為普通飼料喂養(yǎng)對照組(Normal control group，NC組，n=24)，高脂飼料喂養(yǎng)組(High-fat dits，HF組，n=48)，進行為期8周喂養(yǎng)，8 周后HF組注射小劑量鏈脲佐菌素，構(gòu)建老年T2DM動物模型，期間HF組大鼠維持高脂喂食，4周后對所有大鼠進行葡萄糖耐量試驗(Intraperitoneal glucose tolerance test，IPGTT)、骨掃描評價胰島素敏感性指標(biāo)、糖代謝指標(biāo)、骨密度進行檢測；3)模型構(gòu)建完成后，NC組隨機分為常氧對照組(Normal Oxygen control，NC組，n=12)，低氧對照組(Low Oxygen control，LC組，n=12)，HF組隨機分為低氧糖尿病組(Low Oxygen T2DM，LT組，n=12)、低氧糖尿病運動組(Low Oxygen T2DM Sport，LTS組，n=12)、常氧糖尿病組(Normal Oxygen T2DM， NT組，n=12)、常氧糖尿病運動組(Normal Oxygen T2DM Sport，NTS組，n=12)進行為期12周干預(yù)，在干預(yù)期間，停止高脂飼料喂食，各組大鼠均進行普通飼料正常喂食；4)干預(yù)結(jié)束后對所有大鼠進行胰島素敏感性指標(biāo)、糖代謝指標(biāo)、骨密度、股骨生物力學(xué)指標(biāo)檢測。

1.2.2動物模型構(gòu)建與分組：1)T2DM大鼠模型建造：所有大鼠進行適應(yīng)性喂養(yǎng) 1 周后，隨機將大鼠分為普通飼料喂養(yǎng)對照組(NC組，n=24)，高脂飼料喂養(yǎng)組(HF組，n=48)，NC組大鼠用普通飼料進行喂養(yǎng)，HF組大鼠用高脂高糖飼料進行喂養(yǎng)。HF組高脂飼料喂養(yǎng)8 周后，對大鼠按照30 mg/kg的標(biāo)準(zhǔn)進行1次腹腔注射STZ， NC組大鼠按照1 mL/kg標(biāo)準(zhǔn)進行腹腔注射1次檸檬酸鹽緩沖液。在注射STZ 后第4周，所有大鼠禁食12 h，進行2次空腹血糖測試。

2)T2DM大鼠模型判定：測試結(jié)果血糖空腹血糖濃度(fasting plasma glucose，F(xiàn)PG)≥7.0 mmol/L，被認(rèn)為是T2DM大鼠模型造模成功。本研究高脂組大鼠造模成功48只。

3)具體分組：將對照組大鼠隨機分常氧對照組(NC組，n=12)，低氧對照組(LC組，n=12)，造模成功的糖尿病大鼠隨機分為低氧糖尿病組(LT組，n=12)、低氧糖尿病運動組(LTS組，n=12)、常氧糖尿病組(NT組，n=11)、常氧糖尿病運動組(NTS組，n=11)。所有大鼠在干預(yù)期間進行正常飼料喂食，自由飲水。LC組、LT組、LTS組執(zhí)行低氧方案、NC組、NT組、NTS組進行常氧方案、NTS組和LTS組執(zhí)行運動方案、LC組、LT組、NC組、NT組大鼠在籠中正常飼養(yǎng)，不進行活動。

1.2.3干預(yù)方案：1)低氧方案：LC組、LT組、LTS組執(zhí)行低氧方案，目前公認(rèn)高原運動海拔上限2 400 m，參照謝宜軒低氧方案[8]，利用美國產(chǎn)Oxycycler ModelA84XO低氧艙制造人工常壓低氧環(huán)境，氧體積分?jǐn)?shù)為16%，相當(dāng)于海拔2 400 m。

2)常氧方案：NC組、NT組、NTS組進行常氧方案，該方案在重慶萬州執(zhí)行，海拔325 m。

3)運動方案：NTS組和LTS組執(zhí)行運動方案，運動方案參照張荷研究方案中通過動物跑執(zhí)行，常氧和低氧運動組大鼠需要執(zhí)行每周4次，每次60 min、速度為20 m/min的跑臺運動。各組具體干預(yù)方案參見表1。

表1 各組干預(yù)方案明細(xì)Table 1 Details of the intervention program in each group

1.2.4大鼠狀態(tài)記錄觀察：專人負(fù)責(zé)觀察實驗周期內(nèi)所有實驗大鼠體重、精神狀態(tài)、飲食、排便等情況，并且進行記錄。

1.2.5取材：造模結(jié)束后對所有大鼠進行腹腔注射葡萄糖耐量試驗(IPGTT)，第2天所有大鼠保持禁食12 h，后抽取腹部主動脈血3 mL，在常溫下靜置 30 min 后，利用低溫離心機以4 000 r /min 離心10 min，提取血清，置于-20 ℃冰箱進行保存。8周的干預(yù)結(jié)束后對所有大鼠進行 IPGTT 試驗，次日所有大鼠禁食 12 h取腹主動脈血，取血結(jié)束后，處死大鼠，剝離大鼠雙側(cè)股骨，去除股骨結(jié)締組織和骨骼肌。進行稱取雙側(cè)股骨鮮重，分別用浸透生理鹽水的紗布包裹每側(cè)股骨，進行標(biāo)記，置于-80 ℃冰箱進行保存。

1.2.6糖代謝與胰島素：葡萄糖耐量試驗(IPGTT)：IPGTT測試對大鼠依照每千克體重 2 g 的劑量予以腹腔注射50% 濃度葡萄糖溶液。在完成注射葡萄糖溶劑后 0 min、30 min、60 min、120 min 對大鼠采集尾靜脈血，利用強生one touch血糖儀測定血糖濃度，按照張家慶研究中[9]的算法計算血糖曲線下面積(Area under the curve of blood glucose，AUCBG)。

糖代謝指標(biāo)檢測：IPGTT，第2天所有大鼠保持禁食12 h，后抽取腹部主動脈血3 mL，在常溫下靜置 30 min 后，利用低溫離心機以4 000 r /min 離心10 min，提取血清，置于-20 ℃冰箱進行保存。將血利用酶聯(lián)免疫分析ELISA法檢測空腹胰島素水平(fasting serum insulin，F(xiàn)INS)、葡糖糖氧化酶法測定空腹血糖濃度(FPG)，胰島素抵抗指標(biāo)以穩(wěn)態(tài)模型的胰島素抵抗指數(shù)(homeostasis model assessment insulin resistance，HOMA-IR) 表示、胰島素敏感性指數(shù)(insulin sensitive index，ISI)。

股骨骨密度檢測：股骨骨密度測定從-80 ℃冰箱中取出各組大鼠左側(cè)股骨，室溫放置，待其自然解凍后，檢測使用美國產(chǎn)Faxitron ultrafocus100雙能X線骨密度儀測量各組股骨遠(yuǎn)端骨密度。

股骨生物力學(xué)的檢測：將置于-80 ℃冰箱保存大鼠股骨取出，置于常溫環(huán)境直至自然解凍。材料試驗機的兩立柱間距調(diào)整為20 mm，將接受生物力學(xué)檢測的大鼠股骨置于兩立柱之間，兩立柱支撐股骨兩端，所有股骨樣本擺放的方向、位置保持一致，以降低系統(tǒng)測量誤差， 控制材料試驗機上壓頭接近股骨， 使上壓頭以 1 mm /min速度勻速下降， 進行三點彎曲試驗， 直至股骨發(fā)生骨折，通過SMD數(shù)字信號采集測試系統(tǒng)以10次/秒的采樣頻率記錄實驗數(shù)據(jù)，在軟件中自動保存。軟件記錄最大載荷、斷裂載荷、最大應(yīng)力、彈性模量等指標(biāo)。

1.3 統(tǒng)計分析

本研究利用SPSS22.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。本研究數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差形式進行表達， 利用獨立樣本T檢驗對大鼠體重進行前后比較分析、利用單因素方差分析、LSD檢驗對大鼠FPG、FINS、HOME-IR、AUCBG、ISI、骨密度、最大應(yīng)力、最大載荷、斷裂載荷、彈性模量指標(biāo)進行多組均數(shù)比較和組間兩兩比較。本研究顯著水平定為α<0. 05。

2 結(jié)果

2.1 T2DM大鼠模型驗證

表2顯示：NC組與HF組在FINS、FPG、HOMA-IR、AUCBG指標(biāo)上差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，在ISI指標(biāo)上差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P< 0.05)。該結(jié)果表明HF組胰島素敏感性與NC組比較顯著降低，可以認(rèn)為經(jīng)過8周高脂喂食，HF組大鼠呈胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)，建模成功。

表2 對照組與糖尿病模型組糖代謝和胰島素敏感性指標(biāo)對比Table 2 Comparison of glucose metabolism and insulin sensitivity indexes between control group and diabetic model group

注：*表示組間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；**表示組間具有非常顯著差異P<0.01

2.2 大鼠體重變化結(jié)果

表3顯示：1)所有組別在造模前體重差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，可以排除造模前初始體重差異的影響。2)NC組和LC組大鼠體重顯著低于NT組、NTS組、LT組、LTS組大鼠體重差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。3)經(jīng)過12周干預(yù)后NTS組和LTS組大鼠體重顯著低于干預(yù)前體重(P<0.05)，NT組和LT組大鼠體重顯著高于干預(yù)前體重(P<0.05)，NC組和LC組干預(yù)前后差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。4)經(jīng)過12周干預(yù)后NTS組大鼠顯著低于NT組和LT(P<0.05)且顯著高于NC組、LC組、LTS組大鼠體重(P<0.05)。LTS組大鼠體重顯著低于LTS組、NT組和LT(P<0.05)且顯著高于NC組、LC組大鼠體重(P<0.05)。NC組大鼠體重顯著高于LC組(P<0.05)，NT組大鼠體重顯著高于LT組(P<0.05)。

表3 各組大鼠體重變化Table 3 Changes in body weight of rats in each group

注：#表示與造模前體重差異有統(tǒng)計學(xué)意義，P<0.05；*表示與干預(yù)前體重差異有統(tǒng)計學(xué)意義，P<0.05；1)表示與NC組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；2)表示與NT組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；3)表示與NTS組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；4)表示與LC組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；5)表示與LT組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05

2.3大鼠胰島素敏感性及代謝指標(biāo)變化

表4顯示：1)FINS方面，LTS組顯著低于NTS組、LT組和NT組(P<0.05)，LTS組與NC組、LC組組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LC組低于NC組但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LT組顯著低于NT組(P>0.05)。

2)FPG方面，LTS組顯著低于NTS組、LT組和NT組(P<0.05)，LTS組與NC組、LC組組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LC組低于NC組但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LT組低于NT組但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

3)HOMA-IR方面，LTS組顯著低于NTS組、LT組和NT組(P<0.05)，LTS組顯著高于NC組、LC組(P<0.05)，LC組低于NC組但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LT組低于NT組但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

4)ISI方面LTS組顯著低于NTS組、LT組和NT組(P<0.05)，LTS組顯著高于LC組(P<0.05)，與NC組差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LC組顯著低于NC組(P<0.05)，LT組顯著低于NT組(P<0.05)。

5)AUGBG方面，LTS組顯著低于NTS組、LT組和NT組(P<0.05)，LTS組顯著高于LC組(P<0.05)，與NC組差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LC組顯著低于NC組(P<0.05)，LT組顯著低于NT組(P<0.05)。

表4 大鼠胰島素敏感性和代謝指標(biāo)變化Table 4 Changes of insulin sensitivity and metabolic-related indicators in rats

注：1)表示與NC組具有顯著性差異P<0.05；2)表示與NT組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；3)表示與NTS組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；4)表示與LC組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；5)表示與LT組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05

2.4 大鼠股骨重、骨密度變化結(jié)果

表5顯示：1)在造模完成后進行干預(yù)前NC組和LC組大鼠骨密度與NT組、NTS組、LT組、LTS組大鼠骨密度差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，表明糖尿病大鼠出現(xiàn)骨密度下降。

2)NTS組和LTS組干預(yù)后大鼠骨密度顯著高于干預(yù)前骨密度(P<0.05)，且NTS組和LTS組干預(yù)后大鼠骨密度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

3)NTS組和LTS組干預(yù)后大鼠骨密度顯著高于NT組和LT組大鼠骨密度(P<0.05)，顯著低于NC組和LC組大鼠骨密度(P<0.05)，NC組大鼠骨密度顯著高于LC組(P<0.05)。

4)NTS組和LTS組干預(yù)后大鼠鮮股骨重顯著高于NT組和LT組(P<0.05)，顯著低于NC組和LC組(P<0.05)，NC組大鼠鮮股骨重顯著高于LC組(P<0.05)，NTS組和LTS組干預(yù)后大鼠鮮股骨重差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

表5 大鼠鮮股骨重、骨密度變化Table 5 Changes of femoral bone weight and bone mineral density in rats

注：*表示與干預(yù)前骨密度差異有統(tǒng)計學(xué)意義，P<0.05；1)表示與NC組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；2)表示與NT組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；3)表示與NTS組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；4)表示與LC組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；5)表示與LT組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05

2.5 大鼠股骨骨生物力學(xué)指標(biāo)變化

表6顯示：1)最大應(yīng)力方面，LTS組、NTS組顯著低于LC組和NC組(P<0.05)，顯著高于NT組和LT組(P<0.05)，LTS組與NTS組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LT組與NT組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

2)最大載荷方面LTS組、NTS組顯著低于NC組(P<0.05)，顯著高于NT組和LT組(P<0.05)，LTS組、NTS組、LC組組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LT組與NT組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，LC組與NC組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

3)斷裂載荷方面LTS組、NTS組顯著低于NC組(P<0.05)，顯著高于NT組和LT組(P<0.05)，LTS組、NTS組、LC組組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LT組與NT組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，LC組與NC組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

4)彈性模型方面LTS組、NTS組顯著低于LC組、NC組(P<0.05)，顯著高于NT組和LT組(P<0.05)，LTS組、NTS組、組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，LT組與NT組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，LC組與NC組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

表6 大鼠股骨骨生物力學(xué)指標(biāo)變化Table 6 Changes of femoral bone biomechanics in rats

注：1)表示與NC組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；2)表示與NT組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；3)表示與NTS組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；4)表示與LC組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05；5)表示與LT組差異有統(tǒng)計學(xué)意義P<0.05

3 討論

3.1 低氧環(huán)境下中等強度運動對老年T2DM胰島素敏感性影響

中等強度運動被認(rèn)為是對糖利用較為充分且容易堅持的運動方式[10]。Polak J[11]研究發(fā)現(xiàn)老年糖尿病患者經(jīng)過9周60%Hrmax的跑步運動，胰島素敏感性顯著提升。Stevens AL[12]對老年2型糖尿病大鼠進行速度為15 m/min的跑臺發(fā)現(xiàn)大鼠胰島素抵抗現(xiàn)象得以緩解。所以中等強度運動能夠降低糖尿病患者血糖、緩解其胰島素抵抗、提高其胰島素敏感性。研究認(rèn)為糖尿病患者至少要連續(xù)8周中強度運動才能達到對胰島素敏感性的改善作用[13]。潘志軍[14]認(rèn)為運動強度與對胰島素敏感性改善程度沒有線性關(guān)系。中等強度運動為提升糖尿病患者胰島素敏感性的適應(yīng)負(fù)荷。而運動對糖尿病患者高胰島素敏感性提高機制可能與糖原合成有關(guān)。Jung SH[15]研究發(fā)現(xiàn)，大鼠經(jīng)過連續(xù)8周、每天60 min的中強度運動后，其與糖原合成相關(guān)的多種酶活性均顯著提高，當(dāng)與糖原合成有關(guān)酶的活性提升時，機體肌糖原和肝糖原的合成會加快，糖轉(zhuǎn)化為糖原形式后，血液中糖濃度會下降。也有研究認(rèn)為運動對糖尿病患者高胰島素敏感性提高與運動導(dǎo)致糖胰島素的信號傳導(dǎo)增強有關(guān)。Kum[16]研究發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠經(jīng)過8周跑臺運動后其骨骼肌中PKB 磷酸化水平顯著高于運動干預(yù)前，與不運動組相比差異亦有統(tǒng)計學(xué)意義。Bernard[17]研究中對糖尿病大鼠進行12 周跑臺訓(xùn)練干預(yù)，發(fā)現(xiàn)大鼠骨骼肌中胰島素刺激的 PI3K和 Akt 的活性顯著增高。本研究中運動干預(yù)的LTS組和NTS組在FINS、FPG、HOMA-IR、ISI、AUCBG等指標(biāo)上均顯著優(yōu)于未進行運動的LT組、NT組，P<0.05。該結(jié)果與先前學(xué)者的研究結(jié)果一致，再次驗證中等強度運動有助胰島素敏感性的提升。

近年來，研究顯示低氧環(huán)境下的持續(xù)運動能改善胰島素抵抗大鼠糖代謝，促進胰島素敏感性提升，以及緩解胰島素抵抗。而本研究中進行低氧干預(yù)的LC組、LT組和LTS組在經(jīng)過12周的干預(yù)，在與胰島素敏感性和糖代謝有關(guān)的FINS、FPG、HOMA-IR、ISI、AUCBG方面與對應(yīng)的NC組、NT組和NTS組相比均出現(xiàn)下降趨勢。LTS組顯著低于NTS組、LT組和NT組(P<0.05)。本研究表明中低氧因素在改善老年T2DM大鼠胰島素敏感性、糖代謝方面具有顯著作用，且低氧因素與運動因素能夠產(chǎn)生疊加效應(yīng)，低氧環(huán)境下的中強度運動能夠更為明顯地提升。

大鼠的胰島素敏感性被認(rèn)為其機制與體重變化、糖利用率、葡萄糖轉(zhuǎn)運有關(guān)。研究顯示持續(xù)低氧環(huán)境或長時間進行低氧運動能顯著降低人或動物的體重，且低氧運動降低體脂的效果優(yōu)于相同強度的常氧運動。低氧能刺激機體產(chǎn)生應(yīng)激，腎上腺素、甲狀旁腺激素、去甲腎上腺素分泌增加，基礎(chǔ)代謝率提高，同時低氧會刺激下丘腦“食欲調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)”，產(chǎn)生食欲抑制，故低氧運動可增加能耗、減少攝食量，降低體重以及優(yōu)化體成分。Hu G[18]研究指出，低氧運動比常氧運動能更有效降低肥胖青年體重和體脂。魯世金[19]等研究發(fā)現(xiàn)低氧運動可以增加下丘腦瘦素，降低T2DM大鼠食量，加速骨骼肌和脂肪組織中的脂肪動員和分解，促進IGF-1和胰島素分泌。有學(xué)者認(rèn)為，低氧刺激誘發(fā)神經(jīng)反射、激素分泌等應(yīng)激變化，導(dǎo)致人體優(yōu)先利用糖進行供能[6]。當(dāng)機體處于低氧環(huán)境，由于氧供不足，機體產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，糖比例提升，氧利用率提升，ATP合成加劇。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，低氧環(huán)境下機體對于糖的攝取、利用率及氧化作用均有所變化。細(xì)胞膜上葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白 (Glucose transporter type，GLUT) 的數(shù)量和轉(zhuǎn)運能力被認(rèn)為是影響細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵因素，葡萄糖只有通過 GLUT的轉(zhuǎn)運才能被機體利用。GLUT的數(shù)量被認(rèn)為與胰島素抵抗程度呈負(fù)相關(guān)。Kurtoglu SI[4]研究證明，大鼠對低氧產(chǎn)生適應(yīng)后，其骨骼肌細(xì)胞膜上與葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-4(Glucose transporter type -4，GLUT-4)的結(jié)合位點增多，葡萄糖轉(zhuǎn)運能力增強，機體對于葡萄糖利用率增加。謝宜軒等[8]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過低氧運動大鼠體能與糖代謝有關(guān)酶含量增加且活性顯著提高。但也有報道指出低氧干預(yù)雖會減少皮下脂肪堆積，但會增加血脂，降低胰島素敏感性。長期處于低氧環(huán)境會誘發(fā)脂聯(lián)素、瘦素和抵抗素等與脂代謝相關(guān)的細(xì)胞因子分泌失調(diào)，加劇T2DM大鼠胰島素抵抗[20]。本研究結(jié)果顯示低氧環(huán)境有利于在改善老年T2DM大鼠胰島素敏感性、糖代謝方面，低氧環(huán)境下中等運動能夠更為顯著的提升老年T2DM大鼠胰島素敏感性。造成不同研究結(jié)果差異的原因可能與不同研究采用的運動干預(yù)方式、低氧環(huán)境氧濃度、大鼠年齡差異有關(guān)。

綜上所述，低氧環(huán)境能夠改善老年T2DM大鼠的糖代謝和胰島素敏感性，但低氧環(huán)境結(jié)合中等強度運動能夠產(chǎn)生疊加增強效應(yīng)。

3.2 低氧環(huán)境下中等強度運動對老年T2DM大鼠骨密度和骨生物力學(xué)性質(zhì)影響

骨密度是反映骨皮質(zhì)厚度、骨小梁結(jié)構(gòu)和骨量的重要指標(biāo)，也是評價骨丟失程度的指標(biāo)之一。骨能承受的最大應(yīng)力、最大載荷、彈性模量等是骨生物力學(xué)性能指標(biāo)，能夠直接反映強度、韌性、剛度以及穩(wěn)定性，常被用于對骨骼質(zhì)量的評價。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)高海拔地區(qū)生活的人群平均骨密度低于平原地區(qū)人群，45歲以上人群的骨密度差距尤為明顯。低氧暴露被公認(rèn)為是人和動物骨量丟失、骨質(zhì)疏松的高危因素。先前研究基本認(rèn)為，低氧因素對大鼠骨代謝有較明顯的影響，誘發(fā)骨吸收加劇、骨形成作用抑制、骨量丟失加速、骨密度下降導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。Stevens AL[21]研究認(rèn)為低氧暴露不僅會導(dǎo)致骨量流失而且會改變骨小梁結(jié)構(gòu)，骨盆和腰椎骨微結(jié)構(gòu)改變尤為明顯。有研究顯示2 型糖尿病患者骨質(zhì)疏松的發(fā)病率雖顯著低于1型糖尿病患者但其骨折發(fā)病率仍是非糖尿病患者的3～5倍。喬林[22]等研究中發(fā)現(xiàn)低氧環(huán)境T2DM大鼠骨密度下降較正常大鼠更為嚴(yán)重且骨量丟失更迅速。糖尿病導(dǎo)致的高血糖內(nèi)環(huán)境可誘發(fā)滲透性利尿， 導(dǎo)致血清磷、鈣濃度顯著降低， 而低血鈣會反饋導(dǎo)致甲狀旁腺機能亢進， 甲狀旁腺素分泌過量， 破骨細(xì)胞活性顯著增加， 進而導(dǎo)致磷、鈣動員增加，骨質(zhì)脫鈣，骨量流失，形成骨質(zhì)疏松。此外高血糖還會抑制胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factors-1，IGF-1)的合成和釋放， 使 IGF-1濃度下降， 而 IGF-1 具有激活成骨細(xì)胞的活性作用， 加速骨膠原形成。糖尿病病程長短與骨密度下降程度高度相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)在未進行運動干預(yù)的糖尿病大鼠中，LT組大鼠骨密度、鮮骨重、最大應(yīng)力、最大載荷、彈性模量等指標(biāo)均顯著低于NT組(P<0.05)，不進行運動干預(yù)的正常大鼠中LC組大鼠骨密度、鮮骨重、最大應(yīng)力、最大載荷、彈性模量等指標(biāo)均低于NC組，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。該結(jié)果表明，低氧環(huán)境因素對大鼠骨量丟失和骨生物力學(xué)性質(zhì)的改變具有顯著影響。低氧環(huán)境因素對于糖尿病大鼠在骨密度和骨生物力學(xué)指標(biāo)表面的影響顯著大于普通正常大鼠。這與喬林[22]的研究中發(fā)現(xiàn)的低氧環(huán)境對T2DM大鼠骨密度影響大于正常大鼠的現(xiàn)象吻合。所以低氧暴露作為糖尿病患者致骨質(zhì)疏松的危險因素，其機制可能是低氧因素誘發(fā)骨質(zhì)代謝有關(guān)的細(xì)胞因子產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，進而使破骨細(xì)胞活性增加, 骨吸收作用加劇，最終導(dǎo)致骨密度下降。但是本研究在運動干預(yù)的糖尿病大鼠中LTS組與NTS組大鼠骨密度、鮮骨重、最大應(yīng)力、最大載荷、彈性模量等指標(biāo)差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，這表明運動干預(yù)可以顯著降低低氧因素對糖尿病大鼠造成的骨密度下降和骨生物力學(xué)性質(zhì)改變的風(fēng)險。Liu X[23]研究證實跑步運動對于人或動物骨密度甚至骨結(jié)構(gòu)具有正向效應(yīng)。跑步動作過程中，自重對地面產(chǎn)生壓力而根據(jù)牛頓定律地面會向人體產(chǎn)生反作用力也就是對骨骼造成自下而上的沖擊力。跑步過程中人體肌肉通過離心-向心收縮對骨骼產(chǎn)生二次壓力負(fù)荷，產(chǎn)生壓電效應(yīng)刺激成骨細(xì)胞的活性和骨的生成從而增加肌力和促進成骨生長，改善骨結(jié)構(gòu)，進而增加骨密度[24]。也有研究認(rèn)為，跑步過程中肌肉被動進行收縮，而且有較長時間的等長和離心收縮，此收縮模式可以加速局部血液循環(huán)，刺激運動部位充血引起骨血灌注量增加[25]。研究證實，運動能夠刺激生物體內(nèi)IGF-1的分泌，IGF-1在骨骼生長發(fā)育、骨量和骨密度維持方面起非常關(guān)鍵的作用。IGF-1 與其受體結(jié)合，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長、增殖與代謝。IGF-1在 OB 和破骨細(xì)胞 (OC) 上均存在受體，在骨吸收過程被大量釋放，是使骨形成和骨吸收達到緊密偶聯(lián)最重要的生長因子,血液中的IGF-1 水平在骨量的生成和維持上起到非常關(guān)鍵的作用[26]。

綜上所述，低氧環(huán)境能夠造成老年T2DM大鼠骨密度下降和骨生物力學(xué)性質(zhì)的改變，但是在低氧環(huán)境結(jié)合中等強度運動則可以維持老年T2DM大鼠骨密度和骨生物力學(xué)性質(zhì)。

4 結(jié)論

低氧環(huán)境能夠顯著改善老年2型糖尿病大鼠胰島素敏感性，但也能夠誘發(fā)其骨密度下降和骨生物力學(xué)性質(zhì)改變。在低氧環(huán)境下進行中等強度運動則能夠有效改善老年T2DM大鼠胰島素抵抗、提高胰島素敏感性，同時增加骨密度、改變骨生物力學(xué)性質(zhì)。因此，低氧干預(yù)有助于糖尿病患者胰島素敏感性的提高，同時，結(jié)合中等強度運動能夠有效防止低氧干預(yù)對糖尿病患者造成的骨密度下降和骨生物力學(xué)性質(zhì)的改變。