木糖醇对糖尿病大鼠骨生物力学的影响

张文会，高秀梅，于德民，孙丽荣

（1.天津医科大学代谢病医院痛风科，卫生部及天津市激素与发育重点实验室，天津300070；2.中国人民解放军第二五四医院）

糖尿病（DM）是多系统代谢紊乱的全身性疾病，常伴骨质疏松症(osteoporosis,OP)[1]。木糖醇（xylitol,Xy）是国内市场上糖尿病食品中主要的甜味添加剂，目前国内有关木糖醇的研究多集中于糖代谢，国外动物实验显示木糖醇可通过增加骨量和骨矿物成分而预防老龄大鼠的OP[2]，我国的相关研究还较少。骨生物力学是评价骨质量的综合指标，目前大部分针对糖尿病性OP的研究仅对DM患者骨代谢生化指标及骨密度进行检测，而较少观察骨生物力学性能的改变。由于人体试验受诸多因素影响，本文采用动物模型进行骨生物力学性能的观察和分析，以探讨木糖醇对DM大鼠骨生物力学性能的影响。

1 材料与方法

1.1 实验动物分组及处置 将48只3月龄体重190～220 g的健康、雄性Wistar大鼠(天津市药物研究院提供)随机分为DM组和正常组(N组)，并分别以四氧嘧啶(4mg/100 g)和等体积生理盐水尾静脉注射，3 d后测随机血糖>16.7mmol/L为DM模型成立。24只DM大鼠随机分为DM对照（DC）组、DM+10%Xy组和DM+20%Xy组，每组8只。24只N组大鼠随机分为正常对照（NC）组、N+10%Xy组和N+20%Xy组，每组8只。DC组、NC组喂饲标准固体饲料，DM+10%Xy组、N+10%Xy组、DM+20%Xy组和N+20%Xy组喂饲标准饲料添加10%或20%木糖醇(占标准饲料中谷类重量的10%或20%)。饲养后0、5、12周测尾静脉随机血糖。饲养12周后处死，处死前当天取血测血清总钙(Ca)、无机磷(P)、碱性磷酸酶(ALP)、骨钙素(BGP)，取双侧胫骨、股骨测量骨生物力学指标。

1.2 骨生物力学参数测量 应用CSS-44100型电子万能实验机(天津大学机械力学实验中心提供)。采用压缩实验测量股骨干骺端松质骨的弹性载荷、最大载荷、强度极限、比例极限、抗压强度、弹性模量和能量吸收。采用胫骨三点弯曲实验测量弹性挠度、弹性载荷、最大挠度、最大载荷、弯曲能量、弯曲弹性模量、截面惯性矩、最大应变、弯曲刚性系数和弯曲韧性系数。

1.3 统计学分析 以SPSS13.0软件进行分析，所有数据均以表示，组间比较采用单因素方差分析，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 血糖比较 DM组显著高于N组（P<0.001）；N+10%Xy、N+20%Xy组与NC组相比无统计学差异；第5周DM+20%Xy组低于DM+10%Xy、DC组（P<0.05）；第 12周 DM+20%Xy、DM+10%Xy组均显著低于 DC 组（P<0.001），见表 1。

表1 处理后各时段血糖比较( ,mm ol/L)

表1 处理后各时段血糖比较( ,mm ol/L)

N组与DM 组比较 ***P<0.001；DM+10%Xy、DM+20%Xy组与 DC 组比较#P<0.05，###P<0.001；DM+20%Xy与 DM+10%Xy组比较▲P<0.05

0周26.63±2.41 26.69±3.36 25.39±2.38 4.96±0.62***5.14±0.79***5.98±0.93***n888888 12周27.35±2.82 21.71±3.59###21.23±3.97###7.35±1.42***5.13±1.05***5.44±0.71***5周26.48±1.78 26.59±3.08#▲24.48±0.98 5.60±1.04***5.25±1.11***5.69±0.49***组别DC组DM+10%Xy组DM+20%Xy组NC组N+10%Xy组N+20%Xy组

2.2 血清Ca、P、ALP、BGP比较 血清Ca、P在各组间无统计学差异；血清ALP和BGP在DC组低于NC组，见表2。

表2 血清Ca、P、ALP、BGP比较( )（n=8）

表2 血清Ca、P、ALP、BGP比较( )（n=8）

△取对数后行单因素方差分析。与DC组比较*P<0.05；**P<0.001

Ca(mmol/L)△2.75±0.14 2.72±0.09 2.85±0.19 2.79±0.15 ALP(U/L)60.48±10.02 65.04±27.61 77.37±35.00 226.24±92.30**P(mmol/L)2.23±0.37 2.66±0.32 2.98±0.76 2.59±0.41组别DC组DM+10%Xy组DM+20%Xy组NC组BGP(ng/ml)4.27±2.64 3.57±1.17 3.20±2.35 11.08±4.08*

2.3 股骨干骺端压缩实验 弹性载荷、最大载荷、比例极限、抗压强度和弹性模量在DC组低于NC组；弹性载荷、比例极限和能量吸收在DM+20%Xy组高于DC组，见表3。

2.4 胫骨三点弯曲实验 弹性载荷、最大载荷、弯曲弹性模量、弯曲能量和弯曲刚性系数在DC组低于NC组；弹性挠度在DM+10%Xy组高于DC组；弹性挠度、弹性载荷、弯曲能量吸收、弯曲刚性系数在DM+20%Xy组高于DC组和DM+10%Xy组，见表4。

表3 股骨干骺端压缩实验

表3 股骨干骺端压缩实验

与DC组比较*P<0.05，**P<0.01

弹性载荷(N)126.8±65.7 167.1±95.3 217.7±96.4*263.3±81.2**n8888比例极限(MPa)5.2±2.7 6.5±3.4 9.1±4.0*11.1±3.1**最大载荷(N)178.5±71.2 237.9±111.5 266.3±98.9 340.1±110.3**组别DC组DM+10%Xy组DM+20%Xy组NC组弹性模量(MPa)71.2±26.5 71.1±31.9 99.7±47.1 129.8±17.4**抗压强度(MPa)7.3±2.9 9.3±3.7 11.1±4.1 14.3±3.9**能量吸收(N*mm)14.8±10.7 24.2±19.4 31.2±16.8*31.0±14.2

表4 胫骨三点弯曲实验

表4 胫骨三点弯曲实验

与DC组比较*P<0.05，**P<0.01；与DM+10%Xy组比较#P<0.05，##P<0.01

弹性载荷(N)64.5±28.1 59.7±20.8 86.4±9.5*##106.0±10.4**n8888弹性挠度(mm)0.44±0.09 0.41±0.06*0.50±0.04*##0.49±0.04最大载荷(N)81.3±30.4 80.5±24.5 101.3±19.4 127.7±11.4**组别DC组DM+10%Xy组DM+20%Xy组NC组弯曲能量(N*mm)14.3±7.6 12.2±5.5 20.2±4.5*##25.9±2.6**弯曲弹性模量(MPa)149.7±59.2 148.4±47.4 181.81±4.5 217.8±29.6**弯曲刚性系数(N*mm2)24.9±9.7 24.7±7.9 32.4±2.8*#36.3±4.9**

3 讨论

木糖醇作为天然五碳糖醇在体内代谢不需胰岛素，且有刺激胰岛素分泌及抑制脂肪酸氧化生成酮体的作用[3]，是国内市场上糖尿病食品中主要的甜味添加剂。给DM患者静脉滴注木糖醇后其C-肽水平升高，表明木糖醇有刺激胰岛素分泌作用[4]。本实验显示木糖醇可降低DM大鼠的血糖，可能与其刺激胰岛素分泌有关，而对正常大鼠的血糖未见影响。

血清Ca、P测定是诊断骨代谢性疾病最基本的方法之一，可间接反映骨代谢情况。本实验中DM大鼠血清Ca、P与N组相比无明显差异，木糖醇对实验大鼠血清Ca、P无明显影响，可能与血清Ca、P水平受多因素调节有关。如果结合骨钙、磷水平测定更有助于评价骨代谢变化。血清ALP和BGP也是评价骨代谢的常用指标。正常人血清ALP约50%由骨成骨细胞分泌，起促进骨矿化作用，是反映骨形成的指标。血BGP主要由非增殖期成骨细胞分泌入血，是评价骨形成和骨转换率的特异性指标，其水平反应成骨细胞活性。本实验显示：DM组血清ALP、BGP均低于N组，提示DM大鼠骨形成减少及骨转换率降低，与Bouillon等[5]的研究一致。木糖醇在DM组和N组均未引起血清ALP、BGP的变化，这可能与ALP、BGP作为骨代谢指标特异性、灵敏度均不高，肝脏、肾脏等疾病均会导致其变化有关。

DM常伴有骨代谢异常，其中OP最常见[1,6]。国外动物实验显示木糖醇可通过以下途径预防OP：以不依赖VitD的跨细胞途径增加肠钙吸收[7]；代谢产生大量NAD(P)H，增加了胶原合成的原料，导致骨有机质含量增加[8]；竞争性取代钙盐及羟磷灰石溶解表面的水分子，降低钙磷离子的扩散系数，抑制钙盐的溶解[9]。

研究发现，仅根据骨代谢生化指标和骨密度检测评价OP严重程度及临床治疗效果有局限性。OP的主要危害是骨折，骨生物力学是骨量和骨结构的综合反映，直接反映骨组织的抗骨折能力，因此美国FDA[10]要求动物模型不仅要有骨密度及骨代谢生化指标的测量结果，还要求进行骨生物力学指标的测定，以评价骨强度和其发展为脆性骨折的可能性。

本研究主要从骨生物力学的角度评价OP，包括股骨干骺端压缩实验和胫骨三点弯曲实验。压缩实验反映松质骨变化，其中弹性载荷是骨骼在弹性变形阶段所能承受的最大载荷，如果弹性载荷值变小，表明骨骼在外力负荷作用下更容易发生塑性变形，产生不可逆损伤；最大载荷是骨骼所能承受的极限载荷,如果所施外力大于最大载荷，则可能发生骨折；强度极限和比例极限为破坏和屈服时的应力；能量吸收反映了骨的韧度，其数值越大，表明骨抗骨折能力越强；弹性模量用以测量骨组织的内硬度，主要反映骨组织的材料特性。本实验结果显示：DC组的弹性载荷、最大载荷、比例极限、抗压强度、弹性模量均低于NC组；弹性载荷、比例极限和能量吸收在DM+20%Xy组高于DC组。DM大鼠出现骨小梁骨质、结构的连续性及皮质骨强度异常、屈服点应力下降，导致骨质破坏、抗压能力下降。木糖醇可能通过增加骨连续性及骨量、改善骨微结构及骨韧性，从而提高骨强度及抗压能力；高剂量组作用较为明显，说明此作用随剂量增加而增强，其相关性有待进一步研究。

三点弯曲实验可反映皮质骨抗负荷能力。其中结构力学指标包括最大载荷、最大挠度、弹性载荷和弹性挠度，取决于骨重建过程中骨的几何形状变化；材料力学指标包括截面惯性矩和弯曲弹性模量，弹性模量反映骨质的内在硬度，它不受骨体积大小的影响；骨骼的刚度以弯曲刚性系数来表示，在单位面积不变时，刚性系数越大，单位面积骨代谢所承受载荷的能力越大。本实验胫骨三点弯曲实验显示：DC组的最大载荷、弹性载荷、弯曲弹性模量、弯曲能量、弯曲刚性系数均低于NC组；DM+10%Xy组的弹性挠度高于DC组；DM+20%Xy组的弹性挠度、弹性载荷、弯曲能量吸收、弯曲刚性系数高于DC、DM+10%Xy组。这与Mattila[11]的研究结果相似。说明DM患者存在多种骨生物力学指标异常；木糖醇可提高骨结构力学中弹性挠度、弹性载荷、能量吸收指标及刚度特性中弯曲刚性系数指标，说明木糖醇已影响到DM大鼠皮质骨微结构，改善其骨的几何形状，增加骨抗压能力。上述作用可能与木糖醇增加骨胶原含量及骨矿化，提高骨密度，增加骨强度等有关；低剂量木糖醇对骨生物力学特性影响较小，说明此作用存在量效关系。

综上所述，糖尿病大鼠出现骨形成、骨转换和骨生物力学的异常。木糖醇可降低DM大鼠的血糖；可改善DM大鼠的骨生物力学异常，增加骨抗压、抗弯曲能力，对预防OP及骨折有一定作用，此作用可能存在剂量依赖关系，但其最佳剂量仍需进一步探讨。总之，作为DM患者最常用的甜味剂，木糖醇对预防和改善DM患者的OP有重要意义。

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