持续跑台运动对雌性大鼠长骨生长的影响

房冬梅，常 波

（1.徐州师范大学体育学院，江苏徐州221116；2.沈阳体育学院运动人体科学系，辽宁沈阳110102）

持续跑台运动对雌性大鼠长骨生长的影响

房冬梅1，常 波2

（1.徐州师范大学体育学院，江苏徐州221116；2.沈阳体育学院运动人体科学系，辽宁沈阳110102）

研究目的：为探讨持续跑台运动对快速生长期大鼠长骨生长的影响作用。研究方法：将16只5周龄雌性SD大鼠随机分为对照组和运动组，运动组大鼠进行每天一次，每周5天，为期9周的持续跑台运动。测定大鼠胫骨骨量、骨形态计量学和生物力学等方面的指标。研究结果：运动组大鼠胫骨长度、胫骨湿重、灰分重量、表观骨密度、灰分密度显著高于对照组，骨小梁体积、骨小梁平均宽度、皮质骨宽度、类骨质表面积、类骨质厚度和骨小梁数目显著高于对照组，骨小梁分离度和侵蚀表面积极显著地低于对照组，最大变形和弹性变形、弹性载荷显著地高于对照组。结论：9周的持续跑台运动能够促进胫骨的纵向生长、骨量的增加和骨中有机物质含量的增加，能够通过增加骨小梁数目，促进骨形成，抑制骨吸收，提高骨小梁骨量，并且能够改善长骨的力学特性，增强长骨对抗骨折的能力。

持续跑台运动；生长期大鼠；骨量；骨形态计量学参数；生物力学特性

在出生后，骨骼所受的外力，即使骨骼产生形变的外源性机械作用力，在骨生理学活动中起着“方向盘”的作用，它决定着骨代谢的发生部位，也决定着骨重建的形式，尤其是在达到峰值骨量之前的时期。近年来，对骨质疏松的研究已经明确预防骨质疏松的关键在于累积足够高的峰值骨量。青春生长期是骨骼生长的第二个加速期，同时也是骨组织对运动刺激敏感性高、产生适应性反应的效果明显的时期。本研究拟通过骨矿含量、骨组织形态计量学和生物力学等方面参数的测定从不同角度探讨长时间持续运动对快速生长期大鼠长骨生长的影响作用，以为少年儿童健身运动方案的优化提供理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验动物的分组

同一天繁殖的4周龄雌性SD大鼠16只（由徐州医学院动物实验中心提供），平均体重为（93.49±9.34）g，根据体重随机搭配分成对照组（C组）和运动组（T组），每组8只。

1.2 动物的饲养与运动干预

大鼠单只干笼饲养，自由进食、饮水，以国家标准啮齿类动物常规饲料喂养。动物房温度维持在18℃～24℃，相对湿度45%～55%，自然光照。

所有大鼠进行为期1周的适应后，对照组大鼠不做任何运动干预，常规饲养。运动组大鼠进行为期9周，每周5天，每天一次的持续跑台运动。由于大鼠周龄较小，运动负荷随周龄增长逐渐增加，由每天20min、持续10m／min，到第四周末达到20m／min、持续60min，后维持该运动负荷到第9周结束。

1.3 取材及指标的测定

最后一次运动后24h，以氨基甲酸乙酯（20%体重）麻醉，取左侧后肢胫骨，去尽结缔组织，取后肢右侧胫骨，去尽结缔组织，放入中性福尔马林溶液中固定。

1.3.1 胫骨生物力学特性的测定 用游标卡尺（精确度为0.02mm）测量左侧后肢胫骨长度后，在QTS—25型质构仪上进行三点弯曲试验，获得以下指标：最大载荷、弹性载荷、最大变形和弹性变形。

1.3.2 骨矿盐含量的测定 在三点弯曲试验后，用排水法测量胫骨的体积，以分析天平测定胫骨的湿重，再将标本放入烤箱中，105℃，烘烤48h后测量干重，然后放入Muffle炉中，650℃灰化，完全灰化后测定灰分重量。计算以下骨矿含量参数：表观骨密度（骨比重）、灰分密度（骨矿盐密度）和骨灰度。

1.3.3 组织形态计量学指标的测定 将固定好的后肢右侧胫骨从中性福尔马林溶液中取出，上行梯度脱水、浸透后以甲基丙烯酸甲酯包埋，使用德国Leica2165不脱钙切片机沿胫骨近端正中矢状面做不连续5μm切片和7μm切片，5μm切片经染色，封片后，用OLYMPUSDP70数字采集系统摄入显微图像，后使用分析软件进行观察和分析计量。得出以下指标值：骨小梁平均宽度、骨小梁体积、骨小梁数目、骨小梁分离度、类骨质厚度、皮质骨宽度、侵蚀表面积等，并由7μm切片获得生长板厚度。

1.4 数据的统计分析

各参数均以平均值±标准差表示，用统计软件SPSS11.5进行分析，组间差异显著性采用独立T检验，显著性水平为P＜0.05。

2 实验结果

2.1 持续跑台运动对大鼠胫骨长度和骨量的影响

运动组大鼠胫骨长度、胫骨湿重、灰分重量、表观骨密度显著高于对照组（P＜0.05），灰分密度非常显著地高于对照组（P＜0.01），骨灰度略高于对照组，但无显著性差异。

表1 持续跑台运动对大鼠胫骨长度和骨量的影响

2.2 持续跑台运动对生长期大鼠胫骨组织形态计量学参数的影响

运动组大鼠胫骨的骨小梁体积、骨小梁平均宽度、皮质骨宽度类骨质表面积和类骨质厚度均极显著地高于对照组（P＜0.001），骨小梁数目显著高于对照组（P＜0.05），骨小梁分离度和侵蚀表面积极显著地低于对照组（P＜0.001），两组大鼠胫骨近侧端生长板厚度无显著差异。

表2 持续跑台运动对大鼠胫骨组织形态计量学参数的影响

2.3 持续跑台运动对生长期大鼠胫骨力学特性的影响

持续跑台运动组大鼠胫骨的最大变形和弹性变形极显著地高于对照组（P＜0.001），弹性载荷显著高于对照组（P＜0.05）。两组间胫骨最大载荷无显著性差异。

表3 持续跑台运动对生长期大鼠胫骨力学特征的影响

3 分析与讨论

3.1 持续跑台运动对大鼠胫骨骨量的影响

本研究对持续跑台运动组大鼠和对照组大鼠胫骨骨量相关指标的对比结果说明，长时间持续跑台运动促进了大鼠胫骨的纵向和矿化过程，9周的跑台运动明显提高了生长期大鼠胫骨的BMD和BMC。Joo等的研究结果与本研究基本相同，其研究是对4周龄雄性大鼠进行每天50min，跑速为28m／min的10周跑台运动训练，但其运动组与对照组的差异程度比本研究中的差异程度更大，这种差异可能来自于其实验中的运动负荷高于本研究。Iwamoto等对6周龄大鼠进行跑台耐力训练，发现经7周运动后，胫骨的BMC已明显增加，经11周运动时［2］。罗冬梅的研究观察了为期3周、6周、9周的跑台运动对雄性SD大鼠骨生长的影响，发现3周低负荷运动对胫骨BMC没有显著影响，6周低负荷运动使胫骨的BMC明显增加［3］。Holy等对生长期大鼠的研究发现，4周的运动，显著增加了大鼠胫骨的干重和灰重，但其研究中大鼠进行的运动量平均时间最长为每天353min，短时平均为215min，每周跑步距离达到（50±8）km［4］，是迄今为止所看到的相关文献中跑台运动所没有达到过的，这或许是该研究中大鼠在运动4周后便表现出显著性变化的原因。由本研究结果和以上研究结果的分析可知，长时间持续跑台运动可以促进骨的纵向生长和骨量，但要获得可测量到的显著性变化则需要达到一定运动量和经过一定时期的累积。另外，由于在煅烧过程中失去的主要是骨的有机成分，本研究的结果中，虽然运动组长骨的灰重和干重都显著高于对照组，但骨灰度和对照组相比并没有显著性差异，这一结果说明，持续跑台运动组长骨中矿物质增加的同时，有机成分也在增加。由于有机基质是无机矿物质沉积的基础，而且有机基质在骨骼中起网状构架作用，因此持续跑台运动组的这一变化不但为胫骨的进一步矿化提供了基础，并且也将会对胫骨的生物力学特性产生影响。

3.2 运动对大鼠胫骨组织形态计量学参数的影响

9周的持续跑台运动显著提高了大鼠胫骨的骨小梁体积、骨小梁厚度、骨小梁数目，这一结果表明9周持续跑台运动使大鼠胫骨骨小梁骨量增加，骨小梁厚度增加、新的骨小梁形成和骨小梁分离度下降使胫骨近端骨量的增加。这一研究结果和Joo等利用Micro-CT对耐力运动后生长期大鼠股骨三维微观结构的观察结果一致［1］。Bourrin等利用组织形态计量学对大鼠胫骨近端、中段和远端的观察，也发现在进行持续跑台运动的第3、4、5周后骨体积和骨小梁数目明显增加，认为运动可以通过促进骨形成和／或降低骨吸收提高松质骨的骨量，而通过骨膜下骨形成提高皮质骨骨量［5］。Westerlind等运用同样的方法对成熟大鼠的研究也发现，在进行6周抗阻力运动后，大鼠胫骨干骺端的骨小梁的厚度、骨小梁的数目显著高于对照组［6］。这些结果皆表明运动可以通过促进骨形成作用，抑制骨吸收作用增加骨小梁骨量。

本研究虽然没有测定骨膜的变化，但发现运动组大鼠胫骨的内皮质厚度均极显著地高于对照组，提示9周运动大幅度提高了股骨近端内皮质的沉积。对于生长期长骨的皮质骨，许多研究表明运动对骨膜的作用大于对内皮质的作用，运动可以通过加强骨膜下成骨作用，增加皮质骨厚度［7］。人体的研究也发现青春期前进行运动可以促进长骨的皮质内成功作用［8］。表明运动增加松质骨表面的骨形成的同时，也增加生长板起源的新骨形成。

3.3 运动对胫骨力学性能的影响

骨的生物力学特性是比骨的重量更为关键的功能性指标，骨生物力学特性的改变是骨形状、骨量和微结构等的综合表现，是评定骨质量的最重要的指标，在生长发育过程中，骨组织在外界运动刺激下不断对骨结构进行塑建和重建过程，但最终表现将为生物力学特性的改变。

9周的持续运动使胫骨的弹性载荷和弹性变形显著提高，表明运动使生长期大鼠胫骨的弹性明显增加，胫骨对抗外力的能力提高。同时运动也使得最大变形得到大幅度提高，表明持续运动提高了胫骨对抗骨折的能力。由此可知，9周的持续跑台运动提高了骨的韧性和刚性，增加了胫骨对抗变形和骨折的能力，改善了大鼠胫骨的机械性能，这些作用和运动对胫骨骨成分的影响是分不开的，因为骨力量的70%～75%是由骨量决定的，但是在一般情况下，骨量的增加会伴有最大变形和弹性变形的降低。可是本研究的结果却是：虽然跑台运动组的骨矿含量明显高于对照组，但最大变形和弹性变形却更加显著地高于对照组，这一结果进一步说明，运动不但使胫骨的骨矿含量增加，也提高了胫骨中有机质的含量。Tsang-Hai Huang等对3周龄Wister大鼠进行8周的持续耐力运动干预后也发现大鼠股骨的力学特性明显提高［9］，因此，持续跑台运动可以使生长期大鼠长骨的生物力学性能得到改善。

3.4 持续跑台运动对大鼠胫骨纵向生长的影响

9周运动结束后，运动组大鼠胫骨的长度显著高于对照组，这一结果表明持续跑台运动能够促进胫骨的纵向生长，Iwamoto、罗冬梅等对生长期大鼠实施运动干预的研究也得到相同的结果［2，3］。本研究中，在9周运动后运动组大鼠生长板厚度和对照组大鼠相比却无显著性差异。但在罗冬梅的研究中，低强度跑台运动9周后，生长板的厚度仍显著高于对照组［3］，说明运动至9周时，对生长板细胞分化增生的促进作用仍然存在。这两项研究所使用的大鼠的周龄基本一致，生长板的测定方法相同，并且运动方式都是持续跑台运动，因此，实验结果间的差异可能来自于运动强度的不同和实验大鼠性别的不同，但具体的原因尚需进一步比较研究。

4 结论

对生长期大鼠进行了9周中等强度的持续跑台运动，通过对胫骨长度、骨量、形态计量学参数和力学特征等指标的研究发现这种运动能够促进大鼠长骨的生长，主要表现为：①促进了胫骨的纵向生长和骨量的累积，并提高了胫骨中有机物的含量；②通过促进骨形成作用，抑制骨吸收作用，增加骨小梁数目，提高了骨小梁骨量；③使胫骨对抗变形的能力大幅度提高，抵抗外力的能力提高，改善了胫骨的力学特性，增强了胫骨对抗骨折的能力。

［1］Joo Y I，Sone T，Fukunaga M，et al.Effect of endurance on thethreedimensional trabecular bone microarchitecture in young growing rats［J］.Bone，2003，33：485－493.

［2］Iwamoto J，Shimamura C，Takeda1T，et al.Effects of treadmill exercise on bone mass，bone metabolism，and calciotropic hormones in young growing rats［J］.J.Bone Miner Metab，2004，22：26－31.

［3］罗冬梅.运动对大鼠长骨发育作用机理的研究［D］.北京：北京体育大学，2002.

［4］Holy.X，Zerath E Bone mass increases in less than 4wk of voluntary exercising in growing rats［J］.Med Sci Sports Exerc，2000，32：1562－1569.

［5］Bourrin S，Palle S，Vico RPL，et al.Effects of physical training on bone adaptation in three zones of the rat.tibia［J］.J.Bone Miner Res，1995，10：1745－1752.

［6］Westerlind KC，Fluckey JD，Gordon SE，et al.Effect of resistance exercise training on cortical and cancellous bone in mature male rats［J］.J.Appl Physiol，1998，84：459－464.

［7］Bourrin S，Genty C，Palle S，et al.Adverse effects of strenuous exercise：a densitometric and histomorphometric study in the rat［J］.J Appl Physiol，1994，76：1999－2005.

［8］Daly RM.The effect of exercise on bone mass and structural geometry during growth［J］.Med Sport Sci，2007，51：33－49.

［9］Huang TH，Chang FL，Lin SC，et al.Endurance treadmill running training benefits the biomaterial quality of bone in growing male Wistar rats［J］.J Bone Miner Metab，2008，26：350－357.

Effects of Continuous Endurance Running on Long Bone Growth of Rats

FANG Dongmei1，CHANG Bo2
（1.College of Physical Education，Xuzhou Normal University，Xuzhou 221116，Jiangsu，China；2.Department of Human Sports Science，Shenyang Sport University，Shenyang 110102，Liaoning，China）

The purpose of this study is to examine the effects of continuous endurance running on long bone growth of female rats during rapid growing period.16 female SD rats（5-week old）were randomly assigned to control group and exercise group.The exercise group underwent 9 weeks continuous endurance running，5 times a week.The tibiaes’parameters of mineralization，histomorphometry and mecchanical properities were measured.The result indicates that 9-week swimming exercise can significantly increase the tibiaes’length，wet weight，aBMD and ash weight，significantly increase BV／TV%，Tb.Th，Os／Bs，O.Th，Tb.Th and Os／Bs，significantly decreace the tibiaes’Tb.Sp and Es／Bs，and also significantly increase bending deformation，maximum deformation and elistic load.The data above suggest that continuous endurance running can stimulate longitudinal change in linear growth，bone mineral gain and enhance the material biomechanical property.So it can promote the growth of rats.

endurance running；growing rats；histomorphometric properities；bone mineralization；machanical properities

G804.4

A

1004－0560（2010）03－0058－03

2010-04-04；

2010-04-26

房冬梅（1970－），女，副教授，博士，主要研究方向为运动生理学与运动生物化学专业。

责任编辑：乔艳春