不同强度的运动对去卵巢大鼠骨质疏松症的骨代谢机制的研究*

王士冲常青郑帅杨西雨刘亚钟卫权



不同强度的运动对去卵巢大鼠骨质疏松症的骨代谢机制的研究*

王士冲①常青①郑帅①杨西雨①刘亚①钟卫权①

【摘要】目的：通过不同强度运动对去卵巢大鼠血清中OPG、RANKL和IGF-1表达的影响，探讨运动对去卵巢骨质疏松症的影响机制。方法：将大鼠随机分为正常对照组、假手术组、骨质疏松模型组、30 min运动组和60 min运动组，运动组持续训练8周。处死大鼠，取血清进行测试。结果：与正常对照组比较，8周训练后，骨质疏松模型组和30 min运动组大鼠体重显著增加（P＜0.05），而60 min运动组大鼠体重增加不明显。此外，与正常对照组比较，骨质疏松模型组大鼠的OPG、IGF-1的表达明显降低，RANKL表达明显升高（P＜0.01）。60 min运动组的OPG和IGF-1的水平与骨质疏松模型组大鼠比较有显著升高（P＜0.01），30 min运动组大鼠的OPG也有升高（P＜0.05）。结论：运动对去卵巢大鼠破骨细胞分化传导通路OPG、RANKL的表达有一定调节作用，IGF-1可能参与了对OPG的调节，并对去卵巢所致大鼠骨质疏松症有一定的防治作用。

【关键词】骨质疏松； 运动； OPG； RANKL； IGF-1

①徐州医学院医学技术学院 江苏 徐州 221004

First-author’s address：The Technical School of Xuzhou Medical College，Xuzhou 221004，China

骨质疏松症（osteoporosis）是指由于绝经或年老所致的骨质疏松症，其病理特征是骨组织所有骨的显微结构受损，骨矿成分和骨基质等比例地不断减少，骨质变薄，骨小梁数量减少，骨脆性增加和骨折危险度升高。我国目前已有9000多万骨质疏松症患者，总患病率为12.4％，其中骨折发生率为27.5％～32.6％。随着老龄化社会的到来，该病发病率呈逐年上升之势。绝经后妇女由于卵巢分泌雌激素减少，骨代谢紊乱，常可引起骨质疏松症发生。运动作为一种良性的刺激，可以改善和调节骨的代谢。本研究通过建立去卵巢骨质疏松大鼠模型，采用不同强度的跑台训练，研究运动对大鼠骨代谢机制的影响，为防治绝经后骨质疏松的细胞分子机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验动物与分组 选取3月龄清洁级雌性Sprague-Dawley大鼠60只（由徐州医学院实验动物中心提供），体重（240±15）g，大鼠按体重分层随机分为五组：正常对照组、假手术组、骨质疏松模型组、中等负荷（30 min）运动组、大负荷（60 min）运动组，每组12只。每笼5只，饲养笼选用塑料制品，并配用不锈钢罩，玻璃吸水瓶和不锈钢吸水管，饲养温度21～24 ℃。国家标准固定混合饲料喂养，自由饮食。

1.2 实验方法及指标测定

1.2.1 卵巢切除方法 假手术组行假手术，按体重腹腔注射10％水合氯醛麻醉，行背部肋下入路，将双侧卵巢提出腹腔，不切除，然后放回腹腔缝合切口，安静状态下常规喂养，不进行运动训练。骨质疏松模型组、30 min运动组和60 min运动组行去卵巢术，按假手术组方法找出双侧卵巢并将其切除。1.2.2 运动方法 30 min运动组：切除卵巢1周后进行适应性跑台训练，开始10 min/次，适应后30 min/次，5次/周，共进行8周。60 min运动组：跑台条件与30 min运动组相同，60 min/次，5次/周，共8周。正常对照组、假手术组和骨质疏松模型组正常饲养。大鼠训练用跑台购自上海继德实验教学器械厂（型号：JD-PT型）。

1.3 检测方法 全部动物在运动组大鼠末次训练后麻醉下处死。腹主动脉取血，将收集的全血室温静置2 h后，3000 r/min，离心20 min，分离血清，-80 ℃保存。血清RANK、OPG和IGF-1的Elisa试剂盒购自上海瑞齐生物科技有限公司，所有指标的测定均根据试剂盒操作要求进行。

1.4 统计学处理 采用SPSS 17.0统计学软件进行数据分析，计量资料以（±s）表示，比较采用单因素方差分析（One-way ANOVA），以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 实验前后大鼠体重变化的比较 大鼠训练前，各组大鼠体重无明显差异。经过8周训练后，骨质疏松模型组大鼠和30 min运动组大鼠的体重与正常对照组比较差异均有统计学意义（P＜0.05），见表1。

2.2 实验前后大鼠血清中OPG、RANKL和IGF-1含量的比较 8周运动训练后，骨质疏松模型组大鼠血清中OPG水平低于正常组和假手术组，RANKL的分泌量高于正常对照组和假手术组，IGF-1的水平明显低于正常对照组（P＜0.01）。8周运动训练后，30 min运动组大鼠除了OPG的血清含量高于骨质疏松模型组（P＜0.05），RANKL和IGF-1的水平与其他组均无明显差异；60 min运动组大鼠血清中OPG和IGF-1的水平均高于骨质疏松模型组大鼠（P＜0.01），RANKL则相反（P＜0.01），见表2。

表1　实验前后大鼠体重变化的比较（±s） g

表1　实验前后大鼠体重变化的比较（±s） g

*与正常对照组比较，P＜0.01；△P＜0.01，#P＜0.05，与假手术组比较

组别　　实验前　　实验后正常对照组（n＝12）　247.03±18.65　 334.75±23.41假手术组（n＝12）　231.64±11.17　 344.86±19.08骨质疏松模型组（n＝12）　237.97±22.04　 386.54±30.35*△30 min运动组（n＝12）　240.34±12.48　 373.86±29.69*#60 min运动组（n＝12）　239.24±13.06　 340.14±18.33

表2　实验前后大鼠血清中OPG、RANKL和IGF-1含量的比较（±s） ng/L

表2　实验前后大鼠血清中OPG、RANKL和IGF-1含量的比较（±s） ng/L

*与正常对照组比较，P＜0.01；△与假手术组比较，P＜0.05；#与骨质疏松模型组比较，P＜0.05

组别　OPG　RANKL　 IGF-1正常对照组（n＝12）　0.15±0.34　 0.21±0.18　 0.19±0.32假手术组（n＝12）　0.13±0.12　 0.23±0.11　 0.18±0.11骨质疏松模型组（n＝12）0.09±0.21*△0.29±0.41*△0.14±0.22*△30 min运动组（n＝12）0.12±0.16#　0.25±0.29　 0.16±0.13 60 min运动组（n＝12）0.16±0.11#　0.22±0.21#　0.20±0.19△#

3 讨论

本实验结果显示，在8周以后骨质疏松模型组大鼠与正常对照组比较，体重有明显增加，这与相关研究结果一致[1-2]。其原因可能是卵巢摘除后，血中雌激素水平降低，肾上腺分泌雌酮，在脂肪组织中加速转化为雌激素以弥补血中不足，引起体内脂质代谢失常，脂肪堆积造成肥胖[3]。30 min运动组的大鼠体重与假手术组比较有明显增加，这可能与运动负荷不够有关。

骨质疏松是一种由骨重建过程失衡导致，主要病理表现为松质骨骨小梁变细、断裂和数量减少，皮质骨多孔，骨质结构紊乱。骨组织结构的这些病理改变不仅使骨量减少，且使骨质量下降，明显影响骨的机械功能，致生物力学性能降低。有证据显示女性的骨量丢失开始于绝经前2～3年，随着雌激素分泌的不断减少在绝经后加剧，这个过程将持续5～10年[4-5]。OPG/RANKL/RANK系统在破骨细胞激活、生成、分化和成熟的过程中起着决定性作用，是非常重要的破骨细胞分化调节通路[6]。大鼠去卵巢后，雌激素分泌量减少，骨的吸收增加，骨形成减少。骨保护素（OPG）是RANKL/RANK信号通路的内源性调节因子，OPG广泛分布于人和动物的多种组织细胞中，许多细胞如骨髓间质细胞、成骨细胞、成纤维细胞、主动脉平滑肌细胞、成骨肉瘤细胞等均可分泌OPG，其可与过量的RANKL结合，防止RANK活化，抑制破骨细胞活性[7]。OPG的表达受多种代谢调控因子的调节，如IL-1、TNF-α、TGF-β等能增加破骨细胞的表达，而各种刺激骨吸收的因子如由PTH通过促进成骨细胞表达RANKL，降低表达OPG介导的[8]。RANKL是破骨细胞前体细胞分化为成熟破骨细胞的必需因子，可促进破骨细胞分化，增强成熟破骨细胞活力，阻止破骨细胞凋亡。RANKL主要由骨髓间质细胞和成骨细胞分泌，破骨细胞不分泌RANKL。RANKL的受体RANK 是一种跨膜蛋白，主要存在于骨髓巨噬细胞的表面[9-10]。运动可以改善血液OPG/RANKL的比例，影响成骨细胞和破骨细胞数目或活性，导致骨结构改变。有实验研究表明，250 km超长距离跑后第3天，血清破骨细胞分化因子（RANKL）和OPG水平较运动前有所上升[11]。此外，正向研究还发现雌激素可通过调节EphB4/EphrinB2信号通路抑制破骨细胞分化，说明雌激素对骨破坏有抑制作用[12]，李丽辉等[13]的研究也表明3个月的持续运动，去卵巢大鼠骨组织的OPGmRNA的表达显著高于模型组大鼠。何淑敏等[14]通过对生长期大鼠进行12周的耐力性运动训练，结果显示OPG水平高于对照组。本实验中8周实验后，骨质疏松模型组大鼠的OPG含量明显低于正常对照组，而60 min运动组大鼠血清OPG的含量明显高于骨质疏松模型组，RANKL的水平低于骨质疏松模型组（P＜0.01），其机制可能是规律性的运动训练提高OPG的分泌，提高了OPG/RANKL的比例，能够改善大鼠由于去卵巢而导致的骨质疏松症状。30 min运动组的大鼠8周运动训练后，OPG的水平高于骨质疏松模型组（P＜0.05），而RANKL的分泌量与模型组差异不显著，这可能与运动的负荷有关。

IGF-1是骨骼中含量最丰富的生长因子之一，是包括成骨细胞在内多种细胞的促有丝分裂剂，它以自分泌和旁分泌的形式调节骨骼细胞的功能，促进成骨细胞增殖、分化和募集，抑制细胞凋亡，刺激骨胶原的转录和DNA合成，抑制胶原的降解，增加骨基质沉积。Thomas等[15]使用IGF-1刺激体外培养的基质细胞（hBMSC，是骨髓中具有分化潜能的非造血细胞，能进一步分化为成骨细胞），发现IGF-I以及它们的受体活性类似物能显著促进hBMSC的增殖和分化。本实验中8周训练后，60 min运动组大鼠血清中IGF-1的水平高于骨质疏松模型组，并且与OPG的水平成正相关，而与RANKl的水平成负相关，说明IGF-1促进骨细胞的增长，抑制骨的吸收，其可能的机制还待进一步的研究。

参考文献

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The Research on Different Load Exercise to the Bone Mechanism of Osteoporosis in Ovariectomized Rats

/WANG Shi-chong，CHANG Qing，ZHENG Shuai，et al.//Medical Innovation of China，2016，13 （03）：022-024

【Abstract】Objective： To explore the mechanism of exercise in treating osteoporosis by detecting the osteoprotegrin（OPG），receptor activator of nuclear factor kappa B ligand （RANKL）and insuline growth factor-1（IGF-1）. Method： Female Sprague-Dawley rats were randomly divided into normal control group，sham-operated group，model group，30 min exercise group and 60 min exercise group，and the exercise group continuous training 8 weeks. The rats were executed，the serum were tested. Result：After 8 weeks，compared with the control group，the weight of the model group and 30 min exercise group increased raised significantly （P＜0.05）. Compared with the control group，the expression of OPG and IGF-1 decreased much significantly in the model group，and the RANKL increased apparently（P＜0.01）. The OPG and IGF-1 in 60 min exercise group increased much significantly compared with that of the model group （P＜0.01），the OPG also increased in the 30 min exercise group （P＜0.05）.Conclusion： Exercise can regulate OPG and RANKL expression in osteoclast differentiation pathway to ovarian rats，IGF-1 may be involved in the regulation of OPG. Exercise can prevent and treat osteoporosis in ovariectomized rats.

【Key words】Ovariectomized rats； Exercise； OPG； RANKL； IGF-1

收稿日期：（2015-05-12） （本文编辑：蔡元元）

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2016.03.007

通信作者：钟卫权

*基金项目：国家级大学生创新训练项目（201310313001）