分段低强度跑步与持续中强度跑步对糖尿病性骨质疏松大鼠骨密度、胰岛素抵抗的影响研究

李秀焕 李国泰

1.重庆三峡医药高等专科学校公共基础部体育教学部，重庆 万州 404020 2.重庆大学体育学院，重庆 400044

糖尿病(diabetes mellitus，DM)患者很多需要终身服用降血糖药物或者胰岛素。DM能引发诸多并发症[1]，其中糖尿病性骨质疏松(diabetic osteoporosis，DOP)较为常见，通常表现为骨密度(bone mineral density，BMD)降低、骨脆性增加，易发生骨折[2]。通过运动手段改善2型糖尿病(diabetes mellitus type 2，T2DM)患者胰岛素抵抗和增加骨量的效果已经得到众多研究的证实[3]。但许多能有效改善T2DM的患者症状的运动方式在临床中较难执行[4]。有氧跑步运动被认为是较为可行的治疗T2DM的运动处方，中低强度、不间断、持续时间较长是有氧运动处方的要点。在临床执行中经常采用50 min完成5 km跑的方案[5]。但是该方案在执行过程中患者的完成度和坚持度均较差。随着APP计步功能的普及，万步走也成为许多人的日常行走目标。生活态的日常运动实质就是分段、多次、低强度、总量较大的有氧运动[6]。若在T2DM患者治疗中以分段、多次、低强度、总量较大的有氧运动为运动处方，该方案完成和坚持状况必定有所改善。但是分段、多次、低强度的有氧运动对T2DM患者胰岛素敏感性和骨密度的影响效果如何，国内尚无相关研究。本研究拟通过制造DOP模型大鼠，利用多次分段低强度跑步与单次长时间中强度跑步对DOP模型大鼠进行运动干预，探讨以上两种不同运动方式对DOP大鼠的胰岛素敏感性、血糖、骨密度、骨代谢及骨生物力学性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1实验动物：本研究使用清洁级健康雄性SD大鼠100只，体质量190～220 g，购自成都中医药大学动物实验中心，动物许可证编号：[SYXK(川)2014-049]。大鼠购回后，自由摄食取水，昼夜周期12 h。

1.1.2实验设备与试剂:冷冻高速离心机(CTK150R，湘仪离心机仪器有限公司)；超低温冰箱(DW-105W300，浙江捷盛制冷科技有限公司)；双能X线骨密度分析仪(DTX-200，美国Osteometer MediTech医疗设备公司)；生物力学材料测试系统(Miniature -3DF，山东恒瑞金测试机有限公司)；全自动生化分析仪(SMT-100，北京普朗医疗科技有限公司)；8道实验动物跑步机(DB030，北京智鼠多宝生物科技有限责任公司)；液相色谱仪(GC126 N，上海仪电分析仪器有限公司)；酶标仪(BS-1101，美国AWARENESS公司)；大鼠饲料、高脂大鼠饲料(江苏协同生物科技有限公司)；血糖(plasma glucose，PG)试剂盒(M57-C人/大鼠，北京奥维亚生物技术有限公司)；胰岛素(insulin，INS)检测试剂盒(ELISA法，上海信裕生物科技有限公司)；脱氧胶原吡啶交联(deoxypyridinoline，DPD)检测试剂盒、血浆抗酒石酸盐酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase, TRACP)检测试剂盒(ELISA法，美国R&D Systems生物科技公司)；钙含量检测试剂盒(比色法，美国BioVision生物科技公司)；链脲佐菌素(streptozotocin，STZ，日本东京化成工业TCI株式会社);生理盐水(重庆科瑞制药集团有限公司)。

1.2 方法

1.2.1实验设计：采用随机对照动物实验，对大鼠进行1周适应饲养；第2～3周对大鼠进行饮食控制，每天喂食正常饲料5次；第4～10周开始对75只大鼠进行DOP模型构建；第11周对DOP大鼠进行造模检测，75只造模大鼠随机被分为模型对照组(model control group，MC组，n=25)、长时间中强度跑步组(long-term medium-strength running group, LM组，n=25)、分段低强度跑步组(segmented low-intensity running group,SL组，n=25)，未进行建模的大鼠为正常对照组(normal control group，NC组，n=25)；第12周起对各组大鼠进行为期12周的运动干预；第25周进行大鼠各类样本采集和BMD检测、生物力学性能测量、胰岛素抵抗检测、糖脂代谢检测。

1.2.2实验分组方案、喂食习惯、模型构建：①实验运动方案：各组运动方案见表1；②喂食期控制：对大鼠每日喂食5次，时间为6点、10点、14点、18点、22点；③DOP模型构建：造模大鼠每天食用5次高糖高脂饲料，连续3周，出现胰岛素抵抗后采用STZ 60 mg/kg浓度为1%的溶液进行腹腔注射，正常饲养大鼠腹腔注射同等体积生理盐水。注射72 h后测血糖，血糖≥16.7 mmol/L 视为2型糖尿病建模成功。建模成功的大鼠4周后测双侧股骨的骨密度，模型大鼠的股骨骨密度<正常大鼠平均股骨骨密度的2.5个标准差，判定 DOP建模成功。

表1 运动方案Table 1 The exercise plan

1.2.3检测项目：①BMD测量：使用双能X线骨密度仪的meiofauna模式将活体大鼠固定，利用X光头扫描大鼠股骨远端5次；②骨代谢测定：在运动干预结束后予大鼠禁食，置于代谢笼内，收集24 h尿样。运动干预结束48 h内对大鼠静脉采血3 mL，利用酶联免疫分析法检测大鼠血清骨钙素(osteocalcin,OC)和尿液脱氧吡啶啉(deoxypyridinoline,DPD)，利用贝克曼全自动生化免疫分析仪检测血钙(calciumshotnmmdia,Ca)、血磷(phosphorus,P)和血清碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)浓度；③生物力学性能测量：利用万能材料测试机进行三点弯曲试验，将材料机两侧支架距离调为20 mm，股骨样本置于支架上，利用材料测试机对股骨骨干远端三分之一处进行三点弯曲试验，材料机压头以4 mm/min的速度向大鼠股骨施加压力,仪器测试过程中自动记录不同时间点获取结构力学指标最大载荷、标弹性模量最大应力等参数；④胰岛素抵抗检测：通过全自动生化分析仪测定大鼠空腹血糖浓度(fasting plasma glucose，FPG)、空腹胰岛素水平 (fasting insulin，FINS)。运用稳态模式评估法测定胰岛素抵抗指数(homeostasis model assessment insulin resistance，HOMA-IR)及胰岛素敏感指数(insulin sensitive index，HOMA-ISI)。

1.3 统计学分析

运用SPSS 13.0软件进行统计学分析。利用Student’sttest对大鼠FPG、FIN、HOMA-IR、BMD、BGP、ALP等测量结果进行比较，利用LSD检验组间参数指标的差异。P< 0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 实验动物造模及数量分析

本研究中75只DOP模型大鼠全部造模成功并纳入实验数据，实验过程中无实验动物脱落。

2.2 各组大鼠体质量结果比较

各组大鼠的初始体质量比较，组间差异没有统计学意义(P>0.05)。造模后各组大鼠的体质量比较，组间差异没有统计学意义(P>0.05)。干预结束后，NC组明显高于 MC组、LM组、SL组，组间差异具有统计学意义(P<0.05)；MC组大鼠体质量高于SL组和LM组，但组间差异没有统计学意义(P>0.05)。见表2。

表2 各组大鼠体质量变化(g)Table 2 Changes in the body mass of rats in each group (g)

2.3 各组大鼠糖代谢、胰岛素敏感性结果比较

NC组大鼠FINS、FPG、HOMA-IR、ISI明显低于MC组、LM组、SL组(P<0.05)；LM、SL组大鼠的FINS、FPG、HOMA-IR、ISI明显低于MC组(P<0.05)；SL组大鼠的FINS、FPG、HOMA-IR、ISI明显低于LM组(P<0.05)。见表3。

表3 大鼠胰岛素抵抗和敏感性结果比较

2.4 各组大鼠脂代谢结果比较

NC组大鼠的TG、TC、LDL明显低于MC、LM、SL组(P<0.05)；LM、SL组大鼠的TG、TC、LDL明显低于MC组(P<0.05)；SL组大鼠的TG、TC、LDL明显低于LM组(P<0.05)。NC组大鼠的HDL-C明显高于MC、LM、SL组(P<0.05)；LM、SL组大鼠的HDL-C明显高于MC组(P<0.05)；LM组的HDL-C高于SL组，但组间比较差异没有统计学意义(P>0.05)。见表4。

表4 大鼠脂代谢指标变化(mmol/L)Table 4 Changes in lipid metabolism index of rats(mmol/L)

2.5 各组大鼠骨密度结果比较

NC组大鼠BMD明显高于MC、LM、SL组(P<0.05)；LM、SL组大鼠BMD明显高于MC组(P<0.05)；LM组大鼠BMD高于SL组，差异无统计学意义(P>0.05)。见表5。

表5 股骨骨密度、骨生物力学性能结果比较Table 5 Comparison between BMD and bone biomechanical properties of the femur

2.6 各组大鼠骨生物力学性能结果比较

NC组大鼠的股骨最大应力、最大载荷、断裂载荷、弹性模量明显高于MC、LM、SL组(P<0.05)；LM、SL组大鼠股骨最大应力、最大载荷、断裂载荷、弹性模量明显高于MC组(P<0.05)；LM组虽高于SL组，但比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表5。

2.7 各组大鼠骨代谢结果比较

NC组大鼠的OC、ALP、DPD、Ca/Cre、P/Cre明显低于MC、LM、SL组(P<0.05)；LM、SL组大鼠的OC、ALP、DPD、Ca /Cre、P/Cre明显低于MC组(P<0.05)；LM组虽低于SL组，但比较差异无统计学意义(P>0.05)。各组大鼠血清Ca和P浓度比较各组间差异无统计学意义(P>0.05)。见表6。

表6 大鼠骨代谢指标结果比较Table 6 Comparison between bone metabolic markers of rats

3 讨论

目前普遍认为T2DM 是导致OP的高危因素。运动对控制血糖和改善骨健康的效果已经得到公认[8]。但是具体运动方案仍不成熟。运动处方的制定除考虑疗效外，还应考虑患者的身体状况、生活习惯、完成难度以及持续的可能性[8]。利用强度较低的、与一般生活状态接近的运动方式如分段低强度跑作为控制血糖和提高骨密度的方案，在临床治疗中具有较高的可操作性。T2DM的发生经常与身体活动量不足有关[9]。本研究中的分段低强度跑被认为是静坐生活态人群最易参与的运动，大部分人能够完成并能坚持。持续中强度跑比分段低强度跑在时间花费和患者耐力素质上都有更高的要求。但本研究发现，在控制血糖方面，分段低强度跑的效果明显好于持续中强度跑。虽然两种运动干预方式均能改善DOP大鼠的血糖和胰岛素敏感性，但分段低强度跑大鼠的改善幅度比接受持续中强度跑的大鼠要高。这可能与运动量、运动时宜、运动次数相关。本研究中的两种运动干预方式都属于中低强度有氧运动，但可能DOP大鼠中强度跑的持续时间过长，导致患病、易疲劳，跑步中后期的有氧氧化系统供能不能满足跑速，出现了无氧糖酵解供能，使血糖快速下降，产生负反馈，导致胰高血糖素水平升高，肝糖原分解进入血糖，影响了降糖效果。而分段低强度跑DOP大鼠，因运动强度低而且持续时间短，不会产生上述供能系统的变化，触发胰高血糖素的分泌。在能耗方面，每日跑步5次，虽然单次运动量不大，但是单日运动量颇为可观，能耗增加明显，这方面从大鼠体重变化就可以验证。运动耗能改变会导致细胞膜葡萄糖运载体4数量明显增加，促进通路信号蛋白表达，使得骨骼肌、平滑肌对增加对葡萄糖摄取从而控制血糖[10]。也有研究[11]认为除上述机制外，中低强度有氧运动能不仅能够增加能耗，还能增强机体抗氧化能力，降低炎性因子表达，促进胰腺分泌胰岛素的能力。此外，运动时宜也是可能导致两种运动方案效果差异的因素。本研究中分段低强度跑安排在每次喂食后20 min进行，大鼠进食后血糖上升，胰岛素分泌增加，但由于DOP大鼠胰岛功能受到破坏，胰岛素浓度难以满足降血糖的要求，血糖持续高位，导致胰岛素继续分泌，最终导致胰岛素敏感性下降。在喂食后进行跑步可以消耗血糖，与胰岛素协同作用，促进血糖恢复，从而减轻胰岛负担，使胰岛素敏感性上升。本研究还发现分段低强度跑与持续中强度相比，在降低TC、TG、LDL-C方面也更具有优势。这可能也是由于持续中强度跑步的中后期，能量代谢变化所致。但持续中强度跑在促进HDL-C水平提升上优于分段低强度跑， HDL-C能够促进外周血管和冠状动脉胆固醇清除，降低动脉硬化风险，被认为是“冠心病保护因子”。有研究[12]显示,HDL-C与运动强度呈正相关，中高强度运动能促进肝脏合成HDL-C。

DOP患者BMD下降主要是高血糖毒性和缺乏冲击刺激两方面导致的[13-14]。本研究发现分段低强度跑与持续中强度跑均能显著增加DOP大鼠BMD，且变化幅度基本一致。在骨生物力学性能方面，持续中强度跑的DOP大鼠略优于分段低强度跑大鼠。在骨代谢方面，分段低强度跑DOP大鼠的骨吸收标志物水平低于持续中强度跑的DOP大鼠。这说明可能两种方式增加骨密度的主要途径有所不同，持续中强度跑的DOP大鼠骨生物力学性能较好，反应出其骨微结构重建程度较高，可能与大鼠跑步速度较快有关。大鼠骨骼在运动中受到来自体内和体外两方应力冲击, 体内冲击负荷主要来自骨自重和肌肉收缩，体外冲击负荷指的是地面对骨骼的冲击[15-16]。应力能够促进骨的生长发育以及改变骨的形状结构。持续中强度跑与分段低强度跑相比，体内外的冲击负荷更高，对于骨结构形态的再造作用也更强，所以持续中强度跑的DOP大鼠BMD改变主要来自体内外冲击对骨结构形态的再造作用。而分段低强度跑由于其对血糖控制效果更好，导致通过尿液排出的钙、磷、镁离子减少[17]，肾小球肾小管的重吸收作用恢复，血液中钙、磷、镁离子浓度升高[18]，甲状旁腺素水平恢复正常，骨骼中钙、磷、镁不再分解入血液，骨吸收作用得到抑制，骨吸收作用逐渐占据主要地位[19]。所以分段低强度跑DOP大鼠BMD改变主要源于血糖降低后，骨吸收作用受到抑制。

4 结论

综上，分段低强度跑和持续中强度跑均有助于DOP大鼠控制血糖、缓解胰岛素抵抗、改善胰岛素敏感性、降低血脂，但分段低强度跑较持续中强度跑改善效果更明显。同时，分段低强度跑和持续中强度跑均能显著增加DOP大鼠的BMD、降低骨吸收、改善其股骨骨生物力学性能。鉴于此，临床治疗中对DOP患者制定运动辅助治疗方案时，应将分段低强度跑等易于完成和坚持的运动方案列为优先选择。