运动防治高原低氧环境造成的骨质流失

【作者】 闫文康； 康素芳； 马占科； 曹梦舒； 樊岫珊； 孙丽君； 唐量；

【机构】 陕西师范大学体育学院；

【摘要】 研究背景:动物实验和人体研究表明,随着海拔的不断升高,骨量和强度都会产生不同程度的降低。高海拔被定义为海拔1500米到3000米,非常高的海拔被定义为3000米到5500米,极端海拔则被定义为5500米以上。动物研究表明高海拔环境会对动物骨骼产生不良影响,然而非常高海拔环境则会通过导致皮质形态恶化从而对骨骼强度产生负面影响。另外,人体实验研究表明,暴露于高原低氧环境会使登山者的骨矿物质密度降低,并且由此所产生的有害骨骼效应能够持续一年甚至更久。目前的研究主要集中在高原环境导致骨质流失及其机制,但对如何防治高原环境导致骨质疏松的研究相对较少。初到高海拔地区的边防军官以及旅行者都会面临着氧气可用性减少这一严苛的环境。基于满足提高我国边境国防力量以及满足广大人民群众登高旅行的需求,有必要提出一种安全有效的治疗方式来防治高原低氧环境导致的骨质流失。运动可以通过多种途径维持骨量,如通过上调抗炎细胞因子、诱导激素和细胞因子、调节非编码RNA等途径促进骨形成。我们之前的研究也表明,运动对于糖尿病和失重引起的骨质流失有显著的预防效果。那么,运动能否有效防治低氧环境造成的骨质流失。本研究探讨了运动预防低氧环境造成的骨质流失的效果及其机制。研究方法:将24只健康雄性8周龄C57BL/6小鼠随机分为对照组(NC)、低氧组(HY)和低氧运动组(HY+E),每组8只。HY组和HY+E组放入氧气含量为百分之十的低氧仓中模拟5400米海拔高度,HY+E组每天进行20分钟的跑步运动,其他条件均保持相同。总的持续时间为5周,在此期间保证小鼠水和食物的正常摄取。每周记录一次小鼠体重。5周之后将小鼠断颈处死,取股骨称取重量,采用三点弯曲实验检测各组生物力学性能并采用游标卡尺测量皮质骨厚度和外侧长轴以及外侧短轴,Micro-CT扫描用于股骨远端骨微结构分析以及提取股骨总蛋白进行Western Blot实验检测成骨标志蛋白RunX2以及低氧诱导因子HIF-1a表达。使用微机控制电子万能试验系统(WDW-5)进行三点弯曲生物力学性能检测,将股骨放置在两个支架中间,两个支架之间的跨距为10毫米,股骨与两支架外侧缘连线平行,保证股骨与压头垂直并使股骨中部与压头对准,首先以5mm/min的速度使压头向股骨靠近,待压头与股骨中部即将接触后将速度改为2mm/min,直至股骨断裂。通过软件分析得到最大承载力、弹性模量、能量吸收和刚度。使用Micro X-ray 3D Imaging System对小鼠股骨远端骨微结构进行扫描,分辨率为5μm、工作电压为80KV,电流为62.5μA。使用VG Studio MAX 3.0软件对扫描后的数据进行重建并选取感兴趣区域,从滑车消失位置向上1毫米位置开始,选取半径为1.2毫米,高度为0.5毫米的圆柱区域,将皮质骨和松质骨进行分离处理,分别进行修正、平滑和侵蚀处理后进行高级表面测定。进一步分析得出股骨远端各形态学指标:骨密度、骨体积分数、骨小梁数量、骨小梁厚度和骨小梁间距。使用BCA蛋白定量试剂盒提取股骨总蛋白后进行Western Blot实验,制备适合目的蛋白的分离胶,凝固后加入浓缩胶进行上样处理,以恒定电压90V进行电泳跑胶直至跑至分离胶底部,以恒定电流300mA转膜90min,在室温下于摇床上用5%脱脂奶粉封闭60min,一抗孵育过夜,二抗于室温下孵育1h,最后进行ECL发光处理。所有实验数据均采用prism软件进行分析处理。研究结果:低氧5周之后,与NC组相比,HY组体重呈降低趋势,5周的跑步运动使低氧小鼠体重略有回升,但无显著差异。三点弯曲实验结果表明,与NC组相比,HY组最大承载力、弹性模量和能量吸收均显著降低(p<0.05),刚度有降低的趋势;与HY组相比,HY+E组最大承载力、弹性模量均显著升高(p<0.01),能量吸收和刚度均有升高的趋势;相比于NC组,HY组皮质骨厚度明显降低(p<0.01),与HY组相比,HY+E组皮质骨厚度有明显升高(p<0.05);与NC组相比,HY组股骨外侧短轴显著降低(p<0.05),外侧长轴有降低的趋势,与HY组相比,HY+E组外侧长轴和外侧短轴均具有升高的趋势。Micro-CT结果表明,与NC组相比,HY组骨密度、骨体积分数、骨小梁数量以及骨小梁厚度降低,骨小梁间距变化不明显;与HY组相比,HY+E组骨密度、骨体积分数、骨小梁数量明显升高(p<0.05),骨小梁厚度和骨小梁间距升高不明显。Western Blot实验结果显示,与NC组相比,HY组成骨标志蛋白RunX2表达显著降低(p<0.01),低氧诱导因子HIF-1a表达显著升高(p<0.05);与HY组相比,HY+E组RunX2表达显著升高(p<0.05),HIF-1a表达显著降低(p<0.01)。研究结论:低氧环境能够造成明显的骨微结构退化,导致骨力学性能下降,而5周的跑步运动能够有效预防低氧环境造成的骨质流失。更多还原