饮食、运动干预对肥胖小鼠股骨Wnt通路及PPAR-γ蛋白表达的影响

【作者】 李涛； 常波；

【机构】 沈阳体育学院；

【摘要】 研究目的:以往研究显示肥胖可以预防骨质疏松,在肥胖状态下,随着体重的增加,可以产生更大的应力刺激,与此同时通过机械应力的增加,使骨合成代谢和骨量明显升高,所以肥胖人群有更高的骨密度,因此认为肥胖对骨的生成是有利的。骨的形成是通过应力产生的,在应力的作用下,可以激活Wnt信号通路,最终使Runx2蛋白的表达升高,而Runx2蛋白则可以诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞方向分化。但是最近研究发现,在肥胖人群中骨折的发病率明显要高于正常人群,其病理机制尚不清楚。研究发现长期肥胖会使腹腔脂肪增多,进而使骨髓腔内的骨髓脂肪增多,以往认为骨髓脂肪是一种惰性脂肪,仅作为一种支持细胞,累积在骨髓中以填补退化后造血组织的空白区域,或为造血、骨折愈合提供能量支持。然而,最新的证据表明骨髓脂肪的多少与成骨细胞的形成密切相关,不仅因为骨髓脂肪与成骨细胞共享相同的骨髓间充质干细胞,还发现骨髓脂肪细胞会释放出PPAR-γ(peroxisome proliferator activated receptors-γ)蛋白对骨形成产生影响,其特征是由于脂代谢障碍引起骨形成和骨代谢减少。通过运动或饮食干预降低体重,是否会改善肥胖引起的骨质疏松还存在很大争议,有学者认为:减肥可以使过度沉积的脂肪得到消耗,减少脂肪因子的产生,因此对骨的形成产生有利影响。还有学者认为:随着体重的降低,使自身对骨的应力刺激减少,对骨的形成产生不利影响。两者哪个作用更大是争论的焦点。为了证明肥胖状态下对骨质的影响,及其作用机制,通过长期的高脂饮食制备肥胖动物模型,探讨肥胖对骨质的影响及其作用的机制,再采用运动和饮食干预改变机体能量的摄入和能量的消耗,探讨通过不同方法使体脂减少对肥胖小鼠骨质的影响及其影响的机制。肥胖对骨质是有利/不利存在很大的争议,争议的焦点在于肥胖对骨髓间充质干细胞(Bone Mesenchymal Stem Cells,BMSCs)向成骨/成脂分化作用哪个更强?Wnt和PPAR-γ是调控BMSCs成骨/成脂分化的重要因子,不同方式减脂对骨髓Wnt信号通路和PPAR-γ产生怎样的影响,还不清楚。我们通过高脂饮食诱导小鼠肥胖,研究肥胖状态下,运动、饮食干预对骨髓Wnt和PPAR-γ的BMSCs成骨/成脂分化的影响,以及与肥胖骨质疏松的关系,为探究防治肥胖引起的骨质疏松的方法提供理论依据。研究方法:3周龄雄性C57BL/6小鼠30只,体重分层随机分组,正常对照组(NC,n=6)正常饲料喂养,高脂饮食组24只高脂饲料喂养。12周后高脂饮食组体重超过NC组体重120%确定为肥胖造模成功,将肥胖组分为:肥胖对照组(OHC,n=6),肥胖饮食干预组(ONC,n=6),肥胖运动干预组(OHE,n=6)和肥胖运动联合饮食干预组(ONE,n=6)。OHE组和ONE组施加跑步干预,第一周对进行运动干预的小鼠进行跑台上低速的跑步练习,随着训练天数的增加,小鼠在跑台上跑步的运动时间和跑速持续增加,至第三周达到稳定的运动时间和跑速20m/min。ONC组和ONE组将高脂饲料改为正常饲料,其余各组饲料不变,8周干预结束后取材。运动干预组小鼠在最后一次跑步运动后36～40小时,禁食12个小时后取材。称量小鼠重量,用戊巴比妥钠对小鼠进行注射腹腔麻醉。测量小鼠体长、腹腔脂肪重量(腹腔脂肪重量=双侧附睾周围脂肪+双侧肾脏周围脂肪),双侧股骨采集后迅速放置液氮中,之后移至-80°超低温冰箱保存,Micro CT检测小鼠股骨骨密度,Western-Blot测定小鼠股骨Wnt 3a、β-catenin、Runx2和PPAR-γ蛋白表达。研究结果:1、与NC组相比,OHC组体重(P<0.01)、腹腔脂肪重量(P<0.01)、Lee’s指数(P<0.05)、骨密度(P<0.01)、体重/骨密度(P<0.05)、PPAR-γ蛋白表达(P<0.05)均显著升高,β-catenin蛋白表达(P<0.01)和Runx2蛋白表达(P<0.05)均显著降低。2、与OHC组相比,饮食干预ONC组小鼠的体重(P<0.01)、腹腔脂肪重量(P<0.01)、Lee’s指数(P<0.01)、骨密度(P<0.01)、体重/骨密度(P<0.01)、PPAR-γ蛋白表达(P<0.05)、PPAR-γ/Runx2的比值(P<0.01)均显著下降,β-catenin蛋白表达(P<0.01)和Runx2蛋白表达(P<0.05)均显著升高。3、与OHC组相比,运动干预OHE组小鼠的体重(P<0.01)、腹腔脂肪重量(P<0.01)、Lee’s指数(P<0.01)、体重/骨密度(P<0.01)、PPAR-γ蛋白表达(P<0.05)和PPAR-γ/Runx2的比值(P<0.01)均显著下降,Wnt 3a蛋白表达(P<0.01)、β-catenin蛋白表达(P<0.01)、Runx2蛋白表达(P<0.01)升高非常显著。4、与OHE组相比,ONE组小鼠的腹腔脂肪重量(P<0.01)和PPAR-γ/Runx2的比值(P<0.05)下降显著。研究结论:1、长期高脂喂养导致小鼠体重增加和脂肪堆积,上调股骨中PPAR-γ蛋白表达,同时减弱Wnt通路相关蛋白表达对应力的反应进而抑制骨形成,虽然骨密度升高,但是体重/骨密度比值也升高,对股骨存在不利影响,使肥胖后骨折风险增大。2、8周的饮食干预有效的降低小鼠体重体脂,降低骨股中PPAR-γ蛋白的表达,促进BMSCs成骨分化有利于骨形成,在减重过程中虽然骨密度降低,但是体重/骨密度也显著降低,会降低骨折风险。3、8周的运动干预、运动联合饮食干预降低小鼠体重体脂,运动在股骨中激活Wnt信号通路,抑制PPAR-γ蛋白表达,促进BMSCs成骨分化,进而促进骨生成,在减重过程中骨密度并未降低,同时体重/骨密度也显著降低,可以降低骨折风险。并且运动联合饮食干预对减重减脂和促进骨生成更有效。更多还原