李松波 張愛芳張琳 汪洋

1北京體育大學（北京 100084） 2河北省廊坊市人民醫(yī)院CT室

肥胖已成為人類社會面臨的一個嚴峻問題，針對肥胖的干預研究也受到更多關注。關于減肥對骨發(fā)育影響的研究很少。大量研究發(fā)現(xiàn)體重、肌肉量與骨密度呈正相關，體重減輕的同時，各部位骨密度降低、骨力學特性下降。同時多數(shù)研究認為，運動與骨代謝之間存在著“應變效應”，即機械力學信號可轉化為促進成骨的生化信號。適宜強度的運動對未成年骨骼的影響主要表現(xiàn)為促進峰值骨量的增加［1］；對成年骨骼的影響表現(xiàn)為一定程度的骨量增加或保持［2，3］；對骨的生物力學特性也有積極的影響［1，4，5］。在上述研究中，體重減輕對骨發(fā)育的消極作用與運動對骨發(fā)育的積極作用產(chǎn)生了對立：運動與限食共同干預對肥胖大鼠長骨的發(fā)育有何影響？此類研究未見報道。本研究通過動物實驗明確運動與限食干預減肥對肥胖大鼠長骨骨密度、力學特性的影響，為減弱限食減肥對骨代謝的不利影響，完善減肥運動處方和運動員科學降體重提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 肥胖大鼠模型的建立與分組

雄性SD大鼠88只，4周齡，體重60g～80g，購自北京維通利華實驗動物技術有限公司［許可證編號：SCXK（京）2007-0001］。將大鼠按體重隨機分為建模對照組（8只）和建模組（80只），參考孫志等［6］的方法，采用高脂飼料喂養(yǎng)建立肥胖模型。動物房溫度24±2℃，濕度40～60%，明暗周期12小時，自由進食飲水。高脂飼料喂養(yǎng)第11周末，體重超過對照組20%的大鼠數(shù)量達到樣本量要求。取體重達標大鼠測量并計算Lee’s指數(shù)，建模成功組（32只，成功率為 40%）Lee’s指數(shù)為319.63±4.48，與建模對照組（297.50±6.45）相比差異顯著（P<0.01）。然后按體重將建模成功大鼠隨機分為4組：對照組（7只），限食組（7只），運動組（9只）和運動限食組（9只）。實驗期間，運動組和運動限食組各有1只大鼠意外死亡。

1.2 運動和限食干預方案

1.2.1 運動方案

肥胖模型建成后，對運動組和運動限食組進行運動干預。運動形式為游泳，90分鐘/次，每周6次，持續(xù)5周，周日休息。水溫33～37℃，水深55cm。

1.2.2 限食方案

肥胖模型建成后，各組大鼠繼續(xù)給予高脂飼料喂養(yǎng)，限食組和運動限食組喂食量為對照組喂食量的80%，每天記錄投食量和次日剩余量，根據(jù)對照組食量調整限食組的投食量。自由飲水。

1.3 動物取材與前期處理

最后一次訓練結束60小時后宰殺動物，宰殺前禁食12小時。宰殺前稱重，采用20%烏拉坦按5m l/kg體重劑量腹腔麻醉。截取大鼠雙側下肢，剝離雙側股骨上所附著的軟組織。用游標卡尺（精度為0.02mm）測量右側股骨的長度（自股骨頭上緣至股骨內(nèi)髁下緣），然后迅速用浸透生理鹽水的紗布將兩側股骨分別包好，4℃保存，并于24小時內(nèi)完成骨密度、骨生物力學指標測試。

1.4 指標測試

1.4.1 體重

大鼠購入后、實驗期間每周日和宰殺前，用SL4001N電子秤（上海民橋精密科學儀器有限公司）測量并記錄大鼠體重。

1.4.2 股骨骨密度

肢體定量計算機斷層掃描（pQCT）為美國GE公司Highspeed DX/I CT機，測量前使用GE公司提供的體模進行校正。檢測時先縱向掃描，顯示右股骨形態(tài)，以股骨頸為參考線向下做斷層測定，并測定參考線下5.0mm處的骨密度（mg/cm3）。

1.4.3 股骨生物力學參數(shù)

室溫下將新鮮右股骨置于WD-1電子萬能材料試驗機（長春）上進行3點彎曲測試，跨度為25mm，加載速度為2mm/min，記錄載荷－變形曲線。通過載荷－變形曲線計算最大撓度、彈性撓度、最大載荷、彈性載荷、最大能量和剛性系數(shù)。

1.5 統(tǒng)計學分析

2 結果

2.1 不同干預方案肥胖大鼠體重比較

多因素方差分析表明，運動主效應顯著（P<0.001），運動導致肥胖大鼠體重顯著下降；限食主效應顯著（P<0.01），限食導致大鼠體重顯著下降；運動與限食交互作用不顯著（P>0.05）。不同干預組大鼠體重變化見表1。

表1 各組大鼠體重比較

2.2 不同干預方案肥胖大鼠股骨長度比較

多因素方差分析表明，運動主效應不顯著（P>0.05），限食主效應不顯著（P>0.05），運動與限食交互作用亦不顯著（P>0.05）。不同干預組大鼠股骨長度變化見表2。

表2 各組大鼠股骨長度比較

2.3 不同干預方案肥胖大鼠股骨骨密度比較

表3 各組大鼠股骨骨密度比較（mg/cm3）

多因素方差分析表明，運動主效應不顯著（P>0.05），限食主效應不顯著（P>0.05），運動與限食交互作用不顯著（P>0.05）。不同干預組大鼠股骨骨密度變化見表3。

2.4 不同干預方案肥胖大鼠股骨生物力學參數(shù)比較

多因素方差分析表明（表4），限食對肥胖大鼠股骨生物力學參數(shù)最大載荷、彈性載荷和最大能量主效應顯著（P<0.01），限食導致該三項力學參數(shù)顯著下降；運動與限食對其最大撓度、彈性撓度和剛性系數(shù)交互作用顯著（P<0.001，P<0.01）。不同干預組大鼠股骨生物力學參數(shù)變化見表5。

表4 運動與限食對大鼠股骨生物力學參數(shù)影響的多因素方差分析結果

表5 各組大鼠股骨生物力學參數(shù)比較

3 討論

3.1 不同干預方案對肥胖大鼠體重的影響

低熱量飲食和體育運動已被認為是有效的減肥方法。由于限食使大鼠作為能量消耗的碳水化合物與脂肪酸來源大大減少，從而使體內(nèi)脂肪儲量明顯減少，體重減輕。運動增加了能量消耗，不僅運動本身消耗大量能量，運動后的恢復過程所消耗的能量也不容忽視。本研究中，限食組減少熱量攝入，其體重與對照組相比減少約6.3%；運動組通過增加熱量消耗也減少了熱量在體內(nèi)的蓄積，體重與對照組比較減少約13.1%；運動限食組在熱量攝入減少的同時熱量消耗增加，所以體內(nèi)熱量積蓄量最少，體重減少約18.7%。同時，由于嚴格控制實驗條件，運動限食組減重量基本是運動組與限食組減重量之和。

3.2 不同干預方案對肥胖大鼠股骨長度和骨密度的影響

關于適宜運動有利于骨形態(tài)發(fā)育的報道有不同觀點：高麗等［7］采用2月齡雌性SD大鼠進行不同強度跑臺訓練10周（6d/w），發(fā)現(xiàn)耐力運動組、中等強度運動組、大強度運動組股骨、脛骨形態(tài)學指標與對照組相比未改變。Talbott等［8］研究發(fā)現(xiàn) 20周齡（青年）和 48周齡（老年）雌性SD大鼠限制40%熱量攝入9周后，股骨長度與對照組無顯著性差異。本研究中，雖然運動限食組股骨長度減少3.1%，5周游泳運動或5周限食20%對處于青年期的肥胖大鼠股骨長度無明顯影響，這可能因為本研究的運動和限食干預時間短，其次是因為成年大鼠骨骼長度變化小。

很多研究認為肥胖是骨量的保護因素，即肥胖者的骨密度較正常體型或消瘦者高［9-11］。國內(nèi)也有研究報道峰值骨量或 BMD 與體重存在線性相關［12，13］。Dyson 等［14］采用雙能X線骨密度測量儀研究顯示，7～11歲女子體操運動員股骨頸骨密度、腰椎骨密度都較非運動員顯著升高，表明青春期前運動可增加骨密度。羅冬梅［15］觀察了4周齡SD大鼠在分別進行為期3周、6周、9周不同強度運動后股骨骨量的變化，采用雙能X線骨密度測量儀檢測發(fā)現(xiàn)，3周時低負荷運動組和高負荷運動組BMD下降（P<0.05）；6周時低負荷運動組BMD稍增加，但無顯著差異，而高負荷組BMD下降（P<0.01）；9周時各組間差異完全消失。本研究采用pQCT測量的是骨體（三維）密度（g/cm3），能將皮質骨和松質骨分開測量，以排除骨的幾何因素，能夠代表骨的材料密度［16］。結果發(fā)現(xiàn)：5周游泳運動或5周限食20%均未對肥胖大鼠股骨整體骨密度、皮質骨密度和松質骨密度產(chǎn)生顯著影響，雖然運動組松質骨密度下降較多，達16.7%?？紤]到成年后骨塑建和骨改建的過程，認為短時間運動或限食干預并未影響肥胖大鼠股骨材料密度，雖然骨BMC可能發(fā)生變化。

3.3 不同干預方案對肥胖大鼠股骨生物力學參數(shù)的影響

關于游泳運動對大鼠骨生物力學特性影響的研究較多。步斌［17］的研究顯示，4周齡雄性SD大鼠進行6周間歇游泳訓練（5次/天，5分鐘 /次，間歇 4分鐘），腰椎骨生物力學性能和骨礦含量等參數(shù)顯著增加；但股骨骨礦含量沒有變化，股骨最大應力、最大應變和能量吸收反而下降。房冬梅等［18］對4周齡SD雌性大鼠分別進行游泳、跑臺訓練9周（5d/w，1h/d）后發(fā)現(xiàn)，游泳運動訓練可以提高脛骨抗變形能力（最大撓度、彈性撓度），但其作用小于跑臺運動，可是其對脛骨抗斷裂能力（彈性載荷）的影響大于跑臺運動?？梢娪斡镜倪@種作用不是通過骨量增加而獲得的。由于各研究中運動量、強度和時間等不同，選擇測量的骨不同，導致游泳對大鼠骨生物力學特性影響的結論也不同。

骨的生長發(fā)育受飲食和體重影響［19，20］，所以骨生物力學特性也受限食影響。Talbott［8］等研究發(fā)現(xiàn)，20周齡（青年）和48周齡（老年）雌性SD大鼠限制40%熱量攝入9周后與對照組比較：限食對股骨長度無顯著影響，但限食導致股骨最大載荷、彈性載荷減小。LaMothe［21］等研究發(fā)現(xiàn)，限食的中年后期（28月齡，從第14周開始限制40%熱量攝入）雄性F344BN大鼠脛骨與對照組比較，其結構力學參數(shù)中最大載荷、彈性載荷和剛性系數(shù)分別下降20%、35%和19%，差異有顯著性。材料力學參數(shù)中只有受彎剛度下降19%，差異有顯著性。本研究發(fā)現(xiàn)：5周限食20%使肥胖大鼠股骨最大載荷、彈性載荷和最大能量顯著下降，表明限食使肥胖大鼠股骨硬度下降，抗斷裂能力下降。

本研究還發(fā)現(xiàn)：運動與限食對最大撓度、彈性撓度和剛性系數(shù)的交互作用顯著。限食干預時，運動使骨撓度增加，剛性系數(shù)下降，即限食干預時，運動使骨的抗變形能力下降；無限食干預時，運動使骨撓度下降，剛性系數(shù)升高，即無限食干預時，運動使骨的抗變形能力升高。LaMothe等［21］研究還發(fā)現(xiàn)雄性 F344BN大鼠從第14周開始限制40%熱量攝入到第28個月時，CT檢測發(fā)現(xiàn)其脛骨長度減小、橫斷面積減小、骨髓腔變大（P>0.05）、皮質層面積減小等形態(tài)計量學參數(shù)的改變。Tatsumi等［22］研究發(fā)現(xiàn)雄性C57BL/6小鼠和雄性F344大鼠終生限食（3～9個月）后，CT檢測見脛骨三維骨體積減小。結合上述研究及本研究中大鼠骨材料密度不變及限食后大鼠骨材料力學特性變化很小的結果推測：5周限食20%對肥胖大鼠股骨生物力學特性的影響及其和5周游泳運動對股骨生物力學特性的交互作用主要是通過骨結構即骨形態(tài)計量學參數(shù)的改變實現(xiàn)的，還可能與它們影響肥胖大鼠股骨有機物代謝有關，骨基質的有機成分在決定骨結構和力學特性方面有著重要作用。

4 總結

本研究采用的運動或限食干預能顯著降低肥胖大鼠體重，但對肥胖大鼠（青年）股骨長度、骨密度未產(chǎn)生顯著影響。限食干預使肥胖大鼠股骨最大載荷、彈性載荷和最大能量顯著降低，使骨硬度下降，抗斷裂能力下降。限食與運動干預對肥胖大鼠股骨最大撓度、彈性撓度和剛性系數(shù)有交互效應。

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