摘要:
目的：运动疗法作为一种康复治疗的手段，对运动系统和心血管系统的慢性疾病有一定疗效。本研究通过不同强度有氧运动对去卵巢大鼠血清中IGF-1、BMP-2和P38水平的变化，探讨运动对去卵巢大鼠骨代谢的影响。方法：大鼠随机分为假手术组、骨质疏松模型组、30 min运动组和60 min运动组。除了假手术组大鼠，其他几组大鼠去除卵巢。运动组大鼠去除卵巢后一周进行训练，每周6次，共8周。结果：8周训练后，骨质疏松模型组和30 min运动组大鼠体重与假手术组比较显著增加(P < 0.05)，大运动负荷没有影响。与假手术组相比，骨质疏松模型组大鼠的BMP-2的表达有明显降低(P < 0.01)，IGF-1和P38降低(P < 0.05)。60 min运动组的BMP-2、P38和IGF-1的水平与去卵巢大鼠组比较，有显著升高(P < 0.01)。结论：60 min跑台运动对去卵巢所致大鼠骨质疏松症有一定的防治作用。
Abstract:
Objective: Exercise is useful to some chronic disease of sports system and cardiovascular system. The research was to explore the effect of exercise on osteoporosis by detecting the BMP-2, P38 and Insulin Growth Factor-1 (IGF-1). Methods: Female SD rats were randomly divided into sham-op- erated group, OVX group, 30 min exercise group, and 60 min exercise group. Rats in OVX group and two exercise groups were ovariectomized. Sham-operated group was not removed. After one week of surgery, exercise group started moderate intensity exercise, six days a week for 8 weeks. Results: After 8 weeks, compared with the control group, the weight of model group increased significantly (P < 0.05). The expression of BMP-2 decreased much significantly (P < 0.01) and the p38 and IGF-1 decreased apparently (P < 0.01). But BMP-2, p38 and IGF-1 in 60 min exercise group increased much significantly (P < 0.01) compared with that of OVX group’s. Conclusion: 60min treadmill running could be benefit to the osteoporosis in ovariectomized rats.
1. 引言
骨质疏松症(osteoporosis)是一种以低骨量和骨组织微结构破坏为特征，导致骨质脆性增加和易于骨折的全身性骨代谢性疾病。随着老龄化社会的到来，该病发病率呈逐年上升之势，2005年以后骨质疏松症患者已超过1亿。女性的发病率远较男性高，为2:1~6:1。一般女性从40岁开始，其最主要由于卵巢功能退化，雌激素分泌水平下降。表现骨吸收快于骨形成，导致骨代谢失衡、骨量丢失、骨密度下降、骨折率升高。在这个过程中，多种细胞因子参与调节成骨与破骨过程的平衡。其中BMP-2是促进骨形成和诱导成骨细胞分化最重要的细胞外信号分子之一，它通过激活Smads信号传导和调节成骨基因转录而发挥成骨作用。BMP还诱导p38MAPK直接磷酸化转录因子Runx2、Osterix，或间接激活另外一些激酶使下游基因磷酸化来表达成骨特异性子 [1] [2] 。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中IGF-1、BMP-2和p38MAPK的影响，为防治绝经后骨质疏松提供理论依据。
2. 材料和方法
2.1. 实验动物与分组
本实验选取3月龄清洁级雌性Sparague-Dawley大鼠(由徐州医科大学实验动物中心提供)48只，体重(240 ± 15) g，大鼠随机分为4组，正常假手术组、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。标准固体混合饲料喂养，自由饮食。实验历时8周完成。
2.2. 实验方法及指标测定
卵巢切除方法：将手术组动物分别沿左右软肋下剪开皮肤，分离皮肤筋膜及腹膜脏层，暴露腹腔，预留假手术组10只，其他大鼠进行结扎及剪除整个卵巢组织，分层缝合后，外层皮肤消毒，正常饲养。骨质疏松模型组、中等负荷运动组和大负荷运动组行去卵巢术。中等负荷运动组：切除卵巢1周后进行适应性跑台训练，开始每次10 min，适应后30 min/次，6次/周，共进行8周。大负荷运动组：跑台条件与中等负荷运动组相同，60 min/次，6次/周，共8周。所有大鼠饲喂条件一致。本实验获得徐州医科大学伦理委员会的批准。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) [3] 。
全部动物在运动组大鼠末次训练后麻醉处死。腹主动脉取血，3000 r/min，离心20分钟，血清分离后−80˚C保存待测。IGF-1、BMP-2和p38MAPK的Elisa试剂盒购自南京建成生物科技有限公司，指标测定严格按照试剂盒操作要求进行。
统计学分析采用SPSS19.0进行分析，数据用
表示，组间比较采用单因素方差分析，P < 0.05为有明显差异，P < 0.01有显著性差异。
3. 结果
3.1. 实验前后大鼠体重的变化
大鼠随机分组，实验前体重无明显差异。经过8周训练后，假手术和30分钟训练组的体重与对照组大鼠比较有差异(P < 0.05) (见图1)。
3.2. 8周训练前后大鼠血清中p38、BMP-2和IGF-1的表达
经过8周训练后，与假手术组比较，骨质疏松模型组大鼠IGF-1和p38水平下降明显(P < 0.05)。与骨质疏松模型组相比，60分钟运动组大鼠血清中IGF-1、BMP-2和P38水平显著升高(P < 0.01)。两组运动组比较，60分钟运动组大鼠IGF-1和p38水平升高(见表1)。
4. 讨论
雌激素是参与体内物质能量代谢非常重要的激素，研究发现，女性在绝经期后随着性激素水平的骤然下降，尤其是雌激素水平的降低，机体的脂肪细胞分化异常所造成的脂肪蓄积，引起机体腹性肥胖发生 [4] 。本实验结果显示，在8周以后去卵巢组大鼠与对照组比较，体重有明显增加，这与相关研究结果一致 [5] [6] 。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
Figure 1. The difference weight before and after experiment
图1. 实验前后体重的变化
Table 1. The comparison of the expression of IGF-1, BMP-2, P38 after 8 weeks
表1. 8周每组大鼠IGF-1、BMP-2和P38的变化比较
注：与假手术组对比：*P < 0.01，#P < 0.05；与骨质疏松模型组对比：▲P < 0.01；与30 min运动组比较：☆P < 0.05。
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 [7] 。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。
骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins, BMPs)是转化生长因子β超家族的多功能生长因子，它们在动物实验中被证实可以诱导异位骨的形成 [8] [9] 。BMPs这个独特的特征使其在骨修复方面得以广泛运用。而通过越来越清楚的BMP信号通路来增强骨再生潜能在脊柱外科手术、骨折后愈合以及骨破坏后骨诱导等诸多领域成为研究热点。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。BMP-2是诱导成骨活性最强的BMP之一，在机体受到相应外界信号刺激时，BMP-2与细胞膜上的受体结合，将信息转递至细胞核内，通过转录激活相关物质促进骨组织的再生 [10] 。目前研究已表明p38对BMSCs向OB特异性分化可能起着重要的调节作用，在BMSCs向OB分化的研究中发现，p38具有重要的正向调控作用，抑制该通路使BMSCs向成骨的分化受阻而改向成脂细胞方向分化 [11] 。BMP-2则可通过p38MAPK通路诱导Runx2/Cbfal转录表达 [12] 。资料报道，阻力运动后即刻p38磷酸化升高，1 h后恢复到运动前水平；急性运动30 min后p38磷酸化升高，可以维持15 min [13] 。本实验中，与去卵巢组模型组大鼠比较，60 min运动组大鼠的p38水平显著增加(P < 0.01)，可见p38水平的改变，可能与运动方式的选择有关。
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。IGF-1可上调AKt的表达，增加AKt活性 [14] [15] ，而AKt可以促进 BMP-2介导的成骨活动 [16] 。Thomas等 [17] 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。邓子阳等的研究发现IGF-1可以改善糖尿病大鼠骨质疏松症，其机制可能是IGF-1上调了BMP-2同时增加了BALP表达 [18] 。本实验中8周训练后，60 min运动组大鼠血清中IGF-1的水平显著高于骨质疏松模型组，与BMP-2的水平成正相关，同时P38的含量也升高，这与之前的研究结果一致。IGF-1血清含量变化对骨细胞的增殖和基质的合成有调节作用。但其对P38调节作用机制还待进一步的研究。
运动作为一种有效的手段对机体的运动、神经、内分泌等系统产生积极的影响。运动通过影响IGF-1的分泌，改善骨质疏松症状，但IGF-1信号通路复杂，下游分子众多，本研究可能仅揭示了IGF-1改善去卵巢大鼠骨质疏松的机制之一，对其深入研究有利于阐明骨质疏松的发病机制，为运动改善骨质疏松提供重要的参考价值。
基金项目
江苏省大学生创新创业训练计划项目基金(201410313031Y)。
NOTES
*通讯作者。