馬　濤　李世昌　鄭慶云

摘要：動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是運(yùn)動(dòng)生物科學(xué)的重要研究方法和途徑，其伴隨著運(yùn)動(dòng)生物科學(xué)的不斷發(fā)展而發(fā)展。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以較好地控制影響因素，既可以對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物整體水平的綜合反應(yīng)進(jìn)行研究，也可以對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物局部組織和器官進(jìn)行離體研究，從而克服了人體實(shí)驗(yàn)多方面的局限性。隨著新型測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和生命科學(xué)研究方法的深入，運(yùn)動(dòng)與骨代謝研究的動(dòng)物模型的復(fù)制方法、觀察指標(biāo)和研究領(lǐng)域在不斷發(fā)展，將在骨質(zhì)疏松的防治及骨健康相關(guān)問(wèn)題的解決中發(fā)揮積極作用。

關(guān)鍵詞：骨代謝；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)；動(dòng)物模型；運(yùn)動(dòng)方式；綜述

中圖分類(lèi)號(hào)：G804文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-7116(2009)06-0107-06

Developments in researches on animal experiments of

exercise-related bone metabolism

MA Tao1，LI Shi-chang2，ZHENG Qing-yun2

（1.Department of Physical Education and Defence Studies，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；2.School of Physical Education and Health，East China Normal University，Shanghai 200241，China）

Abstract: Animal experiment is an important research method and way in sports bioscience, developing with the constant development of sports bioscience. Animal experiment can well control affecting factors, be used to study either the comprehensive reactions of the entire body of the experimented animals, or local tissues and organs of the experimented animals in vitro, thus overcome various limitations of human experiments. With the appearance of new measurement technologies and the development of life science research methods, the duplicating methods, observation indexes and research areas in relation to animal models for researches on exercise-related bone metabolism are constantly developing; researches on exercise-related bone metabolism will play an active role in preventing osteoporosis and solving bone health related problems.

Key words: bone metabolism；animal experiment；animal model；exercise mode；overview

目前骨質(zhì)疏松癥已成為世界范圍的、越來(lái)越引起人們重視的健康問(wèn)題，而且已被世界衛(wèi)生組織列為中老年3大疾病之一。骨質(zhì)疏松癥不僅使人類(lèi)生活質(zhì)量明顯降低，同時(shí)給社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成巨大的負(fù)擔(dān)，因此世界各國(guó)都在大力支持骨質(zhì)疏松的防治研究[1]。研究顯示，適宜的運(yùn)動(dòng)可以有效地增加峰值骨量、減緩隨年齡增長(zhǎng)而發(fā)生的骨質(zhì)疏松。運(yùn)動(dòng)與骨骼系統(tǒng)和骨代謝的研究，過(guò)去由于受實(shí)驗(yàn)方法和檢測(cè)手段的限制，只是在骨量、骨代謝生化標(biāo)志物及其他無(wú)創(chuàng)性指標(biāo)方面研究較多。20世紀(jì)后期，隨著動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展以及骨分子生物學(xué)、生物化學(xué)、組織形態(tài)學(xué)、骨密度測(cè)量學(xué)和生物力學(xué)方法的應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)與骨代謝的研究進(jìn)入了一個(gè)全新的領(lǐng)域。

1運(yùn)動(dòng)與骨代謝研究中的動(dòng)物模型

正確選擇和建立理想的骨代謝實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型，是開(kāi)展運(yùn)動(dòng)與骨代謝研究工作的基礎(chǔ)。骨代謝動(dòng)物模型的制備在方法上應(yīng)盡量模擬臨床致病因素，以期在發(fā)病機(jī)理、運(yùn)動(dòng)干預(yù)等方面獲得科學(xué)的數(shù)據(jù)。

1.1卵巢切除(OVX)和睪丸切除(ORX)模型

OVX模型于1969年由Saville建立，目前已被公認(rèn)為研究絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松癥的“gold standard”模型。盡管去卵巢成年大鼠模型有許多優(yōu)點(diǎn)，但考慮到其主要反映婦女絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松早期階段的骨丟失與骨代謝特點(diǎn)，并且骨質(zhì)疏松癥是一個(gè)與年齡有關(guān)的疾病，所以不能完全替代老年大鼠模型。ORX模型是研究男性骨代謝的常用動(dòng)物模型。OVX模型在運(yùn)動(dòng)骨代謝相關(guān)研究中得到廣泛應(yīng)用，利用ORX模型研究運(yùn)動(dòng)干預(yù)效果的報(bào)道較少，是一項(xiàng)具有研究前景的課題。

1.2廢用性模型

廢用性骨丟失模型，是指人工方法使動(dòng)物部分肢體處于不負(fù)重狀態(tài)而建立的活體模型。由于動(dòng)物肢體的骨量和骨代謝與載重、肌肉活動(dòng)、神經(jīng)血管對(duì)肌肉和骨的營(yíng)養(yǎng)等因素密切相關(guān)，對(duì)臨床上研究有重要的意義。機(jī)械固定法骨質(zhì)疏松模型可用于模擬研究長(zhǎng)期臥床、骨折固定及截去一側(cè)部分下肢拄拐行走病人的骨代謝變化；懸吊法常用于模擬航天航空人員失重研究，即將動(dòng)物尾部懸吊，雙后肢懸空，讓動(dòng)物靠?jī)汕爸?fù)重并在一定范圍內(nèi)活動(dòng)的方法。以上兩種造型方法既可研究固定肢失重時(shí)骨丟失變化，又可研究承重肢超重時(shí)骨代謝變化，去除固定因素后還能觀察其恢復(fù)過(guò)程，對(duì)運(yùn)動(dòng)損傷的康復(fù)有一定的參考價(jià)值。另外，手術(shù)切除動(dòng)物一側(cè)坐骨神經(jīng)或一側(cè)膝鍵甚至跟鍵也能成功復(fù)制廢用性骨質(zhì)疏松模型[2]。

1.3藥物性模型

最常用的藥物有糖皮質(zhì)激素、維甲酸、肝素、酒精等。糖皮質(zhì)激素可造成成骨細(xì)胞減弱、破骨細(xì)胞增強(qiáng)，對(duì)研究人類(lèi)糖皮質(zhì)激素引起的繼發(fā)性及男性O(shè)P(骨質(zhì)疏松)有重要意義，尤其在體育鍛煉與骨質(zhì)疏松關(guān)系的研究中能獲得滿(mǎn)意效果。維甲酸對(duì)骨代謝有明顯影響，其制作模型所需時(shí)間短，在發(fā)病癥狀、組織形態(tài)學(xué)表現(xiàn)以及對(duì)雌激素的骨反應(yīng)上與人類(lèi)有較大的相似性，是大鼠急性骨質(zhì)疏松的有效造模方法。酗酒、過(guò)量應(yīng)用甲狀旁腺激素及抗凝藥物如肝素等，均可誘發(fā)骨質(zhì)減少改變，但能否達(dá)到OP標(biāo)準(zhǔn)，有待進(jìn)一步探索。

1.4營(yíng)養(yǎng)性模型

通過(guò)限制飲食中的鈣、維生素D，增加磷的攝入，可使骨密度下降，血鈣、磷濃度上升，尿鈣增加，來(lái)復(fù)制骨吸收增加模型。由于其飼料配方復(fù)雜，且影響因素較多，難以普及推廣，往往作為一種輔助方法，目前結(jié)合運(yùn)動(dòng)干預(yù)的研究較少。

1.5增齡模型

雄鼠增齡模型1993年由Vanders Chueren提出，現(xiàn)在已得到了初步應(yīng)用[3]。Ke等[4]將快速生長(zhǎng)期的SD雄鼠予以O(shè)RX處理，其中假手術(shù)組反映了增齡對(duì)雄性大鼠骨骼的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)12～23月齡出現(xiàn)明顯的與年齡相關(guān)的骨量減少。這種因增齡引發(fā)的骨代謝失衡動(dòng)物模型，也許更適合于進(jìn)一步研究雄激素和雌激素對(duì)男性骨骼的調(diào)節(jié)功能以及開(kāi)發(fā)新的防治男性骨質(zhì)疏松藥物和運(yùn)動(dòng)干預(yù)方法。

1.6轉(zhuǎn)基因模型

近年來(lái)，小鼠用于骨基因調(diào)控方面的研究引起人們的關(guān)注。華盛頓大學(xué)的Lewis等發(fā)現(xiàn)基因工程小鼠(IL-4基因)的骨架發(fā)育正常，但出生后骨質(zhì)開(kāi)始喪失，提示IL-4可以降低新骨的產(chǎn)生。研究將淋巴細(xì)胞特異性近中啟動(dòng)子應(yīng)用于1ck基因造成小鼠異常表達(dá)IL–-4，出現(xiàn)了駝背、骨質(zhì)變細(xì)及成骨細(xì)胞活性降低等表現(xiàn)，建立了小鼠OP模型。日本Jackson實(shí)驗(yàn)室1970年從AKR/J小鼠培育成SAM小鼠，12個(gè)品系中9 個(gè)品系為SAM小鼠，3個(gè)為SAMR小鼠。其中SAMR小鼠為衰老小鼠，老化較正常小鼠快，有低峰值骨量和中老年骨折的發(fā)生趨向[5]。目前利用轉(zhuǎn)基因模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

2運(yùn)動(dòng)與骨代謝研究中動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式

2.1游泳訓(xùn)練

游泳是運(yùn)動(dòng)與骨代謝動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的主要手段之一，通常把大鼠作為游泳運(yùn)動(dòng)的研究對(duì)象，有時(shí)小鼠也被用作游泳運(yùn)動(dòng)的研究對(duì)象。動(dòng)物在接受游泳訓(xùn)練時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的抵觸情緒，所需設(shè)備也簡(jiǎn)便易得。目前運(yùn)動(dòng)生物科學(xué)的動(dòng)物泳池可以分為兩類(lèi)：靜水泳池和流水泳池。靜水泳池內(nèi)水是非流動(dòng)性的，運(yùn)動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)度通過(guò)水深、水溫和尾部負(fù)重予以調(diào)節(jié)。靜水泳池雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，但具有以下缺點(diǎn)：一是運(yùn)動(dòng)負(fù)荷方式脫離運(yùn)動(dòng)實(shí)際，有時(shí)動(dòng)物表現(xiàn)出緩慢落入池底再反彈至水面的非游泳動(dòng)作；二是運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度難以控制，無(wú)統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)可供參考和對(duì)照。流水泳池指泳池內(nèi)水是流動(dòng)性的，運(yùn)動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)度主要通過(guò)水流速度予以調(diào)節(jié)。與靜水泳池相比，流水泳池具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是運(yùn)動(dòng)方式符合運(yùn)動(dòng)實(shí)際，使實(shí)驗(yàn)研究更能針對(duì)性解決實(shí)際問(wèn)題；二是運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度易于控制，實(shí)驗(yàn)人員僅調(diào)節(jié)噴水閥門(mén)即可完成運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的改變；三是游泳的條件穩(wěn)定，有效避免或減少了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物浮于水面和伏壁休息的現(xiàn)象。流水泳池的缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度衡量較為困難，需要綜合考慮水溫、水深和水流速度等影響因素。在運(yùn)動(dòng)生物科學(xué)研究中，有關(guān)游泳運(yùn)動(dòng)與骨代謝相關(guān)的研究較多，主要集中在不同時(shí)間及不同強(qiáng)度的游泳運(yùn)動(dòng)對(duì)不同部位骨代謝的影響。

2.2跑臺(tái)訓(xùn)練

動(dòng)物跑臺(tái)主要是根據(jù)大鼠或小鼠跑步運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置。動(dòng)物跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)接近動(dòng)物的正常運(yùn)動(dòng)方式；運(yùn)動(dòng)量和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度可通過(guò)調(diào)整跑的時(shí)間、跑速和跑臺(tái)坡度來(lái)準(zhǔn)確控制；跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)向心性收縮為主和離心性收縮為主的兩種運(yùn)動(dòng)形式，動(dòng)物上坡跑或下坡跑分別使肌肉作向心性收縮或離心性收縮；對(duì)照組便于設(shè)立，將動(dòng)物放置于平板跑臺(tái)的跑道上但跑臺(tái)不轉(zhuǎn)動(dòng)即可，因此跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)在目前實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)用較多。但是動(dòng)物跑臺(tái)一般采取電擊、聲音刺激、毛刷刺激或強(qiáng)氣流來(lái)驅(qū)使動(dòng)物奔跑，是非主動(dòng)性運(yùn)動(dòng)，這是動(dòng)物跑臺(tái)應(yīng)用中的一個(gè)局限因素。近年來(lái)，許多研究選用SD大鼠進(jìn)行跑臺(tái)訓(xùn)練建立動(dòng)物模型，用其它一些鼠類(lèi)也有報(bào)道，如Smith等[6]、Nader等[7]曾選用雌性Wistar大鼠建模。Kemi等[8]用巧克力獎(jiǎng)賞使C57BLP6J型小鼠動(dòng)物跑臺(tái)訓(xùn)練來(lái)建立模型。Mikami等[9]曾選用雄性ICR小鼠建立耐力訓(xùn)練動(dòng)物模型。近年來(lái)有關(guān)跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)與骨代謝相關(guān)的研究也逐漸增多。

2.3跳臺(tái)訓(xùn)練

目前關(guān)于動(dòng)物跳躍訓(xùn)練模型較少見(jiàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要研制了動(dòng)物跳躍訓(xùn)練的跳箱[10]，跳箱底板由銅絲制成，四周為木板，跳臺(tái)可自由調(diào)節(jié)高度，跳箱底板連接生理刺激器，生理刺激器型號(hào)為JL-B1(上海嘉龍教學(xué)儀器)，波形為方波，頻率為50 Hz，電壓為30～50 V。將大鼠放在底板上，由生理刺激器給予一定強(qiáng)度的電刺激，讓大鼠跳上箱子一側(cè)專(zhuān)門(mén)設(shè)制的平臺(tái)，休息20 s，然后把大鼠重新放在底板上，再次通電刺激大鼠再次跳躍，如此循環(huán)，直到預(yù)定的跳躍次數(shù)。一般經(jīng)幾次電刺激后，大鼠不需電刺激就會(huì)自動(dòng)跳躍到安全的平臺(tái)上。

跳躍訓(xùn)練是一種很好的動(dòng)物爆發(fā)力和受力訓(xùn)練模型，符合運(yùn)動(dòng)實(shí)際，對(duì)于與運(yùn)動(dòng)生物科學(xué)相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)具有較高的價(jià)值，對(duì)運(yùn)動(dòng)中骨應(yīng)力方面的研究則更實(shí)用。跳躍訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度可以由跳躍高度來(lái)決定，骨所受的機(jī)械應(yīng)力與跳躍高度成正比關(guān)系，運(yùn)動(dòng)量可以由跳躍次數(shù)決定。然而，大鼠的跳躍模型和跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型一樣，都是在電刺激的情況下迫使動(dòng)物運(yùn)動(dòng)，這種電擊可能產(chǎn)生非運(yùn)動(dòng)性應(yīng)激，甚至機(jī)械性損傷，從而影響運(yùn)動(dòng)模型的客觀性。為了盡量減少電刺激對(duì)動(dòng)物影響，在跳躍訓(xùn)練過(guò)程中盡量用較小強(qiáng)度的刺激來(lái)訓(xùn)練動(dòng)物跳躍，刺激電壓一般為30～40 V，不超過(guò)50 V。動(dòng)物被放入跳箱后，一般最初的幾次都會(huì)主動(dòng)跳到跳臺(tái)上，這時(shí)一般不打開(kāi)生理刺激器電源，盡量讓動(dòng)物主動(dòng)跳躍，直到動(dòng)物不再主動(dòng)跳躍時(shí)，再接通生理刺激器電源，強(qiáng)迫動(dòng)物做完預(yù)定的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。隨著動(dòng)物條件反射的逐漸建立，動(dòng)物一旦被放入箱底后，也會(huì)主動(dòng)跳躍而不用電刺激。另外，還可以結(jié)合聲音和光等的刺激來(lái)建立動(dòng)物的條件反射。

2.4轉(zhuǎn)籠運(yùn)動(dòng)

轉(zhuǎn)籠是鼠類(lèi)較常用的一種動(dòng)物運(yùn)動(dòng)方式。轉(zhuǎn)籠運(yùn)動(dòng)是一種自主運(yùn)動(dòng)無(wú)需外界刺激強(qiáng)迫，可以避免被動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的傷害性刺激和運(yùn)動(dòng)過(guò)度，對(duì)照組也便于設(shè)立。目前研制的轉(zhuǎn)籠克服了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)籠運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不易定量、運(yùn)動(dòng)量(動(dòng)物所跑的圈數(shù))不夠精確等缺點(diǎn)，大大提高了使用價(jià)值。如Ishihara等[11]設(shè)計(jì)了可控制和自動(dòng)顯示負(fù)荷的大鼠主動(dòng)轉(zhuǎn)籠運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練模型。轉(zhuǎn)籠連接一控制裝置，可連續(xù)記錄大鼠轉(zhuǎn)籠跑的圈數(shù)和籠的阻力大小，并可傳送至電腦存貯，籠阻力可調(diào)整(0～350 g)。Allen等[12]選用C57PB16雄性小鼠進(jìn)行4 周自愿跑籠運(yùn)動(dòng)建模。自動(dòng)計(jì)數(shù)器可以記錄最大跑速、跑籠總距離和總時(shí)間。轉(zhuǎn)籠運(yùn)動(dòng)的不足之處是難以進(jìn)行大運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，一旦轉(zhuǎn)籠阻力過(guò)大，動(dòng)物不能維持運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。另外訓(xùn)練的組數(shù)、次數(shù)以及訓(xùn)練間歇等參數(shù)也不易設(shè)定。有關(guān)運(yùn)動(dòng)與骨代謝相關(guān)的研究至今還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

2.5其他運(yùn)動(dòng)方式

除了上述常用的運(yùn)動(dòng)方式以外，近些年國(guó)外也出現(xiàn)了一些新的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)方式，如舉重和負(fù)重爬等。Wirth[13]的大鼠舉重訓(xùn)練模型以食物作為誘導(dǎo)因素，紅外線進(jìn)行控制，負(fù)荷可以隨意調(diào)整。大鼠為了獲得食物，必須將一定負(fù)荷的杠鈴?fù)ㄟ^(guò)頭頂下肢用力舉起，訓(xùn)練中的向心收縮(舉起杠鈴)和離心收縮(放下杠鈴)的最大力、速度、總做功、平均功率等均可精確測(cè)出。Norenberg等[14]采取更大負(fù)荷也建立了類(lèi)似的舉重模型。負(fù)重爬也是適宜于鼠類(lèi)的一種力量訓(xùn)練方式。國(guó)外近年復(fù)制較多，如Widrick等[15]、Duncan等[16]和Hornberger等[17]分別進(jìn)行了動(dòng)物負(fù)重爬梯相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。動(dòng)物舉重和負(fù)重爬梯在運(yùn)動(dòng)方式上與人類(lèi)運(yùn)動(dòng)比較接近，但此類(lèi)模型還不能自動(dòng)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間也較長(zhǎng)，訓(xùn)練難度較大。

3運(yùn)動(dòng)與骨代謝研究中的評(píng)價(jià)指標(biāo)[18]

目前有關(guān)骨骼對(duì)體育運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練適應(yīng)性的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，所采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括骨量、骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)指標(biāo)、骨生物力學(xué)指標(biāo)、骨代謝生化標(biāo)志物及骨代謝基因水平調(diào)控等研究。

3.1 骨量

骨量是指單位面積或長(zhǎng)度骨組織內(nèi)骨礦鹽的含量。用g/cm2或g/cm為單位。前者稱(chēng)骨礦密度(bone mineral density，BMD)，后者稱(chēng)骨礦含量(bone mineral content，BMC)。BMD是機(jī)體某一部位骨組織中單位骨面積內(nèi)所含的礦物質(zhì)量，是影響骨強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，是評(píng)價(jià)骨強(qiáng)度的一個(gè)最方便、最常用的指標(biāo)，并且BMD的高低也被作為診斷骨質(zhì)疏松的一項(xiàng)主要標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)運(yùn)動(dòng)對(duì)于BMD的影響的研究一直以來(lái)都是運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，在這方面，國(guó)外的學(xué)者做了大量的工作[19-21]。

3.2骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)指標(biāo)

形態(tài)計(jì)量學(xué)是對(duì)形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析的科學(xué)，形態(tài)計(jì)量學(xué)用于測(cè)量骨組織形態(tài)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)。在骨的生長(zhǎng)、重建過(guò)程中，板層骨組織具有在分散、微小位置上的不斷轉(zhuǎn)換、重排的動(dòng)態(tài)特性。由于細(xì)胞染色技術(shù)和熒光標(biāo)記劑的應(yīng)用發(fā)展，骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)不僅可以研究骨組織的靜態(tài)指標(biāo)，而且可以研究骨生長(zhǎng)重建的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。四環(huán)素活體標(biāo)記技術(shù)可用于研究骨的重建，它是揭示骨的生理機(jī)能與形態(tài)學(xué)改變之間關(guān)系的一種新的研究方法。其原理是利用四環(huán)素能與鈣特異性結(jié)合并沉積在骨礦化前沿的特性，把時(shí)間因素標(biāo)記在骨的重建過(guò)程中，在熒光顯微鏡下，檢測(cè)骨組織內(nèi)一次或兩次標(biāo)記的四環(huán)素?zé)晒饩€間距，單或雙標(biāo)四環(huán)素?zé)晒夤堑V化前沿的標(biāo)記率等動(dòng)態(tài)變化，從而求得諸如骨礦化沉積率、單標(biāo)四環(huán)素表面、雙標(biāo)四環(huán)素表面及單、雙標(biāo)四環(huán)素表面比、礦化延遲時(shí)間、骨再建單位時(shí)間和糾正礦化沉積率等多項(xiàng)骨動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，以獲取骨細(xì)胞水平、組織水平以及器官水平上的活體信息。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)運(yùn)動(dòng)與骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)的研究也逐漸增多[22-23]。

在制作骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)研究的切片時(shí)，一般選擇松質(zhì)骨(如脛骨近端骨骺線下1~4 mm)，做5 μm不脫鈣切片，用甲苯胺蘭染色，30 μm四環(huán)素標(biāo)記標(biāo)本不脫鈣切片、不染色，分別在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀察，在圖象分析軟件中，對(duì)于劃定的范圍進(jìn)行面積、長(zhǎng)度、距離和數(shù)目4大類(lèi)基本測(cè)量。在得出所要測(cè)量的每張切片的基本參數(shù)以后，再依據(jù)Parfitt等對(duì)骨形態(tài)計(jì)量參數(shù)的定義與計(jì)算方法，測(cè)量出反映骨量、骨結(jié)構(gòu)與骨代謝的三大類(lèi)參數(shù)[22]。

3.3骨生物力學(xué)指標(biāo)

骨生物力學(xué)是生物力學(xué)的分支，它以工程力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，研究骨組織在外界作用下的力學(xué)特性和在受力后的生物學(xué)效應(yīng)，是對(duì)骨質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定的一種可靠的方法。骨的生物力學(xué)特性包括結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和材料力學(xué)特性。骨的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性是指整個(gè)骨結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，不但與骨的材料力學(xué)特性有關(guān)，而且受骨的幾何特性，即形狀、尺寸等影響。骨的結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)可以通過(guò)載荷－變形曲線來(lái)求得，主要包括：最大載荷、彈性載荷、斷裂載荷、最大撓度、彈性撓度、斷裂橈度、剛性系數(shù)和能量吸收。骨的材料力學(xué)特性是指骨組織本身的力學(xué)性能，與骨的幾何形狀無(wú)關(guān)，骨的材料力學(xué)指標(biāo)可以通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)求得，主要包括：最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、斷裂應(yīng)力、最大應(yīng)變、彈性應(yīng)變、斷裂應(yīng)變、彈性模量和能量吸收。運(yùn)動(dòng)對(duì)骨生物力學(xué)的影響已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。如Hart等[24]研究指出，12周的游泳訓(xùn)練使大鼠股骨力學(xué)性能明顯增強(qiáng)。Notomi等[25]令大鼠進(jìn)行4周的抗阻力隨意運(yùn)動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)股骨的最大載荷、總橫截面積和慣量矩顯著高于對(duì)照組，運(yùn)動(dòng)8周后，上述3個(gè)指標(biāo)加之結(jié)構(gòu)硬度(N/mm)和皮質(zhì)骨面積亦顯著增加。

3.4骨代謝生化標(biāo)志物

骨在整個(gè)生命過(guò)程中都具有新陳代謝的活性，骨代謝的過(guò)程往往能反映破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞的活動(dòng)及骨基質(zhì)、骨礦物質(zhì)的變化，運(yùn)動(dòng)對(duì)骨的影響可通過(guò)骨代謝生化標(biāo)志物的變化反映出來(lái)。這主要包括以下3個(gè)方面的研究：運(yùn)動(dòng)對(duì)骨形成和骨吸收生化標(biāo)志物的影響；運(yùn)動(dòng)對(duì)骨代謝調(diào)節(jié)激素的影響；運(yùn)動(dòng)對(duì)骨代謝細(xì)胞調(diào)節(jié)因子的影響。

1)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨形成和骨吸收生化標(biāo)志物的影響。

反映骨形成的生化標(biāo)志物主要有血清總堿性磷酸酶(TALP或ALP)和骨堿性磷酸酶(BALP)、骨鈣素(BGP)、Ⅰ型前膠原梭基端前肽(PICP)、骨粘連蛋白(ostcnonectin) 等共9種。反映骨吸收的生化標(biāo)志物主要是血漿抗酒石酸酸性磷酸酶(TRACP)、尿羥賴(lài)氨酸糖苷(HOLG)、Ⅰ型膠原交聯(lián)梭基末端肽(ICTP)、尿膠原吡啶交聯(lián)(PYD)等。關(guān)于運(yùn)動(dòng)對(duì)骨代謝生化指標(biāo)的研究有很多，國(guó)內(nèi)外研究者從不同的角度分析了運(yùn)動(dòng)對(duì)骨代謝生化指標(biāo)的影響[26-28]。

2)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨代謝調(diào)節(jié)激素的影響。

影響骨代謝的主要調(diào)控激素為維生素D(Vit D3)、甲狀旁腺激素(PTH)、降鈣素(CT)、生長(zhǎng)激素(GH)和雌激素。Vit D3在肝臟羥化為25-(OH) Vit D3，后在腎臟生成1，25-(OH) Vit D3，Vit D3促進(jìn)小腸吸收鈣、磷，促進(jìn)腎小管對(duì)鈣、磷的重吸收，既作用于成骨細(xì)胞促進(jìn)骨形成、又與PTH協(xié)同促進(jìn)破骨細(xì)胞溶骨作用，對(duì)骨代謝有雙向調(diào)節(jié)，起平衡骨代謝作用。PTH具有促進(jìn)成骨和溶骨的雙重作用，實(shí)驗(yàn)研究表明小劑量PTH可促進(jìn)成骨作用，而大劑量則可促進(jìn)溶骨作用，但總的作用是促進(jìn)溶骨，提高血鈣。CT作用是抑制破骨作用，抑制鈣、磷的重吸收，降低血鈣和血磷[29-30]。

3)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨代謝細(xì)胞調(diào)節(jié)因子的影響。

目前對(duì)骨代謝作用比較清楚的細(xì)胞因子有胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)、骨形成蛋白(BMP)、成纖維生長(zhǎng)因子(FGF)、血小板源生長(zhǎng)因子(PDGF)、表皮生長(zhǎng)因子(EGF)以及肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子(HGF)等。其中BMP是唯一具有誘導(dǎo)組織間充質(zhì)細(xì)胞增殖、分化為軟骨和骨細(xì)胞的骨生長(zhǎng)因子，也是骨再生的啟動(dòng)因素。IGF對(duì)生長(zhǎng)期骨組織的作用最強(qiáng)，對(duì)成骨細(xì)胞的分化有強(qiáng)烈的刺激作用，能夠引起骨基質(zhì)沉積率增加，促進(jìn)骨形成；還可以使成骨細(xì)胞內(nèi)堿性磷酸酶(ALP)活性升高，產(chǎn)生骨鈣素(BGP)，從而對(duì)骨基質(zhì)的保持和骨量的維持有促進(jìn)作用。TGF-β是骨吸收和骨形成之間有力的調(diào)節(jié)和偶聯(lián)因子，可促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖，對(duì)軟骨細(xì)胞的分化和軟骨基質(zhì)的合成具有雙重的調(diào)節(jié)作用，在骨形成過(guò)程中主要調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)骨礦化和骨重建。這些生長(zhǎng)因子之間互相影響，完成協(xié)同或拮抗的作用，彼此形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。目前，有大量研究表明，隨著年齡的增長(zhǎng)，上述細(xì)胞因子的功能也相應(yīng)降低，對(duì)骨代謝、骨重建的作用也隨著年齡的增長(zhǎng)而減弱[31-32]。由于骨組織中骨代謝相關(guān)因子的增齡性降低在骨組織衰老中可能存在著關(guān)鍵作用，但關(guān)于運(yùn)動(dòng)對(duì)骨代謝相關(guān)細(xì)胞因子影響的研究報(bào)道較少。

3.5骨代謝基因水平調(diào)控

家族性流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雙親骨折史與子女及旁系主要成員骨量之間存在明顯相關(guān)性，說(shuō)明正常人群峰值骨量及骨密度受遺傳因素調(diào)控。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，骨量及骨代謝及相關(guān)影響因素的分子生物學(xué)研究引起學(xué)術(shù)界關(guān)注，同時(shí)也為探討運(yùn)動(dòng)健骨的機(jī)制提供了研究思路。目前對(duì)于骨代謝相關(guān)的基因研究主要包括VDR等位基因、雌激素受體基因等。

3.6骨代謝各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相互關(guān)系

BMD是評(píng)價(jià)骨強(qiáng)度的一個(gè)最方便、最常用的指標(biāo)，并且BMD的高低也被作為診斷骨質(zhì)疏松的一項(xiàng)主要標(biāo)準(zhǔn)。與骨骼肌組織相比，骨屬于被動(dòng)的“應(yīng)變器官”，代謝速率較慢，應(yīng)變效果的驗(yàn)證主要借助在組織和器官水平上的骨組織形態(tài)學(xué)、BMD和骨生物力學(xué)變化。單純的骨量的高低也不能完全決定骨強(qiáng)度的好壞，其原因是：在骨量并無(wú)增加的情況下，骨亦會(huì)適應(yīng)載荷的要求發(fā)生結(jié)構(gòu)和形態(tài)改變，從而維持其力學(xué)性能，適量的載荷刺激能影響骨重建，增加或維持骨量。事實(shí)上，骨密度、骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)指標(biāo)和骨的生物力學(xué)性能有著密切的關(guān)系，骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化是引起骨生物力學(xué)性能變化的原因。骨代謝生化指標(biāo)能反映成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的活動(dòng)狀況，以及骨基質(zhì)和骨礦物質(zhì)的變化，是骨量和骨微觀結(jié)構(gòu)變化的先期條件，先于骨量和骨微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來(lái)，為評(píng)定體育鍛煉的效果和骨質(zhì)疏松癥的診斷及早期預(yù)防提供了無(wú)創(chuàng)性、靈敏和特異性的檢測(cè)方法。盡管目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)于分子生物學(xué)方面的研究也是剛剛起步，但為我們探討運(yùn)動(dòng)健骨的機(jī)制提供了研究思路。

以上指標(biāo)從各個(gè)不同的角度定量地反映模型動(dòng)物的變化以及程度如何，但這些指標(biāo)均有其局限性，需要綜合多種信息才能得到確實(shí)的情況判斷。在運(yùn)動(dòng)骨代謝動(dòng)物模型評(píng)價(jià)指標(biāo)中，骨量、骨生物力學(xué)性能和骨組織顯微結(jié)構(gòu)變化是不可缺少的。

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[編輯：鄭植友]