运动和药物干预对II型糖尿病大鼠血清骨代谢生化指标的影响

高海宁,常 波,柳 春

运动和药物干预对II型糖尿病大鼠血清骨代谢生化指标的影响

高海宁1,2,常 波2,柳 春1

(1.辽宁中医药大学基础医学院,辽宁沈阳110032;2.沈阳体育学院运动人体科学学院,辽宁沈阳110102)

目的:探讨有氧耐力运动和药物(二甲双胍)干预对糖尿病大鼠血清骨代谢生化指标的影响。方法:以59只雄性SD大鼠为研究对象,随机分为五组,正常饮食对照组(NC)、糖尿病对照组(DC)、糖尿病运动组(ET)、糖尿病药物组(DT)和糖尿病药物运动组(ETDT),除NC组用普通饲料喂养外,其余各组均用高脂饲料喂养,通过6周高脂高糖膳食并注射链脲佐菌素建立糖尿病模型后,ET组和ETDT组进行为期6周的游泳训练,DT组和ETDT组按体重灌胃6周二甲双胍。各组大鼠于第12周结束时取样,检测糖代谢相关指标:血糖、糖化血清蛋白与胰岛素,血清骨代谢生化指标:骨钙素、抗酒石酸酸性磷酸酶水平。结果:与NC组相比,DMC组体重、空腹血糖、胰岛素、糖化血清蛋白水平显著升高(P＜0.05,P＜0.01,P＜0.01),与DC组相比ET组、DT组和ETDT组空腹血糖、胰岛素、糖化血清蛋白有下降趋势,其中以ETDT组的下降具有统计学意义(P＜0.01,P＜0.01,P＜0.05);同时,与NC组相比,DC组血清抗酒石酸酸性磷酸酶水平显著升高(P＜0.01),骨钙素水平显著降低(P＜0.01);ETDT组与DC组相比血清骨钙素水平显著性升高(P＜0.01),而血清抗酒石酸酸性磷酸酶水平显著性降低(P＜0.01)。结论:有氧运动训练和药物干预均可改善大鼠骨代谢紊乱,其中运动结合药物组作用效果更好。

糖尿病;大鼠;骨代谢;有氧运动

糖尿病已成为发达国家中继心血管和肿瘤之后的第三大非传染性疾病,对社会和经济带来沉重的负担,是严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题。上个世纪50年代,就有报道说长期血糖控制不佳的糖尿病患者易发生骨质疏松。I型糖尿病引起骨量减少已较为肯定[1],II型糖尿病可引起骨量减少、不变或增加,结论迥然不同。II型糖尿病引起骨量变化的不同可能与糖尿病的病程、并发症以及药物的使用有关。有氧运动和药物干预是否能改善II型糖尿病骨代谢的状况,运动与药物结合能否对II型糖尿病的治疗起到联合增效的作用,相关报道甚少。本研究采用小剂量STZ诱导长期高脂膳食的SD大鼠,造II糖尿病动物模型,重点探讨运动联合药物(二甲双胍)对II型糖尿病大鼠血清糖代谢及骨代谢的影响,为揭示治疗II型糖尿病大鼠骨质疏松的机制提供实验依据。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

以6周龄的雄性SD大鼠(由中国人民解放军军事医学科学实验动物中心提供)为研究对象,分笼饲养,自由摄取饮水。适宜动物房温度及湿度。每天记录大鼠的摄食量,定期称体重。

1.2 实验方法

将SD大鼠其按体重随机分为五组,分别为正常饮食对照组(NC)、糖尿病安静组(DC)、糖尿病运动组(ET)、糖尿病药物组(DT)、糖尿病药物运动组(ETDT)。其中,正常饮食对照组实验过程中喂食普通饲料,各糖尿病组适应性普通饲料喂养1周后,给与高脂高糖饮食喂养6周,造肥胖模型,造模成功后给与注射链脲佐菌素造糖尿病模型,具体方法:给与高脂高糖饲料喂食组的大鼠腹腔注射小剂量(35mg/kg)的链脲佐菌素,注射后72h后尾部静脉取血,若血糖值不低于16.7mmol/L为II型糖尿病鼠造模成功,如果有血糖低于16.7mmol/L则继续注射链脲佐菌素,直至血糖值达到要求,成功造II型糖尿病模型。

糖尿病造模后对ET组和ETDT组进行为期6周的游泳训练,训练方案如下。第1周为适应性训练,大鼠开始一天游泳10min,后每天增加10min,直至一次运动时间不超过50min,每周运动6天,调整一天;适应期过后,每天运动两次,每次50min,中间间隔50min。造模后ET及ETDT组进行为期六周的游泳训练。动物泳池水温32℃～36℃,水深50m。

由于高血糖和药物及运动等多原因造成实验中大鼠死亡10只,最终采样时各组大鼠数量:NC组10只、DC组10只、ET 10只、DT组9只、ETDT组10只。动物末次运动结束后24h取材,禁食12h,大鼠按1.5/kg的剂量腹腔注射氨基甲酸乙酯麻醉,麻醉后腹腔静脉取血用来制备血清。血清收集:3 500rpm离心,10min,分离血清,置于深温冰箱内保存(-80℃),待检。实验主要指标的测定均在沈阳体育学院重点实验室内完成。

1.3 测试指标与方法

空腹血糖(GLU)采用血糖仪测定;血清胰岛素(Insulin)和骨钙素(BGP)采用放射免疫法测试,血清抗酒石酸酸性磷酸酶(TRACP)酶联免疫法测试,使用仪器为 RT-2100C型多功能酶标仪;糖化血清蛋白(GSP)采用果糖胺法测试,仪器为分光光度计,试剂盒购置与南京建成生物工程研究所。所有指标均专人测试,操作步骤严格按试剂盒要求进行。

1.4 数理统计法

用SPSS16.0统计软件包处理,所有数据用(¯x±s)表示,采用单因素方差分析方法统计。

2 实验结果

表1 各组大鼠体重

表1显示:糖尿病各组在注射STZ前体重均显著高于NC组,且已超过NC组的25%,达到肥胖的标准。施加干预后,DC组体重高于NC组(P＜0.05),ET组、DT组、ETDT组与DC组比,体重均有下降的趋势,只有ETDT组有统计学意义(P＜0.05),但体重仍未达到STZ注射前的水平。

由表2可见,DC组与NC组相比,血糖水平、糖化血清蛋白及胰岛素水平有显著升高(P＜0.01,P＜0.01,P＜0.01),ET组、DT组、ETDT组的血糖水平、糖化血清蛋白及胰岛素水平与DC组相比均有下降的趋势,其中ETDT组有统计学意义(P＜0.01,P＜0.05,P＜0.01)。ETDT组血糖水平、糖化血清蛋白及胰岛素水平与ET组比较显著下降(P＜0.05,P＜0.05,P＜0.05)。

表3 血清骨钙素及抗酒石酸酸性磷酸酶的变化情况

由表3可见,DC组与NC相比,血清骨钙素有显著性降低(P＜0.01),ET组、DT组及ETDT组血清骨钙素水平与DC组相比有上升的趋势,DT组及ETDT组升高趋势明显,有统计学差异(P＜0.01,P＜0.01)。ETDT组骨钙素水平与ET组比较显著升高(P＜0.05)。DC组与NC组相比,抗酒石酸酸性磷酸酶有显著升高(P＜0.01),ET组、DT组及ETDT组抗酒石酸酸性磷酸酶水平与DC组相比均有下降的趋势,只有 ETDT组降低趋势明显,且有统计学差异(P＜0.05)。DT组及ETDT组抗酒石酸酸性磷酸酶水平与ET组比较显著下降(P＜0.05,P＜0.05)。

3 分析与讨论

糖尿病作为一种慢性疾病,由此引起机体免疫力和防御机能下降而引发的各种并发症严重影响患者的生活质量。糖尿病骨质疏松就是其并发症之一[2]。骨质疏松最大危害是轻微外伤就会造成骨折,如何防治糖尿病性骨质疏松症,越来越成为人们关注的焦点。防治疾病的首要方法就是尽可能去找寻疾病的病因,从根本上防治疾病的发生。近年来,II型糖尿病对骨代谢的影响报道也不尽相同,II型糖尿病骨量变化可下降[3]、不变[4]或增加[5]。研究结果有如此大的差异的原因何在,值得深思。饮食疗法、药物疗法和运动疗法被称之为糖尿病治疗的三驾马车。运动与药物结合使用在糖尿病骨质疏松的治疗上是否能达到联合增效的效果,本研究为此在糖尿病大鼠糖代谢和骨代谢方面做了相关研究。

空腹血糖直接反映的是糖尿病病情变化,但易受血糖波动的影响,糖化血清蛋白则反映在过去1～2周内患者的平均血糖水平,不受血糖波动的影响,对糖尿病病情的监控更具有说服力。本研究结果显示,DC组与NC组相比,血糖水平、糖化血清蛋白及胰岛素水平有显著升高(P＜0.01,P＜0.01,P＜0.01),说明长时间的高糖高脂饮食,造成大鼠血糖升高,居高不下的血糖,刺激胰岛分泌更多的胰岛素,以便维持机体的能量的平衡。在长期的高胰岛素水平作用下,胰岛自身活性降低,对机体敏感性下降,耐受性升高,出现了胰岛素抵抗现象,于人类II型糖尿病的代谢特点相似。另外,ET组和DT组的血糖水平、糖化血清蛋白及胰岛素水平与DC组相比均有下降的趋势,但不具有统计学意义,而ETDT组明显下降(P＜0.05)。产生此结果的原因分析如下:1)单纯有氧运动干预方面:有氧耐力运动可以增加骨骼肌细胞运转和利用葡萄糖的能力,使更多的葡萄糖进入肌细胞,增加了糖原的合成和利用,从而降低血糖的水平,本研究ET组血糖出现降低趋势,但无统计学意义,可能与本实验有氧运动周期短有关,大鼠血糖等指标变化尚未显现出显著性改变。可以通过增长运动周期,丰富研究数据,寻求有效的运动干预的治疗方案;2)单纯药物干预方面:二甲双胍作为治疗糖尿病的主要药物之一,其作用机制主要是降低肝脏的葡萄糖产生和输出,增加外周组织如肌肉、脂肪等组织对胰岛素介导的葡萄糖摄取及对胰岛素的敏感性。本研究DT组血糖水平、糖化血清蛋白及胰岛素水平出现降低趋势,显著性不明显,可能与用药周期长短和剂量有关。3)联合干预方面:有氧耐力运动联合药物显著性降低血糖和胰岛素水平,说明联合干预效果优于单一作用因素的干预效果。与宁彩亭等在近期的研究结果一致,药物联合运动对II型糖尿病大鼠的治疗效果要好于任一单一因素的效果。

骨骼在不断地进行着骨重建,在骨表面重复进行骨吸收和骨形成,主要由破骨细胞和成骨细胞相互作用完成[6]。在正常成年人机体内,骨吸收和骨形成处于动态平衡状态,如果平衡被破坏,骨吸收大于骨形成,就可导致骨量的丢失,乃至发生骨质疏松。骨吸收活动是由破骨细胞介导[7]。破骨细胞内抗酒石酸酸性磷酸酶(TRACP)含量丰富。已有实验证明,血清中TRACP水平高低可反映体内骨吸收状态和破骨细胞活性,用于早期检测骨质降低骨折的风险作用。血清骨钙素则是骨形成过程中特异、灵敏的反应骨代谢瞬间变化的生化指标,是当前骨代谢研究的一个重要和灵敏的生化指标。当血清骨钙素升高时,骨转换增快,表现为骨形成大于骨吸收,有利于骨量的增加。II型糖尿病由于发病机制的异质性,其骨代谢和骨转换类型存在明显的不一致性,其骨量可表现为减少、正常甚至增加。本实验结果显示DC组与NC相比,血清抗酒石酸酸性磷酸酶有显著升高(P＜0.01),骨钙素有显著性降低(P＜0.01),说明长期高脂饮食容易造成大鼠高血糖发生的同时,也出现了骨代谢的异常,骨吸收大于骨形成。

有研究表明高糖高脂饮食所致的超重和肥胖在胰岛素抵抗的发生中起重要作用。也有报道提出肥胖对骨量具有保护作用。本研究中,各组大鼠体重变化结果显示,高脂饮食6周的糖尿病各组大鼠与普通饲料喂养的正常组大鼠比较,体重明显增加(P＜0.01),增重约25%。糖尿病各组大鼠体重在注射STZ后下降,但至实验结束时,体重仍未达到STZ注射前的水平。这是因为长期高糖高脂饮食诱导产生胰岛素抵抗,STZ注射后部分破坏大鼠胰腺β细胞,导致迅速出现高血糖、多尿等代谢紊乱症状,致使体重下降。施加干预后各糖尿病组体重虽有下降,但显著高于正常对照组体重,仍属于肥胖体质。为何本研究肥胖的II型糖尿病大鼠仍然出现骨代谢异常,原因分析如下:肥胖的II型糖尿病患者胰岛素分泌能力显著增强,但是其胰岛素敏感性同时也显著降低,最终结果是,血糖处置能力相当。高血糖可产生渗透性利尿,在尿中大量排出钙、磷、镁等物质,引起血清钙、磷浓度显著降低,使甲状旁腺素分泌增多,破骨细胞活性增强,钙磷动员增加,加重骨量丢失,出现骨代谢异常。

运动对骨的生长和重建是一种机械性刺激,可以增加骨量,维持合理的骨转换水平。Woitge等[8]研究显示,20名男青年分别进行了8周的有氧和无氧训练,发现有氧运动和无氧运动对骨代谢的作用效果不同,有氧运动可减少骨吸收,而无氧运动可能以加速骨转换为主,所以运动对骨转换的作用应取决于运动的类型。另有研究发现,12周龄的雌性大鼠经12周负重(负体重的2%)游泳训练后,肱骨和胫骨 BMD、BMC、骨重量及骨离子含量(Ca、P、Mg、Zn)均较对照组显著增高(P＜0.05)。研究表明,适宜强度的游泳运动不仅能促进大鼠骨的生长发育,而且能促进大鼠骨量的积累。本实验选中小等强度的有氧耐力运动,对ET组进行为期6周的运动干预,结果显示运动干预可以使ET组抗酒血清石酸酸性磷酸酶有降低趋势,骨钙素水平升高趋势,但差异不显著(P＞0.05)。提示小强度的游泳训练统计学没有显著差异,不能确定有氧运动对骨代谢有作用,分析游泳运动减轻了体重对骨应力的刺激作用。以上作用结果不显著可能与运动周期长短有关,可以增长运动周期,获得更多运动有效改善骨代谢作用的资料。

有报道认为,II型糖尿病患者骨钙量丢失很大程度还与口服降糖药有关。Schwartz等报道,女性糖尿病患者骨量丢失的增加与口服嚷哇烷二酮类降糖药有关。动物实验也表明唆哇烷二酮类药物会引起骨量减少。二甲双肌类药物则与糖尿病患者的骨折风险增高无关。cortizo等[9]研究发现二甲双胍能够诱导成骨细胞生长和分化,同时具有增加细胞外基质矿化的能力。vestergard的一项回顾性研究结果表明二甲双胍能减少I型和II型糖尿病患者骨折的发生率[10],提示二甲双胍可能对骨组织有保护作用。本研究中DT组血清抗酒石酸酸性磷酸酶与DC组和ET组比较显著降低(P＜0.01,P＜0.05),骨钙素水平有升高趋势。证明了二甲双胍可以减少骨吸收、骨量丢失,从而改善II型糖尿病患者骨代谢状态。二甲双胍的作用机制可能是刺激胶原合成、矿物质盐的沉积,促进成骨细胞增生有关。

本实验结果显示ETDT组较DC组及ET组,抗酒石酸酸性磷酸酶水平显著性降低(P＜0.01,P＜0.05),血清骨钙素水平明显升高(P＜0.01,P＜0.05)。药物联合运动能够有效改善糖尿病大鼠胰岛β细胞功能,促进胰岛素分泌;改善糖尿病机体的胰岛素抵抗状态,促进成骨细胞生成和活性,并提高骨形成和转换率;减弱破骨细胞的活动性,减缓骨质丢失乃至骨质疏松的发生。运动联合药物综合干预组作用效果最明显。

4 结论

高脂膳食结合小剂量STZ诱导的II型糖尿病大鼠出现糖代谢和血清骨代谢异常,6周单纯的游泳训练和二甲双胍对改善II型糖尿病的糖代谢和骨代谢作用不大,而两者联合干预可有效缓解II型糖尿病大鼠的胰岛素抵抗和血清骨代谢的异常。

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Effects of Exercise Combined with Drug Intervention on Serum Makers of Bone Metabolism in Type 2 Diabetic Rats

GAO Haining1,2,CHANG Bo2,LIU Chun1
(1.School of Basic Medical Sciences,Liaoning University of Traditional Chinese Medicine,Shenyang 110032,Liaoning,China;2.School of Human Exercise Science,Shenyang Sport University,Shenyang 110102,Liaoning,China)

Objective:To investigate the effects of a combined aerobic endurance exercise and drug(metformin)intervention on biochemical markers of serum bone metabolism in diabetic rats.Methods:A total of 59 male SD rats were used as research objects and were randomly divided into five groups:normal diet control(NC)group,diabetic control(DC)group,exercise-trained(ET)group,drug-treated(DT)group and exercise training plus drug treatment(ETDT)group.Apart from NC group of rats fed on normal food,other groups of rats were all fed on a high fat diet for six weeks with streptozotocin injection in building diabetes model.Rats in both ET group and ETDT group were given six weeks of swimming training and rats in DT group and ETDT group were administered intragastrically with Met in body weight for six weeks after diabetic model was established.At the end of 12 weeks,rats from each group were assigned for specimen harvest and underwent the detection of related indicators of carbohydrate metabolism which include plasma glucose concentration,glycosylated serum protein and serum insulin concentration,and serum makers of bone metabolism including osteocalcin and tartrateresistant acid phosphatase levels.Results:Compared with NCgroup,diabetic control rats had significantly increased the levels of body weight,insunlin,fasting blood-glucose and glycated serum protein in DC Group(P＜0.05,P＜0.01,P＜0.01),compared with those of DC group,a downward trend was obtained for the levels of body weight,insunlin,fasting blood-glucose and glycated serum protein in the ET group,DT group and ETDT group,and the decline was statistically significant for the ETDT group(P＜0.01,P＜0.01,P＜0.05).At the same time,a dramatically decreased(P＜0.01)level of serum tartrate-resistant acid phosphatase and increased(P＜0.01)level of osteocalcin were observed with DC group rats when compared to those index of NC group rats;besides a significantly increased(P＜0.01)level of serum osteocalcin andreduced(P＜0.01)level of serum tartrate-resistant acid phosphatase were observed with diabetic rats in DC group when compared to those makers of diabetic rats in ETDT group.Conclusion:Both aerobic exercise training and drug therapy can improve disorder of bone metabolism in rats but aerobic exercise training combined drug treatment proved to be much more effective than either approach alone.

diabetes mellitus;rat;bone metabolism;aerobic exercise

G804.7

A

1004-0560(2013)03-0077-04

2013-02-14;

2013-03-23

辽宁省教育厅科学技术研究项目:耐力训练和药物对2型糖尿病大鼠骨生物力学及骨髓瘦素、瘦素受体蛋白表达影响的研究(编号:L2011202);2011年辽宁省高等学校优秀人才支持计划(wr2011012)。

高海宁(1979-),女,讲师,博士研究生,主要研究方向为运动生理学。

柳 春(1963-),女,教授,博士生导师,主要研究方向为中医药对脏腑功能调控作用的信号转导机制研究,Email:liuchun5@yahoo.com.cn。

责任编辑:乔艳春