《BONE》| 生命早期不同類型運動對去卵巢小鼠骨微結構的影響

絕經后骨質疏松癥是一種發生在女性絕經后的骨骼疾病，表現為骨質流失和骨骼功能退化。研究發現，青少年時期的運動不僅可提高峰值骨量，促進骨健康，還可降低中老年時期的骨折風險并減少骨質疏松癥的發生。因此，明確青少年時期不同運動方式對絕經后骨質疏松癥的預防作用對于骨質疏松癥的防治及運動干預方案的制定具有重要意義。

近期，廣州體育學院運動生化團隊翁錫全教授與元宇教授課題組聯合華南師范大學劉承宜教授課題組在《BONE》（中科院二區TOP期刊）上發表題為“The Effects of Different Forms of Exercise During the Early Life on the Bone Microstructure of Ovariectomized Mice”的研究論文(Y et al. 2024)。該研究發現，生命早期（青少年時期）的運動對骨骼健康具有長期有益的影響。所有四種生命早期運動均可延緩因雌激素減少而導致的骨質流失，并在不同程度上改善骨微結構，其中抗阻運動和振動訓練顯示出更優越的保護效益。廣州體育學院碩士研究生王宇軒與張珂萍為共同第一作者，廣州體育學院運動與健康學院元宇教授與翁錫全教授以及華南師范大學劉承宜教授為論文的通訊作者。

該研究通過對生長期小鼠進行8周不同形式的運動干預，包括爬梯（R）、跑臺訓練（T）、聯合訓練（RT）和全身振動（WBV），觀察去卵巢22周后小鼠骨微結構的變化，探究生長期不同形式運動抵抗去卵巢小鼠骨微結構退化的效果（圖1A）。

在8周的運動干預后，進行在體microCT掃描并三維重建和定量分析。測量結果顯示，RT組的骨密度顯著高于C組。R、T和V組的平均骨小梁密度也較C組（安靜組）有所增加，RT組主要促進了BV/TV和Tb.Th的改善，而其他運動組和WBV組主要表現為BV/TV的增加和骨微結構排列的優化(圖1C,D)。

圖1. 生長期運動對骨微結構的影響。(A)實驗操作流程圖（由Figdraw制作）。(B)運動期間小鼠體重變化趨勢。(C)不同組小鼠平均骨小梁密度的比較。(D)8周生長期運動后不同運動組小鼠骨小梁微結構形態參數的比較。(E)8周生長期運動后對照組C組與各運動組小鼠骨小梁空間形態參數的比較。

運動干預結束后進行去卵巢手術，摘除雙側去卵巢后小鼠休息22周，結果發現所有運動組的體重與OVX組相比均明顯降低（圖2A）。除SHAM組外，其他組小鼠的子宮均有不同程度的萎縮，R組和RT組的子宮重量與OVX組相比略有增加（圖2B,C）。與SHAM組相比，OVX組小鼠尿液中Ca和Ca/Cr，P和Cr的濃度也顯著增加。與OVX組相比，運動組小鼠尿液生化指標的濃度也發生了不同程度的變化。R組的Ca濃度和Ca/Cr顯著降低，T組的P濃度顯著降低，RT組的Ca濃度和Ca/Cr顯著低于OVX組，V組的Ca濃度、P濃度和Ca/Cr也顯著降低（圖2D）。

圖2. 生長期運動對去卵巢小鼠子宮重量和鈣磷代謝的影響。(A)去卵巢后不同組小鼠體重變化趨勢。(B)樣本收集時小鼠子宮的圖像。(C)8周生長期運動對去卵巢后22周小鼠子宮濕重的影響。(D)8周生長期運動對去卵巢后22周小鼠尿生化指標的影響。

如圖3A所示，OVX組的股骨濕重顯著低于SHAM組，所有運動組的股骨濕重均高于OVX組。OVX組的股骨濕重/體重比率顯著低于SHAM組。所有運動組的股骨濕重/體重比率均顯著高于OVX組(圖3B)。與SHAM組相比，OVX組在最大載荷、屈服應力、彈性模量和斷裂撓度等方面表現出不同程度的降低。各運動組均在一定程度上改善去卵巢小鼠的骨生物力學特性，其中RT組的彎曲模量較OVX組顯著增加(圖3C,D)。

圖3. 生長期運動對去卵巢小鼠生物力學性能的影響。(A)8周生長期運動對去卵巢后22周小鼠股骨重量的影響。(B)生長期生命中8周運動干預對去卵巢后22周小鼠股骨重量/體重的影響。(C) 股骨三點彎曲實驗代表圖。(D) 生長期運動干預對去卵巢后22周小鼠骨生物力學指標的影響。

相對SHAM組，OVX組皮質骨密度及厚度顯著降低，各個運動組的皮質骨密度均高于OVX組（圖4）。

圖4. 生長期運動對去卵巢小鼠皮質骨的影響。(A) 各組小鼠股骨皮質骨的Micro-CT三維重建。(B) 生長期運動對去卵巢后22周小鼠皮質骨密度（BMD）的影響。(C) 生長期運動對去卵巢后22周小鼠皮質骨厚度的影響。

從骨小梁的三維結構可看出，SHAM組小鼠骨小梁均勻分布，緊密排列，形態結構完整，形成相互連接的網絡，未觀察到明顯的斷裂。OVX組小鼠骨小梁結構嚴重退化，骨小梁分離度增加，數量顯著減少。在R、T、RT和V組中，骨小梁分離度減少，骨小梁數量明顯增加。提示不同類型的運動能夠不同程度地緩解骨微結構的退化。（圖5）

圖5. 生長期運動對去卵巢小鼠骨小梁的影響。(A)各組小鼠股骨遠端松質骨的Micro-CT三維重建。(B)各組小鼠股骨遠端的H&E染色。(C)生長期運動對去卵巢后22周小鼠骨密度（BMD）的影響。(D)8周生長期運動對去卵巢后22周小鼠骨小梁微結構形態指標的影響。(E)8周生長期運動對去卵巢后22周小鼠骨小梁空間形態指標的影響

RT-qPCR結果顯示，與OVX組相比，各運動組小鼠的骨生成相關因子ALP和Osx的表達上調，其中V組小鼠的ALP表達顯著高于OVX組。同時，運動組小鼠的骨吸收因子NFATc1和Ctsk的表達呈下降趨勢。特別是，RT組、V組和R組的Ctsk表達顯著降低，并且Fgf23在R組、T組和V組中顯著降低。與OVX組相比，所有運動組的成骨相關因子Opn、Osx和Wnt10b的蛋白表達均有所增加(圖6A)。

值得注意的是，V組小鼠的Osx蛋白表達顯著升高，而R組小鼠的Wnt10b和Opn蛋白表達顯著高于OVX組，并且與其他運動組相比顯著增加。此外，R組的β-catenin表達顯著高于OVX組與其他運動組。通過評估其磷酸化水平，R組的β-catenin穩定性最佳，提示抗阻訓練可能通過激活Wnt/β-catenin信號通路促進骨形成，從而緩解去卵巢誘發的骨質疏松癥(圖6B,C)。

圖6. 生長期運動對骨組織成骨因子和破骨相關因子的影響。(A)8周生長期運動對去卵巢后22周小鼠骨組織中成骨或破骨相關因子mRNA水平的影響。(B-C)成骨因子的蛋白表達水平。

綜上，該研究證明生命早期（青少年時期）不同形式的運動均可緩解小鼠去卵巢誘發的骨質疏松，其中抗阻訓練和振動訓練在促進骨形成及抑制骨吸收方面表現出更優越的效果。這也進一步證實了生命早期運動對骨骼健康的具有長期的促進效應，對中老年階段的骨量流失起到一定的預防作用。

參考文獻：

Y, Wang, Zhang K, Gao W, Lin H, Li T, Liu TCY, Weng X, and Yuan Y. 2024. 'The effects of different forms of exercise during the early life on the bone microstructure of ovariectomized mice', Bone: 117364.