《BONE》| 生命早期不同类型运动对去卵巢小鼠骨微结构的影响

绝经后骨质疏松症是一种发生在女性绝经后的骨骼疾病，表现为骨质流失和骨骼功能退化。研究发现，青少年时期的运动不仅可提高峰值骨量，促进骨健康，还可降低中老年时期的骨折风险并减少骨质疏松症的发生。因此，明确青少年时期不同运动方式对绝经后骨质疏松症的预防作用对于骨质疏松症的防治及运动干预方案的制定具有重要意义。

近期，广州体育学院运动生化团队翁锡全教授与元宇教授课题组联合华南师范大学刘承宜教授课题组在《BONE》（中科院二区TOP期刊）上发表题为“The Effects of Different Forms of Exercise During the Early Life on the Bone Microstructure of Ovariectomized Mice”的研究论文(Y et al. 2024)。该研究发现，生命早期（青少年时期）的运动对骨骼健康具有长期有益的影响。所有四种生命早期运动均可延缓因雌激素减少而导致的骨质流失，并在不同程度上改善骨微结构，其中抗阻运动和振动训练显示出更优越的保护效益。广州体育学院硕士研究生王宇轩与张珂萍为共同第一作者，广州体育学院运动与健康学院元宇教授与翁锡全教授以及华南师范大学刘承宜教授为论文的通讯作者。

该研究通过对生长期小鼠进行8周不同形式的运动干预，包括爬梯（R）、跑台训练（T）、联合训练（RT）和全身振动（WBV），观察去卵巢22周后小鼠骨微结构的变化，探究生长期不同形式运动抵抗去卵巢小鼠骨微结构退化的效果（图1A）。

在8周的运动干预后，进行在体microCT扫描并三维重建和定量分析。测量结果显示，RT组的骨密度显著高于C组。R、T和V组的平均骨小梁密度也较C组（安静组）有所增加，RT组主要促进了BV/TV和Tb.Th的改善，而其他运动组和WBV组主要表现为BV/TV的增加和骨微结构排列的优化(图1C,D)。

图1. 生长期运动对骨微结构的影响。(A)实验操作流程图（由Figdraw制作）。(B)运动期间小鼠体重变化趋势。(C)不同组小鼠平均骨小梁密度的比较。(D)8周生长期运动后不同运动组小鼠骨小梁微结构形态参数的比较。(E)8周生长期运动后对照组C组与各运动组小鼠骨小梁空间形态参数的比较。

运动干预结束后进行去卵巢手术，摘除双侧去卵巢后小鼠休息22周，结果发现所有运动组的体重与OVX组相比均明显降低（图2A）。除SHAM组外，其他组小鼠的子宫均有不同程度的萎缩，R组和RT组的子宫重量与OVX组相比略有增加（图2B,C）。与SHAM组相比，OVX组小鼠尿液中Ca和Ca/Cr，P和Cr的浓度也显著增加。与OVX组相比，运动组小鼠尿液生化指标的浓度也发生了不同程度的变化。R组的Ca浓度和Ca/Cr显著降低，T组的P浓度显著降低，RT组的Ca浓度和Ca/Cr显著低于OVX组，V组的Ca浓度、P浓度和Ca/Cr也显著降低（图2D）。

图2. 生长期运动对去卵巢小鼠子宫重量和钙磷代谢的影响。(A)去卵巢后不同组小鼠体重变化趋势。(B)样本收集时小鼠子宫的图像。(C)8周生长期运动对去卵巢后22周小鼠子宫湿重的影响。(D)8周生长期运动对去卵巢后22周小鼠尿生化指标的影响。

如图3A所示，OVX组的股骨湿重显著低于SHAM组，所有运动组的股骨湿重均高于OVX组。OVX组的股骨湿重/体重比率显著低于SHAM组。所有运动组的股骨湿重/体重比率均显著高于OVX组(图3B)。与SHAM组相比，OVX组在最大载荷、屈服应力、弹性模量和断裂挠度等方面表现出不同程度的降低。各运动组均在一定程度上改善去卵巢小鼠的骨生物力学特性，其中RT组的弯曲模量较OVX组显著增加(图3C,D)。

图3. 生长期运动对去卵巢小鼠生物力学性能的影响。(A)8周生长期运动对去卵巢后22周小鼠股骨重量的影响。(B)生长期生命中8周运动干预对去卵巢后22周小鼠股骨重量/体重的影响。(C) 股骨三点弯曲实验代表图。(D) 生长期运动干预对去卵巢后22周小鼠骨生物力学指标的影响。

相对SHAM组，OVX组皮质骨密度及厚度显著降低，各个运动组的皮质骨密度均高于OVX组（图4）。

图4. 生长期运动对去卵巢小鼠皮质骨的影响。(A) 各组小鼠股骨皮质骨的Micro-CT三维重建。(B) 生长期运动对去卵巢后22周小鼠皮质骨密度（BMD）的影响。(C) 生长期运动对去卵巢后22周小鼠皮质骨厚度的影响。

从骨小梁的三维结构可看出，SHAM组小鼠骨小梁均匀分布，紧密排列，形态结构完整，形成相互连接的网络，未观察到明显的断裂。OVX组小鼠骨小梁结构严重退化，骨小梁分离度增加，数量显著减少。在R、T、RT和V组中，骨小梁分离度减少，骨小梁数量明显增加。提示不同类型的运动能够不同程度地缓解骨微结构的退化。（图5）

图5. 生长期运动对去卵巢小鼠骨小梁的影响。(A)各组小鼠股骨远端松质骨的Micro-CT三维重建。(B)各组小鼠股骨远端的H&E染色。(C)生长期运动对去卵巢后22周小鼠骨密度（BMD）的影响。(D)8周生长期运动对去卵巢后22周小鼠骨小梁微结构形态指标的影响。(E)8周生长期运动对去卵巢后22周小鼠骨小梁空间形态指标的影响

RT-qPCR结果显示，与OVX组相比，各运动组小鼠的骨生成相关因子ALP和Osx的表达上调，其中V组小鼠的ALP表达显著高于OVX组。同时，运动组小鼠的骨吸收因子NFATc1和Ctsk的表达呈下降趋势。特别是，RT组、V组和R组的Ctsk表达显著降低，并且Fgf23在R组、T组和V组中显著降低。与OVX组相比，所有运动组的成骨相关因子Opn、Osx和Wnt10b的蛋白表达均有所增加(图6A)。

值得注意的是，V组小鼠的Osx蛋白表达显著升高，而R组小鼠的Wnt10b和Opn蛋白表达显著高于OVX组，并且与其他运动组相比显著增加。此外，R组的β-catenin表达显著高于OVX组与其他运动组。通过评估其磷酸化水平，R组的β-catenin稳定性最佳，提示抗阻训练可能通过激活Wnt/β-catenin信号通路促进骨形成，从而缓解去卵巢诱发的骨质疏松症(图6B,C)。

图6. 生长期运动对骨组织成骨因子和破骨相关因子的影响。(A)8周生长期运动对去卵巢后22周小鼠骨组织中成骨或破骨相关因子mRNA水平的影响。(B-C)成骨因子的蛋白表达水平。

综上，该研究证明生命早期（青少年时期）不同形式的运动均可缓解小鼠去卵巢诱发的骨质疏松，其中抗阻训练和振动训练在促进骨形成及抑制骨吸收方面表现出更优越的效果。这也进一步证实了生命早期运动对骨骼健康的具有长期的促进效应，对中老年阶段的骨量流失起到一定的预防作用。

参考文献：

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.