研究目的高脂饮食导致的肥胖可使骨密度降低、骨微结构被破坏、骨强度降低等,进而可导致骨质疏松症的发生。雄激素在男性骨骼生长、峰值骨量获得以及骨量的维持方面起重要作用,而雄激素水平降低与骨质疏松症的发生密切相关。雄激素主要通过与雄激素受体(androgen receptor,AR)结合发挥其生物学功能。运动一方面能上调雄激素/AR水平,另一方面能增加骨密度、改善骨结构,从而增强骨强度,是预防和治疗骨质疏松症的有效方法。然而,其作用机制仍未完全阐明。在本课题组前期研究发现肥胖雄性大鼠血清睾酮水平显著降低的基础上,本研究采用给成年雄性小鼠做去势手术或颈部包埋AR拮抗剂氟他胺的方法,分别建立雄激素缺乏和AR阻断的小鼠模型,喂以高脂饮食合并/不合并6周运动干预,以探讨雄激素/AR在运动调控高脂饮食小鼠骨密度和骨生物力学性能中的作用和机制。该研究将为运动增强高脂饮食小鼠的骨密度和骨生物力学性能提供合适的运动方案和理论依据。研究方法42只雄性C57BL/6小鼠(6周龄)随机分为普通饮食组(C,n=6)和高脂饮食组(HFD,n=36)。普通饮食组小鼠喂以普通饲料,高脂饮食组小鼠高脂饲料喂养8周后,再随机分为6组:高脂对照组(HFD,n=6)、高脂+运动组(HFD+E,n=6)、高脂+去势组(HFD+Cas,n=6),高脂+去势+运动组(HFD+Cas+E,n=6)、高脂+氟他胺组(HFD+F,n=6)、高脂+氟他胺+运动组(HFD+F+E,n=6)。其中,HFD+E、HFD+Cas+E、HFD+F+E在去势术或氟他胺包埋术结束两周后,进行6周中等强度的跑台运动干预。训练结束后36 h麻醉处死小鼠,取双侧胫骨和股骨,电子天平和游标卡尺分别测量骨的湿重和长度;Micro-CT重建三维空间结构,软件计算获得BMD(bone mineral density)、BV/TV(bone volume/total volume)、Tb.N(trabecular number)、Tb.Th(trabecular thickness)、Con.D(connectivity density))、SMI(structure model index)、Tb.Sp(trabecular separation)、Ct.Th(cortical thickness)。三点弯曲法检测最大载荷、断裂载荷、弯曲强度和弹性模量等生物力学性能相关指标;Western blot检测AR、IGF-1、IGF-1R蛋白表达水平。研究结果1.运动对高脂饮食小鼠骨密度和骨生物力学性能的影响(1)运动增加高脂饮食小鼠骨湿重与C组相比,HFD组小鼠股骨和胫骨湿重显著降低(p<0.01,p<0.01);与HFD组相比,HFD+E组小鼠股骨和胫骨湿重显著增加(p<0.01,p<0.05)。对于股骨和胫骨长度,各组之间没有显著性差异。(2)运动改善高脂饮食小鼠松质骨和皮质骨结构与C组相比,HFD组小鼠松质骨BV/TV、Tb.N和Con.D显著降低(p<0.01,p<0.01,p<0.05),SMI和Tb.Sp显著增加(p<0.05,p<0.01);与HFD组相比,HFD+E组小鼠BV/TV、Tb.N和Con.D显著增加(p<0.01,p<0.01,p<0.01),Tb.Sp显著降低(p<0.01)。对于皮质骨,与C组相比,HFD组小鼠BV/TV和Ct.Th未出现显著性差异;与HFD组相比,HFD+E组小鼠BV/TV和Ct.Th显著增加(p<0.05),p<0.05)。(3)运动提高高脂饮食小鼠骨生物力学性能与C组相比,HFD组小鼠Tv BMD显著降低(p<0.01);与HFD组相比,HFD+E组小鼠Tv BMD、最大载荷、断裂载荷和弯曲强度显著增加(p<0.01,p<0.05,p<0.05,p<0.05);就弹性模量而言,各组之间没有显著性差异。2.雄激素在运动调控高脂饮食小鼠骨密度和骨生物力学性能中的作用和机制(1)雄激素缺乏部分逆转了运动对高脂饮食小鼠骨湿重的增加作用与HFD组相比,HFD+Cas组小鼠股骨和胫骨湿重显著降低(p<0.05,p<0.05);与HFD+Cas组相比,HFD+Cas+E组小鼠股骨和胫骨湿重显著增加(p<0.01,p<0.05);与HFD+E组小鼠相比,HFD+Cas+E组小鼠胫骨湿重显著降低(p<0.05),两组之间股骨湿重没有显著性差异;对于股骨和胫骨长度而言,各组小鼠之间均没有显著性差异。(2)雄激素缺乏减弱运动对高脂饮食小鼠松质骨和皮质骨结构的改善作用与HFD组相比,HFD+Cas组小鼠松质骨BV/TV、Tb.N和Con.D显著降低(p<0.01,p<0.01,p<0.01),Tb.Sp显著增加(p<0.01);与HFD+E组相比,HFD+Cas+E组小鼠BV/TV、Tb.N和Con.D显著降低(p<0.01,p<0.01,p<0.01),Tb.Sp显著增加(p<0.01);各组之间Tb.Th和SMI没有显著性差异。对于皮质骨,与HFD组相比,HFD+Cas组小鼠Ct.Th显著降低(p<0.01);与HFD+E组相比,HFD+Cas+E组小鼠BV/TV和Ct.Th显著降低(p<0.01,p<0.01)。(3)雄激素缺乏降低运动对高脂饮食小鼠骨密度和骨生物力学性能的提高作用与HFD组相比,HFD+Cas组小鼠Tv BMD显著降低(p<0.01);与HFD+Cas组相比,HFD+Cas+E组小鼠Tv BMD显著增加(p<0.01);与HFD+E组相比,HFD+Cas+E组小鼠Tv BMD、最大载荷和断裂载荷显著降低(p<0.01,p<0.05,p<0.05)。(4)雄激素在运动调控高脂饮食小鼠骨密度和生物力学性能的作用机制-AR介导的IGF-1和IGF-1R通路?与HFD组小鼠相比,HFD+E组小鼠AR、IGF-I和IGF-1R蛋白表达水平显著增加(p<0.01,p<0.05,p<0.05);与HFD+E组相比,HFD+Cas+E组小鼠AR、IGF-1和IGF-1R蛋白表达水平显著降低(p<0.05,p<0.05,p<0.01)。3.AR在运动提高高脂饮食小鼠骨密度和骨生物力学性能中的作用和机制(1)AR阻断剂氟他胺减弱运动对高脂饮食小鼠骨湿重的增加作用与HFD组相比,HFD+F组小鼠股骨湿重显著降低(p<0.01);与HFD+F组相比,HFD+F+E组小鼠股骨和胫骨湿重显著增加(p<0.01,p<0.05),各组之间股骨和胫骨长度未出现显著性差异。(2)AR阻断剂氟他胺降低运动对高脂饮食小鼠松质骨和皮质骨结构的改善作用与HFD组相比,HFD+F组小鼠松质骨Con.D显著降低(p<0.01),SMI显著增加(p<0.01);与HFD+E组相比,HFD+F+E组小鼠BV/TV、Tb.N和Con.D显著降低(p<0.01,p<0.01,p<0.01),SMI和Tb.Sp显著增加(p<0.01,p<0.01)。对于皮质骨,与HFD+E组相比,HFD+F+E组各指标两组之间均无显著性差异。(3)AR阻断剂氟他胺减弱了运动对高脂饮食小鼠骨密度(而非骨生物力学性能)的改善作用与HFD+E组相比,HFD+F+E组小鼠Tv BMD显著降低(p<0.01),但最大载荷、断裂载荷、弯曲强度和弹性模量无显著性差异。(4)AR在运动调控高脂饮食小鼠骨密度和骨生物力学性能中的作用机制-IGF-1和IGF-1R的作用?与HFD组相比,HFD+E组小鼠AR、IGF-1和IGF-1R蛋白表达水平显著增加(p<0.05,p<0.05,p<0.05);与HFD+E组相比,HFD+F+E组小鼠AR和IGF-1R蛋白表达水平显著降低(p<0.05,p<0.05)。研究结论1.中等强度跑台运动能改善高脂饮食小鼠松质骨和皮质骨的内部结构,增加其骨质量、骨密度和骨强度。2.雄激素及其受体AR在运动改善高脂饮食小鼠骨质量、骨密度和骨强度中发挥作用,且该作用很可能是通过上调骨的IGF-1/IGF-1R蛋白水平实现。