尾部悬吊大鼠恢复期腰椎骨骨质和生物力学特性的变化
作者：万玉民 崔伟 张曼夫 刘跃 谢力勤
单位：万玉民 崔伟 刘跃 谢力勤(100094 北京，北京航天医学工程研究所第十三研究室)；张曼夫(100094 北京，中国农业大学生物学院)
关键词：失重模拟；恢复期；骨矿质含量；生物力学
中华航空航天医学杂志000210 【摘要】 目的 观察模拟失重大鼠腰椎骨骨质和生物力学特性在恢复期的变化。方法 选用7周龄雄性Wistar大鼠，随机分为6组，1组尾吊21 d；1组尾吊21 d后解悬7 d；1组尾吊21 d后解悬21 d；其余3组为对照组。实验结束后测定第三腰椎骨(L3)的矿盐含量、骨钙素浓度及生物力学指标。结果 大鼠L3矿盐含量、载荷能力、应力水平、强度及硬度等在尾吊21 d均有非常显著性意义的降低(P<0.01)，解悬7 d后未见明显变化，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照水平(P<0.01)；骨钙素含量在整个实验过程中均显著低于对照水平(P<0.05)；横截面积在尾吊后下降有显著性意义(P<0.01)，但解悬21 d已恢复至正常对照水平。结论 模拟失重致大鼠L3矿盐含量及生物力学性能下降，且在短时间内不易恢复。
, http://www.100md.com
【中国图书资料分类法分类号】 R852.22
Changes of mass and biomechanical properties of lumbar vertebra in rats following tail suspension and during convalescence
WAN Yumin, CUI Wei, ZHANG Manfu, et al.
(Institute of Space Medico-Engineering, Beijing 100094, China)
【Abstract】 Objective To observe changes of mass and biomechanical properties of lumbar vertebra in rats following tail-suspension and after different periods of recovery. Methods The 7-week-old male Wistar rats were randomly divided into 6 groups. Group A underwent tail suspension for 21 d, group B and group C were reloaded for 7 d and 21 d after tail suspension for 21 d, the rest 3 groups served as controls. Mineral content, BGP content and biomechanical quota of the third lumbar vertebra (L3) of the experimental and control groups were determined and compared. Results Mineral content, loading capability, stress, strength and rigidity of the third lumbar vertebra in rats immediately after tail suspersion for 21 d were decreased significantly (P<0.01) as compared with controls and didn't change obviously after reloading for 7 d. After reloading for 21 d, there was trend of recovery but still obviously lower than those of controls (P<0.01). Serum BGP levels of experimental groups were lower than those of controls during the whole process of experiment (P<0.05). Cross-sectional area of L3 was decreased significantly (P<0.01) after unloading for 21 days but recovered to control level after reloading for 21 d. Conclusion Mineral content and biomechanics of L3 were lowered in rats underwent simulated weightlessness, and can't recover in a short time.
, 百拇医药
【Key Words】 Weightlessness simulation; Convalescence; Bone mineral content; Biomechanics
微重力条件下骨矿盐丢失与再分布是航天医学研究中的重要内容[1]，国内外学者用后肢去负荷模型对模拟失重状态下骨质的变化进行了大量的研究，但去负荷后再负荷时(恢复期)的报道较少[2]。研究恢复期的骨质变化不仅可确定骨矿盐含量及生物力学性质何时恢复至正常对照水平，而且对于了解骨骼在负荷发生变化时一系列程序性应答的机理是有帮助的。因为正常体位时大鼠第三腰椎(the third
lumbar vertebra, L3)的骨再建类型与人类相似[3]，而且L3在大鼠体内处于运动范围最小的状态，受与运动有关的骨再建影响较小，故能比较好地反映模拟失重后恢复期骨质变化情况而排除其它因素的影响。本实验在观察尾吊21 d引起的大鼠L3骨质及生物力学变化的基础上，着重考察了解悬7 d和21 d时的恢复期变化情况，从而为研究空间骨丢失及其防护的机理提供参考。
, 百拇医药
材料和方法
一、材料
选用Wistar雄性大鼠59只(北京医科大学实验动物中心提供)，体重(120±10) g，经5 d适应性饲养后随机分组：悬吊组大鼠尾悬吊21 d；恢复7 d组，大鼠尾悬吊21 d后解悬自由活动7 d；恢复21 d组，大鼠尾悬吊21 d后解悬自由活动21 d。以上3组各设同期自由活动对照组，共6组。动物笼养，自由进食进水。
二、方法
1.取材：动物于实验结束后断头处死，取出L3椎骨，去除附着的软组织，用浮力法计算椎骨体积并测量其高度以计算横截面积。
2.标本制备：按Lis Masekidle法[4]处理L3。将L3棘突、横突和关节软骨去除，注意保护椎体外皮质壳免于损害，因为它对椎骨力学性能有重要影响。将椎体制做成具有平行末端的约4 mm高的圆柱体。这样的标本去除了软骨生长板和初级松质骨，仅由中心的小梁骨和外围的皮质壳组成。
, 百拇医药
3.力学实验：将标本置于材料试验机上进行压缩力学实验，加载速度为2 mm/min，同时记录载荷-变形曲线。计算最大载荷、弹性载荷、弹性桡度、最大应力、弹性应力、弹性模量、弹性应变、最大强度、弹性强度和硬度等指标[5]。
4.生化测定：取大鼠L3的一部分，放入10 ml离心管内，加入2.5 ml 0.5 mmol/L的乙二胺四乙酸溶液(内含蛋白酶抑制剂PMSF 0.1 mmol/L，叠氮钠0.1 mmol/L，pH 7.0)，4℃振动脱钙72 h，制备成匀浆后4 000 g离心15 min，取上清测定骨钙素。骨钙素测定采用中国原子能科学研究院同位素研究所提供的125I放免试剂盒。其余部分放入烤箱，105℃烤干至恒重后称量为干重；烤干后的样品放入灰化炉，650℃灰化36 h，取出称量为灰分重量。矿盐含量为灰分重量与干重之比。
5.数据处理：实验数据以
±s表示，两组数据比较用团体t检验。
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结果
一、大鼠L3矿盐含量及骨钙素含量
大鼠L3矿盐含量在悬吊21 d后有非常显著性意义的降低(P<0.01)，解悬7 d后未见变化，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照组(P<0.05)。骨钙素含量在悬吊21 d后降低有显著性意义(P<0.05)，并且在整个恢复期中未见明显变化(表1)。
二、大鼠L3最大载荷、弹性载荷、弹性桡度和横截面积
大鼠L3的最大载荷和弹性载荷在尾吊21 d后有非常显著性意义的降低(P<0.01)，解悬7 d后未见变化，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照组(P<0.01)。横截面积在尾吊21 d后降低有显著性意义(P<0.01)，解悬7 d后未见变化，解悬21 d后恢复至对照组水平。弹性桡度在整个实验过程中的变化趋势与最大载荷类似，但无统计学意义(表2)。
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表1 大鼠L3矿盐及骨钙素含量(±s)
Tab 1 Mineral and BGP contents of L3 in rats(±s) 组别
Groups
例数
n
矿盐含量(%)
Mineral content(%)
骨钙素含量(ng/mg)
, 百拇医药
BGP content(ng/mg)
对照组A
Control of group A
10
50.59±0.58
0.787±0.194
A悬吊组
Group A (tail-suspension)
10
48.13±2.06**
0.653±0.116*
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对照组B
Control of group B
10
52.65±1.33
0.855±0.272
B恢复7天组
Group B (reloading for 7 d)
10
47.46±2.48**
0.568±0.186*
对照组C
, http://www.100md.com
Control of group C
10
51.24±1.41
0.768±0.288
C恢复21天组
Group C (reloading for 21 d)
9
49.16±1.77*
0.448±0.156**
与相应对照组相比,*P<0.05,**P<0.01
, 百拇医药
As compared with its control group,*P<0.05,**P<0.01
三、大鼠L3最大应力、弹性应力、弹性模量和弹性应变
大鼠L3最大应力、弹性应力和弹性模量在尾吊21 d后有非常显著意义的降低(P<0.01)，解悬7 d后未见变化，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照组(P<0.05)。弹性应变在整个实验过程中未见明显变化(表3)。
四、大鼠L3最大强度、弹性强度和硬度
大鼠L3最大强度、弹性强度和硬度在尾吊21 d后有非常显著意义的降低(P<0.01)，解悬7 d后未见变化，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照组(P<0.05)(表4)。
, 百拇医药
表2 大鼠L3最大载荷、弹性载荷、弹性桡度和横截面积(±s)
Tab 2 Maximum and elastic loading、elastic compression、cross-sectional area of L3 of rats(±s) 组别
Groups
例数
n
最大载荷(N)
Maximum loading
, 百拇医药
弹性载荷(N)
Elastic loading
弹性桡度(mm)
Elastic compression
横截面积(mm2)
Cross-sectional area
对照组A
Control of group A
10
147.2±32.9
103.0±26.2
, http://www.100md.com
1.54±0.50
8.57±1.55
A悬吊组
Group A (tail-suspension)
10
73.6±20.3**
52.0±15.2**
1.48±0.37
6.85±0.76**
对照组B
Control of group B
, 百拇医药
10
183.4±28.3
145.8±21.3
1.68±0.41
9.82±1.12
B恢复7天组
Group B (reloading for 7 d)
10
96.8±23.8**
63.6±22.8**
1.26±0.56
, 百拇医药
7.62±1.41**
对照组C
Control of group C
10
196.2±50.9
148.2±35.7
1.48±0.34
10.61±2.04
C恢复21天组
Group C (reloading for 21 d)
9
, 百拇医药
133.6±18.7**
102.4±14.8**
1.38±0.23
9.29±1.09
与相应对照组相比,*P<0.05,**P<0.01
As compared with its control group,*P<0.05,**P<0.01表3 大鼠L3最大应力、弹性应力、弹性模量和弹性应变(±s)
Tab 3 Ultimate and elastic stress, Young’s modulus,elastic strain of L3 of rats(±s) 组别
, 百拇医药
Groups
例数
n
最大应力(MPa)
Ultimate stress(MPa)
弹性应力(MPa)
Elastic stress(MPa)
弹性模量(MPa)
Young's modulus(MPa)
弹性应变
Elastic strain
, 百拇医药
对照组A
Control of group A
10
17.25±2.81
12.01±2.41
72.54±23.98
0.22±0.07
A悬吊组
Group A (tail-suspension)
10
10.82±2.97**
, 百拇医药
7.67±2.39**
36.34±10.40**
0.23±0.05
对照组B
Control of group B
10
18.68±2.15
14.87±1.65
90.82±23.89
0.23±0.06
B恢复7天组
, 百拇医药
Group B (reloading for 7 d)
10
12.64±1.40**
8.29±2.23**
52.80±10.58**
0.19±0.09
对照组C
Control of group C
10
18.32±2.98
, 百拇医药 13.92±2.06
105.32±34.86
0.20±0.05
C恢复21天组
Group C (reloading for 21 d)
9
14.52±2.31**
11.19±2.25*
75.39±10.91*
0.20±0.04
与相应对照组相比,*P<0.05,**P<0.01
, http://www.100md.com
As compared with its control group,*P<0.05,**P<0.01表4 大鼠L3最大强度、弹性强度和硬度(±s)
Tab 4 Maximum and elastic strength、rigidity of L3 of rats(±s) 组别
Groups
例数
n
最大强度(N.mm/mg)
, 百拇医药
Maximum strength
(N.mm/mg)
弹性强度(N.mm/mg)
Elastic strength
(N.mm/mg)
硬度(N.mm/mg)
Rigidity
(N.mm/mg)
, 百拇医药
对照组A
Control of group A
10
20.30±5.24
14.17±3.75
9.91±3.18
A悬吊组
Group A (tail-suspension)
10
9.63±2.83**
6.78±2.04**
, 百拇医药
4.70±1.24**
对照组B
Control of group B
10
25.14±4.48
19.96±3.29
12.45±3.44
B恢复7天组
Group B (reloading for 7 d)
10
13.38±3.38**
, 百拇医药
8.90±3.60**
7.30±1.59**
对照组C
Control of group C
10
28.71±7.84
21.68±5.58
15.39±5.17
C恢复21天组
Group C (reloading for 21 d)
9
, 百拇医药
18.33±2.47**
14.05±1.91**
10.35±1.52*
与相应对照组相比, *P<0.05,**P<0.01
As compared with its control group,*P<0.05,**P<0.01
讨论
在微重力条件下，动物产生体液头向分布，使后肢血液供应相对不足，另外低负荷只能对后肢形成较小的压力梯度，使后肢骨组织中液流减小，其后果除了对骨质的营养供给和废物排除发生障碍外，更重要的是减少了对成骨细胞的刺激，因此，成骨细胞的增殖及分化速率减慢，骨形成降低，引起骨质丢失。由于空间飞行机会宝贵，实验条件和研究的系统性都受到限制，因此地面模拟实验作为空间飞行的辅助方案已成为研究空间骨丢失的主要研究方式[6]。后肢去负荷模型是目前国际公认的模拟空间飞行对骨代谢影响最适宜的动物模型，但是由于不同实验室所用的大鼠品系、年龄、饲养条件和处理方法不统一，由模型所得的某些指标可能存在差异，我们在分析数据时应予以考虑。本实验观察了尾吊21 d及解悬7 d和21 d时大鼠L3的矿盐含量和生物力学的变化情况，从而为研究空间骨丢失及其防护的机理提供参考。
, 百拇医药
一、大鼠L3横截面积及矿盐含量的变化
椎骨横截面积是反映骨膜骨形成的一项可靠指标[7]。实验过程中大鼠L3横截面积的变化情况表明尾吊21 d后大鼠L3骨膜骨形成受抑制，即骨膜成骨细胞活性降低，但在解悬后21 d可达到正常对照水平，说明骨膜成骨细胞活性对负荷的变化十分敏感且适应性很强。Sessions等[8]报道后肢去负荷14 d后恢复14 d的大鼠股骨骨质有恢复的趋势，但仍显著低于对照水平。Vico等[9]报道尾吊14 d后恢复28 d的大鼠胫骨灰分含量恢复至正常对照水平，但骨质密度仍然偏低。目前关于大鼠L3的骨矿盐含量在恢复期的变化情况还未见其它报道。本实验观察到大鼠解悬21 d后L3的骨膜成骨细胞活性虽已恢复至正常对照水平，但其矿盐含量仍明显低于对照组。这可能与L3中糖胺聚糖含量增加有一定的关系[10]。实际上，糖胺聚糖能够通过结合Ca2+，干扰胶原纤维在骨细胞外的形成及其在基质中的再分布来抑制矿盐沉积[11]。
, 百拇医药
二、大鼠L3结构生物力学特性的变化
最大载荷和弹性载荷是反映结构力学特性的可靠指标。它们的变化反映骨小梁质量、结构连续性和皮质厚度的改变[4]。实验中最大载荷及弹性载荷的变化表明，低重力时大鼠L3结构力学特性降低，并且在短时间内不易恢复。弹性桡度主要反映骨胶原的弹性。崔伟等[12]报道低重力条件下大鼠L3骨质力学变化与胶原含量的变化是不一致的。本实验观察到悬吊21 d及整个恢复期大鼠L3的弹性桡度及弹性应变均未见明显变化，但骨的质量已大大下降，进一步证实了以上观点。
三、大鼠L3材料生物力学的变化
骨应力和应变是反映骨材料力学性能的指标。实验过程中最大应力和弹性应力的变化表明，低重力条件下大鼠L3材料力学性能显著下降。在恢复期虽开始上升，但恢复21 d后仍明显低于对照水平。弹性模量直接受骨小梁的数量和体积影响[13]，与矿盐密度密切相关。微重力条件下成骨细胞活性受抑制，机体不能有效地清除陈旧性骨组织，从而抑制新的矿盐沉积，导致骨密度降低，因此悬吊21 d后大鼠L3弹性模量显著降低，在恢复期时机体加快清除陈旧性骨组织，致使恢复7 d时矿盐含量较悬吊21 d时还低，但随着新的矿盐开始沉积，在恢复21 d后，大鼠L3的矿盐含量虽仍低于对照组，但已明显上升，弹性模量也随之上升。骨硬度直接受骨矿盐含量的影响，实验过程中大鼠L3骨硬度的变化是其矿盐含量变化的结果。骨强度是与骨折最密切相关的参数，悬吊21 d后大鼠L3骨强度极其显著地下降，并且在恢复期仍无明显的恢复趋势，表明发生骨折的危险在恢复期依然存在。
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总之，大鼠L3骨矿质含量及生物力学性能在失重条件下明显下降且在恢复期不易恢复，提示对失重骨丢失的防护不应仅在失重期进行，对恢复期骨质的研究并进一步提出防护措施是当前十分紧迫的任务。
参考文献
1，Oganov VS, Rakhmanov AS, Novikov VE, et al. The state of human bone tissue during space flight. Acta Astronautica, 1991，23(2)：129-133.
2，Morey-Holton ER, Globus RK. Hindlimb unloading of growing rats: a model for predicting skeletal changes during space flight. Bone，1998，22(5)：S83-88.
, 百拇医药
3，Baron R, Tross R, Vipnery A. Evidence of sequential remodeling in rat trabecular bone:morphology, dynamic histomorphometry and change during skeletal maturation. Anat Rec, 1984，208(1)：127-145.
4，Lis Masekidle, Danielsen CC, Knudsen UB. The effect of aging and ovariectomy on the vertebral bone mass and biomechanical properties of mature rats. Bone, 1993，14(1)：1-6.
5，崔伟，刘成林. 基础骨生物力学.动物骨生物力学指标的选择及计算方法. 中国骨质疏松杂志, 1998，4(1)：90-92.
, http://www.100md.com
6，Tipton， CM. Animal， models and， their， importance to， human physiological responses in microgravity. Med Sci Sport Exerc, 1996，28(10)：S94-100.
7，Abram AC, Keller TS, Spengler DM. The effects of simulated weightlessness on bone biomechanical and biochemical properties in the mature rat. J Biomech, 1988，21(9)：755-767.
8，Sessions ND, Halloran BP, Bikle DD, et al. Bone response to normal weightbearing after a period of skeletal unloading. Am J Physiol，1989，257(20)：E606-610.
, http://www.100md.com
9，Vico L, Bourrin S, Very JM, et al. Bone changes in 6-m-old rats after head-down suspension and a reambulation period. J Appl Physiol,1995，79(5)：1426-1433.
10，Cui， Wei, Shi ，Zhizhen. A study， on changes， of glycosaminoglycan and ，mineral in calvariae and vertebrae in rats after exposure to simulated weightlessness. 航天医学与医学工程, 1995，8(1):46-48.
11，Vogel ，KG, Paulsson ，M, Heinegard ，D. Specific， inhibition ，of typeⅠ ，and typeⅡ ，collagen fibrilogenesis by the small proteoglycan of tendon. Biochem J, 1983，223(1)：S87-97.
12，崔伟，史之祯，郑强. 不同悬吊时间对大鼠椎骨骨质和生物力学特性的影响.航天医学与医学工程，1996，9(3)，190-194.
13，Fyhrie DP, ，Schaffler， MB. Failure mechanisms in human vertebral cancellous bone. Bone, 1994，15(1)：105-109.
[收稿日期：2000-02-29], http://www.100md.com
单位：万玉民 崔伟 刘跃 谢力勤(100094 北京，北京航天医学工程研究所第十三研究室)；张曼夫(100094 北京，中国农业大学生物学院)
关键词：失重模拟；恢复期；骨矿质含量；生物力学
中华航空航天医学杂志000210 【摘要】 目的 观察模拟失重大鼠腰椎骨骨质和生物力学特性在恢复期的变化。方法 选用7周龄雄性Wistar大鼠，随机分为6组，1组尾吊21 d；1组尾吊21 d后解悬7 d；1组尾吊21 d后解悬21 d；其余3组为对照组。实验结束后测定第三腰椎骨(L3)的矿盐含量、骨钙素浓度及生物力学指标。结果 大鼠L3矿盐含量、载荷能力、应力水平、强度及硬度等在尾吊21 d均有非常显著性意义的降低(P<0.01)，解悬7 d后未见明显变化，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照水平(P<0.01)；骨钙素含量在整个实验过程中均显著低于对照水平(P<0.05)；横截面积在尾吊后下降有显著性意义(P<0.01)，但解悬21 d已恢复至正常对照水平。结论 模拟失重致大鼠L3矿盐含量及生物力学性能下降，且在短时间内不易恢复。
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【中国图书资料分类法分类号】 R852.22
Changes of mass and biomechanical properties of lumbar vertebra in rats following tail suspension and during convalescence
WAN Yumin, CUI Wei, ZHANG Manfu, et al.
(Institute of Space Medico-Engineering, Beijing 100094, China)
【Abstract】 Objective To observe changes of mass and biomechanical properties of lumbar vertebra in rats following tail-suspension and after different periods of recovery. Methods The 7-week-old male Wistar rats were randomly divided into 6 groups. Group A underwent tail suspension for 21 d, group B and group C were reloaded for 7 d and 21 d after tail suspension for 21 d, the rest 3 groups served as controls. Mineral content, BGP content and biomechanical quota of the third lumbar vertebra (L3) of the experimental and control groups were determined and compared. Results Mineral content, loading capability, stress, strength and rigidity of the third lumbar vertebra in rats immediately after tail suspersion for 21 d were decreased significantly (P<0.01) as compared with controls and didn't change obviously after reloading for 7 d. After reloading for 21 d, there was trend of recovery but still obviously lower than those of controls (P<0.01). Serum BGP levels of experimental groups were lower than those of controls during the whole process of experiment (P<0.05). Cross-sectional area of L3 was decreased significantly (P<0.01) after unloading for 21 days but recovered to control level after reloading for 21 d. Conclusion Mineral content and biomechanics of L3 were lowered in rats underwent simulated weightlessness, and can't recover in a short time.
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【Key Words】 Weightlessness simulation; Convalescence; Bone mineral content; Biomechanics
微重力条件下骨矿盐丢失与再分布是航天医学研究中的重要内容[1]，国内外学者用后肢去负荷模型对模拟失重状态下骨质的变化进行了大量的研究，但去负荷后再负荷时(恢复期)的报道较少[2]。研究恢复期的骨质变化不仅可确定骨矿盐含量及生物力学性质何时恢复至正常对照水平，而且对于了解骨骼在负荷发生变化时一系列程序性应答的机理是有帮助的。因为正常体位时大鼠第三腰椎(the third
lumbar vertebra, L3)的骨再建类型与人类相似[3]，而且L3在大鼠体内处于运动范围最小的状态，受与运动有关的骨再建影响较小，故能比较好地反映模拟失重后恢复期骨质变化情况而排除其它因素的影响。本实验在观察尾吊21 d引起的大鼠L3骨质及生物力学变化的基础上，着重考察了解悬7 d和21 d时的恢复期变化情况，从而为研究空间骨丢失及其防护的机理提供参考。
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材料和方法
一、材料
选用Wistar雄性大鼠59只(北京医科大学实验动物中心提供)，体重(120±10) g，经5 d适应性饲养后随机分组：悬吊组大鼠尾悬吊21 d；恢复7 d组，大鼠尾悬吊21 d后解悬自由活动7 d；恢复21 d组，大鼠尾悬吊21 d后解悬自由活动21 d。以上3组各设同期自由活动对照组，共6组。动物笼养，自由进食进水。
二、方法
1.取材：动物于实验结束后断头处死，取出L3椎骨，去除附着的软组织，用浮力法计算椎骨体积并测量其高度以计算横截面积。
2.标本制备：按Lis Masekidle法[4]处理L3。将L3棘突、横突和关节软骨去除，注意保护椎体外皮质壳免于损害，因为它对椎骨力学性能有重要影响。将椎体制做成具有平行末端的约4 mm高的圆柱体。这样的标本去除了软骨生长板和初级松质骨，仅由中心的小梁骨和外围的皮质壳组成。
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3.力学实验：将标本置于材料试验机上进行压缩力学实验，加载速度为2 mm/min，同时记录载荷-变形曲线。计算最大载荷、弹性载荷、弹性桡度、最大应力、弹性应力、弹性模量、弹性应变、最大强度、弹性强度和硬度等指标[5]。
4.生化测定：取大鼠L3的一部分，放入10 ml离心管内，加入2.5 ml 0.5 mmol/L的乙二胺四乙酸溶液(内含蛋白酶抑制剂PMSF 0.1 mmol/L，叠氮钠0.1 mmol/L，pH 7.0)，4℃振动脱钙72 h，制备成匀浆后4 000 g离心15 min，取上清测定骨钙素。骨钙素测定采用中国原子能科学研究院同位素研究所提供的125I放免试剂盒。其余部分放入烤箱，105℃烤干至恒重后称量为干重；烤干后的样品放入灰化炉，650℃灰化36 h，取出称量为灰分重量。矿盐含量为灰分重量与干重之比。
5.数据处理：实验数据以
±s表示，两组数据比较用团体t检验。, http://www.100md.com
结果
一、大鼠L3矿盐含量及骨钙素含量
大鼠L3矿盐含量在悬吊21 d后有非常显著性意义的降低(P<0.01)，解悬7 d后未见变化，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照组(P<0.05)。骨钙素含量在悬吊21 d后降低有显著性意义(P<0.05)，并且在整个恢复期中未见明显变化(表1)。
二、大鼠L3最大载荷、弹性载荷、弹性桡度和横截面积
大鼠L3的最大载荷和弹性载荷在尾吊21 d后有非常显著性意义的降低(P<0.01)，解悬7 d后未见变化，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照组(P<0.01)。横截面积在尾吊21 d后降低有显著性意义(P<0.01)，解悬7 d后未见变化，解悬21 d后恢复至对照组水平。弹性桡度在整个实验过程中的变化趋势与最大载荷类似，但无统计学意义(表2)。
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表1 大鼠L3矿盐及骨钙素含量(
±s)Tab 1 Mineral and BGP contents of L3 in rats(
±s) 组别Groups
例数
n
矿盐含量(%)
Mineral content(%)
骨钙素含量(ng/mg)
, 百拇医药
BGP content(ng/mg)
对照组A
Control of group A
10
50.59±0.58
0.787±0.194
A悬吊组
Group A (tail-suspension)
10
48.13±2.06**
0.653±0.116*
, http://www.100md.com
对照组B
Control of group B
10
52.65±1.33
0.855±0.272
B恢复7天组
Group B (reloading for 7 d)
10
47.46±2.48**
0.568±0.186*
对照组C
, http://www.100md.com
Control of group C
10
51.24±1.41
0.768±0.288
C恢复21天组
Group C (reloading for 21 d)
9
49.16±1.77*
0.448±0.156**
与相应对照组相比,*P<0.05,**P<0.01
, 百拇医药
As compared with its control group,*P<0.05,**P<0.01
三、大鼠L3最大应力、弹性应力、弹性模量和弹性应变
大鼠L3最大应力、弹性应力和弹性模量在尾吊21 d后有非常显著意义的降低(P<0.01)，解悬7 d后未见变化，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照组(P<0.05)。弹性应变在整个实验过程中未见明显变化(表3)。
四、大鼠L3最大强度、弹性强度和硬度
大鼠L3最大强度、弹性强度和硬度在尾吊21 d后有非常显著意义的降低(P<0.01)，解悬7 d后未见变化，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照组(P<0.05)(表4)。
, 百拇医药
表2 大鼠L3最大载荷、弹性载荷、弹性桡度和横截面积(
±s)Tab 2 Maximum and elastic loading、elastic compression、cross-sectional area of L3 of rats(
±s) 组别Groups
例数
n
最大载荷(N)
Maximum loading
, 百拇医药
弹性载荷(N)
Elastic loading
弹性桡度(mm)
Elastic compression
横截面积(mm2)
Cross-sectional area
对照组A
Control of group A
10
147.2±32.9
103.0±26.2
, http://www.100md.com
1.54±0.50
8.57±1.55
A悬吊组
Group A (tail-suspension)
10
73.6±20.3**
52.0±15.2**
1.48±0.37
6.85±0.76**
对照组B
Control of group B
, 百拇医药
10
183.4±28.3
145.8±21.3
1.68±0.41
9.82±1.12
B恢复7天组
Group B (reloading for 7 d)
10
96.8±23.8**
63.6±22.8**
1.26±0.56
, 百拇医药
7.62±1.41**
对照组C
Control of group C
10
196.2±50.9
148.2±35.7
1.48±0.34
10.61±2.04
C恢复21天组
Group C (reloading for 21 d)
9
, 百拇医药
133.6±18.7**
102.4±14.8**
1.38±0.23
9.29±1.09
与相应对照组相比,*P<0.05,**P<0.01
As compared with its control group,*P<0.05,**P<0.01表3 大鼠L3最大应力、弹性应力、弹性模量和弹性应变(
±s)Tab 3 Ultimate and elastic stress, Young’s modulus,elastic strain of L3 of rats(
±s) 组别, 百拇医药
Groups
例数
n
最大应力(MPa)
Ultimate stress(MPa)
弹性应力(MPa)
Elastic stress(MPa)
弹性模量(MPa)
Young's modulus(MPa)
弹性应变
Elastic strain
, 百拇医药
对照组A
Control of group A
10
17.25±2.81
12.01±2.41
72.54±23.98
0.22±0.07
A悬吊组
Group A (tail-suspension)
10
10.82±2.97**
, 百拇医药
7.67±2.39**
36.34±10.40**
0.23±0.05
对照组B
Control of group B
10
18.68±2.15
14.87±1.65
90.82±23.89
0.23±0.06
B恢复7天组
, 百拇医药
Group B (reloading for 7 d)
10
12.64±1.40**
8.29±2.23**
52.80±10.58**
0.19±0.09
对照组C
Control of group C
10
18.32±2.98
, 百拇医药 13.92±2.06
105.32±34.86
0.20±0.05
C恢复21天组
Group C (reloading for 21 d)
9
14.52±2.31**
11.19±2.25*
75.39±10.91*
0.20±0.04
与相应对照组相比,*P<0.05,**P<0.01
, http://www.100md.com
As compared with its control group,*P<0.05,**P<0.01表4 大鼠L3最大强度、弹性强度和硬度(
±s)Tab 4 Maximum and elastic strength、rigidity of L3 of rats(
±s) 组别Groups
例数
n
最大强度(N.mm/mg)
, 百拇医药
Maximum strength
(N.mm/mg)
弹性强度(N.mm/mg)
Elastic strength
(N.mm/mg)
硬度(N.mm/mg)
Rigidity
(N.mm/mg)
, 百拇医药
对照组A
Control of group A
10
20.30±5.24
14.17±3.75
9.91±3.18
A悬吊组
Group A (tail-suspension)
10
9.63±2.83**
6.78±2.04**
, 百拇医药
4.70±1.24**
对照组B
Control of group B
10
25.14±4.48
19.96±3.29
12.45±3.44
B恢复7天组
Group B (reloading for 7 d)
10
13.38±3.38**
, 百拇医药
8.90±3.60**
7.30±1.59**
对照组C
Control of group C
10
28.71±7.84
21.68±5.58
15.39±5.17
C恢复21天组
Group C (reloading for 21 d)
9
, 百拇医药
18.33±2.47**
14.05±1.91**
10.35±1.52*
与相应对照组相比, *P<0.05,**P<0.01
As compared with its control group,*P<0.05,**P<0.01
讨论
在微重力条件下，动物产生体液头向分布，使后肢血液供应相对不足，另外低负荷只能对后肢形成较小的压力梯度，使后肢骨组织中液流减小，其后果除了对骨质的营养供给和废物排除发生障碍外，更重要的是减少了对成骨细胞的刺激，因此，成骨细胞的增殖及分化速率减慢，骨形成降低，引起骨质丢失。由于空间飞行机会宝贵，实验条件和研究的系统性都受到限制，因此地面模拟实验作为空间飞行的辅助方案已成为研究空间骨丢失的主要研究方式[6]。后肢去负荷模型是目前国际公认的模拟空间飞行对骨代谢影响最适宜的动物模型，但是由于不同实验室所用的大鼠品系、年龄、饲养条件和处理方法不统一，由模型所得的某些指标可能存在差异，我们在分析数据时应予以考虑。本实验观察了尾吊21 d及解悬7 d和21 d时大鼠L3的矿盐含量和生物力学的变化情况，从而为研究空间骨丢失及其防护的机理提供参考。
, 百拇医药
一、大鼠L3横截面积及矿盐含量的变化
椎骨横截面积是反映骨膜骨形成的一项可靠指标[7]。实验过程中大鼠L3横截面积的变化情况表明尾吊21 d后大鼠L3骨膜骨形成受抑制，即骨膜成骨细胞活性降低，但在解悬后21 d可达到正常对照水平，说明骨膜成骨细胞活性对负荷的变化十分敏感且适应性很强。Sessions等[8]报道后肢去负荷14 d后恢复14 d的大鼠股骨骨质有恢复的趋势，但仍显著低于对照水平。Vico等[9]报道尾吊14 d后恢复28 d的大鼠胫骨灰分含量恢复至正常对照水平，但骨质密度仍然偏低。目前关于大鼠L3的骨矿盐含量在恢复期的变化情况还未见其它报道。本实验观察到大鼠解悬21 d后L3的骨膜成骨细胞活性虽已恢复至正常对照水平，但其矿盐含量仍明显低于对照组。这可能与L3中糖胺聚糖含量增加有一定的关系[10]。实际上，糖胺聚糖能够通过结合Ca2+，干扰胶原纤维在骨细胞外的形成及其在基质中的再分布来抑制矿盐沉积[11]。
, 百拇医药
二、大鼠L3结构生物力学特性的变化
最大载荷和弹性载荷是反映结构力学特性的可靠指标。它们的变化反映骨小梁质量、结构连续性和皮质厚度的改变[4]。实验中最大载荷及弹性载荷的变化表明，低重力时大鼠L3结构力学特性降低，并且在短时间内不易恢复。弹性桡度主要反映骨胶原的弹性。崔伟等[12]报道低重力条件下大鼠L3骨质力学变化与胶原含量的变化是不一致的。本实验观察到悬吊21 d及整个恢复期大鼠L3的弹性桡度及弹性应变均未见明显变化，但骨的质量已大大下降，进一步证实了以上观点。
三、大鼠L3材料生物力学的变化
骨应力和应变是反映骨材料力学性能的指标。实验过程中最大应力和弹性应力的变化表明，低重力条件下大鼠L3材料力学性能显著下降。在恢复期虽开始上升，但恢复21 d后仍明显低于对照水平。弹性模量直接受骨小梁的数量和体积影响[13]，与矿盐密度密切相关。微重力条件下成骨细胞活性受抑制，机体不能有效地清除陈旧性骨组织，从而抑制新的矿盐沉积，导致骨密度降低，因此悬吊21 d后大鼠L3弹性模量显著降低，在恢复期时机体加快清除陈旧性骨组织，致使恢复7 d时矿盐含量较悬吊21 d时还低，但随着新的矿盐开始沉积，在恢复21 d后，大鼠L3的矿盐含量虽仍低于对照组，但已明显上升，弹性模量也随之上升。骨硬度直接受骨矿盐含量的影响，实验过程中大鼠L3骨硬度的变化是其矿盐含量变化的结果。骨强度是与骨折最密切相关的参数，悬吊21 d后大鼠L3骨强度极其显著地下降，并且在恢复期仍无明显的恢复趋势，表明发生骨折的危险在恢复期依然存在。
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总之，大鼠L3骨矿质含量及生物力学性能在失重条件下明显下降且在恢复期不易恢复，提示对失重骨丢失的防护不应仅在失重期进行，对恢复期骨质的研究并进一步提出防护措施是当前十分紧迫的任务。
参考文献
1，Oganov VS, Rakhmanov AS, Novikov VE, et al. The state of human bone tissue during space flight. Acta Astronautica, 1991，23(2)：129-133.
2，Morey-Holton ER, Globus RK. Hindlimb unloading of growing rats: a model for predicting skeletal changes during space flight. Bone，1998，22(5)：S83-88.
, 百拇医药
3，Baron R, Tross R, Vipnery A. Evidence of sequential remodeling in rat trabecular bone:morphology, dynamic histomorphometry and change during skeletal maturation. Anat Rec, 1984，208(1)：127-145.
4，Lis Masekidle, Danielsen CC, Knudsen UB. The effect of aging and ovariectomy on the vertebral bone mass and biomechanical properties of mature rats. Bone, 1993，14(1)：1-6.
5，崔伟，刘成林. 基础骨生物力学.动物骨生物力学指标的选择及计算方法. 中国骨质疏松杂志, 1998，4(1)：90-92.
, http://www.100md.com
6，Tipton， CM. Animal， models and， their， importance to， human physiological responses in microgravity. Med Sci Sport Exerc, 1996，28(10)：S94-100.
7，Abram AC, Keller TS, Spengler DM. The effects of simulated weightlessness on bone biomechanical and biochemical properties in the mature rat. J Biomech, 1988，21(9)：755-767.
8，Sessions ND, Halloran BP, Bikle DD, et al. Bone response to normal weightbearing after a period of skeletal unloading. Am J Physiol，1989，257(20)：E606-610.
, http://www.100md.com
9，Vico L, Bourrin S, Very JM, et al. Bone changes in 6-m-old rats after head-down suspension and a reambulation period. J Appl Physiol,1995，79(5)：1426-1433.
10，Cui， Wei, Shi ，Zhizhen. A study， on changes， of glycosaminoglycan and ，mineral in calvariae and vertebrae in rats after exposure to simulated weightlessness. 航天医学与医学工程, 1995，8(1):46-48.
11，Vogel ，KG, Paulsson ，M, Heinegard ，D. Specific， inhibition ，of typeⅠ ，and typeⅡ ，collagen fibrilogenesis by the small proteoglycan of tendon. Biochem J, 1983，223(1)：S87-97.
12，崔伟，史之祯，郑强. 不同悬吊时间对大鼠椎骨骨质和生物力学特性的影响.航天医学与医学工程，1996，9(3)，190-194.
13，Fyhrie DP, ，Schaffler， MB. Failure mechanisms in human vertebral cancellous bone. Bone, 1994，15(1)：105-109.
[收稿日期：2000-02-29], http://www.100md.com