当前位置: 首页 > 期刊 > 《中华航空航天医学杂志》 > 2000年第2期
编号:10261197
去负荷大鼠股骨局部因子和矿盐的变化
http://www.100md.com 《中华航空航天医学杂志》 2000年第2期
     作者:谢力勤 何玫 黄大威 崔伟 刘成林

    单位:(100094 北京,航天医学工程研究所)

    关键词:失重;矿盐丢失;表皮生长因子;骨钙素;一氧化氮

    中华航空航天医学杂志000209 【摘要】 目的 观察去负荷对大鼠股骨不同部位局部因子的影响,并探讨其与矿盐含量变化的关系。 方法 6周龄S.D.大鼠随机分为自由活动组(对照组)和尾部悬吊组(实验组),每组9只,实验期21 d。观察指标:股骨颈、股骨干近1/3端、中1/3段和远1/3段4个不同部位一氧化氮(NO)、骨钙素(BGP)、表皮生长因子(EGF)的含量及矿盐含量。 结果 与对照组相比,实验组大鼠股骨颈和股骨干远1/3段的矿盐含量下降有显著性意义(P<0.05);股骨颈和股骨干远1/3段的NO含量升高有显著性意义(P<0.05);股骨干中1/3段的BGP升高有显著性意义(P<0.05);股骨干近1/3段和中1/3段的EGF含量升高有显著性意义(P<0.05)。 结论 去负荷大鼠股骨颈和股骨干远1/3段的NO含量升高,是造成该部位矿盐含量下降的重要原因。股骨干近1/3段、中1/3段的EGF或BGP含量升高是该部位矿盐无明显丢失的重要原因。
, 百拇医药
    【中国图书资料分类法分类号】 R852.22

    Changes of bone local factors and mineral contents in unloading femur of rat

    XIE Liqin, HE Mei, HUANG Dawei,et al.

    (Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)

    【Abstract】 Objective The aim of this study was to determine the relationship between the changes of bone local factors and mineral in unloading femur of rat. Methods Six-week-old S.D. rats were randomly divided into two groups(n=9):①The free activity control group(FAC);②The tail-suspended group(TSG). The experiment lasted for 3 weeks. Nitric oxide(NO), osteocalcin(BGP), epidermal growth factor(EGF) and the bone mineral contents(BMCs) in 4 different sections of femur were detected. Result Compared with FAC,BMCs in neck and distal 1/3 diaphysis of femur were significantly decreased in TSG(P<0.05).NO contents in neck and distal 1/3 diaphysis of femur were significantly increased(P<0.05). BGP contents in middle 1/3 diaphysis of femur were significantly increased(P<0.05).EGF contents in proximal and middle 1/3 diaphysis were significantly increased(P<0.05). Conclusion It was suggested that the changes of bone local factor contents have important influence on bone mineral contents in unloading femur of rat.
, 百拇医药
    【Key words】 Weightlessness;Mineral loss;Epidermal growth factor;Osteocalcin;Nitric oxide

    在微重力环境下内分泌激素有一过性的变化,但是不能解释主要在承重骨发生矿盐丢失的现象。近年来的研究表明,骨矿盐丢失主要与骨质中的局部因子有关。骨质中的局部因子主要有类胰岛素样生长因子-I(insulin-like growth factor,IGF-I)、转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)、表皮生长因子(epiderm growth factor,EGF)等一些小分子多肽和一氧化氮(nitric oxide,NO),它们具有刺激成骨细胞活性的作用,以自分泌和(或)旁分泌的形式调节骨代谢。

    骨组织是非均质性组织,同一骨的不同部位,由于其所受的应力和供血状况的不同,其骨质中骨生长因子和矿盐的分布也不同。骨去负荷后,同一骨组织不同部位的同一生长因子的含量也不同。去负荷骨不同部位的局部因子与骨丢失的关系还不十分清楚。本实验的目的是观察悬吊21 d大鼠股骨不同部位NO、EGF和骨钙素(osteocalcin,BGP)含量变化的特点,并探讨其与骨丢失的关系。
, 百拇医药
    材料与方法

    一、实验动物

    5周龄雄性S.D.大鼠,体重为110~130 g,由北京医科大学动物中心提供。大鼠适应1周后,按体重配对随机分为自由活动组(对照组)和尾部悬吊组(实验组),每组9只。用悬吊大鼠模型来模拟航天骨去负荷的变化。动物单笼饲养,自由进食进水,实验期21 d。

    二、骨矿盐含量与骨矿盐密度的测定

    取出右侧股骨去净附着的软组织,用牙科锯将右侧股骨切割为5个部分:股骨颈、股骨干近1/3段、股骨干中1/3段、股骨干远1/3段和远侧干骺端(去除)。将骨样品放于105℃烤箱14 h,烤干至恒重得骨样品干重。再将骨样品置于坩埚内,在600℃灰化炉中放置16 h,取出放入干燥器内自然冷却后称重,得骨样品矿盐重量。骨样品的矿盐重量与其干重的比值为骨样品的矿盐含量。
, http://www.100md.com
    三、骨局部因子测定

    用牙科锯将左侧股骨如上切割为5个部分,将骨样品放入10 ml离心管内,加入2.5 ml 0.5 mol/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),摇床振动4℃脱钙72 h,然后制备成匀浆,4 000 g离心15 min后取上清液。EGF和BGP含量的测定:放免法测定。放免药盒由北方放射免疫研究所提供。NO含量的测定:用Griess反应法测定亚硝酸盐含量,从而间接反映样品的NO含量。

    结果

    一、股骨矿盐含量(矿盐/干重)

    实验组大鼠股骨颈和骨干远1/3段的矿盐含量与对照组相比,降低有显著性意义(P<0.05),见表1。

    二、股骨不同部位的NO含量
, 百拇医药
    实验组大鼠股骨颈和骨干远1/3段的NO含量与对照组相比,升高有显著性意义(P<0.05),升高幅度分别为57%和64%,见表2。

    三、股骨不同部位的BGP含量

    实验组大鼠股骨干中1/3段的BGP与对照组相比,升高有显著性意义(P<0.05),幅度为81%,见表3。

    四、股骨不同部位的EGF含量

    实验组股骨干近1/3段和中1/3段的EGF含量与对照组相比,升高有显著性意义(P<0.05),幅度分别为25%和42%,见表4。

    表1 股骨不同部位的矿盐含量(n=9,±s)

    Tab 1 Bone mineral contents in different sections of femur(n=9,±s) 组别
, 百拇医药
    Group

    股骨颈

    Neck of femur

    股骨干近1/3段

    Proximal 1/3

    diaphysis of femur

    股骨干中1/3段

    Middle 1/3

    diaphysis of femur

    股骨干远1/3段

    Distal 1/3
, 百拇医药
    diaphysis of femur

    对照组

    Control group

    0.477±0.024

    0.643±0.035

    0.650±0.067

    0.574±0.035

    实验组

    Experimental group

    0.428±0.018*

    0.626±0.026
, 百拇医药
    0.636±0.035

    0.540±0.034*

    与对照组相比,*P<0.05

    As compared with control group,*P<0.05表2 股骨不同部位的NO含量(n=9,±s,μmol/g)

    Tab 2 NO contents in different sections of femur(n=9,±s,μmol/g) 组别

    Group

    股骨颈
, 百拇医药
    Neck of femur

    股骨干近1/3段

    Proximal 1/3

    diaphysis of femur

    股骨干中1/3段

    Middle 1/3

    diaphysis of femur

    股骨干远1/3段

    Distal 1/3

    diaphysis of femur

    对照组
, 百拇医药
    Control group

    0.369±0.085

    0.931±0.205

    0.929±0.176

    0.628±0.223

    实验组

    Experimental group

    0.583±0.133*

    0.891±0.151

    1.078±0.209

    1.032±0.242*
, http://www.100md.com
    与对照组相比,*P<0.05

    As compared with control group,*P<0.05表3 股骨不同部位的BGP含量(n=9,±s,μg/g)

    Tab 3 BGP content in different sections of femur(n=9,±s,μg/g) 组别

    Group

    股骨颈

    Neck of femur

    股骨干近1/3段
, http://www.100md.com
    Proximal 1/3

    diaphysis of femur

    股骨干中1/3段

    Middle 1/3

    diaphysis of femur

    股骨干远1/3段

    Distal 1/3

    diaphysis of femur

    对照组

    Control group

    4.04±0.68
, http://www.100md.com
    7.34±1.84

    7.91±3.17

    7.66±2.78

    实验组

    Experimental group

    4.26±1.36

    8.46±2.33

    14.36±3.91*

    8.45±2.77

    与对照组相比,*P<0.05

    As compared with control group,*P<0.05表4 股骨不同部位的EGF含量(n=9,±s,ng/g)
, 百拇医药
    Tab 4 EGF content in different sections of femur(n=9,±s,ng/g) 组别

    Group

    股骨颈

    Neck of femur

    股骨干近1/3段

    Proximal 1/3

    diaphysis of femur

    股骨干中1/3段

    Middle 1/3
, 百拇医药
    diaphysis of femur

    股骨干远1/3段

    Distal 1/3

    diaphysis of femur

    对照组

    Control group

    4.63±1.34

    5.56±1.11

    4.38±0.70

    3.71±1.31

    实验组
, 百拇医药
    Experimental group

    5.21±0.67

    6.97±1.38*

    6.21±1.04*

    4.84±1.53

    与对照组相比,*P<0.05

    As compared with control group,*P<0.05

    讨论

    一、骨质中局部因子的作用

    EGF和IGF-I的细胞膜受体都含有酪氨酸蛋白激酶,受体与配体结合后,受体的构象发生变化,受体发生聚合, 激活酪氨酸蛋白激酶,从而使自身磷酸化,继而对其蛋白质底物进行磷酸化,通过Ras途径促进有丝分裂原蛋白激酶的磷酸化,使其激活,进而促进成骨细胞有丝分裂[1]。EGF为53个氨基酸组成的单链多肽,能够促进成骨细胞c-fos mRNA的表达,促进成骨细胞有丝分裂,具有刺激成骨细胞增殖、促进骨基质矿化的功能[2]。在骨外膜骨和骨内膜骨中、在成骨细胞和少量骨细胞中,都有EGF受体mRNA的表达。
, http://www.100md.com
    骨质中的NO是力负荷及性激素的重要反应因子[3]。成骨细胞能合成NO,较低浓度的NO可以促进成骨细胞的生长和骨形成。但高浓度的NO可以抑制成骨细胞的生长和分化,抑制成骨细胞的活性。骨质内有两种NO合成酶,分别为构成型NO合成酶(cNOS)和诱导型NO合成酶(iNOS)。成骨细胞能表达这两种酶,cNOS的表达需钙离子的存在,而iNOS则不需。BGP为骨质中的一种非胶原蛋白,能够与钙离子相结合,形成羟磷灰石结晶,具有调节矿盐结晶生成,促进骨基质矿化的作用[4]

    二、骨质中局部因子与矿盐变化的关系

    在本研究中,大鼠悬吊3周后股骨颈和股骨干远1/3段的矿盐含量显著下降,但NO含量显著升高。NO含量升高到一定程度,将抑制成骨细胞的活性,使骨形成速度下降、骨转换速度下降;这可能正是造成上述部位矿盐含量下降的重要原因。股骨干近1/3段、中1/3段的矿盐含量无明显变化,而股骨干近1/3段的EGF、股骨干中1/3段的BGP和EGF含量显著升高。EGF和BGP可以促进骨基质的矿化,是该部位矿盐无明显丢失的重要原因。
, http://www.100md.com
    三、EGF含量升高的原因

    大鼠悬吊使股骨去负荷,股骨的骨形成处于抑制状态,而局部EGF的含量却显著升高。与此相类似,Daniel[5]曾报道,悬吊大鼠胫骨的骨量减少,而IGF-I的含量显著升高。EGF和IGF-I代偿性升高的机理还不十分清楚。

    根据近年来形成的力负荷调节学说[6-14]可以对悬吊大鼠股骨的变化作出以下解释:大鼠悬吊使后肢去负荷,股骨的应力和应变变小,骨组织间液的流动速度下降,骨细胞膜上整合素的变形减少,细胞骨架的重排减少,导致细胞内发生一系列生化变化。骨细胞通过生化信号或电信号的传播将力负荷减少的信号传给整个骨表面的成骨细胞,从而抑制成骨细胞的活性,使骨形成减少,结果导致骨量减少和骨强度下降;同时引起骨骼对IGF-I和EGF促进骨形成的能力产生耐受。为克服耐受作用,为维持骨形成的水平,生长因子如IGF-I和EGF的含量代偿性升高以刺激成骨细胞的活性。股骨干中1/3段BGP含量的升高就是一个有力的证据。生长因子升高仅仅是骨丢失引起的一种代偿作用,不可能完全对抗骨丢失。正因为骨组织对局部生长因子和内分泌激素的耐受作用,给悬吊大鼠注射生理或药理剂量的IGF-I、TGF、生长激素也不能有效地抑制骨丢失[15],给骨丢失的防护带来难以解决的问题。
, http://www.100md.com
    参考文献

    1,孙大业,郭艳林,马力耕.细胞信号转导.北京:科学出版社,1998.128-137.

    2,Damien E, Price JS, Lanyon LE. The estrogen receptor's in osteoblasts' adaptive response to mechanical strain. J Bone Miner Res,1998,13(8):1275-1282.

    3,Turner CH, Pavalko FM. Mechanotransduction and functional response of the skeleton to physical stress: the mechanism and mechanics of bone adaptation. J Orthop Sci,1998,39(4):346-355.
, 百拇医药
    4,Torres R, Piedr C, Rapad A. Binding of serum osteocalcin to hydroxyapatite in Paget disease of bone.Bone and Meneral,1991,14(1):55-60.

    5,Daniel DB, Jonathan H, Bernard PH, et al. Skeletal unloading induces resistance to insulin-like growth facttor. J Bone Miner Res,1994,9(11):1789-1796.

    6,Judex S, Gros ST. Strain gradient correlate with site of exercise-induced bone-forming surface in skeleton. J Bone Miner Res,1997,12(11):1735-1745.
, http://www.100md.com
    7,Horwitz AF. Integrins and health. Scientific American,1997,276(5):68-75.

    8,Toma, CD, Ashkar, S, Grey, ML. Signal, transduction ,of mechanical stimuli is dependent on microfilament Integrity: identification of osteoponting as a mechanically induced gene in osteoblast. J Bone Miner Res,1997,12(10):1626-1636.

    9,Ingber DE. The architecture of life. Scientific American, 1998,278(1):30-39.

    10,Zhang D, Cowin SC, Weinbaum S. Electrical signal transmission and gap junction regulation in bone cell network:a model for an osteon. Ann Biomed Eng,1997,25(3):357-374.
, http://www.100md.com
    11,Cowin SC. On mechanosensation in bone under microgravity. Bone,1998,22(5):119s-125s.

    12,Frost HM. On our age-related bone loss:insight from a new paradigm. J Bone Miner Res,1997,12(10):1539-1546.

    13,Frost ,HM. Defining ,osteopenias, and ,osteoporoses:, another view(with insight form a new paradigm).Bone,1997,20(3):385-391.

    14,Skerry TM. Mechanical load and bone: what sort of exercise is beneficial to the skeleton? Bone,1997,20(2):179-181.

    15,Morey-Holton ER, Globus RK. Hindlimb unloading of growing rats: a model ,for predicting ,skeletal changes, during ,space flight. Bone,1998,22(5):83s-88s.

    [收稿日期:1999-05-15], http://www.100md.com