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研究背景运动系统由骨、骨连接和骨骼肌组成,骨对维持人体运动具有重要作用。骨的塑建和重建主要是由成骨细胞和破骨细胞共同平衡完成,当破骨细胞引起的骨吸收超过骨形成时,就会引起骨量丢失、骨质疏松及骨折等一系列严重并发症,对人体产生不利的影响。所以维持正常的骨量对人体非常重要,最大峰骨量是预防骨量降低及骨折的最好方法,研究表明峰值骨量80%是由遗传因素决定；除此之外,环境因素和营养因素也是影响峰值骨量的重要因素。在环境因素中,运动引起的机械刺激是促进骨量形成和骨矿物质增加的重要因素。机械刺激是骨组织生长和发育的重要影响因素。大量证据表明：机械刺激对骨的影响与运动方式和骨的类型等密切相关。跑步运动是一种常见的负重运动形式,大量的人体及动物试验探讨了跑步运动对骨的影响,但结论并不一致,运动强度被认为是导致这种不一致结果的重要因素,然而跑步强度与骨量的关系目前尚不完全明了。跑步运动是一项深受热爱的运动,了解有利于骨健康的跑步强度对指导我们合理运动具有非常重要的意义。研究表明机械刺激作用于骨后有两种细胞调节骨结构及骨量,一种是骨细胞和位于骨细胞周围的成骨细胞,另一种是骨髓细胞。骨髓细胞的调节可能与激素,细胞因子和生长因子有关。在体外实验中,我们发现很多分子在调节机械力对骨的影响中有重要作用,可以增加体外骨髓间充质干细胞(BMSCs)的成骨作用。然而,在体内机械负荷对BMSCs的分化作用不是很了解。研究体外机械刺激及机械牵张等对BMSCs的分化发现,低强度的刺激可以促进BMSCs成骨分化并抑制其成脂分化,而高强度的运动会减少BMSCs的增殖及成骨分化,所以体外机械刺激对BMSCs的分化影响可能和强度有关。机械负荷作用于骨能够增加骨髓的压力和流动能力,为活体多分化祖细胞提供机械信号。不同强度的跑台运动产生的髓腔压力、液流、压电效应和液流剪切力等都可能不一样,从而提供给BMSCs的机械刺激也不一样,所以我们推测BMSCs的增殖分化能力可能会随着跑台运动的强度而改变,最终会影响骨量。BMSCs是一种可以向骨、软骨、肌肉、脂肪和韧带等多方向分化的干细胞,可以通过日常技术在体外扩增,已广泛应用于组织工程。骨细胞形成包括BMSCs定向分化为成骨细胞及成骨细胞成熟是两个重要过程。碱性磷酸酶(ALP)、骨钙素(OCN)、I型胶原(COL Ⅰ)等基因可以反映成骨细胞分化表型特征。ALP是反映BMSCs成骨分化的早期指标,而OCN是BMSCs成骨分化的较晚期指标。BMSCs成骨分化依赖特定的转录因子,BMSCs成骨分化由RUNX2起始调节,随后通过Osterix调节,然后表达碱性磷酸酶及骨钙素,最终矿化成骨基质。BMSCs成脂分化依赖PPARγ2,它是调节骨髓间充质干细胞向脂肪分化的重要调节蛋白。Wnt/β-catenin通路是调节BMSCs成骨的一个重要通路,同时也可以影响成脂分化,很多细胞因素及激素等会通过Wnt/β-catenin通路来影响BMSCs分化。成骨细胞分化转向成脂细胞分化最终会影响骨量,骨质疏松等骨量减少多与骨髓脂肪增多有关,成骨细胞的数量和脂肪细胞呈负相关,表现为此消彼涨,这表明伴随着脂肪细胞的增多会出现成骨细胞的减少,运动可通过促进骨髓间充质干细胞成骨分化并抑制成脂分化来增加骨量。研究目的1.探讨不同强度跑台训练对大鼠骨量的影响。2.研究不同强度跑台训练对大鼠骨髓间充质干细胞成骨分化及成脂分化的影响,以明确跑步运动对骨影响的分子和细胞机制。研究方法1、实验动物和运动方案24只180-220gSD大鼠随机分成四组,对照组(CON)、低强度运动组(LIR)、中强度运动组(MIR)和高强度运动组(HIR),低强度运动组、中强度运动组和高强度运动组分别进行8周强度不同的跑台运动。2、检测指标8周跑台运动结束后取大鼠血清行ELISA检测PINP、CTXI和TGF-β1生化指标,取左侧股骨远端干骺端行TRAP染色,右侧股骨干骺端行MicroCT检测BMD、BV/TV、Tb.N、Tb.Th变化,比较不同强度跑台运动对骨形成、骨吸收和骨量改变。8周跑台运动结束后冲出胫骨和股骨骨髓培养骨髓间充质干细胞(BMSCs),利用MTT方法检测其增殖能力,比较不同组BMSCs的CFU-F和CFU-OSTEO数量及茜素红染色(Alizarin Red Staining,ARS)和ALP活性,同时通过逆转录聚合酶链反应(real time RT-PCR)检测BMSCs成骨相关基因RUNX2、SP7、OCN、COL1a、β-catenin和ALP和成脂相关基因PPARy2的表达,并行股骨HE染色观察骨髓脂肪细胞,股骨β-catenin免疫组化β-catenin在股骨的表达,用IPP5.0软件进行半定量分析。结果1、MIR组血清PINP浓度为1.217±0.103ng/ml,显著高于CON组(1.122±0.067ng/ml)(p=0.012),而LIR组及HIR组均与CON组无显著差异(p>0.05)；MIR组TGF-β浓度为34.550±9.780ng/ml,较CON组(24.250±6.420ng/ml)显著升高(p=0.035),而LIR组及HIR组均与CON组无显著差异(p>0.05)；CON组CTX Ⅰ的浓度为2.548±0.086ng/ml,显著高于MIR组(2.203±0.495ng/ml)(p=0.030),而与LIR组和HIR组之间无显著差别(p>0.05)。2、TRAP染色显示：与CON组相比,MIR组染色较浅。MIR组的平均光密度值为0.464±0.149,明显低于CON组(1.244±0.140)(p=0.000),而LIR组及HIR组均与CON组无显著差异(p>0.05)。3、MicroCT结果显示：MIR组BV/TV(%)(42.5±4.81)显著高于CON组(27.43±5.03)(p<0.05),而LIR组及HIR组均与CON组无显著差异(p>0.05)；MIR组Tb.Sp (mm)和SMI较CON显著下降(p<0.05),而LIR组及HIR组均与CON组无显著差异(p>0.05); Tb.Th (mm)和DA在各组间无显著差异(p)>0.05)。4、MTT结果显示：LIR组和MIR组OD值分别为0.651±0.049和0.710±0.082,均显著高于CON组(0.583±0.0592)(p分别为0.000和0.012),而HIR组与CON组之间无显著差异(p>0.05)。5、CFU-F结果显示：LIR组、MIR组和HIR组与CON组之间均无显著差异；而CFU-OSTEO结果显示MIR组(21.333±2.860)显著高于CON组(15.666±3.870)(p=0.001),其他2组与CON之间均无显著差异；碱性磷酸酶活性和茜素红染色OD值的结果均显示：MIR组显著高于CON组,而LIR组和HIR组均与CON组之间无统计学差异。6、与CON组(1.010±0.060)相比,MIR组RUNX2的nRNA相对表达量(1.400±0.239)显著升高,而LIR组(0.774±0.261)显著下降,HIR组则无统计学差异；MIR组SP7的mRNA相对表达量(6.290±3.400)显著高于CON组(1.209±0.560),LIR组和HIR组均与CON组无统计学差异；；中强度运动组COL la mRNA为1.787±0.470,比对照组0.846±0.310明显升高(p=0.000),低强度运动组为0.533±0.145,较对照组降低(p=0.008),高强度运动组和对照组无统计学差异(p>0.05),同时中强度组较低强度组和高强度组升高(p分别为0.001和0.000)；中强度运动组ALP mRNA为3.431±1.070,较对照组1.821±0.640明显升高(p=0.000),低强度运动组和高强度运动组与对照组无统计学差异(p>0.05),中强度组较低强度组和高强度运动组ALP表达升高(p分别为0.001和0.000)；与对照组BGLAP mRNA (2.168±0.479)相比,中强度运动BGLAP(46.830±16.36)明显升高(p=0.000),低强度运动组为4.340±1.980,较对照组升高(p=0.014),高强度运动组和对照组无统计学差异(p>0.05)；同时中强度组较低强度组和高强度组升高(p为0.000)。7、MIR组骨髓脂肪细胞密度(/mm2)为27.500±5.000,显著低于CON组(34.500±5.160)(p=0.035),而LIR组和HIR组均与CON组之间无统计学差异；MIR组PPARγ2的mRNA相对表达量为1.930±0.290,显著低于CON组(3.890±0.860)(p=0.001),而LIR组和HIR组均与CON组之间无统计学差异。8、MIR组β-catenin的mRNA相对表达量为1.159±0.131,显著高于CON组(0.729±0.227)(p=0.000),而LIR组和HIR组均与CON组之间无统计学差异；股骨免疫组化β-catenin含量结果：MIR组(4.461±0.842)显著高于CON组(2.068±0.597)明显增高(p=0.000),而LIR组和HIR组均与CON组之间无统计学差异。结论第一部分结论不同强度跑台运动对大鼠骨量的影响具有强度依赖性：跑步所致的应力刺激应超过一定的阈值才能对骨量有正面的影响,而过量的刺激又会产生不利的作用,因此力学刺激在维持骨健康方面可能存在一个“力学窗口”第二部分结论跑台运动对大鼠BMSCs的分化能力具有强度相关性,这也从分子和细胞水平解释了本研究第一部分关于“不同强度跑台运动对大鼠骨量的影响具有强度依赖性”的结论；此外,适量的机械应力可通过激活Wnt/β-catenin信号通路,促进BMSCs成骨分化和抑制成脂分化。