被動運(yùn)動和電刺激對失神經(jīng)大鼠股骨生物力學(xué)性能的影響

被動運(yùn)動和電刺激對失神經(jīng)大鼠股骨生物力學(xué)性能的影響

根據(jù)近年來的研究，大鼠失神經(jīng)控制可導(dǎo)致扔掉骨瘦如柴。廢用性骨質(zhì)疏松癥是指由于長期臥床、制動或失重而導(dǎo)致骨量減少,骨細(xì)微結(jié)構(gòu)退化致骨脆性增加,易于發(fā)生骨折的一種全身性骨骼系統(tǒng)疾病,屬繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的一種特殊類型。本實(shí)驗采用大鼠失神經(jīng)方法制造廢用性骨質(zhì)疏松的動物模型,通過對失神經(jīng)大鼠股骨生物力學(xué)指標(biāo)的綜合評價及干預(yù)的研究,探討被動運(yùn)動和電刺激治療對大鼠失神經(jīng)所致廢用性骨質(zhì)疏松的預(yù)防作用。1研究對象和方法1.1研究主題從四川大學(xué)華西醫(yī)學(xué)院實(shí)驗動物中心購買50只2月齡純種健康雄性SD大鼠,體重為(208.4±13.44)g。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1大鼠分組及標(biāo)記號馴化喂養(yǎng)7天后將50只大鼠分別稱體重,按隨機(jī)設(shè)計法,將大鼠分成A、B兩組,其中A組10只為假手術(shù)組(Sham組),B組40只為造模組,待手術(shù)造模。造模后40只大鼠按完全隨機(jī)法分為去神經(jīng)組(NCG);去神經(jīng)被動運(yùn)動組(PMG);去神經(jīng)電刺激組(ESG);去神經(jīng)被動運(yùn)動+電刺激組(PMESG)4組,每組各10只,各組內(nèi)依次編號并用不同顏色的記號筆做好標(biāo)記。所有大鼠自由進(jìn)食、飲水。1.2.2假手術(shù)組的制備B組造模組大鼠在3%的戊巴比妥鈉(25mg/kg)麻醉下,先將大鼠俯臥位固定于手術(shù)臺,以碘伏將左后肢股骨近段和尾部近段消毒鋪巾,觸摸到股骨大轉(zhuǎn)子后,在大腿后方靠近尾部行長約1cm的切口,逐層分離,在半腱肌、半膜肌和股二頭肌之間找到坐骨神經(jīng),靠近上段予以切除5mm,并將神經(jīng)斷端打結(jié)處理以預(yù)防斷端包塊的形成,然后縫合切口;再置大鼠于仰臥位,正中縱切口,于腹股溝韌帶水平切斷大鼠左側(cè)股神經(jīng),游離遠(yuǎn)端5mm,同樣將神經(jīng)斷端進(jìn)行打結(jié)處理,并縫合切口。假手術(shù)組只分離顯露坐骨神經(jīng)和股神經(jīng)后縫合切口,最后肌注慶大霉素0.1ml,以預(yù)防感染。每天用酒精棉球和碘酒擦拭傷口,直至傷口愈合。1.2.3術(shù)后活動周期去神經(jīng)支配手術(shù)分組后6h內(nèi),對PMG和PMESG組大鼠行去神經(jīng)肢體的被動牽引。將大鼠置于自制的網(wǎng)夾內(nèi),拉出左后肢,抓住趾部,與脊柱呈45°向后外方牽拉,直至左后肢完全伸直(膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)均伸直),然后再向與牽拉方向相反的方向,將左后肢推向身體使之完全屈曲緊貼身體(膝關(guān)節(jié)完全屈曲,踝關(guān)節(jié)完全背屈),如此一個往復(fù)為一個周期。2次/天,5分鐘/次,每側(cè)后肢每天共活動600個周期。整個過程中動作輕柔,速度適中,全關(guān)節(jié)幅度活動,以傷口不滲血為度。1.2.4神經(jīng)電刺激試驗ESG與PMESG組在去神經(jīng)支配手術(shù)分組后6h開始電刺激治療,將大鼠置于自制的網(wǎng)夾內(nèi),拉出左后肢,大鼠左小腿硫化鋇脫毛后,以雙層生理鹽水浸濕紗布包裹,采用JNR22型神經(jīng)肌肉康復(fù)儀進(jìn)行電刺激,將電極固定于皮膚表面,正極置于肢體近側(cè)(左股骨大轉(zhuǎn)子部與尾骨尖之間),負(fù)極置于遠(yuǎn)側(cè),正負(fù)兩極距離為8mm,刺激頻率為2Hz,刺激電壓為20～25V,強(qiáng)度以見到肌肉明顯收縮為標(biāo)準(zhǔn),每次刺激時間15分鐘,上下午各1次。1.2.5動物的股動脈接血法實(shí)驗6周后,各組在安靜狀態(tài)下稱重。所有動物均以股動脈放血處死,每組大鼠剝?nèi)∽髠?cè)股骨、脛腓骨,剔除軟組織,用浸透生理鹽水的紗布包好,在-20℃的冰箱保存?zhèn)溆谩?.2.6載荷-變形本構(gòu)模型將股骨置于Instron萬能材料試驗機(jī)上作三點(diǎn)彎曲實(shí)驗,所有數(shù)據(jù)均由機(jī)器自帶軟件自動記錄,記錄頻率為2mm/min,加載速度為2mm/min,跨距為20mm,記錄其載荷-變形曲線。其中結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)中最大載荷、能量吸收由載荷-變形曲線獲得,材料力學(xué)參數(shù)中彈性模量由應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲得。極限強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度則由相關(guān)指數(shù)及股骨橫切面積計算。1.2.7細(xì)水磨石上磨平截面將斷裂的左側(cè)股骨用粘合劑粘合,于斷裂處(骨的中點(diǎn)附近旁)用牙科鋸將其鋸斷,在細(xì)水磨石上磨平截面。對骨截面進(jìn)行顯微攝影,將截面圖像輸入電腦,然后采用Photoshop圖形處理軟件對其進(jìn)行分析處理,所得結(jié)果再經(jīng)sporthospital不規(guī)則圖形面積分析專用軟件,分析計算股骨橫切面積。1.2.8數(shù)據(jù)處理及分析所有指標(biāo)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,數(shù)理統(tǒng)計采用統(tǒng)計軟件SPSS11.5進(jìn)行單因素方差分析(One-wayANOVA),組間相互比較采用LSD法,對F值明顯的指標(biāo),用T檢驗對各組均值進(jìn)行多重比較。2結(jié)果2.1大鼠活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠術(shù)后活動量明顯減少,大鼠大鼠手術(shù)后30min左右清醒,左后肢無主動屈伸功能,后爪屈曲,以腳掌支持體質(zhì)量,軀體重心減低并前移,前進(jìn)時以臀部和左肢肌群幫助行走,后退時靠腰腹部肌群收縮代償,手術(shù)后大鼠活動量明顯減少。被動牽引和電刺激3天后,大鼠足部腫脹減退,活動量逐漸加大。2.2異外比較見表1由表1可以看出,極限強(qiáng)度Sham組較其他各組明顯高(P<0.01),PMG、ESG和PMESG較NCG明顯高,除PMG具有顯著性差異外(P<0.05),其余各組均具有非常顯著性差異(P<0.01),ESG和PMESG間無明顯差別;彈性模量Sham組較其他各組明顯高(P<0.01),PMG、ESG和PMESG較NCG明顯高(P<0.01),各組間未見明顯差異(P>0.05);最大應(yīng)變Sham組較其他各組明顯降低(P<0.01),PMG、ESG和PMESG較NCG明顯低(P<0.01),組間比較未見明顯差異(P>0.05)。2.3性升溫p>0.1由表2可以看出,結(jié)構(gòu)剛度Sham組較其他各組明顯高(P<0.01),PMG、ESG和PMESG較NCG明顯高,除PMG具顯著性差異外(P<0.05),其余各組呈非常顯著性升高(P<0.01);最大載荷Sham組較其他各組明顯高,其中NCG和PMG具非常顯著性差異(P<0.01),ESG組具顯著性差異(P>0.05),PMESG不具明顯差異(P<0.05),而且PMG、ESG和PMESG較NCG明顯高(P<0.01);能量吸收Sham組較其他各組均明顯高,除PMESG不具明顯差異外(P>0.05),其余各組均具顯著性差異(P>0.01),同時PMG、ESG和PMESG較NCG明顯高,除PMG不具顯著性差異外(P>0.05),ESG、PMESG均具顯著性差異(P<0.05)。3小鼠股骨最大應(yīng)變變化和電刺激試驗的比較骨與其他組織相比,其首要功能是滿足機(jī)體的生物力學(xué)需要。骨生物力學(xué)特性直接反映骨的內(nèi)在質(zhì)量和性能。大量研究證明,雖然骨量與骨強(qiáng)度有很好的相關(guān)性,但骨量并非是骨強(qiáng)度的唯一決定因素。骨質(zhì)疏松導(dǎo)致骨強(qiáng)度下降的機(jī)理不僅僅是骨量的下降,還同時與骨體積、皮質(zhì)骨厚度和松質(zhì)骨小梁結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。因此,對骨質(zhì)疏松性癥預(yù)防和治療的研究,必須更加重視骨質(zhì)疏松骨生物力學(xué)變化的影響。本實(shí)驗采用多項股骨生物力學(xué)指標(biāo)綜合評定股骨生物力學(xué)性能。其中最大載荷反映整骨的最大承載力,極限強(qiáng)度是在載荷作用下抵抗破壞的能力,二者是衡量骨強(qiáng)度的重要指標(biāo)。結(jié)構(gòu)剛度和彈性模量均代表材料的抗變形能力。結(jié)構(gòu)剛度越大,彈性模量越高,則材料的抗變形能力越強(qiáng),材料所需產(chǎn)生一定應(yīng)變的應(yīng)力越大,材料就越堅強(qiáng)。能量吸收又稱材料韌性,它是很重要的一項力學(xué)指標(biāo)。能量吸收越大則材料韌性越大,材料韌性越大則骨質(zhì)對骨折的抵抗力越大。最大應(yīng)變代表最大載荷下材料產(chǎn)生的變形率,一般以百分比來表示。最大應(yīng)變越大則材料的變形率越大,材料越易變形。綜合以上指標(biāo)能夠較全面地反映骨的生物力學(xué)性能。本研究結(jié)果表明,與假手術(shù)組比較,被動運(yùn)動、電刺激單獨(dú)作用組和聯(lián)合治療組大鼠股骨最大載荷、極限強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度、彈性模量以及能量吸收值均顯著性降低(P<0.05),大鼠股骨最大應(yīng)變值明顯升高;與對照組比較,各干預(yù)治療組大鼠股骨最大載荷、極限強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度、彈性模量以及能量吸收值均顯著性升高(P<0.05),大鼠股骨最大應(yīng)變明顯降低。眾多實(shí)驗表明,運(yùn)動能夠防治廢用性骨質(zhì)疏松。自1989年Woff定律提出以來,已有大量研究表明負(fù)重和運(yùn)動能促進(jìn)骨形成。國外文獻(xiàn)率先報道了運(yùn)動與廢用性骨質(zhì)疏松的關(guān)系。1948年Abrams就指出運(yùn)動能防止截癱所致的骨質(zhì)疏松。Freeman報道運(yùn)動甚至靜立都可對預(yù)防和康復(fù)骨質(zhì)疏松有明顯作用,然而早期運(yùn)動訓(xùn)練對預(yù)防和減輕骨質(zhì)疏松的重要性并沒有引起人們的廣泛重視。早期運(yùn)動使肌肉收縮活動產(chǎn)生對骨的壓力,可以刺激骨形成,減少骨礦物質(zhì)的損失。鐘紹芬發(fā)現(xiàn):早期運(yùn)動治療組發(fā)生骨質(zhì)疏松癥病人低于非運(yùn)動對照組,說明早期運(yùn)動能有效地預(yù)防和減輕外傷后長期臥床引起的骨質(zhì)疏松癥。本研究結(jié)果表明,在大鼠去神經(jīng)后,各組大鼠股骨抗變形能力、承受最大載荷的能力以及股骨韌性均顯著降低,提示大鼠去神經(jīng)后結(jié)構(gòu)力學(xué)性能均顯著降低;與對照組比較,被動運(yùn)動組抗變形能力、承受最大載荷的能力以及股骨韌性均相對升高,說明被動運(yùn)動能有效預(yù)防大鼠去神經(jīng)后股骨材料力學(xué)性能的降低,從一定程度上表明被動運(yùn)動能較好地預(yù)防去神經(jīng)所致的廢用性骨質(zhì)疏松。電刺激對成骨細(xì)胞有增殖作用,能影響骨的代謝和重建,達(dá)到抑制骨衰退和逆轉(zhuǎn)骨質(zhì)疏松癥的作用,所以其不僅僅局限于促進(jìn)骨折愈合等骨科治療,而且已廣泛應(yīng)用于骨質(zhì)疏松的預(yù)防與治療。臨床應(yīng)用結(jié)果表明,對90%以上患者,能顯著改善臨床癥狀,大部分患者骨密度有不同程度提高。毋庸置疑,電刺激對維持有效骨骼結(jié)構(gòu)、防治骨質(zhì)疏松具有巨大的臨床應(yīng)用潛力,顯示出廣闊的臨床應(yīng)用前景。李明等曾報道,大鼠在切斷坐骨神經(jīng)后,予以6KHz中頻電流連續(xù)刺激12d顯示,大鼠脛骨平均干、濕、灰重等指標(biāo)與正常組無明顯差異。本實(shí)驗研究中證明,電刺激影響了失神經(jīng)大鼠股骨生物力學(xué)性能的改變,減緩了失神經(jīng)大鼠股骨生物力學(xué)性能的下降。被動運(yùn)動和電刺激,是臨床康復(fù)中預(yù)防肌肉萎縮和保持關(guān)節(jié)活動度的常用方法,而兩種方法對失神經(jīng)支配后,是否能有效地保持一定骨量尚未明確。過去研究認(rèn)為,通過電刺激可對骨產(chǎn)生壓電效應(yīng),使骨處于一定的應(yīng)力環(huán)境中。被動運(yùn)動則可能通過機(jī)械牽伸影響骨的微循環(huán)。然而被動運(yùn)動和電刺激預(yù)防廢用性骨質(zhì)疏松的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。4被動運(yùn)動和電刺激治療4.1失神經(jīng)支配后,大鼠股骨生物力學(xué)性能明顯下降。大鼠失神經(jīng)支配造成廢用性骨質(zhì)疏松,這與以往文獻(xiàn)研究報道一致。4.2被動運(yùn)動和電刺激均影響了失神經(jīng)大鼠股骨生物力學(xué)性能的改變,減緩了失神經(jīng)大鼠股骨生物力學(xué)性能的下降,表明