体育锻炼时间对小鼠骨骼生长的差异性影响

引言

骨骼生长对于成年人的身高和骨骼健康至关重要。研究表明，体育锻炼能有效提高骨密度，但最佳的锻炼时间尚不明确。本研究通过比较不同时间段锻炼对小鼠骨骼生长的影响，探讨最佳锻炼时间。

研究由华中科技大学同济医学院口腔医学院和其他几所科研机构共同完成，发表于《Nature Metabolism》。

背景与目的

现有研究证实体育锻炼可增加骨质量和强度，但不同时间段锻炼对骨骼生长的差异性影响仍未明确。本研究旨在探讨一天中不同时间段的锻炼对小鼠骨骼生长的影响，揭示其背后的分子机制。

研究方法

实验对象与分组

研究对象为华中科技大学同济医学院实验动物中心提供的3周龄C57BL/6J小鼠，共计890只雄性和98只雌性。实验分为6组，其中早期静息期ZT1组、早期活跃期ZT13组、ZT17组、ZT21组和对照组。小鼠在跑步机上进行每天30分钟、每周五天的锻炼，持续5周。

实验步骤

1. 锻炼方案

   • 第1天至第5天小鼠在跑步机上逐步适应，从6 m/min逐渐加速至16 m/min。
   • 随后的4周，小鼠每周五天，每天在16 m/min速度下跑步30分钟。

2. RNA测序

   • 提取静止和锻炼小鼠的骨骼组织总RNA，进行RNA测序分析。
   • 利用JTK_CYCLE算法分析骨骼组织基因的昼夜节律表达。

3. 微型计算机断层扫描（Micro-CT）

   • 利用微型计算机断层扫描仪测量锻炼和静息小鼠的股骨总长度、骨体积/组织体积比（BV/TV）、小梁厚度（Tb.Th）等参数。

4. 代谢组学和蛋白质组学分析

   • 研究不同时间段锻炼对小鼠骨骼代谢途径的影响，包括TCA循环和氧化磷酸化（OXPHOS）等。

主要结果

骨骼生长效果

实验发现，早期活跃期（ZT13）锻炼的小鼠股骨长度增加了5%，BV/TV增加了26%，Tb.Th增加了54%。相较于其他时间段锻炼，ZT13锻炼对骨骼生长的促进作用更加显著。

基因表达分析

ZT13锻炼显著上调了骨骼生长相关基因的表达，包括涉及骨骼生长、基质合成和能量代谢等基因。ZT13锻炼组共有10.1%的基因表达增加，10.3%的基因表达减少，显著高于其他时间段的变化百分比。

代谢路径分析

ZT13锻炼组的TCA循环和OXPHOS相关基因显著上调，而ZT1锻炼组主要高表达糖酵解途径相关基因。ZT13锻炼通过增加ATP产量和NAD+/NADH比率，促进骨骼细胞的增殖和分化。

OXPHOS激活与骨骼生长

通过微型正电子发射断层扫描（PET）对锻炼小鼠骨骼氧代谢的实时观察，发现ZT13锻炼显著增加了骨骼组织中的氧化磷酸化活性，增加了少量能量代谢中间产物的积累。

利用氧化磷酸化激活剂AICAR进一步证明，早期活跃期对骨骼生长的显著促进作用，主要通过增强骨骼组织的OXPHOS活动实现。

结论

本研究表明，锻炼的最佳时间是早期活跃期（ZT13），因为这个时间段的锻炼最能促进骨骼生长。这是通过显著增加与骨骼生长相关的基因表达和能量代谢途径实现的。

研究意义

结果表明，适时的体育锻炼策略可以显著提高骨骼健康，特别是在儿童和青少年时期，有助于他们最大化骨骼生长潜力。通过明确适宜的锻炼时间，可以帮助设计更科学的锻炼方案，预防骨骼疾病的发生。

该研究不仅在理论上提出了“最佳锻炼时间”对骨骼生长的差异性影响，还在实践上为非药物干预骨骼生长提供了新的视角和方法。

研究亮点

• 本研究深入揭示了锻炼时间对骨骼生长的显著影响及其分子机制。
• 通过高通量转录组学和代谢组学分析，首次确认了不同时间段锻炼对骨骼组织能量代谢途径的调控作用。
• 发现了锻炼在早期活跃期对骨骼健康的潜在重要性，为设计优化的骨健康干预方案提供了理论依据。