引用本文: 王微, 余勤, 凌繼祖. 間歇性低氧對大鼠骨骼發育的影響. 中國呼吸與危重監護雜志, 2019, 18(3): 271-275. doi: 10.7507/1671-6205.201805004 復制
阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)是全球性公共衛生問題,其特征為睡眠狀態下反復發生的上氣道部分或完全阻塞,引起呼吸暫停和(或)低通氣,擾亂機體正常的通氣功能和睡眠結構[1-2]。OSAHS 是兒童常見的呼吸系統疾病,在兒童中的發病率約為 1.2%~5.7%[3-4]。多數研究顯示 OSAHS 可導致兒童生長發育遲緩,主要表現在身長、體重、神經系統等,并隨著間歇性低氧的嚴重程度而加重[5-6]。但是目前關于 OSAHS 對骨骼生長發育的影響尚未明確。本實驗通過模擬 OSAHS 發病過程中形成間歇性低氧這一主要特征,建立大鼠 OSAHS 模型,并對實驗動物的生長發育指標、血清骨鈣素(osteocalcin,OC)含量及骨細胞凋亡情況進行檢測,以探討間歇性低氧對大鼠骨骼生長發育的影響。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及分組
40 只 3~4 周齡無特定病原體級健康雄性 SD 大鼠,平均體重為(114.763±17.156)g。實驗動物及飼料、墊料由蘭州大學實驗動物中心提供,實驗前于安靜環境、自然光照、溫度 20~26 ℃、日溫差≤4 ℃、濕度 40%~60% 條件下適應性飼養 1 周。然后按隨機數字表法分為 2 組,每組 20 只。分別為常氧對照組)和間歇低氧組。本實驗設計符合蘭州大學第一醫院實驗倫理學標準。
1.2 試劑與儀器
大鼠骨鈣蛋白(OT/骨鈣素 BGP)酶聯免疫吸附試劑盒(武漢華美生物工程有限公司),細胞凋亡檢測試劑盒(武漢博士德生物工程有限公司)。醫用氧氣、高純度氮氣由甘肅省蘭州方圓建化有限責任公司提供,CY-12C 測氧儀由浙江省建德市梅城電化學分析儀器廠提供,TKY-BMB 型石蠟包埋機由湖北泰康醫療設備有限公司提供,TKY-TK 攤片烤片機由湖北泰康醫療設備有限公司提供,免疫熒光顯微鏡、光學顯微鏡由日本 Olympus 公司提供,骨密度(bone mineral density,BMD)由美國 GE Lunar Prodigy Advance 直接數字化全自動雙能 X 線骨密度儀檢測。
1.3 方法
1.3.1 模型建立
參照文獻[7-9]的方法設計間歇性低氧模擬艙,艙內循環沖入純氮氣、純氧氣及壓縮空氣。設定程序為 120 s 一個循環周期,包括低氧期(純氮氣 30 s+靜息狀態 10 s)、復氧期(純氧氣 20 s+壓縮空氣 60 s),應用測氧儀實時監測艙內氧濃度,維持低氧期艙內氧濃度在 6%~7%,并在復氧期迅速升高至 21%。相當于睡眠呼吸暫停低通氣指數 30 次/h,監測艙內大鼠最低血氧飽和度可降至 65%~70%,基本可模擬中重度 OSAHS 患者夜間睡眠過程中血氧飽和度的波動情況。常氧對照組置于普通飼養艙內間歇輸入壓縮空氣,輸入時間及流量同間歇低氧組,氧濃度為 21%。每日造模 8 h(09:00–17:00),連續 28 d。造模期間溫度、濕度適宜,飲水自由。
1.3.2 體格發育指標測定
實驗開始當日由 3 名非本課題組成員用卷尺盲法測量大鼠顱頂到尾根的長度,取其平均值即為初始身長,同法用卷尺測量大鼠尾根部到尾尖部的長度,取其平均值即為初始尾長,同時測量每只大鼠的初始體重。兩組間初始值差異無統計學意義(P>0.05)。造模結束處死動物當天測量終末體重、身長、尾長,并計算兩組大鼠體重增長率、身長增長率、尾長增長率。增長率=(終末值-初始值)/初始值×100%。
1.3.3 血清骨鈣素測定
實驗 4 周末將空腹 12 h 的大鼠腹腔注射 10% 水合氯醛麻醉后,經腹主動脈留取血液標本。采用酶聯免疫吸附法檢測大鼠血清骨鈣素濃度,嚴格按照試劑盒說明書操作。使用標準骨鈣素的稀釋液(0.312~20 pg/ml)繪制標準曲線。
1.3.4 股骨長度測定
處死大鼠后,分離每只大鼠的右側股骨,去除附著在骨上的肌肉和結締組織,由 3 名非本課題組成員用游標卡尺盲法測得股骨大轉子和股骨頸匯合處最低點到股骨髁間窩的距離,取其平均值為股骨長度。
1.3.5 BMD 測定
取大鼠右側股骨置于含有 10% 甲醛溶液的廣口瓶中浸泡防腐,由蘭州大學第一醫院骨質疏松科專業測量人員采用美國 GE Lunar Prodigy Advance 直接數字化全自動雙能 X 線骨密度儀檢測大鼠右側股骨 BMD 值。
1.3.6 骨細胞凋亡指數檢測
取大鼠左側股骨,去除附著在骨上的肌肉和結締組織,4% 中性多聚甲醛固定,15% EDTA-2Na 脫鈣,常規石蠟包埋切片,嚴格按照細胞凋亡檢測試劑盒說明書操作,行異硫氰酸熒光素熒光顯色,凋亡的細胞其細胞核呈綠色。用已知陽性片作為陽性對照,熒光顯微鏡下(×400)隨機選取 5 個視野采集圖像,經 ImagePro Plus6.0 圖像分析系統計數各類細胞數,取其平均值。凋亡指數(%)=陽性細胞數/總細胞數×100%。
1.4 統計學方法
應用 SPSS 23.0 統計軟件。計數資料采用均數±標準差(±s)表示,樣本均數間比較采用獨立樣本 t 檢驗,各檢測指標間相關性采用 Pearson 相關分析。P<0.05 為差異有統計學意義。
2 結果
2.1 體格發育指標比較
兩組大鼠間初始體重、身長、尾長值差異無統計學意義(P>0.05),造模 4 周后常氧對照組大鼠體重增長率、身長增長率、尾長的增長率均高于間歇低氧組,差異具有統計學意義(P<0.05)。結果見表 1。


2.2 股骨長度比較
常氧對照組大鼠右股骨長度大于間歇低氧組,差異具有統計學意義(P<0.05)。結果見表 1。
2.3 血清骨鈣素含量比較
常氧對照組大鼠血清骨鈣素濃度高于間歇低氧組,差異具有統計學意義(P<0.05)。結果見表 1。
2.4 BMD 水平比較
常氧對照組大鼠右股骨 BMD 高于間歇低氧組,差異具有統計學意義(P<0.05)。結果見表 1。
2.5 骨細胞凋亡指數比較
常氧對照組大鼠骨細胞凋亡細胞明顯少于間歇低氧組,結果見圖 1。且骨細胞凋亡指數顯著低于間歇低氧組,差異具有統計學意義(P<0.05),結果見表 1。

a:常氧對照組;b:間歇低氧組。常氧對照組大鼠骨細胞凋亡細胞明顯少于間歇低氧組
2.6 間歇低氧組大鼠血清骨鈣素與各參數的相關性分析
行 Pearson 相關分析后發現,間歇低氧組大鼠血清骨鈣素含量與身長增長率、股骨長、BMD 呈顯著正相關(P<0.01)。結果見表 2。

3 討論
OSAHS 是以間歇性低氧為主要病理過程,以多系統損害為特點的一種常見呼吸睡眠障礙性疾病。研究已證實缺氧不僅可直接影響骨細胞的功能[10-11],而且與缺氧有關的疾病,如貧血、腎功能衰竭和慢性呼吸道疾病,常與骨質減少有關[12-13]。但 OSAHS 所致間歇性低氧與上述慢性持續性缺氧不同,其缺氧是短暫高頻間歇性的,存在循環復氧/再氧化,過程類似于缺血再灌注損傷,可導致活性氧自由基氧化應激產物增多,增加交感神經活動,并伴有內皮功能障礙,與慢性持續性缺氧相較可致更嚴重的影響[14]。但目前對于間歇性低氧對骨代謝的調節及機制尚未清楚。有臨床報告稱 OSAHS 可能損害骨代謝[15-16],亦有研究發現 OSAHS 與骨代謝之間沒有任何獨立的聯系[17-18],而 Sforza 等[19]的研究則表明 OSAHS 所致間歇性低氧血癥可刺激骨重塑。這些臨床結果相互矛盾,為排除年齡、性別、體重、健康情況等混雜因素對結果造成的偏倚,本實驗模擬 OSAHS 所致的間歇性低氧條件,探討間歇性低氧對同齡同性別健康大鼠骨骼生長發育的影響。結果顯示兩組大鼠于造模開始時測量的發育指標均無明顯差異(P>0.05),經造模 4 周后,間歇低氧組大鼠的體重增長率、身長增長率、尾長增長率及股骨長、BMD 均低于常氧對照組,差異具有統計學意義(P<0.05)。由此說明該間歇性低氧條件可致大鼠生長發育遲緩,表現為體重、身長、尾長的降低,同時所致股骨長及 BMD 度的改變,說明間歇性低氧不僅影響股骨生長長度,同時影響股骨礦物質鈣化。
在骨骼的生長過程中,各種內分泌因子的調節使骨組織不斷進行骨形成和骨吸收,且二者處于動態變化中。我們推測間歇性低氧不僅抑制骨形成,同時促進骨吸收。而在骨形成生化因子的測試中,Peichl 等[20]證實血清骨鈣素較其他五項血清和尿標記物具有顯著相關性(P<0.000 1)。骨鈣素又稱為維生素 K 依賴骨蛋白(bone vitamin K dependent protein,BGP),是骨細胞外基質中最豐富的非膠原蛋白[21],是反映成骨細胞活性和骨形成的特異性較強的標志物[22]。骨鈣素由成骨細胞在骨基質礦化的時候合成分泌,不斷促進骨形成,增強骨骼的力學性能[23],且含量比較穩定,不受骨吸收因素的影響。故本實驗用酶聯免疫吸附法檢測兩組大鼠血清骨鈣素含量來了解兩組大鼠骨形成水平的差異。結果示間歇低氧組血清骨鈣素水平低于常氧對照組,差異具有統計學意義(P<0.05),由此說明間歇性低氧可導致血清骨鈣素含量降低,在骨形成的層面上抑制骨骼生長發育。行 Pearson 相關分析后發現,間歇性低氧組大鼠血清骨鈣素含量與身長增長率呈中度正相關(r=0.762,P<0.01),與股骨長、BMD 呈顯著正相關(r=0.932、r=0.886,均 P<0.01)。因此認為,間歇性低氧不僅通過減少血清骨鈣素的分泌抑制骨骼的形成,同時抑制骨骼礦物質的鈣化、降低 BMD。
Tomiyama 等[15]研究發現 OSAHS 可導致骨吸收增強,考慮可能與缺氧、氧化應激增加和炎癥這三種機制有關。而缺氧作為一種細胞應激可誘導細胞凋亡[24-25]。細胞凋亡是缺氧所致多系統損傷的重要病理生理機制[26]。我們推測間歇性低氧可誘導骨細胞凋亡,從而促進骨吸收。而本實驗結果中免疫熒光顯色+TUNEL 法檢測兩組大鼠骨細胞凋亡情況,結果顯示常氧對照組陽性細胞數明顯少于間歇低氧組,骨細胞凋亡指數明顯低于間歇低氧組,其差異具有統計學意義(P<0.05)。該結果證實了我們的推測,說明間歇性低氧可誘導骨細胞凋亡從而導致骨吸收增加,可能是骨骼生長發育遲緩及骨質減少的重要病理生理機制。
綜上所述,本實驗設計中的間歇性低氧條件(120 s 循環一次、最低氧濃度 6%~7%,每天 8 h、造模 28 d)可通過減少血清骨鈣素分泌及誘導骨細胞凋亡的途徑,不僅抑制骨形成,同時促進骨吸收、降低 BMD,從而延緩大鼠骨骼的生長發育,包括骨骼的生長和硬化。此外,血清骨鈣素可以作為檢測生長發育,尤其骨骼發育(骨長度、BMD)的敏感指標,為臨床預防、診斷甚至治療 OSAHS 所致生長發育遲緩提供新的思路。
阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)是全球性公共衛生問題,其特征為睡眠狀態下反復發生的上氣道部分或完全阻塞,引起呼吸暫停和(或)低通氣,擾亂機體正常的通氣功能和睡眠結構[1-2]。OSAHS 是兒童常見的呼吸系統疾病,在兒童中的發病率約為 1.2%~5.7%[3-4]。多數研究顯示 OSAHS 可導致兒童生長發育遲緩,主要表現在身長、體重、神經系統等,并隨著間歇性低氧的嚴重程度而加重[5-6]。但是目前關于 OSAHS 對骨骼生長發育的影響尚未明確。本實驗通過模擬 OSAHS 發病過程中形成間歇性低氧這一主要特征,建立大鼠 OSAHS 模型,并對實驗動物的生長發育指標、血清骨鈣素(osteocalcin,OC)含量及骨細胞凋亡情況進行檢測,以探討間歇性低氧對大鼠骨骼生長發育的影響。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及分組
40 只 3~4 周齡無特定病原體級健康雄性 SD 大鼠,平均體重為(114.763±17.156)g。實驗動物及飼料、墊料由蘭州大學實驗動物中心提供,實驗前于安靜環境、自然光照、溫度 20~26 ℃、日溫差≤4 ℃、濕度 40%~60% 條件下適應性飼養 1 周。然后按隨機數字表法分為 2 組,每組 20 只。分別為常氧對照組)和間歇低氧組。本實驗設計符合蘭州大學第一醫院實驗倫理學標準。
1.2 試劑與儀器
大鼠骨鈣蛋白(OT/骨鈣素 BGP)酶聯免疫吸附試劑盒(武漢華美生物工程有限公司),細胞凋亡檢測試劑盒(武漢博士德生物工程有限公司)。醫用氧氣、高純度氮氣由甘肅省蘭州方圓建化有限責任公司提供,CY-12C 測氧儀由浙江省建德市梅城電化學分析儀器廠提供,TKY-BMB 型石蠟包埋機由湖北泰康醫療設備有限公司提供,TKY-TK 攤片烤片機由湖北泰康醫療設備有限公司提供,免疫熒光顯微鏡、光學顯微鏡由日本 Olympus 公司提供,骨密度(bone mineral density,BMD)由美國 GE Lunar Prodigy Advance 直接數字化全自動雙能 X 線骨密度儀檢測。
1.3 方法
1.3.1 模型建立
參照文獻[7-9]的方法設計間歇性低氧模擬艙,艙內循環沖入純氮氣、純氧氣及壓縮空氣。設定程序為 120 s 一個循環周期,包括低氧期(純氮氣 30 s+靜息狀態 10 s)、復氧期(純氧氣 20 s+壓縮空氣 60 s),應用測氧儀實時監測艙內氧濃度,維持低氧期艙內氧濃度在 6%~7%,并在復氧期迅速升高至 21%。相當于睡眠呼吸暫停低通氣指數 30 次/h,監測艙內大鼠最低血氧飽和度可降至 65%~70%,基本可模擬中重度 OSAHS 患者夜間睡眠過程中血氧飽和度的波動情況。常氧對照組置于普通飼養艙內間歇輸入壓縮空氣,輸入時間及流量同間歇低氧組,氧濃度為 21%。每日造模 8 h(09:00–17:00),連續 28 d。造模期間溫度、濕度適宜,飲水自由。
1.3.2 體格發育指標測定
實驗開始當日由 3 名非本課題組成員用卷尺盲法測量大鼠顱頂到尾根的長度,取其平均值即為初始身長,同法用卷尺測量大鼠尾根部到尾尖部的長度,取其平均值即為初始尾長,同時測量每只大鼠的初始體重。兩組間初始值差異無統計學意義(P>0.05)。造模結束處死動物當天測量終末體重、身長、尾長,并計算兩組大鼠體重增長率、身長增長率、尾長增長率。增長率=(終末值-初始值)/初始值×100%。
1.3.3 血清骨鈣素測定
實驗 4 周末將空腹 12 h 的大鼠腹腔注射 10% 水合氯醛麻醉后,經腹主動脈留取血液標本。采用酶聯免疫吸附法檢測大鼠血清骨鈣素濃度,嚴格按照試劑盒說明書操作。使用標準骨鈣素的稀釋液(0.312~20 pg/ml)繪制標準曲線。
1.3.4 股骨長度測定
處死大鼠后,分離每只大鼠的右側股骨,去除附著在骨上的肌肉和結締組織,由 3 名非本課題組成員用游標卡尺盲法測得股骨大轉子和股骨頸匯合處最低點到股骨髁間窩的距離,取其平均值為股骨長度。
1.3.5 BMD 測定
取大鼠右側股骨置于含有 10% 甲醛溶液的廣口瓶中浸泡防腐,由蘭州大學第一醫院骨質疏松科專業測量人員采用美國 GE Lunar Prodigy Advance 直接數字化全自動雙能 X 線骨密度儀檢測大鼠右側股骨 BMD 值。
1.3.6 骨細胞凋亡指數檢測
取大鼠左側股骨,去除附著在骨上的肌肉和結締組織,4% 中性多聚甲醛固定,15% EDTA-2Na 脫鈣,常規石蠟包埋切片,嚴格按照細胞凋亡檢測試劑盒說明書操作,行異硫氰酸熒光素熒光顯色,凋亡的細胞其細胞核呈綠色。用已知陽性片作為陽性對照,熒光顯微鏡下(×400)隨機選取 5 個視野采集圖像,經 ImagePro Plus6.0 圖像分析系統計數各類細胞數,取其平均值。凋亡指數(%)=陽性細胞數/總細胞數×100%。
1.4 統計學方法
應用 SPSS 23.0 統計軟件。計數資料采用均數±標準差(±s)表示,樣本均數間比較采用獨立樣本 t 檢驗,各檢測指標間相關性采用 Pearson 相關分析。P<0.05 為差異有統計學意義。
2 結果
2.1 體格發育指標比較
兩組大鼠間初始體重、身長、尾長值差異無統計學意義(P>0.05),造模 4 周后常氧對照組大鼠體重增長率、身長增長率、尾長的增長率均高于間歇低氧組,差異具有統計學意義(P<0.05)。結果見表 1。


2.2 股骨長度比較
常氧對照組大鼠右股骨長度大于間歇低氧組,差異具有統計學意義(P<0.05)。結果見表 1。
2.3 血清骨鈣素含量比較
常氧對照組大鼠血清骨鈣素濃度高于間歇低氧組,差異具有統計學意義(P<0.05)。結果見表 1。
2.4 BMD 水平比較
常氧對照組大鼠右股骨 BMD 高于間歇低氧組,差異具有統計學意義(P<0.05)。結果見表 1。
2.5 骨細胞凋亡指數比較
常氧對照組大鼠骨細胞凋亡細胞明顯少于間歇低氧組,結果見圖 1。且骨細胞凋亡指數顯著低于間歇低氧組,差異具有統計學意義(P<0.05),結果見表 1。

a:常氧對照組;b:間歇低氧組。常氧對照組大鼠骨細胞凋亡細胞明顯少于間歇低氧組
2.6 間歇低氧組大鼠血清骨鈣素與各參數的相關性分析
行 Pearson 相關分析后發現,間歇低氧組大鼠血清骨鈣素含量與身長增長率、股骨長、BMD 呈顯著正相關(P<0.01)。結果見表 2。

3 討論
OSAHS 是以間歇性低氧為主要病理過程,以多系統損害為特點的一種常見呼吸睡眠障礙性疾病。研究已證實缺氧不僅可直接影響骨細胞的功能[10-11],而且與缺氧有關的疾病,如貧血、腎功能衰竭和慢性呼吸道疾病,常與骨質減少有關[12-13]。但 OSAHS 所致間歇性低氧與上述慢性持續性缺氧不同,其缺氧是短暫高頻間歇性的,存在循環復氧/再氧化,過程類似于缺血再灌注損傷,可導致活性氧自由基氧化應激產物增多,增加交感神經活動,并伴有內皮功能障礙,與慢性持續性缺氧相較可致更嚴重的影響[14]。但目前對于間歇性低氧對骨代謝的調節及機制尚未清楚。有臨床報告稱 OSAHS 可能損害骨代謝[15-16],亦有研究發現 OSAHS 與骨代謝之間沒有任何獨立的聯系[17-18],而 Sforza 等[19]的研究則表明 OSAHS 所致間歇性低氧血癥可刺激骨重塑。這些臨床結果相互矛盾,為排除年齡、性別、體重、健康情況等混雜因素對結果造成的偏倚,本實驗模擬 OSAHS 所致的間歇性低氧條件,探討間歇性低氧對同齡同性別健康大鼠骨骼生長發育的影響。結果顯示兩組大鼠于造模開始時測量的發育指標均無明顯差異(P>0.05),經造模 4 周后,間歇低氧組大鼠的體重增長率、身長增長率、尾長增長率及股骨長、BMD 均低于常氧對照組,差異具有統計學意義(P<0.05)。由此說明該間歇性低氧條件可致大鼠生長發育遲緩,表現為體重、身長、尾長的降低,同時所致股骨長及 BMD 度的改變,說明間歇性低氧不僅影響股骨生長長度,同時影響股骨礦物質鈣化。
在骨骼的生長過程中,各種內分泌因子的調節使骨組織不斷進行骨形成和骨吸收,且二者處于動態變化中。我們推測間歇性低氧不僅抑制骨形成,同時促進骨吸收。而在骨形成生化因子的測試中,Peichl 等[20]證實血清骨鈣素較其他五項血清和尿標記物具有顯著相關性(P<0.000 1)。骨鈣素又稱為維生素 K 依賴骨蛋白(bone vitamin K dependent protein,BGP),是骨細胞外基質中最豐富的非膠原蛋白[21],是反映成骨細胞活性和骨形成的特異性較強的標志物[22]。骨鈣素由成骨細胞在骨基質礦化的時候合成分泌,不斷促進骨形成,增強骨骼的力學性能[23],且含量比較穩定,不受骨吸收因素的影響。故本實驗用酶聯免疫吸附法檢測兩組大鼠血清骨鈣素含量來了解兩組大鼠骨形成水平的差異。結果示間歇低氧組血清骨鈣素水平低于常氧對照組,差異具有統計學意義(P<0.05),由此說明間歇性低氧可導致血清骨鈣素含量降低,在骨形成的層面上抑制骨骼生長發育。行 Pearson 相關分析后發現,間歇性低氧組大鼠血清骨鈣素含量與身長增長率呈中度正相關(r=0.762,P<0.01),與股骨長、BMD 呈顯著正相關(r=0.932、r=0.886,均 P<0.01)。因此認為,間歇性低氧不僅通過減少血清骨鈣素的分泌抑制骨骼的形成,同時抑制骨骼礦物質的鈣化、降低 BMD。
Tomiyama 等[15]研究發現 OSAHS 可導致骨吸收增強,考慮可能與缺氧、氧化應激增加和炎癥這三種機制有關。而缺氧作為一種細胞應激可誘導細胞凋亡[24-25]。細胞凋亡是缺氧所致多系統損傷的重要病理生理機制[26]。我們推測間歇性低氧可誘導骨細胞凋亡,從而促進骨吸收。而本實驗結果中免疫熒光顯色+TUNEL 法檢測兩組大鼠骨細胞凋亡情況,結果顯示常氧對照組陽性細胞數明顯少于間歇低氧組,骨細胞凋亡指數明顯低于間歇低氧組,其差異具有統計學意義(P<0.05)。該結果證實了我們的推測,說明間歇性低氧可誘導骨細胞凋亡從而導致骨吸收增加,可能是骨骼生長發育遲緩及骨質減少的重要病理生理機制。
綜上所述,本實驗設計中的間歇性低氧條件(120 s 循環一次、最低氧濃度 6%~7%,每天 8 h、造模 28 d)可通過減少血清骨鈣素分泌及誘導骨細胞凋亡的途徑,不僅抑制骨形成,同時促進骨吸收、降低 BMD,從而延緩大鼠骨骼的生長發育,包括骨骼的生長和硬化。此外,血清骨鈣素可以作為檢測生長發育,尤其骨骼發育(骨長度、BMD)的敏感指標,為臨床預防、診斷甚至治療 OSAHS 所致生長發育遲緩提供新的思路。