چکیده
زمینه و هدف: پوکی استخوان یک بیماری پیچیده است که با کاهش توده استخوانی، منجر به ضعف استخوان و افزایش قابلیّت شکستگی میگردد. هدف از مطالعه حاضر، تعیین تغییرات اسکلتی ناشی از دو برنامه تمرینی با بار فزآینده بر ویژگیهای استخوانی رتهای نر استئوپروتیک بود.
روش تحقیق: این مطالعه تجربی، بر روی 30 سر رت نر بالغ از نژاد ویستار با میانگین وزن اولیه 180-200 گرم انجام شد. 24سر رت در چهار گروه تجربی شامل: گروه پایه (پیشآزمون)، تمرین مقاومتی، تمرین استقامتی و کنترل قرار گرفتند. 6 سر رت نیز به عنوان گروه سالم درنظر گرفته شدند. در رتهای گروههای تجربی، با تزریق داخل صفاقی محلول اتانول 20% (3 گرم/کیلوگرم/روز)، برای چهار روز پیاپی بهمدّت 3هفته، پوکی استخوان ایجاد گردید. دو گروه تمرینی، 5 روز در هفته بهمدت 12 هفته برنامه تمرینی را طبق پروتکل مقاومتی یا استقامتی اجرا کردند. بر روی رتهای گروه سالم، هیچگونه مداخلهای صورت نگرفت. در پایان مداخله، حیوانات کشته شدند و تراکم ماده معدنی استخوان (BMD) فمور و مهره چهارم و پنجم کمری (L4+L5) اندازهگیری شد. حداکثر بار کششی تیبیا چپ و فشاری مهره پنج کمری توسط تست مکانیکی، اندازهگیری گردید.
برای تجزیه و تحلیل دادهها، از نرمافزار آماری SPSS (ویرایش 20) و آزمونهای آماری Kalmogorov– Smiranov، Levene، Independent t-Test، Paired t-Test، One-way ANOVA و آزمون تعقیبی Tukey در سطح معنیداری 05/0 استفاده شد.
یافتهها: گروههای استقامتی (035/0P=) و مقاومتی (001/0P=)، افزایش معنیداری در BMD فمور در مقایسه با گروه کنترل داشتند. BMD L4 و L5 گروه مقاومتی و کنترل، بهطور معنیداری بالاتر از گروه استقامتی بود (001/0 P=و 001/0P=). حداکثر بار کششی تیبیا و فشاری مهره پنجم کمری گروه مقاومتی بهطور معنیداری بالاتر از گروه کنترل بود (01/0P= و 03/0P=).
نتیجهگیری: تمرین مقاومتی در مقایسه با تمرین استقامتی، میتواند تغییرات مناسب مؤثّرتری را در تراکم معدنی و قدرت مکانیکی القا کند.
واژههای کلیدی: پوکی استخوان، تمرین بدنی، تراکم ماده معدنی، استحکام مکانیکی
مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی بیرجند. 1394؛ 22 (4): 327-339 .
دریافت: 25/03/1394 پذیرش: 10/08/1394
مقدمه
استخوان یک بافت متابولیکی فعال است که با دو فرآیند بازجذب[3] و تشکیل[4] پیوسته بازسازی میشود. عدم تعادل بین این دو فرآیند منجر به پوکی استخوان[5] میگردد. این بیماری باعث نقص در قدرت و توده استخوانی شده و منجر به افزایش شکستگی استخوان میگردد (1). در ایران 50درصد مردان و 70درصد زنان بالای پنجاه سال، مبتلا به پوکی استخوان و یا استئوپنی هستند (2). شکستگی هیپ و مهرهها بهعنوان شایعترین شکستگیهای استئوپروتیکی هستند که با افزایش خطر مرگ و میر ارتباط دارند (3، 4). از سوی دیگر عوارض ثانویه پوکی استخوان از قبیل دفورمیتی ستون فقرات در اثر فشردگی قدامی مهرهها، باعث ایجاد علائمی چون کمر درد و کاهش عملکرد تنفسی میگردد (4-6). با توجه به شیوع شکستگی مهرههای کمر و لگن در اثر پوکی استخوان و هزینههای درمانی این شکستگیها (7)، تمرکز بر این نواحی حساس به کاهش توده استخوانی را ضروری مینماید.
در حالی که گزینههای دارویی برای پیشگیری و درمان پوکی استخوان در دسترس است، اما استفاده بلندمدت از این داروها، بهدلیل عوارض جانبی دارای محدودیت است. از این رو محققان بهدنبال استراتژیهای غیر دارویی برای پیشگیری و درمان پوکی استخوان هستند تا جایگزین روشهای دارویی شوند. شواهد نشان میدهند ورزش، یک مدل قابل دسترس و بدون عوارض جانبی برای پیشگیری و درمان این بیماری است؛ علاوه بر آن، با تقویت عضلات باعث افزایش ثبات قامتی فرد شده و از خطر افتادنهای منجر به شکستگی نیز جلوگیری میکند. فعالیت بدنی میتواند نقش اساسی در بازسازی استخوان ایفا کند (1) و از طریق سازگاریهای حاصل از اعمال بار مکانیکی، تأثیر مفیدی بر استحکام و قدرت استخوان داشته باشد. هر چند فرآیندهای بیولوژیکی در پاسخ استئوژنیک استخوان به فشارهای مکانیکی اعمالشده توسط فعالیت بدنی کاملاً شناخته نشدهاند، اما یافتهها حاکی از آن است که این فرآیندها با افزایش سن مختل میشود (8)؛ بنابراین توجه به این نکته ضروری است که تنها تمرینات معینی میتوانند حفظ یا تشکیل استخوان را بهبود بخشند.
با وجود حجم زیاد مطالعات انجامشده در زمینه اثربخشی تمرینات بدنی در مهار پوکی استخوان، نتایج ناهمگون زیادی گزارش شده است .به عنوان مثالHagihara و همکاران (2009) در مطالعه خود نشان دادند که 8هفته دویدن روی تردمیل (15متر/دقیقه، 5روز/هفته، 30 دقیقه/روز) موجب افزایش استحکام استخوان ران رتهای استئوپروتیک نر گردید؛ درحالیکه همان پروتکل با مدّتزمان 180 دقیقه، بافت میلهای استخوان را کاهش داد (9). Iwamoto و همکاران (2009) نیز در مطالعه خود با هدف مقایسه سه نوع شدت تمرین استقامتی نشان دادند که پروتکل تمرینی 12متر در دقیقه بهمدت یک ساعت در روز، باعث افزایش تراکم معدنی تیبیا و قدرت مکانیکی فمور شد؛ در حالی که تراکم معدنی و حداکثر بار فشاری مهره پنجم کمر در دو شدت تمرینی دیگر با گروه کنترل تفاوت معنیداری نداشت (10). در مطالعهJoo و همکاران (2003) نیز 10 هفته تمرین بر روی تردمیل، قدرت مکانیکی استخوان را از طریق افزایش BMD (Bone mineral density)، ضخامت بافت متراکم و حداکثر بار بهبود بخشید (11). در همین راستا Aguiar (2010)(12) و Hinrichs و همکاران (2010)(13) در مطالعات خود نشان دادند که 8 هفته تمرینات مقاومتی و استقامتی، تنها توانست در گروه تمرین مقاومتی، حداکثر بار مکانیکی فمور را افزایش دهد. این مطالعه، پاسخ متفاوت دو نوع مدل تمرینی را بر ویژگیهای مکانیکی استخوان فمور رتهای نر نشان داد. در مقابل، نتایج مطالعه De Souza و همکاران (2013)، اثرات درمانی بالقوّه دو نوع تمرین استقامتی و مقاومتی در حفاظت استخوان در مقابل شکستگیهای استئوپروتیکی را نشان داد (14). با وجود اثبات اثر مثبت تمرین بدنی بر استخوان در این مطالعات و مطالعات دیگر، ویژگیهای تمرین از قبیل: شدّت[6]، مدّت[7]، تکرار[8] و نوع تمرین که بهطور مؤثّرتری توده استخوان را افزایش و یا تخریب آن را کاهش دهد، بهطور قطع تعیین نشده است (15).
شواهد علمی نشان میدهد که تمرین مقاومتی بهعنوان محرّکی کارآمد برای افزایشدادن پاسخهای استئوژنیک استخوان عمل میکند؛ اما هنوز نتایج متناقضی توسط پژوهشگران گزارش میشود. در مطالعه حاضر، با بهکارگیری دو نوع تمرین بدنی با ماهیّت متفاوت، اثرات دو تمرین بر بهبود بافت استئوپروتیک سنجیده شد تا پاسخ استئوژنیک استخوان در برابر بار مکانیکی متفاوت تمرینها، مقایسه شود. از سوی دیگر، BMD بهعنوان کمّیت بافت استخوان، تنها یکی از شاخصهای سلامت استخوان است؛ در حالی که مقاومت استخوان در برابر شکستگی، به اثر متقابل تمام ویژگیهای استخوانی وابسته است. همچنین از اثر تمرین بر توده استخوانی و قدرت مکانیکی، گزارشهای متناقضی بیان شده است. برای مثال در مطالعه Drummond و همکاران (2013)، تمرین مقاومتی با وزنه، خواص مکانیکی استخوان فمور موشهای نر را افزایش داد، اما افزایشی در BMC (Bone mineral content) و BMD مشاهده نشد (16). از طرفی بهدلیل محدودیت لزوم ارزیابی غیر تهاجمی استخوان در انسان، مطالعات انسانی در زمینه بررسی اثر تمرین بر استخوان، تنها بر ارزیابی BMD متمرکز شدهاند. برای درک بهتر پاسخهای سازگاری ورزش، کاربست ابزارهای بیومکانیکی قابل توجه است تا بتوان نقش اثرگذار یک شیوه تمرینی خاص و بهینه که پتانسیل بیشتری را در مسیر پیشگیری و درمان نسبی استئوپروسیس استخوان دارد، آشکار نمود. ارزیابی سایر ویژگیهای مرتبط با قدرت استخوان در کنار BMD، بهعنوان مرسومترین روش ارزیابی استخوان، با امکان مقایسه نتایج، میتواند بر تأیید یا عدم تأیید نتایج BMD صحّه بگذارد.
در این مطالعه در کنار دگزا، از تست مکانیکی بهعنوان یک روش کاملاً تهاجمی که مقاومت در برابر شکستگی را بهصورت عینی اندازه میگیرد، استفاده گردید، تا در صورت همسو بودن نتایج دو روش، بتوان از نتایج دگزا با اطمینان بیشتری استفاده کرد. از طرفی با توجه به حساسیت بیشتر استخوانهای متحمّل وزن مانند فمور در رت، به تمرین تردمیل و در مقابل نیز با اعمال تمرینات موضعی در ناحیه کمر در تمرین مقاومتی، به بررسی نظریه موضعیبودن[9] اثر تمرین بر استخوان پرداخته شد. بنابراین هدف مطالعه حاضر، مقایسه اثر دو نوع برنامه تمرینی استقامتی و مقاومتی بر BMD و استحکام مکانیکی استخوان ران و مهرههای کمری رتهای نر استئوپروتیک بود.
روش تحقیق
حیوانات: مطالعه تجربی حاضر، بر روی 30 سر رت نر بالغ نژاد ویستار با میانگین وزن اولیه 180-200 گرم انجام شد. بر طبق استانداردهای موجود، کلیه رتها در گروههای سهتایی در قفسهایی از جنس پلیکربنات شفاف و در دمای 2±22 درجه سانتیگراد، رطوبت 55درصد و سیکل روشنایی تناوبی 12ساعت نور- خاموشی نگهداری شدند. در طول مدت مطالعه، رتها دسترسی نامحدود به آب داشتند. تغذیه رتها با پلت غذا، ساخت شرکت بهپرورکرج (95/0% کلسیم و 70/0% فسفر) انجام گرفت. وزن بدن و غذای دریافتی رتها بهصورت روزانه پیش از تمرین اندازهگیری شد.
طرح آزمایش[10]: از مجموع 30 سر رت، 6 سر بهصورت تصادفی برای تعیین میزان طبیعی پارامترهای استخوان سالم قبل از تزریق اتانول، بهعنوان گروه سالم انتخاب شدند. به 24 رت باقیمانده، برای کاهش چگالی استخوان و القای پوکی استخوان، 3گرم محلول 20% الکل بهازای هر کیلوگرم وزن بدن، بهروش داخل صفاقی بهمدت 3هفته (یکنوبت/روز و 4روز/هفته) تزریق گردید (17). با توجه به اینکه ارزیابی تهاجمی هیستومورفومتری[11] و دنسیتومتری[12] استخوان در موشها، مستلزم استخراج نمونههای استخوانی و انهدام حیوان است، بنابراین تعداد 6 سر موش استئوپروتیک بهصورت تصادفی، بهعنوان گروه مرحله پایه (پیشآزمون گروههای مورد مطالعه) انتخاب شد تا امکان ارزیابی متغیّرهای تحقیق در پیش و پس آزمون و همچنین امکان مقایسه با گروه سالم برای اطمینان از ایجاد پوکی استخوان در گروههای مورد مطالعه فراهم گردد. سپس سایر موشها به 3 گروه شامل گروههای: استقامتی، مقاومتی و کنترل (6n=) تقسیم شدند. شروع تمرینها در 12هفتگی موشها بود. موشها پس از 12 هفته تمرین، در 24هفتگی کشته شدند.
تمرین استقامتی: رتهای گروه تمرین استقامتی بهمدت 12هفته، برنامه تمرینی دویدن بر روی تردمیل با شیب صفر، 12متر/دقیقه، 5روز/هفته، یک جلسه (10دقیقه)/روز در هفته اول و بهطور پیشرونده تا 64دقیقه در هفته دوازدهم را اجرا کردند. برنامه آشناسازی شامل یک هفته دویدن بهصورت 8 تا 10متر/دقیقه، 5روز/هفته و 5 تا10دقیقه/روز بود (18).
تمرین مقاومتی: رتهای گروه تمرین مقاومتی، بر روی یک نردبان با طول cm110 (شیب °80) با وزنههای متصل به دُم آنها، تمرین داده شدند. جلسات تمرین بهمدت 12 هفته بهصورت یک جلسه در روز و 5 جلسه در هفته بهطول انجامید. هر جلسه تمرین شامل 8 ست بالارفتن بود. وزنه حملشده در طی هر جلسه بهطور پیشرونده افزایش داشت؛ به طوری که در ستهای اول و دوم برابر با 50%، در ستهای سوم و چهارم 75%، ستهای پنجم و ششم 90% و در پایان ستهای هفتم و هشتم 100% وزن بدن حیوان بود. بین دو ست، 60 ثانیه استراحت وجود داشت (19). قبل از تمرین اصلی، یک هفته آشناسازی با نردبان انجام شد. در طی این مدت، رتها در یک سوم بالایی، میانی و پایینی نردبان قرار میگرفتند و به بالا هدایت میشدند.
آمادهسازی نمونههای استخوانی: پس از 12 هفته تمرین، رتها در ظرف دسیکاتور بهوسیله اتر بیهوش شدند. استخوان تیبیای چپ برای آزمایش استحکام کششی و استخوان فمور راست و مهرههای کمری چهار و پنج برای ارزیابی تراکم ماده معدنی و تست فشاری مهره پنجم کمری، از بافت نرم جدا شده و تا زمان انجام آزمایش، در دمای 20- درجه سانتیگراد در فریزر نگهداری شدند. 3 ساعت قبل از انجام آزمایش، نمونهها در دمای اتاق قرار داده شده و با سالین مرطوب شدند.
دنسیتومتری استخوان[13]: BMD متافیز فمور و مهرههای کمری چهارم و پنجم بهوسیله دستگاه DEXA
(lunar, Madison, WI, USA) که به نرمافزار
Ultra-high resolution mode برای حیوانات کوچک تجهیز شده بود، در مرکز رادیولوژی دکتر نورالدینی اندازهگیری شد. مهره پنجم پس از دنسیتومتری، در دمای 20- درجه سانتیگراد تا زمان تست مکانیکی نگهداری شد (11).
تست کششی: برای بررسی استحکام کششی تیبیا از دستگاه تست مکانیکی Zwick z 2.5
((2/5 HS, WN 150888, Germany² آزمایشگاه بیومکانیک دانشگاه تربیت مدرس استفاده شد. پس از نصب فک مناسب بر روی دستگاه، تمام استخوان با استفاده از یک فیکسچر مناسب بر روی فکها نصب شد. تست کشش تکمحوری با سرعت کلگی 1/0 میلیمتر/ثانیه تا شکست کامل انجام شد. از منحنی لود- دفورمیشن، مقادیر حداکثر بار (نیوتن) بهدست آمد.
تست فشاری: این تست بهوسیله دستگاه تست مکانیکیZwick انجام شد. با برداشتن انتهاهای دمی[14] و جمجمهای (Caudal) جسم مهره، سطح مسطّح استوانهای شکل با ارتفاع 5/3میلیمتر بهدست آمد. نمونه در مرکز دیسک استیل فک پایین (10 سانتیمتر) گذاشته شد و نیروی فشاری توسط دیسک استیل فک بالا (8/1 سانتیمتر) با سرعت 2میلیمتر/دقیقه بهطرف پایین اعمال شد. اعمال بار تا 50% حداکثر مقاومت مکانیکی استخوان ادامه یافت. در پایان، مقادیر حداکثر بار (نیوتن) از منحنی نیرو-جایجایی
(Load–deformation) بهدست آمد و برای تجزیه و تحلیل آماده شد.
تجزیه و تحلیل آماری: برای تجزیه و تحلیل دادهها، از نرمافزار SPSS (ویرایش 20) و آزمونهای آماری Kalmogorov– Smiranov، Levene، Independent t-Test، Paired t-Test، One-way ANOVA و آزمون تعقیبی Tukey استفاده شد. از آزمون Kalmogorov– Smiranov برای بررسی توزیع نرمال دادهها و از آزمون Levene برای بررسی همگونی واریانس دادهها استفاده شد. همچنین از آزمون Independent t-Test برای مقایسه متغیرها بین دو گروه سالم و پایه برای بررسی القای استئوپروسیس و از آزمون Paired t-Test برای بررسی تغییرات متغیرهای مطالعه، قبل و پس از 12 هفته تمرین استفاده گردید. از آزمونهای One-way ANOVA و آزمون تعقیبی Tukey نیز برای بررسی تغییرات بینگروهی پس از 12 هفته تمرین در سطح معنیداری 05/0 استفاده شد.
یافتهها
تمامی دادهها دارای توزیع نرمال بودند. نتایج نشان داد که تفاوت معنیداری در میزان وزن و سن آزمودنیها وجود نداشت (جدول 1). برای بررسی تأثیر الکل بر ایجاد استئوپروسیس در گروههای مورد مطالعه، به مقایسه بافت ترابکولار و BMD دو گروه پایه استئوپروتیک (پیشآزمون) و سالم پرداخته شد. بر این اساس، نتایج مطالعه اولیه (آزمون Independent t-Test) نشان داد که BMD گروه استئوپروتیک پایه (019/0±12/0) در مقایسه با گروه سالم (01/0±22/0) کاهش معنیداری داشت (00/0p=)؛ همچنین درصد ترابکولا گروه استئوپروتیک پایه (00/7±21/13) در مقایسه با گروه سالم (10/8±16/40) بهطور معنیداری کاهش داشت (00/0p=)(نمودار 1).
یافتههای دنسیتومتری استخوان: بر اساس نتایج ارائهشده در جدول 2، 12 هفته تمرین استقامتی و مقاومتی باعث افزایش معنیدار BMD استخوان فمور نسبت به مقادیر پیشآزمون شد (001/0P=، 000/0P=)؛ در حالی که این افزایش در گروه کنترل معنیدار نبود (144/0P=). نتایج BMD L4+L5 دو گروه کنترل و مقاومتی، افزایش معنیداری نسبت به مقادیر پیشآزمون داشت (000/0P= و 002/0P=)؛ در حالی که این تفاوت در گروه استقامتی معنیدار نبود (235/0P=).
از طرفی بر اساس نتایج آزمون One-way ANOVA و آزمون تعقیبی Tukey، BMD استخوان فمور دو گروه تمرین مقاومتی و استقامتی تفاوت معنیداری نداشت (241/0P=)، اما این متغیر در دو گروه استقامتی و مقاومتی بهطور معنیداری بالاتر از گروه کنترل بود (بهترتیب 035/0P= و 001/0P=). بین L4+L5 BMD گروه کنترل و مقاومتی تفاوت معنیداری وجود نداشت (999/0P=)؛ اما این متغیّر در دو گروه کنترل و مقاومتی بهطور معنیداری بالاتر از گروه استقامتی بودند (001/0P= و 001/0P=)(نمودار 1).
یافتههای قدرت مکانیکی استخوان: بر اساس نتایج ارائهشده در جدول سه، 12 هفته تمرینی استقامتی و مقاومتی منجر به افزایش معنیدار حداکثر بار فشاری مهره پنجم کمری نسبت به مقادیر پایه شد (005/0P= و 001/0P=)؛ در حالی که افزایش معنیداری در گروه کنترل بهدست نیامد (051/0P=). نتایج حداکثر بار کششی تیبیا نشان داد که مقدار آن در هیچکدام از گروههای مورد مطالعه، افزایش معنیداری نسبت به مقادیر پایه نداشت. از طرفی بر اساس نتایج آزمون آنالیز واریانس یکطرفه و آزمون تعقیبی Tukey، تنها حداکثر بار فشاری مهره پنج کمری و حداکثر بار کششی تیبیا گروه مقاومتی بهطور معنیداری بالاتر از گروه کنترل بود (بهترتیب: 03/0P= و 01/0P=)(نمودار 2).
جدول 1- میانگین±انحرافمعیار وزن بدن رتهای نر استئوپروتیک، قبل و پس از 12 هفته تمرین
وزن بدن (گرم) |
سن (هفته) |
مرحله |
گروه (6n=) |
246/50 |
12 |
پیشآزمون |
استقامتی |
393/50 |
24 |
پسآزمون |
|
249/67 |
12 |
پیشآزمون |
مقاومتی |
404/17 |
24 |
پسآزمون |
|
250/83 |
12 |
پیشآزمون |
کنترل |
408/67 |
24 |
پسآزمون |
جدول 2- میانگین±انحرافمعیار تراکم ماده معدنی استخوان فمور و L4+5 رتهای نر استئوپروتیک، قبل و پس از 12 هفته تمرین
تراکم ماده معدنی مهره چهارم+پنجم (g/cm2) |
تراکم ماده معدنی فمور (g/cm2) |
مرحله |
گروهها (6=n) |
08/0±018/0 |
12/0±019/0 |
پیشآزمون |
استقامتی |
10/0±047/0○ * |
19/0±022/0● ♯○ |
پسآزمون |
|
08/0±0/018 |
12/0±019/0 |
پیشآزمون |
مقاومتی |
26/0±060/0●♯ |
21/0±006/0♯●○ |
پسآزمون |
|
08/0±0/018 |
12/0±019/0 |
پیشآزمون |
کنترل |
26/0±014/0 ●♯ |
15/0±032/0 |
پسآزمون |
●: نشانه اختلاف معنیدار در سطح 05/0 و ♯ در سطح 01/0 در مقایسه با مقادیر پایه. ○: نشانه اختلاف معنیدار در سطح 05/0 در مقایسه با گروه کنترل.
*: نشانه اختلاف معنیدار در سطح 05/0 در مقایسه با گروه مقاومتی
جدول 3- میانگین±انحرافمعیار حداکثر بار کششی تیبیا و فشاری مهره پنجم رتهای نر ویستار استئوپروتیک، قبل و پس از 12 هفته تمرین
مهره پنجم کمری |
تیبیا |
مرحله |
گروهها (6=n) |
حداکثر بار (نیوتن) |
حداکثر بار (نیوتن) |
||
221/80±05/25 |
00/50±64/11 |
پیشآزمون |
استقامتی |
80/299±28/34 ●.●● |
38/59±98/15 |
پسآزمون |
|
221/80±05/25 |
00/50±64/11 |
پیشآزمون |
مقاومتی |
346/ 07±30/60 ●.●●○ |
64/15±18/12○ |
پسآزمون |
|
221/80±05/25 |
00/50±64/11 |
پیشآزمون |
کنترل |
268/41±65/37 |
18/44±73/9 |
پسآزمون |
● نشانه اختلاف معنیدار در سطح 05/0 و ●● در سطح 01/0 در مقایسه با پیشآزمون. ○: نشانه اختلاف معنیدار در سطح 05/0 در مقایسه با گروه کنترل * نشانه اختلاف معنیدار در سطح 05/0 در مقایسه با گروه مقاومتی