肥胖通過代謝、炎癥和生物力學因素增加膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（OA）的風險。OA的發(fā)生受代謝綜合癥的影響。了解這些系統(tǒng)性代謝條件（如過度肥胖、胰島素抵抗、高血壓和血脂異常），有助于了解OA的發(fā)病機制和對該疾病治療的研究。

Timothy M. Griffin，Albert Batushansky ，Joanna Hudson，Erika Barboza Prado Lopes等研究了上述相關(guān)課題，即：慢性飲食誘導的肥胖后自主跑步運動對小鼠膝關(guān)節(jié)OA相關(guān)軟骨和骨病理的影響。他們使用基于相關(guān)性的網(wǎng)絡分析來確定不同飲食組和運動組中與早期膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎表型相關(guān)的系統(tǒng)和局部因素，并將研究過程和結(jié)論發(fā)表在了“Correlation network analysis shows divergent effects of a long-term, high-fat diet and exercise on early stage osteoarthritis phenotypes in mice"中。（原文地址： Journal of Sport and Health Science 9 (2020)119-131）。

首先他們將每組各20只雄性C57BL/6J小鼠在6至37周齡時分別喂食(10%千卡脂肪）（對照組）和高脂肪（HF）(60%千卡脂肪）飲食。這些小鼠飼養(yǎng)（每籠≤5只）在環(huán)境溫度22?C±3?C，14/10小時的光/暗循環(huán)和通風的籠子中，他們可以自由獲得食物和水。第25周后，每組的一半老鼠被關(guān)在帶有跑輪的籠子里，連續(xù)12周采集運動活動相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且期間根據(jù)實驗方案不定時對實驗小鼠進行體重和其他生化分析，采用組織學、顯微計算機斷層掃描和磁共振成像來評估關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)和骨關(guān)節(jié)炎病理的變化。然后，使用基于相關(guān)性的網(wǎng)絡分析，將這些局部變量與全身代謝（體重、體脂和葡萄糖耐量）、炎癥（血清脂肪因子和炎癥介質(zhì)）和功能（機械觸覺敏感性和握力）結(jié)果進行比較，采用雙向方差分析來評估飲食和運動的影響。

1.全身代謝結(jié)果和IFP(infrapatellar fat Pad）

在實驗開始9周后，即在小鼠15周齡時開始跟蹤小鼠的體重(圖1A)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)HF喂養(yǎng)的小鼠體重多于對照組小鼠（p < 0.001）15%。在整個實驗期間，這種差異在37周末時增加到62%（p<0.001）。在25周開始，被分配到運動組的動物被安置在跑步輪后，運動小鼠體重會偶爾地略有下降，HF喂養(yǎng)的不跑步小鼠的體重增加，但并沒有改變它們在1、5或10周后測量的平均每日輪跑距離(圖1A)。同時與第1周或第5周相比，兩種飲食中的動物在第10周都跑得更少。到研究的最后階段發(fā)現(xiàn)，HF飲食導致體重和體脂顯著增加，但運動并沒有改變?nèi)魏谓Y(jié)果(圖1A)。運動前，HF飲食導致空腹血糖和葡萄糖耐受不良顯著增加，這表明GTT期間獲得的葡萄糖AUC>增加了2倍(圖1B）。到36周時，對照組不運動小鼠的空腹血糖和GTT AUC值升高,這降低了與不運動HF動物的差異。相比之下，36周運動對照動物的葡萄糖值與24周的值保持相似，這與運動HF動物有顯著差異(圖1B)。此外他們還評估了由飲食和運動導致的IFP的大小變化。在24周時，當HF喂養(yǎng)的小鼠IFP的大小顯著增加(圖1C)，到36周時這種飲食效應消失。運動和不運動小鼠從24周到36周的IFP體積變化見(圖1C)，可見運動并沒有改變膠原蛋白的含量(圖1C)。

2.血清脂肪因子和炎癥介質(zhì)

在研究的最后階段，他們通過測量血清脂肪因子、炎癥介質(zhì)、組織修復和生長因子，進一步評估了炎癥和代謝調(diào)節(jié)的系統(tǒng)標志物(圖2)。HF飲食導致瘦素顯著增加（>10倍，p < 0.0001），而運動沒有改變,脂聯(lián)素均未被飲食或運動所改變，IL-6升高的趨勢也不顯著(p = 0.12)(圖2),VCAM1 IL-6升高的趨勢也不顯著（p = 0.12)。在不運動的HF飲食喂養(yǎng)的小鼠中，TIMP-1和IGF-1均升高（p < 0.001）。

Fig. 2. Effect of HF diet and exercise on serum adipokines, inflammatory mediators, and growth and repair factors. Serum biomarkers were measured in a subset of animals (n = 6/group) at the study endpoint by Luminex and ELISA-based assays. IL-1b, tumor necrosis factor a, and CCL2 were largely below the level of detection and therefore are not shown. HF diet effects were observed for leptin, IGF-1, and TIMP-1 by two-factor analysis of variance of log-transformed data (p < 0.05). Bars not sharing a lowercase letter are signifi- cantly different from one another (p < 0.05; Holm-Sidak’s multiple comparisons test). For all graphs, values are mean § SD. CCL2 = C-C motif chemokine ligand 2; ELISA = enzyme-linked immunosorbent assay; HF = high fat; IGF-1 = insulin-like growth factor 1; IL-1b = Interleukin-1b; IL-6 = Inter-leukin-6; TIMP-1 = tissue inhibitor of matrix metalloproteinase 1; VCAM- 1 = vascular cell adhesion molecule 1.

3.機械觸覺敏感度和握力

自發(fā)性和關(guān)節(jié)損傷模型中骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)展與機械性異位痛和握力降低有關(guān)。他們通過計算馮弗雷纖維測試后的加權(quán)機械敏感性評分來間接評估機械性異位痛。對使用較小尺寸的細絲反應更頻繁的動物會產(chǎn)生較低的分數(shù)。因此，分數(shù)越低或分數(shù)的減少表明機械敏感性水平越高。在24周，由于HF飲食而導致的機械敏感性沒有差異(圖3A).在36周時，HF飲食增加了加權(quán)反應評分（p = 0.008），而運動降低了加權(quán)反應評分（p = 0.0435）（圖3A)。與24周相比，運動通過降低加權(quán)反應評分（p = 0.028），與對照組飲食小鼠的機械敏感性增加相關(guān)（圖3A）。HF飲食和運動都沒有改變小鼠的絕對握力(圖3B).然而，當歸一化為體重時，HF飲食導致握力顯著降低，而不依賴于運動（p < 0.001）。（圖3B)。

4.膝關(guān)節(jié)軟骨和骨的OA相關(guān)及結(jié)構(gòu)變化

他們通過半定量改良Mankin評分和骨贅嚴重程度評分來評估OA相關(guān)的關(guān)節(jié)變化。總體改良的Mankin評分（最高評分=24），整個關(guān)節(jié)的平均分沒有因HF飲食或運動而改變(圖4A)。此外，子成分評分包括軟骨損傷（最大評分= 11）、Safranin-O染色丟失（最大評分= 8）、 tidemark duplication（最大評分= 3）和hypertrophic chondrocyte abundance（最大評分= 2），也沒有因飲食或運動而改變(圖4A).他們還評估了針對內(nèi)側(cè)和外側(cè)腔室的脛骨和股骨的改良Mankin評分（最高評分= 24），飲食和運動也沒有引起的差異(圖4B)。HF飲食和運動并沒有改變沿脛骨前內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)邊緣的骨贅的嚴重程度（最高評分= 3），盡管HF飲食確實增加了運動小鼠的后內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)邊緣的骨贅的嚴重程度（p =0.0094）（圖4C).他們還評估了脛骨軟骨下和骨小梁骨密度的結(jié)構(gòu)組成的變化。在大多數(shù)地方，HF飲食和運動并沒有改變骨密度。然而HF飲食（p = 0.031）和運動(p = 0）引起股骨外側(cè)軟骨下骨皮質(zhì)骨密度的適度變化（HF飲食降低了密度，運動增加了密度）。與不運動的HF飲食小鼠相比，對照組運動小鼠的效果最為顯著（圖4D)。在脛骨近端骨小梁內(nèi)觀察到其他一些變化，與股骨外側(cè)的骨密度一樣， 相對骨體積(骨體積到總體積)隨著HF飲食而減少（p= 0.0048），而隨著運動而增加（p =0.024）（圖4E)。這種效應與小梁分離的顯著變化相關(guān)，而小梁分離隨著HF飲食而增加（p = 0.038），并隨著運動而顯示出減少的趨勢（p =0.06）。HF飲食也與骨小梁變薄的趨勢相關(guān)（p = 0.053）（圖4E)。總之，這些發(fā)現(xiàn)研究表明，與軟骨相比，骨骼對HF飲食和運動更敏感。

5.飲食依賴的運動相關(guān)網(wǎng)絡

輪跑通常是引起小鼠運動反應的有效方法，因為小鼠能自愿在輪子上跑很長一段距離。在這項研究中，跑輪是在小鼠25周大時提供的，這比典型的基于跑輪的運動研究年齡更大。他們觀察到在對照組和HF小鼠的平均夜間跑步距離的較大差異。在跑輪被放入籠內(nèi)5周后，當平均每日跑步距離最大時(圖1A)，對照組小鼠夜間跑步的變化為40%，HF小鼠為55%。這種高度的變化很適合于相關(guān)網(wǎng)絡分析。在對照組和HF運動小鼠中進行了這項分析，以評估與夜間跑步距離相關(guān)的結(jié)果。同時還評估了與跑步階段的相關(guān)性，將其定義為在黑暗階段發(fā)生的每天總的跑步距離的百分比。小鼠主要在黑暗期活躍，因此，跑步階段的減少將與生物鐘的中斷和代謝失調(diào)有關(guān)。

圖1-4中顯示的所有實驗終點結(jié)果作為潛在的跑步距離或相位相關(guān)的因素(即38個變量)，結(jié)果在對照組中的16個變量中≥1個顯著相關(guān)，在HF小鼠中11個顯著相關(guān)（不包括跑步距離和相位變量本身之間的相關(guān)性）(圖5)。在兩種飲食中與跑步距離或階段相關(guān)的27個變量中，有4個變量和飲食相關(guān)：血清瘦素、脛骨內(nèi)側(cè)軟骨下骨密度、脛骨骨骺小梁厚度和高營養(yǎng)軟骨細胞豐度。在兩種飲食中，瘦素與跑步距離均呈負相關(guān)。對照組小鼠和HF小鼠與軟骨下骨密度與距離相呈負相關(guān)，兩種飼糧的骨小梁厚度與跑步期呈負相關(guān)，與跑步距離呈正相關(guān)。另外19個與運動參數(shù)相關(guān)的變量，其中對照組12個,HF小鼠7個，表明一系列系統(tǒng)性和局部因素以飲食依賴的方式與運動相關(guān)。一些顯著的關(guān)聯(lián)包括跑步距離與血清標志物、葡萄糖耐量AUC和對照組飲食小鼠IFP大小的變化之間的負相關(guān)。此外，對照組小鼠的跑步距離與股骨外側(cè)改良的Mankin OA評分呈正相關(guān)。在HF小鼠中，跑步距離與Safranin-O染色缺失呈負相關(guān)，值得注意的是，在HF飲食小鼠中，與跑步距離相比，運動階段顯示出更多的系統(tǒng)性和局部性，這些相關(guān)性表明了晝夜節(jié)律是更主要的影響因素。

6.HF飲食和運動對OA相關(guān)網(wǎng)絡相關(guān)性的影響

他們進一步研究了不同飲食機制下運動的綜合效應，使用38個局部和系統(tǒng)結(jié)果圖1-4(圖6)，為每個飲食和活動組建立一個單獨的相關(guān)性網(wǎng)絡。雖然不同組間的網(wǎng)絡規(guī)模具有可比性，但在比較不同飲食下的不運動和運動網(wǎng)絡之間存在顯著差異。例如，運動對基于飲食的網(wǎng)絡密度有相反的影響。在對照組中，運動密度隨運動的增加而增加，從0.08增加到0.11，而在HF飲食組中，運動密度從0.12降低到0.09（圖6A）。此外，特別是在運動條件下HF小鼠的正負相關(guān)的比例要大得多。

在對照組飲食小鼠中，特定的相關(guān)變量對（即“邊緣"）在不運動組和運動組之間幾乎不同，只有5對常見的相關(guān)變量對（圖6B）。常見的成對主要是一個先驗的相關(guān)變量，如Safranin-O損失評分和全關(guān)節(jié)改良的Mankin OA評分或體重和脂肪。為了更好地理解與膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的潛在聯(lián)系以及它們?nèi)绾坞S著運動而變化，他們關(guān)注了全關(guān)節(jié)改Mankin OA評分的主要（即“第一個鄰居"）網(wǎng)絡。在不運動的對照飲食小鼠中，膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎主要與軟骨損傷和Safranin-O染色丟失以及股骨外側(cè)骨（圖6）的OA評分相關(guān)。令人驚訝的是，膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎與血清瘦素、體脂、股骨內(nèi)側(cè)和脛骨軟骨下骨密度呈負相關(guān)。通過運動，膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎也與體脂相關(guān)。膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎也與體重、脛骨骨小梁間距、Safranin-O染色丟失和股骨內(nèi)側(cè)骨性關(guān)節(jié)炎呈正相關(guān)。膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎與觸覺敏感性退縮力和后骨贅呈負相關(guān)。盡管共同相關(guān)變量的數(shù)量大于對照組小鼠(圖6C)，在HF飲食小鼠中，與在對照組飲食小鼠中一樣，相關(guān)變量對在不運動組和運動組之間的差異最大。這些常見的相關(guān)因素也主要是一個先驗的相關(guān)變量，如體重和體脂或軟骨損傷和全膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎評分。同時他們還觀察到其他的血清相關(guān)因素，包括IL-6和IGF1、IL-6和TIMP1，以及瘦素和TIMP1（均為陽性）。與對照組小鼠不同，在全關(guān)節(jié)改良的Mankin OA評分的主要“第一鄰居"網(wǎng)絡中沒有系統(tǒng)變量(圖6C)。在不運動的HF小鼠中，全膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎與所有4個部位的部位特異性OA評分相關(guān)(如： 內(nèi)側(cè)和外側(cè)，脛骨和股骨)，這表明骨性關(guān)節(jié)炎的改變發(fā)生在整個關(guān)節(jié)。全膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎也與全關(guān)節(jié)軟骨損傷、炎癥重復和Safranin-O染色丟失相關(guān)。在運動型HF小鼠中，全膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎與軟骨損傷、炎癥重復和脛骨內(nèi)側(cè)骨性關(guān)節(jié)炎仍呈正相關(guān)。此外，膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎與前后骨贅呈正相關(guān)。因此，盡管HF不運動小鼠發(fā)生了一系列與肥胖相關(guān)的代謝病理，但與這些條件相關(guān)的變化與膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的病理并不直接相關(guān)。

 結(jié)論：盡管在目前的測試時間內(nèi)，慢性飲食誘導的肥胖和自愿輪跑對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎病理的水平影響很小，但飲食和運動顯著改變了與早期膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎相關(guān)的系統(tǒng)和局部變量之間的關(guān)系。這些結(jié)果表明，不同的前期OA表型可能存在于疾病的發(fā)展之前。