Eine mit Kalzium und Phosphor angereicherte Ernährung erhöht das Knochenvolumen nach 30 Tagen Hochgeschwindigkeitstraining auf dem Laufband bei erwachsenen Mäusen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14616 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Belastungsübungen erhöhen die Knochenmasse und -stärke. Eine Erhöhung der Knochenbelastungsfrequenz während des Trainings kann die Knochen stärken. Die Kombination von körperlicher Betätigung mit einer mit Kalzium und Phosphor angereicherten Ernährung vergrößert die kortikale Fläche stärker als körperliche Betätigung allein bei Mäusen. Daher stellten wir die Hypothese auf, dass die Kombination von Hochgeschwindigkeitstraining auf dem Laufband und gleichzeitiger Fütterung von Mäusen mit einer mit Mineralien angereicherten Diät zu einer größeren kortikalen Fläche führen würde als Hochgeschwindigkeitstraining bei einer Standarddiät und langsames Training bei einer ergänzten Diät. Fünfzehn Wochen alte männliche C57BL/6-Mäuse wurden in sieben Gruppen eingeteilt: (1) Ausgangsgruppe, (2) Nicht-Sportmäuse erhielten eine Kontrolldiät, (3) Nicht-Sportmäuse erhielten eine ergänzte Diät, (4) Fütterung mit langsamer Bewegung eine Kontrolldiät, (5) langsames Training mit einer ergänzenden Diät, (6) schnelles Training mit einer Kontrolldiät und (7) schnelles Training mit einer ergänzten Diät. Mäuse trainierten 30 Tage lang 20 Minuten pro Tag mit 12 m/min oder 20 m/min. Die Tibiae wurden mittels Mikro-CT und 4-Punkt-Biegung beurteilt. Der kortikale Flächenanteil und der trabekuläre Knochenvolumenanteil (BV/TV) wurden durch die ergänzte Ernährung signifikant erhöht. Mäuse, die mit hoher Geschwindigkeit trainiert wurden, hatten ein deutlich geringeres Körpergewicht, ohne dass sich dies negativ auf die Knochengesundheit auswirkte. Durch eine Erhöhung der Laufgeschwindigkeit kann das Körpergewicht gesenkt werden, während gleichzeitig die Vorteile von Bewegung und Ernährung für die Knochengesundheit erhalten bleiben. Laufen kann das Körpergewicht senken, ohne die Knochengesundheit zu beeinträchtigen.

Belastungsübungen bei Menschen und Mäusen können die Knochenmasse, die strukturelle (gesamte Knochen-)Stärke und/oder die Gewebequalität erhöhen und den Knochen so widerstandsfähiger gegen Brüche machen1,2,3,4. Bewegung kann sich auch nach dem Training langfristig positiv auf die Knochengesundheit auswirken5,6,7,8,9,10,11,12,13. Beim Menschen erreicht die Knochenmasse im Alter von etwa 25 Jahren ihren Höhepunkt und nimmt danach ab. Daher ist es von Vorteil, den Aufbau von Knochenmasse früh im Leben zu maximieren, um im Alter, wenn die Durchführung von Belastungsübungen schwieriger wird, ein höheres Maß an Knochenmasse aufrechtzuerhalten14,15,16.

Der Knochen reagiert auf die Belastung durch körperliche Betätigung mit einer Erhöhung der Knochenmasse und/oder der Knochenstärke, um größere Belastungen zu bewältigen und Schäden vorzubeugen17. Bewegung bei Menschen und Nagetieren kann die Knochenmasse erhöhen, indem sie die Belastung des Knochens erhöht, was zu einer Vergrößerung der Knochenquerschnittsfläche18 und der Knochenbildungsrate19,20 führt. Belastungen, die größere Dehnungswerte erzeugen, erhöhen die Knochenbildungsrate, wenn sie mit einer höheren Belastungsfrequenz angewendet werden21. Trainingsprogramme mit höherer Intensität, die durch eine Erhöhung der Laufbandgeschwindigkeit erreicht werden, können daher möglicherweise die Knochenbildung steigern.

Eine zunehmende Knochenbildung kann es dem Knochen ermöglichen, eine größere maximale Knochenmasse zu erreichen oder die maximale Knochenmasse in kürzerer Zeit zu erreichen, was einen schnelleren Anstieg der Frakturresistenz ermöglicht. Um die Knochenmasse durch Bewegung zu maximieren, könnte eine erhöhte Mineralstoffzufuhr über die Nahrung erforderlich sein, um gleichzeitig die Knochenmasse und die Qualität des Knochengewebes zu erhöhen. Da Sport den Bedarf an Nahrungsmineralien erhöht22, kann Laufbandtraining einen noch größeren Bedarf an Mineralstoffen verursachen, den normale Nahrungsmengen nicht decken können. Die Kombination von Laufbandtraining mit höherer Geschwindigkeit und einer mit Kalzium und Phosphor angereicherten Ernährung kann die Knochenmasse weiter steigern, als es bei normalem Training mit niedrigerer Geschwindigkeit möglich ist.

Unter Standard-Trainingsbedingungen (Laufen mit einer Geschwindigkeit ähnlich dem Joggen) zeigten Nagetiere, die 6–12 Wochen lang trainiert wurden, einen erhöhten Mineralstoffgehalt, eine erhöhte Fläche, eine höhere Fließkraft und eine höhere Endkraft im kortikalen Knochenknochen13,22,23,24,25. Bei jungen erwachsenen Mäusen vergrößert die Kombination von körperlicher Betätigung mit einer mineralstoffhaltigen Ernährung die Fläche der Schienbeinrinde im Vergleich zu körperlicher Betätigung mit einer Standarddiät bereits nach drei Wochen2. Es wurde daher die Hypothese aufgestellt, dass die Kombination einer mit Mineralien angereicherten Diät mit Hochgeschwindigkeitstraining auf dem Laufband bei jungen erwachsenen Mäusen nach einem relativ kurzen Trainingsprogramm von 30 Tagen zu einer größeren kortikalen Fläche führen würde als Hochgeschwindigkeitstraining mit einer Standarddiät.

Es gab einen signifikanten Haupteffekt des Trainings auf das Körpergewicht nach 30 Tagen (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA, Abb. 1). Mäuse in beiden Hochgeschwindigkeits-Trainingsgruppen nahmen nach Tag 8 nicht zu. Der gleiche Effekt auf das Körpergewicht trat bei Mäusen auf, die bei niedriger Geschwindigkeit trainierten und gleichzeitig die Kontrolldiät erhielten. Das Körpergewicht aller anderen Mäusegruppen nahm nach dem 8. Tag kontinuierlich zu. Mäuse in diesen Gruppen beendeten die Studie mit einem deutlich höheren Körpergewicht als die Mäuse in den drei Gruppen, die nach dem 8. Tag nicht zunahmen (p < 0,05, Tukey-Tests).

Körpergewicht der Maus (Mittelwert ± SD, n = 20/Gruppe). Hochgeschwindigkeitstraining begrenzte die Gewichtszunahme nach einer Woche. Am 29. Tag hatten sowohl die mit hoher Geschwindigkeit trainierten Gruppen als auch die mit niedriger Geschwindigkeit trainierte Gruppe mit der Kontrolldiät ein geringeres Körpergewicht als die nicht trainierten Gruppen und die trainierte Gruppe mit der ergänzten Diät. *Signifikanter Trainingseffekt am 29. Tag (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA).

Die Ernährung hatte nach dreißig Tagen einen signifikanten Haupteffekt auf den Anteil der kortikalen Fläche (Ct.Ar/Tt.Ar), die kortikale Fläche (Ct.Ar) und die kortikale Dicke (Ct.Th) (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA, Abb . 2). Übung hatte einen signifikanten Haupteffekt auf Ct.Ar/Tt.Ar, die Gesamtquerschnittsfläche und die Schienbeinlänge (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). Alle Mäuse mit der ergänzten Diät hatten eine deutlich größere kortikale Dicke als Mäuse mit der Kontrolldiät (p < 0,05, Tukey-Tests). Bei Mäusen, die mit niedriger Geschwindigkeit trainiert wurden und die Kontrolldiät erhielten, war der Ct.Ar/Tt.Ar-Wert deutlich niedriger als bei den Mäusen, die bei der Grundlinie eingesetzt wurden (p < 0,05, Tukey-Tests). Die Gewebemineraldichte war in allen Gruppen mit der Kontrolldiät und bei langsam trainierten Mäusen mit der ergänzten Diät signifikant höher als der Ausgangswert (p < 0,05, Tukey-Tests). Es gab keine signifikanten Unterschiede zwischen Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsübungen hinsichtlich der kortikalen Knocheneigenschaften.

Geometrische Eigenschaften und Mineralisierung des linken tibialen mittleren diaphysären kortikalen Knochens der Maus (Mittelwert ± SD, n = 20/Gruppe). Durch die Ernährung wurden der kortikale Flächenanteil, die kortikale Fläche und die Dicke deutlich erhöht. Durch körperliche Betätigung verringerten sich der kortikale Flächenanteil und die Tibialänge deutlich. #Signifikanter Ernährungseffekt (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). *Signifikanter Trainingseffekt (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). ^Signifikante Abweichung vom Ausgangswert (p < 0,05, Tukey-Test). Der horizontale Balken stellt einen signifikanten Unterschied zwischen den Gruppen dar (p < 0,05, Tukey-Test).

Die Ernährung hatte einen signifikanten Haupteffekt auf den trabekulären BV/TV, BV, Tb.Th, Tb.N und Tb.Sp (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA, Abb. 3). Übung hatte einen signifikanten Haupteffekt auf Tb.N und Tb.Sp. Jede Gruppe mit der ergänzten Diät hatte einen signifikant höheren trabekulären BV/TV, Tb.N und Tb.Th und einen signifikant niedrigeren Tb.Sp als die Kontrolldiätgruppe, die der gleichen Trainingsgeschwindigkeit ausgesetzt war (p < 0,05, Tukey-Tests). Alle Gruppen mit der ergänzten Diät hatten signifikant höhere BV/TV, BV und Tb.Th als der Ausgangswert (p < 0,05, Tukey-Tests). Die nicht trainierten Mäuse auf der Kontrolldiät hatten einen signifikant niedrigeren BV/TV als der Ausgangswert (p < 0,05, Tukey-Tests). Sowohl langsames als auch schnelles Training verhinderten diesen Rückgang.

Proximale linke tibiale Trabekelarchitektur (Mittelwert ± SD, n = 20/Gruppe). Die Ernährung hatte einen signifikanten Haupteffekt auf jede gemessene Eigenschaft mit Ausnahme der Gewebemineraldichte (TMD), der Erhöhung des trabekulären Knochenvolumens (BV), des Knochenvolumens/Gesamtvolumens (BV/TV), der Trabekelzahl (Tb.N) und der Trabekeldicke (Tb.). .Th) und abnehmende Trabekeltrennung (Tb.Sp). Bei Mäusen, die mit der Kontrolldiät gefüttert wurden, verhinderten beide Trainingsgeschwindigkeiten einen signifikanten Rückgang des BV/TV gegenüber dem Ausgangswert. #Signifikanter Ernährungseffekt (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). *Signifikanter Trainingseffekt (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). ^Signifikante Abweichung vom Ausgangswert (p < 0,05, Tukey-Test). Der horizontale Balken stellt einen signifikanten Unterschied zwischen den Gruppen dar (p < 0,05, Tukey-Test).

Auf struktureller Ebene (gesamter Knochen) hatte die Ernährung einen signifikanten Haupteffekt auf die Fließkraft nach dreißig Tagen (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA, Abb. 4). Bei Mäusen, die mit niedriger Geschwindigkeit trainiert wurden und die ergänzte Diät erhielten, war die Fließkraft und Vor-Fließarbeit deutlich höher als bei den Ausgangswerten (p < 0,05, Tukey-Tests), und bei Mäusen, die nicht trainiert wurden und die ergänzte Diät erhielten, war die Fließkraft signifikant höher als bei den Ausgangswerten. Es gab keine signifikanten Haupteffekte des Trainings oder signifikante Gruppenunterschiede für irgendeine mechanische Eigenschaft auf struktureller Ebene. Auf Gewebeebene hatte Bewegung nach 30 Tagen einen signifikanten Haupteffekt auf die Endbelastung (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA, Abb. 5). Die Mäuse, die nicht trainiert wurden und die ergänzte Diät erhielten, hatten einen deutlich höheren Ertrags- und Endstress als der Ausgangswert (p < 0,05, Tukey-Tests). Es gab keine signifikanten Haupteffekte der Ernährung auf die mechanischen Eigenschaften auf Gewebeebene.

Mechanische Eigenschaften der linken Tibia auf Strukturebene (Mittelwert ± Standardabweichung, n = 20/Gruppe). Es gab einen signifikanten Haupteffekt der Ernährung auf die Fließkraft, und nicht trainierte Mäuse, die mit der ergänzten Diät trainiert wurden, und Mäuse, die mit der ergänzten Diät bei niedriger Geschwindigkeit trainiert wurden, hatten eine deutlich höhere Fließkraft als der Ausgangswert. #Signifikanter Ernährungseffekt (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). ^Signifikante Abweichung vom Ausgangswert (p < 0,05, Tukey-Test).

Mechanische Eigenschaften der linken Tibia auf Gewebeebene (Mittelwert ± SD, n = 20/Gruppe). Übung hatte einen erheblichen Haupteffekt auf die Endbelastung und verringerte die Knochenstärke. Ertragsstress und Endstress waren bei nicht trainierten Mäusen, die mit der ergänzten Diät gefüttert wurden, deutlich höher als der Ausgangswert. *Signifikanter Trainingseffekt (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). ^Signifikant vom Ausgangswert abweichend (p < 0,05, Tukey-Test).

Es gab einen signifikanten Haupteffekt der Ernährung auf das Serum-Ca an Tag 9 und Tag 30 (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA, Abb. 6). Es gab nur am 30. Tag einen signifikanten Haupteffekt des Trainings auf das Serum-Ca. Bei Mäusen, die die Kontrolldiät erhielten, erhöhte Hochgeschwindigkeitstraining das Serum-Ca am 30. Tag signifikant (p < 0,05, Tukey-Test). Bei Mäusen, die die ergänzte Diät erhielten, gab es keine signifikanten Auswirkungen der körperlichen Betätigung auf das Serum-Ca. An Tag 9 gab es keine signifikanten Auswirkungen von Diät oder Bewegung auf den Serum-P. Am Tag 30 gab es eine signifikante Wechselwirkung zwischen Diät und Bewegung auf den Serum-P. Sowohl die Gruppen, die mit hoher als auch niedriger Geschwindigkeit trainierten und die ergänzte Diät erhielten, hatten am 30. Tag einen signifikant niedrigeren Wert Serum P als alle anderen Gruppen.

Mittlere Serumwerte [Ca] und [P] an den Tagen -4, 9 und 30, n = 20/Gruppe. Fehlerbalken wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit entfernt. Die ergänzte Diät erhöhte das Serum-Ca an den Tagen 9 und 30 signifikant. Sport erhöhte das Serum-Ca nur am 30. Tag signifikant. Diät und Bewegung hatten einen signifikanten interaktiven Effekt auf den Serum-P am 30. Tag. #Signifikanter Diät-Effekt an diesem Tag (p < 0,05, Zweifaktorielle ANOVA). *Signifikanter Trainingseffekt an diesem Tag (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). &Signifikante Interaktion zwischen Ernährung und Bewegung an diesem Tag (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA).

Sportliche Betätigung hatte signifikante Haupteffekte auf die Serum-CTX und das PINP/CTX-Verhältnis am Tag 9 (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA, Abb. 7). Mäuse auf der Kontrolldiät, die sowohl langsamem als auch schnellem Training ausgesetzt waren, hatten am 9. Tag einen signifikant höheren CTX als nicht trainierte Mäuse auf der Kontrolldiät (p < 0,05, Tukey-Test). Es gab keine signifikanten Haupteffekte der Ernährung, was darauf hindeutet, dass Bewegung am 9. Tag einen größeren Einfluss auf den Knochenstoffwechsel hatte als die Ernährung. Am 30. Tag gab es signifikante Haupteffekte von Bewegung auf CTX und PINP im Serum, und es gab einen signifikanten Haupteffekt der Ernährung auf das Serum CTX am 30. Tag. Am 30. Tag hatten schnell trainierte Mäuse mit der ergänzten Diät ein signifikant niedrigeres Serum-PINP/CTX-Verhältnis als nicht trainierte Mäuse mit der ergänzten Diät.

Serum-CTX und PINP (Mittelwert ± SD, n = 7/Gruppe) an Tag 9 und Tag 30. Bei Mäusen, die die Kontrolldiät erhielten, verringerte körperliche Betätigung PINP/CTX am Tag 9 deutlich, was zu einem weniger bildungsbegünstigten Zustand des Knochenstoffwechsels führte. In ähnlicher Weise verringerte sich bei Mäusen, die die ergänzte Diät erhielten, das Training den PINP/CTX am 30. Tag signifikant. #Signifikanter Diäteffekt (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). *Signifikanter Trainingseffekt (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). &Signifikante Interaktion zwischen Ernährung und Bewegung an diesem Tag (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA). Der horizontale Balken stellt einen signifikanten Unterschied zwischen den Gruppen dar (p < 0,05, Tukey-Test).

Nach 30 Tagen Intervention hatte die Ernährung einen größeren Einfluss auf die Knochenmasse und -stärke als körperliche Betätigung (Abb. 2, 3 und 4). Die Diät und das Trainingsprogramm in dieser Studie (4 Wochen, 20 Minuten Training pro Tag) führten zu ähnlichen Auswirkungen auf die Knochenmasse und -stärke des Schienbeins wie frühere Studien, die längere Trainingsdauern beinhalteten (8 Wochen, 30 Minuten Training pro Tag)2,5 . Die direkte Belastung des Schienbeins bei Nagetieren hat bei einer großen Anzahl von Belastungszyklen pro Tag zu einer verringerten Wirksamkeit geführt, aber die Anzahl der Belastungszyklen, die hier verwendet wurde, war um eine Größenordnung höher26. Daher ist es wahrscheinlich nicht vorteilhafter für die Knochengesundheit, länger auf dem Laufband zu trainieren.

Die Ernährungs- und Bewegungseingriffe hatten den größten Einfluss auf den trabekulären Knochen der Tibia. Diese Studie zeigte zum ersten Mal, dass diese Nahrungsergänzung das trabekuläre Knochenvolumen im proximalen Schienbein erhöht (Abb. 3B). Der erhöhte BV/TV, aber nicht CtAr/TtAr, kortikaler Bereich oder TMD bei Mäusen, die die ergänzte Diät erhielten, könnte ein Zeichen dafür sein, dass dieses kurzfristige Diät- und Trainingsprogramm wirksamer auf den Trabekelknochen war. Die Reaktion des Knochens auf mechanische und andere Reize kann ortsspezifisch sein27. Nach einem kurzen Eingriff könnte es zu Veränderungen im trabekulären, aber nicht im kortikalen Knochen kommen, da die Stoffwechselrate im trabekulären Knochen höher sein kann als im kortikalen Knochen. Längerfristiges Training über 8 Wochen vergrößert die kortikale Fläche2, und das hier verwendete Hochgeschwindigkeits-Trainingsprogramm kann auch zu einer Vergrößerung der kortikalen Fläche führen, wenn die Dauer des Trainingsprogramms verlängert wurde.

Bei Kontrollmäusen kam es im Alter von 15 bis 19 Wochen zu einem Rückgang des trabekulären BV/TV. Bei Mäusen, die die Kontrolldiät erhielten, verhinderte Bewegung diesen altersbedingten Rückgang des trabekulären BV/TV. Da sportliche Betätigung bei Mäusen mit der ergänzten Diät offenbar keine Auswirkungen hatte, während sie bei Mäusen mit der Kontrolldiät einige Vorteile bot, könnten die Auswirkungen der sportlichen Betätigung von der Mineralstoffzufuhr über die Nahrung abhängen. Bewegung scheint am wirkungsvollsten zu sein, wenn die Mineralstoffversorgung über die Nahrung unzureichend ist.

Durch Hochgeschwindigkeitsübungen konnte das Körpergewicht bis zum Ende der Studie deutlich gesenkt werden (Abb. 1). Mäuse in den Hochgeschwindigkeits-Trainingsgruppen hatten keine geringere Tibia-Knochenmasse oder mechanische Stärke, wie man bei einem geringeren Körpergewicht erwarten könnte28,29. Die Normalisierung der Knochenmasse und -stärke anhand des Körpergewichts brachte keine zusätzlichen Erkenntnisse, da keine auf das Körpergewicht normalisierten Eigenschaften durch körperliche Betätigung signifikant beeinflusst wurden (Daten nicht gezeigt). Das Hochgeschwindigkeits-Trainingsprogramm ermöglichte es den Mäusen daher, im Vergleich zu nicht trainierten Mäusen die gleiche Knochenmasse und -stärke bei einem geringeren Körpergewicht zu erreichen.

Die ergänzte Diät verursachte am 9. und 30. Tag signifikant mehr Serum-Ca als die Kontrolldiät (Abb. 6A). Die größere Serumversorgung mit Ca aus der ergänzten Nahrung hätte letztendlich zu einem höheren trabekulären BV/TV nach 30 Tagen führen können. Da sich körperliche Betätigung am Ende der Studie nur auf das Serum-Ca auswirkte, könnte eine Verlängerung des Trainingsprogramms zu einem weiteren Anstieg des trabekulären BV/TV bei trainierten Mäusen mit Standarddiät führen.

Mäuse, die sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Geschwindigkeiten trainierten, während sie mit der ergänzten Diät gefüttert wurden, hatten am Tag 30 deutlich weniger Serumphosphat als nicht trainierte Mäuse und Mäuse, die trainierten, während sie mit der Kontrolldiät gefüttert wurden (Abb. 6B). Nagetiere, die auf dem Laufband trainieren, können einen erhöhten Bedarf an Phosphor und Kalzium haben30. Obwohl die ergänzte Diät doppelt so viel Phosphor wie die Kontrolldiät enthält, reicht diese Konzentration möglicherweise immer noch nicht aus, um den erhöhten Mineralstoffbedarf durch körperliche Betätigung zu decken. Bei Mäusen, die die Kontrolldiät erhielten, verringerte körperliche Betätigung den Serumphosphatspiegel nicht, möglicherweise aufgrund des niedrigeren Ca:P-Verhältnisses in der Kontrolldiät. Das erhöhte Ca:P-Verhältnis in der ergänzten Nahrung kann sich positiv auf das Serumkalzium auswirken, sich jedoch nachteilig auf den Serumphosphatspiegel auswirken. Mäuse wurden nicht Gruppen mit äquivalentem Serumphosphat-Ausgangswert zugeordnet. Anfängliche Unterschiede im Serumphosphat könnten ein Faktor für die signifikanten Gruppenunterschiede gewesen sein, die am 30. Tag beobachtet wurden, obwohl nur die trainierten Mäuse mit der ergänzten Diät einen Rückgang des Serumphosphats vom 9. zum 30. Tag aufwiesen.

Am 9. Tag gab es einen signifikanten Haupteffekt des Trainings auf das PINP/CTX-Verhältnis (Abb. 7C). Es ist zu erwarten, dass diese Veränderung im Knochenstoffwechsel zu einer verminderten Knochenbildung führt. Ähnlich wie die Verringerung des PINP nach einem Trainingstag2 deutet ein niedrigerer PINP/CTX am 9. Tag darauf hin, dass das Training das Knochenwachstum für mehr als eine Woche nach Beginn des Trainingsprogramms einschränken könnte. Dieser Wachstumsrückgang ist vorübergehend, da es bei trainierten Mäusen nach dreißig Tagen keine signifikanten Unterschiede in der kortikalen Fläche und dem trabekulären Knochenvolumen gibt (Abb. 2B und 3B). Bei Mäusen, die die ergänzte Diät erhielten, verringerte Hochgeschwindigkeitstraining am 30. Tag das PINP/CTX-Verhältnis signifikant (Abb. 7C). Mäuse, die während der ergänzten Diät Sport treiben, erreichen möglicherweise schneller ihre maximale Knochenmasse als nicht trainierte Mäuse, die die gleiche Diät erhalten. Dies würde zu einem Rückgang des PINP/CTX-Verhältnisses führen, wie in dieser Studie beobachtet wurde.

Es gab keinen signifikanten Einfluss der Trainingsgeschwindigkeit auf morphologische oder mechanische Messungen des kortikalen oder trabekulären Knochens. Eine Erhöhung der Laufbandgeschwindigkeit wirkt sich möglicherweise nicht positiv auf die Knochen aus, wenn sie nicht zu höheren Spitzenbelastungen führt. Hochgeschwindigkeitstraining führte zwar zu einer höheren durchschnittlichen Belastungshäufigkeit, war aber möglicherweise nicht groß genug, um eine Wirkung zu erzielen. Im direkten Tibia-Belastungsmodell ist eine zunehmende Belastungsfrequenz mit einer erhöhten Knochenbildungsrate verbunden21. Die Knochenbildungsrate wurde hier nicht direkt gemessen, aber die Knochenstoffwechselmarker CTX, PINP und PINP/CTX können Veränderungen erfahren, die auf eine erhöhte Knochenbildung hinweisen2,31,32.

Diese Studie unterliegt einigen Einschränkungen. Wir konnten das Ausmaß der Spitzenbelastung, die während des Trainings auf die Knochen ausgeübt wurde, nicht messen. Daher konnten wir nicht feststellen, ob eine Erhöhung der Laufbandgeschwindigkeit zu einer erhöhten Belastung der Knochen führte. Wir haben jedoch eine erhöhte Schrittfrequenz der Maus bei höherer Trainingsgeschwindigkeit gemessen, was darauf hindeutet, dass wahrscheinlich eine erhöhte Belastungsgeschwindigkeit auf die Knochen ausgeübt wurde. Zum Vergleich mit früheren Arbeiten wurden nur erwachsene männliche C57BL/6-Mäuse verwendet. Daher wissen wir nicht, ob Alter, Geschlecht und/oder Belastung der Maus die Ergebnisse dieser Diät- und Trainingsinterventionen beeinflussen. Zukünftige Arbeiten könnten die Auswirkungen dieser Interventionen bei verschiedenen Mäusepopulationen bei unterschiedlicher Diät- und Trainingsdauer untersuchen. Darüber hinaus wurden die Nahrungsaufnahme und die Aktivität im Mauskäfig nicht gemessen, sodass nicht bekannt ist, ob der Verlust des Körpergewichts auf die Zunahme der Aktivität oder die Abnahme der Nahrungsaufnahme zurückzuführen ist. Mäuse, die mit ähnlichen Geschwindigkeiten wie unser Hochgeschwindigkeits-Laufbandtraining laufen, können eine geringere Nahrungsaufnahme aufweisen33,34. Es ist möglich, dass Mäuse, die mit hoher Geschwindigkeit trainiert wurden, eine geringere Nahrungsaufnahme aufwiesen, was zu einem geringeren Körpergewicht führte. Alle Messungen der Knochenmasse und -stärke zeigten jedoch, dass die Knochenmasse und -stärke erhöht bzw. erhalten blieben. Somit scheint es, dass alle Mäuse, die mit hoher Geschwindigkeit trainiert wurden, ausreichend Nährstoffe für die Knochengesundheit erhielten. Diese Studie wurde an Mäusen durchgeführt, die auf vier Beinen laufen. Bei Menschen, die auf zwei Beinen laufen, können die Ergebnisse variieren und die Belastung der Knochen beim Laufen unterschiedlich verteilen.

Nach 30 Tagen Hochgeschwindigkeitstraining auf dem Laufband hatten die Mäuse unabhängig von der Mineralstoffzufuhr über die Nahrung ein geringeres Körpergewicht. Diese Gewichtsveränderungen gingen nicht zu Lasten der kortikalen Knochenmasse der Tibia, des trabekulären Knochenvolumens oder der mechanischen Eigenschaften. Mäuse, die mit hoher Geschwindigkeit trainiert wurden und die ergänzte Diät erhielten, hatten nach dreißig Tagen das größte CtAr/TtAr, die größte kortikale Fläche und das größte trabekuläre BV/TV. Zusammengenommen deuten diese Veränderungen der Knocheneigenschaften und des Körpergewichts darauf hin, dass die Kombination eines Hochgeschwindigkeitstrainingsprogramms mit einer mineralstoffreichen Ernährung am besten zur Maximierung der Knochenmasse und -stärke geeignet sein könnte, um Knochenbrüchen beim Menschen vorzubeugen, zusammen mit zusätzlichen gesundheitlichen Vorteilen einer Gewichtsabnahme. Diese Ergebnisse könnten zur Entwicklung von Diät- und Trainingsinterventionen zur Gewichtsreduktion ohne negative Auswirkungen auf die Knochengesundheit führen.

Alle Tierversuche wurden mit Genehmigung des Ausschusses für die Verwendung und Pflege von Tieren der University of Michigan (Protokoll Nr. 00005237) durchgeführt und entsprachen den relevanten Richtlinien und Vorschriften. Die Berichterstattung über diese Studie erfolgt in Übereinstimmung mit den ARRIVE-Richtlinien. Einhundertachtunddreißig männliche C57BL/6-Mäuse mit einem mittleren Körpergewicht von 26,3 ± 2,8 g wurden im Alter von 13 Wochen von Charles River Laboratories (Wilmington, MA) gekauft. Die Mäuse wurden einzeln gehalten und erhielten zur Eingewöhnung zwei Wochen lang die Kontrolldiät. Am ersten Tag, im Alter von 15 Wochen, wurden die Mäuse einer von sieben Gruppen zugeteilt: (1) einer am ersten Tag getöteten Basisgruppe, (2) einer Gruppe, die keine körperliche Betätigung aufnahm, die mit der Kontrolldiät gefüttert wurde, (3) einer Gruppe, die keine körperliche Betätigung absolvierte Die Gruppe erhielt die Nahrungsergänzung, (4) eine Gruppe mit langsamem Training ernährte sich mit der Kontrolldiät, (5) eine Gruppe mit langsamem Training ernährte sich mit der ergänzten Diät, (6) eine Gruppe mit schnellem Training ernährte sich mit der Kontrolldiät und ( 7) Eine Hochgeschwindigkeits-Trainingsgruppe fütterte die ergänzte Diät. Die Mäuse wurden in Gruppen mit gleichem mittlerem Körpergewicht und gleicher Ca-Ausgangskonzentration im Serum eingeteilt. Das Basisserum-Ca wurde 5 Tage vor Versuchstag 1 (Tag -4) gemessen. Nach 30-tägiger(n) Behandlung(en) wurden Mäuse aus allen Versuchsgruppen im Alter von 19 Wochen getötet und die linken Schienbeine zur Analyse entnommen.

Die Diätformulierungen waren die gleichen, die wir zuvor verwendet haben2,5. Die Kontrolldiät war eine AIN-93G-Diät (TestDiet®, Richmond, IN), die durch Zugabe von Dicalciumphosphat so modifiziert wurde, dass sie 0,5 % Ca und 0,5 % P enthielt. Der ergänzten Diät wurden Dicalciumphosphat und Calciumcarbonat zugesetzt, um die Diät zu ergeben 5 % Ca und 1 % P. Die Mineralstoffmengen in der Nahrung und das Ca:P-Verhältnis wurden alle darauf ausgelegt, das Serum-Ca zu erhöhen, indem die passive Absorption von Ca im Darm erhöht wird2,5,35,36,37. Bei der Kontrolldiät hatte das Futter 3,90 kcal/g und die Kalorienverteilung betrug 65,0 % Kohlenhydrate, 16,3 % Fett und 18,7 % Protein, während die ergänzte Diät bei gleicher Kalorienverteilung 3,39 kcal/g aufwies. Alle anderen Nährstoffe waren zwischen den Diäten gleichwertig.

Alle Übungen wurden auf dem Laufband bei Tageslicht durchgeführt (Columbus Instruments, Modell 1055 M, Columbus, OH). Die Laufbahnen waren so abgedeckt, dass die Laufbahnen im Dunkeln lagen und Mäuse, die vom Laufband fielen, im Licht lagen. Dies sorgte für Motivation, auf dem Laufband zu bleiben. Das Trainingsprogramm mit niedriger Geschwindigkeit bestand aus dem Laufen auf einem Laufband mit 5° Neigung bei 12 m/min, 20 min/Tag an 30 aufeinanderfolgenden Tagen. Die Mäuse wurden in den ersten drei Trainingstagen schrittweise auf eine maximale Geschwindigkeit von 12 m/min gesteigert. Das Hochgeschwindigkeits-Trainingsprogramm bestand aus dem Laufen auf einem Laufband mit 5° Neigung bei 20 m/min, 20 min/Tag. Die Mäuse wurden in den ersten 8 Trainingstagen schrittweise auf eine maximale Geschwindigkeit von 20 m/min gesteigert. Diese Geschwindigkeit war die Höchstgeschwindigkeit, mit der Mäuse 20 Minuten lang laufen konnten, ohne bei dieser Steigung vom Laufband zu fallen, und ähnelt der Höchstgeschwindigkeit, mit der Mäuse laufen können38. Durch Klopfen auf den Schwanz von Mäusen, die während des Trainings vom Laufband fielen, wurde die Trainingscompliance aufrechterhalten. Die Bild-für-Bild-Videoanalyse laufender Mäuse ergab eine geschätzte durchschnittliche Frequenz von 3,4 Schritten/Sekunde bei Mäusen, die 12 m/min liefen, und 4,2 Schritte/Sekunde bei Mäusen, die 20 m/min liefen. Basierend auf diesen Schätzungen machten Mäuse durchschnittlich 4.080 bzw. 5.040 Schritte pro Trainingseinheit mit einer Geschwindigkeit von 12 m/min bzw. 20 m/min. Somit hatte das Hochgeschwindigkeits-Trainingsprogramm eine höhere Belastungsfrequenz und beide Trainingsprogramme boten eine ausreichende Anzahl von Belastungszyklen pro Tag, um eine Wirkung auf die Knochen zu erzielen, sodass eine weitere Dauer wahrscheinlich keine zusätzlichen Veränderungen am Knochen hervorrufen würde26.

Mikro-CT-Messungen des kortikalen und trabekulären Knochens wurden durchgeführt, wie wir ausführlich beschrieben haben5. Ganze Schienbeine wurden in Agarose eingebettet und mit einem Mikro-CT-Probenscanner (µCT100 Scanco Medical, Bassersdorf, Schweiz) gescannt. Die Scaneinstellungen waren Voxelgröße von 12 μm, 70 kVp, 114 μA, 0,5 mm AL-Filter und Integrationszeit 500 ms. Die Scans wurden mithilfe von Algorithmen in der Scanco IPL-Software analysiert. Zur Messung kortikaler Geometriemetriken – kortikaler Flächenanteil (Ct.Ar/Tt.Ar), kortikaler Bereich (Ct.Ar), Gesamtquerschnittsfläche, kortikale Dicke (Ct.Th) und volumetrische Gewebemineraldichte (TMD). Es wurde ein 180 μm dicker Querschnitt von einer Standardstelle ausgewählt, die sich 21,7 % des Abstands von der Tibia-Fibula-Verbindung zum proximalen Ende der Tibia befand. Der kortikale Knochenabschnitt befindet sich ungefähr in der Mitte des mechanischen Testbereichs für die Vierpunktbiegung. Ein separater 180 μm dicker Querschnitt an der Frakturstelle wurde für kortikale Geometriemessungen analysiert, die zur Berechnung der mechanischen Eigenschaften auf Gewebeebene (Trägheitsmoment, Abstand von der neutralen Achse) verwendet wurden. Tibia-Scans wurden auch auf trabekuläre Knocheneigenschaften analysiert. Proximale tibiale Metaphysenschnitte mit einer Dicke von 480 μm direkt unterhalb der Wachstumsfuge wurden unter Verwendung freihändig nachgezeichneter interessierender Volumina analysiert. Die gemessenen Trabekeleigenschaften waren Knochenvolumenanteil (BV/TV), Knochenvolumen (BV), Trabekelzahl (Tb.N), Trabekeldicke (Tb.Th), Trabekelabstand (Tb.Sp) und TMD.

Die mechanischen Eigenschaften auf Struktur- und Gewebeebene wurden in allen Gruppen gemessen, wie wir zuvor beschrieben haben2,5. Strukturelle Eigenschaften (Kraft, Verformung, Steifigkeit, Arbeit) wurden anhand eines 4-Punkt-Biege-bis-Versagens-Tests (3 mm innere und 9 mm äußere Spannweite) gemessen. Die Schienbeine wurden bis zum Versagen belastet, wobei die mediale Seite der mittleren Diaphyse unter Zugkontrolle bei 0,025 mm/s und einer Datenabtastrate von 30 Hz unter Spannung stand. Die mechanischen Eigenschaften auf Gewebeebene (Spannung, Dehnung, Modul, Zähigkeit) wurden unter Verwendung der Strahlbiegetheorie mit geometrischen Messungen (Trägheitsmoment um die anterior-posteriore Achse, Abstand vom Schwerpunkt zur medialen Seite des Knochens) aus Mikro-CT-Daten am geschätzt Frakturstelle39.

Nüchternblutproben, die vor dem täglichen Training entnommen wurden, wurden wie von uns beschrieben durch submandibuläre Venenblutung entnommen2. Zu Beginn der Lichtstunden fasteten die Mäuse und sechs Stunden später wurde Blut entnommen. Blutproben wurden am Tag -4 (Grundlinie), am 9. Tag (nach dem ersten Tag des Hochgeschwindigkeitslaufs für alle Trainingsgruppen) und am 30. Tag (dem letzten Trainingstag) entnommen. Unsere früheren Arbeiten zeigten, dass nach einem Tag körperlicher Betätigung signifikante Veränderungen der Serum-Knochenstoffwechselmarker auftreten, die jedoch nicht langfristig aufrechterhalten werden2. Daher wurde das Serum zu Beginn der Studie untersucht, unmittelbar nachdem die mit hoher Geschwindigkeit trainierten Mäuse begonnen hatten, während der gesamten Trainingseinheit mit voller Geschwindigkeit zu laufen. Das Serum wurde durch Zentrifuge isoliert. Die Calcium- und Phosphorkonzentrationen wurden zu jedem Zeitpunkt mit dem Calcium CPC LiquiColor-Testkit (Stanbio Laboratory, Boerne, TX) und dem Phosphorus Liqui-UV-Kit (Stanbio Laboratory) gemessen. ELISAs wurden verwendet, um Marker der Knochenbildung und -resorption – Pro-Kollagen-Typ-I-Amino-Terminal-Peptid (PINP) und Carboxy-Terminal-Kollagen-Crosslinks (CTX) (Immunodiagnostic Systems, Inc., Scottsdale, AZ) – an Proben ab Tag 9 zu messen und Tag 30. Alle Kit-Anweisungen der Hersteller wurden befolgt, einschließlich der Verwendung der bereitgestellten Standards zum Erhalten von Standardkurven.

Alle statistischen Analysen wurden mit Graphpad Prism durchgeführt. Die Daten wurden mithilfe des Shapiro-Wilk-Tests auf Normalität überprüft. Messungen der kortikalen Geometrie, der Trabekelarchitektur, der mechanischen Eigenschaften und der Serumbiomarker wurden durch eine Zwei-Wege-ANOVA mit Post-hoc-Tests von Tukey getestet, um festzustellen, ob die einzelnen Auswirkungen von Diät oder Bewegung signifikant waren (p < 0,05) und ob die kombinierten Behandlungen signifikant waren ein erheblicher interaktiver Effekt. Einfaktorielle ANOVAs mit Tukeys Post-hoc-Tests wurden verwendet, um den Ausgangswert mit den experimentellen Gruppen zu vergleichen. Daten, die den Normalitätstest nicht bestanden haben, wurden mithilfe des Kruskal-Wallis-Tests mit Dunns Post-hoc-Tests getestet. Ausreißer wurden mithilfe der GraphPad ROUT-Funktion zur Erkennung von Ausreißern mithilfe der nichtlinearen Regression40 entfernt.

Alle Daten werden in den Manuskriptabbildungen und ergänzenden Dateien veröffentlicht.

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Diese Arbeit wurde durch den NIH-Preis R01-AR052010 und den National GEM Consortium Ph.D. unterstützt. Ingenieursstipendium. Vielen Dank an Michelle Lynch und den MicroCT-Kern der University of Michigan School of Dentistry, teilweise finanziert durch NIH/NCRR S10RR026475-01. Ich möchte auch Erin McNerny und Joe Gardinier für ihre Anleitung und Unterstützung danken.

Die University of Michigan, 1011 N University Ave., Ann Arbor, MI, 48109, USA

Michael A. Friedman und David H. Kohn

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MAF und DHK waren für die Konzeption des Experiments, das Design des Experiments, die Datenanalyse und -interpretation sowie die Bearbeitung des Manuskripts verantwortlich. MAF war für die Datenerfassung und das Verfassen von Manuskripten verantwortlich.

Korrespondenz mit David H. Kohn.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Friedman, MA, Kohn, DH Eine mit Kalzium und Phosphor ergänzte Ernährung erhöht das Knochenvolumen nach 30 Tagen Hochgeschwindigkeitstraining auf dem Laufband bei erwachsenen Mäusen. Sci Rep 12, 14616 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19016-8

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Eingegangen: 10. März 2022

Angenommen: 23. August 2022

Veröffentlicht: 26. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19016-8

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