2型糖尿病小鼠的静态力量训练方法

摘要

本方案提供了一种制备小鼠静态训练设备的简单方法。该装置可维持小鼠肢体肌肉的等长收缩，用于验证传统运动干预对2型糖尿病（T2DM）的影响，并为T2DM的临床治疗提供新的运动疗法。

摘要

2型糖尿病（T2DM）的治疗是改善患者健康面临的主要难题之一。运动是T2DM的主要干预手段之一。静力性力量训练是中国传统体育运动的重要形式之一。研究表明，静力性力量训练是干预T2DM的有效临床方法，但目前尚无适用于小鼠静力性训练的实验装置。从临床研究转向基础研究的难点之一在于设计合适的实验设备。为了进一步研究静力性训练干预T2DM的作用机制，本文介绍了一种制作小鼠静力性训练装置的简便方法。该装置具有操作简便、材料廉价、可行性高的优点。依据本方案开展的前期研究已表明，静力性训练可有效降低T2DM小鼠的血糖水平，并改善其骨骼肌细胞的线粒体功能。引入该装置的目的在于推动关于传统运动干预T2DM机制的研究，为运动的量化干预奠定基础。

引言

2型糖尿病（T2DM）是一种以胰岛素抵抗和β细胞功能障碍为特征的慢性疾病，对全球健康构成重大威胁¹。运动是管理2型糖尿病的关键干预手段。大量研究表明，太极拳和八段锦等中国传统锻炼方式能显著改善T2DM患者的血糖水平和生活质量^2,3,4,5。在完成这些动作时，练习者必须在一段时间内保持身体和关节的稳定姿势。这种静态姿势依靠肌肉的静力性收缩来维持，通常被称为静力性力量⁶。

然而，静态力量训练干预在2型糖尿病（T2DM）中的作用机制尚未明确。要回答这一问题，动物实验至关重要。在等长运动过程中，肌肉被激活，长度保持不变，并能安全地达到最大张力⁷。在静态力量训练实验中，需要实验动物完成等长肌肉收缩，并维持这种肌肉收缩状态。如何在小鼠、大鼠及其他实验动物身上实施静态力量训练，已成为研究中的一个难题。首先，动物难以服从指令并按要求收缩肌肉；其次，动物在抵抗负荷时难以维持稳定的姿势，从而无法实现等长肌肉收缩的目的。在让动物按要求训练的同时，还需关注动物福利相关问题，例如减轻其应激与焦虑、最小化疼痛并改善整体状况。本方案涉及一种适用于大鼠的静态训练模型^8,9，本文介绍一种用于小鼠静态训练的简易装置。当小鼠后肢被抬起时，其腹肌会因翻正反射而收缩，前肢则抓住前方的横杆，随后前后肢共同对抗重力产生肌肉收缩。小鼠在抓住短杆后无法移动，使其肌肉处于等长收缩状态。

方案

所有动物实验均经南京中医药大学动物护理与使用委员会批准（许可号：202209A033）。选用8周龄、体重为20 ± 4 g的健康雄性C57BL/6J小鼠，SPF级。小鼠饲养环境保持12 h光照/12 h黑暗循环，温度为20–22 °C，相对湿度维持在45%–50%。动物可自由进食和饮水。

1. 建立2型糖尿病小鼠模型

1. 先给予小鼠普通饮食喂养1周，使其适应动物中心的新环境。1周后，给予高脂饮食（饲料成分：20.0% 猪油、10.0% 蔗糖、2.5% 胆固醇、1.0% 胆酸、66.5% 常规饲料）喂养4周。
2. 从第1个^st 第5天^th 每周，连续3天每天以35 mg/kg的剂量腹腔注射小鼠链脲佐菌素溶液。用0.1 mol/L柠檬酸钠缓冲液作为溶剂，将10 mg链脲佐菌素粉末配制成1 mL链脲佐菌素溶液。
   注意：溶液配制后应在30分钟内完成注射，使用过程中应避光。
3. 在注射链脲佐菌素溶液后的第5天和第7天随机检测血糖。若动物两次随机血糖水平均高于16.7 mM/L，则判定为成功的2型糖尿病（T2DM）模型。
4. 在首次注射链脲佐菌素溶液后的第8天开始训练干预。

2. 小鼠的分组与处理

1. 采用随机数字表法将T2DM小鼠分为模型组、训练组和二甲双胍组，每组6只小鼠。
2. 对模型组不进行任何干预。
3. 将二甲双胍片研磨成粉末，溶于纯水中，以200 mg/kg的剂量对二甲双胍组小鼠进行每日一次、连续3周的灌胃给药。
4. 训练组小鼠每周一至周五下午进行训练，每天进行30分钟的静态力量训练，每周5天，持续3周。
5. 随机选取6只非T2DM小鼠作为对照组，该组小鼠不进行造模和干预。

3. 制造静态力量训练装置

1. 准备一块厚度为 5 mm、尺寸为 20 cm × 20 cm 的透明亚克力板。使用透明板材以便观察小鼠训练过程。
2. 准备直径为 3 mm 的木棒以及宽度为 1 cm 的胶带卷。使用纸张切割器裁剪出两根 4 cm 长的木棒和四根 1 cm 长的木棒。
3. 用胶带将两根 1 cm 长的短木棒固定在一根 4 cm 长的木棒两端（图 1A）。短木棒应固定在长木棒的同一侧。
4. 将透明板放置在平坦表面上，使用热熔胶枪将两组 1 cm 的短木棒固定在板上。确保 4 cm 长的木棒不与板面接触，在长木棒与板之间预留 2 cm 的间隙以固定小鼠位置（图 1B）。使两根长木棒保持对齐且相互平行，间距为 6 cm（图 1C）。

图1：将木棒组装并固定在透明板上。（A）将1 cm长的木棒用胶带固定在4 cm长木棒的两端。（B）使用热熔胶将1 cm长的木棒与透明板连接，间隙长度为2 cm。（C）两根4 cm长的木棒相距6 cm放置。请点击此处查看该图的放大版本。

小鼠的静态力量训练

1. 剪取两段长度为 15 cm 的毛线。使用活结将每段毛线分别系在小鼠的两个后踝上方（图 2A）。
   注意：弹性绳无法固定小鼠体位，而麻绳会磨损小鼠踝部，因此此处选用无弹性但质地柔软的毛线。
2. 将木板水平放置于桌面上，木棍朝上。小心地将小鼠压在两根长木棍之间，使其头部和尾部与木棍下方的空隙对齐。
3. 将毛线从尾部末端的空隙中穿过，然后调整毛线长度，使小鼠踝部紧贴木棍边缘。
4. 用胶带固定毛线（图 2B）。毛线末端必须牢固固定，否则小鼠可能攀爬松脱的毛线逃脱。应尽可能拉紧毛线，否则小鼠容易挣脱。
5. 将透明板倒置。在透明板两端各放置一个高度相同（15–20 cm）的盒子，使木板在一定高度保持水平。盒子分别位于小鼠头部和尾部的两端。若高度过高，实验者操作不便；若过低，小鼠可能触及桌面。
6. 当木板翻转后，小鼠呈倒挂状态。由于翻正反射，小鼠会蜷缩腹部并伸展前肢以抓握后肢或木棍。此时，在小鼠前方放置一根 20 cm 长的木棍，并小心引导其用前肢抓握该木棍。重复此过程，直至小鼠熟练掌握抓握移动木棍的动作。
7. 利用该木棍引导小鼠前肢移向透明板上另一根 4 cm 长的固定木棍。持续调整木棍角度，使小鼠能够主动抓握板上固定的 4 cm 木棍（图 2C）。
8. 重复前述步骤，直至小鼠因疲劳而无法继续抓握前爪。30 分钟后，大多数小鼠将无法抬起上身或用前肢抓握木棍。
   注意：在实施干预前，需对小鼠进行为期一周的适应性训练。初始训练时间为每天 10 分钟，之后每天增加 5 分钟，直至达到每天 30 分钟。
9. 训练 30 分钟后，立即释放小鼠并解开毛线，以防止因长时间束缚导致足部红肿。
   1. 若训练后小鼠踝部出现皮肤损伤，应立即停止训练，并寻求兽医专业处理，直至踝部恢复健康。
   2. 部分小鼠在训练过程中可能因剧烈挣扎而偶然挣脱。这种情况通常发生在后肢未被牢固固定时。为避免因挣扎造成伤害，训练期间应全程观察小鼠状态。一旦发现后肢固定不牢或小鼠开始挣扎，应立即松开并重新固定。
      注意：既往实验表明，每天倒挂小鼠 30 分钟，每周 5 天，只要及时释放，不会造成踝部磨损¹⁰。小鼠通常在 1–3 次训练中即可学会并适应该训练程序。

图 2：小鼠固定方法。（A）用活结绑住踝关节上方。（B）将绳子末端穿过缝隙并拉紧，然后用胶带固定。（C）小鼠的静态力量训练。请点击此处查看此图的放大版本。

结果

按照上述方案，小鼠的后肢被固定，前肢可自主抓握前方的横杆。较小的活动范围使小鼠保持在相对固定的位置。通过触碰小鼠腹部和腿部的肌肉，可确认其肌肉发生收缩，这与静态力量训练中等长肌收缩状态的要求一致。根据该方案对小鼠进行训练，随着训练次数的增加，有助于小鼠逐渐适应训练过程，并降低其挣扎意愿，从而避免出现逃避性挣扎行为。

对2型糖尿病小鼠血糖和胰岛素水平的影响
将24只C57BL/6J小鼠随机分为对照组（n=6）和2型糖尿病（T2DM）模型组（n=18）。随后将T2DM小鼠随机分为模型组、训练组和二甲双胍组。对照组不进行造模或干预，模型组小鼠不给予任何干预。训练组小鼠每天进行一次、每次30分钟的静力性力量训练，每周5天，持续3周。二甲双胍组小鼠每天给予200 mg/kg的二甲双胍，连续给药3周。干预3周后的空腹血糖（FBG）结果如图3A所示。由图可知，T2DM模型小鼠的FBG水平显著高于对照组小鼠。接受静力性训练的小鼠FBG水平较模型组显著降低，表明静力性训练对降低T2DM小鼠的空腹血糖具有明显效果。如图3B所示，模型组的空腹血清胰岛素（FINS）水平显著低于对照组；而训练组和二甲双胍组的FINS水平较模型组有所升高。在图3C中，模型组小鼠的胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）显著高于对照组，而静力性训练组和二甲双胍组的HOMA-IR显著低于模型组，表明这两种干预方式均能有效缓解T2DM小鼠的胰岛素抵抗状态。上述结果表明，本方案所提供的静力性力量训练在调节T2DM小鼠血糖水平方面具有与二甲双胍相似的效果。

图 3：血糖与胰岛素水平。（A）干预 3 周后 T2DM 小鼠空腹血糖水平的比较。* p <0.05，与对照组相比；# p <0.05，与模型组相比。（B）干预 3 周后 T2DM 小鼠空腹血清胰岛素水平的比较。* p <0.05，与对照组相比；# p <0.05，与模型组相比。（C）干预 3 周后 T2DM 小鼠胰岛素抵抗指数的比较。* p <0.05，与对照组相比；# p <0.05，与模型组相比。采用单因素方差分析（ANOVA）进行统计分析。定量数据以均值 ± 标准误表示（n=6）。请点击此处查看该图的放大版本。

2型糖尿病小鼠骨骼肌的影响
通过透射电子显微镜观察小鼠腓肠肌。与对照组小鼠相比，2型糖尿病（T2DM）小鼠的骨骼肌肌细胞出现退行性变，肌原纤维结构松散，肌节排列不规则（图4A、B）。经过本方案所述的静力性训练后，图4C显示肌纤维结构致密，局部肌节呈对称性排列。这表明静力性力量训练可调节T2DM小鼠骨骼肌的形态结构。另一方面，在对照组小鼠的腓肠肌中，线粒体呈局部分布，膜结构完整，并可见部分线粒体发生分裂或融合（红色箭头指示）。同样，在静力性力量训练后的小鼠骨骼肌中，线粒体数量正常，部分线粒体明显发生融合或分裂（红色箭头）。而在T2DM小鼠模型中，线粒体数量减少且活性降低。（见图4）这提示静力性力量训练可能影响骨骼肌细胞中线粒体的功能与活性。

图4：静态训练对2型糖尿病小鼠骨骼肌的影响。（A）对照组；（B）2型糖尿病模型组；（C）静态训练组。M代表线粒体。白色比例尺为50µm，红色比例尺为10µm。下方图像为上方图像的局部放大。请点击此处查看该图的高清版本。

讨论

静态力量训练可减少脂肪堆积，有助于减轻体重并提高新陈代谢⁸。此外，它还能增强骨骼肌细胞中PGC-1α的表达及线粒体生物合成，从而改善2型糖尿病小鼠的葡萄糖代谢，进而降低血糖水平¹¹。为验证静态训练对2型糖尿病（T2DM）的影响及其作用机制，需开发适用于实验动物的静态训练装置。

本方案介绍了一种用于小鼠静态训练的装置。所需设备（如亚克力板、小木棒、毛线和热熔胶枪）易于获取，制作方法简单便捷，可有效降低实验成本，提高实验的可行性与可重复性。在设计静态训练装置时，如何在训练过程中保持小鼠体位固定是一大挑战。在本方案中，可通过收紧柔软的毛线将小鼠的足部固定在小木棒前端。由于翻正反射，小鼠会将上半身向上弯曲，从而使其前肢能够抓握前方的横杆。横杆较短，限制了前肢的活动范围。经过两到三次适应性训练后，小鼠即可维持稳定的姿势。由于前肢力量有限，小鼠常会松脱横杆，因此实验人员需全程密切观察，及时协助小鼠以前肢抓握横杆，防止其意外受伤。 通过训练，小鼠可每次维持固定姿势1-2分钟，重复多次，直至力竭后持续约30分钟。当小鼠力竭时，不再翻转腹部或抬起前肢；当用木棒引导其前肢抓握时，虽能完成抓握动作，但上半身无法向上翻转。在放下小鼠后应尽快解开绑结，以有效避免踝部水肿和磨损。

初步实验表明，经过一段时间的静力训练后，2型糖尿病（T2DM）小鼠的血糖水平与模型对照组小鼠相比显著降低。骨骼肌是外周葡萄糖代谢的关键组成部分，对维持血糖稳态至关重要¹²。电镜分析显示，T2DM小鼠腓肠肌细胞出现严重变性，而静力训练可减轻肌肉组织的退行性改变。这些结果提示，静力训练可能参与调控骨骼肌功能。研究表明，骨骼肌功能的维持在很大程度上受线粒体动力学的影响¹³。与野生型小鼠和静力运动小鼠相比，T2DM小鼠模型组的腓肠肌细胞中线粒体数量明显减少，且线粒体活性缺乏。这些发现表明，静力训练可能通过增强骨骼肌细胞中的线粒体功能来促进骨骼肌功能。根据上述实验结果可以得出，静力训练可显著改善T2DM小鼠的血糖和胰岛素代谢。其干预机制可能与静力训练对骨骼肌线粒体功能的调控作用有关。

本方案存在一些局限性。最初，单人操作时难以独立完成小鼠后肢的绑扎，因该操作需要一人固定后肢，另一人进行绑扎。经过若干调整并随着实验人员操作技能的提高，小鼠的配合度有所改善，从而实现了后肢的独立绑扎。此外，柔软的羊毛材料可能有助于减轻小鼠踝部的淤伤。

综上所述，本方案提供了一种制备小鼠静态训练设备的简便方法。类似地，通过增大板材和杆件的尺寸，也可制备适用于大鼠的简单静态训练装置。该设备可维持小鼠四肢肌肉的等长收缩，从而验证传统中医锻炼方式对2型糖尿病（T2DM）的干预效果，并为T2DM的临床治疗提供新的视角。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
亚克力板			厚度为5mm的透明亚克力板，尺寸应大于20cm×20cm
盒子			两个相同高度（15~20cm）的盒子
ELISA试剂盒		H203-1-2	南京建成生物工程研究所
热熔胶枪			避免触碰枪头以免烫伤
刀具			无特殊要求
二甲双胍片		1396309	Sigma
剪刀			无特殊要求
木棒			若干直径为3mm的木棒
链脲佐菌素		S0130	Sigma
胶带			无特殊要求
透射电子显微镜（TEM）		HT7700	HITACHI