肥胖通過代謝、炎癥和生物力學因素增加膝關節骨性關節炎（OA）的風險。OA的發生受代謝綜合癥的影響。了解這些系統性代謝條件（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等研究了上述相關課題，即：慢性飲食誘導的肥胖后自主跑步運動對小鼠膝關節OA相關軟骨和骨病理的影響。他們使用基于相關性的網絡分析來確定不同飲食組和運動組中與早期膝關節骨性關節炎表型相關的系統和局部因素，并將研究過程和結論發表在了“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（每籠≤5只）在環境溫度22?C±3?C，14/10小時的光/暗循環和通風的籠子中，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在帶有跑輪的籠子里，連續12周采集運動活動相關的數據，并且期間根據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節組織結構和骨關節炎病理的變化。然后，使用基于相關性的網絡分析，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）和功能（機械觸覺敏感性和握力）結果進行比較，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)。結果發現HF喂養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現，HF飲食導致體重和體脂顯著增加，但運動并沒有改變任何結果(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

在研究的最后階段，他們通過測量血清脂肪因子、炎癥介質、組織修復和生長因子，進一步評估了炎癥和代謝調節的系統標志物(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

自發性和關節損傷模型中骨性關節炎的發展與機械性異位痛和握力降低有關。他們通過計算馮弗雷纖維測試后的加權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生較低的分數。因此，分數越低或分數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飲食增加了加權反應評分（p = 0.008），而運動降低了加權反應評分（p = 0.0435）（圖3A)。與24周相比，運動通過降低加權反應評分（p = 0.028），與對照組飲食小鼠的機械敏感性增加相關（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.膝關節軟骨和骨的OA相關及結構變化

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相關的關節變化。總體改良的Mankin評分（最高評分=24），整個關節的平均分沒有因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側和外側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側關節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側關節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構組成的變化。在大多數地方，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）引起股骨外側軟骨下骨皮質骨密度的適度變化（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觀察到其他一些變化，與股骨外側的骨密度一樣， 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，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（p = 0.053）（圖4E)。總之，這些發現研究表明，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網絡

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網絡分析。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的結果。同時還評估了與跑步階段的相關性，將其定義為在黑暗階段發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有關。

圖1-4中顯示的所有實驗終點結果作為潛在的跑步距離或相位相關的因素(即38個變量)，結果在對照組中的16個變量中≥1個顯著相關，在HF小鼠中11個顯著相關（不包括跑步距離和相位變量本身之間的相關性）(圖5)。在兩種飲食中與跑步距離或階段相關的27個變量中，有4個變量和飲食相關：血清瘦素、脛骨內側軟骨下骨密度、脛骨骨骺小梁厚度和高營養軟骨細胞豐度。在兩種飲食中，瘦素與跑步距離均呈負相關。對照組小鼠和HF小鼠與軟骨下骨密度與距離相呈負相關，兩種飼糧的骨小梁厚度與跑步期呈負相關，與跑步距離呈正相關。另外19個與運動參數相關的變量，其中對照組12個,HF小鼠7個，表明一系列系統性和局部因素以飲食依賴的方式與運動相關。一些顯著的關聯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。此外，對照組小鼠的跑步距離與股骨外側改良的Mankin OA評分呈正相關。在HF小鼠中，跑步距離與Safranin-O染色缺失呈負相關，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性和局部性，這些相關性表明了晝夜節律是更主要的影響因素。

6.HF飲食和運動對OA相關網絡相關性的影響

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個局部和系統結果圖1-4(圖6)，為每個飲食和活動組建立一個單獨的相關性網絡。雖然不同組間的網絡規模具有可比性，但在比較不同飲食下的不運動和運動網絡之間存在顯著差異。例如，運動對基于飲食的網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小鼠的正負相關的比例要大得多。

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

 結論：盡管在目前的測試時間內，慢性飲食誘導的肥胖和自愿輪跑對膝關節骨性關節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節骨性關節炎相關的系統和局部變量之間的關系。這些結果表明，不同的前期OA表型可能存在于疾病的發展之前。