Un régime enrichi en calcium et en phosphore augmente le volume osseux après trente jours d'exercices sur tapis roulant à grande vitesse chez des souris adultes

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14616 (2022) Citer cet article

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Les exercices avec mise en charge augmentent la masse osseuse et la force. L'augmentation de la fréquence de charge osseuse pendant l'exercice peut renforcer les os. La combinaison de l'exercice avec un régime alimentaire enrichi en calcium et en phosphore augmente la zone corticale plus que l'exercice seul chez la souris. Ainsi, nous avons émis l'hypothèse que la combinaison d'exercices sur tapis roulant à grande vitesse tout en nourrissant des souris avec un régime supplémenté en minéraux conduirait à une plus grande surface corticale qu'un exercice à grande vitesse avec un régime standard et un exercice à basse vitesse avec un régime supplémenté. Des souris mâles C57BL/6 âgées de 15 semaines ont été réparties en sept groupes : (1) départ, (2) sans exercice nourri avec un régime témoin, (3) sans exercice avec un régime supplémenté, (4) exercice à basse vitesse avec un régime témoin, (5) exercice à basse vitesse avec un régime supplémenté, (6) exercice à grande vitesse avec un régime témoin et (7) exercice à grande vitesse avec un régime supplémenté. Les souris ont exercé trente jours pendant 20 min/jour à 12 m/min ou 20 m/min. Les tibias ont été évalués par micro-CT et flexion en 4 points. La fraction de zone corticale et la fraction de volume d'os trabéculaire (BV/TV) ont été significativement augmentées par le régime alimentaire complété. Les souris entraînées à grande vitesse avaient un poids corporel significativement plus faible, sans effets néfastes sur la santé des os. L'augmentation de la vitesse de course peut réduire le poids corporel tout en conservant les avantages de l'exercice et de la nutrition sur la santé des os. La course à pied peut réduire le poids corporel sans nuire à la santé des os.

L'exercice de mise en charge chez l'homme et la souris peut augmenter la masse osseuse, la résistance au niveau structurel (os entier) et/ou la qualité des tissus, ce qui rend l'os plus apte à résister aux fractures1,2,3,4. L'exercice peut également avoir des effets bénéfiques à long terme sur la santé des os, même après un désentraînement5,6,7,8,9,10,11,12,13. Chez l'homme, la masse osseuse culmine à ~ 25 ans et décline par la suite. Il est donc avantageux de maximiser l'accumulation de masse osseuse tôt dans la vie pour maintenir un niveau de masse osseuse plus élevé à un âge avancé lorsque l'exercice de mise en charge devient plus difficile à réaliser14,15,16.

L'os réagit à la charge due à l'exercice en augmentant la masse osseuse et/ou la résistance osseuse pour supporter des charges plus importantes et prévenir les dommages17. L'exercice chez les humains et les rongeurs peut augmenter la masse osseuse en augmentant l'ampleur de la contrainte sur l'os, entraînant une augmentation de la section transversale osseuse18 et du taux de formation osseuse19,20. Les charges générant des amplitudes de déformation plus élevées augmentent le taux de formation osseuse lorsqu'elles sont appliquées à une fréquence de charge plus élevée21. Les régimes d'exercices à plus haute intensité obtenus en augmentant la vitesse du tapis roulant peuvent donc être en mesure d'augmenter la formation osseuse.

L'augmentation de la formation osseuse peut permettre à l'os d'atteindre un pic de masse osseuse plus important ou d'atteindre un pic de masse osseuse en un temps plus court, permettant une augmentation plus rapide de la résistance à la fracture. Maximiser la masse osseuse avec l'exercice pourrait nécessiter un apport minéral alimentaire accru pour augmenter simultanément la masse osseuse et la qualité du tissu osseux. Étant donné que l'exercice augmente la demande de minéraux alimentaires22, l'exercice sur tapis roulant peut entraîner un besoin encore plus important de minéraux que les quantités alimentaires normales ne peuvent pas fournir. La combinaison d'exercices sur tapis roulant à vitesse plus élevée avec un régime alimentaire enrichi en calcium et en phosphore peut augmenter davantage la masse osseuse au-delà de ce que l'exercice standard à faible vitesse peut atteindre.

Dans des conditions d'exercice standard (courir à une vitesse similaire au jogging), les rongeurs exercés pendant 6 à 12 semaines ont augmenté le contenu minéral, la surface, la force d'élasticité et la force ultime de l'os cortical13,22,23,24,25. Chez les jeunes souris adultes, combiner l'exercice avec un régime alimentaire enrichi en minéraux augmente la surface corticale tibiale par rapport à l'exercice avec un régime standard après seulement 3 semaines2. Il a donc été émis l'hypothèse que la combinaison d'un régime supplémenté en minéraux avec un exercice sur tapis roulant à grande vitesse conduirait à une plus grande surface corticale qu'un exercice à grande vitesse avec un régime standard après un programme d'exercice relativement court de trente jours chez de jeunes souris adultes.

Il y avait un effet principal significatif de l'exercice sur le poids corporel après trente jours (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs, Fig. 1). Les souris des deux groupes d'exercices à grande vitesse n'ont pas pris de poids après le huitième jour. Le même effet sur le poids corporel s'est produit chez les souris exercées à faible vitesse tout en nourrissant le régime témoin. Le poids corporel dans tous les autres groupes de souris a augmenté de façon continue après le jour 8. Les souris de ces groupes ont terminé l'étude avec un poids corporel significativement plus élevé que les souris des trois groupes qui n'ont pas pris de poids après le jour 8 (p < 0,05, tests de Tukey).

Poids corporel de la souris (moyenne ± SD, n = 20/groupe). L'exercice à grande vitesse a limité les gains de poids corporel après une semaine. Au jour 29, les deux groupes d'exercice à grande vitesse et le groupe d'exercice à faible vitesse sur le régime de contrôle avaient un poids corporel inférieur à celui des groupes non exercés et du groupe exercé sur le régime supplémenté. *Effet significatif de l'exercice au jour 29 (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs).

Le régime alimentaire a eu un effet principal significatif sur la fraction de surface corticale (Ct.Ar/Tt.Ar), la surface corticale (Ct.Ar) et l'épaisseur corticale (Ct.Th) après trente jours (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs, Fig. 2). L'exercice a eu un effet principal significatif sur Ct.Ar/Tt.Ar, la section transversale totale et la longueur tibiale (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). Toutes les souris recevant le régime supplémenté avaient une épaisseur corticale significativement plus grande que les souris recevant le régime témoin (p < 0,05, tests de Tukey). Les souris entraînées à faible vitesse et recevant le régime témoin avaient un Ct.Ar/Tt.Ar significativement plus faible que les souris de référence (p < 0,05, tests de Tukey). La densité minérale tissulaire était significativement supérieure à la valeur initiale dans tous les groupes recevant le régime témoin et chez les souris exercées à faible vitesse recevant le régime supplémenté (p < 0,05, tests de Tukey). Il n'y avait pas de différences significatives entre les exercices à grande vitesse et à basse vitesse pour les propriétés de l'os cortical.

Propriétés géométriques transversales et minéralisation de l'os cortical tibial médian diaphysaire gauche de la souris (moyenne ± ET, n = 20/groupe). Le régime alimentaire a augmenté de manière significative la fraction de zone corticale, la zone corticale et l'épaisseur. L'exercice a considérablement réduit la fraction de la zone corticale et la longueur tibiale. #Effet diététique significatif (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). *Effet significatif de l'exercice (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). ^ Significativement différent de la ligne de base (p < 0,05, test de Tukey). La barre horizontale représente une différence significative entre les groupes (p < 0,05, test de Tukey).

Le régime a eu un effet principal significatif sur la BV/TV trabéculaire, la BV, la Tb.Th, la Tb.N et la Tb.Sp (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs, Fig. 3). L'exercice a eu un effet principal significatif sur Tb.N et Tb.Sp. Chaque groupe recevant le régime supplémenté présentait une BV/TV trabéculaire, une Tb.N et une Tb.Th significativement plus élevées et une Tb.Sp significativement plus faible que le groupe de régime témoin soumis à la même vitesse d'exercice (p < 0,05, tests de Tukey). Tous les groupes recevant le régime supplémenté présentaient des BV/TV, BV et Tb.Th significativement plus élevés que les valeurs initiales (p < 0,05, tests de Tukey). Les souris non-exercées sur le régime de contrôle avaient un BV/TV significativement inférieur à la ligne de base (p < 0,05, tests de Tukey). Les exercices à basse et à haute vitesse ont empêché cette baisse.

Architecture trabéculaire tibiale proximale gauche (moyenne ± SD, n = 20/groupe). Le régime alimentaire a eu un effet principal significatif sur toutes les propriétés mesurées, à l'exception de la densité minérale tissulaire (TMD), de l'augmentation du volume osseux trabéculaire (BV), du volume osseux/volume total (BV/TV), du nombre trabéculaire (Tb.N) et de l'épaisseur trabéculaire (Tb.Th) et de la diminution de la séparation trabéculaire (Tb.Sp). Pour les souris nourries avec le régime témoin, les deux vitesses d'exercice ont empêché une diminution significative de BV/TV par rapport au départ. #Effet diététique significatif (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). *Effet significatif de l'exercice (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). ^ Significativement différent de la ligne de base (p < 0,05, test de Tukey). La barre horizontale représente une différence significative entre les groupes (p < 0,05, test de Tukey).

Au niveau structurel (os entier), le régime a eu un effet principal significatif sur la force d'élasticité après trente jours (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs, Fig. 4). Les souris exercées à faible vitesse sur le régime supplémenté avaient une force de rendement et un travail de pré-rendement significativement plus élevés que la ligne de base (p <0, 05, tests de Tukey), et les souris non exercées sur le régime supplémenté avaient une force de rendement significativement plus élevée que la ligne de base. Il n'y avait pas d'effets principaux significatifs de l'exercice ou de différences significatives entre les groupes pour toute propriété mécanique au niveau structurel. Au niveau tissulaire, l'exercice a eu un effet principal significatif sur le stress ultime après trente jours (p <0,05, ANOVA à deux facteurs, Fig. 5). Les souris non-exercées sur le régime supplémenté avaient un stress de rendement et un stress ultime significativement plus élevés que la ligne de base (p < 0,05, tests de Tukey). Il n'y avait pas d'effets principaux significatifs du régime alimentaire sur les propriétés mécaniques au niveau des tissus.

Propriétés mécaniques tibiales gauches au niveau structurel (moyenne ± SD, n = 20/groupe). Il y avait un effet principal significatif du régime sur la force de rendement, et les souris non exercées sur le régime supplémenté et les souris exercées à faible vitesse sur le régime supplémenté avaient une force de rendement significativement plus élevée que la ligne de base. #Effet diététique significatif (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). ^ Significativement différent de la ligne de base (p < 0,05, test de Tukey).

Propriétés mécaniques du tibia gauche au niveau tissulaire (moyenne ± ET, n = 20/groupe). L'exercice a eu un effet principal significatif sur le stress ultime, diminuant la résistance des os. Le stress de rendement et le stress ultime étaient significativement plus élevés que le niveau de référence chez les souris non entraînées nourries avec le régime alimentaire supplémenté. *Effet significatif de l'exercice (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). ^ Significativement différent de la ligne de base (p < 0,05, test de Tukey).

Il y avait un effet principal significatif du régime alimentaire sur le Ca sérique au jour 9 et au jour 30 (p <0, 05, ANOVA à deux voies, Fig. 6). Il y avait un effet principal significatif de l'exercice sur le calcium sérique uniquement au jour 30. Pour les souris sous régime témoin, l'exercice à grande vitesse augmentait significativement le Ca sérique au jour 30 (p <0,05, test de Tukey). Pour les souris recevant un régime supplémenté, il n'y avait aucun effet significatif de l'exercice sur le calcium sérique. Il n'y avait aucun effet significatif du régime alimentaire ou de l'exercice sur le P sérique au jour 9. Au jour 30, il y avait une interaction significative entre le régime alimentaire et l'exercice sur le P sérique. Les groupes d'exercices à haute et basse vitesse sur le régime supplémenté avaient un P sérique au jour 30 significativement plus faible que tous les autres groupes.

Sérum moyen [Ca] et [P] aux jours -4, 9 et 30, n = 20/groupe. Barres d'erreur supprimées pour plus de clarté. Le régime alimentaire supplémenté a augmenté de manière significative le Ca sérique les jours 9 et 30. L'exercice n'a augmenté de manière significative le Ca sérique que le jour 30. Le régime et l'exercice ont eu un effet interactif significatif sur le P sérique le jour 30. #Effet significatif du régime alimentaire ce jour-là (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). *Effet significatif de l'exercice ce jour-là (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). &Interaction significative entre le régime alimentaire et l'exercice ce jour-là (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs).

L'exercice a eu des effets principaux significatifs sur le CTX sérique et le rapport PINP/CTX au jour 9 (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs, Fig. 7). Les souris sous régime témoin soumises à des exercices à faible et à haute vitesse avaient un CTX au jour 9 significativement plus élevé que les souris non entraînées sous régime témoin (p < 0,05, test de Tukey). Il n'y avait aucun effet principal significatif du régime alimentaire, ce qui suggère que l'exercice avait plus d'impact sur le métabolisme osseux que le régime alimentaire au jour 9. Il y avait des effets principaux significatifs de l'exercice sur le CTX et le PINP sériques au jour 30, et il y avait un effet principal significatif du régime sur le CTX sérique au jour 30. Au jour 30, les souris entraînées à grande vitesse avec le régime supplémenté avaient un rapport PINP/CTX sérique significativement inférieur à celui des souris non entraînées avec le régime supplémenté.

CTX et PINP sériques (moyenne ± écart-type, n = 7/groupe) aux jours 9 et 30. Pour les souris sous régime témoin, l'exercice a considérablement réduit le PINP/CTX au jour 9, entraînant un état moins favorable à la formation du métabolisme osseux. De même, pour les souris recevant un régime supplémenté, l'exercice a considérablement réduit le PINP/CTX au jour 30. #Effet significatif du régime (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). *Effet significatif de l'exercice (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). &Interaction significative entre le régime alimentaire et l'exercice ce jour-là (p < 0,05, ANOVA à deux facteurs). La barre horizontale représente une différence significative entre les groupes (p < 0,05, test de Tukey).

Après trente jours d'interventions, l'alimentation avait un impact plus important sur la masse osseuse et la force que l'exercice (Figs. 2, 3 et 4). Le régime alimentaire et le régime d'exercice de cette étude (4 semaines, 20 min d'exercice par jour) ont entraîné des effets similaires sur la masse et la force de l'os tibial que les études précédentes qui impliquaient des durées d'exercice plus longues (8 semaines, 30 min d'exercice par jour)2,5. La charge tibiale directe chez les rongeurs a une efficacité réduite lorsqu'elle est appliquée pendant un grand nombre de cycles de charge par jour, mais le nombre de cycles de charge utilisé ici était d'un ordre de grandeur supérieur26. Ainsi, des durées plus longues d'exercices sur tapis roulant ne sont probablement pas plus bénéfiques pour la santé des os.

Les interventions de régime et d'exercice ont eu le plus d'impact sur l'os trabéculaire tibial. Cette étude a montré, pour la première fois, que ce régime supplémenté augmentait le volume osseux trabéculaire du tibia proximal (Fig. 3B). L'augmentation du BV/TV, mais pas du CtAr/TtAr, de la zone corticale ou du TMD chez les souris recevant un régime supplémenté peut être un signe que ce programme de régime et d'exercice à court terme était plus efficace sur l'os trabéculaire. La réponse de l'os aux stimuli mécaniques et autres peut être spécifique au site27. Des modifications de l'os trabéculaire, mais pas de l'os cortical après une courte intervention, peuvent survenir car le taux métabolique de l'os trabéculaire peut être plus élevé que celui de l'os cortical. L'exercice à plus long terme pendant 8 semaines augmente la zone corticale2, et le programme d'exercices à grande vitesse utilisé ici peut également avoir augmenté la zone corticale si la durée du programme d'exercice a été augmentée.

Il y avait une diminution de la BV/TV trabéculaire avec l'âge de 15 à 19 semaines chez les souris témoins. Pour les souris sous régime témoin, l'exercice a empêché cette baisse liée à l'âge de la BV/TV trabéculaire. Étant donné que l'exercice semble n'avoir aucun effet sur les souris recevant un régime supplémenté tout en procurant certains avantages aux souris recevant le régime témoin, les effets de l'exercice peuvent dépendre de l'apport en minéraux alimentaires. L'exercice semble avoir le plus d'impact lorsque l'apport minéral alimentaire est insuffisant.

L'exercice à grande vitesse a considérablement réduit le poids corporel à la fin de l'étude (Fig. 1). Les souris des groupes d'exercices à grande vitesse n'avaient pas une masse osseuse tibiale ou une résistance mécanique inférieure, comme on pouvait s'y attendre avec une diminution du poids corporel28,29. La normalisation de la masse et de la force osseuses en fonction du poids corporel n'a révélé aucune information supplémentaire, car aucune propriété normalisée en fonction du poids corporel n'a été significativement affectée par l'exercice (données non présentées). Ainsi, le programme d'exercices à grande vitesse a permis aux souris d'atteindre la même masse osseuse et la même force à un poids corporel inférieur à celui des souris non entraînées.

Le régime supplémenté a provoqué une quantité significativement plus élevée de Ca sérique que le régime témoin aux jours 9 et 30 (Fig. 6A). L'apport sérique plus important de Ca provenant de l'alimentation complétée aurait finalement pu conduire à une plus grande BV/TV trabéculaire après trente jours. Étant donné que l'exercice n'affectait que le calcium sérique à la fin de l'étude, l'augmentation de la durée du programme d'exercices pourrait entraîner une augmentation supplémentaire de la BV/TV trabéculaire chez les souris entraînées suivant un régime standard.

Les souris exercées à des vitesses élevées et faibles tout en étant nourries avec le régime supplémenté avaient un taux de phosphore sérique significativement plus faible au jour 30 que les souris non exercées et les souris exercées tout en étant nourries avec le régime témoin (Fig. 6B). Les rongeurs soumis à des exercices sur tapis roulant peuvent avoir une demande accrue en phosphore ainsi qu'en calcium30. Bien que le régime supplémenté contienne deux fois plus de phosphore que le régime témoin, cette concentration peut toujours ne pas être suffisante pour les besoins accrus en minéraux résultant de l'exercice. L'exercice n'a pas diminué le phosphore sérique chez les souris recevant le régime témoin, peut-être en raison du rapport Ca:P plus faible dans le régime témoin. Le rapport Ca:P élevé dans le régime alimentaire supplémenté peut être bénéfique pour le calcium sérique, mais préjudiciable pour le phosphore sérique. Les souris n'ont pas été assignées à des groupes de phosphore sérique de base équivalent. Les différences initiales de phosphore sérique peuvent avoir été un facteur dans les différences de groupe significatives observées au jour 30, bien que seules les souris exercées sur le régime supplémenté aient eu une diminution du phosphore sérique du jour 9 au jour 30.

Au jour 9, il y avait un effet principal significatif de l'exercice sur le rapport PINP/CTX (Fig. 7C). On s'attendrait à ce que ce changement dans le métabolisme osseux conduise à une diminution de la formation osseuse. Semblable à la réduction du PINP après un jour d'exercice2, un PINP/CTX plus faible au jour 9 suggère que l'exercice pourrait limiter la croissance osseuse pendant plus d'une semaine après le début du programme d'exercice. Cette diminution de la croissance est transitoire, car il n'y a pas de différences significatives dans la zone corticale et le volume osseux trabéculaire chez les souris exercées après trente jours (Figs. 2B et 3B). Pour les souris recevant un régime supplémenté, au jour 30, l'exercice à grande vitesse a considérablement réduit le rapport PINP / CTX (Fig. 7C). Les souris qui font de l'exercice alors qu'elles suivent un régime supplémenté peuvent atteindre leur masse osseuse maximale à un rythme plus rapide que les souris qui ne font pas d'exercice et qui suivent le même régime. Cela conduirait à une baisse du ratio PINP/CTX comme cela a été observé dans cette étude.

Il n'y avait aucun effet significatif de la vitesse d'exercice sur les mesures morphologiques ou mécaniques de l'os cortical ou trabéculaire. L'augmentation de la vitesse du tapis roulant peut ne pas avoir d'impact sur les os si elle n'entraîne pas de charges de pointe plus importantes. L'exercice à grande vitesse a entraîné une fréquence de charge moyenne plus élevée, mais n'a peut-être pas été un changement suffisamment important pour avoir un effet. Dans le modèle de chargement tibial direct, l'augmentation de la fréquence de chargement est associée à une augmentation du taux de formation osseuse21. Le taux de formation osseuse n'a pas été directement mesuré ici, mais les marqueurs du métabolisme osseux CTX, PINP et PINP/CTX peuvent subir des modifications indiquant une augmentation de la formation osseuse2,31,32.

Il y avait certaines limites à cette étude. Nous n'avons pas été en mesure de mesurer l'ampleur de la contrainte maximale appliquée aux os pendant l'exercice. Ainsi, nous n'avons pas pu déterminer si l'augmentation de la vitesse du tapis roulant entraînait une augmentation de l'amplitude de la contrainte sur les os. Cependant, nous avons mesuré l'augmentation du taux de pas de la souris à la vitesse d'exercice plus élevée, indiquant qu'une augmentation du taux de tension était probablement appliquée aux os. Afin de comparer les travaux antérieurs, seules des souris C57BL/6 mâles adultes ont été utilisées. Ainsi, nous ne savons pas si l'âge, le sexe et/ou la souche de la souris ont un impact sur les résultats de ces interventions en matière de régime alimentaire et d'exercice. Des travaux futurs pourraient examiner les effets de ces interventions dans différentes populations de souris à différentes durées de régime et d'exercice. De plus, la consommation alimentaire et les niveaux d'activité de la cage des souris n'ont pas été mesurés, de sorte qu'on ne sait pas si la perte de poids corporel est due à l'augmentation de l'activité ou à la diminution de la consommation alimentaire. Les souris qui courent à des vitesses similaires à notre exercice sur tapis roulant à grande vitesse peuvent avoir une consommation alimentaire réduite33,34. Il est possible que les souris entraînées à grande vitesse aient diminué leur consommation de nourriture, ce qui a entraîné une diminution du poids corporel. Cependant, toutes les mesures de la masse et de la force osseuses ont indiqué que la masse et la force osseuses étaient augmentées et maintenues, respectivement. Ainsi, il semble que toutes les souris entraînées à grande vitesse aient reçu un apport nutritionnel suffisant pour la santé des os. Cette étude a été réalisée chez des souris qui courent à quatre pattes. Les résultats peuvent varier chez les humains qui courent sur deux jambes et peuvent avoir une répartition différente de la charge sur les os pendant la course.

Après trente jours d'exercices sur tapis roulant à grande vitesse, les souris avaient un poids corporel inférieur, quel que soit l'apport minéral alimentaire. Ces changements de poids ne se sont pas fait au détriment de la masse osseuse corticale tibiale, du volume osseux trabéculaire ou des propriétés mécaniques. Les souris entraînées à grande vitesse avec le régime supplémenté avaient le plus grand CtAr/TtAr, la zone corticale et la BV/TV trabéculaire après trente jours. Ensemble, ces changements dans les propriétés osseuses et le poids corporel suggèrent que la combinaison d'un programme d'exercices à grande vitesse avec un régime alimentaire enrichi en minéraux pourrait être la meilleure solution pour maximiser la masse et la force osseuses afin de prévenir les fractures osseuses chez l'homme, ainsi que les avantages supplémentaires pour la santé de la perte de poids. Ces résultats pourraient conduire à la conception d'interventions de régime et d'exercice pour la perte de poids sans effets néfastes sur la santé des os.

Toutes les procédures animales ont été effectuées avec l'approbation du Comité de l'Université du Michigan sur l'utilisation et le soin des animaux (protocole n ° 00005237) et sont conformes aux directives et réglementations pertinentes. Cette étude est rapportée conformément aux directives ARRIVE. Cent trente-huit souris mâles C57BL/6, d'un poids corporel moyen de 26,3 ± 2,8 g, ont été achetées chez Charles River Laboratories (Wilmington, MA) à l'âge de 13 semaines. Les souris étaient logées individuellement, et elles ont été nourries avec le régime témoin pendant 2 semaines d'acclimatation. Le jour 1, à 15 semaines d'âge, les souris ont été assignées à l'un des 7 groupes - (1) un groupe de référence sacrifié le jour 1, (2) un groupe sans exercice nourri avec le régime de contrôle, (3) un groupe sans exercice avec le régime supplémenté, (4) un groupe d'exercice à faible vitesse avec le régime témoin, (5) un groupe d'exercice à faible vitesse avec le régime supplémenté, (6) un groupe d'exercice à grande vitesse avec le régime témoin et (7) un groupe d'exercice à grande vitesse avec le régime alimentation complétée. Les souris ont été divisées en groupes de poids corporel moyen et de concentration sérique de Ca de base égaux. Le Ca sérique de base a été mesuré 5 jours avant le jour 1 de l'expérience (jour -4). Après 30 jours de traitement(s), les souris de tous les groupes expérimentaux ont été sacrifiées à l'âge de 19 semaines et les tibias gauches ont été récoltés pour analyse.

Les formulations diététiques étaient les mêmes que celles que nous avons utilisées précédemment2,5. Le régime témoin était un régime AIN-93G (TestDiet®, Richmond, IN) qui a été modifié en ajoutant du phosphate dicalcique pour contenir 0,5 % de Ca et 0,5 % de P. Dans le régime supplémenté, du phosphate dicalcique et du carbonate de calcium ont été ajoutés pour donner au régime 5 % de Ca et 1 % de P. Les quantités de minéraux alimentaires et le rapport Ca/P ont tous été conçus pour augmenter le Ca sérique en augmentant l'absorption passive de Ca dans les intestins2,5,35,36,37. Pour le régime témoin, l'aliment contenait 3,90 kcal/g et la répartition calorique était de 65,0 % de glucides, 16,3 % de matières grasses et 18,7 % de protéines, tandis que le régime supplémenté contenait 3,39 kcal/g avec la même répartition calorique. Tous les autres nutriments étaient équivalents entre les régimes.

Tous les exercices ont été effectués sur un tapis roulant fonctionnant pendant les heures de lumière (Columbus Instruments, modèle 1055 M, Columbus, OH). Les voies du tapis roulant étaient couvertes de telle sorte que les voies en mouvement étaient dans l'obscurité, et si les souris tombaient du tapis roulant, elles seraient dans la lumière. Cela a fourni la motivation pour rester sur le tapis roulant. Le programme d'exercices à basse vitesse consistait à courir sur un tapis roulant incliné de 5° à 12 m/min, 20 min/jour pendant 30 jours consécutifs. Les souris ont été progressivement augmentées jusqu'à une vitesse maximale de 12 m/min au cours des 3 premiers jours d'exercice. Le programme d'exercices à grande vitesse consistait à courir sur un tapis roulant incliné de 5° à 20 m/min, 20 min/jour. Les souris ont été progressivement augmentées jusqu'à une vitesse maximale de 20 m/min au cours des 8 premiers jours d'exercice. Cette vitesse était la vitesse maximale que les souris pouvaient supporter de courir pendant 20 minutes sans tomber du tapis roulant à cette inclinaison et est similaire à la vitesse maximale que les souris peuvent courir à38. La conformité à l'exercice a été maintenue en tapotant la queue des souris qui sont tombées du tapis roulant pendant l'exercice. L'analyse vidéo image par image des souris courant a donné une fréquence moyenne estimée de 3,4 pas/seconde chez les souris courant 12 m/min et de 4,2 pas/seconde chez les souris courant 20 m/min. Sur la base de ces estimations, les souris ont effectué en moyenne 4 080 et 5 040 pas par séance d'exercice aux vitesses de 12 m/min et 20 m/min, respectivement. Ainsi, le programme d'exercices à grande vitesse avait une fréquence de charge plus élevée, et les deux programmes d'exercices offraient un nombre suffisant de cycles de charge/jour pour avoir un effet sur l'os de telle sorte que toute durée supplémentaire ne produirait probablement pas de modifications supplémentaires de l'os26.

Les mesures micro-scanner de l'os cortical et trabéculaire ont été obtenues comme nous l'avons détaillé5. Des tibias entiers ont été inclus dans de l'agarose et scannés à l'aide d'un scanner d'échantillons micro-CT (µCT100 Scanco Medical, Bassersdorf, Suisse). Les paramètres de numérisation étaient une taille de voxel de 12 μm, 70 kVp, 114 μA, un filtre AL de 0, 5 mm et un temps d'intégration de 500 ms. Les scans ont été analysés à l'aide d'algorithmes dans le logiciel Scanco IPL. Pour la mesure des paramètres de géométrie corticale - fraction de zone corticale (Ct.Ar / Tt.Ar), zone corticale (Ct.Ar), surface de section transversale totale, épaisseur corticale (Ct.Th) et densité minérale volumétrique des tissus (TMD), une section transversale de 180 μm d'épaisseur d'un site standard situé à 21, 7% de la distance entre la jonction tibia-péroné et l'extrémité proximale du tibia a été choisie. La section d'os cortical est située approximativement au centre de la région d'essai mécanique de flexion à quatre points. Une section transversale séparée de 180 μm d'épaisseur au niveau du site de fracture a été analysée pour les mesures de géométrie corticale utilisées dans les calculs des propriétés mécaniques au niveau des tissus (moment d'inertie, distance à l'axe neutre). Les scans tibiaux ont également été analysés pour les propriétés de l'os trabéculaire. Des coupes métaphysaires tibiales proximales de 480 μm d'épaisseur situées juste en dessous de la plaque de croissance ont été analysées à l'aide de volumes d'intérêt tracés à main levée. Les propriétés trabéculaires mesurées étaient la fraction volumique osseuse (BV/TV), le volume osseux (BV), le nombre trabéculaire (Tb.N), l'épaisseur trabéculaire (Tb.Th), la séparation trabéculaire (Tb.Sp) et le TMD.

Les propriétés mécaniques au niveau structurel et tissulaire ont été mesurées dans tous les groupes comme nous l'avons décrit précédemment2,5. Les propriétés au niveau de la structure (force, déformation, rigidité, travail) ont été mesurées à partir d'un test de flexion à la rupture en 4 points (portées intérieures de 3 mm et extérieures de 9 mm). Les tibias ont été chargés jusqu'à la rupture avec le côté médial de la diaphyse médiane en tension sous contrôle de déplacement à 0,025 mm/sec à une fréquence d'échantillonnage de données de 30 Hz. Les propriétés mécaniques au niveau des tissus (contrainte, déformation, module, ténacité) ont été estimées à l'aide de la théorie de la flexion du faisceau avec des mesures géométriques (moment d'inertie autour de l'axe antéro-postérieur, distance du centroïde au côté médial de l'os) à partir de données micro-CT au site de fracture39.

Des échantillons de sang à jeun prélevés avant l'exercice quotidien ont été prélevés par saignement de la veine sous-maxillaire comme nous l'avons décrit2. Les souris ont jeûné au début des heures de lumière et le sang a été prélevé six heures plus tard. Des échantillons de sang ont été prélevés au jour -4 (ligne de base), au jour 9 (après le premier jour de course à pleine vitesse pour tous les groupes d'exercice) et au jour 30 (le dernier jour d'exercice). Nos travaux antérieurs ont montré que des changements significatifs dans les marqueurs sériques du métabolisme osseux se produisent après une journée d'exercice, mais ne se maintiennent pas à long terme2. Ainsi, le sérum a été examiné au début de l'étude, juste après que les souris entraînées à grande vitesse aient commencé à courir à pleine vitesse pendant toute la séance d'exercice. Le sérum a été isolé par centrifugation. Les concentrations de calcium et de phosphore ont été mesurées à tous les moments à l'aide du kit de test Calcium CPC LiquiColor (Stanbio Laboratory, Boerne, TX) et du kit Phosphorus Liqui-UV (Stanbio Laboratory). Des ELISA ont été utilisés pour mesurer les marqueurs de la formation et de la résorption osseuses - peptide pro-collagène de type I amino-terminal (PINP) et réticulations de collagène carboxy-terminal (CTX) (Immunodiagnostic Systems, Inc., Scottsdale, AZ) - sur des échantillons du jour 9 et du jour 30. Toutes les instructions du kit des fabricants ont été suivies, y compris l'utilisation des normes fournies pour obtenir des courbes standard.

Toutes les analyses statistiques ont été effectuées à l'aide de Graphpad Prism. La normalité des données a été vérifiée à l'aide du test de Shapiro-Wilk. Les mesures de la géométrie corticale, les mesures de l'architecture trabéculaire, les propriétés mécaniques et les biomarqueurs sériques ont été testés par ANOVA à deux voies avec les tests post-hoc de Tukey pour déterminer si les effets individuels du régime ou de l'exercice étaient significatifs (p <0,05) et si les traitements combinés avaient un effet interactif significatif. Des ANOVA unidirectionnelles avec les tests post-hoc de Tukey ont été utilisées pour comparer la ligne de base aux groupes expérimentaux. Les données qui ont échoué au test de normalité ont été testées à l'aide du test de Kruskal-Wallis avec les tests post-hoc de Dunn. Les valeurs aberrantes ont été supprimées à l'aide de la fonction GraphPad ROUT pour détecter les valeurs aberrantes à l'aide d'une régression non linéaire40.

Toutes les données sont affichées dans les figures manuscrites et les fichiers supplémentaires.

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Ce travail a été soutenu par le prix NIH R01-AR052010 et le National GEM Consortium Ph.D. Bourse d'ingénierie. Merci à Michelle Lynch et au noyau MicroCT de l'École de médecine dentaire de l'Université du Michigan, financé en partie par le NIH/NCRR S10RR026475-01. Je tiens également à remercier Erin McNerny et Joe Gardinier pour leurs conseils et leur aide.

L'Université du Michigan, 1011 N University Ave., Ann Arbor, MI, 48109, États-Unis

Michael A. Friedman et David H. Kohn

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MAF et DHK étaient responsables de la conception de l'expérience, de la conception de l'expérience, de l'analyse et de l'interprétation des données et de l'édition du manuscrit. Le MAF était responsable de la collecte des données et de la rédaction du manuscrit.

Correspondance à David H. Kohn.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Friedman, MA, Kohn, DH Une alimentation enrichie en calcium et en phosphore augmente le volume osseux après trente jours d'exercices sur tapis roulant à grande vitesse chez des souris adultes. Sci Rep 12, 14616 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19016-8

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Reçu : 10 mars 2022

Accepté : 23 août 2022

Publié: 26 août 2022

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

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