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ストレプトゾトシン誘発糖尿病ラットにおけるアキレス腱の初期リモデリングに対する光生体調節と運動の効果
Effect of photobiomodulation and exercise on early remodeling of the Achilles tendon in streptozotocin-induced diabetic rats.
PMID: 30716140 PMCID: PMC6361457. DOI: 10.1371/journal.pone.0211643.
抄録
本研究の目的は、糖尿病ラットにおけるアキレス腱（AT）損傷の初期リモデリング中の生体力学的特性、組織形態、腱マトリックス分子の発現に対するレーザー光生体調節（LPBM）療法と有酸素運動の治療効果を比較することであった。動物を、傷害を受けた非糖尿病患者（Ｉ、ｎ＝１５）、傷害を受けた糖尿病患者（ＩＤ、ｎ＝１５）、傷害を受けた糖尿病患者＋ＬＰＢＭ（ＩＤＬ、ｎ＝１６）、傷害を受けた糖尿病患者＋有酸素運動（ＩＤＥ、ｎ＝１６）、傷害を受けた糖尿病患者＋有酸素運動＋ＬＰＢＭ（ＩＤＥＡＬ、ｎ＝１７）の５つのグループに無作為に割り付けた。1型糖尿病は、ストレプトゾトシンを40mg/kgの用量で単回静脈内注射することで誘導した。右ATに部分テノトミーを施行した。LPBMはインジウム-ガリウム-アルミニウム-リン化物660 nm 10 mWレーザー装置（スポットサイズ0.04 cm2、出力密度250 mW/cm2、照射時間16秒、エネルギー0.16 J、エネルギー密度4 J/cm2）を用いて、3週間にわたり合計9回（合計エネルギー1.44 J）の照射を交互日に行い、ATの背側面上の1点に静止接触法を用いて行った。中等度の有酸素運動は電動トレッドミル（速度9m/min、60分）で行った。受傷後3週間で、バイオメカニカル解析、線維芽細胞の数と配向性の評価を行った。コラーゲン1(Col1)と3(Col3)、マトリックスメタロプロテアーゼ(MMPs)-3と13のタンパク質分布を免疫組織化学で調べ、Col1とCol3、MMP-2と9の遺伝子発現を定量的RT-PCR(qRT-PCR)で評価した。IDEALは他の群と比較して、いくつかの生体力学的パラメータにおいて有意な増加を示した。さらに、IDEALはIDLと比較してCol1免疫反応性が強く、IDEALよりもCol3免疫反応性が弱かった。IDL、IDEALともにMMP-3の発現はIと比較して弱く、IDLはMMP-13の発現はなかった。ID、IDLおよびIDEは、Iと比較して線維芽細胞の増加を示したが、IDEALは、IDおよびIDEと比較して線維芽細胞の数が減少した。遺伝子発現の結果、IDL群およびIDEAL群は、Iと比較して線維芽細胞の角度分散が減少していた。IDEALは、IDLまたはIDE単独と比較してCol1 mRNA発現のアップレギュレーションを示し、IDLおよびIDEと比較してMMP-2発現の増加を示した。IDEALでは、I、IDLおよびIDEと比較して、MMP-9の発現がアップレギュレーションされた。これらの結果は、有酸素運動とLPBMの両方の治療法を組み合わせることで、糖尿病性腱の生体力学的特性、組織形態、マトリックス分子の発現に有益な相互作用があることを示唆しています。
The aim of this study was to compare the treatment effects of laser photobiomodulation (LPBM) therapy and aerobic exercise on the biomechanical properties, tissue morphology and the expression of tendon matrix molecules during early remodeling of Achilles tendon (AT) injury in diabetic rats. Animals were randomly assigned to five groups: injured non diabetic (I, n = 15), injured diabetic (ID, n = 15), injured diabetic plus LPBM (IDL, n = 16), injured diabetic plus aerobic exercise (IDE, n = 16) and injured diabetic plus aerobic exercise and LPBM (IDEAL, n = 17). Type 1 diabetes was induced via a single intravenous injection of Streptozotocin at a dose of 40 mg/kg. A partial tenotomy was performed in the right AT. LPBM was performed with an indium-gallium-aluminum-phosphide 660 nm 10 mW laser device (spot size 0.04 cm2, power density 250 mW/cm2, irradiation duration 16 s, energy 0.16 J, energy density 4 J/cm2) on alternate days for a total of 9 sessions over 3 weeks (total energy 1.44 J), using a stationary contact technique to a single point over the dorsal aspect of the AT. Moderate aerobic exercise was performed on a motorized treadmill (velocity 9 m/min for 60 minutes). At 3 weeks post-injury, biomechanical analyzes as well as assessment of fibroblast number and orientation were performed. Collagen 1 (Col1) and 3 (Col3) and matrix metalloproteinases (MMPs) -3 and 13 protein distributions were studied by immunohistochemistry; while Col1 and Col3 and MMP-2 and 9 gene expression were assessed by quantitative RT-PCR (qRT-PCR). IDEAL exhibited significant increases in several biomechanical parameters in comparison to the other groups. Moreover, IDEAL presented stronger Col1 immunoreactivity when compared to ID, and weaker Col3 immunoreactivity than IDE. Both IDL and IDEAL demonstrated weaker expression of MMP-3 in comparison to I, while IDL presented no expression of MMP-13 when compared to ID. ID, IDL and IDE showed an increased number of fibroblasts in comparison to I, while IDEAL decreased the number of these cells in comparison to ID and IDE. IDL and IDEAL groups exhibited decreased angular dispersion among the fibroblasts when compared to I. The gene expression results showed that IDE demonstrated a downregulation in Col1 mRNA expression in comparison to I and ID. IDEAL demonstrated upregulation of Col1 mRNA expression when compared to IDL or IDE alone and increased MMP-2 expression when compared to IDL and IDE. MMP-9 expression was upregulated in IDEAL when compared to I, IDL and IDE. Our results suggest a beneficial interaction of combining both treatment strategies i.e., aerobic exercise and LPBM, on the biomechanical properties, tissue morphology and the expression of matrix molecules in diabetic tendons.