青春期前期女子藝術體操運動員骨骼生長及代謝研究

張國清

骨骼的生長、代謝與激素調控、營養因素、運動因素、免疫功能以及遺傳等因素相關，運動因素是其中一個重要因素［19］。運動不僅有利于促進骨礦物量和骨密度的增加，同時，還有利于改善骨骼的力學性能，降低骨骼疏松癥的發 生概 率 和 程 度［18，12－14］。 因 此，運 動 療 法 已 成 為 防 治 骨 骼疏松癥最基本、最有效的方法之一［12］。青春期前期是骨骼代謝旺盛的一個時期，其涉及骨礦物質吸收以及骨的形成，在該時期同時加強持續性的運動將更有利于骨骼的生長與代謝。藝術體操作為一種非極性運動，有利于避免極性運動所帶來的骨骼應力性損傷，同時，可加速青春前期的骨骼代謝。Bass等［6］研究表明，青春前期有藝術體操訓練經歷的運動員在1年內其骨骼密度與對照組相比顯著提高30%～80%，在退役后，其骨密度仍有明顯加強。該研究表明，青春期前期不僅是一個有利于骨骼密度增加的最佳時期，而且這種有利作用可持續到成年以后。女性最快速的骨量獲得發生在青春早期至青春中期，其中，12～14歲是青春期女性BMD的快速增長期，青春晚期開始減速，此 后 便 無 統 計 學 意 義［5，10］。

本研究通過已處在青春期前期的女子藝術體操運動員為研究對象，通過雙能X射線骨密度儀測定研究對象整體及局部骨密度，并結合測得的骨膜直徑對股骨頸幾何構造進行測算。同時，檢測與骨骼吸收以及形成相關的生化指標。通過青春期前期的女子藝術體操運動員與普通對照者的結果對比來揭示這一特殊時期藝術體操訓練在提高骨骼代謝、改善骨骼力學性能方面的優勢，為指導青春期前期女性進行科學的藝術體操運動提供理論依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取12名湖南省體操學校參加競技二級訓練的女子藝術體操運動員，受試對象年齡為8～10歲，訓練時間均為1年，同時隨機選取12名同年齡段不參加藝術體操訓練的小學女生作為對照（表1）。所有研究對象均身體健康，無月經初潮，無代謝性疾病，無肝腎病史，無畸形及骨折史。

表1 本研究對象基本情況一覽表Table 1 Basic Information of Subjects

1.2 研究方法

1.2.1 骨密度測量

以美國GE公司生產的lunar prodigy型雙能X線（dual energy x－ray absorptiometry，DXA）骨密度掃描儀對藝術體操運動員及對照小學生進行全身以及局部骨密度測定。測試部位包括全身、上肢、下肢、頭部、股骨頸、腰椎、Ward三角、大轉子、股骨近端骨、腰椎（L1－L4）。

1.2.2 股骨頸幾何構造檢測

在以DXA測定股骨頸骨密度的同時，結合股骨強度分析軟件（hip structural analysis，HAS）能夠自動測量股骨頸截面 面 積 （cross－sectional area，CSA）、皮 質 厚 度 （cortical thickness，CT）、皮 質 骨 內 層 直 徑 （Endocortical diameter，ED）、剖面系數（section modulus，Z）以及抗曲化率（buckling ratio，BR）。

1.2.3 骨代謝相關生化指標的檢測

抽血前一天避免吃油膩、高蛋白食物，并禁止飲酒。清晨空腹狀態下靜脈采血10mL，3 000轉／min離心5 min，分離血清，然后將血清分裝EP管密封，于－80℃低溫冰箱儲存待用。骨代謝標志物堿性磷酸酶和骨保護素測試采用美國Thermo公司S200型酶標儀，通過酶聯免疫分析（ELISA）的方法進行測定。血清骨鈣素 Metra Osteocalcin和骨交聯采用電化學發光免疫法進行檢測。所采用4種試劑盒均為美國Quidel公司生產的metra系列骨代謝檢測試劑盒。

1.3 數理統計

數據輸入SPSS 16.0統計軟件，采用單因素方差分析（One way ANOVA）統計方法分析數據，所有數據以平均數±標準差（SD）表示，P＜0.05表示有顯著性差異，P＜0.01表示有非常顯著性差異。

2 結果

2.1 骨密度檢測結果

表2顯示：藝術體操運動員與對照小學生相比，無論是全身、上肢、下肢還是活動較多的關節部位，骨密度都有明顯的增加（P＜0.05），而與運動關聯程度不大的頭部骨密度相差并不明顯（P＝0.941）。其中，全身骨骼密度增加9.7%，上、下肢分別增加13.1%和10.5%，活動較多的主要關節部位骨密度增加更為明顯，如股骨頸增加14.1%，股骨近端骨密度增加14.6%，其他關節部位的骨密度增加值也都在10%以上。

2.2 股骨頸幾何構造參數檢測結果

利用HAS軟件在DXA掃描股骨頸圖像上進行分析得到股骨頸幾何構造力學參數（表3）。與對照小學生相比，藝術體操運動員的截面面積（P＜0.05）、皮質骨厚度（P＜0.05）、剖面系數（P＜0.01）都有顯著增加，而抗曲化率存在一定程度上的下降（P＜0.05）。

2.3 骨代謝生化標志物檢測結果

本文分別對骨形成的標記物堿性磷酸酶和血清骨鈣素、以及骨吸收標記物骨交聯（又稱I型膠原C端肽）進行測定，結果見表4。藝術體操運動員的堿性磷酸酶濃度與對照組相比有顯著上升（P＜0.05），增加幅度高達32.7%，血清骨鈣素與骨交聯與對照組相比也有約20%的增加量。

表2 本研究對象各部位骨密度檢測結果一覽表Table 2 Areal Bone Mineral Density at Various Bone Sites of Subjects

表3 本研究對象股骨頸幾何構造部分參數檢測結果一覽表Table 3 Bone Geometry Parameters of Femoral Neck of Subjects

表4 本研究對象骨代謝生化標志物檢測結果一覽表Table 4 Biochemical Markers of Bone Metabolism of Subjects

3 討論

3.1 藝術體操對骨密度（BMD）的影響

骨密度是目前最常用的評價骨骼強度以及抗骨折能力的指標，目前，主要是以雙能X射線骨密度測量儀進行測量分析。研究發現，適度的持續運動對骨骼密度的提高作用顯著，但長期大強度的運動會造成骨密度的降低［2］。藝術體操是一種中強度的有氧運動，以腰為主軸和樞紐，同時，側重膝關節、肘關節等連接性關節部位的運動，能較好地牽拉關節韌帶和肌肉。通過對堅持1年訓練的處于青春期前期的藝術體操女運動員的骨密度測量發現，其全身以及上、下肢骨密度均有顯著提高，活動較多的關節部位增加更為明顯。頭部在藝術體操中并無太多關聯性的動作，因此，在本研究中，其骨密度與對照組相比無顯著差異。結合藝術體操的特點和測試結果，不難判斷，藝術體操在運動過程中，通過肌肉牽拉產生的拉伸力、擠壓力和剪切應力作用于骨組織，刺激了機體的成骨效應，使成骨作用占據優勢地位，進而體現出促進骨密度顯著增加的影響。

3.2 藝術體操對骨幾何構造的影響

在利用BMD衡量骨骼強度以及抗骨折能力的基礎上，結合骨骼的幾何結構特征（如大小、形狀以及三維結構）進行綜合分析已成為臨床和基礎研究中更為科學、準確的研究方法。研究中，一般以股骨頸這個易于骨折部位作為研究的重點，股骨頸的幾何學參數主要包括股骨頸截面面積、皮質厚度、皮質骨內層直徑、剖面系數以及抗曲化率等。皮質厚度越大，表明骨骼強度越大，數值低于正常范圍情況下存在易骨折的風險［17］；截面面積表示的是礦化骨組織的面積，它的數值越大，表明骨骼的機械強度越大；剖面系數是力學上衡量管狀物的抗彎曲的指標，剖面系數值越大，強度越高；抗曲化率表示的是力學上衡量管狀物皺折強度，是骨骼幾何結構不穩定性的體現，也就是說，它的值越大，表明骨骼的機械強度與穩定性就越低，骨骼在外力作用下就越易折斷［7］。在預測骨折方面，剖面系數和抗曲化率有獨立于骨密度的作用，甚至等同于骨密度的預測效果［8］。骨骼幾何參數的測定一般都是選擇特定的區域部位，該部位一般為運動的關鍵性關聯部位，如股骨頸這個易于骨折的部位。本實驗通過對股骨頸的骨幾何構造參數進行測定，結果顯示，與骨骼強度正相關的皮質厚度和截面面積都有顯著增加，特別是股骨頸截面面積增加尤為顯著，與對照組相比增加25%，說明藝術體操運動有利于促進骨骼礦化形成。

骨幾何構造參數的得來主要是基于對HAS軟件的應用。HSA是一種基于DXA技術發展起來的骨幾何參數分析軟件，它的原理主要是基于經驗公式和長期測試積累的數據庫作為分析的依據。但在實際應用中，其經驗公式中的經驗系數以及數據庫中的數據主要是以歐美成年人為主［7，8，20］，因此，對于我國青春期前期的女運動員的數據分析還存在一定缺陷，有待該軟件的進一步完善。目前，已有相關研究對HAS在特定人群以及特定年齡階段進行應用分析［11，4］，也希望我國盡早開展相關研究，從而建立中國自己的種群和年齡分析數據庫。

3.3 藝術體操對骨代謝生化標志物的影響

骨組織在青春期特別是青春期前期屬于新陳代謝特別活躍的組織，這種代謝主要體現在全身不同組織和器官，特別是與關節相連部位，時刻進行骨的吸收和形成，在這一過程中，所產生的一些代謝物被稱為骨代謝生化標志物，主要存在于血液、尿液、汗液以及唾液中。基于安全性、靈敏度、準確性以及便捷性等多方面的考慮，目前，在檢測過程中主要以血液檢測和尿液檢測作為常規分析體內骨吸收和形成狀況的方法。骨代謝的生化標志物中，骨礦物質的吸收指標主要包括I型膠原C端肽（CTX）、促甲狀旁腺激素（PTH）、尿吡啶啉（PYD）、脫氧吡啶啉（DOPYD）等，形成指標主要包括I型前膠原氨基端前肽（PINP）、堿性磷酸酶（ALP）、骨鈣素（BGP）等［1］。

正常人血清中的骨特異性堿性磷酸酶主要由骨骼的成骨細胞產生，對骨基質的形成和礦化具有重要作用，是成骨細胞成熟和具有活性的標志。訓練1年的藝術體操女運動員與對照組相比其酶活力增加30%以上，由此可推斷，藝術體操有利于骨的礦化，進而提高骨密度以及骨架的形成。

BGP作為成熟成骨細胞分泌的一種特異性非膠原骨基質蛋白，不受骨吸收因素的影響，是成骨細胞的特異性標志。通過血清BGP可以了解成骨細胞，特別是新形成的成骨細胞的活動狀態。BGP值隨年齡的變化以及骨更新率的變化而不同，骨更新率越快，BGP值越高，反之降低［15］。骨在生長過程中BGP水平高，如青春期BGP水平是成人期的5倍，以后緩慢下降，30～35歲穩定在同一水平上。本研究中，藝術體操運動員與對照組相比有20%以上的提高，可見，藝術體操有利于提高骨的更新速率，促進新骨骼的形成。

I型膠原C端肽存在于成熟的骨膠原中，當破骨細胞活性增強時，骨膠原溶解釋放I型膠原蛋白，再分解為CTX，它們均為細胞外膠原纖維降解產物，均可在血清和尿液中檢測到。因此，CTX含量的高低也是評價破骨細胞活性和骨吸收最有價值的方法之一［9，16］。本研究中，藝術體操女運動員與對照組相比CTX含量增加17.2%，說明藝術體操鍛煉有利于破骨細胞活性的增加，有利于對骨礦物質的吸收，為骨骼的形成奠定基礎。

4 結論

1.青春期前期的藝術體操女運動員在鍛煉1年后其全身骨密度普遍升高，特別是與關節活動相關聯的部位增加更為明顯。

2.青春期前期的藝術體操女運動員鍛煉1年有利于其骨架的形成，同時，增加骨骼的強度和抗骨折能力。

3.青春期前期的藝術體操女運動員鍛煉1年有利于骨吸收能力的提高，同時，有利于其骨骼形成能力的提高。

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