體育鍛煉在促進骨骼發育及骨質疏松防治中的效用分析

黃海 張瑤 胡澤兵

1.西安科技大學體育部，陜西 西安 710032 2.第四軍醫大學第一附屬醫院，陜西 西安 710032 3.第四軍醫大學航空航天醫學院，航空航天醫學教育部重點實驗室，陜西 西安 710032

骨質疏松癥日益成為危害公眾健康和生活質量的社會難題，雖然老年和絕經后雌激素缺乏是導致骨質疏松的主要危險因素，但骨骼在生長發育過程中的峰值骨量和骨骼強度對于骨質疏松的發生發展影響很大[1]。骨骼骨量除受遺傳、年齡與性別影響外，還受到機械力學負荷的調節，骨骼強度更是取決于骨生長的力學適應性；人體需要保證基本的力學負荷來維持骨量和骨強度，廢用或者不負重就會導致骨量下降，因此，理解力學負荷在骨骼生長發育中作用對于骨質疏松防治具有重要意義。本文就生活中最常見的體育鍛煉在骨骼發育以及骨質疏松預防中的作用做簡要概述。

1 骨骼發育的生物力學基礎

骨骼是具有功能適應性的組織結構，其生長發育和結構重建都離不開日常生活中各種力學環境的影響。一個多世紀前，人類已經對骨骼結構和力學刺激的關系有了定性認識。Wolff根據骨小梁形態和應力跡線相匹配的關系，提出骨有適應外部載荷而生長的能力[2]，當力學環境改變時，骨的組織結構形態就會發生變化，仍以最優結構形態去適應新的力學環境。為了解釋力學載荷在骨骼功能適應性變化中的調控規律，美國學者Frost總結了有關于骨功能適應性的生物學過程，提出：骨功能適應的控制過程是生物學的，但力學環境起支配作用，通過力學反饋和調定點控制局部骨質量，達到應變與骨質量的平衡[3]。日常生活中的行走、站立和體育鍛煉產生的肌肉收縮和骨骼負重會使得骨組織產生形變和微裂紋，這種骨組織的應變(單位長度上的變形)以及骨裂紋的大小、形狀和方向等包含的力學刺激信息將轉化為生物信號而影響骨形成和骨吸收之間的功能平衡[4]，成為這一力學調控系統中的主要控制因素。

骨骼發育、骨量維持乃至骨折等生理病理過程都存在應變閾值，不同程度的骨應變可以激活不同的骨適應性過程[5]。長期臥床病人、老年人或失重環境下的航天員，會因運動、肌力或重力等力學刺激的減弱，使得骨應變處于骨量維持所需要的應變閾值以下，骨骼系統就會認為現有骨量超出承受外力作用的需要，而通過神經系統和生化信號促使骨吸收強于骨形成，直至骨量減少到需要的程度為止[6-8]。相反，適量的體育鍛煉往往會使得骨應變處于骨骼生長的力生物學響應范圍，從而促進骨骼強度的增加或者促進骨骼的生長發育。運動員就是很好的例子，在所有運動員中，舉重和長跑運動員的骨量相對較高，而騎行和游泳運動員的骨量則相對較低[9,10]。

2 體育鍛煉對骨骼發育的力生物效應

體育鍛煉的形式和分類很多，但什么樣的運動更有益于骨骼功能作用，目前尚沒有統一的認識和標準。運動強度和載荷頻率是運動中密不可分的兩個物理參數，不考慮年齡和性別因素，采用不同運動強度和載荷頻率的體育鍛煉方案會產生不同的骨骼力生物學效應。

一項持續3年的跑步研究顯示[11]，每周跑30-50 km(衡量運動強度)明顯比每周跑5-30 km對提高脛骨近端骨密度的作用大；同時，提高跑步的加速度(衡量腳步落地產生沖擊負荷的頻率)對骨密度的增加有顯著促進作用。從這項研究可以看出，適度增加運動強度和載荷頻率都是對骨骼功能作用有好處的。

骨骼骨量的增加和維持需要保持適度的運動強度，僅僅依靠有氧鍛煉和肌肉耐力鍛煉是不夠的[12]。運動強度是產生骨應變的主要因素之一，即使輕微活動引起的骨應變也可以觀察到骨形成標志物的增加[13]，但能引起骨量增加的有效應變范圍大約在1000-3000 με之間[14]。通過對不同動物在慢走或者疾跑中的骨應變測量顯示，骨骼的峰值應變都在2000-3000 με左右，具有非依賴于物種的動態應變相似性[15]。由此可以看出，日常生活中的跑步和跳躍等程度的體育鍛煉強度是可以滿足刺激骨量增加需求的。有研究顯示，在安全范圍內增加運動強度比增加載荷頻率更有益于骨形成和骨量的增加[16]，但這并不能否認載荷頻率的重要性。研究發現，骨骼對于頻率為15～30 Hz的應變具有很高的敏感性，在此頻率范圍內的很小應變也能產生較大的成骨效應。皮質骨在2000 με、0.5 Hz的動態負荷加載下可以保持骨量平衡，而當加載頻率提高到1 Hz時，僅需要1000 με微應變即可保持骨量平衡，而當頻率進一步提高到30 Hz時，僅需要70 με即可維持這種效果[17]。這種低強度高頻振動刺激多見于臨床上治療因肌力下降和肌骨系統疾病而產生的骨質疏松患者[18,19]。

事實上，常規的體育鍛煉產生的動態負荷多是高強度低頻率(>1 g，1-2 HZ)的周期性負荷，此時考慮運動的持續時間更具有現實意義。早期的研究顯示，每天36個運動循環就可以促進骨骼產生最大的結構適應性[20]，長時間持續運動反而會降低骨骼對力學刺激的響應能力[21]，如果給定某一運動的循環次數，在幾天內完成遠比在一天內完成更能促進骨形成[22]。最新一項回顧性研究顯示，即使可以通過提高運動強度來部分補償低運動頻率的不足，但仍然建議每周保持不少于2次的運動量來維持和提升骨量[23]。 了解運動強度和載荷頻率在骨骼發育中的作用，對于指導特殊人群，如老年人、臥床病人等的骨質丟失預防和治療具有重要意義。

3 不同年齡階段的骨骼生理對體育鍛煉的響應

隨著體重與肌力的不斷增加，骨質性能和結構的不斷適用性改造，以及神經體液和激素的調節作用，骨骼的力學適應性呈現出不同的階段特點。青春期被認為是骨骼響應力學環境的最佳時期，也是體育鍛煉促進骨骼生長發育、提高峰值骨量的關鍵時期[24]。研究顯示，在青春期前后進行體育鍛煉遠比在成年后進行體育鍛煉更有利于骨量的積累[25]。人體骨骼的骨量一般在30歲前后達到峰值，在此后骨骼的生長發育變慢，小梁骨開始出現骨質丟失，在這個時期進行適度的體育鍛煉仍不失為維持骨量，延緩骨質丟失的有效措施。而在中老年時期，骨骼骨量會以每年0.5%甚至更多的速率丟失，此時進行體育鍛煉更多的通過提高骨骼強度和肌骨系統穩定性而延緩骨質丟失進程以及預防骨質疏松帶來的骨折風險[26]。

現有觀點認為，年齡的增長以及雌激素水平的下降會提高骨骼力學適應性的響應閾值。幼年、成年和老年小鼠在高強度骨應變下都發生了骨重建，但在低強度應變下，成年和老年小鼠沒有檢測到骨骼代謝變化，僅有幼年小鼠出現了響應[27]；絕經前婦女采用3 g 的跳高運動強度(落地時承重約為體重的3倍)可以提高2.8%的股骨骨密度，但強度達4 g的跳高運動卻對絕經后婦女的股骨骨密度沒有顯著影響[28]。這意味著不同年齡階段的人群在體育鍛煉方式和強度上應當有所區別，年齡越大越需要更為有效的力學刺激才能達到骨骼力學響應的需求。美國運動醫學學院根據這一特點制訂了不同年齡階段的運動方案來維護骨骼健康[12]，他們認為，在兒童和青少年時期，可采取沖擊性鍛煉(如體操、肌肉拉伸訓練、跑步和跳躍等方式)，強度在最大負荷重量(1RM)的60%以下，每周至少3天，每天10-20 min的運動方案促進骨骼的生長和發育；而對于成年人，則采取承重耐力訓練(如網球、攀爬、慢跑等方式)，每周3-5次耐力訓練和2-3次力量訓練，每天30-60 min的運動方案維持骨量和減緩骨質丟失。中老年人在體育鍛煉上標準主要以安全為主，運動強度一般選擇中等強度為宜，運動時應達到最大攝氧量的60%～70%或最大心率的70%～85%；目前，以心率確定運動強度是廣泛用于運動實踐的簡單而科學的方法，運動的最佳心率范圍=(220-年齡)×(70%～85%)。

4 體育鍛煉在防治骨質疏松中的效用

臨床上服用促骨形成藥物或者抑骨吸收藥物可以增加和維持骨骼骨量而達到防治骨質疏松的目的，但是骨質疏松防治藥物無法提供骨骼適應力學環境生長所需要的驅動機制，現有觀點認為僅僅靠藥物在短時間內提高骨密度的治療手段對骨骼強度和抗骨折能力具有一定的副作用，例如長期采用雙膦酸鹽類抑骨吸收藥物可以顯著提高骨密度，但同時也引起骨骼微裂紋增多，骨骼微結構的完整性和連續性得到破壞，骨骼力學性能下降[29]。體育鍛煉既可以增加骨量又可以改善骨骼力學性能，很多研究已經將體育鍛煉納入到骨質疏松的防治體系中并取得了良好效果。

體育鍛煉可以很好的減輕因力學刺激減弱或消失而引起的骨質丟失，比如，長期臥床患者或者航天失重環境中航天員發生的廢用性骨質丟失。在一項17 周的臥床實驗中，鍛煉組受試者的骨盆、跟骨等骨密度顯著高于無鍛煉組受試者，ALP和OCN等骨形成特異性標志物也顯著增加[30]。NASA于2008年開發出的新一代高級抗阻力鍛煉裝置(ARED)，其最大鍛煉阻力達到2 675 N[31]，配合營養措施，每天2.5小時ARED鍛煉可以顯著減緩失重性骨質丟失，航天員飛行前后骨密度改變沒有顯著差異[32]。但是對于老年性和絕經后骨質疏松患者來說，因受限于安全性而使得鍛煉強度達不到刺激骨量增長的程度，體育鍛煉更多的益處在于提高骨質疏松患者肌骨系統協調性、改善骨骼性能和防止跌倒出現骨折等方面[33,34]。研究顯示，即使采用雙能X線吸收法檢測不到骨密度的增長，體育鍛煉者的骨骼力量仍得到極大提高[22]，這一方面有可能是骨骼膠原纖維的編織結構得到改善而增強骨骼性能[35]，也有可能是骨應變引起的骨形成發生在骨膜而導致骨骼彎曲受力增強[36]。體育鍛煉對骨骼性能的改善是單純服用藥物無法達到的，而服用藥物促進骨形成或者抑制骨吸收的高效和有效性也是體育鍛煉無法比擬的，醫學工作者已經考慮兩者結合來防治骨質疏松。一項研究將60歲左右的骨質疏松患者分成兩組，對照組服用雷洛昔芬抗骨質疏松治療，觀察組在服藥的同時每天有氧鍛煉30 min；6個月后，與對照組相比，觀察組腰椎(L2-L4)和股骨近端的骨密度、血清鈣離子水平均得到顯著提高，而骨吸收指標Pyd/Cr(尿膠原吡啶交聯與肌酐比值)則顯著降低[37]。動物實驗也證實，服用淫羊藿苷或者柚皮苷聯合運動鍛煉均能有效改善絕經后骨質疏松的治療效果[38,39]。

另外，體育鍛煉還可以通過影響內分泌調節、促進營養物質的吸收利用等延緩骨質疏松的發生。已有研究證實，體育鍛煉可以導致骨形成相關調節激素和細胞調節因子水平升高，同時降低骨吸收相關的調節激素和細胞調節因子水平；促進維生素D的合成，改善胃腸道功能及鈣磷代謝，促進體內鈣的吸收；提高骨皮質血流量，使骨內血液保持中性，便于血鈣的骨內輸送和骨沉積等。同時，適當的體育鍛煉還能減輕骨質疏松患者的疼痛癥狀，這可能與運動促進血液循環，改善骨骼、肌肉的內部組織結構，促進內啡呔等體內鎮痛物質的釋放有關。

5 小結

大量研究證實，任何時候開始運動對于維持骨量都具有積極作用。在生長發育期，體育鍛煉使骨骼系統持續處于輕度超負荷狀態，引起骨塑建使得骨量增加；而到了成熟期，成年人的骨強度與肌力大體相平衡，骨骼系統內部以維護模式的骨重建為主，體育鍛煉可以防止骨質丟失。此外，體育鍛煉還能增強心肺功能，改善血液循環系統、呼吸系統、消化系統的機能狀況，增強有機體的適應能力。因此，保持適度的體育鍛煉應當貫穿整個生命活動過程中。