運(yùn)動(dòng)對生長期骨骼影響的基礎(chǔ)與臨床研究進(jìn)展

胡玲慧 李文豪 鄒軍 董春華*

1.上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院，上海 2004382.上海體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)院，上海 200438

骨質(zhì)疏松是一種以骨量減少、骨質(zhì)量受損和骨強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致骨脆性增加，易發(fā)生骨折的全身性骨病[1]。骨質(zhì)疏松是目前骨健康領(lǐng)域面臨的最為嚴(yán)重的公共問題之一，在過去的幾十年中發(fā)病率不斷上升，對醫(yī)療、社會和財(cái)政造成了沉重的負(fù)擔(dān)[2]。成骨細(xì)胞的主要功能是促進(jìn)骨形成，破骨細(xì)胞的主要功能是促進(jìn)骨吸收，骨形成和骨吸收之間的動(dòng)態(tài)平衡是骨健康的基本保證[3]。研究表明，促進(jìn)骨健康主要有兩種方法：(1)最大限度地提升在前30年的骨密度(bone mineral density，BMD)；(2)減少40歲以后的骨礦物質(zhì)流失[4]。研究表明，青少年時(shí)期的運(yùn)動(dòng)鍛煉是促進(jìn)骨健康的必要手段，在青春期前和青春期骨對運(yùn)動(dòng)的刺激更為敏感，骨量積累效果更為明顯，并且該影響可以一直持續(xù)到成年階段[5-6]。

適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)對骨的生長發(fā)育起到良好的促進(jìn)作用，并且不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)類型對骨的影響也不盡相同。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度與BMD密切相關(guān)，在一定強(qiáng)度范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能夠使BMD出現(xiàn)顯著增加[7]。但是久坐這類低運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度行為不利于骨量積累甚至導(dǎo)致骨形態(tài)結(jié)構(gòu)破壞[8]。劇烈體力活動(dòng)(vigorous physical activity，VPA)(運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度大于6 METS，持續(xù)時(shí)間不超過5 min)，與骨健康關(guān)系尤為密切[9]。如果從青春期到成年期持續(xù)參與VPA，BMD能維持在一個(gè)相對較高的水平[10]。然而，并不是運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越高促進(jìn)骨量積累效果越明顯。有學(xué)者提出細(xì)胞力學(xué)刺激存在一個(gè)閾值區(qū)間，達(dá)到最低閾值，細(xì)胞才會產(chǎn)生應(yīng)答，但是超過上限，則會產(chǎn)生相反的效果[11]。所以，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度需維持在某一特定的范圍內(nèi)，才能達(dá)到促進(jìn)骨健康的目的。此外，不同運(yùn)動(dòng)類型對促進(jìn)骨量積累的效果也存在一定的差異，通過對游泳運(yùn)動(dòng)[12]、抗阻運(yùn)動(dòng)[13]、沖擊性運(yùn)動(dòng)[14]進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)青少年時(shí)期進(jìn)行抗阻和沖擊性運(yùn)動(dòng)均能明顯地促進(jìn)骨量積累。并且參加運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越早，獲得的PBM可能會越高[15-17]。PBM主要在18～20歲獲得，并持續(xù)增長到30歲左右[18-19]。提高PBM被認(rèn)為是防止出現(xiàn)年齡相關(guān)性骨質(zhì)流失和骨折的最佳保護(hù)措施[20]。青少年時(shí)期的運(yùn)動(dòng)鍛煉獲得的高PBM會使老年時(shí)期發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)降低50%[21-22]。因此提高青少年時(shí)期的PBM是預(yù)防骨質(zhì)疏松的有效手段。本文通過整理不同運(yùn)動(dòng)類型對生長期骨骼影響的基礎(chǔ)和臨床研究，為青少年科學(xué)地運(yùn)動(dòng)從而預(yù)防老年時(shí)期骨質(zhì)疏松的發(fā)生提供理論依據(jù)。

1 運(yùn)動(dòng)對生長期動(dòng)物骨骼影響的基礎(chǔ)研究

1.1 細(xì)胞水平

運(yùn)動(dòng)促進(jìn)骨健康主要通過提高成骨細(xì)胞活性來實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)可以通過ERK[23]、BMP[24]以及Wnt/β-catenin[25]等信號通路調(diào)控成骨細(xì)胞活性，從而促進(jìn)骨量積累。骨機(jī)械反應(yīng)性的生理機(jī)制通常在動(dòng)物模型中進(jìn)行研究，特別是在嚙齒類動(dòng)物模型中。跑臺運(yùn)動(dòng)和游泳是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中最簡單最常用的運(yùn)動(dòng)模型。研究顯示，雖然上坡跑對骨質(zhì)的影響不如游泳[26]，但是相較于游泳運(yùn)動(dòng)，下坡跑更能促進(jìn)生長期小鼠骨密度的增加，這可能與血小板源生長因子介導(dǎo)的ERK信號通路激活導(dǎo)致成骨作用增強(qiáng)密切相關(guān)[23]，表明ERK信號通路能夠通過提高成骨細(xì)胞活性從而促進(jìn)骨健康。Bmpr1a基因編碼骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)Ⅰ型受體，參與成骨細(xì)胞相關(guān)的骨小梁調(diào)控。Iura等[24]利用條件敲除小鼠Bmpr1a基因后發(fā)現(xiàn)，BMP信號下調(diào)，小鼠對機(jī)械刺激的骨適應(yīng)性得到增強(qiáng)，皮質(zhì)骨骨量出現(xiàn)顯著增加。此外，研究表明，運(yùn)動(dòng)能夠通過上調(diào)PTH信號激活成骨細(xì)胞活性并增加骨板結(jié)構(gòu)骨小梁的形成[27]，同時(shí)還可以降低生長期小鼠Wnt通路抑制劑骨硬化蛋白的表達(dá)從而激活Wnt信號，最終促進(jìn)骨形成[28]。隨著年齡的增長，小鼠對骨硬化蛋白的抑制能力逐漸喪失，從而導(dǎo)致老年小鼠骨形成相較于青年時(shí)期更加困難，這可能與Wnt/β-catenin等關(guān)鍵機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)控的變化密切相關(guān)[29]。

然而，運(yùn)動(dòng)促進(jìn)骨骼健康的具體調(diào)控機(jī)制尚不完全清楚，并且各信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之間存在著復(fù)雜的相互作用，例如Bmpr1a基因的敲除除了下調(diào)BMP信號以外，還能夠降低骨硬化蛋白的表達(dá)從而激活Wnt通路[24]。因此，未來需要對機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)通路進(jìn)行更加深入的研究，以確切運(yùn)動(dòng)對成骨作用的調(diào)控，為運(yùn)動(dòng)處方的制定和實(shí)施提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1.2 組織水平

大量研究表明，在嚙齒類動(dòng)物的生長發(fā)育階段，不同類型的運(yùn)動(dòng)(有氧運(yùn)動(dòng)、抗阻運(yùn)動(dòng)和沖擊性運(yùn)動(dòng)等)對骨骼結(jié)構(gòu)和整體力量均有著積極的影響。目前，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中不同運(yùn)動(dòng)類型的非侵入性干預(yù)方法已被開發(fā)出來，具體包括游泳運(yùn)動(dòng)[30]、跑臺運(yùn)動(dòng)[31]、自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)[32]和跳躍運(yùn)動(dòng)[33]等。在動(dòng)物的生長發(fā)育階段，運(yùn)動(dòng)對骨骼結(jié)構(gòu)和整體力量都有著積極的影響。盡管普遍認(rèn)為由于水的浮力影響導(dǎo)致游泳狀態(tài)時(shí)人體處于部分失重狀態(tài)，因此單靠游泳訓(xùn)練很難防止骨質(zhì)流失[34]。然而，仍然有部分研究表明游泳運(yùn)動(dòng)對大鼠的骨骼結(jié)構(gòu)、骨轉(zhuǎn)換和整體力量存在促進(jìn)作用[35-36]，具體的原因可能與肌肉收縮對骨骼的機(jī)械刺激有關(guān)。單純的跑臺運(yùn)動(dòng)對生長期小鼠骨形成具有顯著的促進(jìn)作用[29]，但是在骨密度的增加方面，負(fù)重跑臺比單純跑臺的效果更加明顯[26]。此外，爬梯運(yùn)動(dòng)屬于一種具有較大機(jī)械刺激的抗阻運(yùn)動(dòng)。相比于跑臺運(yùn)動(dòng)，爬梯運(yùn)動(dòng)能夠使大鼠的骨量和骨密度增加更為明顯，同時(shí)對肌肉力量也能起到很好的促進(jìn)效果[37]。跳躍運(yùn)動(dòng)等沖擊性運(yùn)動(dòng)則能夠顯著促進(jìn)生長期小鼠骨膜成骨和骨密度增加[33]。無論是有氧、抗阻還是沖擊性運(yùn)動(dòng)，其對于骨骼的影響均是循序漸進(jìn)的，往往需要持續(xù)一定的時(shí)間才能起到一定的效果。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)相較于長時(shí)間運(yùn)動(dòng)干預(yù)，短時(shí)間的爆發(fā)性運(yùn)動(dòng)對運(yùn)動(dòng)耐力的提高可以起到相同甚至更高的效果。據(jù)此提出“高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練”的概念，高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練最初是為優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員設(shè)計(jì)的一種訓(xùn)練方法，這種方法可以在短時(shí)間內(nèi)增加最大攝氧量。Oh等[35]設(shè)計(jì)了一種高強(qiáng)度間歇游泳訓(xùn)練對生長期大鼠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)，發(fā)現(xiàn)該方法對骨結(jié)構(gòu)、骨強(qiáng)度和整體力量的提高均有明顯作用。

以往研究表明，適當(dāng)?shù)挠醒踹\(yùn)動(dòng)、沖擊性運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)均能有效提高生長期峰值骨量。但是各種運(yùn)動(dòng)類型之間對骨量的影響存在一定的差異。單純從運(yùn)動(dòng)類型考慮，抗阻運(yùn)動(dòng)和沖擊性運(yùn)動(dòng)能夠有效提高骨密度，改善骨健康，適合于青少年時(shí)期峰值骨量的積累，從而降低骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[38]。然而，運(yùn)動(dòng)增加骨量的效果隨著年齡的增長而下降，沖擊性運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)年齡越大越難以執(zhí)行，因此青少年時(shí)期的峰值骨量就顯得尤為重要。

2 運(yùn)動(dòng)對青少年骨骼影響的臨床研究

2.1 有氧運(yùn)動(dòng)

有氧運(yùn)動(dòng)是指人們通過正常呼吸滿足運(yùn)動(dòng)對氧氣的需要，在不負(fù)氧債的情況下進(jìn)行的以糖和脂肪有氧代謝供能為主的運(yùn)動(dòng)，提高心肺供能和預(yù)防心血管疾病[39]。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在控制了其他干擾因素的情況下，游泳組的下肢BMD與久坐不動(dòng)組沒有差異，上肢的BMD也僅略高于久坐不動(dòng)組，表明游泳對主要受力部位的BMD增長的促進(jìn)作用并不明顯[20, 40-41]。宇航員在太空失重的環(huán)境下，骨質(zhì)容易流失，形成失重性骨質(zhì)疏松。與之類似，游泳也是在一個(gè)相對失重的環(huán)境下進(jìn)行的長時(shí)間運(yùn)動(dòng)，盡管水的阻力能對骨產(chǎn)生輕微的刺激，但也因長期失重，導(dǎo)致骨質(zhì)的流失與積累相抵消。Wolff定律表明，骨骼具有適應(yīng)機(jī)械應(yīng)變的能力[42]。骨會適應(yīng)游泳的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，從而更好地抵抗彎曲和扭轉(zhuǎn)[43]。Varley等[44]對99名足球?qū)ｍ?xiàng)訓(xùn)練的青少年精英運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行12周強(qiáng)化訓(xùn)練，運(yùn)動(dòng)員骨適應(yīng)性得到了改善，骨小梁密度和骨皮質(zhì)的厚度明顯增加。這種骨的適應(yīng)性也可能由于是運(yùn)動(dòng)員處于青春期而增強(qiáng)，若在成年期進(jìn)行干預(yù)，骨的適應(yīng)性較差，此時(shí)的BMD不會出現(xiàn)顯著增加，甚至可能會導(dǎo)致骨質(zhì)的破壞，因此，在青少年時(shí)期進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)的效果是顯而易見的。

有氧運(yùn)動(dòng)對BMD增加的影響較小，但是骨會適應(yīng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力刺激，尤其是在青少年時(shí)期，能夠使骨強(qiáng)度得到改善，促進(jìn)骨健康從而達(dá)到更好的訓(xùn)練效果。

2.2 抗阻運(yùn)動(dòng)

抗阻運(yùn)動(dòng)是通過依靠自身力量克服阻力負(fù)荷實(shí)現(xiàn)肌肉增加和力量增強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)[45]。青少年時(shí)期的抗阻運(yùn)動(dòng)對骨量增長起著核心的作用[46]。在進(jìn)行抗阻運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉收縮對骨產(chǎn)生壓力刺激，通過機(jī)械-電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對成骨細(xì)胞活性產(chǎn)生影響，最終促進(jìn)骨的生長發(fā)育[13]。研究發(fā)現(xiàn)負(fù)重運(yùn)動(dòng)相比于非負(fù)重運(yùn)動(dòng)能明顯促進(jìn)BMC和BMD的增加，以髖部、股骨頸和Ward’s三角等下肢骨骼改變最為顯著[47-50]，并且青少年時(shí)期進(jìn)行腕部負(fù)重訓(xùn)練也能明顯增加橈骨遠(yuǎn)端BMD[51]。抗阻運(yùn)動(dòng)能夠通過局部肌肉的收縮發(fā)力和受力部位骨的承重對BMD產(chǎn)生影響，促進(jìn)主要承重部位骨的BMD增加進(jìn)而改善骨健康。

2.3 沖擊性運(yùn)動(dòng)

增加PBM的一個(gè)重要策略是跳躍訓(xùn)練，它要求肌肉快速有力的收縮。并且在肌肉收縮前負(fù)荷增加的同時(shí)，肌肉長度也在增加，通過拉長肌肉蓄積彈性勢能來產(chǎn)生更大的力量，并且在這個(gè)運(yùn)動(dòng)周期里，神經(jīng)系統(tǒng)不會發(fā)出限制力量產(chǎn)生的信號，與其他運(yùn)動(dòng)類型相比能夠產(chǎn)生更大的收縮力。此外，跳躍運(yùn)動(dòng)還會與地面產(chǎn)生沖擊，通過地面的反作用力，對骨的壓力刺激也更為顯著[52]。有研究發(fā)現(xiàn)長時(shí)間跳躍訓(xùn)練可以改善青少年不同部位骨骼的BMD，并在干預(yù)后的3～8年內(nèi)影響仍然存在，相比于普通人有更高的BMD[14, 50]。曾捷等[53]研究發(fā)現(xiàn)對青少年進(jìn)行為期3年的跳繩訓(xùn)練干預(yù)，實(shí)驗(yàn)組的BMD相較于對照組有明顯的增加，并且雙飛模式對骨強(qiáng)度的影響最大。此外，運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目也可能對BMD產(chǎn)生一定的影響。球類運(yùn)動(dòng)員的全身BMD積累均高于其他項(xiàng)目(跑步、游泳、空手道和柔道)，因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的特點(diǎn)，在跑步、短跑、起跳、停止和跳躍等動(dòng)作中，承重的骨骼受到拉、壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)的作用，特別是在落下回彈的時(shí)候脛骨會受到增加了50%～100%的壓力和剪切力，產(chǎn)生高應(yīng)變刺激[14, 54-55]。這種相對較大強(qiáng)度的多方向的負(fù)荷刺激能夠促進(jìn)骨重塑并且增加抗骨折的能力[14]。但是過大負(fù)荷的沖擊性跳躍運(yùn)動(dòng)可能會增加前交叉韌帶損傷以及其他運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。因此，在通過運(yùn)動(dòng)促進(jìn)骨健康的同時(shí)，也要注意預(yù)防運(yùn)動(dòng)可能造成的損傷。

跳躍運(yùn)動(dòng)通過肌肉長度的增加蓄積彈性勢能，以達(dá)到更快的收縮速度。在神經(jīng)系統(tǒng)未發(fā)出限制力量產(chǎn)生信號的時(shí)候就完成了動(dòng)作過程，產(chǎn)生更大的收縮力。并且在落回到地面的時(shí)候，下肢骨受到地面的反作用力并向上傳遞，進(jìn)一步促進(jìn)了骨的生長發(fā)育。

2.4 多種運(yùn)動(dòng)類型相結(jié)合

進(jìn)行負(fù)重訓(xùn)練的游泳運(yùn)動(dòng)員，骨的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)優(yōu)于只進(jìn)行單一游泳的運(yùn)動(dòng)員[43]。有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)的結(jié)合也能促進(jìn)骨強(qiáng)度的優(yōu)化。Campos等[56]將14～18歲的青少年分為有氧運(yùn)動(dòng)組(跑步為主)和有氧加抗阻運(yùn)動(dòng)(跑步加力量訓(xùn)練)，每周3次，每次60 min，持續(xù)一年，發(fā)現(xiàn)有氧加抗阻運(yùn)動(dòng)組能夠獲得更高的BMC。運(yùn)動(dòng)類型的單一重復(fù)性，不能刺激所有的骨都能達(dá)到促進(jìn)生長的閾值。在選擇運(yùn)動(dòng)類型的時(shí)候可以與興趣相結(jié)合，使青少年在運(yùn)動(dòng)鍛煉過程中不會因?yàn)橹贿M(jìn)行單一的運(yùn)動(dòng)感到枯燥，進(jìn)而積極主動(dòng)地運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式的多樣性對骨刺激更加全面，從而能夠獲得更大的BMC。

3 小結(jié)

通過對運(yùn)動(dòng)干預(yù)后生長期骨骼健康的研究總結(jié)，不同的運(yùn)動(dòng)類型對骨量和骨礦含量均有促進(jìn)作用，但是抗阻和沖擊性運(yùn)動(dòng)對骨量的積累更加顯著。盡管在任何年齡階段進(jìn)行運(yùn)動(dòng)鍛煉都可以促進(jìn)骨健康，但是青少年時(shí)期的運(yùn)動(dòng)效果更為顯著。青少年時(shí)期適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)有利于PBM的形成，進(jìn)而延緩老年時(shí)期骨質(zhì)疏松的發(fā)生。此外，在選擇運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的時(shí)候建議結(jié)合青少年的興趣實(shí)現(xiàn)多樣性和趣味性，以達(dá)到更好地促進(jìn)骨量增加的效果。