骨應力損傷的風險因素研究進展

陳 亮，熊 雁，杜曉蘭 綜述 陳 俊 審校

骨應力損傷(bone stress injury, BSI)是由于跑步和軍事訓練中過度使用引起的常見損傷。它包含從應激反應開始，發展為應激性骨折，最終導致完全性骨折的連續病理過程。由于BSI在跑步和軍事訓練人群中有高發病率，且多達22%的為復發性，需要較長的恢復時間，因此BSI經常導致訓練人群運動生涯的終結。目前，人們對BSI并不完全了解，其病理生理學仍有一定的推測性。越來越多的研究者達成了共識，認為BSI是由于負荷引起的骨組織微損傷的形成和去除之間的不平衡導致的，因此，BSI的風險因素可以分為影響骨負荷的因素和影響骨抗負荷能力的因素。BSI的風險因素是影響BSI預防策略和治療策略制定的中心環節，本文旨在對BSI的風險因素進行綜述。

1 影響骨負荷的因素

骨骼所受的負荷是外力和內力的總和，在這些負荷的合力下可使得骨組織發生應力性形變。變形量取決于負荷大小和骨組織抵抗變形的能力，由于骨組織是剛性結構，其發生應變的程度很小，通常用微應變(microstrain，με)表示。研究發現，在跑步過程中脛骨的應變與可引起脛骨骨皮質破壞所需的應變相比非常小，但即使是低于骨折所需水平的應變也能導致骨組織發生微損傷。微損傷的形成是閾值相關的，其形成的閾值取決于骨應變循環次數、應變大小和引入應變的速度(應變速率)之間的相互作用。一旦超過了微損傷的閾值，骨應變周期、強度和(或)速率的進一步增加或加快將導致額外的損傷。

1.1 生物力學因素 生物力學缺陷導致的BSI風險，可分為與異常力相關的生物力學缺陷和與異常運動相關的生物力學缺陷。對正常排列的下肢施加額外增加的力會導致異常的骨負荷。此外，施加在排列不良的下肢正常的力也會使骨骼負荷異常。而異常的力量結合下肢排列不良被認為進一步放大了BSI風險。

負荷異常的跑步者被認為具有更高的BSI風險。目前有多項研究表明地面反作用力(ground reaction force，GRF)沖擊峰值的大小，可作為是否有BSI歷史的人群之間的區別，而有BSI歷史的人群具有更大的GRF加載速率和峰值加速度。扭轉載荷也與BSI的歷史有關。自由力矩(free moment，FM)是關于鞋面與地面交界處垂直軸的扭矩的度量。一些脛骨應力骨折本質上是螺旋形的，提示可能與扭矩有關。Milner等報道了有脛骨BSI病史的跑步者有更高的自由力矩。

異常的運動模式也會增加BSI的風險。靜態足底關系可能會影響運動模式，并與BSI的發展有關。Williams等和Butler等發現高弓足人群的關節遠距離活動受限，且關節剛度更高，有更高的BSI發病率。與BSI相關的其他靜態變量包括髖關節外旋運動范圍的增加、長短腿、扁平足。有BSI病史的人群在跑步動態過程中有較大的髖內收、膝關節內旋和冠狀位的后足外翻，以及膝關節在屈曲活動度的減少。這些運動模式有可能改變骨負荷的大小和(或)速率。它們還可能改變骨骼的受力方向以及隨后骨骼內的應變分布。最終結果可能是增加了非常規負重區的骨組織負荷，導致BSI的風險增加。

1.2 訓練因素 長期處于高負荷下可能會降低骨疲勞壽命，特別是當負荷循環次數高的時候(例如長跑)。因此，當跑步者試圖提高他們的訓練成績時，這些變量對骨疲勞的影響更為顯著。跑步速度的增加會增加GRF和步態的周期數，而跑步過程持續時間和(或)頻率的增加會增加骨骼負荷周期的總數。在骨骼承載能力沒有變化的情況下，與訓練中巨大變化相關的負荷改變可能會導致微損傷的積累和BSI的產生。

來自軍事研究的證據表明，體育鍛煉發生巨大變化的人群患BSI的風險更高。例如，在開始標準化基礎訓練之前，有較少常規體育活動歷史的新兵患BSI的風險更大。盡管大多數運動員不會像新兵那樣劇烈地改變他們的跑步習慣和隨之而來的骨骼負荷環境，但為了實現個人目標和競爭目標，改變現有訓練模式或訓練強度是一種頻繁且必要的適應手段。相對于跑步者的日常活動，過快或頻繁地改變跑步計劃被認為是打破原有骨組織微損傷和組織修復之間平衡的關鍵。

1.3 肌肉因素 訓練的改變可獨立地促進BSI的發展，并與肌肉因素有關。肌肉與骨之間存在著密切的力學關系，推測肌肉是BSI的保護性而非致病性因素。在負荷加載過程中，肌肉被認為是一個主動的沖擊衰減器，使得負荷沿著運動鏈向近端傳送，幫助減少骨骼負載。當肌肉減弱、疲勞等功能失調時，其減輕負荷的能力就會受損，可導致骨骼負荷增加。例如，在實驗室研究中，肌肉疲勞導致沖擊衰減的減少、GRF加載速率和峰值加速度的增加，以及骨應變的增加。此外，疲勞還會導致運動學的改變，這可能會改變骨骼受力的方向，從而在非常規負重的部位增加骨骼應變。另一項前瞻性臨床研究表明，BSI易感性與肌肉大小(周長和橫截面積)和力量直接相關。

1.4 跑步界面因素 骨負荷及隨后的BSI風險也可受到跑步場地和跑步界面等外部因素的影響。跑步界面歷來被認為是BSI風險的一個因素。較硬的地面被認為比那些較軟的地面(如草、橡膠和沙子)增加骨負載。然而，運動場地與損傷風險之間的相互作用是復雜的。有研究表明，當跑步者在不同順應性的表面上跑步時，為了保持身體重心的恒定垂直，腿的剛度會隨之改變。但是，在柔韌性較差的地面上跑步所增加的負重率是否會導致BSI風險仍不清楚，因為在控制了每周跑步總距離后，關于跑步損傷的大型流行病學研究未能顯示損傷與訓練場地之間有直接聯系。最終，對于BSI風險來說，最重要的可能是最近跑步地面是否發生了變化，而跑步者還沒有適應。場地變化包括：(1)增加跑步場地的硬度，例如，從跑步機到操場地面等，這可能會增加骨應變的大小和速率；(2)在沙地等柔軟度非常高的表面跑步，可能會增加能量消耗并影響肌肉相關的風險因素和運動學；(3)坡度改變，斜坡可降低沖擊衰減，增加負荷強度和速率；(4)地形地貌改變，這可能使得運動學改變，使得非常規負重部的骨組織負荷增加。

1.5 鞋和鞋墊因素 鞋子和鞋墊(矯形器和鞋墊)對骨負荷和BSI風險的作用一直是一個爭論不休的話題。鞋子和鞋墊位于地面與足的交界面，理論上可以起到過濾器的作用，減小地面沖擊力。此外，它們有可能影響足部和踝關節的運動，并在運動鏈中直接影響隨后的力學。通過這兩種機制，鞋和鞋墊可能會影響骨負荷，并對BSI風險產生影響。有研究表明，在軍事訓練中，鞋墊可降低股骨、脛骨整體應力性骨折的發生率。

2 影響骨骼抗負荷能力的因素

骨骼負荷導致的微損傷，一方面是導致BSI的原因，另一方面也是一種自然而有益的現象。因為它不僅有助于消耗可能造成骨折的能量，而且還可以作為刺激骨骼靶向重建的原因，適應性的靶向重建能有效降低給定負荷下的骨應變。影響骨剛性的骨骼特征包括骨組織的數量(質量)及其分布(結構)，有強有力的證據表明這兩者都對BSI的風險有顯著的影響。下面主要介紹影響骨骼抗負荷能力的因素。

2.1 既往體育運動史 有較長體育活動史的人群，其骨骼抗負荷能力的提高可能有助于降低BSI風險。骨骼對機械負荷有一定的適應能力，在生長期間通過在受力軸的骨外膜沉積新骨以增加其在負荷方向上的剛度。由于骨骼單位面積的剛度與其到彎曲軸的距離的四次方成正比，因此骨骼表面增加少量質量會導致骨骼強度成幾何倍數的增加。最終，使得在給定的負荷下產生的骨應變減少。例如, Warden等使用動物模型證明，機械負荷引起的少量的(少于10%)骨量增加可導致骨的抗負荷能力大幅增加(107倍)。

2.2 訓練后康復技術 目前，康復是醫療工作者和運動員之間關于BSI最新討論話題之一。如果運動員能夠加強訓練后的康復，他們的身體將更能適應運動中固有負荷，在理論上提高成績的同時保持運動員的健康。追蹤恢復指標的可穿戴技術和應用程序的出現，使得研究訓練后康復狀況成為可能。在賽場上，運動員使用各種各樣的康復技術，如冷凍療法、熱療法、按摩、泡沫滾軸、靈活性鍛煉、主動恢復(輕鍛煉)。在本文中，我們主要關注睡眠和運動后營養，因為這是兩種更常被討論、更容易獲得和研究的恢復策略。

不良的睡眠因素，包括減少睡眠時間和打斷睡眠的生物過程，會破壞骨吸收和骨形成之間的平衡，降低骨骼健康，增加骨折風險。在一項對95名耐力運動運動員進行的研究發現，每天睡眠不足7 h的運動員新受傷的風險增加了51%。

除了睡眠，運動后的營養對骨骼健康也很重要。運動后攝入糖類和蛋白質有助于恢復肌糖原。對于耐力運動員來說，糖類對減輕炎癥和增加應激激素的影響尤為重要。具體到骨骼健康，運動后的營養攝入可以改變骨轉換標記物對該運動的反應。例如，跑步機上跑到精疲力竭的男性跑步者，立即攝入糖類加蛋白質溶液會使得骨吸收標志物減少，骨形成標志物增加，從而實現更積極的骨轉換平衡。雖然睡眠和運動后的營養都可以影響骨轉換標志物，而骨轉換標志物可以作為評價骨健康的指標，但在目前仍不能用于評估BSI的發生風險。

2.3 營養因素 除了運動后營養，運動員特有的其他營養因素也是潛在BSI風險因素，如維生素D、鈣、鐵、鐵蛋白等。

維生素D是骨重建的關鍵調節因子，低水平的維生素D可能與BSI發病率相關。盡管維生素D作為一種預防措施的效用以及維生素D的最佳水平是什么還不清楚，但有研究表明骨骼健康的推薦治療目標是血清25-羥基維生素D水平為50～100 nmol/L。另一項針對歐洲成年人研究建議血清25羥基維生素D水平應高于75 nmol/L，對保持骨骼健康非常重要。

鈣是一種關鍵的骨骼形成礦物質，在運動中發生的許多細胞過程中發揮重要作用。對于運動員，在長時間的高強度運動中，會發生皮膚鈣流失，當汗液中流失的鈣量足夠多時可破壞鈣穩態。在大量出汗或脫水的情況下，補鈣是有益的。例如，在耐力自行車運動員中，在90 min或35 km的試驗前補充鈣，可以減弱運動引起的骨吸收標志物的增加。同樣有研究表明，男性鐵人三項運動員在運動前和運動期間補充高鈣礦泉水，在騎車60 min后，破骨細胞活動受到抑制。

鈣與磷酸鹽結合形成羥基磷灰石晶體，使骨骼具有硬度，而維生素D有助于促進鈣在腸道的吸收和在腎臟的再吸收。前瞻性研究為低鈣和維生素D缺乏在BSI中的作用提供了證據。在對18～26歲的女性長跑運動員的研究中，Nieves等發現，每天攝入鈣少于800 mg的女性，其BSI指數幾乎是每天攝入鈣超過1500 mg 的女性的6倍。在維生素D方面，有研究發現，血清25(OH)D濃度低于中位水平30.4 ng/mL的芬蘭男性新兵患BSI的風險更大。另一方面，有一項對3700名美國海軍女性新兵的研究發現，每天補充2000 mg鈣和800 U的維生素D的海軍女新兵組(1852名)的BSI發生率相較對照組(1848名，安慰劑組)降低了20%?？偟膩碚f，這些數據表明，跑步運動員應該確保充足的鈣和維生素D的攝入量，以滿足或超過目前推薦的膳食攝入量(鈣：1000～1300 mg；維生素D：600 U)。

鐵可以維持維生素D代謝，在缺乏鐵時，可能會對骨轉換標志物產生影響。在一項對18～35歲女性的研究中發現，低鐵狀態 (血清鐵蛋白<30 ng/ml)與骨吸收較高相關。而缺鐵也與BSI的發生有關。在一項針對女性士兵的研究中發現，發生BSI的士兵比未發生BSI的士兵缺鐵性貧血和轉鐵蛋白不足的發生率更高。

2.4 腸道微生物群 近年來，腸道微生物群和骨骼健康之間的關系受到了廣泛的關注。心理壓力、運動和腸道菌群之間的共同線索是下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamus-pituitary-adrenal，HPA axis)。腸道微生物組成對HPA應激反應的發展和功能至關重要。當腸道菌群失衡時，細菌源化合物的傳播增多，同時細胞因子和生長因子的表達發生改變，最終影響骨形成。

這些改變被認為會損害免疫、內分泌、血管和神經系統反應，而這些反應都在調節骨細胞分化和(或)功能中發揮作用。對于性激素水平已經下降的運動員及由于運動性質而損傷腸道上皮屏障完整性的運動員，考慮性激素與腸道健康之間的關系就顯得尤為重要。在動物研究中，性激素已被發現在腸道上皮屏障的完整性中發揮重要作用。由于缺乏雌激素代謝細菌和其他代謝影響，腸道微生物多樣性的減少使得雌激素代謝下降，而雌激素減少對運動員有不利影響。腸道菌群失調可能會影響骨形成和性激素水平，或者低性激素會影響腸道，從而對骨形成產生負面影響。隨著對運動員腸道微生物群的研究不斷深入，研究腸道與骨骼健康之間的關系將是一件非常重要的事情。

BSI的發生是多種風險因素相互影響、相互作用的結果。作為臨床醫師，徹底、全面地評估BSI的風險因素是預防和治療的第一步。在全面評估之后，針對性地制定個性化的康復方案和訓練方案可以幫助優化運動員(或軍事訓練人員)的訓練方式(負荷、方法、頻率)和訓后恢復，最終提高運動表現。從研究的角度來看，我們需要進一步對運動員(或軍事訓練人員)進行前瞻性研究，調查風險因素之間的相互關系，以便我們更清楚地了解多種風險因素是如何相互作用并影響運動員的累積風險狀況的。此外，訓練模式、營養睡眠、腸道健康和BSI的相互聯系是一個重要的、新興的、有待臨床醫師和研究人員共同探索的新領域。加深對這些變量之間的關系的科學理解，將有助于臨床醫師對涉及運動員和軍事訓練人員骨骼健康的多層次因素有更全面的了解。