運動影響骨生物力學的研究進展

趙常紅 李世昌 李沛鴻 翟晶

1.西北師范大學體育學院，甘肅 蘭州 730030 2.華東師范大學體育與健康學院，上海 200241 3.甘肅省人民醫院，甘肅 蘭州 730000

骨是具有多個結構層次并承載一系列生物力學負荷的運動器官，其周轉、代謝和細胞活動隨著發育、衰老而變化，導致骨量和幾何微結構發生改變，最終影響骨力學性能[1]。骨的生物力學效應主要由松質骨及骨轉化率決定。松質骨呈高度多孔、不均勻及各向異性海綿狀，多在長骨的骺和干骺部以及椎體中，是主要的承重結構。骨轉化率表示骨在一段時間內重新吸收和形成速度。研究[2]表明，長跑中骨骼不能承受跑步時的重復性次最大力會造成骨骼應力損傷(bone stress injury，BSI)，早期表現為骨膜水腫和骨髓水腫，晚期出現應力性骨折線。因此探明運動力學的刺激與骨的適應性改變有助于改善或提高骨的力學性能。

1 松質骨

松質骨的彈性和強度隨著年齡和疾病的變化而變化。骨頭斷裂時的力學性能幾乎與密度無關，卻與骨結構函數和復雜的力學行為關系密切[3]。通過松質骨的性能能夠預測骨強度和力學負荷引起的骨折，提高骨折風險預防能力[4]。松質骨相對于皮質骨呈現多孔性形態學顯著特征，在其表面產生更多的細胞成分，這導致松質骨對力學刺激反應通常比皮質骨更靈敏，代謝更活躍，最終體現在松質骨的內部結構和外部力學負荷上。運動的生物力學可通過對骨骼的直接刺激和生物學刺激引起體內松質骨平衡性適應，其次運動的力學刺激還能夠通過免疫系統調節骨骼功能性適應[5]。

1.1 松質骨力學生物學

松質骨通過對運動的力學刺激作出反應，導致松質骨適應性地吸收和形成，持續不斷地構建和重塑[6]。骨細胞被合理地分布以感知外部力學刺激，并通過調節成骨細胞和破骨細胞功能來控制松質骨適應性重塑過程[7]。施加在骨骼上的力學會刺激骨細胞，通過腔隙小管網絡的負荷誘導小管液流動，以及離子液體流過腔隙帶電表面產生小管溝電流電位[8]。骨細胞突起膜上的流體流動剪切應力與毛細血管中血管內皮的流體流動剪切應力作用于腔隙性孔隙中的骨細胞，使之興奮，激活ATP、環腺苷酸和前列腺素E2的釋放，抑制骨細胞凋亡和破骨細胞的形成[9]。研究[10]表明，細胞水平的力學刺激大于0.5 %可能會導致骨組織損傷，但由運動引起的組織水平力學刺激很少超過0.2 %，整個組織的力學刺激需要放大才能引起細胞的生化反應。在骨細胞中，流體流動剪切應力通過離子通道誘導細胞內鈣的儲存和釋放，將物理刺激轉化為能改變成骨細胞和破骨細胞活性的生化因子，促進松質骨改變適應運動力學刺激[11]。

1.2 松質骨的組織特性與彈性行為

松質骨主要由羥基磷灰石、膠原和水組成，與皮質骨相比，松質骨鈣含量、礦化度和組織密度較低，含水量高[12]。這些導致松質骨在重塑過程中更活躍，持續的骨陷窩縱向的應力集中升高會導致松質骨的微損傷。松質骨是椎體中主要的承重骨，也是長骨中從關節向皮質骨傳遞載荷的重要部位，與骨結構的強度和骨折風險高度相關[13]。Nazarian等[14]的研究表明，松質骨的彈性特性在正常身體活動的力學行為中，松質骨在壓縮和拉伸時的彈性行為是相同的，人類股骨近端每個區域的力學性能高度依賴于相應的骨小梁微觀結構。

1.3 松質骨強度與損傷、蠕變

松質骨的強度為骨結構在破壞前所能承受的極限應力，它與骨折、骨損傷、骨重建的失敗密切相關[15]。Morgan等人[16]研究發現，人松質骨不同力學受力強度取決于不同的解剖位置，如椎骨、脛骨近端、股骨大轉子和股骨頸，與其他部位相比，股骨頸受壓時的力學刺激強度更高，椎骨處于張力時的力學刺激強度更高，對于所有的解剖部位，壓縮的力學刺激強度高于張力，抗剪強度遠低于抗壓強度，骨局部BV/TV比整體BV/TV更能預測骨力學強度。循環運動力學刺激過程中，松質骨受力時間和損傷敏感性，使得松質骨在力學刺激下產生損傷和修復，是一個日常的生理過程[17]。蠕變是骨在力學負荷作用下發生永久變形的趨勢，導致力學性能弱化，這些松質骨的損傷都會增加骨折的風險[18]。

1.4 運動對松質骨微結構的影響

運動的力學刺激調節激素、細胞因子、信號通路和非編碼核糖核酸，還可通過調節血管生成介質調節骨微環境中骨血管生成，在維持骨微結構健康方面起著至關重要的作用[19]。最近發現[20]股骨近側方向的體力活動中受力相對較小，側摔增加了股骨頸相對薄弱的上外側區的股骨頸骨折風險，所以在平時的體育活動中要重視靶向加強股骨頸鍛煉。平時體力活動(physical activities，PA)改善松質骨的幾何結構、密度和微結構。

骨骼受到運動力學刺激，導致骨礦化程度、羥基磷灰石晶體大小和異質性、膠原性質、骨細胞密度、骨小梁和皮質微結構以及整個骨幾何結構改變[21]。有研究[23]表明，SD大鼠5周的跳躍訓練使脛骨近端干骺端(the proximal tibia metaphysis，PTM)和股骨頸(femoral neck，FN)松質骨的松質骨骨小梁厚度和骨體積分數、容積密度(vBMD)顯著增加，導致部分骨形成、礦化率和彈性模量增加，FN力學強度顯著提高[22]。后肢無負荷(hindlimb unloaded，HU)大鼠模型，通過阻力運動顯著改善了骨小梁和皮質骨的密度、結構，有益于力學性能的恢復。

2 骨轉換

骨轉換量的變化導致骨體積和骨組織的局部變化，從而導致組織礦化度和小梁微結構的改變。在成人中，骨轉換主要通過骨重塑發生，涉及骨局部破骨細胞和成骨細胞吸收的構建和重塑過程[24]。臨床研究[25]結果表明，骨轉化導致的生物力學的改變有助于預測骨折風險。骨轉換對骨生物力學的影響有多種機制，通常歸因于組織礦化程度的改變、單個骨小梁的斷開導致的腔重塑[26]。

2.1 骨體積與組織礦化度

骨重塑過程的第一步是骨吸收，先形成一個暫時性空腔，重塑空腔和未礦化骨組織所占的骨總體積統稱為重塑空間。骨轉換增加導致重塑空間所占的體積增加，并導致礦化骨體積相應減少[27]。在形成新的骨體積后，開始積累礦物質，這個過程可以持續數年。Follet等人[28]發現，平均組織礦化度與松質骨硬度、強度和脆性呈正相關。骨體積和組織礦化度的生物力學效應可通過骨礦物含量預測[29]。研究表明，即使小梁微結構和平均組織礦化度保持不變，組織礦化度的樣本內變化的增加也會降低松質骨硬度。Jaasma和Bourne等人[30]發現，即使組織的平均礦化度保持不變，組織剛度的變異系數從20 %增加到50 %將導致松質骨的彈性模量降低14 %～24 %。

2.2 小梁斷開與空腔重塑

重塑過程中斷開小梁形成空腔，可導致松質骨強度發生不均衡變化，引起松質骨的生物力學性能不相稱地降低[13]。由于重建腔的增加，骨體積減少了6 %，彈性模量預測減少了12 %～47 %，抗壓強度降低了13 %～61 %。重塑骨腔的生物力學效應會受到許多因素的影響，包括初始骨體積分數和重塑骨腔在松質骨結構的位置。當置于松質骨結構內的高力學刺激區域(組織微損傷和機械應力很大)時，重塑腔可能對松質骨生物力學產生巨大、不相稱的影響[31]。重塑空腔的數量和大小(長、寬、深)可確定組織礦化度的變化，也可通過重塑事件影響小梁斷開的速率(越深的空腔小梁越容易斷開)來影響松質骨的生物力學性能。骨轉換標志物是骨形成或骨吸收的生化副產物，可以快速有效地監測骨質疏松癥[32]。

2.3 運動對骨轉化的影響

根據近10年的數據，有學者[33]研究了35～70歲女性超過24周的運動效果，量化了骨密度和訓練變量(訓練時間、頻率、量、強度)的關系。結果發現腰椎和股骨頸骨密度的顯著變化主要是因為進行了高強度運動和全身振動干預。在不同負荷狀態下，發現股骨、肱骨、肋骨(尤其是肋骨)的橫截面特征對代謝性骨丟失具有機械補償作用[34]。膠原蛋白肽(collagen Peptide，CP)是劇烈運動前后骨轉換的標志物。運動前、中、后攝入CHO會減弱骨吸收，會慢性影響骨轉換[35]。有研究[36]發現，年輕女性在高強度間歇運動(跑步)和無沖擊運動(騎自行車)后，誘發骨轉換標志物的變化。青少年運動員劇烈游泳后攝入蛋白質可促進24 h內骨轉換的積極反應[37]。高強度機械負荷或高強度運動導致骨轉換生化指標的急性增加，骨生成增加。男性足球運動員的骨轉換率比較高，在賽季結束時，球員的血清骨鈣素(osteocalcin，OC)和Ⅰ型膠原羧基末端前肽(carboxyterminal cross-linked telopeptide of type I collagen，ICTP)均高于對照組。運動員減少體力活動2周后，Ⅰ型膠原羧基末端前肽(carboxy-terminal propeptide of type I collagen，PICP)水平降低[38]。

3 小結

運動的力學刺激可改變細胞流體切應力，刺激骨細胞，調節膠原和羥基磷灰石成分的變化，改變松質骨的微結構。骨小梁斷開和重建空腔對骨生物力學產生相應的影響，可以通過改變膠原蛋白等產生的非酶交叉連接的濃度改變骨轉換，影響骨生物力學性能。骨質疏松性骨折是當施加的載荷超過斷裂載荷(骨強度)時發生的機械事件，有效的鍛煉方式可以令易骨折部位的松質骨和骨轉化能力增強，提高骨生物力學的抗力能力，大大降低骨折風險。