運(yùn)動性骨疲勞研究進(jìn)展

張　林　王　平

摘要：運(yùn)動性骨疲勞作為骨代謝的一個(gè)研究分支，因其在疲勞性骨折中的重要作用近年來引起人們的高度關(guān)注。骨疲勞可能通過與日俱增的疲勞微損傷和過多的骨重建演變成疲勞性骨折，同時(shí)也可通過積極的反饋機(jī)制避免骨折的發(fā)生。就運(yùn)動性骨疲勞的性別和運(yùn)動項(xiàng)目特點(diǎn)、運(yùn)動性骨疲勞發(fā)生的可能機(jī)理、適宜運(yùn)動對骨的保護(hù)性作用等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述評價(jià)。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動生理學(xué)；運(yùn)動性骨疲勞；研究進(jìn)展

中圖分類號：G804.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-7116(2009)03-0091-05

運(yùn)動性骨疲勞是指正常骨在負(fù)荷反復(fù)作用下的微損傷積累，主要表現(xiàn)為隱性疼痛，疼痛部位不具體，運(yùn)動時(shí)癥狀加重，停止運(yùn)動或運(yùn)動負(fù)荷減輕疼痛癥狀隨之減輕，是運(yùn)動訓(xùn)練和軍事訓(xùn)練中的一個(gè)較為突出的問題。骨疲勞對于疲勞骨折的發(fā)生起著舉足輕重的作用，骨疲勞可能通過與日俱增的疲勞微損傷和過多的骨重建演變成疲勞性骨折，疲勞微損傷積累越快，發(fā)生疲勞性骨折的危險(xiǎn)性越大。由于疲勞骨折發(fā)生，對于運(yùn)動員就會失去大約10～13周訓(xùn)練時(shí)間，這對于正在參加比賽的運(yùn)動員來說是很殘酷的。骨疲勞的發(fā)生也有可能通過積極的反饋機(jī)制避免骨折的發(fā)生，但是在疲勞負(fù)荷作用下，骨內(nèi)部到底發(fā)生了怎樣的變化，其機(jī)制目前尚不清楚。本文將就目前有關(guān)運(yùn)動性骨疲勞的研究狀況作一綜述。

1運(yùn)動性骨疲勞的運(yùn)動項(xiàng)目特點(diǎn)

運(yùn)動性骨疲勞是一直困擾運(yùn)動員和軍事訓(xùn)練者尤其是年輕運(yùn)動員的一個(gè)棘手問題。骨疲勞發(fā)生過程中既有骨量的變化，也有骨質(zhì)量的變化。Magnusson等使用雙能X線吸收法測試，結(jié)果表明，發(fā)生骨疲勞的運(yùn)動員，應(yīng)力集中的局部骨密度下降是明顯的。Yeou等對成年雌性大鼠進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，骨在疲勞負(fù)荷下，骨的斷裂載荷和剛度等結(jié)構(gòu)特性明顯下降；形態(tài)學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，疲勞后形成的編織骨礦化較低、BMD較低，且結(jié)構(gòu)紋理紊亂。

許多文獻(xiàn)報(bào)道：與負(fù)重骨相比，非負(fù)重骨發(fā)生骨疲勞的幾率較少，但是非負(fù)重骨諸如肋骨疲勞經(jīng)常發(fā)生于皮劃艇等運(yùn)動項(xiàng)目的運(yùn)動員。皮劃艇運(yùn)動員雖然經(jīng)常發(fā)生肋骨疲勞，但是其確切的比例和病因?qū)W目前尚無研究報(bào)道。

耐力性運(yùn)動訓(xùn)練、芭蕾舞和軍事訓(xùn)練常出現(xiàn)脛骨、股骨疲勞。Bur的研究指出：每年大約有1／200萬長跑鍛煉者出現(xiàn)疲勞骨折，其中大約20％來自競技運(yùn)動員；同時(shí)發(fā)現(xiàn)在參加軍事訓(xùn)練的人員中，疲勞骨折的發(fā)生率高于普通人群，尤其是女性的疲勞性骨折發(fā)生率明顯高于普通人群。Charles等對跑(17km／h)和跳(高度分別為26、39和52cm)的運(yùn)動員采用經(jīng)皮植入應(yīng)變片的方法進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，上述兩種運(yùn)動方式脛骨發(fā)生的應(yīng)變和應(yīng)變率之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，應(yīng)變和應(yīng)變率也沒有隨著跳的高度的變化而發(fā)生統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的改變，結(jié)果提示，跳并不比跑更容易發(fā)生骨疲勞；而跑比走時(shí)的應(yīng)變和應(yīng)變率提高大約2到3倍左右，并且隨著跑的強(qiáng)度增加，應(yīng)變和應(yīng)變率也會隨著增加。

2運(yùn)動性骨疲勞的性別特點(diǎn)

不同性別運(yùn)動性骨疲勞的發(fā)生率比較，女性高于男性。Milgrom等對男性和女性軍事訓(xùn)練者進(jìn)行同樣負(fù)荷的訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)，女性脛骨具有較高的骨應(yīng)變和壓應(yīng)變。但是其機(jī)制目前還不是很清楚，其中原因之一可能是女性骨對機(jī)械負(fù)荷反應(yīng)和適應(yīng)差引起的，女性骨抑制微損傷產(chǎn)生的能力比男性低，如果發(fā)生了微損傷，女性比男性對微損傷的修復(fù)能力也低。Hickey等報(bào)道：在同樣負(fù)荷的運(yùn)動訓(xùn)練中，有15名皮劃艇女運(yùn)動員發(fā)生肋骨骨折，而男運(yùn)動員只有2名。骨折發(fā)生的原因可能是由于骨疲勞微損傷的積累遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于修復(fù)功能造成的。

女性容易造成骨疲勞的另一原因可能與女性所特有的內(nèi)分泌因素有關(guān)，它會因骨對微損傷的反應(yīng)不同而引起。與普通人群女性相比，運(yùn)動訓(xùn)練導(dǎo)致女運(yùn)動員出現(xiàn)月經(jīng)紊亂的幾率較高，這一現(xiàn)象在皮劃艇女運(yùn)動員中經(jīng)常出現(xiàn)，其原因可能是季節(jié)性訓(xùn)練明顯，為了滿足艇上訓(xùn)練需要短時(shí)間內(nèi)減輕體重有關(guān)。以上因素容易導(dǎo)致女性發(fā)生月經(jīng)紊亂，月經(jīng)紊亂之后，骨疲勞發(fā)生率與無紊亂者相比相差2～4倍。內(nèi)分泌紊亂影響女運(yùn)動員發(fā)生骨疲勞的機(jī)制尚不清楚。但是，其中可能原因之一是改變了骨修復(fù)微損傷的能力，無月經(jīng)伴隨著骨轉(zhuǎn)換的下降，骨形成也下降。在骨重建過程中，骨形成的目的是為了恢復(fù)骨的缺失，重塑骨的形態(tài)，以滿足人體生物力學(xué)的需要。骨形成率的下降，意味著骨對微損傷修復(fù)能力的下降，其結(jié)果是微損傷積累，造成骨疲勞乃至疲勞性骨折的發(fā)生。

另外，與男性相比，女性具有較低的骨密度和較小的骨幾何學(xué)特性，這也是女性容易造成骨疲勞的原因之一。

3運(yùn)動性骨疲勞發(fā)生的可能機(jī)理

骨疲勞的概念由Breithaupt等于1855年提出，他們發(fā)現(xiàn)正常骨在反復(fù)負(fù)荷后或是某一段時(shí)期內(nèi)突然增加運(yùn)動負(fù)荷，容易發(fā)生骨疲勞，甚至骨折的發(fā)生率明顯增加，其原因是肌肉比骨更容易適宜新的負(fù)荷，導(dǎo)致相對增加的肌肉力量作用于相對較弱的骨，使機(jī)械受力不平衡，引起骨變形、微損傷積累。肌肉疲勞學(xué)說強(qiáng)調(diào)肌肉疲勞后神經(jīng)肌肉功能發(fā)生改變，肌肉的反應(yīng)時(shí)加長，反應(yīng)速度變慢，導(dǎo)致肌肉對收縮過程中產(chǎn)生能量的吸收過程減慢，以及肌肉驅(qū)散骨產(chǎn)生動力的能力也隨著下降，導(dǎo)致肌肉保護(hù)骨免受過度負(fù)荷的作用下降，骨發(fā)生的應(yīng)變及應(yīng)變率提高，導(dǎo)致骨微損傷產(chǎn)生增多。

目前的研究認(rèn)為，骨疲勞的發(fā)生是在反復(fù)閾下機(jī)械負(fù)荷作用下應(yīng)力集中的部位，而不是一次性長時(shí)間、大強(qiáng)度機(jī)械負(fù)荷作用下產(chǎn)生的。在反復(fù)閾下機(jī)械負(fù)荷作用下，骨疲勞發(fā)生，導(dǎo)致微損傷的積累。在正常情況下，通過骨重建方式施與微損傷進(jìn)行修復(fù)，但是，過多反復(fù)的運(yùn)動引發(fā)不正常的骨應(yīng)變，導(dǎo)致骨不能將微損傷修復(fù)，而促進(jìn)微裂紋積累，促使骨疲勞的進(jìn)一步發(fā)生。

骨骼由于微損傷的產(chǎn)生和積累，如不及時(shí)修復(fù)就會導(dǎo)致骨疲勞甚至骨折的發(fā)生，唯一的修復(fù)途徑是經(jīng)過骨重建。骨重建是由位于細(xì)胞表面的多細(xì)胞功能單位(basic muhicellyar unit，BMU)來完成的。骨重建的功能是通過骨重建單位調(diào)整使礦鹽達(dá)到平衡，使疲勞引起的微損傷得到修復(fù)，骨結(jié)構(gòu)完整性得到保持，是維持骨組織代謝和力學(xué)功能的重要機(jī)制。骨重建包括骨吸收和骨形成兩個(gè)最重要的部分。骨重建功能的完成需要局部刺激因素如機(jī)械刺激，及細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)張力的變化，局部微環(huán)境的變化諸如細(xì)胞因子，局部血液、組織液等因素共同調(diào)節(jié)的結(jié)果。

3.1細(xì)胞成分在骨重建中的作用

骨不斷進(jìn)行新陳代謝，即舊骨的吸收和新骨的形成，這個(gè)過程與骨重建是密不可分的。在安靜狀態(tài)下，吸收過程主要由破骨細(xì)胞完成，形成過程主要由成骨細(xì)胞完成，在機(jī)械刺激下，包埋于骨基質(zhì)中的骨細(xì)胞的機(jī)械應(yīng)力感受能力大于成骨細(xì)胞，骨細(xì)胞通過膜上

整合器與ECM緊密接觸感受機(jī)械應(yīng)力，引起胞內(nèi)信號傳遞，并將信號傳遞到相鄰的骨細(xì)胞，引起成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞發(fā)生相應(yīng)變化，從而影響骨重建過程。已有研究證實(shí)，骨細(xì)胞通過將感受到的機(jī)械信號轉(zhuǎn)換成化學(xué)信號諸如胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor，IGF-1)、I型膠原、骨鈣素等化學(xué)物質(zhì)來影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的功能。Vashishth研究指出，疲勞負(fù)荷能夠加速骨細(xì)胞凋亡。Mitchell等報(bào)道：采用高分辨率觀測儀研究皮質(zhì)骨的基質(zhì)損傷，在長波光照下，基紅熒光可以給出一個(gè)高分辨率骨微觀損傷的顯微圖像，使用聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn)，骨疲勞與非常小的裂紋同時(shí)出現(xiàn)，這些很小裂紋水平對應(yīng)的骨基質(zhì)是羥基磷灰石晶體的聚集體，這說明，早期骨剛度的下降，骨基質(zhì)破壞主要發(fā)生在這個(gè)水平。最近，一些研究者做了松質(zhì)骨疲勞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)，松質(zhì)骨的疲勞與皮質(zhì)骨一樣，其發(fā)生可能均在膠原和羥基磷灰石晶體水平。Mori等報(bào)道：對人松質(zhì)骨進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增加，骨微損傷也隨著增加，同時(shí)骨細(xì)胞的數(shù)量也隨著下降，以上結(jié)果提示，骨細(xì)胞密度和微損傷之間存在著一定的因果關(guān)系。研究證實(shí)，骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞應(yīng)力信號傳遞通道不一樣，有關(guān)其具體通道作用機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。

但是，骨重建對組織水平的骨質(zhì)量也有負(fù)方面的影響，如果骨轉(zhuǎn)換率加快，舊的礦化骨被礦化少的新骨代替，骨的剛度或抗彎曲力降低，如果轉(zhuǎn)換率很慢，需要更長時(shí)間進(jìn)行二期礦化，骨剛度增加，抗微損傷發(fā)生及發(fā)展能力降低，骨將變脆。高重建一般意味著骨迅速丟失及骨量減少，減少骨的礦鹽含量及其剛度；低重建使骨丟失減慢，增加骨剛度及微損傷產(chǎn)生，并減少微損傷的修復(fù)功能。骨重建失衡的產(chǎn)物，在松質(zhì)骨中可以因過度吸收而穿透骨小梁，甚至于使其消失，在皮質(zhì)骨中可以因過度吸收而使皮質(zhì)骨小孔增多、厚度變薄而導(dǎo)致強(qiáng)度減弱。

3.2細(xì)胞外組織液在骨重建中的調(diào)節(jié)機(jī)制

在運(yùn)動性骨疲勞狀態(tài)下，破骨細(xì)胞募集到基質(zhì)損傷處激發(fā)骨吸收的具體機(jī)制尚不很清楚，除了骨組織中的細(xì)胞是重要的信號通道外，其它的信號通道對于骨重建也起著很重要的作用。在機(jī)械負(fù)荷的刺激下，細(xì)胞外組織液對于信號的傳導(dǎo)起著重要的作用。

在適宜的負(fù)荷刺激下，骨作為一種分子篩，將分子質(zhì)量大約為70ku的分子進(jìn)入骨陷窩和骨小管內(nèi)，使組織液中有效分子含量增加，結(jié)果，骨陷窩和骨小管內(nèi)的組織液提高了骨細(xì)胞對刺激的敏感性，并且可營養(yǎng)骨細(xì)胞和輸送代謝產(chǎn)物，但是，在骨疲勞狀態(tài)下，骨小管和陷窩中的組織液會減少，影響骨組織中細(xì)胞的功能，從而也影響骨重建過程。Knothetate等對成年雌性SD大鼠運(yùn)用在體分子示蹤的方法，在4點(diǎn)彎曲負(fù)荷作用下觀察脛骨組織液流動的變化，運(yùn)用半定量分析法發(fā)現(xiàn)，機(jī)械負(fù)荷導(dǎo)致組織液的流動在調(diào)節(jié)骨重建等細(xì)胞活動方面起著額外的作用，因?yàn)榻M織液中攜帶著代謝產(chǎn)物、營養(yǎng)物質(zhì)、礦物質(zhì)以及對細(xì)胞活動具有重要作用的細(xì)胞因子之類的物質(zhì)。Pete報(bào)道：骨疲勞導(dǎo)致局部組織液明顯減少。Roer等將人取6°斜倒立在床上休息和將大鼠尾部懸吊模擬失重實(shí)驗(yàn)，在數(shù)周之后發(fā)現(xiàn)，顱骨和下顎骨骨量明顯增加，這一現(xiàn)象用Wolff定律是無法解釋的，因?yàn)榈沽⒉灰欢ㄊ癸B骨骨組織的變形明顯增加。這一結(jié)果提示，可能是由于組織液的流動和隨著組織腔隙內(nèi)壓力的轉(zhuǎn)換，液體也發(fā)生相應(yīng)流動的結(jié)果。同樣，懸掛大鼠后肢骨量減少的原因是由于后部組織液流動減少的結(jié)果；以上結(jié)果提示，成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞對液體剪切力的反應(yīng)類似于內(nèi)皮細(xì)胞，即通過釋放前列腺素和一氧化氮代謝物對其刺激作出反應(yīng)。成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞主要不是骨組織變形的傳感器，而是骨組織變形間接效應(yīng)即腔隙內(nèi)組織液的流動的傳感器。

在運(yùn)動性骨疲勞狀態(tài)下，關(guān)于組織液調(diào)節(jié)骨細(xì)胞功能的作用機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。

3.3細(xì)胞因子在骨重建中的調(diào)節(jié)作用

骨重建的基本多功能單位是多細(xì)胞功能單位。骨重建過程中，在皮質(zhì)骨，前面是破骨細(xì)胞形成的切割錐形體，隨后有成骨細(xì)胞合成類骨質(zhì)填充進(jìn)去。骨重建過程是很復(fù)雜的，涉及到多種分子、多種激素生長因子、細(xì)胞因子等參與此過程，詳細(xì)的生物學(xué)機(jī)理和激素調(diào)控機(jī)制尚未完全闡明。研究表明，成骨細(xì)胞是各種激素、生長因子和細(xì)胞因子的作用位點(diǎn)，那些與成骨細(xì)胞一破骨細(xì)胞間相互作用有關(guān)的因子是潛在的偶聯(lián)因子。Lanyon等認(rèn)為：功能性的應(yīng)變通過前列腺素的一種亞型即前列腺素E₂(Prostaglandins E₂，PGE₂)在骨重建中發(fā)揮著重要的作用。更多文獻(xiàn)表明：前列腺素(Prostaglandins，PGs)及其他類似代謝物在骨代謝中具有重要作用，是一類重要的骨代謝調(diào)節(jié)因子。前列腺素E₂在低濃度時(shí)具有增加膠原合成的作用，在高濃度或有IGF-I存在時(shí)，可抑制膠原的合成，這種抑制作用與蛋白激酶C途徑的激活有關(guān)。Tschantz首次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)反復(fù)負(fù)荷刺激能夠使骨發(fā)生微損傷。隨后一系列理論和實(shí)驗(yàn)資料支持疲勞微損傷和骨重建之間的關(guān)系。在這一基礎(chǔ)上，我們很容易能夠接受微損傷刺激骨重建，也可以說，骨重建修復(fù)微損傷。Schaffler等證實(shí)，在體疲勞微損傷和離體后疲勞微損傷具有相似性，疲勞微損傷的產(chǎn)生與負(fù)荷、循環(huán)的數(shù)量和溫度有關(guān)。微損傷可能積累，導(dǎo)致骨強(qiáng)度下降，有可能發(fā)生骨折，因此微損傷可能是骨重建的催化劑。骨重建這個(gè)過程是有許多功能細(xì)胞構(gòu)成的精密網(wǎng)絡(luò)組織，對其過程中具體的作用機(jī)制和生理病理過程尚不是很清楚。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以借助于反轉(zhuǎn)錄酶聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)的應(yīng)用，原位雜交技術(shù)及免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)等對相關(guān)酶及其mRNA進(jìn)行局部定位，對于細(xì)胞因子對骨重建過程中的作用機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。

4適宜運(yùn)動對骨的保護(hù)作用

大量研究表明：適宜負(fù)荷、適宜方式的運(yùn)動有益于骨，目前，運(yùn)動作為一種疲勞性骨折的預(yù)防措施已經(jīng)得到臨床的支持。Stuart等對24只成年雌性大鼠進(jìn)行5周軸向壓縮負(fù)荷試驗(yàn)，每周3d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過適宜機(jī)械負(fù)荷的刺激能明顯增加骨結(jié)構(gòu)特性，骨結(jié)構(gòu)特性發(fā)生將近2倍的變化而抗骨疲勞發(fā)生近100倍的變化，提示骨幾何學(xué)參數(shù)在判斷骨疲勞方面具有相對準(zhǔn)確的預(yù)測。Milgrom等報(bào)道：對于招收的新兵，在正式軍訓(xùn)之前如果已經(jīng)參加過至少2年規(guī)律的籃球訓(xùn)練者，發(fā)生運(yùn)動性骨疲勞的幾率大大減少，小于1／2。同樣，Lappe也做了與Milgrom等人類似的報(bào)道，而大強(qiáng)度、長時(shí)間反復(fù)運(yùn)動會對骨造成一定的損傷，這一點(diǎn)在女性中表現(xiàn)得尤為突出。在男性中也有類似的報(bào)道，機(jī)制可能與女性相似。Milgrom等采用經(jīng)皮植入應(yīng)變片的方法對跑、走和靜止騎自行車3種運(yùn)動方式的運(yùn)動員進(jìn)行應(yīng)變和應(yīng)變率的測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，跑比走具有較高的拉、壓、剪切應(yīng)變和應(yīng)變率，而走比靜止性騎車方式具有較高的拉、壓、剪切應(yīng)變和應(yīng)變率。因此，在設(shè)計(jì)運(yùn)動負(fù)荷時(shí)要注意達(dá)到理想狀態(tài)下骨結(jié)構(gòu)的變化，但是不能引起骨結(jié)構(gòu)的損害即微損傷的積累和產(chǎn)生。其中方法之一是對運(yùn)動持續(xù)時(shí)間的限制和負(fù)荷循環(huán)數(shù)量的設(shè)計(jì)。

運(yùn)動性骨疲勞作為骨代謝的一個(gè)研究分支，因其在疲勞性骨折中的重要作用近年來引起人們的高度關(guān)注。但目前關(guān)于骨分子水平的疲勞特性及疲勞機(jī)理的發(fā)生發(fā)展較少有研究涉及，同時(shí)適宜刺激對骨強(qiáng)度的影響機(jī)制與方法學(xué)研究尚處于起步階段。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測試儀器的出現(xiàn)，運(yùn)動性骨疲勞研究將在上述方面獲得重要進(jìn)展。

[編輯：鄭植友]