體育鍛煉在促進(jìn)骨骼發(fā)育及骨質(zhì)疏松防治中的效用分析

黃海 張瑤 胡澤兵

1.西安科技大學(xué)體育部，陜西 西安 710032 2.第四軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院，陜西 西安 710032 3.第四軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)院，航空航天醫(yī)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032

骨質(zhì)疏松癥日益成為危害公眾健康和生活質(zhì)量的社會(huì)難題，雖然老年和絕經(jīng)后雌激素缺乏是導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的主要危險(xiǎn)因素，但骨骼在生長發(fā)育過程中的峰值骨量和骨骼強(qiáng)度對(duì)于骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)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(jī)械力學(xué)負(fù)荷的調(diào)節(jié)，骨骼強(qiáng)度更是取決于骨生長的力學(xué)適應(yīng)性；人體需要保證基本的力學(xué)負(fù)荷來維持骨量和骨強(qiáng)度，廢用或者不負(fù)重就會(huì)導(dǎo)致骨量下降，因此，理解力學(xué)負(fù)荷在骨骼生長發(fā)育中作用對(duì)于骨質(zhì)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(fā)育以及骨質(zhì)疏松預(yù)防中的作用做簡要概述。

1 骨骼發(fā)育的生物力學(xué)基礎(chǔ)

骨骼是具有功能適應(yīng)性的組織結(jié)構(gòu)，其生長發(fā)育和結(jié)構(gòu)重建都離不開日常生活中各種力學(xué)環(huán)境的影響。一個(gè)多世紀(jì)前，人類已經(jīng)對(duì)骨骼結(jié)構(gòu)和力學(xué)刺激的關(guān)系有了定性認(rèn)識(shí)。Wolff根據(jù)骨小梁形態(tài)和應(yīng)力跡線相匹配的關(guān)系，提出骨有適應(yīng)外部載荷而生長的能力[2]，當(dāng)力學(xué)環(huán)境改變時(shí)，骨的組織結(jié)構(gòu)形態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，仍以最優(yōu)結(jié)構(gòu)形態(tài)去適應(yīng)新的力學(xué)環(huán)境。為了解釋力學(xué)載荷在骨骼功能適應(yīng)性變化中的調(diào)控規(guī)律，美國學(xué)者Frost總結(jié)了有關(guān)于骨功能適應(yīng)性的生物學(xué)過程，提出：骨功能適應(yīng)的控制過程是生物學(xué)的，但力學(xué)環(huán)境起支配作用，通過力學(xué)反饋和調(diào)定點(diǎn)控制局部骨質(zhì)量，達(dá)到應(yīng)變與骨質(zhì)量的平衡[3]。日常生活中的行走、站立和體育鍛煉產(chǎn)生的肌肉收縮和骨骼負(fù)重會(huì)使得骨組織產(chǎn)生形變和微裂紋，這種骨組織的應(yīng)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(xué)刺激信息將轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)而影響骨形成和骨吸收之間的功能平衡[4]，成為這一力學(xué)調(diào)控系統(tǒng)中的主要控制因素。

骨骼發(fā)育、骨量維持乃至骨折等生理病理過程都存在應(yīng)變閾值，不同程度的骨應(yīng)變可以激活不同的骨適應(yīng)性過程[5]。長期臥床病人、老年人或失重環(huán)境下的航天員，會(huì)因運(yùn)動(dòng)、肌力或重力等力學(xué)刺激的減弱，使得骨應(yīng)變處于骨量維持所需要的應(yīng)變閾值以下，骨骼系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)為現(xiàn)有骨量超出承受外力作用的需要，而通過神經(jīng)系統(tǒng)和生化信號(hào)促使骨吸收強(qiáng)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(huì)使得骨應(yīng)變處于骨骼生長的力生物學(xué)響應(yīng)范圍，從而促進(jìn)骨骼強(qiáng)度的增加或者促進(jìn)骨骼的生長發(fā)育。運(yùn)動(dòng)員就是很好的例子，在所有運(yùn)動(dòng)員中，舉重和長跑運(yùn)動(dòng)員的骨量相對(duì)較高，而騎行和游泳運(yùn)動(dòng)員的骨量則相對(duì)較低[9,10]。

2 體育鍛煉對(duì)骨骼發(fā)育的力生物效應(yīng)

體育鍛煉的形式和分類很多，但什么樣的運(yùn)動(dòng)更有益于骨骼功能作用，目前尚沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和載荷頻率是運(yùn)動(dòng)中密不可分的兩個(gè)物理參數(shù)，不考慮年齡和性別因素，采用不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和載荷頻率的體育鍛煉方案會(huì)產(chǎn)生不同的骨骼力生物學(xué)效應(yīng)。

一項(xiàng)持續(xù)3年的跑步研究顯示[11]，每周跑30-50 km(衡量運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度)明顯比每周跑5-30 km對(duì)提高脛骨近端骨密度的作用大；同時(shí)，提高跑步的加速度(衡量腳步落地產(chǎn)生沖擊負(fù)荷的頻率)對(duì)骨密度的增加有顯著促進(jìn)作用。從這項(xiàng)研究可以看出，適度增加運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和載荷頻率都是對(duì)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，僅僅依靠有氧鍛煉和肌肉耐力鍛煉是不夠的[12]。運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度是產(chǎn)生骨應(yīng)變的主要因素之一，即使輕微活動(dòng)引起的骨應(yīng)變也可以觀察到骨形成標(biāo)志物的增加[13]，但能引起骨量增加的有效應(yīng)變范圍大約在1000-3000 με之間[14]。通過對(duì)不同動(dòng)物在慢走或者疾跑中的骨應(yīng)變測(cè)量顯示，骨骼的峰值應(yīng)變都在2000-3000 με左右，具有非依賴于物種的動(dòng)態(tài)應(yīng)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(qiáng)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(nèi)增加運(yùn)動(dòng)強(qiáng)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(rèn)載荷頻率的重要性。研究發(fā)現(xiàn)，骨骼對(duì)于頻率為15～30 Hz的應(yīng)變具有很高的敏感性，在此頻率范圍內(nèi)的很小應(yīng)變也能產(chǎn)生較大的成骨效應(yīng)。皮質(zhì)骨在2000 με、0.5 Hz的動(dòng)態(tài)負(fù)荷加載下可以保持骨量平衡，而當(dāng)加載頻率提高到1 Hz時(shí)，僅需要1000 με微應(yīng)變即可保持骨量平衡，而當(dāng)頻率進(jìn)一步提高到30 Hz時(shí)，僅需要70 με即可維持這種效果[17]。這種低強(qiáng)度高頻振動(dòng)刺激多見于臨床上治療因肌力下降和肌骨系統(tǒng)疾病而產(chǎn)生的骨質(zhì)疏松患者[18,19]。

事實(shí)上，常規(guī)的體育鍛煉產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)荷多是高強(qiáng)度低頻率(>1 g，1-2 HZ)的周期性負(fù)荷，此時(shí)考慮運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間更具有現(xiàn)實(shí)意義。早期的研究顯示，每天36個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)就可以促進(jìn)骨骼產(chǎn)生最大的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性[20]，長時(shí)間持續(xù)運(yùn)動(dòng)反而會(huì)降低骨骼對(duì)力學(xué)刺激的響應(yīng)能力[21]，如果給定某一運(yùn)動(dòng)的循環(huán)次數(shù)，在幾天內(nèi)完成遠(yuǎn)比在一天內(nèi)完成更能促進(jìn)骨形成[22]。最新一項(xiàng)回顧性研究顯示，即使可以通過提高運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度來部分補(bǔ)償?shù)瓦\(yùn)動(dòng)頻率的不足，但仍然建議每周保持不少于2次的運(yùn)動(dòng)量來維持和提升骨量[23]。 了解運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和載荷頻率在骨骼發(fā)育中的作用，對(duì)于指導(dǎo)特殊人群，如老年人、臥床病人等的骨質(zhì)丟失預(yù)防和治療具有重要意義。

3 不同年齡階段的骨骼生理對(duì)體育鍛煉的響應(yīng)

隨著體重與肌力的不斷增加，骨質(zhì)性能和結(jié)構(gòu)的不斷適用性改造，以及神經(jīng)體液和激素的調(diào)節(jié)作用，骨骼的力學(xué)適應(yīng)性呈現(xiàn)出不同的階段特點(diǎn)。青春期被認(rèn)為是骨骼響應(yīng)力學(xué)環(huán)境的最佳時(shí)期，也是體育鍛煉促進(jìn)骨骼生長發(fā)育、提高峰值骨量的關(guān)鍵時(shí)期[24]。研究顯示，在青春期前后進(jìn)行體育鍛煉遠(yuǎn)比在成年后進(jìn)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(dá)到峰值，在此后骨骼的生長發(fā)育變慢，小梁骨開始出現(xiàn)骨質(zhì)丟失，在這個(gè)時(shí)期進(jìn)行適度的體育鍛煉仍不失為維持骨量，延緩骨質(zhì)丟失的有效措施。而在中老年時(shí)期，骨骼骨量會(huì)以每年0.5%甚至更多的速率丟失，此時(shí)進(jìn)行體育鍛煉更多的通過提高骨骼強(qiáng)度和肌骨系統(tǒng)穩(wěn)定性而延緩骨質(zhì)丟失進(jìn)程以及預(yù)防骨質(zhì)疏松帶來的骨折風(fēng)險(xiǎn)[26]。

現(xiàn)有觀點(diǎn)認(rèn)為，年齡的增長以及雌激素水平的下降會(huì)提高骨骼力學(xué)適應(yīng)性的響應(yīng)閾值。幼年、成年和老年小鼠在高強(qiáng)度骨應(yīng)變下都發(fā)生了骨重建，但在低強(qiáng)度應(yīng)變下，成年和老年小鼠沒有檢測(cè)到骨骼代謝變化，僅有幼年小鼠出現(xiàn)了響應(yīng)[27]；絕經(jīng)前婦女采用3 g 的跳高運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度(落地時(shí)承重約為體重的3倍)可以提高2.8%的股骨骨密度，但強(qiáng)度達(dá)4 g的跳高運(yùn)動(dòng)卻對(duì)絕經(jīng)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(qiáng)度上應(yīng)當(dāng)有所區(qū)別，年齡越大越需要更為有效的力學(xué)刺激才能達(dá)到骨骼力學(xué)響應(yīng)的需求。美國運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)學(xué)院根據(jù)這一特點(diǎn)制訂了不同年齡階段的運(yùn)動(dòng)方案來維護(hù)骨骼健康[12]，他們認(rèn)為，在兒童和青少年時(shí)期，可采取沖擊性鍛煉(如體操、肌肉拉伸訓(xùn)練、跑步和跳躍等方式)，強(qiáng)度在最大負(fù)荷重量(1RM)的60%以下，每周至少3天，每天10-20 min的運(yùn)動(dòng)方案促進(jìn)骨骼的生長和發(fā)育；而對(duì)于成年人，則采取承重耐力訓(xùn)練(如網(wǎng)球、攀爬、慢跑等方式)，每周3-5次耐力訓(xùn)練和2-3次力量訓(xùn)練，每天30-60 min的運(yùn)動(dòng)方案維持骨量和減緩骨質(zhì)丟失。中老年人在體育鍛煉上標(biāo)準(zhǔn)主要以安全為主，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度一般選擇中等強(qiáng)度為宜，運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)達(dá)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)度是廣泛用于運(yùn)動(dòng)實(shí)踐的簡單而科學(xué)的方法，運(yùn)動(dòng)的最佳心率范圍=(220-年齡)×(70%～85%)。

4 體育鍛煉在防治骨質(zhì)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(dá)到防治骨質(zhì)疏松的目的，但是骨質(zhì)疏松防治藥物無法提供骨骼適應(yīng)力學(xué)環(huán)境生長所需要的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，現(xiàn)有觀點(diǎn)認(rèn)為僅僅靠藥物在短時(shí)間內(nèi)提高骨密度的治療手段對(duì)骨骼強(qiáng)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(shí)也引起骨骼微裂紋增多，骨骼微結(jié)構(gòu)的完整性和連續(xù)性得到破壞，骨骼力學(xué)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(xué)性能，很多研究已經(jīng)將體育鍛煉納入到骨質(zhì)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(xué)刺激減弱或消失而引起的骨質(zhì)丟失，比如，長期臥床患者或者航天失重環(huán)境中航天員發(fā)生的廢用性骨質(zhì)丟失。在一項(xiàng)17 周的臥床實(shí)驗(yàn)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(biāo)志物也顯著增加[30]。NASA于2008年開發(fā)出的新一代高級(jí)抗阻力鍛煉裝置(ARED)，其最大鍛煉阻力達(dá)到2 675 N[31]，配合營養(yǎng)措施，每天2.5小時(shí)ARED鍛煉可以顯著減緩失重性骨質(zhì)丟失，航天員飛行前后骨密度改變沒有顯著差異[32]。但是對(duì)于老年性和絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者來說，因受限于安全性而使得鍛煉強(qiáng)度達(dá)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(zhì)疏松患者肌骨系統(tǒng)協(xié)調(diào)性、改善骨骼性能和防止跌倒出現(xiàn)骨折等方面[33,34]。研究顯示，即使采用雙能X線吸收法檢測(cè)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(jié)構(gòu)得到改善而增強(qiáng)骨骼性能[35]，也有可能是骨應(yīng)變引起的骨形成發(fā)生在骨膜而導(dǎo)致骨骼彎曲受力增強(qiáng)[36]。體育鍛煉對(duì)骨骼性能的改善是單純服用藥物無法達(dá)到的，而服用藥物促進(jìn)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(yī)學(xué)工作者已經(jīng)考慮兩者結(jié)合來防治骨質(zhì)疏松。一項(xiàng)研究將60歲左右的骨質(zhì)疏松患者分成兩組，對(duì)照組服用雷洛昔芬抗骨質(zhì)疏松治療，觀察組在服藥的同時(shí)每天有氧鍛煉30 min；6個(gè)月后，與對(duì)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(biāo)Pyd/Cr(尿膠原吡啶交聯(lián)與肌酐比值)則顯著降低[37]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，服用淫羊藿苷或者柚皮苷聯(lián)合運(yùn)動(dòng)鍛煉均能有效改善絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的治療效果[38,39]。

另外，體育鍛煉還可以通過影響內(nèi)分泌調(diào)節(jié)、促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用等延緩骨質(zhì)疏松的發(fā)生。已有研究證實(shí)，體育鍛煉可以導(dǎo)致骨形成相關(guān)調(diào)節(jié)激素和細(xì)胞調(diào)節(jié)因子水平升高，同時(shí)降低骨吸收相關(guān)的調(diào)節(jié)激素和細(xì)胞調(diào)節(jié)因子水平；促進(jìn)維生素D的合成，改善胃腸道功能及鈣磷代謝，促進(jìn)體內(nèi)鈣的吸收；提高骨皮質(zhì)血流量，使骨內(nèi)血液保持中性，便于血鈣的骨內(nèi)輸送和骨沉積等。同時(shí)，適當(dāng)?shù)捏w育鍛煉還能減輕骨質(zhì)疏松患者的疼痛癥狀，這可能與運(yùn)動(dòng)促進(jìn)血液循環(huán)，改善骨骼、肌肉的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，促進(jìn)內(nèi)啡呔等體內(nèi)鎮(zhèn)痛物質(zhì)的釋放有關(guān)。

5 小結(jié)

大量研究證實(shí)，任何時(shí)候開始運(yùn)動(dòng)對(duì)于維持骨量都具有積極作用。在生長發(fā)育期，體育鍛煉使骨骼系統(tǒng)持續(xù)處于輕度超負(fù)荷狀態(tài)，引起骨塑建使得骨量增加；而到了成熟期，成年人的骨強(qiáng)度與肌力大體相平衡，骨骼系統(tǒng)內(nèi)部以維護(hù)模式的骨重建為主，體育鍛煉可以防止骨質(zhì)丟失。此外，體育鍛煉還能增強(qiáng)心肺功能，改善血液循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)的機(jī)能狀況，增強(qiáng)有機(jī)體的適應(yīng)能力。因此，保持適度的體育鍛煉應(yīng)當(dāng)貫穿整個(gè)生命活動(dòng)過程中。