不同類型運動對骨密度影響的研究進(jìn)展

徐鋒鵬, 胡 敏, 黃俊豪, 林文弢

(1.廣州體育學(xué)院 運動與健康促進(jìn)重點實驗室,廣東 廣州 510500;2.廣州體育學(xué)院 運動與健康系,廣東 廣州 510500)

不同類型運動對骨密度影響的研究進(jìn)展

徐鋒鵬1, 胡 敏2, 黃俊豪1, 林文弢2

(1.廣州體育學(xué)院 運動與健康促進(jìn)重點實驗室,廣東 廣州 510500;2.廣州體育學(xué)院 運動與健康系,廣東 廣州 510500)

運動影響骨密度(BMD)的機(jī)制主要靠機(jī)械外力(肌肉收縮和地面反沖擊力)直接作用而產(chǎn)生。關(guān)于兩者對BMD的影響還沒有定論,一般認(rèn)為兩者均有促進(jìn)骨骼生長的作用。骨骼對作用于其上的一系列力學(xué)信號產(chǎn)生反應(yīng),如應(yīng)變幅度、應(yīng)變率、應(yīng)變分布、應(yīng)變梯度、頻率、持續(xù)時間、加速、間歇等。在相同應(yīng)變幅度下,爆發(fā)力項目對BMD提升的效果優(yōu)于普通抗阻運動,高沖擊性/臨時沖擊性活動對BMD提升的效果優(yōu)于低沖擊性活動。一定數(shù)量負(fù)荷循環(huán)可促進(jìn)骨骼生長,長時間刺激使骨骼敏感度下降,當(dāng)中有間歇可以增加成骨效應(yīng)。由于運動時間長、運動量大等,耐力項目可引起睪酮/皮質(zhì)醇比值降低、女性雌激素下降而對BMD的影響不太明顯。不同類型的混合運動方案(包含抗阻訓(xùn)練和沖擊性活動)對提升BMD的效果比單一運動好。不同頻率的振動對BMD的影響值得深入研究。

運動; 肌肉收縮力; 地面反作用力; 應(yīng)變幅度; 應(yīng)變率; 骨密度

Author’s address 1. Key Lab of Sport and Health Promotion, Guangzhou Institute of Physical Education, Guangzhou 510500, Guangdong, China; 2. Department of Exercise and Health, Guangzhou Institute of Physical Education, Guangzhou 510500, Guangdong, China

運動給人體帶來的益處是多方面的,以往人們關(guān)注較多的是運動對肌肉、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)的鍛煉價值。隨著人們生活水平的提高,運動對骨骼的影響逐漸受到重視。骨骼作為運動器官之一,具有抵抗外力、保護(hù)和承重的作用,傳統(tǒng)意義上一般用骨密度(BMD)作為測試骨強(qiáng)度(bone strength)的指標(biāo)。BMD作為描述和診斷骨質(zhì)疏松癥和評價骨折風(fēng)險的一個有效、無創(chuàng)、可以定量測量的指標(biāo),雖然新的定量CT(QCT)技術(shù)可以測量三維立體骨密度(vBMD),但目前主流仍是雙能量X線吸收法(DEXA)測量二維面積骨密度(aBMD),如無特殊說明本文的BMD均指aBMD。然而, BMD 正常狀態(tài)下的患者仍可能發(fā)生骨折,或者相同 BMD 的人群,骨折的發(fā)生率也不同,為此學(xué)者們提出了骨質(zhì)量(bone quality)的概念。

目前國際上對骨質(zhì)量的定義是除了骨密度外,骨組織中所有與骨力量有關(guān)的特性,它包含了骨基質(zhì)的礦化質(zhì)量、骨膠原結(jié)構(gòu)與組成成分、骨的微結(jié)構(gòu)、骨重建及其更新率以及骨內(nèi)微損傷累積與自身修復(fù)等方面[1-2],而BMD只是測試骨質(zhì)量的眾多指標(biāo)之一,其他如骨骼微結(jié)構(gòu)、形態(tài)計量學(xué)參數(shù)、幾何形狀、生物力學(xué)特性等也與骨質(zhì)量有一定關(guān)系。本文僅就運動與骨密度研究的最新進(jìn)展進(jìn)行綜述。

各種原因可以引起B(yǎng)MD下降,包括激素、衰老、營養(yǎng)、飲食、疾病、制動、太空飛行等,甚至引起骨質(zhì)疏松。改善BMD的方法有很多,如藥物、營養(yǎng)、理療、運動等,臨床上以激素替代療法(HRT)、雄激素、甲狀旁腺素(PTH)、降鈣素、雙磷酸鹽(bisphosphonate)、阿侖膦酸鈉(alendronate)等為主的藥物療法雖然有一定效果,但有一定的副作用,如長期服用雌激素有導(dǎo)致患乳腺癌的風(fēng)險,而且不是所有人都愿意服用藥物。有些藥物療法雖然可以顯著提高BMD(9%～15%),但不一定能提高對骨折的抵抗能力(7%～21%),即藥物雖然可以改善BMD卻不一定能夠提高骨強(qiáng)度。相反通過施加一定機(jī)械外力引起的小幅度BMD(5%～7%)提高卻可以帶來骨強(qiáng)度和抵抗骨折能力的大幅提高(64%～94%)[3],這說明運動療法對改善骨質(zhì)量具有更好的效果。運動可以改善BMD,青少年通過運動可以提高峰值骨量(PBM),中老年人可以減緩骨量流失。各種健骨運動處方對不同人群有一定作用,但具體運動類型、運動強(qiáng)度、持續(xù)時間、頻率、療程等還有一定的不確定性,可能與不同受試對象(性別、年齡、遺傳、種族、肥胖、體重等)、運動方式、運動強(qiáng)度等有關(guān),人類關(guān)于運動對BMD的影響仍需要深入研究。

1 機(jī)械外力及運動分類

1892年,Wolff提出骨轉(zhuǎn)化定律即骨功能的每一互變,都有與數(shù)學(xué)法則一致的、確定的、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)變化,認(rèn)為受力部位骨形成增加,骨吸收減少,而受力去除則骨形成減少,骨吸收增加。動物及人體研究均表明,制動[4-5]、微重力(太空飛行)[6]、長期臥床[7]、脊髓損傷、偏癱、骨折后固定等使成骨細(xì)胞功能下降,破骨細(xì)胞功能加強(qiáng),引起B(yǎng)MD下降。這些主要表現(xiàn)在承重骨上,如股骨近端和腰椎,即以上原因引起的承重骨不再發(fā)揮承重作用而出現(xiàn)的肌肉收縮所克服的阻力減少或者沒有了GRF而發(fā)生廢用性或微重力性BMD下降或骨質(zhì)疏松?？赡苁躓olff定律影響,早期人們認(rèn)為只有抗重力的骨骼(WBB),如下肢骨(股骨頸或脛骨)、腰椎(LS)等才產(chǎn)生負(fù)荷,據(jù)此有人把給骨骼施加外力負(fù)荷的體力活動分為抗重力性活動(WBPA)(如各種球類、田徑項目、舉重等)和非抗重力性活動(Non-Weight Bearing Physical Activity,NWBPA,如游泳、自行車、劃船等)。大部分研究[8]表明,前者由于活動時下肢要承載和克服自身體重做功,因此對下肢(FN)或LS BMD的影響常常大于后者。該分類法強(qiáng)調(diào)由重力引起的地面反作用力(GRF)引起的應(yīng)變幅度對骨骼的刺激作用,而未考慮來自肌肉的收縮力(MJF)以及其他應(yīng)變參數(shù)如應(yīng)變率的問題[9],因而有局限性。該分類法也未將耐力項目分開。

Frost[10-11]則在Wolff理論的基礎(chǔ)上指出骨組織對其力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性相當(dāng)強(qiáng),每當(dāng)力學(xué)環(huán)境變化后,骨的形狀、骨量以及骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會不斷地更新調(diào)整,以最佳的狀態(tài)適應(yīng)不斷增加和變化著的力學(xué)環(huán)境的需要,由此提出了骨生物力學(xué)調(diào)控系統(tǒng)(mechanostat)理論,認(rèn)為負(fù)荷承載骨(load bearing bones,LBB)不僅僅限于WBB,還包括上肢骨、顱骨(上頜骨、下頜骨)等。Frost還引入了應(yīng)力(stress)和應(yīng)變(strain)描述機(jī)械外力對骨骼的影響。應(yīng)力是單位面積上作用于骨骼的外力,應(yīng)變是外力引起骨骼變形的幅度占原來長度的比例,并用骨重建(remodeling)和塑建(modeling)描述骨的吸收和形成。機(jī)械外力主要來自肌肉收縮,而不是身體的重力,并指出肌肉力量與LBB有比較密切的“因果效應(yīng)關(guān)系”。小于骨重建的最小有效應(yīng)變[MESr,(50～100)×10-6ε]或大于病理性最小有效應(yīng)變(MESp,3 000×10-6ε)的機(jī)械外力都對骨骼發(fā)育不利。前者使骨骼處于廢用狀態(tài),將使骨吸收大于骨形成,后者因外力過大將引起微骨折,而最有利于骨量沉積的骨應(yīng)變范圍應(yīng)在MESm～MESp,約為(1 500～2 500)×10-6ε。相關(guān)研究也支持該理論,如適量運動促進(jìn)骨量增加,廢用或過度運動則不利于骨量的增加[12-13]。

目前認(rèn)為作用于骨骼的外力可分為肌肉直接牽拉(MJF)和由于重力作用身體下落過程中來自地面的反作用力或其他物體直接反擊的沖擊力(SRF),如武術(shù)中擊打沙袋或?qū)Ψ缴眢w帶來的對上肢的反沖擊力或者網(wǎng)球?qū)Τ峙氖直鄣臎_擊力等。Snow-Harter等[14]對52名健康女大學(xué)生進(jìn)行了8個月的RCT實驗,實驗對象分為舉重組、慢跑(Jogging)組和對照組,舉重組代表MJF,慢跑組代表GRF。結(jié)果顯示雖然實驗對象的肌肉力量素質(zhì)只有舉重組顯著增加,但舉重和慢跑組均顯著增加了腰椎(LS)BMD(絕對值和相對值),而且和對照組相比差異具有顯著性,這說明MJF或GRF均可引起骨量增加。2008年美國運動醫(yī)學(xué)協(xié)會 (ACSM) 年會專門討論了該問題,多位專家發(fā)表了不同的觀點[3,15-16]。關(guān)于兩者對BMD的影響還沒有定論,一般認(rèn)為兩者均具有促進(jìn)骨骼生長的作用,2種刺激協(xié)同作用對促進(jìn)骨骼生長效果最好。

研究表明,骨骼會對作用于其上的一系列力學(xué)信號產(chǎn)生反應(yīng),比如應(yīng)變幅度、應(yīng)變率、應(yīng)變梯度、頻率、加速和間歇等[15,17]。改變負(fù)荷的刺激時間方式,比如插入休息間歇可以使原本對骨骼沒有刺激作用的負(fù)荷變成成骨效應(yīng)很強(qiáng)的負(fù)荷[18]。同樣,應(yīng)變幅度非常小的機(jī)械外力,至少比Frost的力學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)規(guī)定的骨塑建最小有效應(yīng)變(MESm)小2個級別的外力,如果以高頻率(如大于25 Hz)的方式施加于骨骼,也具有成骨效應(yīng)[19-20]。研究表明,動態(tài)性活動即應(yīng)變率大于0的活動比靜態(tài)活動(應(yīng)變率為0)具有較好的成骨效應(yīng)[21-23]。在相似應(yīng)變幅度(體重)情況下,跳躍對下肢骨的應(yīng)變率大于跑步,跳躍比跑步更具有成骨性[24-25]。Nikander 等[26]在研究不同負(fù)荷對女性髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分析(HSA)的影響時,選擇幾種常見競技運動員進(jìn)行比較并將運動類型分為:高沖擊性負(fù)荷模型(如排球、跨欄等),臨時沖擊性負(fù)荷模型(如壁球、足球、速度滑冰、踏板操等),大幅度肌肉負(fù)荷模型如舉重,重復(fù)性低沖擊性負(fù)荷模型如定向越野、越野滑雪等,重復(fù)性非沖擊性負(fù)荷模型如游泳、騎自行車等。Kohrt等[3]把來自GRF對骨骼起作用的運動稱為沖擊性活動(IA),把主要有MJF影響骨骼的運動稱為非沖擊性活動(NIA)。前者主要指各種球類和田徑項目,又分為高沖擊性活動(HIA,如排球、籃球、跳高、跳遠(yuǎn)、自由體操等)和低沖擊性活動(LIA,如慢跑等);后者又分為抗重力性(如舉重)和體重支持性活動(如騎自行車、游泳、劃船等)。這些分類法考慮了應(yīng)變率和應(yīng)變分布等因素,對研究運動與骨骼的關(guān)系有實用價值。

2 抗阻訓(xùn)練對BMD的影響

大部分研究[27-30]表明,肌肉收縮負(fù)荷與BMD有顯著相關(guān)性。Heinrich等[31]研究發(fā)現(xiàn)，健美運動員在腰椎、股骨和橈骨等部位BMD均高于游泳、跑步以及安靜對照組,說明抗阻訓(xùn)練對提升BMD的效果比耐力項目好。研究表明,肌肉體積或質(zhì)量與所附著的骨骼BMD呈正相關(guān)[32-34]。在地面模擬微重力動物實驗(尾部懸垂)[5,35]狀態(tài)下或人體臥床實驗[7]均表明,單純肌肉收縮或抗阻訓(xùn)練可以對抗制動引起的BMD的下降,但在太空飛行狀態(tài)下宇航員單純做抗阻訓(xùn)練對抗微重力引起的BMD下降效果卻不太好,可能與所選運動方案不同或太空中電離輻射[36]有關(guān)。

James等[37-38]在2006年發(fā)表2篇關(guān)于抗阻訓(xùn)練分別對絕經(jīng)前和絕經(jīng)后婦女BMD影響的Meta分析,用嚴(yán)格的篩選標(biāo)準(zhǔn)從MEDLINE、EMBASE、PubMed、Web of Science、SportDiscus和Evidence Based Medicine Reviews Multifile等數(shù)據(jù)庫中分別搜索出7篇和14篇相關(guān)文獻(xiàn),結(jié)果顯示,抗阻訓(xùn)練對改善絕經(jīng)前和絕經(jīng)后婦女LS BMD有一定效果,而對改善FN BMD的效果不明顯。也有研究報道抗阻訓(xùn)練可以增加或保持絕經(jīng)后女性[39]和老年男性[40]FN BMD,提示研究結(jié)果的不一致性。James和Carroll指出,入選文獻(xiàn)的質(zhì)量得分偏低,沒有研究提供有效的意向性處理(ITT)分析受試對象的高退出率問題,以及通過漏斗圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)存在偏向陽性研究結(jié)果的不對稱性(出版偏倚),因此認(rèn)為對結(jié)果的解釋應(yīng)保守一點。另外,他們的研究對象均為中老年人,可能對運動刺激的敏感度不如年輕人,考慮到老年人體力特點,運動方式和強(qiáng)度的選擇也不可能像年輕人一樣劇烈。

肌穩(wěn)素是控制哺乳動物肌肉生長的轉(zhuǎn)錄因子,它可以控制肌肉的過度增長。肌穩(wěn)素基因敲除的比利時藍(lán)牛表現(xiàn)出比同類多得多的肌肉體積,同時體脂明顯減少。然而,肌穩(wěn)素基因敲除小鼠并不會引起所有部位的骨量增加,其股骨遠(yuǎn)端小梁骨體積也未受到基因敲除的影響。應(yīng)用肌穩(wěn)素欺騙受體同樣可以消除肌穩(wěn)素的作用,4周后該方法引起的小鼠肌肉增加量大約為30%,而該模型小鼠股骨遠(yuǎn)端小梁骨體積(BV/TV)和基因敲除小鼠相比增加大約100%[15]。

最新研究發(fā)現(xiàn),肌肉不但是運動器官,還是內(nèi)分泌器官,運動時肌肉細(xì)胞可以分泌很多細(xì)胞因子,如IL-6、IL8、IL-15等,由于這些因子在運動后分泌明顯增多,故與肌肉收縮有直接關(guān)系,因此有人把這些因子稱為“運動因子”或“肌肉因子”[41]。鳶尾素(Irisin)是一個新發(fā)現(xiàn)的肌肉因子,其最初效應(yīng)被認(rèn)為是促進(jìn)白色脂肪棕色化,從而對肥胖和Ⅱ型糖尿病具有一定治療作用。其來源于希臘神話信使女神(Iris),因可以介導(dǎo)過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子1α(PGC-1α)對白色脂肪的棕色化效應(yīng)而得名[42]。運動時肌肉過量表達(dá)PGC-1α,而PGC-1α可以刺激膜蛋白Ш型纖維連接蛋白域包含蛋白5(FNDC5)的表達(dá),后者可進(jìn)一步裂解為Irisin,并釋放入外周血。動物體內(nèi)外研究表明,Irisin可以促進(jìn)骨髓成骨細(xì)胞分化,直接或[43]間接(通過白色脂肪的棕色反應(yīng))[44]使小鼠皮質(zhì)骨骨量增加。研究表明,人體肱二頭肌緯度與外周血Irisin濃度呈正相關(guān)[45]。

Stengel等[46]研究發(fā)現(xiàn),12個月的高速收縮抗阻訓(xùn)練(爆發(fā)力訓(xùn)練)比慢速收縮抗阻訓(xùn)練產(chǎn)生更大的應(yīng)變速率,因而對絕經(jīng)后婦女LS和髖部BMD的效果更好,說明肌肉收縮的速度越快,應(yīng)變率越高,對骨骼的刺激作用就越大,越有利于骨骼生長,這也可能是一般認(rèn)為舉重項目比普通健美運動對提升BMD的效果更好的原因,因為健美訓(xùn)練主要講究肌肉體積,訓(xùn)練時一般使用相對較小的抗阻負(fù)荷,而舉重項目更講究爆發(fā)力。Gray等[47]研究認(rèn)為,爆發(fā)力訓(xùn)練和力量訓(xùn)練對絕經(jīng)前婦女BMD的影響無差別,但他們的研究未設(shè)置安靜對照組,有可能爆發(fā)力和力量訓(xùn)練對提升BMD均有效果。也可能與訓(xùn)練方案的選擇有關(guān),他們的爆發(fā)力訓(xùn)練只使用自身體重,沒有外部阻力。

3 沖擊性活動對BMD的影響

由于沖擊性活動既有GRF又有MJF,故沖擊性活動對骨骼的作用較好,特別是HIA[17,48-49]。Nikander等[26]研究表明,除了重復(fù)性非沖擊性負(fù)荷模型外,高沖擊性和臨時沖擊性以及大幅度肌肉負(fù)荷模型用年齡、身高、體重矯正的FN BMD顯著高于對照組(P<0.05)。用正向逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)除了重復(fù)性非沖擊性負(fù)荷模型外,其他負(fù)荷模型與股骨頸BMD相關(guān)性均顯著高于對照組。

研究表明,沖擊性活動對FN BMD效果比較好[50]。Vainionpaa等[51]用RCT法研究了HIA(包括踏步、跺腳、跳躍、踏板、跑步和步行等,時間為1年)對絕經(jīng)前女性BMD的影響,結(jié)果顯示HIA對FN、轉(zhuǎn)子間、總髖關(guān)節(jié)(TH)有顯著影響,對腰椎L1也有作用,但對L2～L4無顯著影響。Korpelainen等[52]用RCT法研究了30個月沖擊性活動對低BMD基礎(chǔ)值絕經(jīng)后女性BMD的影響,結(jié)果顯示對照組FN和轉(zhuǎn)子間BMD顯著下降,而沖擊性活動組無顯著變化,但兩組間未發(fā)現(xiàn)交互作用。James等[53]在《步行對絕經(jīng)后女性BMD影響的Meta分析》中也認(rèn)為,步行對LS BMD無影響,對提升FN BMD有積極作用。

人體實驗也表明,用加速度計表示的沖擊性活動強(qiáng)度與BMD變化呈顯著正相關(guān)[54]。Nordstrom等[55]通過橫向?qū)Ρ妊芯勘砻?青少年男性羽毛球運動員經(jīng)體重矯正的BMD顯著高于青少年男性冰球運動員,特別是在股骨近端和遠(yuǎn)端,盡管前者平均每周訓(xùn)練時間顯著少于后者,而后者又高于對照組。羽毛球運動包含大量各個不同方向并且運動員不能事先預(yù)見的跳躍動作,屬于HIA/OIA。冰球運動沒有跳躍,但也需要經(jīng)常在冰上快速地改變方向以及快速啟動和停止,屬于重復(fù)性、低沖擊性活動。該研究說明高沖擊性/臨時沖擊性活動對提升BMD的效果優(yōu)于低沖擊性活動,但該研究也存在橫向研究的缺點,如選擇偏倚問題。

近年研究傾向于抗阻運動和沖擊性運動結(jié)合起來干預(yù)具有明顯的優(yōu)勢。2009年，James和Carroll在沖擊性活動對絕經(jīng)后女性BMD影響的Meta分析中認(rèn)為,包含慢跑和低沖擊性活動(如步行和爬樓梯)以及包含沖擊性活動和大幅度肌肉負(fù)荷活動(抗阻訓(xùn)練)的混合運動方案對提升LS和FN BMD有顯著效果,單純高沖擊性/臨時沖擊性活動對提升BMD均無顯著效果。2010年，James和Carroll在于沖擊性活動對絕經(jīng)前女性BMD影響的Meta分析中指出,包含臨時沖擊性/高沖擊性活動和大幅度肌肉負(fù)荷(抗阻訓(xùn)練)的混合運動方案對提升絕經(jīng)期女性LS和FN BMD最有效,而高沖擊性活動的方案僅對提升FN BMD有一定效果。2015年，Zhao等在不同抗阻訓(xùn)練模式對絕經(jīng)后女性BMD影響的Meta分析中指出,混合性運動方案(包含抗阻訓(xùn)練和高沖擊性/抗重力性運動)對提升絕經(jīng)后女性LS和FN BMD有顯著效果,而單純抗阻訓(xùn)練只能引起FN和LS BMD的非顯著性提升。

4 耐力項目對BMD的影響

大量橫向研究表明,耐力項目如長跑、馬拉松、自行車、游泳、鐵人三項、劃船等運動員BMD和對照組差別不明顯,甚至低于對照組,而不管是沖擊性活動或非沖擊性活動[26-27,48]。研究表明,經(jīng)過一定次數(shù)負(fù)荷的循環(huán)之后,骨骼對外力的反應(yīng)能力會逐漸下降,單純增加骨骼負(fù)荷的重復(fù)次數(shù)不一定帶來BMD的進(jìn)一步提升[17],說明長時間的耐力運動對BMD的刺激作用不會進(jìn)一步增強(qiáng)。

有學(xué)者指出,耐力項目運動員中等和劇烈運動時出汗引起的鈣丟失約為70 mg/d。故耐力項目運動員每天訓(xùn)練時間比其他項目長,鈣的需要量可能更多。耐力運動時皮膚鈣丟失可引起血鈣降低,從而刺激甲狀旁腺素分泌以動員骨鈣防止血鈣進(jìn)一步降低,這也可解釋耐力運動不利于BMD的提升。研究發(fā)現(xiàn),耐力運動引起PTH升高,使用高鈣水可以恢復(fù)。另外影響耐力運動與BMD的關(guān)系還有其他因素,如長期的能量供應(yīng)不足、營養(yǎng)缺乏以及耐力運動引起促進(jìn)骨骼吸收的因子增加等。耐力項目運動量通常比較大,容易引起過度訓(xùn)練,導(dǎo)致內(nèi)分泌紊亂,如睪酮(T)/皮質(zhì)醇(C)比例倒置、女運動員雌激素下降并引起月經(jīng)紊亂等,這些也可以抵消運動提升BMD的效果。

5 結(jié)束語

爆發(fā)力項目對提升BMD的效果優(yōu)于普通抗阻運動,高沖擊性/臨時沖擊性活動對提升BMD的效果優(yōu)于低沖擊性活動。耐力項目對提升BMD的效果不太明顯,不同類型的混合運動方案對提升BMD的效果比單一運動效果好。不同頻率的振動對提升BMD的影響值得進(jìn)一步研究。

[1]王桂華.骨質(zhì)量的影響因素及其檢測方法[J].醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報,2011,24(10):1095-1098

[2]Sibai T,Morgan E F,Einhorn T A.Anabolic agents and bone quality[J].Clinical Orthopaedics and Related Research,2011,469(8):2215-2224

[3]Kohrt W M,Barry D W,Schwartz R S.Muscle forces or gravity:What predominates mechanical loading on bone?[J].Medicine and Science in Sports and Exercise,2009,41(11):2050-2055

[4]陳冬平.限制運動對大鼠股骨、脛骨物理性狀、生物力學(xué)指標(biāo)及骨形成蛋白2表達(dá)的影響[J].第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報,2007,28(11):964-967

[5]Lam H,Qin Y.The effects of frequency-dependent dynamic muscle stimulation on inhibition of trabecular bone loss in a disuse model[J].Bone,2008,43(6):1093-1100

[6]Lang T,LeBlanc A,Evans H,et al.Cortical and trabecular bone mineral loss from the spine and hip in long-duration spaceflight[J].Journal of Bone & Mineral Research,2004,19(6):1006-1012

[7]Shackelford L C,Leblanc A D,Scoll T B,et al.Resistance exercise as a countermeasure to disuse-induced bone loss[J].Journal of Applied Physiology,2004,97(1):119-129

[8]Duncan C,Blimkie C,Cowell C,et al.Bone mineral density in adolescent female athletes:Relationship to exercise type and muscle strength[J].Medicine & Science in Sports & Exercise,2002,34(2):286-294

[9]Rubin C,Lanyon L.Regulation of bone mass by mechanical strain magnitude[J].Calcified Tissue International,1985,37(4):411-417

[10]Frost H M.A 2003 update of bone physiology and Wolff’s Law for clinicians[J].Angle Orthodontist,2004,74(1):3-15

[11]Frost H M.Wolff’s Law and bone’s structural adaptations to mechanical usage:An overview for clinicians[J].Angle Orthodontist,1994,64(3):175-188

[12]章曉霜.不同強(qiáng)度運動和雌激素聯(lián)合作用對去卵巢大鼠骨骼影響的實驗研究[D].上海:華東師范大學(xué),2004:15-17

[13]Bourrin S,Ghaemmaghami F,Vico L,et al.Effect of a five-week swimming program on rat bone:A histomorphometric study[J].Calcified Tissue International,1992,51(2):137-142

[14]Snow-Harter C,Bouxsein M,Lewis B,et al.Effects of resistance and endurance exercise on bone mineral status of young women:A randomized exercise intervention trial[J].Journal of Bone & Mineral Research,1992,7(7):761-769

[15]Judex S,Carlson K J.Is bone’s response to mechanical signals dominated by gravitational loading?[J].Medicine and Science in Sports and Exercise,2009,41(11):2037-2043

[16]Beck B R.Muscle forces or gravity-what predominates mechanical loading on bone?:Introduction[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，2009,41(11):2033-2036

[17]Morseth B,Emaus N,J?rgensen L.Physical activity and bone the importance of the various mechanical stimuli for bone:mineral density.A review[J].Norsk Epidemiologi,2011,20(2):173-178

[18]Gross T S,Srinivasan S.Building bone mass through exercise:Could less be more[J]. British Journal of Sports Medicine,2006,40(1):2-3

[19]Gilsanz V,Wren T A,Sanchez M,et al.Low-level,high-frequency mechanical signals enhance musculoskeletal development of young women with low BMD[J].Journal of Bone Mineral Research,2006,21(9):1464-1474

[20]Xie L,Jacobson J M,Choi E S,et al.Low-level mechanical vibrations can influence bone resorption and bone formation in the growing skeleton[J].Bone,2006,39(5):1059-1066

[21]Lanyon L E,Rubin C T.Static vs dynamic loads as an influence on bone remodelling[J].Journal of Biomechanics,1984,17:897-905

[22]O’Connor J A,Lanyon L E,MacFie H.The influence of strain rate on adaptive bone remodelling[J].Journal of Biomechanics,1982,15(10):767-781

[23]Turner C H,Owan I,Takano Y.Mechanotransduction in bone:Role of strain rate[J].American Journal of Physiology,1995,269(3):438-442

[24]Judex S,Zernicke R F.High-impact exercise and growing bone:Relation between high strain rates and enhanced bone formation[J].Journal of Applied Physiology,2000,88(6):2183-2191

[25]Umemura Y,Ishiko T,Tsujimoto H,et al.Effects of jump training on bone hypertrophy in young and old rats[J].International Journal of Sports Medicine,1995,16(6):364-367

[26]Nikander R,Sievanen H,Heinonen A,et al.Femoral neck structure in adult female athletes subjected to different loading modalities[J].Journal of Bone & Mineral Research,2005,20(3):520-528

[27]Heinonen A,Oja P,Kannus P,et al.Bone mineral density of female athletes in different sports[J].Bone & Mineral,1993,23(1):1-14

[28]Morel J,Combe B,Francisco J,et al.Bone mineral density of 704 amateur sportsmen involved in different physical activities[J].Osteoporosis International,2001,12(2):152-157

[29]Maddalozzo G F,Snow C M.High intensity resistance training:Effects on bone in older men and women[J].Calcified Tissue International,2000,66(6):399-404

[30]Vincent K,Braith R.Resistance exercise and bone turnover in elderly men and women[J].Medicine & Science in Sports & Exercise,2002,34(1):17-23

[31]Heinrich C,Going S,Pamenter R,et al.Bone mineral content of cyclically menstruating female resistance and endurance trained athletes[J].Medicine & Science in Sports & Exercise,1990,22(5):558-563

[32]王沛,劉春,黃欣加.骨質(zhì)疏松的運動防治研究[J].南京體育學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,2(4):30-33

[33]孫衛(wèi)華.骨質(zhì)疏松與運動的健骨機(jī)制[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2007,11(41):8 353-8 355

[34]鄧士琳.絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥運動療法的研究進(jìn)展[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報,2009,43(1):59-64

[35]Fluckey J D,Dupont-Versteegden E E,Montague D C,et al.A rat resistance exercise regimen attenuates losses of musculoskeletal mass during hindlimb suspension[J].Acta Physiologica Scandinavica,2002,176(4):293-300

[36]楊曉勇,唐輝,徐永清,等.模擬空間環(huán)境X射線和微重力對大鼠骨丟失的影響[J].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報,2015,37(12):1232-1236

[37]James M M,Carroll S.Progressive high-intensity resistance training and bone mineral density changes among premenopausal women[J].Sports Medicine,2006,36(8):683-704

[38]James M M,Carroll S.High-intensity resistance training and postmenopausal bone loss:A meta-analysis[J].Osteoporosis International,2006,17(8):1225-1240

[39]Nelson M E,Fiatarone M A,Morganti C M,et al.Effects of high-intensity strength training on multiple risk factors for osteoporotic fractures:A randomized controlled trial[J].Journal of the American Medical Association,1994,272:1909-1914

[40]Menkes A,Mazel S,Redmond R A,et al.Strength training increases regional bone mineral density and bone remodeling in middle-aged and older men[J].Journal of Applied Physiology,1993,74(5):2478-2484

[41]Pedersen B K,Akerstrom T C A,Nielsen A R,et al.Role of myokines in exercise and metabolism[J].Journal of Applied Physiology,2007,103(3):1093-1098

[42]Bostrom P,Wu J,Jedrychowski M P,et al.A PGC1α-dependent myokine that drives browning of white fat and thermogenesis[J].Nature,2012,481(7382):463-468

[43]Colaiannia G,Cuscitoa C,Mongellia T,et al.The myokine irisin increases cortical bone mass[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2015,112(39):12157-12162

[44]Sima R,Yalin L,Czernik P J,et al.Inducible brown adipose tissue,or beige fat,is anabolic for the skeleton[J].Endocrinology,2013,154(8):2687-2701

[45]HuhJY,G P,V M,et al.FNDC5 and irisin in humans:I.Predictors of circulating concentrations in serum and plasma and II.mRNA expression and circulating concentrations in response to weight loss and exercise[J].Metabolism Clinical & Experimental,2012,61(12):1725-1738

[46]Stengel S,Kemmler W,Pintag R,et al.Power training is more effective than strength training for maintaining bone mineral density in postmenopausal women[J].Journal of Applied Physiology,2005,99(1):181-188

[47]Gray M,Brezzo R,Fort I.The effects of power and strength training on bone mineral density in premenopausal women[J].Journal of Sports Medicine & Physical Fitness,2013,53(4):428-436

[48]Heinonen A,Oja P,Kannus P,et al.Bone mineral density in female athletes representing sports with different loading characteristics of the skeleton[J].Bone,1995,17(3):197-203

[49]Grove K A,Londeree B R.Bone density in postmenopausal women:High impact vs low impact exercise[J].Medicine & Science in Sports & Exercise,1992,24(11):1190-1194

[50]Kohrt W,Ehsani A,Birge S J.Effects of exercise involving predominantly either joint-reaction or ground-reaction forces on bone mineral density in older women[J].Journal of Bone & Mineral Research,1997,12(8):1253-1261

[51]Vainionpaa A,Korpelainen R,Lepp?luoto J,et al.Effects of high-impact exercise on bone mineral density:A randomized controlled trial in premenopausal women[J].Osteoporosis International,2005,16(2):191-197

[52]Korpelainen R,Kein?nen-Kiukaanniemi S,Heikkinen J,et al.Effect of impact exercise on bone mineral density in elderly women with low BMD:A population-based randomized controlled 30-month intervention[J].Osteoporosis International,2006,17(1):109-118

[53]James M S,Carroll S.Meta-analysis of walking for preservation of bone mineral density in postmenopausal women[J].Bone,2008,43(3):521-531

[54]Vainionpaa A,Korpelainen R,Vihri?l? E,et al.Intensity of exercise is associated with bone density change in premenopausal women[J].Osteoporosis International,2006,17(3):455-463

[55]Nordstrom P,Pettersson U,Lorentzon R.Type of physical activity,muscle strength,and pubertal stage as determinants of bone mineral density and bone area in adolescent boys[J].Journal of Bone & Mineral Research,1998,13(7):1141-1148

Research Development of the Effects of Physical Activities on Bone Mineral Density

XU Fengpeng1, HU Min2, HUANG Junhao1, LIN Wentao2

Mechanical forces that act on bone are generated from impact with the ground (ground-reaction forces) and from skeletal muscle contractions (muscle forces or muscle-joint forces), but the relative importance of these two sources has not been elucidated yet. Both muscle-joint forces and gravitational forces seem to be able to induce bone adaptation independently. Bone is sensitive to a variety of mechanical parameters including, but certainly not limited to, strain magnitude, strain rate, strain gradient, strain frequency, duration, acceleration, or rest intervals. Under the same strain magnitude, power training is more effective than strength training, and high impact/odd impact activity is more effective than low impact activity in augmenting BMD. A few loading cycles seem sufficient for bone accretion; while a long duration seems to make bone less sensitive. And a rest period after each loading cycle can increase the osteogenic response. Endurance activities seem to be beneficial to a less degree at increasing BMD due to sustained, long duration exercises which may be related to lower Testosterone/Cortisone ratio or female Estrogen levels. Combined protocols integrating odd- or high-impact exercise with resistance exercise are more effective in increasing BMD than single type exercises. The effect of vibration of certain frequency on BMD needs to be studied in the future.

physical activities; muscle joint force; ground reaction force; stain magnitude; strain rate; bone mineral density(BMD)

2016-05-06；

2016-08-16

廣東省教育廳創(chuàng)新強(qiáng)校資助項目(2014KTSCX122)

徐鋒鵬(1970-),男，河南商丘人，廣東體育學(xué)院實驗師,博士;Tel.:13503013565,E-mail:muscleboy@139.com

胡敏(1969-),男，湖北黃梅人，廣州體育學(xué)院博士,珠江學(xué)者特聘教授,博士生導(dǎo)師;Tel.:13902208532,E-mail:whoomin@hotmail.com

G804

A

1000-5498(2017)01-0055-06

DOI 10.16099/j.sus.2017.01.010