運動訓練促進骨健康的研究進展

鞏緒偉 魏建璽 馮巖

摘要：機械負荷導致適應性骨形成。這種現(xiàn)象涉及到骨靶向重塑和適應性骨形成。骨重建對于修復機械負荷過程中產(chǎn)生的疲勞損傷是必要的，而適應性骨形成是提高骨剛度和強度的有效機制。因此可通過調(diào)節(jié)機械負荷的變化，以最大程度上促進適應性骨形成。不習慣、動態(tài)、高沖擊、多向、間歇性的運動，包括延長休息時間以恢復骨骼機械敏感性，是最容易促進適應性骨形成。適應性骨形成可能有助于幫助運動人群防止應力性骨折。另外，充足的睡眠、補充維生素D、鈣、高能量供應，可以最優(yōu)化適應性骨形成。

關鍵詞：機械負荷；骨靶向重塑；適應性骨形成 ；應力性骨折

Research Progress for Promoting Bone Health through Exercise Training

Abstract： Mechanical load leads to adaptive bone formation. This phenomenon involves targeted bone remodeling and adaptive bone modeling. Bone remodeling is necessary for repairing fatigue damage caused by mechanical loading， and adaptive bone modeling is an effective mechanism for improving bone stiffness and strength. Thus maximizing adaptive bone formation by modulating changes in mechanical loading. Unused， dynamic， high impact， multi-directional， and intermittent movements， including extending rest time to restore bone mechanical sensitivity， are the easiest to promote adaptive bone formation. Adaptive bone formation may help prevent stress fractures in active populations. In addition， sufficient sleep， supplementation with vitamin D， calcium， and high energy supply can optimize adaptive bone formation.

KeyWords： Mechanical load; Targeted bone remodeling; Adaptive bone modeling；Stress fractures

運動人群通常需要進行高強度日常訓練，提高身心適應能力，以應對多樣性的運動任務所需。但應力性骨折在持續(xù)和/或過度訓練的運動訓練中尤為常見，發(fā)病率高[1]。因此，促進運動誘導骨適應的形成是預防應力性骨折的重要途徑。

骨骼可通過改變形狀、大小、微結構和密度來適應機械載荷。在自適應骨重構的過程中，骨骼會在現(xiàn)有骨骼表面具有最高機械應力的位置上形成新骨，適應性骨形成增加了骨強度和抗疲勞性[2]。但是同樣的負荷，或“成骨”運動，也可能因為有針對性的重塑，導致骨骼的微損傷和應力性骨折的發(fā)展，尤其是那些骨骼較窄、皮質(zhì)層較薄的個體[3]。運動訓練是一個長期的過程，因此，需要設計預防方案，以促進骨骼健康。

1骨適應生理原則

骨是一種高度神經(jīng)支配和血管化的組織，具有監(jiān)測并對機械環(huán)境變化產(chǎn)生適當適應性反應所需的細胞機制。影響骨骼應力性骨折的病理過程中，兩個不同的適應性過程分別是靶向重塑和適應性骨形成[2]。

重塑是通過破骨細胞骨吸收與成骨細胞骨形成的結合來去除和修復疲勞損傷，導致骨暫時變?nèi)?，而適應性骨形成是通過成骨細胞的獨立作用沉積新骨，骨的強度和剛度增加。重塑和適應性骨形成都是由應力激活的，因此可能導致應力性骨折的相同機械載荷，也可能防止骨應力性斷裂[1]。促進適應性骨形成和限制疲勞損傷以防止應力骨折是一個最佳但具有挑戰(zhàn)性的平衡。實際上，這涉及到最小化重復加載的持續(xù)時間，同時最大限度地提高成骨活動，實現(xiàn)這種平衡將有助于提供最佳訓練和減輕損傷的策略[1]。

1.1機械負載悖論

1.1.1重塑在應力性骨折病理生理學中的作用

骨骼會因運動產(chǎn)生的機械負荷而變形。骨骼變形的測量，定義為長度的變化除以其原始長度，稱為“應變”。骨應變可導致微觀疲勞損傷或微損傷的產(chǎn)生，其形式為線性微裂紋或彌漫性、髓下組織損傷[4]。這種組織損傷的累積會降低骨骼的硬度、強度和韌性，并最終導致骨骼衰竭[4]。

但骨骼中的組織損傷是通過骨骼重塑來去除的[4]。具體而言，骨細胞是骨骼中對機械敏感的常駐細胞[5]，其樹突過程檢測破壞骨細胞合胞體的損傷，并通過一個稱為靶向重塑的過程將其替換為健康組織[6]。損傷位點的骨細胞凋亡發(fā)生在疲勞負荷和微損傷誘導的24小時內(nèi)[7]。在靶向重塑過程中，破骨細胞在10-14天內(nèi)吸收受損的骨，在10天內(nèi)去除40%的微損傷數(shù)密度[8]。這種骨在靶向重塑中的吸收會瞬間增加皮質(zhì)內(nèi)的孔隙率。隨著時間的推移，重塑部位的成骨細胞活性增強促進新骨的沉積，以取代疲勞損傷的組織[9]。然而，新沉積基質(zhì)的礦化是逐漸發(fā)生的，持續(xù)數(shù)周至數(shù)月[10]。因此，孔隙率的最初增加可能導致應力集中、骨硬度和強度降低[11]，需要數(shù)月至一年的時間才能恢復機械能力[12]。

因此，運動的骨骼重塑反應令人困惑，因為機體通過修復微損傷來防止應力性骨折是必須的，但這也導致骨骼多孔和處于機械劣勢，容易發(fā)生應力性斷裂，盡管持續(xù)時間是暫時的，但至少在修復前期是這樣的。由于重塑在用健康骨骼取代疲勞損傷骨組織方面發(fā)揮著重要作用，因此預防應力性骨折的解決方案不僅可以防止疲勞損傷的產(chǎn)生和累積，還可以促進骨骼對運動的其他機械適應反應—適應性骨形成[13]。

1.1.2 適應性骨形成在應力性骨折病理生理學中的作用

誘導微損傷的相同壓力可以同時促進適應性骨形成。骨細胞感應到的機械負荷并啟動了這種保護性反應。骨細胞將機械刺激轉(zhuǎn)化為生物化學信號，從而改變基因和蛋白質(zhì)的表達以響應負荷[5]。

新骨形成可以發(fā)生在骨的所有表面，包括骨小梁、皮質(zhì)內(nèi)和骨膜表面。在骨小梁中，機械加載已被證明會增加現(xiàn)有小梁元件的厚度[14]。在骨膜表面的長骨骨干處皮質(zhì)厚度的增加提供了最大的機械優(yōu)勢[15]，會形成更寬的骨骼并減少隨后的應變，以促進骨骼更能抵抗疲勞，因此不太可能發(fā)生應力性骨折[16]。在適應性骨形成中，由于骨形成之前沒有進行骨吸收，因此，可以在相對較短的時間內(nèi)發(fā)生積極的適應性骨反應。例如，經(jīng)過新的體能訓練后，可以在短短8周內(nèi)觀察到明顯的骨形成[17]。

總之，重塑可以作為一種修復反應來刺激，盡管它可能需要幾個月到一整年的時間才能完成，但對于替換重復機械載荷產(chǎn)生的疲勞損傷是必要的。雖然重塑會在短期內(nèi)導致吸收，但疲勞損傷修復刺激的重塑的最終結果往往是健康年輕人的整體骨量不發(fā)生變化[13]。

通過防止疲勞損傷的積累，這一過程可能對保持骨骼的長期健康至關重要。另一方面，適應性骨反應是骨骼對運動的主要機械適應反應，賦予了大量的機械方面的益處，一旦骨骼的適應完全完成，那么在未來的運動過程中，理想的情況是首先防止疲勞損傷的產(chǎn)生。應力性骨折預防策略應同時利用這兩種生理途徑[13]。

1.2 是否存在最佳化的運動方式？

骨架抗負荷的能力由其質(zhì)量、結構和材料性能決定。骨骼適應機械載荷對提高其強度具有很大的潛力[18]。骨骼中的機械敏感裝置對高速率引入的高強度載荷反應最好。包含沖擊性的抗體重運動，特別是那些涉及一定程度的間歇性、暴發(fā)性跳躍和/或快速改變方向的短跑的活動，具有最大的成骨潛力[19]。

與參加非接觸型運動（如游泳和自行車）的運動員相比，參加高沖擊性多向運動（如籃球、足球、體操或排球）的運動員下肢的骨密度和/或骨礦物質(zhì)含量更高[20]。長跑本身不是一項很好的健骨活動。所有的跑步損傷都屬于訓練負荷損傷，證據(jù)表明，訓練負荷的快速增加會增加跑步損傷的風險[19]。從歷史上看，“10%規(guī)則”一直被用來指導每周訓練量的增加。個體損傷風險可能與訓練負荷快速變化，以及個體生物力學、心理學、生理學、肌肉骨骼質(zhì)量和能量利用率之間的復雜相互作用有關。在成熟的骨架中，應對訓練負荷進行跟蹤以避免出現(xiàn)急性峰值。訓練計劃應包括休息時間，至少每周1天，每3個月1周。當有下肢出現(xiàn)疼痛等癥狀時，應考慮降低骨負荷的幅度，例如增加節(jié)奏[19]。

多向和不規(guī)則運動可能會產(chǎn)生脛骨的多軸負荷，并改善生物力學特性，從而降低運動人群應力性骨折的風險。因此，參加不習慣的、多向的、高沖擊性的運動（高應變幅度和高應變率）對于促進積極的適應性骨骼反應是最佳的，并且可以防止運動訓練中的應力性骨折發(fā)展[1]。

1.3收益遞減原則

長時間的負荷和不充分的恢復可能會使骨細胞的機械感覺能力飽和，并對隨后的負荷反應遲鈍。但如果機械刺激有間隔休息時間，骨骼確實會恢復機械敏感性，在休息8小時后達到完全的機械敏感性[21]。因此，參與短時間負荷和長時間休息的運動對于促進積極的適應性骨骼反應是最佳的。原則上，這種負荷模式將最大限度地提高適應性骨形成反應，同時限制由長時間連續(xù)負荷引起的疲勞損傷累積[1]。但需要進一步的縱向?qū)嶒灁?shù)據(jù)來評定骨骼對不同運動持續(xù)時間的適應情況。

1.4 骨適應需要時間

適應性骨形成反應的第一階段涉及有機膠原基質(zhì)或類骨的成骨細胞沉積。這種類骨通過相對快速地（在最初的18天內(nèi)）結合羥基磷灰石晶體進行礦化，這一過程被稱為初級礦化[22]。初級礦化導致近70%的最終礦化，而次級礦化發(fā)生得慢得多，直到原始類骨沉積后近1年才完全實現(xiàn)。完全礦化的時間過程表明，骨形成的全部機械效益至少需要一年的時間才能形成[22]。因此，在訓練干預后很長一段時間內(nèi)，才能完全實現(xiàn)對體能訓練的骨強度改善，如果目標是降低應力性骨折風險，對此類干預的時機選擇具有重要意義。

2預防應力性骨折策略

考慮到完成重塑和適應性骨形成所需的大量時間，應在應力性骨折的高風險期之前盡早啟動運動調(diào)節(jié)方案，以使這兩個適應過程得以盡早結束[19]。例如，一旦進行運動，只有在足夠早的時候開始身體調(diào)節(jié)，以形成合成代謝性骨，并完成有針對性的重塑，身體調(diào)節(jié)才能防止應力性骨折。運動處方抵消應力性骨折風險的其他策略，包括通過限制具有促進疲勞損傷累積特征的運動來最大限度地減少重塑，并強調(diào)更多進行具有促進適應性骨形成特征的運動[19]。

2.1促進疲勞損傷累積的運動特點

避免疲勞損傷是防止有針對性重塑的正反饋回路的直接方法。如前所述，機械加載過程中產(chǎn)生的生理應變會導致疲勞損傷。除了應變的大小，達到峰值應變的速率或應變率也會影響微損傷的產(chǎn)生。在體力活動過程中，應變幅度和速率是內(nèi)在聯(lián)系的[23]。例如，與步行相比，跑步時的脛骨峰值應變幅度和速率較高[24]。反過來，更高的應變特性，特別是應變率，會導致更大的微損傷積累和骨剛度損失[25]。從實踐的角度來看，這些觀察結果表明，與低強度和低動態(tài)的運動相比，高強度的動態(tài)運動，如Z字形、上下坡跑，可能會導致更多的微觀損傷累積[24]。一個重要的運動特征可能是預防應力性骨折的關鍵目標，即負荷的累積周期和運動總持續(xù)時間。

低應變幅度，如在習慣性體育活動中發(fā)生的應變幅度，也會導致疲勞損傷的明顯累積和骨硬度的損失[25]。這表明，長時間的低強度運動可能會對疲勞損傷的累積產(chǎn)生機械影響。限制運動的持續(xù)時間可能有利于減輕疲勞損傷，部分原因是長時間運動的肌肉疲勞會增加運動過程中的應變幅度和速率。在一項研究中，2公里跑步后，骨應變幅度增加了26%，40公里行軍期間增加了29%，而跑步后和行軍后的應變率分別增加了13%和17%[26]。這些較高的應變幅度加上長時間的運動可能會導致疲勞損傷的進一步累積。

不應進行長時間的運動，以減少微損傷累積，傳統(tǒng)上進行大量運動，應力性骨折發(fā)生率高達30%，據(jù)估計，到運動訓練的第4周，即應力性斷裂發(fā)生率最高。當保持充足的睡眠，并降低訓練期間累計行進距離時，應力性骨折的發(fā)生率降低了60%[27]。

限制長時間重復負荷以降低應力性骨折風險的潛在好處，必須與耐力訓練對心肺健康好處相平衡。這個問題的一個潛在解決方案可能是在第一年中緩慢地提高運動人群的耐力，而不是在最初的運動訓練中更快地提高[13]。或者，如果在最初的運動訓練之前足夠早地引入有氧條件訓練，以完成骨骼適應，那么在運動訓練期間骨骼可能能夠承受長時間的訓練，而不易受到應力性骨折的影響[13]。

2.2最大限度地促進自適應骨骼形成運動特點

促進微觀損傷的一些相同的運動應變特征對于促進骨形成也很重要。具體而言，高應變幅度和高應變率被認為是成骨或成骨運動的常見特征[13]。例如，動物研究表明，應變大小和骨形成呈正線性關系[28]。其他研究表明，骨骼僅對動態(tài)載荷作出反應，而吸收是靜態(tài)載荷的結果，這表明應變速率是誘導適應性骨形成的重要特征[29]。因此，降低應變幅度和應變率可能不是預防應力性骨折的理想策略，因為這兩個特征對于促進運動增強骨強度都很重要。

如前所述，高應變幅度和高應變率既會導致疲勞損傷，又會導致適應性骨形成，這一難題可以通過專注于限制運動持續(xù)時間來解決，特別是在最初運動訓練的早期階段或競技賽季開始時。這種策略可能不會干擾運動的成骨潛力。這是因為成骨窗口很短，僅在幾個加載周期后，骨骼的機械敏感性就明顯降低[13]。例如，一項動物研究表明，8周內(nèi)每天10次跳躍幾乎與每天20次和40次跳躍一樣成骨，這表明運動開始后，成骨潛力迅速下降[30]。然而，骨骼對運動的敏感性似乎在有限的恢復時間內(nèi)就得以恢復，研究表明，短時間的運動和頻繁休息的運動可能是預防應力性骨折的重要策略。除了限制重復運動的持續(xù)時間外，參與涉及多向運動和多次加速和減速的運動，如籃球、足球和排球等球類運動，更有利于適應性骨形成[13]。

3理想的條件

應力性骨折在運動生涯早期最為常見，服役第一年發(fā)生應力性斷裂的風險是運動后任何一年的18倍[10]。運動的獨特之處在于人員不斷暴露于身體和代謝壓力源中。這些壓力源可能對骨骼健康不利，并在負載過程中可能阻止適應性骨骼形成[31-34]。

3.1睡眠

睡眠不足在運動訓練中很常見。改善睡眠衛(wèi)生可能是一種實用的緩解技術，可以促進適應性骨骼形成，降低整個運動期間肌肉骨骼損傷的風險[35，36]。在一項針對7000多名特種作戰(zhàn)士兵的調(diào)查中，與每晚睡眠至少8小時的士兵相比，每晚睡眠4小時或更少的士兵發(fā)生肌肉骨骼損傷的可能性平均高出一倍多[37]。

3.2維生素D和鈣

維生素D和鈣是維持骨骼健康所必需的微量營養(yǎng)素。運動會導致鈣穩(wěn)態(tài)的急性紊亂，血清鈣減少；甲狀旁腺激素增加和骨吸收增加，這可能會導致骨丟失。而補充鈣可以減輕其中一些紊亂[38]。在最初的運動訓練中，鈣攝入不足可能解釋了軸骨骨骼的損失的原因，但需要進一步研究。

因此，通過補充維生素D和鈣來促進適應性骨反應可能會降低應力性骨折的風險，盡管這一點仍有待證實[39]。然而，研究表明，補充鈣和維生素D有可能促進骨骼對運動訓練的適應性反應[13]。

3.3能量可利用性

能量供應不足（能量攝入減去運動能量支出）是骨骼健康受損的一個新的風險因素，而能量狀況影響了骨骼對運動訓練的代謝反應[40，41]。高水平運動訓練會導致能量不足（8周內(nèi)約500-1000 kcal·d?1），骨形成循環(huán)標志物減少和/或骨吸收標志物增加，以及軸向骨骼的骨丟失。這些數(shù)據(jù)與最初的運動訓練形成了對比，在最初的運動訓練中，能量充足，骨骼形成的生化標志物增加或保持，并且在軸向骨骼中形成新的骨骼[42]。

3.4性類固醇激素

性類固醇激素在骨代謝中起著核心作用。男性體內(nèi)的雄激素和女性體內(nèi)的雌激素在青春期調(diào)節(jié)骨骼發(fā)育的大小和形狀；雄激素促進骨膜擴張，雌激素刺激皮質(zhì)內(nèi)收縮。這種骨骼生長的兩性異形導致女性骨骼變窄，皮質(zhì)變薄[43]。

性腺功能減退與男性和女性的顯著骨丟失有關，與能量狀況無關[44]。下調(diào)下丘腦-垂體-性腺軸的環(huán)境，身體和心理壓力源會抑制適應性骨形成[45]。據(jù)報道，在艱苦的運動訓練，男性的睪酮水平經(jīng)常下降；最近女性研究證據(jù)表明，在長期的運動訓練中，會出現(xiàn)下丘腦-垂體-性腺軸功能受損和月經(jīng)紊亂[46]。運動人群性類固醇激素的這些短暫和/或偶發(fā)變化對適應性骨形成的影響需要進一步研究。

4小結

骨對機械負荷的生理反應中存在悖論，包括促進骨吸收反應和形成反應。這種現(xiàn)象可以用骨靶向重塑和適應性骨形成的雙重過程來解釋。重塑對于修復機械加載負荷過程中產(chǎn)生的疲勞損傷是必要的，而適應性骨形成是提高骨剛度和強度的有效機制。骨重塑可能分別通過暫時增加孔隙率和修復組織損傷，在促進和預防應力性骨折中發(fā)揮作用。應盡量減少疲勞損傷的產(chǎn)生和累積，以防止重塑的需要。這可以通過盡可能避免訓練量的快速增加，限制訓練的持續(xù)時間來實現(xiàn)，特別是在應力性骨折風險增加的時候，基于疼痛的處理或許有所幫助[47]。

骨骼是一種對機械刺激敏感的組織，能適應不習慣的負荷。適應性骨形成可以通過一系列訓練和營養(yǎng)策略進行優(yōu)化，以幫助打造有彈性的骨骼，并可能在整個運動生涯中防止應力性骨折。

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