青春期前期女子艺术体操运动员骨骼生长及代谢研究

张国清

骨骼的生长、代谢与激素调控、营养因素、运动因素、免疫功能以及遗传等因素相关，运动因素是其中一个重要因素［19］。运动不仅有利于促进骨矿物量和骨密度的增加，同时，还有利于改善骨骼的力学性能，降低骨骼疏松症的发 生概 率 和 程 度［18，12－14］。 因 此，运 动 疗 法 已 成 为 防 治 骨 骼疏松症最基本、最有效的方法之一［12］。青春期前期是骨骼代谢旺盛的一个时期，其涉及骨矿物质吸收以及骨的形成，在该时期同时加强持续性的运动将更有利于骨骼的生长与代谢。艺术体操作为一种非极性运动，有利于避免极性运动所带来的骨骼应力性损伤，同时，可加速青春前期的骨骼代谢。Bass等［6］研究表明，青春前期有艺术体操训练经历的运动员在1年内其骨骼密度与对照组相比显著提高30%～80%，在退役后，其骨密度仍有明显加强。该研究表明，青春期前期不仅是一个有利于骨骼密度增加的最佳时期，而且这种有利作用可持续到成年以后。女性最快速的骨量获得发生在青春早期至青春中期，其中，12～14岁是青春期女性BMD的快速增长期，青春晚期开始减速，此 后 便 无 统 计 学 意 义［5，10］。

本研究通过已处在青春期前期的女子艺术体操运动员为研究对象，通过双能X射线骨密度仪测定研究对象整体及局部骨密度，并结合测得的骨膜直径对股骨颈几何构造进行测算。同时，检测与骨骼吸收以及形成相关的生化指标。通过青春期前期的女子艺术体操运动员与普通对照者的结果对比来揭示这一特殊时期艺术体操训练在提高骨骼代谢、改善骨骼力学性能方面的优势，为指导青春期前期女性进行科学的艺术体操运动提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取12名湖南省体操学校参加竞技二级训练的女子艺术体操运动员，受试对象年龄为8～10岁，训练时间均为1年，同时随机选取12名同年龄段不参加艺术体操训练的小学女生作为对照（表1）。所有研究对象均身体健康，无月经初潮，无代谢性疾病，无肝肾病史，无畸形及骨折史。

表1 本研究对象基本情况一览表Table 1 Basic Information of Subjects

1.2 研究方法

1.2.1 骨密度测量

以美国GE公司生产的lunar prodigy型双能X线（dual energy x－ray absorptiometry，DXA）骨密度扫描仪对艺术体操运动员及对照小学生进行全身以及局部骨密度测定。测试部位包括全身、上肢、下肢、头部、股骨颈、腰椎、Ward三角、大转子、股骨近端骨、腰椎（L1－L4）。

1.2.2 股骨颈几何构造检测

在以DXA测定股骨颈骨密度的同时，结合股骨强度分析软件（hip structural analysis，HAS）能够自动测量股骨颈截面 面 积 （cross－sectional area，CSA）、皮 质 厚 度 （cortical thickness，CT）、皮 质 骨 内 层 直 径 （Endocortical diameter，ED）、剖面系数（section modulus，Z）以及抗曲化率（buckling ratio，BR）。

1.2.3 骨代谢相关生化指标的检测

抽血前一天避免吃油腻、高蛋白食物，并禁止饮酒。清晨空腹状态下静脉采血10mL，3 000转／min离心5 min，分离血清，然后将血清分装EP管密封，于－80℃低温冰箱储存待用。骨代谢标志物碱性磷酸酶和骨保护素测试采用美国Thermo公司S200型酶标仪，通过酶联免疫分析（ELISA）的方法进行测定。血清骨钙素 Metra Osteocalcin和骨交联采用电化学发光免疫法进行检测。所采用4种试剂盒均为美国Quidel公司生产的metra系列骨代谢检测试剂盒。

1.3 数理统计

数据输入SPSS 16.0统计软件，采用单因素方差分析（One way ANOVA）统计方法分析数据，所有数据以平均数±标准差（SD）表示，P＜0.05表示有显著性差异，P＜0.01表示有非常显著性差异。

2 结果

2.1 骨密度检测结果

表2显示：艺术体操运动员与对照小学生相比，无论是全身、上肢、下肢还是活动较多的关节部位，骨密度都有明显的增加（P＜0.05），而与运动关联程度不大的头部骨密度相差并不明显（P＝0.941）。其中，全身骨骼密度增加9.7%，上、下肢分别增加13.1%和10.5%，活动较多的主要关节部位骨密度增加更为明显，如股骨颈增加14.1%，股骨近端骨密度增加14.6%，其他关节部位的骨密度增加值也都在10%以上。

2.2 股骨颈几何构造参数检测结果

利用HAS软件在DXA扫描股骨颈图像上进行分析得到股骨颈几何构造力学参数（表3）。与对照小学生相比，艺术体操运动员的截面面积（P＜0.05）、皮质骨厚度（P＜0.05）、剖面系数（P＜0.01）都有显著增加，而抗曲化率存在一定程度上的下降（P＜0.05）。

2.3 骨代谢生化标志物检测结果

本文分别对骨形成的标记物碱性磷酸酶和血清骨钙素、以及骨吸收标记物骨交联（又称I型胶原C端肽）进行测定，结果见表4。艺术体操运动员的碱性磷酸酶浓度与对照组相比有显著上升（P＜0.05），增加幅度高达32.7%，血清骨钙素与骨交联与对照组相比也有约20%的增加量。

表2 本研究对象各部位骨密度检测结果一览表Table 2 Areal Bone Mineral Density at Various Bone Sites of Subjects

表3 本研究对象股骨颈几何构造部分参数检测结果一览表Table 3 Bone Geometry Parameters of Femoral Neck of Subjects

表4 本研究对象骨代谢生化标志物检测结果一览表Table 4 Biochemical Markers of Bone Metabolism of Subjects

3 讨论

3.1 艺术体操对骨密度（BMD）的影响

骨密度是目前最常用的评价骨骼强度以及抗骨折能力的指标，目前，主要是以双能X射线骨密度测量仪进行测量分析。研究发现，适度的持续运动对骨骼密度的提高作用显著，但长期大强度的运动会造成骨密度的降低［2］。艺术体操是一种中强度的有氧运动，以腰为主轴和枢纽，同时，侧重膝关节、肘关节等连接性关节部位的运动，能较好地牵拉关节韧带和肌肉。通过对坚持1年训练的处于青春期前期的艺术体操女运动员的骨密度测量发现，其全身以及上、下肢骨密度均有显著提高，活动较多的关节部位增加更为明显。头部在艺术体操中并无太多关联性的动作，因此，在本研究中，其骨密度与对照组相比无显著差异。结合艺术体操的特点和测试结果，不难判断，艺术体操在运动过程中，通过肌肉牵拉产生的拉伸力、挤压力和剪切应力作用于骨组织，刺激了机体的成骨效应，使成骨作用占据优势地位，进而体现出促进骨密度显著增加的影响。

3.2 艺术体操对骨几何构造的影响

在利用BMD衡量骨骼强度以及抗骨折能力的基础上，结合骨骼的几何结构特征（如大小、形状以及三维结构）进行综合分析已成为临床和基础研究中更为科学、准确的研究方法。研究中，一般以股骨颈这个易于骨折部位作为研究的重点，股骨颈的几何学参数主要包括股骨颈截面面积、皮质厚度、皮质骨内层直径、剖面系数以及抗曲化率等。皮质厚度越大，表明骨骼强度越大，数值低于正常范围情况下存在易骨折的风险［17］；截面面积表示的是矿化骨组织的面积，它的数值越大，表明骨骼的机械强度越大；剖面系数是力学上衡量管状物的抗弯曲的指标，剖面系数值越大，强度越高；抗曲化率表示的是力学上衡量管状物皱折强度，是骨骼几何结构不稳定性的体现，也就是说，它的值越大，表明骨骼的机械强度与稳定性就越低，骨骼在外力作用下就越易折断［7］。在预测骨折方面，剖面系数和抗曲化率有独立于骨密度的作用，甚至等同于骨密度的预测效果［8］。骨骼几何参数的测定一般都是选择特定的区域部位，该部位一般为运动的关键性关联部位，如股骨颈这个易于骨折的部位。本实验通过对股骨颈的骨几何构造参数进行测定，结果显示，与骨骼强度正相关的皮质厚度和截面面积都有显著增加，特别是股骨颈截面面积增加尤为显著，与对照组相比增加25%，说明艺术体操运动有利于促进骨骼矿化形成。

骨几何构造参数的得来主要是基于对HAS软件的应用。HSA是一种基于DXA技术发展起来的骨几何参数分析软件，它的原理主要是基于经验公式和长期测试积累的数据库作为分析的依据。但在实际应用中，其经验公式中的经验系数以及数据库中的数据主要是以欧美成年人为主［7，8，20］，因此，对于我国青春期前期的女运动员的数据分析还存在一定缺陷，有待该软件的进一步完善。目前，已有相关研究对HAS在特定人群以及特定年龄阶段进行应用分析［11，4］，也希望我国尽早开展相关研究，从而建立中国自己的种群和年龄分析数据库。

3.3 艺术体操对骨代谢生化标志物的影响

骨组织在青春期特别是青春期前期属于新陈代谢特别活跃的组织，这种代谢主要体现在全身不同组织和器官，特别是与关节相连部位，时刻进行骨的吸收和形成，在这一过程中，所产生的一些代谢物被称为骨代谢生化标志物，主要存在于血液、尿液、汗液以及唾液中。基于安全性、灵敏度、准确性以及便捷性等多方面的考虑，目前，在检测过程中主要以血液检测和尿液检测作为常规分析体内骨吸收和形成状况的方法。骨代谢的生化标志物中，骨矿物质的吸收指标主要包括I型胶原C端肽（CTX）、促甲状旁腺激素（PTH）、尿吡啶啉（PYD）、脱氧吡啶啉（DOPYD）等，形成指标主要包括I型前胶原氨基端前肽（PINP）、碱性磷酸酶（ALP）、骨钙素（BGP）等［1］。

正常人血清中的骨特异性碱性磷酸酶主要由骨骼的成骨细胞产生，对骨基质的形成和矿化具有重要作用，是成骨细胞成熟和具有活性的标志。训练1年的艺术体操女运动员与对照组相比其酶活力增加30%以上，由此可推断，艺术体操有利于骨的矿化，进而提高骨密度以及骨架的形成。

BGP作为成熟成骨细胞分泌的一种特异性非胶原骨基质蛋白，不受骨吸收因素的影响，是成骨细胞的特异性标志。通过血清BGP可以了解成骨细胞，特别是新形成的成骨细胞的活动状态。BGP值随年龄的变化以及骨更新率的变化而不同，骨更新率越快，BGP值越高，反之降低［15］。骨在生长过程中BGP水平高，如青春期BGP水平是成人期的5倍，以后缓慢下降，30～35岁稳定在同一水平上。本研究中，艺术体操运动员与对照组相比有20%以上的提高，可见，艺术体操有利于提高骨的更新速率，促进新骨骼的形成。

I型胶原C端肽存在于成熟的骨胶原中，当破骨细胞活性增强时，骨胶原溶解释放I型胶原蛋白，再分解为CTX，它们均为细胞外胶原纤维降解产物，均可在血清和尿液中检测到。因此，CTX含量的高低也是评价破骨细胞活性和骨吸收最有价值的方法之一［9，16］。本研究中，艺术体操女运动员与对照组相比CTX含量增加17.2%，说明艺术体操锻炼有利于破骨细胞活性的增加，有利于对骨矿物质的吸收，为骨骼的形成奠定基础。

4 结论

1.青春期前期的艺术体操女运动员在锻炼1年后其全身骨密度普遍升高，特别是与关节活动相关联的部位增加更为明显。

2.青春期前期的艺术体操女运动员锻炼1年有利于其骨架的形成，同时，增加骨骼的强度和抗骨折能力。

3.青春期前期的艺术体操女运动员锻炼1年有利于骨吸收能力的提高，同时，有利于其骨骼形成能力的提高。

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