体育锻炼在促进骨骼发育及骨质疏松防治中的效用分析

黄海 张瑶 胡泽兵

1.西安科技大学体育部，陕西 西安 710032 2.第四军医大学第一附属医院，陕西 西安 710032 3.第四军医大学航空航天医学院，航空航天医学教育部重点实验室，陕西 西安 710032

骨质疏松症日益成为危害公众健康和生活质量的社会难题，虽然老年和绝经后雌激素缺乏是导致骨质疏松的主要危险因素，但骨骼在生长发育过程中的峰值骨量和骨骼强度对于骨质疏松的发生发展影响很大[1]。骨骼骨量除受遗传、年龄与性别影响外，还受到机械力学负荷的调节，骨骼强度更是取决于骨生长的力学适应性；人体需要保证基本的力学负荷来维持骨量和骨强度，废用或者不负重就会导致骨量下降，因此，理解力学负荷在骨骼生长发育中作用对于骨质疏松防治具有重要意义。本文就生活中最常见的体育锻炼在骨骼发育以及骨质疏松预防中的作用做简要概述。

1 骨骼发育的生物力学基础

骨骼是具有功能适应性的组织结构，其生长发育和结构重建都离不开日常生活中各种力学环境的影响。一个多世纪前，人类已经对骨骼结构和力学刺激的关系有了定性认识。Wolff根据骨小梁形态和应力迹线相匹配的关系，提出骨有适应外部载荷而生长的能力[2]，当力学环境改变时，骨的组织结构形态就会发生变化，仍以最优结构形态去适应新的力学环境。为了解释力学载荷在骨骼功能适应性变化中的调控规律，美国学者Frost总结了有关于骨功能适应性的生物学过程，提出：骨功能适应的控制过程是生物学的，但力学环境起支配作用，通过力学反馈和调定点控制局部骨质量，达到应变与骨质量的平衡[3]。日常生活中的行走、站立和体育锻炼产生的肌肉收缩和骨骼负重会使得骨组织产生形变和微裂纹，这种骨组织的应变(单位长度上的变形)以及骨裂纹的大小、形状和方向等包含的力学刺激信息将转化为生物信号而影响骨形成和骨吸收之间的功能平衡[4]，成为这一力学调控系统中的主要控制因素。

骨骼发育、骨量维持乃至骨折等生理病理过程都存在应变阈值，不同程度的骨应变可以激活不同的骨适应性过程[5]。长期卧床病人、老年人或失重环境下的航天员，会因运动、肌力或重力等力学刺激的减弱，使得骨应变处于骨量维持所需要的应变阈值以下，骨骼系统就会认为现有骨量超出承受外力作用的需要，而通过神经系统和生化信号促使骨吸收强于骨形成，直至骨量减少到需要的程度为止[6-8]。相反，适量的体育锻炼往往会使得骨应变处于骨骼生长的力生物学响应范围，从而促进骨骼强度的增加或者促进骨骼的生长发育。运动员就是很好的例子，在所有运动员中，举重和长跑运动员的骨量相对较高，而骑行和游泳运动员的骨量则相对较低[9,10]。

2 体育锻炼对骨骼发育的力生物效应

体育锻炼的形式和分类很多，但什么样的运动更有益于骨骼功能作用，目前尚没有统一的认识和标准。运动强度和载荷频率是运动中密不可分的两个物理参数，不考虑年龄和性别因素，采用不同运动强度和载荷频率的体育锻炼方案会产生不同的骨骼力生物学效应。

一项持续3年的跑步研究显示[11]，每周跑30-50 km(衡量运动强度)明显比每周跑5-30 km对提高胫骨近端骨密度的作用大；同时，提高跑步的加速度(衡量脚步落地产生冲击负荷的频率)对骨密度的增加有显著促进作用。从这项研究可以看出，适度增加运动强度和载荷频率都是对骨骼功能作用有好处的。

骨骼骨量的增加和维持需要保持适度的运动强度，仅仅依靠有氧锻炼和肌肉耐力锻炼是不够的[12]。运动强度是产生骨应变的主要因素之一，即使轻微活动引起的骨应变也可以观察到骨形成标志物的增加[13]，但能引起骨量增加的有效应变范围大约在1000-3000 με之间[14]。通过对不同动物在慢走或者疾跑中的骨应变测量显示，骨骼的峰值应变都在2000-3000 με左右，具有非依赖于物种的动态应变相似性[15]。由此可以看出，日常生活中的跑步和跳跃等程度的体育锻炼强度是可以满足刺激骨量增加需求的。有研究显示，在安全范围内增加运动强度比增加载荷频率更有益于骨形成和骨量的增加[16]，但这并不能否认载荷频率的重要性。研究发现，骨骼对于频率为15～30 Hz的应变具有很高的敏感性，在此频率范围内的很小应变也能产生较大的成骨效应。皮质骨在2000 με、0.5 Hz的动态负荷加载下可以保持骨量平衡，而当加载频率提高到1 Hz时，仅需要1000 με微应变即可保持骨量平衡，而当频率进一步提高到30 Hz时，仅需要70 με即可维持这种效果[17]。这种低强度高频振动刺激多见于临床上治疗因肌力下降和肌骨系统疾病而产生的骨质疏松患者[18,19]。

事实上，常规的体育锻炼产生的动态负荷多是高强度低频率(>1 g，1-2 HZ)的周期性负荷，此时考虑运动的持续时间更具有现实意义。早期的研究显示，每天36个运动循环就可以促进骨骼产生最大的结构适应性[20]，长时间持续运动反而会降低骨骼对力学刺激的响应能力[21]，如果给定某一运动的循环次数，在几天内完成远比在一天内完成更能促进骨形成[22]。最新一项回顾性研究显示，即使可以通过提高运动强度来部分补偿低运动频率的不足，但仍然建议每周保持不少于2次的运动量来维持和提升骨量[23]。 了解运动强度和载荷频率在骨骼发育中的作用，对于指导特殊人群，如老年人、卧床病人等的骨质丢失预防和治疗具有重要意义。

3 不同年龄阶段的骨骼生理对体育锻炼的响应

随着体重与肌力的不断增加，骨质性能和结构的不断适用性改造，以及神经体液和激素的调节作用，骨骼的力学适应性呈现出不同的阶段特点。青春期被认为是骨骼响应力学环境的最佳时期，也是体育锻炼促进骨骼生长发育、提高峰值骨量的关键时期[24]。研究显示，在青春期前后进行体育锻炼远比在成年后进行体育锻炼更有利于骨量的积累[25]。人体骨骼的骨量一般在30岁前后达到峰值，在此后骨骼的生长发育变慢，小梁骨开始出现骨质丢失，在这个时期进行适度的体育锻炼仍不失为维持骨量，延缓骨质丢失的有效措施。而在中老年时期，骨骼骨量会以每年0.5%甚至更多的速率丢失，此时进行体育锻炼更多的通过提高骨骼强度和肌骨系统稳定性而延缓骨质丢失进程以及预防骨质疏松带来的骨折风险[26]。

现有观点认为，年龄的增长以及雌激素水平的下降会提高骨骼力学适应性的响应阈值。幼年、成年和老年小鼠在高强度骨应变下都发生了骨重建，但在低强度应变下，成年和老年小鼠没有检测到骨骼代谢变化，仅有幼年小鼠出现了响应[27]；绝经前妇女采用3 g 的跳高运动强度(落地时承重约为体重的3倍)可以提高2.8%的股骨骨密度，但强度达4 g的跳高运动却对绝经后妇女的股骨骨密度没有显著影响[28]。这意味着不同年龄阶段的人群在体育锻炼方式和强度上应当有所区别，年龄越大越需要更为有效的力学刺激才能达到骨骼力学响应的需求。美国运动医学学院根据这一特点制订了不同年龄阶段的运动方案来维护骨骼健康[12]，他们认为，在儿童和青少年时期，可采取冲击性锻炼(如体操、肌肉拉伸训练、跑步和跳跃等方式)，强度在最大负荷重量(1RM)的60%以下，每周至少3天，每天10-20 min的运动方案促进骨骼的生长和发育；而对于成年人，则采取承重耐力训练(如网球、攀爬、慢跑等方式)，每周3-5次耐力训练和2-3次力量训练，每天30-60 min的运动方案维持骨量和减缓骨质丢失。中老年人在体育锻炼上标准主要以安全为主，运动强度一般选择中等强度为宜，运动时应达到最大摄氧量的60%～70%或最大心率的70%～85%；目前，以心率确定运动强度是广泛用于运动实践的简单而科学的方法，运动的最佳心率范围=(220-年龄)×(70%～85%)。

4 体育锻炼在防治骨质疏松中的效用

临床上服用促骨形成药物或者抑骨吸收药物可以增加和维持骨骼骨量而达到防治骨质疏松的目的，但是骨质疏松防治药物无法提供骨骼适应力学环境生长所需要的驱动机制，现有观点认为仅仅靠药物在短时间内提高骨密度的治疗手段对骨骼强度和抗骨折能力具有一定的副作用，例如长期采用双膦酸盐类抑骨吸收药物可以显著提高骨密度，但同时也引起骨骼微裂纹增多，骨骼微结构的完整性和连续性得到破坏，骨骼力学性能下降[29]。体育锻炼既可以增加骨量又可以改善骨骼力学性能，很多研究已经将体育锻炼纳入到骨质疏松的防治体系中并取得了良好效果。

体育锻炼可以很好的减轻因力学刺激减弱或消失而引起的骨质丢失，比如，长期卧床患者或者航天失重环境中航天员发生的废用性骨质丢失。在一项17 周的卧床实验中，锻炼组受试者的骨盆、跟骨等骨密度显著高于无锻炼组受试者，ALP和OCN等骨形成特异性标志物也显著增加[30]。NASA于2008年开发出的新一代高级抗阻力锻炼装置(ARED)，其最大锻炼阻力达到2 675 N[31]，配合营养措施，每天2.5小时ARED锻炼可以显著减缓失重性骨质丢失，航天员飞行前后骨密度改变没有显著差异[32]。但是对于老年性和绝经后骨质疏松患者来说，因受限于安全性而使得锻炼强度达不到刺激骨量增长的程度，体育锻炼更多的益处在于提高骨质疏松患者肌骨系统协调性、改善骨骼性能和防止跌倒出现骨折等方面[33,34]。研究显示，即使采用双能X线吸收法检测不到骨密度的增长，体育锻炼者的骨骼力量仍得到极大提高[22]，这一方面有可能是骨骼胶原纤维的编织结构得到改善而增强骨骼性能[35]，也有可能是骨应变引起的骨形成发生在骨膜而导致骨骼弯曲受力增强[36]。体育锻炼对骨骼性能的改善是单纯服用药物无法达到的，而服用药物促进骨形成或者抑制骨吸收的高效和有效性也是体育锻炼无法比拟的，医学工作者已经考虑两者结合来防治骨质疏松。一项研究将60岁左右的骨质疏松患者分成两组，对照组服用雷洛昔芬抗骨质疏松治疗，观察组在服药的同时每天有氧锻炼30 min；6个月后，与对照组相比，观察组腰椎(L2-L4)和股骨近端的骨密度、血清钙离子水平均得到显著提高，而骨吸收指标Pyd/Cr(尿胶原吡啶交联与肌酐比值)则显著降低[37]。动物实验也证实，服用淫羊藿苷或者柚皮苷联合运动锻炼均能有效改善绝经后骨质疏松的治疗效果[38,39]。

另外，体育锻炼还可以通过影响内分泌调节、促进营养物质的吸收利用等延缓骨质疏松的发生。已有研究证实，体育锻炼可以导致骨形成相关调节激素和细胞调节因子水平升高，同时降低骨吸收相关的调节激素和细胞调节因子水平；促进维生素D的合成，改善胃肠道功能及钙磷代谢，促进体内钙的吸收；提高骨皮质血流量，使骨内血液保持中性，便于血钙的骨内输送和骨沉积等。同时，适当的体育锻炼还能减轻骨质疏松患者的疼痛症状，这可能与运动促进血液循环，改善骨骼、肌肉的内部组织结构，促进内啡呔等体内镇痛物质的释放有关。

5 小结

大量研究证实，任何时候开始运动对于维持骨量都具有积极作用。在生长发育期，体育锻炼使骨骼系统持续处于轻度超负荷状态，引起骨塑建使得骨量增加；而到了成熟期，成年人的骨强度与肌力大体相平衡，骨骼系统内部以维护模式的骨重建为主，体育锻炼可以防止骨质丢失。此外，体育锻炼还能增强心肺功能，改善血液循环系统、呼吸系统、消化系统的机能状况，增强有机体的适应能力。因此，保持适度的体育锻炼应当贯穿整个生命活动过程中。