運(yùn)動(dòng)對骨形態(tài)結(jié)構(gòu)、骨密度和骨生物力學(xué)特征的影響

摘要：運(yùn)用文獻(xiàn)法就國內(nèi)外體育運(yùn)動(dòng)對骨形態(tài)姑構(gòu)、骨密度和生物力學(xué)性能的影響研完綜述了適宜的運(yùn)動(dòng)是改善骨形態(tài)結(jié)構(gòu)、提高骨密度和生物力學(xué)性能的關(guān)鍵，過量運(yùn)動(dòng)則加劇骨組織微缺損，骨塑建、骨重建頻率加快，自我更新修復(fù)已缺損的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的能力降低，導(dǎo)致骨的微觀姑構(gòu)改變，并引起骨密度、骨生物力學(xué)參數(shù)等指標(biāo)變化。

關(guān)鍵詞：體育運(yùn)動(dòng)；骨形態(tài)結(jié)構(gòu)；骨密度；骨生物力學(xué)特征

中圖分類號：G804.2 文章編號：1009-783X(2009)02-0202-03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

運(yùn)動(dòng)對骨代謝的影響具有正反兩方面的效應(yīng)，即改善骨質(zhì)的促進(jìn)效應(yīng)和破壞骨質(zhì)的抑制效應(yīng)。據(jù)研究報(bào)道，耐力項(xiàng)目女運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)性月經(jīng)失調(diào)(athletic menstrual irregu-latifies，AMI)的發(fā)生率顯著高于其他項(xiàng)目。究其原因，可能與長期不合理的超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練致性腺軸功能受抑密切相關(guān)。近年來的文獻(xiàn)資料顯示，多種項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)性閉經(jīng)(ath-letic secondary amenorrhea，ASA；AMI的極端表現(xiàn))運(yùn)動(dòng)員身體的多個(gè)位點(diǎn)骨密度(bone mineral density，BMD)顯著低于月經(jīng)正常運(yùn)動(dòng)員，應(yīng)力性骨折、脊柱側(cè)凸和骨質(zhì)疏松等骨破壞性病癥的發(fā)生率均較高。骨是人體的支持結(jié)構(gòu)，是完成各種形式運(yùn)動(dòng)的前提和基礎(chǔ)。持續(xù)長期的過量運(yùn)動(dòng)，有可能使骨組織產(chǎn)生由骨代謝異常改變而導(dǎo)致的骨量降低、骨微細(xì)結(jié)構(gòu)改變、骨質(zhì)量及骨生物力學(xué)性能降低、甚至骨折。本文將就近年來運(yùn)動(dòng)對骨形態(tài)結(jié)構(gòu)、骨密度和骨生物力學(xué)性能的影響及相互關(guān)系方面的研究進(jìn)行綜述分析，以便為后續(xù)的研究提供參考。

1 運(yùn)動(dòng)對骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

1.1運(yùn)動(dòng)對骨大體形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

人體及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，不同方式、強(qiáng)度適宜的運(yùn)動(dòng)對骨骼的長度、圍度、皮質(zhì)骨厚度參數(shù)等方面的促進(jìn)效應(yīng)非常顯著，王廣新等比較了不同類型運(yùn)動(dòng)對近節(jié)指骨形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)排球運(yùn)動(dòng)員用力手第1、4近節(jié)指骨橫徑最大，骨髓腔徑也隨之增大。而過量的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷對大鼠骨骼的形態(tài)有明顯的破壞作用。Nyska等研究發(fā)現(xiàn)，20周游泳運(yùn)動(dòng)可以顯著增加肱骨近側(cè)端生長板的高度和增殖帶中細(xì)胞的數(shù)量，負(fù)重(1％體重)游泳還可以增加細(xì)胞柱的密度，表明運(yùn)動(dòng)對大鼠骨的生長過程具有良好的促進(jìn)作用。

上述研究表明，骨組織的變化嚴(yán)格遵循Frost骨力學(xué)調(diào)控系統(tǒng)理論，即當(dāng)骨組織所處的力學(xué)環(huán)境變化后，骨的形狀、骨量以及骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會不斷地更新調(diào)整。以最佳狀態(tài)適應(yīng)不斷增加和變化的力學(xué)環(huán)境的需要。

1.2運(yùn)動(dòng)對骨顯微結(jié)構(gòu)的影響

骨小梁的形態(tài)結(jié)構(gòu)、吸收表面、成骨和破骨細(xì)胞的數(shù)量、形態(tài)以及骨膠原的密度和排列，能夠反映運(yùn)動(dòng)對于骨的影響效應(yīng)。章曉霜等通過去卵巢并結(jié)合不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)方式干擾，觀察運(yùn)動(dòng)對骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)：骨質(zhì)疏松、中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)、高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)3組大鼠比較，骨質(zhì)疏松組大鼠椎體骨小梁明顯減少、間距增大、骨吸收孔明顯，髓腔擴(kuò)大，說明骨的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受損。高倍鏡下，骨小梁表面可見較多的骨吸收陷窩及膠原斷裂后形成的顆粒狀骨吸收面，提示骨膠原發(fā)生了逐層降解，正常結(jié)構(gòu)變得疏松、斷裂，并可見微骨折。中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組椎體骨小梁數(shù)目較骨質(zhì)疏松組稍多，骨小梁表面有較多的顆粒狀骨吸收面。大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組骨小梁數(shù)目較骨質(zhì)疏松組差異不明顯，出現(xiàn)微骨折。證明，中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)對骨質(zhì)的恢復(fù)具有積極有效的改善促進(jìn)作用。高麗等報(bào)道，運(yùn)動(dòng)性動(dòng)情周期抑制大鼠經(jīng)不同強(qiáng)度的跑臺運(yùn)動(dòng)后，其腰椎松質(zhì)骨的顯微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為：低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組骨小粱飽滿、規(guī)則}大強(qiáng)度耐力運(yùn)動(dòng)組骨小梁數(shù)目變少，纖細(xì)，形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性較差，髓腔大小差異明顯。表明，大強(qiáng)度跑臺運(yùn)動(dòng)使大鼠骨小梁結(jié)構(gòu)受到破壞。為了弄清骨結(jié)構(gòu)受損的實(shí)質(zhì)，通過進(jìn)一步透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，大強(qiáng)度耐力運(yùn)動(dòng)后雌性大鼠骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)均發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)為：骨細(xì)胞的核異染色質(zhì)邊聚，呈星月形小體，核膜模糊，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹，基質(zhì)中出現(xiàn)空泡化，一些細(xì)胞呈現(xiàn)細(xì)胞核鋸齒狀、核膜皺縮等早期凋亡狀改變；成骨細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹}破骨細(xì)胞出現(xiàn)線粒體嵴模糊，核異染色質(zhì)邊聚等變化，表明大強(qiáng)度跑臺運(yùn)動(dòng)使大鼠的骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的結(jié)構(gòu)受損。

骨組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的變化遵循Wolff定律，直接受制于骨力學(xué)環(huán)境的變化。適度運(yùn)動(dòng)，機(jī)體以骨重建的方式進(jìn)行骨的更新修復(fù)，以適應(yīng)力學(xué)環(huán)境變化的需要，維持骨形成和吸收的動(dòng)態(tài)平衡。而過量運(yùn)動(dòng)時(shí)，骨組織微損傷加劇，自我更新修復(fù)能力降低，導(dǎo)致骨的顯微、超微結(jié)構(gòu)異常。但目前運(yùn)動(dòng)對骨形態(tài)結(jié)構(gòu)變化的具體影響作用的閾值負(fù)荷、機(jī)制、途徑等均尚無定論，有待進(jìn)一步研究。

2 運(yùn)動(dòng)對骨密度(BMD)的影響

骨密度是指骨單位面積或體積內(nèi)的礦物質(zhì)含量，是評價(jià)骨質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。通過對骨密度測定，有助于了解骨量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。便于進(jìn)行監(jiān)控和評價(jià)。

適度運(yùn)動(dòng)能夠有效地改善運(yùn)動(dòng)者的骨密度。Ko-研究報(bào)道，66歲的群體經(jīng)過1年低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可以改善腰椎、骨盆、股骨骨密度。Barengolts等發(fā)現(xiàn)，給9月齡大鼠去勢后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其松質(zhì)骨的骨密度具有明顯改善效果。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，大鼠進(jìn)行跑臺運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，在其不同發(fā)育階段，骨的應(yīng)答反應(yīng)具有部位特異性。表現(xiàn)為成長期以松質(zhì)骨為主的骨骺部、骨干骺端部的骨密度增加，而成熟初期則主要是皮質(zhì)骨為主的骨干部骨密度增加。可見，運(yùn)動(dòng)對骨代謝影響良性效應(yīng)的表現(xiàn)形式之一就是通過改變骨礦含量，從而使骨密度發(fā)生變化。

另一方面，過量運(yùn)動(dòng)對骨具有明顯的負(fù)面效應(yīng)。目前的資料顯示，這種效應(yīng)的獲知更多地也是通過骨密度測定數(shù)據(jù)予以支持。Pettersson等對運(yùn)動(dòng)性月經(jīng)閉經(jīng)長跑運(yùn)動(dòng)員的全身、股骨頸、腰椎、上肢、腿等多部位骨密度進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，各部位骨的骨密度均低于月經(jīng)正常女運(yùn)動(dòng)員。Snead等報(bào)道。運(yùn)動(dòng)性閉經(jīng)長跑運(yùn)動(dòng)員血清雌二醇、孕激素濃度、腰椎骨密度顯著低于月經(jīng)正常運(yùn)動(dòng)員，表明血清性激素水平與腰椎骨密度密切相關(guān)。Marcus等發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)性閉經(jīng)耐力運(yùn)動(dòng)員血清雌二醇、腰椎骨密度降低，但橈骨骨密度并無明顯變化，提示性激素對骨密度的影響具有位點(diǎn)特異性。Rutherford等和Wolman等均報(bào)道，閉經(jīng)運(yùn)動(dòng)員腰椎和全身骨密度均低于月經(jīng)正常運(yùn)動(dòng)員，非運(yùn)動(dòng)員對照顯著低于運(yùn)動(dòng)員。月經(jīng)正常運(yùn)動(dòng)員除腰椎骨密度外，其他位點(diǎn)都顯著高于對照組。表明，體育運(yùn)動(dòng)有助于提高除腰椎外其他位點(diǎn)的骨密度。由于存在這種腰椎骨密度閉經(jīng)運(yùn)動(dòng)員<月經(jīng)正常運(yùn)動(dòng)員<非運(yùn)動(dòng)員的特殊遞減關(guān)系。可以認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)對骨密度具有促進(jìn)作用。但腰椎骨密度的改善效果可能需要更為合適的負(fù)荷；運(yùn)動(dòng)與雌激素對骨具有相似作用效應(yīng)。同時(shí)，過量負(fù)荷一旦停止，骨密度即表現(xiàn)出明顯的恢復(fù)趨勢。Snow-Harter的研究證實(shí)了體育運(yùn)動(dòng)與女大學(xué)生的腰椎骨密度水平呈正相關(guān)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也有相同結(jié)果報(bào)道。由此可見，適宜運(yùn)動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)度和量度的合理運(yùn)用，將致骨骼質(zhì)量產(chǎn)生明顯不同的效果。而在實(shí)際工作中，以骨密度作為方便、有效的骨量變化監(jiān)測指標(biāo)，已為研究者們所普遍接受。因此，具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 運(yùn)動(dòng)對骨生物力學(xué)特征的影響

骨生物力學(xué)性能兼具結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的特性。骨的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性與骨的材料力學(xué)特性、骨的幾何特性有關(guān)，可以通過載荷變形曲線來反映。骨的材料力學(xué)特性是指骨組織本身的力學(xué)性能，與其幾何形狀無關(guān)。可以通過應(yīng)力應(yīng)變曲線來反映。大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究的結(jié)果表明，骨生物力學(xué)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)測試，有助于直接評價(jià)骨質(zhì)量，也是評定各種對抗骨丟失措施效價(jià)的最佳方法之一。

長期高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可使骨生物力學(xué)指標(biāo)(最大載荷、彈性載荷、最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、剛性系數(shù)、彈性模量及能量吸收)產(chǎn)生顯著變化。雌激素缺乏會致骨的生長滯緩，低鈣會顯著影響骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)建，將使骨的材料特性及生物力學(xué)性能均顯著降低。Li等報(bào)道8周齡雌性SD大鼠以80％～90％VO₂max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)10周(5d/周)，脛骨的屈服極限和最大載荷均明顯低于對照組，且彈性吸收能量和最大彎曲吸收能量均小于對照組。Hou等報(bào)道8周齡雌性SD大鼠以75％～80％VO₂max強(qiáng)度跑臺運(yùn)動(dòng)10周(5d/周)，股骨頸做懸臂彎曲測試，椎骨做壓縮實(shí)驗(yàn)，股骨頸的彎曲能量、最大載荷、屈服極限等材料特性均明顯降低，但腰椎的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)特性無明顯變化。也有文獻(xiàn)報(bào)道，運(yùn)動(dòng)性動(dòng)情周期抑制大鼠骨的最大形變、彈性形變和脛骨的最大吸收能量比對照組顯著升高，表明大鼠骨的韌性顯著增加。作者認(rèn)為，這種韌性的改變可能與長期大強(qiáng)度跑臺運(yùn)動(dòng)致大鼠骨的有機(jī)成分合成增強(qiáng)有關(guān)。這種變化能在一定程度上解釋運(yùn)動(dòng)性閉經(jīng)運(yùn)動(dòng)員脊柱側(cè)凸發(fā)生率較高的現(xiàn)象，但其具體作用機(jī)理還有待于更多的實(shí)驗(yàn)研究加以驗(yàn)證。這說明長期高強(qiáng)度耐力運(yùn)動(dòng)可能通過抑制性腺軸功能，導(dǎo)致雌激素水平的降低，進(jìn)而導(dǎo)致骨礦含量降低，骨的最大載荷、彈性載荷等生物力學(xué)參數(shù)的改變。不同部位的骨對跑臺運(yùn)動(dòng)的力學(xué)負(fù)荷的反應(yīng)存在差異。由此可見，運(yùn)動(dòng)對骨生物力學(xué)性能的影響效應(yīng)尚無定論，但生物力學(xué)參數(shù)的改變與骨的結(jié)構(gòu)、成分改變密切相關(guān)。骨生物力學(xué)特征的變化是全面了解骨整體性能變化不可或缺的部分。

4 小結(jié)

運(yùn)動(dòng)對骨骼的作用效應(yīng)，是以使骨骼適應(yīng)外力為基礎(chǔ)，產(chǎn)生其形態(tài)結(jié)構(gòu)、骨密度水平和骨生物力學(xué)性能的相應(yīng)變化。適度運(yùn)動(dòng)負(fù)荷表現(xiàn)出骨質(zhì)量的增強(qiáng)效應(yīng)，而過度負(fù)荷則可能出現(xiàn)負(fù)面效應(yīng)。因此，合理安排運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練負(fù)荷、避免過度負(fù)荷，是確保運(yùn)動(dòng)員骨骼健康、防止運(yùn)動(dòng)損傷的關(guān)鍵。