運動性骨疲勞研究進展

張　林　王　平

摘要：運動性骨疲勞作為骨代謝的一個研究分支，因其在疲勞性骨折中的重要作用近年來引起人們的高度關注。骨疲勞可能通過與日俱增的疲勞微損傷和過多的骨重建演變成疲勞性骨折，同時也可通過積極的反饋機制避免骨折的發生。就運動性骨疲勞的性別和運動項目特點、運動性骨疲勞發生的可能機理、適宜運動對骨的保護性作用等方面的研究進展進行了綜述評價。

關鍵詞：運動生理學；運動性骨疲勞；研究進展

中圖分類號：G804.2文獻標識碼：A文章編號：1006-7116(2009)03-0091-05

運動性骨疲勞是指正常骨在負荷反復作用下的微損傷積累，主要表現為隱性疼痛，疼痛部位不具體，運動時癥狀加重，停止運動或運動負荷減輕疼痛癥狀隨之減輕，是運動訓練和軍事訓練中的一個較為突出的問題。骨疲勞對于疲勞骨折的發生起著舉足輕重的作用，骨疲勞可能通過與日俱增的疲勞微損傷和過多的骨重建演變成疲勞性骨折，疲勞微損傷積累越快，發生疲勞性骨折的危險性越大。由于疲勞骨折發生，對于運動員就會失去大約10～13周訓練時間，這對于正在參加比賽的運動員來說是很殘酷的。骨疲勞的發生也有可能通過積極的反饋機制避免骨折的發生，但是在疲勞負荷作用下，骨內部到底發生了怎樣的變化，其機制目前尚不清楚。本文將就目前有關運動性骨疲勞的研究狀況作一綜述。

1運動性骨疲勞的運動項目特點

運動性骨疲勞是一直困擾運動員和軍事訓練者尤其是年輕運動員的一個棘手問題。骨疲勞發生過程中既有骨量的變化，也有骨質量的變化。Magnusson等使用雙能X線吸收法測試，結果表明，發生骨疲勞的運動員，應力集中的局部骨密度下降是明顯的。Yeou等對成年雌性大鼠進行疲勞實驗發現，骨在疲勞負荷下，骨的斷裂載荷和剛度等結構特性明顯下降；形態學觀察發現，疲勞后形成的編織骨礦化較低、BMD較低，且結構紋理紊亂。

許多文獻報道：與負重骨相比，非負重骨發生骨疲勞的幾率較少，但是非負重骨諸如肋骨疲勞經常發生于皮劃艇等運動項目的運動員。皮劃艇運動員雖然經常發生肋骨疲勞，但是其確切的比例和病因學目前尚無研究報道。

耐力性運動訓練、芭蕾舞和軍事訓練常出現脛骨、股骨疲勞。Bur的研究指出：每年大約有1／200萬長跑鍛煉者出現疲勞骨折，其中大約20％來自競技運動員；同時發現在參加軍事訓練的人員中，疲勞骨折的發生率高于普通人群，尤其是女性的疲勞性骨折發生率明顯高于普通人群。Charles等對跑(17km／h)和跳(高度分別為26、39和52cm)的運動員采用經皮植入應變片的方法進行研究發現，與對照組相比，上述兩種運動方式脛骨發生的應變和應變率之間沒有統計學意義，應變和應變率也沒有隨著跳的高度的變化而發生統計學意義上的改變，結果提示，跳并不比跑更容易發生骨疲勞；而跑比走時的應變和應變率提高大約2到3倍左右，并且隨著跑的強度增加，應變和應變率也會隨著增加。

2運動性骨疲勞的性別特點

不同性別運動性骨疲勞的發生率比較，女性高于男性。Milgrom等對男性和女性軍事訓練者進行同樣負荷的訓練，訓練結束時發現，女性脛骨具有較高的骨應變和壓應變。但是其機制目前還不是很清楚，其中原因之一可能是女性骨對機械負荷反應和適應差引起的，女性骨抑制微損傷產生的能力比男性低，如果發生了微損傷，女性比男性對微損傷的修復能力也低。Hickey等報道：在同樣負荷的運動訓練中，有15名皮劃艇女運動員發生肋骨骨折，而男運動員只有2名。骨折發生的原因可能是由于骨疲勞微損傷的積累遠遠大于修復功能造成的。

女性容易造成骨疲勞的另一原因可能與女性所特有的內分泌因素有關，它會因骨對微損傷的反應不同而引起。與普通人群女性相比，運動訓練導致女運動員出現月經紊亂的幾率較高，這一現象在皮劃艇女運動員中經常出現，其原因可能是季節性訓練明顯，為了滿足艇上訓練需要短時間內減輕體重有關。以上因素容易導致女性發生月經紊亂，月經紊亂之后，骨疲勞發生率與無紊亂者相比相差2～4倍。內分泌紊亂影響女運動員發生骨疲勞的機制尚不清楚。但是，其中可能原因之一是改變了骨修復微損傷的能力，無月經伴隨著骨轉換的下降，骨形成也下降。在骨重建過程中，骨形成的目的是為了恢復骨的缺失，重塑骨的形態，以滿足人體生物力學的需要。骨形成率的下降，意味著骨對微損傷修復能力的下降，其結果是微損傷積累，造成骨疲勞乃至疲勞性骨折的發生。

另外，與男性相比，女性具有較低的骨密度和較小的骨幾何學特性，這也是女性容易造成骨疲勞的原因之一。

3運動性骨疲勞發生的可能機理

骨疲勞的概念由Breithaupt等于1855年提出，他們發現正常骨在反復負荷后或是某一段時期內突然增加運動負荷，容易發生骨疲勞，甚至骨折的發生率明顯增加，其原因是肌肉比骨更容易適宜新的負荷，導致相對增加的肌肉力量作用于相對較弱的骨，使機械受力不平衡，引起骨變形、微損傷積累。肌肉疲勞學說強調肌肉疲勞后神經肌肉功能發生改變，肌肉的反應時加長，反應速度變慢，導致肌肉對收縮過程中產生能量的吸收過程減慢，以及肌肉驅散骨產生動力的能力也隨著下降，導致肌肉保護骨免受過度負荷的作用下降，骨發生的應變及應變率提高，導致骨微損傷產生增多。

目前的研究認為，骨疲勞的發生是在反復閾下機械負荷作用下應力集中的部位，而不是一次性長時間、大強度機械負荷作用下產生的。在反復閾下機械負荷作用下，骨疲勞發生，導致微損傷的積累。在正常情況下，通過骨重建方式施與微損傷進行修復，但是，過多反復的運動引發不正常的骨應變，導致骨不能將微損傷修復，而促進微裂紋積累，促使骨疲勞的進一步發生。

骨骼由于微損傷的產生和積累，如不及時修復就會導致骨疲勞甚至骨折的發生，唯一的修復途徑是經過骨重建。骨重建是由位于細胞表面的多細胞功能單位(basic muhicellyar unit，BMU)來完成的。骨重建的功能是通過骨重建單位調整使礦鹽達到平衡，使疲勞引起的微損傷得到修復，骨結構完整性得到保持，是維持骨組織代謝和力學功能的重要機制。骨重建包括骨吸收和骨形成兩個最重要的部分。骨重建功能的完成需要局部刺激因素如機械刺激，及細胞外基質(extracellular matrix，ECM)張力的變化，局部微環境的變化諸如細胞因子，局部血液、組織液等因素共同調節的結果。

3.1細胞成分在骨重建中的作用

骨不斷進行新陳代謝，即舊骨的吸收和新骨的形成，這個過程與骨重建是密不可分的。在安靜狀態下，吸收過程主要由破骨細胞完成，形成過程主要由成骨細胞完成，在機械刺激下，包埋于骨基質中的骨細胞的機械應力感受能力大于成骨細胞，骨細胞通過膜上

整合器與ECM緊密接觸感受機械應力，引起胞內信號傳遞，并將信號傳遞到相鄰的骨細胞，引起成骨細胞、破骨細胞發生相應變化，從而影響骨重建過程。已有研究證實，骨細胞通過將感受到的機械信號轉換成化學信號諸如胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor，IGF-1)、I型膠原、骨鈣素等化學物質來影響成骨細胞和破骨細胞的功能。Vashishth研究指出，疲勞負荷能夠加速骨細胞凋亡。Mitchell等報道：采用高分辨率觀測儀研究皮質骨的基質損傷，在長波光照下，基紅熒光可以給出一個高分辨率骨微觀損傷的顯微圖像，使用聚焦顯微鏡發現，骨疲勞與非常小的裂紋同時出現，這些很小裂紋水平對應的骨基質是羥基磷灰石晶體的聚集體，這說明，早期骨剛度的下降，骨基質破壞主要發生在這個水平。最近，一些研究者做了松質骨疲勞實驗，發現，松質骨的疲勞與皮質骨一樣，其發生可能均在膠原和羥基磷灰石晶體水平。Mori等報道：對人松質骨進行觀察發現，隨著年齡的增加，骨微損傷也隨著增加，同時骨細胞的數量也隨著下降，以上結果提示，骨細胞密度和微損傷之間存在著一定的因果關系。研究證實，骨細胞和成骨細胞應力信號傳遞通道不一樣，有關其具體通道作用機制有待于進一步研究。

但是，骨重建對組織水平的骨質量也有負方面的影響，如果骨轉換率加快，舊的礦化骨被礦化少的新骨代替，骨的剛度或抗彎曲力降低，如果轉換率很慢，需要更長時間進行二期礦化，骨剛度增加，抗微損傷發生及發展能力降低，骨將變脆。高重建一般意味著骨迅速丟失及骨量減少，減少骨的礦鹽含量及其剛度；低重建使骨丟失減慢，增加骨剛度及微損傷產生，并減少微損傷的修復功能。骨重建失衡的產物，在松質骨中可以因過度吸收而穿透骨小梁，甚至于使其消失，在皮質骨中可以因過度吸收而使皮質骨小孔增多、厚度變薄而導致強度減弱。

3.2細胞外組織液在骨重建中的調節機制

在運動性骨疲勞狀態下，破骨細胞募集到基質損傷處激發骨吸收的具體機制尚不很清楚，除了骨組織中的細胞是重要的信號通道外，其它的信號通道對于骨重建也起著很重要的作用。在機械負荷的刺激下，細胞外組織液對于信號的傳導起著重要的作用。

在適宜的負荷刺激下，骨作為一種分子篩，將分子質量大約為70ku的分子進入骨陷窩和骨小管內，使組織液中有效分子含量增加，結果，骨陷窩和骨小管內的組織液提高了骨細胞對刺激的敏感性，并且可營養骨細胞和輸送代謝產物，但是，在骨疲勞狀態下，骨小管和陷窩中的組織液會減少，影響骨組織中細胞的功能，從而也影響骨重建過程。Knothetate等對成年雌性SD大鼠運用在體分子示蹤的方法，在4點彎曲負荷作用下觀察脛骨組織液流動的變化，運用半定量分析法發現，機械負荷導致組織液的流動在調節骨重建等細胞活動方面起著額外的作用，因為組織液中攜帶著代謝產物、營養物質、礦物質以及對細胞活動具有重要作用的細胞因子之類的物質。Pete報道：骨疲勞導致局部組織液明顯減少。Roer等將人取6°斜倒立在床上休息和將大鼠尾部懸吊模擬失重實驗，在數周之后發現，顱骨和下顎骨骨量明顯增加，這一現象用Wolff定律是無法解釋的，因為倒立不一定使顱骨骨組織的變形明顯增加。這一結果提示，可能是由于組織液的流動和隨著組織腔隙內壓力的轉換，液體也發生相應流動的結果。同樣，懸掛大鼠后肢骨量減少的原因是由于后部組織液流動減少的結果；以上結果提示，成骨細胞和骨細胞對液體剪切力的反應類似于內皮細胞，即通過釋放前列腺素和一氧化氮代謝物對其刺激作出反應。成骨細胞和骨細胞主要不是骨組織變形的傳感器，而是骨組織變形間接效應即腔隙內組織液的流動的傳感器。

在運動性骨疲勞狀態下，關于組織液調節骨細胞功能的作用機制需要進一步深入研究。

3.3細胞因子在骨重建中的調節作用

骨重建的基本多功能單位是多細胞功能單位。骨重建過程中，在皮質骨，前面是破骨細胞形成的切割錐形體，隨后有成骨細胞合成類骨質填充進去。骨重建過程是很復雜的，涉及到多種分子、多種激素生長因子、細胞因子等參與此過程，詳細的生物學機理和激素調控機制尚未完全闡明。研究表明，成骨細胞是各種激素、生長因子和細胞因子的作用位點，那些與成骨細胞一破骨細胞間相互作用有關的因子是潛在的偶聯因子。Lanyon等認為：功能性的應變通過前列腺素的一種亞型即前列腺素E₂(Prostaglandins E₂，PGE₂)在骨重建中發揮著重要的作用。更多文獻表明：前列腺素(Prostaglandins，PGs)及其他類似代謝物在骨代謝中具有重要作用，是一類重要的骨代謝調節因子。前列腺素E₂在低濃度時具有增加膠原合成的作用，在高濃度或有IGF-I存在時，可抑制膠原的合成，這種抑制作用與蛋白激酶C途徑的激活有關。Tschantz首次用實驗證實反復負荷刺激能夠使骨發生微損傷。隨后一系列理論和實驗資料支持疲勞微損傷和骨重建之間的關系。在這一基礎上，我們很容易能夠接受微損傷刺激骨重建，也可以說，骨重建修復微損傷。Schaffler等證實，在體疲勞微損傷和離體后疲勞微損傷具有相似性，疲勞微損傷的產生與負荷、循環的數量和溫度有關。微損傷可能積累，導致骨強度下降，有可能發生骨折，因此微損傷可能是骨重建的催化劑。骨重建這個過程是有許多功能細胞構成的精密網絡組織，對其過程中具體的作用機制和生理病理過程尚不是很清楚。隨著分子生物學技術的進一步發展，可以借助于反轉錄酶聚合酶鏈反應(RT-PCR)的應用，原位雜交技術及免疫細胞化學技術等對相關酶及其mRNA進行局部定位，對于細胞因子對骨重建過程中的作用機制進行進一步深入研究。

4適宜運動對骨的保護作用

大量研究表明：適宜負荷、適宜方式的運動有益于骨，目前，運動作為一種疲勞性骨折的預防措施已經得到臨床的支持。Stuart等對24只成年雌性大鼠進行5周軸向壓縮負荷試驗，每周3d，結果發現，通過適宜機械負荷的刺激能明顯增加骨結構特性，骨結構特性發生將近2倍的變化而抗骨疲勞發生近100倍的變化，提示骨幾何學參數在判斷骨疲勞方面具有相對準確的預測。Milgrom等報道：對于招收的新兵，在正式軍訓之前如果已經參加過至少2年規律的籃球訓練者，發生運動性骨疲勞的幾率大大減少，小于1／2。同樣，Lappe也做了與Milgrom等人類似的報道，而大強度、長時間反復運動會對骨造成一定的損傷，這一點在女性中表現得尤為突出。在男性中也有類似的報道，機制可能與女性相似。Milgrom等采用經皮植入應變片的方法對跑、走和靜止騎自行車3種運動方式的運動員進行應變和應變率的測試，結果發現，跑比走具有較高的拉、壓、剪切應變和應變率，而走比靜止性騎車方式具有較高的拉、壓、剪切應變和應變率。因此，在設計運動負荷時要注意達到理想狀態下骨結構的變化，但是不能引起骨結構的損害即微損傷的積累和產生。其中方法之一是對運動持續時間的限制和負荷循環數量的設計。

運動性骨疲勞作為骨代謝的一個研究分支，因其在疲勞性骨折中的重要作用近年來引起人們的高度關注。但目前關于骨分子水平的疲勞特性及疲勞機理的發生發展較少有研究涉及，同時適宜刺激對骨強度的影響機制與方法學研究尚處于起步階段。隨著現代科學技術的發展和測試儀器的出現，運動性骨疲勞研究將在上述方面獲得重要進展。

[編輯：鄭植友]