機械振動防治骨質疏松癥的研究進展

洪志楠 魏秋實 周廣全* 何偉

1. 廣州中醫藥大學第一臨床醫學院，廣東 廣州 510405 2. 廣州中醫藥大學嶺南醫學研究中心中醫骨傷科學實驗室，廣東 廣州 510405 3. 廣州中醫藥大學第一附屬醫院，廣東 廣州 510405

骨質疏松癥是以骨量丟失、骨小梁變細、斷裂、數量減少，皮質骨多孔、變薄為特征，導致骨的脆性增高、骨折危險性增加的全身性骨病。世界衛生組織以骨密度低于同種族和同性別健康年輕成人峰值的2.5個標準差(T<-2.5)作為診斷標準，其臨床表現主要有疼痛、脊柱變形及骨折。骨折是最常見和最嚴重的并發癥，其中又以脊柱壓縮性骨折、髖部骨折、橈骨遠端、肱骨近端和踝部骨折多見。

骨質疏松癥是一種代謝性骨病，與內分泌、遺傳、營養、失用等因素相關。根據病因可分為原發性、繼發性和特發性骨質疏松。原發性骨質疏松又分為：①絕經后骨質疏松癥(Ⅰ型)，多發于婦女絕經之后5～10年內；②老年性骨質疏松癥(Ⅱ型)，多發于70歲或以上的老年人。根據我國13省市人群骨密度調查結果，估計我國骨質疏松癥患者約占總人口的5.6%，絕經后婦女中約30%患有骨質疏松癥。由此可見，骨質疏松癥患者主要集中在中老年人群。中老年人因本身肌力、身體平衡能力和視力的下降較常人更易發生跌倒，而跌倒是導致骨質疏松性骨折的主要原因。統計表明，女性一生發生骨質疏松性骨折的風險(40%)高于乳腺癌、子宮內膜癌和卵巢癌的總和，男性一生發生骨質疏松性骨折的風險(13%)高于前列腺癌。骨質疏松性骨折嚴重影響患者生活質量，增加致殘率及病死率，給家庭及社會造成沉重負擔[1]。

目前骨質疏松癥的藥物治療主要分為：①礦化類制劑，如鈣制劑、骨活化劑；②骨吸收抑制劑，如性激素類制劑、降鈣素、雙膦酸鹽類；③骨形成促進劑，如甲狀旁腺激素。因上述治療或多或少存在療程長、副作用多、費用高及患者依從性不強等缺點，近年來研究者開始將目光轉向短期、無創、簡便、不良反應少的物理療法。多項研究顯示，生物力學干預可能是一種安全、有效抑制并逆轉骨質疏松的方法。低強度、高頻率振動(low-magnitude, high-frequency vibration，LMHFV)已被建議作為一種非藥物的抗骨質疏松療法[2]。

1 應用概況

動物實驗表明，機械刺激具有促進成骨的潛力。早在2001年，Rubin等[3]通過對成年綿羊施加機械振動(0.3 g，30Hz，20 min/d)，持續1年后發現，實驗組綿羊股骨近端的骨小梁密度較對照組提高34.2%，由此證明LMHFV能夠作用于骨組織，對復雜的骨重塑周期產生影響，從而刺激板層骨的形成，提高骨的數量和質量，Sierpowska等[4]的研究也得出類似結論。現普遍認為在動物模型中應用短時間(30 min)、低強度(0.3 g)、相對高頻率(20～90Hz)的機械振動，能夠增加骨小梁的數量和寬度，還能提高松質骨的硬度和強度。

在動物實驗獲得成功后，Rubin等[5]又嘗試將機械振動用于人體。在一項前瞻性的雙盲隨機對照試驗中，共納入70名停經3～8年的婦女，測試短時間(<20 min)、低強度機械信號(0.2 g，30Hz)在抑制骨質疏松方面的作用。結果顯示，經過連續12個月的振動刺激，絕經后骨質疏松婦女股骨頸骨密度較對照組增加2.17%(P=0.06)，腰椎骨密度較對照組增加1.5%(P=0.09)，其中體重較輕(<65 kg)的婦女腰椎骨密度增加更明顯(3.35%，P=0.009)。我國較早的一項臨床報道中，振動組的受試者在接受3個月的振動治療(30Hz，0.5 mm，10 min/次，5次/周)后腰椎骨密度平均上升了1.29%，股骨的骨密度平均上升了1.65%，上升的有效率為80%[6]。鄭錦暢等[7]在試驗中將70例骨質疏松志愿者隨機均分為復合振動組和對照組，復合振動組采用自行研制的復合振動儀進行全身振動治療(45～55Hz，0.5～0.8 g，30 min/次，隔天1次)，連續觀察6個月后發現，復合振動可促進骨組織鈣化、促進鈣和磷以骨鹽形式沉積于骨組織。

2006年，Rubin等[8]又撰文指出，低強度的機械振動可作為一種安全無創、無副作用的物理療法用于預防甚至逆轉殘疾兒童和絕經后婦女的骨質疏松。還有報道指出，全身振動能夠提高唐氏綜合癥青少年患者的骨量和骨密度[9]，對于已經發生的骨質疏松性骨折，全身振動能夠改善骨痂的質量，從而促進骨折愈合[10, 11]。在假體植入方面，全身振動能夠在一定程度上逆轉骨質疏松癥對去卵巢大鼠的不利影響，加速早期假體周圍的骨整合[12]。

骨質疏松癥的現代康復強調預防跌倒，而機械振動在此亦有所長。力量訓練結合本體感覺訓練或全身振動能夠在一定程度上改善絕經后低骨密度婦女的姿態控制，從而預防跌倒， 且相對于本體感覺訓練，短期的全身振動鍛煉對低骨密度的絕經后婦女的神經肌肉功能的影響更大[13, 14]。陸鐵等[15]讓70名受試的老年女性每日服用鈣爾奇D 600 mg，在此基礎上對實驗組施加振動干預(30Hz，10 min/次，3次/周)，12周后發現，兩組患者的腰椎BMD均有顯著上升、骨痛癥狀均有明顯緩解，且實驗組的變化更為明顯(P<0.05)；振動干預后患者跌倒次數以及骨折發生率均低于對照組。振動干預后患者的平衡能力較前明顯增強(P<0.05)，而對照組無顯著變化。另一項納入710名老年婦女的大樣本隨機對照試驗顯示，LMHFV(35Hz，0.3 g，5d/周，18月)能夠增強肌肉力量、提高平衡能力從而預防老年人跌倒，因此推薦在社區中開展振動治療，以預防跌倒，減少意外傷害[16]。

2 作用機制

2.1 骨傳導

早在一個世紀以前，人們就認識到骨骼對載荷具有適應能力。有學者認為，骨組織中存在一類機械敏感細胞，這類細胞通過細胞核的振蕩來感知機械應力的變化，進而引起骨量和結構的改變，以應對機械載荷的挑戰[17]。骨骼中能夠產生力學識別和應答的機械敏感細胞就是骨細胞、成骨細胞和間充質干細胞。振動能夠產生促進骨和肌腱系統合成的機械信號[18]，這種“由外向內”的信號從細胞膜啟動，通過內在膜蛋白將機械信號轉化為生化信號[19]。研究發現，細胞是通過振動產生的加速度調節骨重建的細胞應答活動，使之向骨髓間充質干細胞和造血干細胞分化[20]。

2.2 肌動力

正常情況下骨量的維持或增加取決于骨負荷或骨應力，二者主要來自肌肉的主動收縮，肌力對骨結構和骨量具有決定作用，并且肌力的改變總是先于骨強度的改變。自然絕經后，肌肉逐漸萎縮，肌力下降，產生的力學刺激隨之減弱，繼而出現骨質疏松癥。數據表明，婦女中年齡相關性骨質疏松癥往往伴隨肌力的下降[21]。反之，讓絕經后的低骨量婦女進行每周2次的抗阻力訓練，持續9個月后用外周定量CT測量脛骨遠端顯示骨密度有所提高[22]。全身振動能夠模擬肌肉發放沖動的頻率范圍，誘導肌肉產生牽張反射，增強肌肉收縮，在相應骨組織上產生應力，從而促進骨形成。Falcai等[23]報道，振動與游泳、跳躍運動類似，能夠增加骨量、提高強度、促進成骨，從而維持骨的質量，預防廢用性骨質疏松。

2.3 骨血灌注

全身振動能顯著改變骨中血流，引起骨血灌注的增加。Stewart等[24]報道，足底振動(45Hz，0.2 g)能使圍絕經期婦女小腿血流增加30%，骨盆血量增加26%，胸部血量增加20%。振動能顯著提高外周血流量、外周淋巴和經脈回流量，使得腿部骨血流灌注增加，從而提高了骨密度。另有研究表明，絕經后婦女椎骨灌注峰值增長率與骨密度顯著相關[25]。

2.4 脂質代謝

低強度的振動能夠減緩去卵巢動物脊柱中脂肪細胞的堆積，刺激骨髓基質細胞向成骨細胞分化，使成骨細胞的生成速度超越脂肪形成，從而保留骨量。卵巢切除后骨量迅速丟失，因此對于絕經后骨質疏松癥的振動治療越早越好[26, 27]。

2.5 壓電效應

根據壓電理論，機械能與電能之間可以相互轉化，因此振動所產生的壓力能夠引起潛在的電流改變，從而夠刺激骨的形成，其原理在于全身振動能夠增加血清中生長激素和睪酮的含量，從而預防肌少癥和骨質疏松癥[28, 29]。

此外，有研究顯示，循環血清素對骨量具有負性調節作用，Wei等[30]認為全身振動的作用機制可能正是通過降低循環血清素水平來提高骨強度和骨密度。

3 振動模式

3.1 垂直振動與復合振動

振動治療本質上是一種仿生醫學，通過對人體施加振動，使骨骼受力增加，一定程度上模擬了人體運動時肌肉對骨骼施加外力的情景。垂直振動方向與人體日常活動方向相近，可以改善骨的生長情況，提高骨密度和骨強度，故首先受到關注。但在實際上，人體活動十分復雜，并不是簡單垂直振動能夠模擬的，因而又有學者提出復合振動的概念[31]。

復合振動是在垂直振動的基礎上增加平衡干擾振動，在振動過程中受試對象需要不斷主動維持身體平衡，進而使患者骨盆產生一個交替的上下晃動運動訓練，骨盆的這種交替的上下晃動運動模式是人體行走和跑動的動作基礎，因此復合振動給人體提供了一個更加符合人體解剖學特點的訓練刺激。而且，目前垂直振動所使用的強度較大，而復合振動施加的振動載荷為動態的應力，能夠在保證有效刺激的同時降低刺激的強度，提高振動的安全性。動物實驗也表明復合振動對于不同年齡骨質疏松大鼠也可以在一定程度上增加骨量，抑制BMD的持續降低，改善破壞的骨微結構，提高骨質量，增強骨質疏松性骨抗折能力；此外還能增加肌力，改善神經功能的作用可能有助于改善或增強平衡能力[32]。

由此可見，復合振動在保留垂直振動成骨作用的同時，能夠強化肌肉功能和平衡控制能力，從而預防跌倒，減少骨質疏松性骨折的發生。

3.2 間歇振動與持續振動

連續治療可能使人體產生耐受，降低治療效應，采取短時、間斷的加載方式可能更有利于促進復合振動的成骨效果。鄭錦暢等[7]在臨床試驗中發現堿性磷酸酶(ALP)早期是一個上升的趨勢，在第3個月時達到一個峰值，然后呈下降趨勢。ALP作為機械載荷誘導成骨細胞分化的早期標志，前3個月ALP的升高提示復合振動可使骨組織鈣化增加，后期ALP的下降，推測可能是人體對振動刺激產生了耐受有關。

動物實驗中，高甲子[33]對去勢6月齡Wistar大鼠實施間歇1、3、5、7天的振動(35Hz，0.25 g)，分別于第8周、12周檢測骨形成情況，結果發現，間歇振動組在防治骨質疏松的效果上明顯優于持續組，且間歇7天組最佳。張睿[34]對懸吊大鼠施加間歇1、3、5、7天的振動(35Hz，0.25 g)，8周后，間歇振動7天組相較對照組的破壞載荷、破壞撓度、彈性模量與截面慣性矩則分別提高了9.4%、17.42%、17.34%與11.19%，骨質疏松現象較對照組以及持續振動組都有明顯的改善；間歇振動組的生長速率、骨礦化沉積率均優于持續振動組，其中尤以間歇振動7天組的效果最為突出；骨組織形態計量學的靜態檢測表明，間歇振動7天組的大鼠骨骼靜態檢測效果最好。Li等[35]報道，間歇振動(不論間歇長短)均能誘導成骨蛋白的表達，其中又以7天為周期的間歇振動效果最佳。

與持續振動相比，間歇振動有利于避免產生耐受，且不論是在改善骨的力學性能還是維持骨小梁的微觀結構上，間歇振動模式都具有較大優勢。

3.3 單獨應用與聯合應用

Chen等[36]的一項隨機對照試驗表明，配合全身振動能夠增強阿倫磷酸鹽在預防骨質疏松和改善骨小梁結構方面的作用。Camargos等[37]認為高頻振動雖能使去卵巢大鼠骨皮質增寬，但并不能提高它的生物力學特性，而阿侖膦酸鹽能夠預防骨小梁退化，提高骨的硬度和強度，二者聯合能夠增加骨皮質厚度，從而發揮協同效應。Wei等[38]通過比較發現，不論是振動治療或是中藥治療的獨立應用，都能預防去卵巢大鼠發生骨質疏松，但聯合中藥能夠提高骨密度和骨強度，改善骨結構，從而提升振動治療的效果。在雌激素缺乏大鼠的骨折愈合期，全身振動能對雌二醇和雷洛昔芬起協同作用，其中雷洛昔芬+全身振動能夠有加強骨硬度和骨膜內骨，二者分別結合全身振動均能提高骨小梁密度，由破骨細胞表達的Trap也顯著降低[39]。

然而，也有觀點認為機械振動刺激促進骨質疏松骨皮質合成作用，修復受損骨，但不影響骨小梁，從骨的微結構方面而言，在采用阿倫磷酸鹽治療的同時聯用機械振動并不能提高療效[40, 41]。Hoffmann等[42]通過比較甲狀旁腺激素和雷奈酸鍶聯合全身振動治療骨質疏松癥模型大鼠的研究發現，振動治療不論是獨立應用或聯合應用均不會對骨質疏松的骨組織產生影響。Matsumoto[43]等在實驗中觀察到，雖然全身振動聯合甲狀旁腺激素治療并不能改變去卵巢大叔的骨皮質結構，但其礦化成熟度和硬度均恢復到假手術組的水平。雖然沒有證據表明兩種治療之間存在相互作用，但其聯合效應似乎存在累加效應，故該方法在治療絕經后骨質疏松癥上依然具有潛力。

3.4 全身振動與局部振動

研究表明，肌肉力量和骨密度具有定點效果，即對特定部位進行專門的力量訓練可增加或保持這一部位的骨質[44]。類似的，局部振動也有助于逆轉失重導致的骨與肌肉丟失，35Hz和45Hz的振動能夠有效改善骨小梁骨密度的降低，35Hz的振動能夠有效提高股骨和跟腱的生物力學特性[45]。但鑒于骨質疏松癥是一種全身性骨病，病變往往并不僅限于局部，因此目前在防治骨質疏松癥方面的研究多采用全身振動。

4 振動治療的安全性

機械振動的安全性一直備受關注。振動作為一種力學刺激，需要達到一定的強度和頻率才能促進肌肉骨骼組織的合成，抑制其分解，過低的強度和頻率難以到達有效部位或不能成為誘發成骨的閾上刺激。Aleyaasin等[46]通過分析得出，為了獲得骨強化，振動的頻率和振幅不應低于規定水平，低頻振動不足以刺激骨組織形成有效骨重建。Lai等[47]通過對實驗組中絕經后婦女施予高頻率(30Hz)、高強度(3.2 g)的全身振動(5 min/次，3次/周)，6個月后采用雙能X線吸收計量法測量腰椎骨密度發現，實驗組較前提高2.032%(P=0.047)，較對照組有顯著提高(P=0.016)。但必須注意的是，長期高強度的振動可能會對人體系統造成損害。有研究表明，全身振動可能誘發小鼠椎間盤變性的加重[48]。對于骨折患者，振動治療對骨折愈合有不利影響[49]。

通常我們認為短期的LMHFV是相對安全的，但目前對于機械振動的長期療效研究并不多。Xie等[50]研究發現，16周的全身振動(0.3 g，30Hz，20 min/d)可能加重去卵巢大鼠股骨骨小梁的丟失，尤其是在骨小梁密集的股骨頸區域，并導致骨密度和最大負荷的下降，Qing等[51]也認為初期的全身振動對骨質疏松癥療效確切，但療程并非越長越好。由此可見，機械振動的安全性受多種參數影響，如何根據不同人群制定一套安全有效的振動方案將是下一步的研究重點。

5 結語

機械振動作為一種短期、簡便、無創、不良反應少的物理療法在防治骨質疏松癥上極具潛力，其成骨效應已在多項研究中得到驗證，并獲得臨床試驗的支持。不可否認的是，目前在振動方案的研究，包括頻率、幅度、時間、模式的選擇上仍有爭議，不同的組合搭配的療效也不盡相同，尚未形成一套成熟規范的治療方案。此外，機械振動的具體機制尚未闡明，還需進一步研究。