不同類型運動對骨密度影響的研究進展

徐鋒鵬, 胡 敏, 黃俊豪, 林文弢

(1.廣州體育學院 運動與健康促進重點實驗室,廣東 廣州 510500;2.廣州體育學院 運動與健康系,廣東 廣州 510500)

不同類型運動對骨密度影響的研究進展

徐鋒鵬1, 胡 敏2, 黃俊豪1, 林文弢2

(1.廣州體育學院 運動與健康促進重點實驗室,廣東 廣州 510500;2.廣州體育學院 運動與健康系,廣東 廣州 510500)

運動影響骨密度(BMD)的機制主要靠機械外力(肌肉收縮和地面反沖擊力)直接作用而產生。關于兩者對BMD的影響還沒有定論,一般認為兩者均有促進骨骼生長的作用。骨骼對作用于其上的一系列力學信號產生反應,如應變幅度、應變率、應變分布、應變梯度、頻率、持續時間、加速、間歇等。在相同應變幅度下,爆發力項目對BMD提升的效果優于普通抗阻運動,高沖擊性/臨時沖擊性活動對BMD提升的效果優于低沖擊性活動。一定數量負荷循環可促進骨骼生長,長時間刺激使骨骼敏感度下降,當中有間歇可以增加成骨效應。由于運動時間長、運動量大等,耐力項目可引起睪酮/皮質醇比值降低、女性雌激素下降而對BMD的影響不太明顯。不同類型的混合運動方案(包含抗阻訓練和沖擊性活動)對提升BMD的效果比單一運動好。不同頻率的振動對BMD的影響值得深入研究。

運動; 肌肉收縮力; 地面反作用力; 應變幅度; 應變率; 骨密度

Author’s address 1. Key Lab of Sport and Health Promotion, Guangzhou Institute of Physical Education, Guangzhou 510500, Guangdong, China; 2. Department of Exercise and Health, Guangzhou Institute of Physical Education, Guangzhou 510500, Guangdong, China

運動給人體帶來的益處是多方面的,以往人們關注較多的是運動對肌肉、心血管系統、免疫系統的鍛煉價值。隨著人們生活水平的提高,運動對骨骼的影響逐漸受到重視。骨骼作為運動器官之一,具有抵抗外力、保護和承重的作用,傳統意義上一般用骨密度(BMD)作為測試骨強度(bone strength)的指標。BMD作為描述和診斷骨質疏松癥和評價骨折風險的一個有效、無創、可以定量測量的指標,雖然新的定量CT(QCT)技術可以測量三維立體骨密度(vBMD),但目前主流仍是雙能量X線吸收法(DEXA)測量二維面積骨密度(aBMD),如無特殊說明本文的BMD均指aBMD。然而, BMD 正常狀態下的患者仍可能發生骨折,或者相同 BMD 的人群,骨折的發生率也不同,為此學者們提出了骨質量(bone quality)的概念。

目前國際上對骨質量的定義是除了骨密度外,骨組織中所有與骨力量有關的特性,它包含了骨基質的礦化質量、骨膠原結構與組成成分、骨的微結構、骨重建及其更新率以及骨內微損傷累積與自身修復等方面[1-2],而BMD只是測試骨質量的眾多指標之一,其他如骨骼微結構、形態計量學參數、幾何形狀、生物力學特性等也與骨質量有一定關系。本文僅就運動與骨密度研究的最新進展進行綜述。

各種原因可以引起BMD下降,包括激素、衰老、營養、飲食、疾病、制動、太空飛行等,甚至引起骨質疏松。改善BMD的方法有很多,如藥物、營養、理療、運動等,臨床上以激素替代療法(HRT)、雄激素、甲狀旁腺素(PTH)、降鈣素、雙磷酸鹽(bisphosphonate)、阿侖膦酸鈉(alendronate)等為主的藥物療法雖然有一定效果,但有一定的副作用,如長期服用雌激素有導致患乳腺癌的風險,而且不是所有人都愿意服用藥物。有些藥物療法雖然可以顯著提高BMD(9%～15%),但不一定能提高對骨折的抵抗能力(7%～21%),即藥物雖然可以改善BMD卻不一定能夠提高骨強度。相反通過施加一定機械外力引起的小幅度BMD(5%～7%)提高卻可以帶來骨強度和抵抗骨折能力的大幅提高(64%～94%)[3],這說明運動療法對改善骨質量具有更好的效果。運動可以改善BMD,青少年通過運動可以提高峰值骨量(PBM),中老年人可以減緩骨量流失。各種健骨運動處方對不同人群有一定作用,但具體運動類型、運動強度、持續時間、頻率、療程等還有一定的不確定性,可能與不同受試對象(性別、年齡、遺傳、種族、肥胖、體重等)、運動方式、運動強度等有關,人類關于運動對BMD的影響仍需要深入研究。

1 機械外力及運動分類

1892年,Wolff提出骨轉化定律即骨功能的每一互變,都有與數學法則一致的、確定的、內部結構和外部形態變化,認為受力部位骨形成增加,骨吸收減少,而受力去除則骨形成減少,骨吸收增加。動物及人體研究均表明,制動[4-5]、微重力(太空飛行)[6]、長期臥床[7]、脊髓損傷、偏癱、骨折后固定等使成骨細胞功能下降,破骨細胞功能加強,引起BMD下降。這些主要表現在承重骨上,如股骨近端和腰椎,即以上原因引起的承重骨不再發揮承重作用而出現的肌肉收縮所克服的阻力減少或者沒有了GRF而發生廢用性或微重力性BMD下降或骨質疏松。可能受Wolff定律影響,早期人們認為只有抗重力的骨骼(WBB),如下肢骨(股骨頸或脛骨)、腰椎(LS)等才產生負荷,據此有人把給骨骼施加外力負荷的體力活動分為抗重力性活動(WBPA)(如各種球類、田徑項目、舉重等)和非抗重力性活動(Non-Weight Bearing Physical Activity,NWBPA,如游泳、自行車、劃船等)。大部分研究[8]表明,前者由于活動時下肢要承載和克服自身體重做功,因此對下肢(FN)或LS BMD的影響常常大于后者。該分類法強調由重力引起的地面反作用力(GRF)引起的應變幅度對骨骼的刺激作用,而未考慮來自肌肉的收縮力(MJF)以及其他應變參數如應變率的問題[9],因而有局限性。該分類法也未將耐力項目分開。

Frost[10-11]則在Wolff理論的基礎上指出骨組織對其力學環境的適應性相當強,每當力學環境變化后,骨的形狀、骨量以及骨的內部結構就會不斷地更新調整,以最佳的狀態適應不斷增加和變化著的力學環境的需要,由此提出了骨生物力學調控系統(mechanostat)理論,認為負荷承載骨(load bearing bones,LBB)不僅僅限于WBB,還包括上肢骨、顱骨(上頜骨、下頜骨)等。Frost還引入了應力(stress)和應變(strain)描述機械外力對骨骼的影響。應力是單位面積上作用于骨骼的外力,應變是外力引起骨骼變形的幅度占原來長度的比例,并用骨重建(remodeling)和塑建(modeling)描述骨的吸收和形成。機械外力主要來自肌肉收縮,而不是身體的重力,并指出肌肉力量與LBB有比較密切的“因果效應關系”。小于骨重建的最小有效應變[MESr,(50～100)×10-6ε]或大于病理性最小有效應變(MESp,3 000×10-6ε)的機械外力都對骨骼發育不利。前者使骨骼處于廢用狀態,將使骨吸收大于骨形成,后者因外力過大將引起微骨折,而最有利于骨量沉積的骨應變范圍應在MESm～MESp,約為(1 500～2 500)×10-6ε。相關研究也支持該理論,如適量運動促進骨量增加,廢用或過度運動則不利于骨量的增加[12-13]。

目前認為作用于骨骼的外力可分為肌肉直接牽拉(MJF)和由于重力作用身體下落過程中來自地面的反作用力或其他物體直接反擊的沖擊力(SRF),如武術中擊打沙袋或對方身體帶來的對上肢的反沖擊力或者網球對持拍手臂的沖擊力等。Snow-Harter等[14]對52名健康女大學生進行了8個月的RCT實驗,實驗對象分為舉重組、慢跑(Jogging)組和對照組,舉重組代表MJF,慢跑組代表GRF。結果顯示雖然實驗對象的肌肉力量素質只有舉重組顯著增加,但舉重和慢跑組均顯著增加了腰椎(LS)BMD(絕對值和相對值),而且和對照組相比差異具有顯著性,這說明MJF或GRF均可引起骨量增加。2008年美國運動醫學協會 (ACSM) 年會專門討論了該問題,多位專家發表了不同的觀點[3,15-16]。關于兩者對BMD的影響還沒有定論,一般認為兩者均具有促進骨骼生長的作用,2種刺激協同作用對促進骨骼生長效果最好。

研究表明,骨骼會對作用于其上的一系列力學信號產生反應,比如應變幅度、應變率、應變梯度、頻率、加速和間歇等[15,17]。改變負荷的刺激時間方式,比如插入休息間歇可以使原本對骨骼沒有刺激作用的負荷變成成骨效應很強的負荷[18]。同樣,應變幅度非常小的機械外力,至少比Frost的力學傳導系統規定的骨塑建最小有效應變(MESm)小2個級別的外力,如果以高頻率(如大于25 Hz)的方式施加于骨骼,也具有成骨效應[19-20]。研究表明,動態性活動即應變率大于0的活動比靜態活動(應變率為0)具有較好的成骨效應[21-23]。在相似應變幅度(體重)情況下,跳躍對下肢骨的應變率大于跑步,跳躍比跑步更具有成骨性[24-25]。Nikander 等[26]在研究不同負荷對女性髖關節結構分析(HSA)的影響時,選擇幾種常見競技運動員進行比較并將運動類型分為:高沖擊性負荷模型(如排球、跨欄等),臨時沖擊性負荷模型(如壁球、足球、速度滑冰、踏板操等),大幅度肌肉負荷模型如舉重,重復性低沖擊性負荷模型如定向越野、越野滑雪等,重復性非沖擊性負荷模型如游泳、騎自行車等。Kohrt等[3]把來自GRF對骨骼起作用的運動稱為沖擊性活動(IA),把主要有MJF影響骨骼的運動稱為非沖擊性活動(NIA)。前者主要指各種球類和田徑項目,又分為高沖擊性活動(HIA,如排球、籃球、跳高、跳遠、自由體操等)和低沖擊性活動(LIA,如慢跑等);后者又分為抗重力性(如舉重)和體重支持性活動(如騎自行車、游泳、劃船等)。這些分類法考慮了應變率和應變分布等因素,對研究運動與骨骼的關系有實用價值。

2 抗阻訓練對BMD的影響

大部分研究[27-30]表明,肌肉收縮負荷與BMD有顯著相關性。Heinrich等[31]研究發現，健美運動員在腰椎、股骨和橈骨等部位BMD均高于游泳、跑步以及安靜對照組,說明抗阻訓練對提升BMD的效果比耐力項目好。研究表明,肌肉體積或質量與所附著的骨骼BMD呈正相關[32-34]。在地面模擬微重力動物實驗(尾部懸垂)[5,35]狀態下或人體臥床實驗[7]均表明,單純肌肉收縮或抗阻訓練可以對抗制動引起的BMD的下降,但在太空飛行狀態下宇航員單純做抗阻訓練對抗微重力引起的BMD下降效果卻不太好,可能與所選運動方案不同或太空中電離輻射[36]有關。

James等[37-38]在2006年發表2篇關于抗阻訓練分別對絕經前和絕經后婦女BMD影響的Meta分析,用嚴格的篩選標準從MEDLINE、EMBASE、PubMed、Web of Science、SportDiscus和Evidence Based Medicine Reviews Multifile等數據庫中分別搜索出7篇和14篇相關文獻,結果顯示,抗阻訓練對改善絕經前和絕經后婦女LS BMD有一定效果,而對改善FN BMD的效果不明顯。也有研究報道抗阻訓練可以增加或保持絕經后女性[39]和老年男性[40]FN BMD,提示研究結果的不一致性。James和Carroll指出,入選文獻的質量得分偏低,沒有研究提供有效的意向性處理(ITT)分析受試對象的高退出率問題,以及通過漏斗圖進行分析發現存在偏向陽性研究結果的不對稱性(出版偏倚),因此認為對結果的解釋應保守一點。另外,他們的研究對象均為中老年人,可能對運動刺激的敏感度不如年輕人,考慮到老年人體力特點,運動方式和強度的選擇也不可能像年輕人一樣劇烈。

肌穩素是控制哺乳動物肌肉生長的轉錄因子,它可以控制肌肉的過度增長。肌穩素基因敲除的比利時藍牛表現出比同類多得多的肌肉體積,同時體脂明顯減少。然而,肌穩素基因敲除小鼠并不會引起所有部位的骨量增加,其股骨遠端小梁骨體積也未受到基因敲除的影響。應用肌穩素欺騙受體同樣可以消除肌穩素的作用,4周后該方法引起的小鼠肌肉增加量大約為30%,而該模型小鼠股骨遠端小梁骨體積(BV/TV)和基因敲除小鼠相比增加大約100%[15]。

最新研究發現,肌肉不但是運動器官,還是內分泌器官,運動時肌肉細胞可以分泌很多細胞因子,如IL-6、IL8、IL-15等,由于這些因子在運動后分泌明顯增多,故與肌肉收縮有直接關系,因此有人把這些因子稱為“運動因子”或“肌肉因子”[41]。鳶尾素(Irisin)是一個新發現的肌肉因子,其最初效應被認為是促進白色脂肪棕色化,從而對肥胖和Ⅱ型糖尿病具有一定治療作用。其來源于希臘神話信使女神(Iris),因可以介導過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子1α(PGC-1α)對白色脂肪的棕色化效應而得名[42]。運動時肌肉過量表達PGC-1α,而PGC-1α可以刺激膜蛋白Ш型纖維連接蛋白域包含蛋白5(FNDC5)的表達,后者可進一步裂解為Irisin,并釋放入外周血。動物體內外研究表明,Irisin可以促進骨髓成骨細胞分化,直接或[43]間接(通過白色脂肪的棕色反應)[44]使小鼠皮質骨骨量增加。研究表明,人體肱二頭肌緯度與外周血Irisin濃度呈正相關[45]。

Stengel等[46]研究發現,12個月的高速收縮抗阻訓練(爆發力訓練)比慢速收縮抗阻訓練產生更大的應變速率,因而對絕經后婦女LS和髖部BMD的效果更好,說明肌肉收縮的速度越快,應變率越高,對骨骼的刺激作用就越大,越有利于骨骼生長,這也可能是一般認為舉重項目比普通健美運動對提升BMD的效果更好的原因,因為健美訓練主要講究肌肉體積,訓練時一般使用相對較小的抗阻負荷,而舉重項目更講究爆發力。Gray等[47]研究認為,爆發力訓練和力量訓練對絕經前婦女BMD的影響無差別,但他們的研究未設置安靜對照組,有可能爆發力和力量訓練對提升BMD均有效果。也可能與訓練方案的選擇有關,他們的爆發力訓練只使用自身體重,沒有外部阻力。

3 沖擊性活動對BMD的影響

由于沖擊性活動既有GRF又有MJF,故沖擊性活動對骨骼的作用較好,特別是HIA[17,48-49]。Nikander等[26]研究表明,除了重復性非沖擊性負荷模型外,高沖擊性和臨時沖擊性以及大幅度肌肉負荷模型用年齡、身高、體重矯正的FN BMD顯著高于對照組(P<0.05)。用正向逐步回歸分析發現除了重復性非沖擊性負荷模型外,其他負荷模型與股骨頸BMD相關性均顯著高于對照組。

研究表明,沖擊性活動對FN BMD效果比較好[50]。Vainionpaa等[51]用RCT法研究了HIA(包括踏步、跺腳、跳躍、踏板、跑步和步行等,時間為1年)對絕經前女性BMD的影響,結果顯示HIA對FN、轉子間、總髖關節(TH)有顯著影響,對腰椎L1也有作用,但對L2～L4無顯著影響。Korpelainen等[52]用RCT法研究了30個月沖擊性活動對低BMD基礎值絕經后女性BMD的影響,結果顯示對照組FN和轉子間BMD顯著下降,而沖擊性活動組無顯著變化,但兩組間未發現交互作用。James等[53]在《步行對絕經后女性BMD影響的Meta分析》中也認為,步行對LS BMD無影響,對提升FN BMD有積極作用。

人體實驗也表明,用加速度計表示的沖擊性活動強度與BMD變化呈顯著正相關[54]。Nordstrom等[55]通過橫向對比研究表明,青少年男性羽毛球運動員經體重矯正的BMD顯著高于青少年男性冰球運動員,特別是在股骨近端和遠端,盡管前者平均每周訓練時間顯著少于后者,而后者又高于對照組。羽毛球運動包含大量各個不同方向并且運動員不能事先預見的跳躍動作,屬于HIA/OIA。冰球運動沒有跳躍,但也需要經常在冰上快速地改變方向以及快速啟動和停止,屬于重復性、低沖擊性活動。該研究說明高沖擊性/臨時沖擊性活動對提升BMD的效果優于低沖擊性活動,但該研究也存在橫向研究的缺點,如選擇偏倚問題。

近年研究傾向于抗阻運動和沖擊性運動結合起來干預具有明顯的優勢。2009年，James和Carroll在沖擊性活動對絕經后女性BMD影響的Meta分析中認為,包含慢跑和低沖擊性活動(如步行和爬樓梯)以及包含沖擊性活動和大幅度肌肉負荷活動(抗阻訓練)的混合運動方案對提升LS和FN BMD有顯著效果,單純高沖擊性/臨時沖擊性活動對提升BMD均無顯著效果。2010年，James和Carroll在于沖擊性活動對絕經前女性BMD影響的Meta分析中指出,包含臨時沖擊性/高沖擊性活動和大幅度肌肉負荷(抗阻訓練)的混合運動方案對提升絕經期女性LS和FN BMD最有效,而高沖擊性活動的方案僅對提升FN BMD有一定效果。2015年，Zhao等在不同抗阻訓練模式對絕經后女性BMD影響的Meta分析中指出,混合性運動方案(包含抗阻訓練和高沖擊性/抗重力性運動)對提升絕經后女性LS和FN BMD有顯著效果,而單純抗阻訓練只能引起FN和LS BMD的非顯著性提升。

4 耐力項目對BMD的影響

大量橫向研究表明,耐力項目如長跑、馬拉松、自行車、游泳、鐵人三項、劃船等運動員BMD和對照組差別不明顯,甚至低于對照組,而不管是沖擊性活動或非沖擊性活動[26-27,48]。研究表明,經過一定次數負荷的循環之后,骨骼對外力的反應能力會逐漸下降,單純增加骨骼負荷的重復次數不一定帶來BMD的進一步提升[17],說明長時間的耐力運動對BMD的刺激作用不會進一步增強。

有學者指出,耐力項目運動員中等和劇烈運動時出汗引起的鈣丟失約為70 mg/d。故耐力項目運動員每天訓練時間比其他項目長,鈣的需要量可能更多。耐力運動時皮膚鈣丟失可引起血鈣降低,從而刺激甲狀旁腺素分泌以動員骨鈣防止血鈣進一步降低,這也可解釋耐力運動不利于BMD的提升。研究發現,耐力運動引起PTH升高,使用高鈣水可以恢復。另外影響耐力運動與BMD的關系還有其他因素,如長期的能量供應不足、營養缺乏以及耐力運動引起促進骨骼吸收的因子增加等。耐力項目運動量通常比較大,容易引起過度訓練,導致內分泌紊亂,如睪酮(T)/皮質醇(C)比例倒置、女運動員雌激素下降并引起月經紊亂等,這些也可以抵消運動提升BMD的效果。

5 結束語

爆發力項目對提升BMD的效果優于普通抗阻運動,高沖擊性/臨時沖擊性活動對提升BMD的效果優于低沖擊性活動。耐力項目對提升BMD的效果不太明顯,不同類型的混合運動方案對提升BMD的效果比單一運動效果好。不同頻率的振動對提升BMD的影響值得進一步研究。

[1]王桂華.骨質量的影響因素及其檢測方法[J].醫學研究生學報,2011,24(10):1095-1098

[2]Sibai T,Morgan E F,Einhorn T A.Anabolic agents and bone quality[J].Clinical Orthopaedics and Related Research,2011,469(8):2215-2224

[3]Kohrt W M,Barry D W,Schwartz R S.Muscle forces or gravity:What predominates mechanical loading on bone?[J].Medicine and Science in Sports and Exercise,2009,41(11):2050-2055

[4]陳冬平.限制運動對大鼠股骨、脛骨物理性狀、生物力學指標及骨形成蛋白2表達的影響[J].第四軍醫大學學報,2007,28(11):964-967

[5]Lam H,Qin Y.The effects of frequency-dependent dynamic muscle stimulation on inhibition of trabecular bone loss in a disuse model[J].Bone,2008,43(6):1093-1100

[6]Lang T,LeBlanc A,Evans H,et al.Cortical and trabecular bone mineral loss from the spine and hip in long-duration spaceflight[J].Journal of Bone & Mineral Research,2004,19(6):1006-1012

[7]Shackelford L C,Leblanc A D,Scoll T B,et al.Resistance exercise as a countermeasure to disuse-induced bone loss[J].Journal of Applied Physiology,2004,97(1):119-129

[8]Duncan C,Blimkie C,Cowell C,et al.Bone mineral density in adolescent female athletes:Relationship to exercise type and muscle strength[J].Medicine & Science in Sports & Exercise,2002,34(2):286-294

[9]Rubin C,Lanyon L.Regulation of bone mass by mechanical strain magnitude[J].Calcified Tissue International,1985,37(4):411-417

[10]Frost H M.A 2003 update of bone physiology and Wolff’s Law for clinicians[J].Angle Orthodontist,2004,74(1):3-15

[11]Frost H M.Wolff’s Law and bone’s structural adaptations to mechanical usage:An overview for clinicians[J].Angle Orthodontist,1994,64(3):175-188

[12]章曉霜.不同強度運動和雌激素聯合作用對去卵巢大鼠骨骼影響的實驗研究[D].上海:華東師范大學,2004:15-17

[13]Bourrin S,Ghaemmaghami F,Vico L,et al.Effect of a five-week swimming program on rat bone:A histomorphometric study[J].Calcified Tissue International,1992,51(2):137-142

[14]Snow-Harter C,Bouxsein M,Lewis B,et al.Effects of resistance and endurance exercise on bone mineral status of young women:A randomized exercise intervention trial[J].Journal of Bone & Mineral Research,1992,7(7):761-769

[15]Judex S,Carlson K J.Is bone’s response to mechanical signals dominated by gravitational loading?[J].Medicine and Science in Sports and Exercise,2009,41(11):2037-2043

[16]Beck B R.Muscle forces or gravity-what predominates mechanical loading on bone?:Introduction[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，2009,41(11):2033-2036

[17]Morseth B,Emaus N,J?rgensen L.Physical activity and bone the importance of the various mechanical stimuli for bone:mineral density.A review[J].Norsk Epidemiologi,2011,20(2):173-178

[18]Gross T S,Srinivasan S.Building bone mass through exercise:Could less be more[J]. British Journal of Sports Medicine,2006,40(1):2-3

[19]Gilsanz V,Wren T A,Sanchez M,et al.Low-level,high-frequency mechanical signals enhance musculoskeletal development of young women with low BMD[J].Journal of Bone Mineral Research,2006,21(9):1464-1474

[20]Xie L,Jacobson J M,Choi E S,et al.Low-level mechanical vibrations can influence bone resorption and bone formation in the growing skeleton[J].Bone,2006,39(5):1059-1066

[21]Lanyon L E,Rubin C T.Static vs dynamic loads as an influence on bone remodelling[J].Journal of Biomechanics,1984,17:897-905

[22]O’Connor J A,Lanyon L E,MacFie H.The influence of strain rate on adaptive bone remodelling[J].Journal of Biomechanics,1982,15(10):767-781

[23]Turner C H,Owan I,Takano Y.Mechanotransduction in bone:Role of strain rate[J].American Journal of Physiology,1995,269(3):438-442

[24]Judex S,Zernicke R F.High-impact exercise and growing bone:Relation between high strain rates and enhanced bone formation[J].Journal of Applied Physiology,2000,88(6):2183-2191

[25]Umemura Y,Ishiko T,Tsujimoto H,et al.Effects of jump training on bone hypertrophy in young and old rats[J].International Journal of Sports Medicine,1995,16(6):364-367

[26]Nikander R,Sievanen H,Heinonen A,et al.Femoral neck structure in adult female athletes subjected to different loading modalities[J].Journal of Bone & Mineral Research,2005,20(3):520-528

[27]Heinonen A,Oja P,Kannus P,et al.Bone mineral density of female athletes in different sports[J].Bone & Mineral,1993,23(1):1-14

[28]Morel J,Combe B,Francisco J,et al.Bone mineral density of 704 amateur sportsmen involved in different physical activities[J].Osteoporosis International,2001,12(2):152-157

[29]Maddalozzo G F,Snow C M.High intensity resistance training:Effects on bone in older men and women[J].Calcified Tissue International,2000,66(6):399-404

[30]Vincent K,Braith R.Resistance exercise and bone turnover in elderly men and women[J].Medicine & Science in Sports & Exercise,2002,34(1):17-23

[31]Heinrich C,Going S,Pamenter R,et al.Bone mineral content of cyclically menstruating female resistance and endurance trained athletes[J].Medicine & Science in Sports & Exercise,1990,22(5):558-563

[32]王沛,劉春,黃欣加.骨質疏松的運動防治研究[J].南京體育學院學報(自然科學版),2003,2(4):30-33

[33]孫衛華.骨質疏松與運動的健骨機制[J].中國組織工程研究與臨床康復,2007,11(41):8 353-8 355

[34]鄧士琳.絕經后骨質疏松癥運動療法的研究進展[J].武漢體育學院學報,2009,43(1):59-64

[35]Fluckey J D,Dupont-Versteegden E E,Montague D C,et al.A rat resistance exercise regimen attenuates losses of musculoskeletal mass during hindlimb suspension[J].Acta Physiologica Scandinavica,2002,176(4):293-300

[36]楊曉勇,唐輝,徐永清,等.模擬空間環境X射線和微重力對大鼠骨丟失的影響[J].第三軍醫大學學報,2015,37(12):1232-1236

[37]James M M,Carroll S.Progressive high-intensity resistance training and bone mineral density changes among premenopausal women[J].Sports Medicine,2006,36(8):683-704

[38]James M M,Carroll S.High-intensity resistance training and postmenopausal bone loss:A meta-analysis[J].Osteoporosis International,2006,17(8):1225-1240

[39]Nelson M E,Fiatarone M A,Morganti C M,et al.Effects of high-intensity strength training on multiple risk factors for osteoporotic fractures:A randomized controlled trial[J].Journal of the American Medical Association,1994,272:1909-1914

[40]Menkes A,Mazel S,Redmond R A,et al.Strength training increases regional bone mineral density and bone remodeling in middle-aged and older men[J].Journal of Applied Physiology,1993,74(5):2478-2484

[41]Pedersen B K,Akerstrom T C A,Nielsen A R,et al.Role of myokines in exercise and metabolism[J].Journal of Applied Physiology,2007,103(3):1093-1098

[42]Bostrom P,Wu J,Jedrychowski M P,et al.A PGC1α-dependent myokine that drives browning of white fat and thermogenesis[J].Nature,2012,481(7382):463-468

[43]Colaiannia G,Cuscitoa C,Mongellia T,et al.The myokine irisin increases cortical bone mass[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2015,112(39):12157-12162

[44]Sima R,Yalin L,Czernik P J,et al.Inducible brown adipose tissue,or beige fat,is anabolic for the skeleton[J].Endocrinology,2013,154(8):2687-2701

[45]HuhJY,G P,V M,et al.FNDC5 and irisin in humans:I.Predictors of circulating concentrations in serum and plasma and II.mRNA expression and circulating concentrations in response to weight loss and exercise[J].Metabolism Clinical & Experimental,2012,61(12):1725-1738

[46]Stengel S,Kemmler W,Pintag R,et al.Power training is more effective than strength training for maintaining bone mineral density in postmenopausal women[J].Journal of Applied Physiology,2005,99(1):181-188

[47]Gray M,Brezzo R,Fort I.The effects of power and strength training on bone mineral density in premenopausal women[J].Journal of Sports Medicine & Physical Fitness,2013,53(4):428-436

[48]Heinonen A,Oja P,Kannus P,et al.Bone mineral density in female athletes representing sports with different loading characteristics of the skeleton[J].Bone,1995,17(3):197-203

[49]Grove K A,Londeree B R.Bone density in postmenopausal women:High impact vs low impact exercise[J].Medicine & Science in Sports & Exercise,1992,24(11):1190-1194

[50]Kohrt W,Ehsani A,Birge S J.Effects of exercise involving predominantly either joint-reaction or ground-reaction forces on bone mineral density in older women[J].Journal of Bone & Mineral Research,1997,12(8):1253-1261

[51]Vainionpaa A,Korpelainen R,Lepp?luoto J,et al.Effects of high-impact exercise on bone mineral density:A randomized controlled trial in premenopausal women[J].Osteoporosis International,2005,16(2):191-197

[52]Korpelainen R,Kein?nen-Kiukaanniemi S,Heikkinen J,et al.Effect of impact exercise on bone mineral density in elderly women with low BMD:A population-based randomized controlled 30-month intervention[J].Osteoporosis International,2006,17(1):109-118

[53]James M S,Carroll S.Meta-analysis of walking for preservation of bone mineral density in postmenopausal women[J].Bone,2008,43(3):521-531

[54]Vainionpaa A,Korpelainen R,Vihri?l? E,et al.Intensity of exercise is associated with bone density change in premenopausal women[J].Osteoporosis International,2006,17(3):455-463

[55]Nordstrom P,Pettersson U,Lorentzon R.Type of physical activity,muscle strength,and pubertal stage as determinants of bone mineral density and bone area in adolescent boys[J].Journal of Bone & Mineral Research,1998,13(7):1141-1148

Research Development of the Effects of Physical Activities on Bone Mineral Density

XU Fengpeng1, HU Min2, HUANG Junhao1, LIN Wentao2

Mechanical forces that act on bone are generated from impact with the ground (ground-reaction forces) and from skeletal muscle contractions (muscle forces or muscle-joint forces), but the relative importance of these two sources has not been elucidated yet. Both muscle-joint forces and gravitational forces seem to be able to induce bone adaptation independently. Bone is sensitive to a variety of mechanical parameters including, but certainly not limited to, strain magnitude, strain rate, strain gradient, strain frequency, duration, acceleration, or rest intervals. Under the same strain magnitude, power training is more effective than strength training, and high impact/odd impact activity is more effective than low impact activity in augmenting BMD. A few loading cycles seem sufficient for bone accretion; while a long duration seems to make bone less sensitive. And a rest period after each loading cycle can increase the osteogenic response. Endurance activities seem to be beneficial to a less degree at increasing BMD due to sustained, long duration exercises which may be related to lower Testosterone/Cortisone ratio or female Estrogen levels. Combined protocols integrating odd- or high-impact exercise with resistance exercise are more effective in increasing BMD than single type exercises. The effect of vibration of certain frequency on BMD needs to be studied in the future.

physical activities; muscle joint force; ground reaction force; stain magnitude; strain rate; bone mineral density(BMD)

2016-05-06；

2016-08-16

廣東省教育廳創新強校資助項目(2014KTSCX122)

徐鋒鵬(1970-),男，河南商丘人，廣東體育學院實驗師,博士;Tel.:13503013565,E-mail:muscleboy@139.com

胡敏(1969-),男，湖北黃梅人，廣州體育學院博士,珠江學者特聘教授,博士生導師;Tel.:13902208532,E-mail:whoomin@hotmail.com

G804

A

1000-5498(2017)01-0055-06

DOI 10.16099/j.sus.2017.01.010