运动对青少年骨骼生长发育的影响及机制

赵仁清

摘要：为研究在青春期养成良好的运动习惯对骨骼生长发育的影响及可能的机制，对165名小学生进行问卷调查和体质测量，分别在实验开始、第1和第2年测试：身高(H)、体重(W)、脂肪含量(FM)、瘦体重含量(LM)、全身骨密度(BMD)、骨量(BMC)和骨面积(BA)及血清瘦素(Le)、雌二醇(E2)、IGF-I等。运动情况根据问卷调查获得。结果表明在基础测量时经常运动(HP)与不经常运动组(LP)之间各项指标没有显著性差异。在一年后的第二次测量时经常运动组的BMD (HP: 922±79 g/cm²; LP: 900±76 g/cm²; p=0.010)、BMC(HP: 1636±262 mg; LP: 1421±364 mg; p=0.039)明显比不经常运动组高。而在第三次测量经常运动组LM (HP: 34.5±3.9kg; LP: 33.1±3.9kg; p=0.019)、BMD (HP: 1028±66 g/cm²; LP: 995±77 g/cm²; p=0.009)和BMC(HP: 1916±300 mg; LP: 1812±331 mg; p=0.010)也明显高于不经常运动组。无论在第二、三次测量时二组间的BA、血清Le、E2和IGF-I却没有显著差异。提示良好的运动习惯明显促进青少年骨骼生长发育，其可能的机制是肌肉在运动时产生的机械牵张力是促进骨骼生长发育的主要因素，而不是通过改变激素的分泌对骨骼产生调节作用。

关键词：青春期骨骼发育；运动；激素；机械力作用

中图分类号：G804.49文献标识码：A文章编号：1004-4590(2009)01-0069-04

Abstract:The study aimed to investigate the influence of physical activity on pubertal bone growth. The 165 healthy adolescents volunteered to participated in the study to determine the changes of body height, body weight, lean mass, BMD, BMC and BA as well as serum leptin, estradiol, IGF-I. The level of physical activity was determined by questionnaire. There were no any difference in hormones, BMD, BMD, BA and LM between high and low physical activity groups at baseline. Increased BMD, BMC at second measurement, and elevated LM, BMD and BMC at third measurement were found in high physical activity group, without any significant differences in BA and serum leptin, estradiol, IGF-I. It suggested that physical activity contributed to pubertal bone growth, and the mechanical load was the regulating factor but not endocrinal mechanism.

Key words: Pubertal bone growth; Physical activity; Hormones; Mechanical Strains

运动能明显促进青少年骨骼生长发育，在青春期开始运动要比成年时期才开始运动对骨骼的影响更明显^[1]。目前关于运动影响骨骼生长发育的文献报道大多数是运动干预实验研究^[2,3]，而我们在生活中多是以休闲、娱乐为主的运动，这种运动对青春期骨骼生长发育有什么样的影响？通过什么机制来实现的？目前还不清楚。另外，青春期的生长发育是一个连续、动态的过程，目前这方面的纵向跟踪研究很少。因此，本课题进行追踪测量骨骼的生长发育特点及相关影响因素，这为研究青春期骨骼生长发育及影响因素提供新的尝试。

1 对象和方法

1.1 研究对象

受试者为浙江地区小学生，经过体格检查及确定没有影响骨骼代谢的疾病史后，有165名学生符合条件、参加本项研究。她们平均年龄是11.0±0.8岁，身高：142 ±7.7 厘米，体重：38.6 ±8.1公斤。向受试者和家长介绍实验的过程，取得家长的同意和学生的配合，实验开始进行。

1.2 实验设计

本实验分为问卷调查和实验测量二部分。问卷调查主要是了解受试者平时参加运动的情况并进行相应的评分，根据评分进行分组，然后做进一步的统计学分析(详细说明见1.4)。体质测量部分在问卷调查完成之后进行，共进行3次实验测量，分别在实验开始、第1和第2年测试受试者的身高(H)、体重(W)、脂肪含量(FM)、瘦体重含量(LM)、全身骨密度(BMD)、骨量(BMC)和骨面积(BA)。同时检测血清雌二醇(E2)、IGF-I和瘦素(Le)(表1)。

1.3 测试内容及方法

1.3.1 一般指标的测试

体重、身高采用“身高、体重电子测量仪”，体重测量的数值精确到0.1公斤，身高测量的数值精确到0.5厘米。

1.3.2 全身骨密度、骨量和骨面积及体成分的测定

全身骨密度、骨量和骨面积以及脂肪含量、瘦体重含量采用双能X线吸收仪(dual-energy X-ray absorptiomery，DEXA) (Prodigy, GE lunar Corp., Masison, WI USA)测量(表1)。骨量的测量误差为0.6%，骨面积的测量误差为0.8%。

1.3.3 激素的测定

标本制备 血液标本在早晨6-8点钟空腹采集。血液采集后静置使血液凝固并离心处理，提取血清置于-200C冰箱中保存待分析。

检测方法 雌二醇、瘦素采用化学发光免疫法测定(Diagnostic Systems Laboratories, Webster, TX, USA)。雌二醇组内和组间误差分别是：8.5%和13.3%；；瘦素组内和组间误差分别是：6.5%和7.9%。血清IGF-I采用放射免疫法测定(Diagnostic Products Corporation, Los Angeles, CA, USA)，组内和组间误差分别是：5.1% 和 6.7%(表1)。

1.4 运动情况的问卷调查

受试者的运动情况采用世界卫生组织评估运动情况的评分标准^[4]。问卷主要调查最喜欢的三种运动是什么，及每种运动的持续时间、强度和每周参加运动的次数。运动的类型要区分为是不是以承受体重为运动方式^[5]，根据下列公式来计算运动评分情况：

运动情况评分＝(频率×强度指数×持续时间×负荷方式)

根据公式对所有受试者进行评分，计算出组平均值和标准差(means±SD)，然后再根据组平均值和标准差将评分划分为三个运动组别：评分在平均值加减一个标准差范围内(means±1SD)为一般运动组；评分大于平均值加一个标准差(>means+1SD)为经常运动组(表示经常参加运动，养成良好的运动习惯)；评分小于平均值减一个标准差(

1.5 数据处理

采用SAS (Statistics Analysis System) 统计软件8.01对数据进行分析。分别在第一、二和三次对经常和不经常运动组之间各项指标进行T检验，数据分析是在相关理论依据的基础上进行的，而不是单纯地依靠数据的结果。数据采用平均值(means)±标准差(SD)进行报道，p<0.05为有显著性意义。

2 结果

2.1 经常和不经常运动组间在基础测量时的相关指标对比

我们对经常运动和不经常运动组间相关指标的基础测量值进行T检验，结果表明经常运动组和不经常运动组二组间的身高、体重、BMI、FM、LM及BMD、BMC、BA和血清瘦素雌二醇和IGF-I在基础测量时没有显著性差异(表2)。

2.2 经常和不经常运动组第二次测量时相关指标的对比

为探讨在青春期快速生长阶段，运动习惯是不是对青少年骨骼生长发育有着重要的影响，我们对经常运动组和不经常运动组第二次测量结果进行统计分析，计算这两组间各项指标的差异是否具有显著性。结果表明经常运动组BMD (HP: 922±79 g/cm²; LP: 900±76 g/cm²; p=0.010)，BMC(HP: 1636±262 mg; LP: 1421±364 mg; p=0.039)明显比不经常运动组高，而二组间其它指标没有显著性差异(表3)。

2.3 经常和不经常运动组第三次相关指标的对比

我们也对经常运动组和不经常运动组第三次测量结果进行T检验，对比这两组间各项指标的差异是否具有显著性。结果表明经常运动组LM (HP: 34.5±3.9kg; LP: 33.1±3.9kg; p=0.019)、BMD (HP: 1028±66 g/cm²; LP: 995±77 g/cm²; p=0.009)和BMC(HP: 1916±300 mg; LP: 1812±331 mg; p=0.010)明显比不经常运动组高，而二组间BA和血清瘦素、雌二醇和IGF-I却没有显著性差异(表4)。

3 讨 论

本实验旨在探讨在青春期养成良好的运动习惯是否对青少年的骨骼生长发育产生良好的影响及这种影响的机制。结果表明经常运动组和不经常运动组青少年的骨密度、骨量和瘦体重含量在第二、三次测量时有显著差异，而骨面积、血清E2、Le、IGF-I差异不明显，提示青春期是骨骼对运动的敏感时期，良好的运动习惯可以促进骨骼的生长发育，运动时产生的肌肉牵张力实现这种影响的主要机制。

运动是调节骨骼生长发育的重要因素，大量文献报道中、短期运动(8-10个月)可以明显促进骨骼矿物质的积累^[1,2,3]。运动对骨骼的影响可以从“机械负荷理论”(mechanostat theory)来解释^{[6, 7]}，肌肉的机械力与骨骼之间形成比较密切的“力量-效应”关系(cause-and-effect relationship)，在这个机制中肌肉的牵张力要比“单纯的体重负荷”更重要^[8]。但是目前长期追踪研究 (2-3年或更长) 运动影响骨骼生长发育的文献比较少见，这主要是因为进行长期的运动干预实验比较困难。因此，利用问卷方式了解青少年平时运动情况，以此来研究长期运动习惯对骨骼生长发育的影响可能是一个非常有效的解决途径。

“运动习惯在调节骨骼生长发育、维持骨量中作用”目前成为运动医学领域研究热点课题之一，因为大多数人都是进行自己喜好的、以休闲、娱乐为主的运动，并非都是进行有特定强度、规定时间的运动，这些日常以休闲为主的运动方式是否对骨骼发育也有良好的促进作用，日益受到关注。一些横向研究表明^[9]：良好的运动习惯对青春期骨骼矿物质积累起到积极的促进作用。大多文献称这个时期为“青春期快速生长”(pubertal growth spurt)，在这个时期进行身体运动要比在青春后期或成年时期运动会更有效。

研究结果表明，在实验开始时经常运动组和不经常运动组的女孩在年龄、身高、体重、脂肪含量、瘦体重含量、激素及相应骨骼各项指标没有显著性的差异(表2)，在二年的生长发育过程中身体各项指标发生显著的变化(表3, 4)，经常运动组在第二测量时BMD和BMC及第三次测量时BMD和BMC和LM比不经常运动组明显高，而全身BA及血清E2、Le、IGF-I没有显著性的差异。这表明运动习惯对青春期骨骼的矿物质沉积有良好的促进作用。大量的资料也支持我们的结果。文献报道在青春期，经常参加运动青少年其全身BMC、BMD明显比对照组高，腰椎、股骨颈的BMC和BMD也比对照组高^[10]。在青春期养成良好的运动习惯对骨骼的生长发育有着积极促进作用，Slemenda^[1]把青春期定义为骨骼矿物质积累的最关键时期，在这个时期经常参加运动的青少年比不喜欢运动的同年龄者全身BMD高出大约4%，这表明运动对这个时期青少年骨骼矿物质的积累有益处。

全身BA在经常运动组与不经常运动组之间没有显著性的差异，这可能提示，像这种中、低强度的运动可能对骨的几何形态没有显著的影响，而对骨骼矿物质的沉积具有更为显著的促进作用。在一项长期网球和壁球运动对骨骼生长发育的影响的研究中^[3]，提示从青春期开始运动的受试者其运动侧的肱骨横截面积要对照侧要大，骨髓腔要小，这提示这种大强度的运动也会对骨骼的几何形态发育产生较大的影响，而且在青春期开始运动者比在成年期才参加运动者对骨骼的影响要明显。由于我们受试者是一种休闲、娱乐为主的运动，为中、低强度的运动，测量的是全身骨骼变化(全身骨面积不会反应骨髓腔大小的变化)，也就不会有上述文献的结果。

经常运动组有比不经常运动组要高的LM。这提示运动习惯导致肌肉力量的增加(LM能够反应机体肌肉力量的发育情况)是促进经常运动组骨骼良好变化的主要因素。大量的文献报道了LM与全身的BMD、BMC呈现高度相关，因此在青春期运动习惯影响骨骼的矿物质的积累是通过增加肌肉对骨骼的牵张力这个机制来实现的。因此，青春期是一个较好“运动-骨骼适应”的关键时期。LM对骨骼代谢的影响可以从“机械负荷理论”角度解释^[6,7]，根据机械负荷理论(mechanostat theory)认为：肌肉力量与骨骼发育之间形成比较密切的“力量－效应”(cause-and-effect relationship)关系，在肌肉力量的作用下，骨组织不断地进行调整以适应施加在它上面的机械力，进行骨小梁重建等变化，重建的结果是骨骼更有效地适应外界机械力的变化。

结果还表明两组之间的激素(血清E2、Le、IGF-I)没有显著性差异，这反应中、低强度的运动没有明显改变内分泌环境。由于激素是调节青春期骨骼代谢的重要机制^[11]，这个结果提示“运动习惯”不是通过内分泌机制来实现 (systematic mechanism) 对骨骼矿物质沉积的影响，但不能排除骨骼局部的调节机制(local mechanism)有激素参与，因为即使是机械力的作用，也要通过局部激素和因子的参与来实现对骨骼的代谢调节，但是我们测定的是循环血中激素的水平，它不能反应局部激素的变化情况。因此，本实验表明运动因素在青春期对骨骼矿物质积累具有积极的促进作用，这种作用是通过机械负荷作用实现的，而不是通过内分泌机制来实现。

4 小结与建议

在青春期养成良好的运动习惯会对骨骼的生长发育有积极的促进作用，这种良好的促进作用主要是通过运动时肌肉产生的牵张力来实现，而不是通过循环内分泌激素的变化来调节的。

参考文献：

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