运动对生长期骨骼影响的基础与临床研究进展

胡玲慧 李文豪 邹军 董春华*

1.上海体育学院运动科学学院，上海 2004382.上海体育学院体育教育训练学院，上海 200438

骨质疏松是一种以骨量减少、骨质量受损和骨强度降低，从而导致骨脆性增加，易发生骨折的全身性骨病[1]。骨质疏松是目前骨健康领域面临的最为严重的公共问题之一，在过去的几十年中发病率不断上升，对医疗、社会和财政造成了沉重的负担[2]。成骨细胞的主要功能是促进骨形成，破骨细胞的主要功能是促进骨吸收，骨形成和骨吸收之间的动态平衡是骨健康的基本保证[3]。研究表明，促进骨健康主要有两种方法：(1)最大限度地提升在前30年的骨密度(bone mineral density，BMD)；(2)减少40岁以后的骨矿物质流失[4]。研究表明，青少年时期的运动锻炼是促进骨健康的必要手段，在青春期前和青春期骨对运动的刺激更为敏感，骨量积累效果更为明显，并且该影响可以一直持续到成年阶段[5-6]。

适当的运动对骨的生长发育起到良好的促进作用，并且不同的运动强度和运动类型对骨的影响也不尽相同。运动训练强度与BMD密切相关，在一定强度范围内，运动训练能够使BMD出现显著增加[7]。但是久坐这类低运动强度行为不利于骨量积累甚至导致骨形态结构破坏[8]。剧烈体力活动(vigorous physical activity，VPA)(运动强度大于6 METS，持续时间不超过5 min)，与骨健康关系尤为密切[9]。如果从青春期到成年期持续参与VPA，BMD能维持在一个相对较高的水平[10]。然而，并不是运动强度越高促进骨量积累效果越明显。有学者提出细胞力学刺激存在一个阈值区间，达到最低阈值，细胞才会产生应答，但是超过上限，则会产生相反的效果[11]。所以，运动强度需维持在某一特定的范围内，才能达到促进骨健康的目的。此外，不同运动类型对促进骨量积累的效果也存在一定的差异，通过对游泳运动[12]、抗阻运动[13]、冲击性运动[14]进行研究，发现青少年时期进行抗阻和冲击性运动均能明显地促进骨量积累。并且参加运动的时间越早，获得的PBM可能会越高[15-17]。PBM主要在18～20岁获得，并持续增长到30岁左右[18-19]。提高PBM被认为是防止出现年龄相关性骨质流失和骨折的最佳保护措施[20]。青少年时期的运动锻炼获得的高PBM会使老年时期发生骨折的风险降低50%[21-22]。因此提高青少年时期的PBM是预防骨质疏松的有效手段。本文通过整理不同运动类型对生长期骨骼影响的基础和临床研究，为青少年科学地运动从而预防老年时期骨质疏松的发生提供理论依据。

1 运动对生长期动物骨骼影响的基础研究

1.1 细胞水平

运动促进骨健康主要通过提高成骨细胞活性来实现。运动可以通过ERK[23]、BMP[24]以及Wnt/β-catenin[25]等信号通路调控成骨细胞活性，从而促进骨量积累。骨机械反应性的生理机制通常在动物模型中进行研究，特别是在啮齿类动物模型中。跑台运动和游泳是动物实验中最简单最常用的运动模型。研究显示，虽然上坡跑对骨质的影响不如游泳[26]，但是相较于游泳运动，下坡跑更能促进生长期小鼠骨密度的增加，这可能与血小板源生长因子介导的ERK信号通路激活导致成骨作用增强密切相关[23]，表明ERK信号通路能够通过提高成骨细胞活性从而促进骨健康。Bmpr1a基因编码骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)Ⅰ型受体，参与成骨细胞相关的骨小梁调控。Iura等[24]利用条件敲除小鼠Bmpr1a基因后发现，BMP信号下调，小鼠对机械刺激的骨适应性得到增强，皮质骨骨量出现显著增加。此外，研究表明，运动能够通过上调PTH信号激活成骨细胞活性并增加骨板结构骨小梁的形成[27]，同时还可以降低生长期小鼠Wnt通路抑制剂骨硬化蛋白的表达从而激活Wnt信号，最终促进骨形成[28]。随着年龄的增长，小鼠对骨硬化蛋白的抑制能力逐渐丧失，从而导致老年小鼠骨形成相较于青年时期更加困难，这可能与Wnt/β-catenin等关键机械转导通路调控的变化密切相关[29]。

然而，运动促进骨骼健康的具体调控机制尚不完全清楚，并且各信号转导通路之间存在着复杂的相互作用，例如Bmpr1a基因的敲除除了下调BMP信号以外，还能够降低骨硬化蛋白的表达从而激活Wnt通路[24]。因此，未来需要对机械转导通路进行更加深入的研究，以确切运动对成骨作用的调控，为运动处方的制定和实施提供科学的理论依据。

1.2 组织水平

大量研究表明，在啮齿类动物的生长发育阶段，不同类型的运动(有氧运动、抗阻运动和冲击性运动等)对骨骼结构和整体力量均有着积极的影响。目前，动物实验中不同运动类型的非侵入性干预方法已被开发出来，具体包括游泳运动[30]、跑台运动[31]、自愿转轮运动[32]和跳跃运动[33]等。在动物的生长发育阶段，运动对骨骼结构和整体力量都有着积极的影响。尽管普遍认为由于水的浮力影响导致游泳状态时人体处于部分失重状态，因此单靠游泳训练很难防止骨质流失[34]。然而，仍然有部分研究表明游泳运动对大鼠的骨骼结构、骨转换和整体力量存在促进作用[35-36]，具体的原因可能与肌肉收缩对骨骼的机械刺激有关。单纯的跑台运动对生长期小鼠骨形成具有显著的促进作用[29]，但是在骨密度的增加方面，负重跑台比单纯跑台的效果更加明显[26]。此外，爬梯运动属于一种具有较大机械刺激的抗阻运动。相比于跑台运动，爬梯运动能够使大鼠的骨量和骨密度增加更为明显，同时对肌肉力量也能起到很好的促进效果[37]。跳跃运动等冲击性运动则能够显著促进生长期小鼠骨膜成骨和骨密度增加[33]。无论是有氧、抗阻还是冲击性运动，其对于骨骼的影响均是循序渐进的，往往需要持续一定的时间才能起到一定的效果。然而，也有研究发现相较于长时间运动干预，短时间的爆发性运动对运动耐力的提高可以起到相同甚至更高的效果。据此提出“高强度间歇训练”的概念，高强度间歇训练最初是为优秀运动员设计的一种训练方法，这种方法可以在短时间内增加最大摄氧量。Oh等[35]设计了一种高强度间歇游泳训练对生长期大鼠进行运动干预，发现该方法对骨结构、骨强度和整体力量的提高均有明显作用。

以往研究表明，适当的有氧运动、冲击性运动和抗阻运动均能有效提高生长期峰值骨量。但是各种运动类型之间对骨量的影响存在一定的差异。单纯从运动类型考虑，抗阻运动和冲击性运动能够有效提高骨密度，改善骨健康，适合于青少年时期峰值骨量的积累，从而降低骨质疏松症的发病风险[38]。然而，运动增加骨量的效果随着年龄的增长而下降，冲击性运动和抗阻运动年龄越大越难以执行，因此青少年时期的峰值骨量就显得尤为重要。

2 运动对青少年骨骼影响的临床研究

2.1 有氧运动

有氧运动是指人们通过正常呼吸满足运动对氧气的需要，在不负氧债的情况下进行的以糖和脂肪有氧代谢供能为主的运动，提高心肺供能和预防心血管疾病[39]。多项研究发现，在控制了其他干扰因素的情况下，游泳组的下肢BMD与久坐不动组没有差异，上肢的BMD也仅略高于久坐不动组，表明游泳对主要受力部位的BMD增长的促进作用并不明显[20, 40-41]。宇航员在太空失重的环境下，骨质容易流失，形成失重性骨质疏松。与之类似，游泳也是在一个相对失重的环境下进行的长时间运动，尽管水的阻力能对骨产生轻微的刺激，但也因长期失重，导致骨质的流失与积累相抵消。Wolff定律表明，骨骼具有适应机械应变的能力[42]。骨会适应游泳的运动特点，从而更好地抵抗弯曲和扭转[43]。Varley等[44]对99名足球专项训练的青少年精英运动员进行12周强化训练，运动员骨适应性得到了改善，骨小梁密度和骨皮质的厚度明显增加。这种骨的适应性也可能由于是运动员处于青春期而增强，若在成年期进行干预，骨的适应性较差，此时的BMD不会出现显著增加，甚至可能会导致骨质的破坏，因此，在青少年时期进行运动干预的效果是显而易见的。

有氧运动对BMD增加的影响较小，但是骨会适应运动产生的应力刺激，尤其是在青少年时期，能够使骨强度得到改善，促进骨健康从而达到更好的训练效果。

2.2 抗阻运动

抗阻运动是通过依靠自身力量克服阻力负荷实现肌肉增加和力量增强的运动[45]。青少年时期的抗阻运动对骨量增长起着核心的作用[46]。在进行抗阻运动时，肌肉收缩对骨产生压力刺激，通过机械-电信号转导对成骨细胞活性产生影响，最终促进骨的生长发育[13]。研究发现负重运动相比于非负重运动能明显促进BMC和BMD的增加，以髋部、股骨颈和Ward’s三角等下肢骨骼改变最为显著[47-50]，并且青少年时期进行腕部负重训练也能明显增加桡骨远端BMD[51]。抗阻运动能够通过局部肌肉的收缩发力和受力部位骨的承重对BMD产生影响，促进主要承重部位骨的BMD增加进而改善骨健康。

2.3 冲击性运动

增加PBM的一个重要策略是跳跃训练，它要求肌肉快速有力的收缩。并且在肌肉收缩前负荷增加的同时，肌肉长度也在增加，通过拉长肌肉蓄积弹性势能来产生更大的力量，并且在这个运动周期里，神经系统不会发出限制力量产生的信号，与其他运动类型相比能够产生更大的收缩力。此外，跳跃运动还会与地面产生冲击，通过地面的反作用力，对骨的压力刺激也更为显著[52]。有研究发现长时间跳跃训练可以改善青少年不同部位骨骼的BMD，并在干预后的3～8年内影响仍然存在，相比于普通人有更高的BMD[14, 50]。曾捷等[53]研究发现对青少年进行为期3年的跳绳训练干预，实验组的BMD相较于对照组有明显的增加，并且双飞模式对骨强度的影响最大。此外，运动项目也可能对BMD产生一定的影响。球类运动员的全身BMD积累均高于其他项目(跑步、游泳、空手道和柔道)，因为其运动项目的特点，在跑步、短跑、起跳、停止和跳跃等动作中，承重的骨骼受到拉、压、剪切、弯曲、扭转的作用，特别是在落下回弹的时候胫骨会受到增加了50%～100%的压力和剪切力，产生高应变刺激[14, 54-55]。这种相对较大强度的多方向的负荷刺激能够促进骨重塑并且增加抗骨折的能力[14]。但是过大负荷的冲击性跳跃运动可能会增加前交叉韧带损伤以及其他运动风险的发生。因此，在通过运动促进骨健康的同时，也要注意预防运动可能造成的损伤。

跳跃运动通过肌肉长度的增加蓄积弹性势能，以达到更快的收缩速度。在神经系统未发出限制力量产生信号的时候就完成了动作过程，产生更大的收缩力。并且在落回到地面的时候，下肢骨受到地面的反作用力并向上传递，进一步促进了骨的生长发育。

2.4 多种运动类型相结合

进行负重训练的游泳运动员，骨的强度和结构优于只进行单一游泳的运动员[43]。有氧运动和抗阻运动的结合也能促进骨强度的优化。Campos等[56]将14～18岁的青少年分为有氧运动组(跑步为主)和有氧加抗阻运动(跑步加力量训练)，每周3次，每次60 min，持续一年，发现有氧加抗阻运动组能够获得更高的BMC。运动类型的单一重复性，不能刺激所有的骨都能达到促进生长的阈值。在选择运动类型的时候可以与兴趣相结合，使青少年在运动锻炼过程中不会因为只进行单一的运动感到枯燥，进而积极主动地运动，运动形式的多样性对骨刺激更加全面，从而能够获得更大的BMC。

3 小结

通过对运动干预后生长期骨骼健康的研究总结，不同的运动类型对骨量和骨矿含量均有促进作用，但是抗阻和冲击性运动对骨量的积累更加显著。尽管在任何年龄阶段进行运动锻炼都可以促进骨健康，但是青少年时期的运动效果更为显著。青少年时期适当的运动有利于PBM的形成，进而延缓老年时期骨质疏松的发生。此外，在选择运动项目的时候建议结合青少年的兴趣实现多样性和趣味性，以达到更好地促进骨量增加的效果。