骨应力损伤的风险因素研究进展

陈 亮，熊 雁，杜晓兰 综述 陈 俊 审校

骨应力损伤(bone stress injury, BSI)是由于跑步和军事训练中过度使用引起的常见损伤。它包含从应激反应开始，发展为应激性骨折，最终导致完全性骨折的连续病理过程。由于BSI在跑步和军事训练人群中有高发病率，且多达22%的为复发性，需要较长的恢复时间，因此BSI经常导致训练人群运动生涯的终结。目前，人们对BSI并不完全了解，其病理生理学仍有一定的推测性。越来越多的研究者达成了共识，认为BSI是由于负荷引起的骨组织微损伤的形成和去除之间的不平衡导致的，因此，BSI的风险因素可以分为影响骨负荷的因素和影响骨抗负荷能力的因素。BSI的风险因素是影响BSI预防策略和治疗策略制定的中心环节，本文旨在对BSI的风险因素进行综述。

1 影响骨负荷的因素

骨骼所受的负荷是外力和内力的总和，在这些负荷的合力下可使得骨组织发生应力性形变。变形量取决于负荷大小和骨组织抵抗变形的能力，由于骨组织是刚性结构，其发生应变的程度很小，通常用微应变(microstrain，με)表示。研究发现，在跑步过程中胫骨的应变与可引起胫骨骨皮质破坏所需的应变相比非常小，但即使是低于骨折所需水平的应变也能导致骨组织发生微损伤。微损伤的形成是阈值相关的，其形成的阈值取决于骨应变循环次数、应变大小和引入应变的速度(应变速率)之间的相互作用。一旦超过了微损伤的阈值，骨应变周期、强度和(或)速率的进一步增加或加快将导致额外的损伤。

1.1 生物力学因素 生物力学缺陷导致的BSI风险，可分为与异常力相关的生物力学缺陷和与异常运动相关的生物力学缺陷。对正常排列的下肢施加额外增加的力会导致异常的骨负荷。此外，施加在排列不良的下肢正常的力也会使骨骼负荷异常。而异常的力量结合下肢排列不良被认为进一步放大了BSI风险。

负荷异常的跑步者被认为具有更高的BSI风险。目前有多项研究表明地面反作用力(ground reaction force，GRF)冲击峰值的大小，可作为是否有BSI历史的人群之间的区别，而有BSI历史的人群具有更大的GRF加载速率和峰值加速度。扭转载荷也与BSI的历史有关。自由力矩(free moment，FM)是关于鞋面与地面交界处垂直轴的扭矩的度量。一些胫骨应力骨折本质上是螺旋形的，提示可能与扭矩有关。Milner等报道了有胫骨BSI病史的跑步者有更高的自由力矩。

异常的运动模式也会增加BSI的风险。静态足底关系可能会影响运动模式，并与BSI的发展有关。Williams等和Butler等发现高弓足人群的关节远距离活动受限，且关节刚度更高，有更高的BSI发病率。与BSI相关的其他静态变量包括髋关节外旋运动范围的增加、长短腿、扁平足。有BSI病史的人群在跑步动态过程中有较大的髋内收、膝关节内旋和冠状位的后足外翻，以及膝关节在屈曲活动度的减少。这些运动模式有可能改变骨负荷的大小和(或)速率。它们还可能改变骨骼的受力方向以及随后骨骼内的应变分布。最终结果可能是增加了非常规负重区的骨组织负荷，导致BSI的风险增加。

1.2 训练因素 长期处于高负荷下可能会降低骨疲劳寿命，特别是当负荷循环次数高的时候(例如长跑)。因此，当跑步者试图提高他们的训练成绩时，这些变量对骨疲劳的影响更为显著。跑步速度的增加会增加GRF和步态的周期数，而跑步过程持续时间和(或)频率的增加会增加骨骼负荷周期的总数。在骨骼承载能力没有变化的情况下，与训练中巨大变化相关的负荷改变可能会导致微损伤的积累和BSI的产生。

来自军事研究的证据表明，体育锻炼发生巨大变化的人群患BSI的风险更高。例如，在开始标准化基础训练之前，有较少常规体育活动历史的新兵患BSI的风险更大。尽管大多数运动员不会像新兵那样剧烈地改变他们的跑步习惯和随之而来的骨骼负荷环境，但为了实现个人目标和竞争目标，改变现有训练模式或训练强度是一种频繁且必要的适应手段。相对于跑步者的日常活动，过快或频繁地改变跑步计划被认为是打破原有骨组织微损伤和组织修复之间平衡的关键。

1.3 肌肉因素 训练的改变可独立地促进BSI的发展，并与肌肉因素有关。肌肉与骨之间存在着密切的力学关系，推测肌肉是BSI的保护性而非致病性因素。在负荷加载过程中，肌肉被认为是一个主动的冲击衰减器，使得负荷沿着运动链向近端传送，帮助减少骨骼负载。当肌肉减弱、疲劳等功能失调时，其减轻负荷的能力就会受损，可导致骨骼负荷增加。例如，在实验室研究中，肌肉疲劳导致冲击衰减的减少、GRF加载速率和峰值加速度的增加，以及骨应变的增加。此外，疲劳还会导致运动学的改变，这可能会改变骨骼受力的方向，从而在非常规负重的部位增加骨骼应变。另一项前瞻性临床研究表明，BSI易感性与肌肉大小(周长和横截面积)和力量直接相关。

1.4 跑步界面因素 骨负荷及随后的BSI风险也可受到跑步场地和跑步界面等外部因素的影响。跑步界面历来被认为是BSI风险的一个因素。较硬的地面被认为比那些较软的地面(如草、橡胶和沙子)增加骨负载。然而，运动场地与损伤风险之间的相互作用是复杂的。有研究表明，当跑步者在不同顺应性的表面上跑步时，为了保持身体重心的恒定垂直，腿的刚度会随之改变。但是，在柔韧性较差的地面上跑步所增加的负重率是否会导致BSI风险仍不清楚，因为在控制了每周跑步总距离后，关于跑步损伤的大型流行病学研究未能显示损伤与训练场地之间有直接联系。最终，对于BSI风险来说，最重要的可能是最近跑步地面是否发生了变化，而跑步者还没有适应。场地变化包括：(1)增加跑步场地的硬度，例如，从跑步机到操场地面等，这可能会增加骨应变的大小和速率；(2)在沙地等柔软度非常高的表面跑步，可能会增加能量消耗并影响肌肉相关的风险因素和运动学；(3)坡度改变，斜坡可降低冲击衰减，增加负荷强度和速率；(4)地形地貌改变，这可能使得运动学改变，使得非常规负重部的骨组织负荷增加。

1.5 鞋和鞋垫因素 鞋子和鞋垫(矫形器和鞋垫)对骨负荷和BSI风险的作用一直是一个争论不休的话题。鞋子和鞋垫位于地面与足的交界面，理论上可以起到过滤器的作用，减小地面冲击力。此外，它们有可能影响足部和踝关节的运动，并在运动链中直接影响随后的力学。通过这两种机制，鞋和鞋垫可能会影响骨负荷，并对BSI风险产生影响。有研究表明，在军事训练中，鞋垫可降低股骨、胫骨整体应力性骨折的发生率。

2 影响骨骼抗负荷能力的因素

骨骼负荷导致的微损伤，一方面是导致BSI的原因，另一方面也是一种自然而有益的现象。因为它不仅有助于消耗可能造成骨折的能量，而且还可以作为刺激骨骼靶向重建的原因，适应性的靶向重建能有效降低给定负荷下的骨应变。影响骨刚性的骨骼特征包括骨组织的数量(质量)及其分布(结构)，有强有力的证据表明这两者都对BSI的风险有显著的影响。下面主要介绍影响骨骼抗负荷能力的因素。

2.1 既往体育运动史 有较长体育活动史的人群，其骨骼抗负荷能力的提高可能有助于降低BSI风险。骨骼对机械负荷有一定的适应能力，在生长期间通过在受力轴的骨外膜沉积新骨以增加其在负荷方向上的刚度。由于骨骼单位面积的刚度与其到弯曲轴的距离的四次方成正比，因此骨骼表面增加少量质量会导致骨骼强度成几何倍数的增加。最终，使得在给定的负荷下产生的骨应变减少。例如, Warden等使用动物模型证明，机械负荷引起的少量的(少于10%)骨量增加可导致骨的抗负荷能力大幅增加(107倍)。

2.2 训练后康复技术 目前，康复是医疗工作者和运动员之间关于BSI最新讨论话题之一。如果运动员能够加强训练后的康复，他们的身体将更能适应运动中固有负荷，在理论上提高成绩的同时保持运动员的健康。追踪恢复指标的可穿戴技术和应用程序的出现，使得研究训练后康复状况成为可能。在赛场上，运动员使用各种各样的康复技术，如冷冻疗法、热疗法、按摩、泡沫滚轴、灵活性锻炼、主动恢复(轻锻炼)。在本文中，我们主要关注睡眠和运动后营养，因为这是两种更常被讨论、更容易获得和研究的恢复策略。

不良的睡眠因素，包括减少睡眠时间和打断睡眠的生物过程，会破坏骨吸收和骨形成之间的平衡，降低骨骼健康，增加骨折风险。在一项对95名耐力运动运动员进行的研究发现，每天睡眠不足7 h的运动员新受伤的风险增加了51%。

除了睡眠，运动后的营养对骨骼健康也很重要。运动后摄入糖类和蛋白质有助于恢复肌糖原。对于耐力运动员来说，糖类对减轻炎症和增加应激激素的影响尤为重要。具体到骨骼健康，运动后的营养摄入可以改变骨转换标记物对该运动的反应。例如，跑步机上跑到精疲力竭的男性跑步者，立即摄入糖类加蛋白质溶液会使得骨吸收标志物减少，骨形成标志物增加，从而实现更积极的骨转换平衡。虽然睡眠和运动后的营养都可以影响骨转换标志物，而骨转换标志物可以作为评价骨健康的指标，但在目前仍不能用于评估BSI的发生风险。

2.3 营养因素 除了运动后营养，运动员特有的其他营养因素也是潜在BSI风险因素，如维生素D、钙、铁、铁蛋白等。

维生素D是骨重建的关键调节因子，低水平的维生素D可能与BSI发病率相关。尽管维生素D作为一种预防措施的效用以及维生素D的最佳水平是什么还不清楚，但有研究表明骨骼健康的推荐治疗目标是血清25-羟基维生素D水平为50～100 nmol/L。另一项针对欧洲成年人研究建议血清25羟基维生素D水平应高于75 nmol/L，对保持骨骼健康非常重要。

钙是一种关键的骨骼形成矿物质，在运动中发生的许多细胞过程中发挥重要作用。对于运动员，在长时间的高强度运动中，会发生皮肤钙流失，当汗液中流失的钙量足够多时可破坏钙稳态。在大量出汗或脱水的情况下，补钙是有益的。例如，在耐力自行车运动员中，在90 min或35 km的试验前补充钙，可以减弱运动引起的骨吸收标志物的增加。同样有研究表明，男性铁人三项运动员在运动前和运动期间补充高钙矿泉水，在骑车60 min后，破骨细胞活动受到抑制。

钙与磷酸盐结合形成羟基磷灰石晶体，使骨骼具有硬度，而维生素D有助于促进钙在肠道的吸收和在肾脏的再吸收。前瞻性研究为低钙和维生素D缺乏在BSI中的作用提供了证据。在对18～26岁的女性长跑运动员的研究中，Nieves等发现，每天摄入钙少于800 mg的女性，其BSI指数几乎是每天摄入钙超过1500 mg 的女性的6倍。在维生素D方面，有研究发现，血清25(OH)D浓度低于中位水平30.4 ng/mL的芬兰男性新兵患BSI的风险更大。另一方面，有一项对3700名美国海军女性新兵的研究发现，每天补充2000 mg钙和800 U的维生素D的海军女新兵组(1852名)的BSI发生率相较对照组(1848名，安慰剂组)降低了20%。总的来说，这些数据表明，跑步运动员应该确保充足的钙和维生素D的摄入量，以满足或超过目前推荐的膳食摄入量(钙：1000～1300 mg；维生素D：600 U)。

铁可以维持维生素D代谢，在缺乏铁时，可能会对骨转换标志物产生影响。在一项对18～35岁女性的研究中发现，低铁状态 (血清铁蛋白<30 ng/ml)与骨吸收较高相关。而缺铁也与BSI的发生有关。在一项针对女性士兵的研究中发现，发生BSI的士兵比未发生BSI的士兵缺铁性贫血和转铁蛋白不足的发生率更高。

2.4 肠道微生物群 近年来，肠道微生物群和骨骼健康之间的关系受到了广泛的关注。心理压力、运动和肠道菌群之间的共同线索是下丘脑-垂体-肾上腺轴(hypothalamus-pituitary-adrenal，HPA axis)。肠道微生物组成对HPA应激反应的发展和功能至关重要。当肠道菌群失衡时，细菌源化合物的传播增多，同时细胞因子和生长因子的表达发生改变，最终影响骨形成。

这些改变被认为会损害免疫、内分泌、血管和神经系统反应，而这些反应都在调节骨细胞分化和(或)功能中发挥作用。对于性激素水平已经下降的运动员及由于运动性质而损伤肠道上皮屏障完整性的运动员，考虑性激素与肠道健康之间的关系就显得尤为重要。在动物研究中，性激素已被发现在肠道上皮屏障的完整性中发挥重要作用。由于缺乏雌激素代谢细菌和其他代谢影响，肠道微生物多样性的减少使得雌激素代谢下降，而雌激素减少对运动员有不利影响。肠道菌群失调可能会影响骨形成和性激素水平，或者低性激素会影响肠道，从而对骨形成产生负面影响。随着对运动员肠道微生物群的研究不断深入，研究肠道与骨骼健康之间的关系将是一件非常重要的事情。

BSI的发生是多种风险因素相互影响、相互作用的结果。作为临床医师，彻底、全面地评估BSI的风险因素是预防和治疗的第一步。在全面评估之后，针对性地制定个性化的康复方案和训练方案可以帮助优化运动员(或军事训练人员)的训练方式(负荷、方法、频率)和训后恢复，最终提高运动表现。从研究的角度来看，我们需要进一步对运动员(或军事训练人员)进行前瞻性研究，调查风险因素之间的相互关系，以便我们更清楚地了解多种风险因素是如何相互作用并影响运动员的累积风险状况的。此外，训练模式、营养睡眠、肠道健康和BSI的相互联系是一个重要的、新兴的、有待临床医师和研究人员共同探索的新领域。加深对这些变量之间的关系的科学理解，将有助于临床医师对涉及运动员和军事训练人员骨骼健康的多层次因素有更全面的了解。