運(yùn)動(dòng)性骨疲勞研究進(jìn)展

1、運(yùn)動(dòng)性骨疲勞研究進(jìn)展    摘要：運(yùn)動(dòng)性骨疲勞作為骨代謝的一個(gè)研究分支，因其在疲勞性骨折中的重要作用近年來(lái)引起人們的高度關(guān)注。骨疲勞可能通過(guò)與日俱增的疲勞微損傷和過(guò)多的骨重建演變成疲勞性骨折，同時(shí)也可通過(guò)積極的反饋機(jī)制避免骨折的發(fā)生。就運(yùn)動(dòng)性骨疲勞的性別和運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)性骨疲勞發(fā)生的可能機(jī)理、適宜運(yùn)動(dòng)對(duì)骨的保護(hù)性作用等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述評(píng)價(jià)。 關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)生理學(xué)；運(yùn)動(dòng)性骨疲勞；研究進(jìn)展 中圖分類(lèi)號(hào)：G804.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-7116(2009)03-0091-05 運(yùn)動(dòng)性骨疲勞是指正常骨在負(fù)荷反復(fù)作用下的微損傷積累，主要表現(xiàn)

2、為隱性疼痛，疼痛部位不具體，運(yùn)動(dòng)時(shí)癥狀加重，停止運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)負(fù)荷減輕疼痛癥狀隨之減輕，是運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和軍事訓(xùn)練中的一個(gè)較為突出的問(wèn)題。骨疲勞對(duì)于疲勞骨折的發(fā)生起著舉足輕重的作用，骨疲勞可能通過(guò)與日俱增的疲勞微損傷和過(guò)多的骨重建演變成疲勞性骨折，疲勞微損傷積累越快，發(fā)生疲勞性骨折的危險(xiǎn)性越大。由于疲勞骨折發(fā)生，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員就會(huì)失去大約1013周訓(xùn)練時(shí)間，這對(duì)于正在參加比賽的運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)是很殘酷的。骨疲勞的發(fā)生也有可能通過(guò)積極的反饋機(jī)制避免骨折的發(fā)生，但是在疲勞負(fù)荷作用下，骨內(nèi)部到底發(fā)生了怎樣的變化，其機(jī)制目前尚不清楚。本文將就目前有關(guān)運(yùn)動(dòng)性骨疲勞的研究狀況作一綜述。 1運(yùn)動(dòng)性骨疲勞的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目特點(diǎn) 運(yùn)動(dòng)性骨

3、疲勞是一直困擾運(yùn)動(dòng)員和軍事訓(xùn)練者尤其是年輕運(yùn)動(dòng)員的一個(gè)棘手問(wèn)題。骨疲勞發(fā)生過(guò)程中既有骨量的變化，也有骨質(zhì)量的變化。Magnusson等使用雙能X線吸收法測(cè)試，結(jié)果表明，發(fā)生骨疲勞的運(yùn)動(dòng)員，應(yīng)力集中的局部骨密度下降是明顯的。Yeou等對(duì)成年雌性大鼠進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，骨在疲勞負(fù)荷下，骨的斷裂載荷和剛度等結(jié)構(gòu)特性明顯下降；形態(tài)學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，疲勞后形成的編織骨礦化較低、BMD較低，且結(jié)構(gòu)紋理紊亂。 許多文獻(xiàn)報(bào)道：與負(fù)重骨相比，非負(fù)重骨發(fā)生骨疲勞的幾率較少，但是非負(fù)重骨諸如肋骨疲勞經(jīng)常發(fā)生于皮劃艇等運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員。皮劃艇運(yùn)動(dòng)員雖然經(jīng)常發(fā)生肋骨疲勞，但是其確切的比例和病因?qū)W目前尚無(wú)研究報(bào)道。 耐力性運(yùn)動(dòng)訓(xùn)

4、練、芭蕾舞和軍事訓(xùn)練常出現(xiàn)脛骨、股骨疲勞。Bur的研究指出：每年大約有1200萬(wàn)長(zhǎng)跑鍛煉者出現(xiàn)疲勞骨折，其中大約20來(lái)自競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員；同時(shí)發(fā)現(xiàn)在參加軍事訓(xùn)練的人員中，疲勞骨折的發(fā)生率高于普通人群，尤其是女性的疲勞性骨折發(fā)生率明顯高于普通人群。Charles等對(duì)跑(17kmh)和跳(高度分別為26、39和52cm)的運(yùn)動(dòng)員采用經(jīng)皮植入應(yīng)變片的方法進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，上述兩種運(yùn)動(dòng)方式脛骨發(fā)生的應(yīng)變和應(yīng)變率之間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，應(yīng)變和應(yīng)變率也沒(méi)有隨著跳的高度的變化而發(fā)生統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的改變，結(jié)果提示，跳并不比跑更容易發(fā)生骨疲勞；而跑比走時(shí)的應(yīng)變和應(yīng)變率提高大約2到3倍左右，并且隨著跑的強(qiáng)度增加，應(yīng)

5、變和應(yīng)變率也會(huì)隨著增加。 2運(yùn)動(dòng)性骨疲勞的性別特點(diǎn) 不同性別運(yùn)動(dòng)性骨疲勞的發(fā)生率比較，女性高于男性。Milgrom等對(duì)男性和女性軍事訓(xùn)練者進(jìn)行同樣負(fù)荷的訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)，女性脛骨具有較高的骨應(yīng)變和壓應(yīng)變。但是其機(jī)制目前還不是很清楚，其中原因之一可能是女性骨對(duì)機(jī)械負(fù)荷反應(yīng)和適應(yīng)差引起的，女性骨抑制微損傷產(chǎn)生的能力比男性低，如果發(fā)生了微損傷，女性比男性對(duì)微損傷的修復(fù)能力也低。Hickey等報(bào)道：在同樣負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，有15名皮劃艇女運(yùn)動(dòng)員發(fā)生肋骨骨折，而男運(yùn)動(dòng)員只有2名。骨折發(fā)生的原因可能是由于骨疲勞微損傷的積累遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于修復(fù)功能造成的。 女性容易造成骨疲勞的另一原因可能與女性所特有的內(nèi)分泌因

6、素有關(guān)，它會(huì)因骨對(duì)微損傷的反應(yīng)不同而引起。與普通人群女性相比，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練導(dǎo)致女運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)月經(jīng)紊亂的幾率較高，這一現(xiàn)象在皮劃艇女運(yùn)動(dòng)員中經(jīng)常出現(xiàn)，其原因可能是季節(jié)性訓(xùn)練明顯，為了滿(mǎn)足艇上訓(xùn)練需要短時(shí)間內(nèi)減輕體重有關(guān)。以上因素容易導(dǎo)致女性發(fā)生月經(jīng)紊亂，月經(jīng)紊亂之后，骨疲勞發(fā)生率與無(wú)紊亂者相比相差24倍。內(nèi)分泌紊亂影響女運(yùn)動(dòng)員發(fā)生骨疲勞的機(jī)制尚不清楚。但是，其中可能原因之一是改變了骨修復(fù)微損傷的能力，無(wú)月經(jīng)伴隨著骨轉(zhuǎn)換的下降，骨形成也下降。在骨重建過(guò)程中，骨形成的目的是為了恢復(fù)骨的缺失，重塑骨的形態(tài)，以滿(mǎn)足人體生物力學(xué)的需要。骨形成率的下降，意味著骨對(duì)微損傷修復(fù)能力的下降，其結(jié)果是微損傷積累，造成骨疲

7、勞乃至疲勞性骨折的發(fā)生。 另外，與男性相比，女性具有較低的骨密度和較小的骨幾何學(xué)特性，這也是女性容易造成骨疲勞的原因之一。 3運(yùn)動(dòng)性骨疲勞發(fā)生的可能機(jī)理 骨疲勞的概念由Breithaupt等于1855年提出，他們發(fā)現(xiàn)正常骨在反復(fù)負(fù)荷后或是某一段時(shí)期內(nèi)突然增加運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，容易發(fā)生骨疲勞，甚至骨折的發(fā)生率明顯增加，其原因是肌肉比骨更容易適宜新的負(fù)荷，導(dǎo)致相對(duì)增加的肌肉力量作用于相對(duì)較弱的骨，使機(jī)械受力不平衡，引起骨變形、微損傷積累。肌肉疲勞學(xué)說(shuō)強(qiáng)調(diào)肌肉疲勞后神經(jīng)肌肉功能發(fā)生改變，肌肉的反應(yīng)時(shí)加長(zhǎng)，反應(yīng)速度變慢，導(dǎo)致肌肉對(duì)收縮過(guò)程中產(chǎn)生能量的吸收過(guò)程減慢，以及肌肉驅(qū)散骨產(chǎn)生動(dòng)力的能力也隨著下降，導(dǎo)致肌

8、肉保護(hù)骨免受過(guò)度負(fù)荷的作用下降，骨發(fā)生的應(yīng)變及應(yīng)變率提高，導(dǎo)致骨微損傷產(chǎn)生增多。 目前的研究認(rèn)為，骨疲勞的發(fā)生是在反復(fù)閾下機(jī)械負(fù)荷作用下應(yīng)力集中的部位，而不是一次性長(zhǎng)時(shí)間、大強(qiáng)度機(jī)械負(fù)荷作用下產(chǎn)生的。在反復(fù)閾下機(jī)械負(fù)荷作用下，骨疲勞發(fā)生，導(dǎo)致微損傷的積累。在正常情況下，通過(guò)骨重建方式施與微損傷進(jìn)行修復(fù)，但是，過(guò)多反復(fù)的運(yùn)動(dòng)引發(fā)不正常的骨應(yīng)變，導(dǎo)致骨不能將微損傷修復(fù)，而促進(jìn)微裂紋積累，促使骨疲勞的進(jìn)一步發(fā)生。 骨骼由于微損傷的產(chǎn)生和積累，如不及時(shí)修復(fù)就會(huì)導(dǎo)致骨疲勞甚至骨折的發(fā)生，唯一的修復(fù)途徑是經(jīng)過(guò)骨重建。骨重建是由位于細(xì)胞表面的多細(xì)胞功能單位(basic muhicellyar unit，BM

9、U)來(lái)完成的。骨重建的功能是通過(guò)骨重建單位調(diào)整使礦鹽達(dá)到平衡，使疲勞引起的微損傷得到修復(fù)，骨結(jié)構(gòu)完整性得到保持，是維持骨組織代謝和力學(xué)功能的重要機(jī)制。骨重建包括骨吸收和骨形成兩個(gè)最重要的部分。骨重建功能的完成需要局部刺激因素如機(jī)械刺激，及細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)張力的變化，局部微環(huán)境的變化諸如細(xì)胞因子，局部血液、組織液等因素共同調(diào)節(jié)的結(jié)果。  3.1細(xì)胞成分在骨重建中的作用 骨不斷進(jìn)行新陳代謝，即舊骨的吸收和新骨的形成，這個(gè)過(guò)程與骨重建是密不可分的。在安靜狀態(tài)下，吸收過(guò)程主要由破骨細(xì)胞完成，形成過(guò)程主要由成骨細(xì)胞完成，在機(jī)械刺激下，包埋于骨基質(zhì)中

10、的骨細(xì)胞的機(jī)械應(yīng)力感受能力大于成骨細(xì)胞，骨細(xì)胞通過(guò)膜上 整合器與ECM緊密接觸感受機(jī)械應(yīng)力，引起胞內(nèi)信號(hào)傳遞，并將信號(hào)傳遞到相鄰的骨細(xì)胞，引起成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞發(fā)生相應(yīng)變化，從而影響骨重建過(guò)程。已有研究證實(shí)，骨細(xì)胞通過(guò)將感受到的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成化學(xué)信號(hào)諸如胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor，IGF-1)、I型膠原、骨鈣素等化學(xué)物質(zhì)來(lái)影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的功能。Vashishth研究指出，疲勞負(fù)荷能夠加速骨細(xì)胞凋亡。Mitchell等報(bào)道：采用高分辨率觀測(cè)儀研究皮質(zhì)骨的基質(zhì)損傷，在長(zhǎng)波光照下，基紅熒光可以給出一個(gè)高分辨率骨微觀損傷的顯微圖像，使用聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn)

11、，骨疲勞與非常小的裂紋同時(shí)出現(xiàn)，這些很小裂紋水平對(duì)應(yīng)的骨基質(zhì)是羥基磷灰石晶體的聚集體，這說(shuō)明，早期骨剛度的下降，骨基質(zhì)破壞主要發(fā)生在這個(gè)水平。最近，一些研究者做了松質(zhì)骨疲勞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)，松質(zhì)骨的疲勞與皮質(zhì)骨一樣，其發(fā)生可能均在膠原和羥基磷灰石晶體水平。Mori等報(bào)道：對(duì)人松質(zhì)骨進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增加，骨微損傷也隨著增加，同時(shí)骨細(xì)胞的數(shù)量也隨著下降，以上結(jié)果提示，骨細(xì)胞密度和微損傷之間存在著一定的因果關(guān)系。研究證實(shí)，骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞應(yīng)力信號(hào)傳遞通道不一樣，有關(guān)其具體通道作用機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。 但是，骨重建對(duì)組織水平的骨質(zhì)量也有負(fù)方面的影響，如果骨轉(zhuǎn)換率加快，舊的礦化骨被礦化少的新骨代替，

12、骨的剛度或抗彎曲力降低，如果轉(zhuǎn)換率很慢，需要更長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行二期礦化，骨剛度增加，抗微損傷發(fā)生及發(fā)展能力降低，骨將變脆。高重建一般意味著骨迅速丟失及骨量減少，減少骨的礦鹽含量及其剛度；低重建使骨丟失減慢，增加骨剛度及微損傷產(chǎn)生，并減少微損傷的修復(fù)功能。骨重建失衡的產(chǎn)物，在松質(zhì)骨中可以因過(guò)度吸收而穿透骨小梁，甚至于使其消失，在皮質(zhì)骨中可以因過(guò)度吸收而使皮質(zhì)骨小孔增多、厚度變薄而導(dǎo)致強(qiáng)度減弱。 3.2細(xì)胞外組織液在骨重建中的調(diào)節(jié)機(jī)制 在運(yùn)動(dòng)性骨疲勞狀態(tài)下，破骨細(xì)胞募集到基質(zhì)損傷處激發(fā)骨吸收的具體機(jī)制尚不很清楚，除了骨組織中的細(xì)胞是重要的信號(hào)通道外，其它的信號(hào)通道對(duì)于骨重建也起著很重要的作用。在機(jī)械負(fù)荷

13、的刺激下，細(xì)胞外組織液對(duì)于信號(hào)的傳導(dǎo)起著重要的作用。 在適宜的負(fù)荷刺激下，骨作為一種分子篩，將分子質(zhì)量大約為70ku的分子進(jìn)入骨陷窩和骨小管內(nèi)，使組織液中有效分子含量增加，結(jié)果，骨陷窩和骨小管內(nèi)的組織液提高了骨細(xì)胞對(duì)刺激的敏感性，并且可營(yíng)養(yǎng)骨細(xì)胞和輸送代謝產(chǎn)物，但是，在骨疲勞狀態(tài)下，骨小管和陷窩中的組織液會(huì)減少，影響骨組織中細(xì)胞的功能，從而也影響骨重建過(guò)程。Knothetate等對(duì)成年雌性SD大鼠運(yùn)用在體分子示蹤的方法，在4點(diǎn)彎曲負(fù)荷作用下觀察脛骨組織液流動(dòng)的變化，運(yùn)用半定量分析法發(fā)現(xiàn)，機(jī)械負(fù)荷導(dǎo)致組織液的流動(dòng)在調(diào)節(jié)骨重建等細(xì)胞活動(dòng)方面起著額外的作用，因?yàn)榻M織液中攜帶著代謝產(chǎn)物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、礦物

14、質(zhì)以及對(duì)細(xì)胞活動(dòng)具有重要作用的細(xì)胞因子之類(lèi)的物質(zhì)。Pete報(bào)道：骨疲勞導(dǎo)致局部組織液明顯減少。Roer等將人取6°斜倒立在床上休息和將大鼠尾部懸吊模擬失重實(shí)驗(yàn)，在數(shù)周之后發(fā)現(xiàn)，顱骨和下顎骨骨量明顯增加，這一現(xiàn)象用Wolff定律是無(wú)法解釋的，因?yàn)榈沽⒉灰欢ㄊ癸B骨骨組織的變形明顯增加。這一結(jié)果提示，可能是由于組織液的流動(dòng)和隨著組織腔隙內(nèi)壓力的轉(zhuǎn)換，液體也發(fā)生相應(yīng)流動(dòng)的結(jié)果。同樣，懸掛大鼠后肢骨量減少的原因是由于后部組織液流動(dòng)減少的結(jié)果；以上結(jié)果提示，成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞對(duì)液體剪切力的反應(yīng)類(lèi)似于內(nèi)皮細(xì)胞，即通過(guò)釋放前列腺素和一氧化氮代謝物對(duì)其刺激作出反應(yīng)。成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞主要不是骨組織變形的傳

15、感器，而是骨組織變形間接效應(yīng)即腔隙內(nèi)組織液的流動(dòng)的傳感器。 在運(yùn)動(dòng)性骨疲勞狀態(tài)下，關(guān)于組織液調(diào)節(jié)骨細(xì)胞功能的作用機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。 3.3細(xì)胞因子在骨重建中的調(diào)節(jié)作用 骨重建的基本多功能單位是多細(xì)胞功能單位。骨重建過(guò)程中，在皮質(zhì)骨，前面是破骨細(xì)胞形成的切割錐形體，隨后有成骨細(xì)胞合成類(lèi)骨質(zhì)填充進(jìn)去。骨重建過(guò)程是很復(fù)雜的，涉及到多種分子、多種激素生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子等參與此過(guò)程，詳細(xì)的生物學(xué)機(jī)理和激素調(diào)控機(jī)制尚未完全闡明。研究表明，成骨細(xì)胞是各種激素、生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子的作用位點(diǎn)，那些與成骨細(xì)胞一破骨細(xì)胞間相互作用有關(guān)的因子是潛在的偶聯(lián)因子。Lanyon等認(rèn)為：功能性的應(yīng)變通過(guò)前列腺素的一種亞

16、型即前列腺素E2(Prostaglandins E2，PGE2)在骨重建中發(fā)揮著重要的作用。更多文獻(xiàn)表明：前列腺素(Prostaglandins，PGs)及其他類(lèi)似代謝物在骨代謝中具有重要作用，是一類(lèi)重要的骨代謝調(diào)節(jié)因子。前列腺素E2在低濃度時(shí)具有增加膠原合成的作用，在高濃度或有IGF-I存在時(shí)，可抑制膠原的合成，這種抑制作用與蛋白激酶C途徑的激活有關(guān)。Tschantz首次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)反復(fù)負(fù)荷刺激能夠使骨發(fā)生微損傷。隨后一系列理論和實(shí)驗(yàn)資料支持疲勞微損傷和骨重建之間的關(guān)系。在這一基礎(chǔ)上，我們很容易能夠接受微損傷刺激骨重建，也可以說(shuō)，骨重建修復(fù)微損傷。Schaffler等證實(shí)，在體疲勞微損傷和離體

17、后疲勞微損傷具有相似性，疲勞微損傷的產(chǎn)生與負(fù)荷、循環(huán)的數(shù)量和溫度有關(guān)。微損傷可能積累，導(dǎo)致骨強(qiáng)度下降，有可能發(fā)生骨折，因此微損傷可能是骨重建的催化劑。骨重建這個(gè)過(guò)程是有許多功能細(xì)胞構(gòu)成的精密網(wǎng)絡(luò)組織，對(duì)其過(guò)程中具體的作用機(jī)制和生理病理過(guò)程尚不是很清楚。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以借助于反轉(zhuǎn)錄酶聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)的應(yīng)用，原位雜交技術(shù)及免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)等對(duì)相關(guān)酶及其mRNA進(jìn)行局部定位，對(duì)于細(xì)胞因子對(duì)骨重建過(guò)程中的作用機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。 4適宜運(yùn)動(dòng)對(duì)骨的保護(hù)作用 大量研究表明：適宜負(fù)荷、適宜方式的運(yùn)動(dòng)有益于骨，目前，運(yùn)動(dòng)作為一種疲勞性骨折的預(yù)防措施已經(jīng)得到臨床的支持。Stu

18、art等對(duì)24只成年雌性大鼠進(jìn)行5周軸向壓縮負(fù)荷試驗(yàn)，每周3d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)適宜機(jī)械負(fù)荷的刺激能明顯增加骨結(jié)構(gòu)特性，骨結(jié)構(gòu)特性發(fā)生將近2倍的變化而抗骨疲勞發(fā)生近100倍的變化，提示骨幾何學(xué)參數(shù)在判斷骨疲勞方面具有相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。Milgrom等報(bào)道：對(duì)于招收的新兵，在正式軍訓(xùn)之前如果已經(jīng)參加過(guò)至少2年規(guī)律的籃球訓(xùn)練者，發(fā)生運(yùn)動(dòng)性骨疲勞的幾率大大減少，小于12。同樣，Lappe也做了與Milgrom等人類(lèi)似的報(bào)道，而大強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)骨造成一定的損傷，這一點(diǎn)在女性中表現(xiàn)得尤為突出。在男性中也有類(lèi)似的報(bào)道，機(jī)制可能與女性相似。Milgrom等采用經(jīng)皮植入應(yīng)變片的方法對(duì)跑、走和靜止騎自行車(chē)3種運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行應(yīng)變和應(yīng)變率的測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，跑比走具有較高的拉、壓、剪切應(yīng)變和應(yīng)變率，而走比靜止性騎車(chē)方式具有較高的拉、壓、剪切應(yīng)變和應(yīng)變率。因此，在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷