运动对骨形态结构_骨密度和骨生物力学特征的影响

2009年3月第21卷第2期首都体育学院学报
Jo urnal o f Capital Inst itute of Phy sical Educatio n M ar ch 2009V ol.21N o.2
运动对骨形态结构、骨密度和骨生物力学特征的影响
Effects of Exercise on Bone Structure,Bone Density and Its Biomechanical Characteristics
梁 鸿,郑 陆,阎守扶,王文瑾
LIANG Hong,ZHENG Lu,YAN Shoufu,WANG Wenjin
摘 要:运用文献法就国内外体育运动对骨形态结构、骨密度和生物力学性能的影响研究综述了适宜的运动是改善骨形态结构、提高骨密度和生物力学性能的关键,过量运动则加剧骨组织微缺损,骨塑建、骨重建频率加快,自我更新修复已缺损的内部结构的能力降低,导致骨的微观结构改变,并引起骨密度、骨生物力学参数等指标变化。

关键词:体育运动;骨形态结构;骨密度;骨生物力学特征
中图分类号:G 804.2 文章编号:1009 783X(2009)02 0202 03 文献标志码:A
Abstract:Based on the liter atur e r eview o f r esear ches of the effect s of exer cise on bo ne structure,bone density and bio mechanical pr operties home and abr oad,the aut ho rs have concluded that appro pr iate ex ercise is the key facto r for impro ving bone structure,bo ne density and the biomechanical pr operties,while ex cessiv e ex ercise may ex acerbate the mi cro-defect of bo ne tissue,affect bone plastic construction,speed up the frequency of bone reconst ruction and w eaken its ability to repair the self -r enew al o f the internal structure of the def ect,leading to changes in the micr ostr ucture o f the bone and causing the changes in the parameters of bo ne density and the biomechanical indicat ors o f bo ne.Key words:spo rts exer cise;bo ne structure;bone density;bone biomechanical character istics
收稿日期:2008 07 30
基金项目:北京市教育委员会人才强教 学术创新团队 项目:运动
与女性骨健康资助(项目编号:04407026)。

作者简介:梁鸿(1981 ),男,青海门源人,在读硕士研究生,研究方
向为运动生理病理学,安康学院体育系助教;郑陆(1959 ),女,山东济南人,博士,教授,研究方向运动与内分泌;阎守扶(1956 ),男,山西五台人,学士,教授,研究方向为运动生理生化;王文瑾(1984 ),女,安徽凤阳人,在读硕士研究生,研究方向为运动生理病理学。

作者单位:首都体育学院,北京100088
Capital Institute of Physical E ducation ,Beijin g 100088,
Ch ina.
运动对骨代谢的影响具有正反两方面的效应,即改善骨质的促进效应和破坏骨质的抑制效应[1 6]。

据研究报道,耐力项目女运动员运动性月经失调(athlet ic menst rual ir regu latities,AM I)的发生率显著高于其他项目[2,3,6]。

究其原因,可能与长期不合理的超负荷运动训练致性腺轴功能受抑密切相关。

近年来的文献资料显示,多种项目运动性闭经(ath letic seco ndar y ameno rr hea,A SA;AM I 的极端表现)运动员身体的多个位点骨密度(bone miner al density,BM D)显著低于月经正常运动员[4]
,应力性骨折、脊柱侧凸和骨质疏松等骨破坏性病症的发生率均较高[5,7]。

骨是人体的支持结构,是完成各种形式运动的前提和基础。

持续长期的过量运动,有可能使骨组织产生由骨代谢异常改变而导致的骨量降低、骨微细结构改变、骨质量及骨生物力学性能降低、甚至骨折[7]。

本文将就近年来运动对骨形态结构、骨密度和骨生物力学性能的影响及相互关系方面的研究进行综述分析,以便为后续的研究提供参考。

1 运动对骨形态结构的影响
1.1 运动对骨大体形态结构的影响
人体及动物实验结果均表明,不同方式、强度适宜的运动对骨骼的长度、围度、皮质骨厚度参数等方面的促进效应非常显著[8 10],王广新[11]等比较了不同类型运动对近节指骨形态的影响,发现排球运动员用力手第1、4近节指骨横径最大,骨髓腔径也随之增大。

而过量的运动负荷对大鼠骨骼的形态有明显的破坏作用[12,13]。

N yska [14]等研究发现,20周游泳运动可以显著增加肱骨近侧端生长板的高度和增殖带中细胞的数量,负重(l%体重)游泳还可以增加细胞柱的密度,表明运动对大鼠骨的生长过程具有良好的促进作用。

上述研究表明,骨组织的变化严格遵循Fr ost 骨力学调控系统理论,即当骨组织所处的力学环境变化后,骨的形状、骨量以及骨的内部结构会不断地更新调整,以最佳状态适应不断增加和变化的力学环境的需要。

1.2 运动对骨显微结构的影响
骨小梁的形态结构、吸收表面、成骨和破骨细胞的数量、形态以及骨胶原的密度和排列,能够反映运动对于骨的影响效应[15]。

章晓霜等[16]通过去卵巢并结合不同强度运动方式干扰,观察运动对骨形态结构的影响发现:骨质疏松、中等强度运动、高强度运动3组大鼠比较,骨质疏松组大鼠椎体骨小梁明显减少、间距增大、骨吸收孔明显,髓腔扩大,说明骨的立体网状结构受损。

高倍镜下,骨小梁表面可见较多的骨吸收陷窝及胶原断裂后形成的颗粒状骨吸收面,提示骨胶原发生了逐层降解,正常结构变得疏松、断裂,并可见微骨折。

中等强度运动组椎体骨小梁数目较骨质疏松组稍多,骨小梁表面有较多的颗粒状骨吸收面。

大强度运动组骨小梁数目
202
较骨质疏松组差异不明显,出现微骨折。

证明,中等强度运动对骨质的恢复具有积极有效的改善促进作用。

高丽等[17]报道,运动性动情周期抑制大鼠经不同强度的跑台运动后,其腰椎松质骨的显微结构表现为:低强度运动组骨小梁饱满、规则;大强度耐力运动组骨小梁数目变少,纤细,形态结构完整性较差,髓腔大小差异明显。

表明,大强度跑台运动使大鼠骨小梁结构受到破坏。

为了弄清骨结构受损的实质,通过进一步透射电镜观察发现,大强度耐力运动后雌性大鼠骨细胞、破骨细胞及成骨细胞的超微结构均发生显著变化,表现为:骨细胞的核异染色质边聚,呈星月形小体,核膜模糊,内质网肿胀,基质中出现空泡化,一些细胞呈现细胞核锯齿状、核膜皱缩等早期凋亡状改变;成骨细胞内质网肿胀;破骨细胞出现线粒体嵴模糊,核异染色质边聚等变化,表明大强度跑台运动使大鼠的骨细胞、成骨细胞、破骨细胞的结构受损。

骨组织的形态结构与功能的变化遵循W olff定律,直接受制于骨力学环境的变化[18]。

适度运动,机体以骨重建的方式进行骨的更新修复,以适应力学环境变化的需要,维持骨形成和吸收的动态平衡。

而过量运动时,骨组织微损伤加剧,自我更新修复能力降低,导致骨的显微、超微结构异常。

但目前运动对骨形态结构变化的具体影响作用的阈值负荷、机制、途径等均尚无定论,有待进一步研究。

2 运动对骨密度(BMD)的影响
骨密度是指骨单位面积或体积内的矿物质含量,是评价骨质量的主要指标之一。

通过对骨密度测定,有助于了解骨量的实时动态变化,便于进行监控和评价。

适度运动能够有效地改善运动者的骨密度[19 24]。

K o hr t[19]研究报道,66岁的群体经过1年低强度运动可以改善腰椎、骨盆、股骨骨密度。

Bar eng olts[20]等发现,给9月龄大鼠去势后进行运动,其松质骨的骨密度具有明显改善效果。

进一步的研究发现,大鼠进行跑台运动训练,在其不同发育阶段,骨的应答反应具有部位特异性。

表现为成长期以松质骨为主的骨骺部、骨干骺端部的骨密度增加,而成熟初期则主要是皮质骨为主的骨干部骨密度增加[21 23]。

可见,运动对骨代谢影响良性效应的表现形式之一就是通过改变骨矿含量,从而使骨密度发生变化。

另一方面,过量运动对骨具有明显的负面效应。

目前的资料显示,这种效应的获知更多地也是通过骨密度测定数据予以支持。

Petter sson等[24]对运动性月经闭经长跑运动员的全身、股骨颈、腰椎、上肢、腿等多部位骨密度进行比较。

结果显示,各部位骨的骨密度均低于月经正常女运动员。

Snead等[25]报道,运动性闭经长跑运动员血清雌二醇、孕激素浓度、腰椎骨密度显著低于月经正常运动员,表明血清性激素水平与腰椎骨密度密切相关。

M arcus等发现,运动性闭经耐力运动员血清雌二醇、腰椎骨密度降低,但桡骨骨密度并无明显变化,提示性激素对骨密度的影响具有位点特异性。

Rut her for d等[26]和Wo lman等[27]均报道,闭经运动员腰椎和全身骨密度均低于月经正常运动员,非运动员对照显著低于运动员。

月经正常运动员除腰椎骨密度外,其他位点都显著高于对照组。

表明,体育运动有助于提高除腰椎外其他位点的骨密度。

由于存在这种腰椎骨密度闭经运动员<月经正常运动员<非运动员的特殊递减关系。

可以认为,运动对骨密度具有促进作用,但腰椎骨密度的改善效果可能需要更为合适的负荷;运动与雌激素对骨具有相似作用效应。

同时,过量负荷一旦停止,骨密度即表现出明显的恢复趋势[28 31]。

Snow-Har ter[32]的研究证实了体育运动与女大学生的腰椎骨密度水平呈正相关。

动物实验也有相同结果报道。

由此可见,适宜运动负荷强度和量度的合理运用,将致骨骼质量产生明显不同的效果。

而在实际工作中,以骨密度作为方便、有效的骨量变化监测指标,已为研究者们所普遍接受。

因此,具有非常重要的实际应用价值。

3 运动对骨生物力学特征的影响
骨生物力学性能兼具结构力学和材料力学的特性。

骨的结构力学特性与骨的材料力学特性、骨的几何特性有关,可以通过载荷变形曲线来反映。

骨的材料力学特性是指骨组织本身的力学性能,与其几何形状无关,可以通过应力应变曲线来反映。

大量的动物实验和临床研究的结果表明,骨生物力学指标的实验测试,有助于直接评价骨质量,也是评定各种对抗骨丢失措施效价的最佳方法之一。

长期高强度运动可使骨生物力学指标(最大载荷、弹性载荷、最大应力、弹性应力、刚性系数、弹性模量及能量吸收)产生显著变化[33 35]。

雌激素缺乏会致骨的生长滞缓,低钙会显著影响骨的内部结构构建,将使骨的材料特性及生物力学性能均显著降低[35]。

L i等报道8周龄雌性SD大鼠以80% ~90% V O2max强度运动10周(5d/周),胫骨的屈服极限和最大载荷均明显低于对照组,且弹性吸收能量和最大弯曲吸收能量均小于对照组。

Ho u等[36]报道8周龄雌性SD大鼠以75%~80%
V O2max强度跑台运动10周(5d/周),股骨颈做悬臂弯曲测试,椎骨做压缩实验,股骨颈的弯曲能量、最大载荷、屈服极限等材料特性均明显降低,但腰椎的结构、物质特性无明显变化。

也有文献报道,运动性动情周期抑制大鼠骨的最大形变、弹性形变和胫骨的最大吸收能量比对照组显著升高,表明大鼠骨的韧性显著增加。

作者认为,这种韧性的改变可能与长期大强度跑台运动致大鼠骨的有机成分合成增强有关。

这种变化能在一定程度上解释运动性闭经运动员脊柱侧凸发生率较高的现象,但其具体作用机理还有待于更多的实验研究加以验证。

这说明长期高强度耐力运动可能通过抑制性腺轴功能,导致雌激素水平的降低,进而导致骨矿含量降低,骨的最大载荷、弹性载荷等生物力学参数的改变[37 42]。

不同部位的骨对跑台运动的力学负荷的反应存在差异。

由此可见,运动对骨生物力学性能的影响效应尚无定论,但生物力学参数的改变与骨的结构、成分改变密切相关。

骨生物力学特征的变化是全面了解骨整体性能变化不可或缺的部分。

4 小结
运动对骨骼的作用效应,是以使骨骼适应外力为基础,产生其形态结构、骨密度水平和骨生物力学性能的相应变化。

适度运动负荷表现出骨质量的增强效应,而过度负荷则可能出现负面效应。

因此,合理安排运动训练负荷、避免过度负荷,是确保运动员骨骼健康、防止运动损伤的关键。

参考文献:
[1]Drin kw ater B L,Nils on K,Chesnut C H,et al.Bone min eral con
tent of amen or rheic an d eu men or rheic ath letes[J].N E ngl J M ed,1984,311(5):277 281.
[2]高丽.运动性动情周期抑制雌性大鼠的骨变化及其影响机制的
研究[D].上海:华东师范大学博士研究生学位论文,2005. [3]Cann C E,M artin M C,Gen ant H K,et al.Decreas ed s pinal min
203
第2期梁 鸿等:运动对骨形态结构、骨密度和骨生物力学特征的影响课题成果
eral content in amen or rheic w omen[J].J AM A,1984,251(5): 626 629.
[4]M arcus R,Cann C,M ad vig P,et al.M enstrual fu nction and bone
m as s in elite w om en dis tance runn ers[J].Ann Intern M ed,1985, 102(2):158 163.
[5]Warre M P,Brooks Gunn J,H am ilton L H,et al.S coliosis an d
fractures in young ballet dancers.Relation to delayed menar che and secondary am enorrh ea[J].N Engl J M ed,1986,314(21): 1348 1353.
[6]Drinkw ater B L,Nilson K,Ott S,et al.Bone mineral density af
ter r esum ption of m ens es in amen or rheic athletes[J].JAM A, 1986,256(3):380 382.
[7]Frost H M.W olff s law and bone s structu ral adaptation to me
chanical usage an overview for clinican s[J].Angle Orthod1994, 64:175 178.
[8]孙晓江.应力环境对大鼠骨生长重建及力学性能影响的研究
[D].大连:大连医科大学硕士学位论文,2004.
[9]罗冬梅.运动对大鼠长骨发育作用机理的研究[D].北京:北京体
育大学博士研究生学位论文,2002.
[10]S wissa s ivan A,Sim kin A,leich ter I,et al.Effect of sw immin g
on bone gr ow th an d d evelopm ent in young rats[J].Bon e M in er,1989,7(2):91 105.
[11]王广新,王立新.不同类型运动负荷对近节指骨形态的影响
[J].新疆医学院学报,1995,18(4):224 222.
[12]Bour rin S,Gany C.Adverse effects of strenuous exercis e:a den
s itom etric an d histomorphometric study in the rat[J].J Appl Ph ysiol,1994,76(5):1999 2005.
[13]Li K C,Zernick e R F,Barnard R J,et al.Differential res ponse
of rat limb b on es to strenuous exercise[J].J Appl Physiol, 1991,70(2):554 560.
[14]Nysk a M,Nys ka A,Sw is sa Sw an A,et al.Histom orphometry
of lon g bone gr ow th plate in sw immin g rats[J].Int J E xP Path ol,1995,76(4):241 245.
[15]马涛.跳跃对生长期大鼠骨组织形态计量学和生物力学指标的
影响[D].上海:华东师范大学硕士研究生学位论文,2007. [16]章晓霜,周红律,许豪文,等.不同强度运动与雌激素联合作用
对去卵巢骨上端超微结构影响的扫描电镜观察[J].中国运动医学杂志,2003,22(5):470 473.
[17]高丽,郑陆.运动性动情周期抑制雌性大鼠的骨结构与骨组织
OPGmRNA、OPGLmRNA的表达[J].天津体育学院学报, 2005,20(6):22 25.
[18]张义修.骨代谢的生物力学[J].中国中西医结合外科杂志,
1998,4(4):251 252.
[19]Kohrt W M.HRT preserve increase in bone min eral dens ity
and r eduction in body fat after a supervised ex ercis e program [J].J Appl Physiol,1998,84(5):1506 1512.
[20]Baren glots E I.E ffect of endu ran ce exer cise on bone m as s an d
m ech anical properties in intact and ovariectomized rats[J].J Bone M iner Res,1993,8(8):937 942.
[21]福田礼香倾为.成长期扫求梦成熟初期.走卜卜一二夕夕力于
卜.骨形成忆及浮寸影响[J].体力科学,1996,45:141 110.
[22]福田礼香倾为.雌于 卜忆扫汁马走卜卜一二夕夕忆对寸马
骨.应答过程[J].体力科学,1997,46:513 512.
[23]燕好军.运动对性激素及骨质疏松症的影响[J].中国运动医学
杂志,1996,5(4):282 285.
[24]Pettersson U,Staln acke B,Ahleniu s G,et al.Low bone mass
density at mu ltiple sk eletal sites,in cluding the app endicu lar
s keleton in amenorrheic runners[J].Calcif Tissue In t,1999,64
(2):117 125.
[25]S nead D B,Weltman A,W eltman J Y,et al.Reproductive h or
m on es and b on e min eral den sity in w omen runners[J].J Appl Phy siol,1992,72(6):2149 2156.
[26]Rutherford O M.Spin e and total body bone mineral dens ity in
amenorrheic endurance athletes[J].J Appl Physiol,1993,74
(6):2904 2908.
[27]Wolman R L,Clark P,M cNally E,et al.M enstrual strate an d
exercis e as determinants of spin al trab ecular bone dens ity in fe m ale athletes[J].BM J,1990,301(6751):516 518.
[28]Sakakura Y.Effect of running exercis e on th e m andib le and tib
ia of ovariectomized rats[J].J Bon e M in er M etab,2001,19(3): 159 167.
[29]M cdonald R.Age related differen ce in the bone min e realization
pattern of rats followin g exercise[J].J Ger on tol,1986,41(4): 445 452.
[30]Jonnavith ula S,Warren M P,Fox R P,et al.Bone den sity is
compromis ed in amen orrheic w omen des pite return of menses:a
2 year study[J].Obs tet Gynecol,1993,81:669 674.
[31]Zanker C L,Sw aine I L.Relation b etw een bone turnover,oes
tradiol,and energy banlance in w omen distan ce run ners.Br J S ports M edicine,1998,32(2):167 171.
[32]S now H ar ter C,Boux sein M L,Lew is B T,et al.Effects of re
sistance and en duran ce exercise on bone M ineral status of youn g w omen:Arandomiz ed ex ercise in terven tion trial[J].J Bone M iner Res,1992,7(7):61 76.
[33]高丽.运动性动情周期抑制雌性大鼠骨变化的实验研究[J].武
汉体育学院学报,2005,39(11):59 62.
[34]Jam es J M,Ronald F Z.S tru ctural an d mechan ical adaption of
im matu re bone to s tenuous exer cise[J].Appl Phydiol,1996,60
(6):2028 2034.
[35]Geng W,DeM oss D L,Wright G L.Effect of calcium stress on
th e sk eleton mas s of intact an d ovariectom ized rats[J].Life Sci,2000,66(24):2309 2321.
[36]H ou J C,Salem G J,Zern icke R E,et al.Structu ral and m echan
ical adaptation of immatu re trabecular bone to strenuous exer cise[J].Appl Physiol,1990,69(4):1309 1314.
[37]章晓霜.运动对大鼠骨量和力学性能影响的相关分析[J].湛江
师范学院学报,2006,27(3):99 100.
[38]H art K J,S haw J M,Vajda E,et al.Sw im trained rats h ave
greater bon e mass,den sity strength and dynamics[J].J Appl Physiol,200l,91(4):1663 1668.
[39]Notomi T,Okim oto N,Okazaki Y,et al.Effects of tow er climb
ing exercise on bone mass,strength,and turn over in Qrowin Q rats[J].J Bone M iner Res,200l,16(1):166 167.
[40]Nordsletten L.T he development of femoral os teopenia in ovari
ectomized rats is not reduced by high in tensity treadmill train in g:a mechanical and densitometric study[J].Calcif Tis sue Int, 1994,55(6):436 442.
[41]Sogaard C H,Danielsen C C,T horling E B,et al.Long term ex
ercise of young and adult female rats:effect on fem oral neck bi om echanical com petence and bone stru cture[J].J Bone M iner Res,1994,9(3):409 406.
[42]Kaastad T S.Effect of intens itive training on low er leg struc
tu ral strength:an in vivo study in ovariectomiz ed rats[J].S can d J M ed Sci Sp orts,1997,7(4):220 225.
204
课题成果首都体育学院学报 第21卷。