運(yùn)動(dòng)對(duì)青少年骨骼生長(zhǎng)發(fā)育的影響及機(jī)制

趙仁清

摘要：為研究在青春期養(yǎng)成良好的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣對(duì)骨骼生長(zhǎng)發(fā)育的影響及可能的機(jī)制，對(duì)165名小學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查和體質(zhì)測(cè)量，分別在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始、第1和第2年測(cè)試：身高(H)、體重(W)、脂肪含量(FM)、瘦體重含量(LM)、全身骨密度(BMD)、骨量(BMC)和骨面積(BA)及血清瘦素(Le)、雌二醇(E2)、IGF-I等。運(yùn)動(dòng)情況根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查獲得。結(jié)果表明在基礎(chǔ)測(cè)量時(shí)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)(HP)與不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組(LP)之間各項(xiàng)指標(biāo)沒(méi)有顯著性差異。在一年后的第二次測(cè)量時(shí)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組的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)明顯比不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組高。而在第三次測(cè)量經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組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)也明顯高于不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組。無(wú)論在第二、三次測(cè)量時(shí)二組間的BA、血清Le、E2和IGF-I卻沒(méi)有顯著差異。提示良好的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣明顯促進(jìn)青少年骨骼生長(zhǎng)發(fā)育，其可能的機(jī)制是肌肉在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械牽張力是促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素，而不是通過(guò)改變激素的分泌對(duì)骨骼產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。

關(guān)鍵詞：青春期骨骼發(fā)育；運(yùn)動(dòng)；激素；機(jī)械力作用

中圖分類(lèi)號(hào)：G804.49文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

運(yùn)動(dòng)能明顯促進(jìn)青少年骨骼生長(zhǎng)發(fā)育，在青春期開(kāi)始運(yùn)動(dòng)要比成年時(shí)期才開(kāi)始運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼的影響更明顯^[1]。目前關(guān)于運(yùn)動(dòng)影響骨骼生長(zhǎng)發(fā)育的文獻(xiàn)報(bào)道大多數(shù)是運(yùn)動(dòng)干預(yù)實(shí)驗(yàn)研究^[2,3]，而我們?cè)谏钪卸嗍且孕蓍e、娛樂(lè)為主的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)對(duì)青春期骨骼生長(zhǎng)發(fā)育有什么樣的影響？通過(guò)什么機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的？目前還不清楚。另外，青春期的生長(zhǎng)發(fā)育是一個(gè)連續(xù)、動(dòng)態(tài)的過(guò)程，目前這方面的縱向跟蹤研究很少。因此，本課題進(jìn)行追蹤測(cè)量骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)及相關(guān)影響因素，這為研究青春期骨骼生長(zhǎng)發(fā)育及影響因素提供新的嘗試。

1 對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象

受試者為浙江地區(qū)小學(xué)生，經(jīng)過(guò)體格檢查及確定沒(méi)有影響骨骼代謝的疾病史后，有165名學(xué)生符合條件、參加本項(xiàng)研究。她們平均年齡是11.0±0.8歲，身高：142 ±7.7 厘米，體重：38.6 ±8.1公斤。向受試者和家長(zhǎng)介紹實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，取得家長(zhǎng)的同意和學(xué)生的配合，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)分為問(wèn)卷調(diào)查和實(shí)驗(yàn)測(cè)量二部分。問(wèn)卷調(diào)查主要是了解受試者平時(shí)參加運(yùn)動(dòng)的情況并進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)分，根據(jù)評(píng)分進(jìn)行分組，然后做進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析(詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)1.4)。體質(zhì)測(cè)量部分在問(wèn)卷調(diào)查完成之后進(jìn)行，共進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，分別在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始、第1和第2年測(cè)試受試者的身高(H)、體重(W)、脂肪含量(FM)、瘦體重含量(LM)、全身骨密度(BMD)、骨量(BMC)和骨面積(BA)。同時(shí)檢測(cè)血清雌二醇(E2)、IGF-I和瘦素(Le)(表1)。

1.3 測(cè)試內(nèi)容及方法

1.3.1 一般指標(biāo)的測(cè)試

體重、身高采用“身高、體重電子測(cè)量?jī)x”，體重測(cè)量的數(shù)值精確到0.1公斤，身高測(cè)量的數(shù)值精確到0.5厘米。

1.3.2 全身骨密度、骨量和骨面積及體成分的測(cè)定

全身骨密度、骨量和骨面積以及脂肪含量、瘦體重含量采用雙能X線吸收儀(dual-energy X-ray absorptiomery，DEXA) (Prodigy, GE lunar Corp., Masison, WI USA)測(cè)量(表1)。骨量的測(cè)量誤差為0.6%，骨面積的測(cè)量誤差為0.8%。

1.3.3 激素的測(cè)定

標(biāo)本制備 血液標(biāo)本在早晨6-8點(diǎn)鐘空腹采集。血液采集后靜置使血液凝固并離心處理，提取血清置于-200C冰箱中保存待分析。

檢測(cè)方法 雌二醇、瘦素采用化學(xué)發(fā)光免疫法測(cè)定(Diagnostic Systems Laboratories, Webster, TX, USA)。雌二醇組內(nèi)和組間誤差分別是：8.5%和13.3%；；瘦素組內(nèi)和組間誤差分別是：6.5%和7.9%。血清IGF-I采用放射免疫法測(cè)定(Diagnostic Products Corporation, Los Angeles, CA, USA)，組內(nèi)和組間誤差分別是：5.1% 和 6.7%(表1)。

1.4 運(yùn)動(dòng)情況的問(wèn)卷調(diào)查

受試者的運(yùn)動(dòng)情況采用世界衛(wèi)生組織評(píng)估運(yùn)動(dòng)情況的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)^[4]。問(wèn)卷主要調(diào)查最喜歡的三種運(yùn)動(dòng)是什么，及每種運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度和每周參加運(yùn)動(dòng)的次數(shù)。運(yùn)動(dòng)的類(lèi)型要區(qū)分為是不是以承受體重為運(yùn)動(dòng)方式^[5]，根據(jù)下列公式來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)評(píng)分情況：

運(yùn)動(dòng)情況評(píng)分＝(頻率×強(qiáng)度指數(shù)×持續(xù)時(shí)間×負(fù)荷方式)

根據(jù)公式對(duì)所有受試者進(jìn)行評(píng)分，計(jì)算出組平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(means±SD)，然后再根據(jù)組平均值和標(biāo)準(zhǔn)差將評(píng)分劃分為三個(gè)運(yùn)動(dòng)組別：評(píng)分在平均值加減一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)(means±1SD)為一般運(yùn)動(dòng)組；評(píng)分大于平均值加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差(>means+1SD)為經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組(表示經(jīng)常參加運(yùn)動(dòng)，養(yǎng)成良好的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣)；評(píng)分小于平均值減一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差(

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SAS (Statistics Analysis System) 統(tǒng)計(jì)軟件8.01對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分別在第一、二和三次對(duì)經(jīng)常和不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組之間各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行T檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析是在相關(guān)理論依據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而不是單純地依靠數(shù)據(jù)的結(jié)果。數(shù)據(jù)采用平均值(means)±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)進(jìn)行報(bào)道，p<0.05為有顯著性意義。

2 結(jié)果

2.1 經(jīng)常和不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組間在基礎(chǔ)測(cè)量時(shí)的相關(guān)指標(biāo)對(duì)比

我們對(duì)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)和不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組間相關(guān)指標(biāo)的基礎(chǔ)測(cè)量值進(jìn)行T檢驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組和不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組二組間的身高、體重、BMI、FM、LM及BMD、BMC、BA和血清瘦素雌二醇和IGF-I在基礎(chǔ)測(cè)量時(shí)沒(méi)有顯著性差異(表2)。

2.2 經(jīng)常和不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組第二次測(cè)量時(shí)相關(guān)指標(biāo)的對(duì)比

為探討在青春期快速生長(zhǎng)階段，運(yùn)動(dòng)習(xí)慣是不是對(duì)青少年骨骼生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的影響，我們對(duì)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組和不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組第二次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算這兩組間各項(xiàng)指標(biāo)的差異是否具有顯著性。結(jié)果表明經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組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)明顯比不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組高，而二組間其它指標(biāo)沒(méi)有顯著性差異(表3)。

2.3 經(jīng)常和不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組第三次相關(guān)指標(biāo)的對(duì)比

我們也對(duì)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組和不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組第三次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行T檢驗(yàn)，對(duì)比這兩組間各項(xiàng)指標(biāo)的差異是否具有顯著性。結(jié)果表明經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組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)明顯比不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組高，而二組間BA和血清瘦素、雌二醇和IGF-I卻沒(méi)有顯著性差異(表4)。

3 討 論

本實(shí)驗(yàn)旨在探討在青春期養(yǎng)成良好的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣是否對(duì)青少年的骨骼生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生良好的影響及這種影響的機(jī)制。結(jié)果表明經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組和不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組青少年的骨密度、骨量和瘦體重含量在第二、三次測(cè)量時(shí)有顯著差異，而骨面積、血清E2、Le、IGF-I差異不明顯，提示青春期是骨骼對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感時(shí)期，良好的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣可以促進(jìn)骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育，運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的肌肉牽張力實(shí)現(xiàn)這種影響的主要機(jī)制。

運(yùn)動(dòng)是調(diào)節(jié)骨骼生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，大量文獻(xiàn)報(bào)道中、短期運(yùn)動(dòng)(8-10個(gè)月)可以明顯促進(jìn)骨骼礦物質(zhì)的積累^[1,2,3]。運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼的影響可以從“機(jī)械負(fù)荷理論”(mechanostat theory)來(lái)解釋^{[6, 7]}，肌肉的機(jī)械力與骨骼之間形成比較密切的“力量-效應(yīng)”關(guān)系(cause-and-effect relationship)，在這個(gè)機(jī)制中肌肉的牽張力要比“單純的體重負(fù)荷”更重要^[8]。但是目前長(zhǎng)期追蹤研究 (2-3年或更長(zhǎng)) 運(yùn)動(dòng)影響骨骼生長(zhǎng)發(fā)育的文獻(xiàn)比較少見(jiàn)，這主要是因?yàn)檫M(jìn)行長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)干預(yù)實(shí)驗(yàn)比較困難。因此，利用問(wèn)卷方式了解青少年平時(shí)運(yùn)動(dòng)情況，以此來(lái)研究長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)習(xí)慣對(duì)骨骼生長(zhǎng)發(fā)育的影響可能是一個(gè)非常有效的解決途徑。

“運(yùn)動(dòng)習(xí)慣在調(diào)節(jié)骨骼生長(zhǎng)發(fā)育、維持骨量中作用”目前成為運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)課題之一，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人都是進(jìn)行自己喜好的、以休閑、娛樂(lè)為主的運(yùn)動(dòng)，并非都是進(jìn)行有特定強(qiáng)度、規(guī)定時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，這些日常以休閑為主的運(yùn)動(dòng)方式是否對(duì)骨骼發(fā)育也有良好的促進(jìn)作用，日益受到關(guān)注。一些橫向研究表明^[9]：良好的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣對(duì)青春期骨骼礦物質(zhì)積累起到積極的促進(jìn)作用。大多文獻(xiàn)稱(chēng)這個(gè)時(shí)期為“青春期快速生長(zhǎng)”(pubertal growth spurt)，在這個(gè)時(shí)期進(jìn)行身體運(yùn)動(dòng)要比在青春后期或成年時(shí)期運(yùn)動(dòng)會(huì)更有效。

研究結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組和不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組的女孩在年齡、身高、體重、脂肪含量、瘦體重含量、激素及相應(yīng)骨骼各項(xiàng)指標(biāo)沒(méi)有顯著性的差異(表2)，在二年的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中身體各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生顯著的變化(表3, 4)，經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組在第二測(cè)量時(shí)BMD和BMC及第三次測(cè)量時(shí)BMD和BMC和LM比不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組明顯高，而全身BA及血清E2、Le、IGF-I沒(méi)有顯著性的差異。這表明運(yùn)動(dòng)習(xí)慣對(duì)青春期骨骼的礦物質(zhì)沉積有良好的促進(jìn)作用。大量的資料也支持我們的結(jié)果。文獻(xiàn)報(bào)道在青春期，經(jīng)常參加運(yùn)動(dòng)青少年其全身BMC、BMD明顯比對(duì)照組高，腰椎、股骨頸的BMC和BMD也比對(duì)照組高^[10]。在青春期養(yǎng)成良好的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣對(duì)骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育有著積極促進(jìn)作用，Slemenda^[1]把青春期定義為骨骼礦物質(zhì)積累的最關(guān)鍵時(shí)期，在這個(gè)時(shí)期經(jīng)常參加運(yùn)動(dòng)的青少年比不喜歡運(yùn)動(dòng)的同年齡者全身BMD高出大約4%，這表明運(yùn)動(dòng)對(duì)這個(gè)時(shí)期青少年骨骼礦物質(zhì)的積累有益處。

全身BA在經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組與不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組之間沒(méi)有顯著性的差異，這可能提示，像這種中、低強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)可能對(duì)骨的幾何形態(tài)沒(méi)有顯著的影響，而對(duì)骨骼礦物質(zhì)的沉積具有更為顯著的促進(jìn)作用。在一項(xiàng)長(zhǎng)期網(wǎng)球和壁球運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼生長(zhǎng)發(fā)育的影響的研究中^[3]，提示從青春期開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的受試者其運(yùn)動(dòng)側(cè)的肱骨橫截面積要對(duì)照側(cè)要大，骨髓腔要小，這提示這種大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)骨骼的幾何形態(tài)發(fā)育產(chǎn)生較大的影響，而且在青春期開(kāi)始運(yùn)動(dòng)者比在成年期才參加運(yùn)動(dòng)者對(duì)骨骼的影響要明顯。由于我們受試者是一種休閑、娛樂(lè)為主的運(yùn)動(dòng)，為中、低強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)，測(cè)量的是全身骨骼變化(全身骨面積不會(huì)反應(yīng)骨髓腔大小的變化)，也就不會(huì)有上述文獻(xiàn)的結(jié)果。

經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組有比不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組要高的LM。這提示運(yùn)動(dòng)習(xí)慣導(dǎo)致肌肉力量的增加(LM能夠反應(yīng)機(jī)體肌肉力量的發(fā)育情況)是促進(jìn)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)組骨骼良好變化的主要因素。大量的文獻(xiàn)報(bào)道了LM與全身的BMD、BMC呈現(xiàn)高度相關(guān)，因此在青春期運(yùn)動(dòng)習(xí)慣影響骨骼的礦物質(zhì)的積累是通過(guò)增加肌肉對(duì)骨骼的牽張力這個(gè)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，青春期是一個(gè)較好“運(yùn)動(dòng)-骨骼適應(yīng)”的關(guān)鍵時(shí)期。LM對(duì)骨骼代謝的影響可以從“機(jī)械負(fù)荷理論”角度解釋^[6,7]，根據(jù)機(jī)械負(fù)荷理論(mechanostat theory)認(rèn)為：肌肉力量與骨骼發(fā)育之間形成比較密切的“力量－效應(yīng)”(cause-and-effect relationship)關(guān)系，在肌肉力量的作用下，骨組織不斷地進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)施加在它上面的機(jī)械力，進(jìn)行骨小梁重建等變化，重建的結(jié)果是骨骼更有效地適應(yīng)外界機(jī)械力的變化。

結(jié)果還表明兩組之間的激素(血清E2、Le、IGF-I)沒(méi)有顯著性差異，這反應(yīng)中、低強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有明顯改變內(nèi)分泌環(huán)境。由于激素是調(diào)節(jié)青春期骨骼代謝的重要機(jī)制^[11]，這個(gè)結(jié)果提示“運(yùn)動(dòng)習(xí)慣”不是通過(guò)內(nèi)分泌機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn) (systematic mechanism) 對(duì)骨骼礦物質(zhì)沉積的影響，但不能排除骨骼局部的調(diào)節(jié)機(jī)制(local mechanism)有激素參與，因?yàn)榧词故菣C(jī)械力的作用，也要通過(guò)局部激素和因子的參與來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)骨骼的代謝調(diào)節(jié)，但是我們測(cè)定的是循環(huán)血中激素的水平，它不能反應(yīng)局部激素的變化情況。因此，本實(shí)驗(yàn)表明運(yùn)動(dòng)因素在青春期對(duì)骨骼礦物質(zhì)積累具有積極的促進(jìn)作用，這種作用是通過(guò)機(jī)械負(fù)荷作用實(shí)現(xiàn)的，而不是通過(guò)內(nèi)分泌機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 小結(jié)與建議

在青春期養(yǎng)成良好的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣會(huì)對(duì)骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育有積極的促進(jìn)作用，這種良好的促進(jìn)作用主要是通過(guò)運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉產(chǎn)生的牽張力來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不是通過(guò)循環(huán)內(nèi)分泌激素的變化來(lái)調(diào)節(jié)的。

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