機械振動防治骨質(zhì)疏松癥的研究進展

洪志楠 魏秋實 周廣全* 何偉

1. 廣州中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院，廣東 廣州 510405 2. 廣州中醫(yī)藥大學嶺南醫(yī)學研究中心中醫(yī)骨傷科學實驗室，廣東 廣州 510405 3. 廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院，廣東 廣州 510405

骨質(zhì)疏松癥是以骨量丟失、骨小梁變細、斷裂、數(shù)量減少，皮質(zhì)骨多孔、變薄為特征，導致骨的脆性增高、骨折危險性增加的全身性骨病。世界衛(wèi)生組織以骨密度低于同種族和同性別健康年輕成人峰值的2.5個標準差(T<-2.5)作為診斷標準，其臨床表現(xiàn)主要有疼痛、脊柱變形及骨折。骨折是最常見和最嚴重的并發(fā)癥，其中又以脊柱壓縮性骨折、髖部骨折、橈骨遠端、肱骨近端和踝部骨折多見。

骨質(zhì)疏松癥是一種代謝性骨病，與內(nèi)分泌、遺傳、營養(yǎng)、失用等因素相關(guān)。根據(jù)病因可分為原發(fā)性、繼發(fā)性和特發(fā)性骨質(zhì)疏松。原發(fā)性骨質(zhì)疏松又分為：①絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(Ⅰ型)，多發(fā)于婦女絕經(jīng)之后5～10年內(nèi)；②老年性骨質(zhì)疏松癥(Ⅱ型)，多發(fā)于70歲或以上的老年人。根據(jù)我國13省市人群骨密度調(diào)查結(jié)果，估計我國骨質(zhì)疏松癥患者約占總?cè)丝诘?.6%，絕經(jīng)后婦女中約30%患有骨質(zhì)疏松癥。由此可見，骨質(zhì)疏松癥患者主要集中在中老年人群。中老年人因本身肌力、身體平衡能力和視力的下降較常人更易發(fā)生跌倒，而跌倒是導致骨質(zhì)疏松性骨折的主要原因。統(tǒng)計表明，女性一生發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折的風險(40%)高于乳腺癌、子宮內(nèi)膜癌和卵巢癌的總和，男性一生發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折的風險(13%)高于前列腺癌。骨質(zhì)疏松性骨折嚴重影響患者生活質(zhì)量，增加致殘率及病死率，給家庭及社會造成沉重負擔[1]。

目前骨質(zhì)疏松癥的藥物治療主要分為：①礦化類制劑，如鈣制劑、骨活化劑；②骨吸收抑制劑，如性激素類制劑、降鈣素、雙膦酸鹽類；③骨形成促進劑，如甲狀旁腺激素。因上述治療或多或少存在療程長、副作用多、費用高及患者依從性不強等缺點，近年來研究者開始將目光轉(zhuǎn)向短期、無創(chuàng)、簡便、不良反應(yīng)少的物理療法。多項研究顯示，生物力學干預可能是一種安全、有效抑制并逆轉(zhuǎn)骨質(zhì)疏松的方法。低強度、高頻率振動(low-magnitude, high-frequency vibration，LMHFV)已被建議作為一種非藥物的抗骨質(zhì)疏松療法[2]。

1 應(yīng)用概況

動物實驗表明，機械刺激具有促進成骨的潛力。早在2001年，Rubin等[3]通過對成年綿羊施加機械振動(0.3 g，30Hz，20 min/d)，持續(xù)1年后發(fā)現(xiàn)，實驗組綿羊股骨近端的骨小梁密度較對照組提高34.2%，由此證明LMHFV能夠作用于骨組織，對復雜的骨重塑周期產(chǎn)生影響，從而刺激板層骨的形成，提高骨的數(shù)量和質(zhì)量，Sierpowska等[4]的研究也得出類似結(jié)論?，F(xiàn)普遍認為在動物模型中應(yīng)用短時間(30 min)、低強度(0.3 g)、相對高頻率(20～90Hz)的機械振動，能夠增加骨小梁的數(shù)量和寬度，還能提高松質(zhì)骨的硬度和強度。

在動物實驗獲得成功后，Rubin等[5]又嘗試將機械振動用于人體。在一項前瞻性的雙盲隨機對照試驗中，共納入70名停經(jīng)3～8年的婦女，測試短時間(<20 min)、低強度機械信號(0.2 g，30Hz)在抑制骨質(zhì)疏松方面的作用。結(jié)果顯示，經(jīng)過連續(xù)12個月的振動刺激，絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松婦女股骨頸骨密度較對照組增加2.17%(P=0.06)，腰椎骨密度較對照組增加1.5%(P=0.09)，其中體重較輕(<65 kg)的婦女腰椎骨密度增加更明顯(3.35%，P=0.009)。我國較早的一項臨床報道中，振動組的受試者在接受3個月的振動治療(30Hz，0.5 mm，10 min/次，5次/周)后腰椎骨密度平均上升了1.29%，股骨的骨密度平均上升了1.65%，上升的有效率為80%[6]。鄭錦暢等[7]在試驗中將70例骨質(zhì)疏松志愿者隨機均分為復合振動組和對照組，復合振動組采用自行研制的復合振動儀進行全身振動治療(45～55Hz，0.5～0.8 g，30 min/次，隔天1次)，連續(xù)觀察6個月后發(fā)現(xiàn)，復合振動可促進骨組織鈣化、促進鈣和磷以骨鹽形式沉積于骨組織。

2006年，Rubin等[8]又撰文指出，低強度的機械振動可作為一種安全無創(chuàng)、無副作用的物理療法用于預防甚至逆轉(zhuǎn)殘疾兒童和絕經(jīng)后婦女的骨質(zhì)疏松。還有報道指出，全身振動能夠提高唐氏綜合癥青少年患者的骨量和骨密度[9]，對于已經(jīng)發(fā)生的骨質(zhì)疏松性骨折，全身振動能夠改善骨痂的質(zhì)量，從而促進骨折愈合[10, 11]。在假體植入方面，全身振動能夠在一定程度上逆轉(zhuǎn)骨質(zhì)疏松癥對去卵巢大鼠的不利影響，加速早期假體周圍的骨整合[12]。

骨質(zhì)疏松癥的現(xiàn)代康復強調(diào)預防跌倒，而機械振動在此亦有所長。力量訓練結(jié)合本體感覺訓練或全身振動能夠在一定程度上改善絕經(jīng)后低骨密度婦女的姿態(tài)控制，從而預防跌倒， 且相對于本體感覺訓練，短期的全身振動鍛煉對低骨密度的絕經(jīng)后婦女的神經(jīng)肌肉功能的影響更大[13, 14]。陸鐵等[15]讓70名受試的老年女性每日服用鈣爾奇D 600 mg，在此基礎(chǔ)上對實驗組施加振動干預(30Hz，10 min/次，3次/周)，12周后發(fā)現(xiàn)，兩組患者的腰椎BMD均有顯著上升、骨痛癥狀均有明顯緩解，且實驗組的變化更為明顯(P<0.05)；振動干預后患者跌倒次數(shù)以及骨折發(fā)生率均低于對照組。振動干預后患者的平衡能力較前明顯增強(P<0.05)，而對照組無顯著變化。另一項納入710名老年婦女的大樣本隨機對照試驗顯示，LMHFV(35Hz，0.3 g，5d/周，18月)能夠增強肌肉力量、提高平衡能力從而預防老年人跌倒，因此推薦在社區(qū)中開展振動治療，以預防跌倒，減少意外傷害[16]。

2 作用機制

2.1 骨傳導

早在一個世紀以前，人們就認識到骨骼對載荷具有適應(yīng)能力。有學者認為，骨組織中存在一類機械敏感細胞，這類細胞通過細胞核的振蕩來感知機械應(yīng)力的變化，進而引起骨量和結(jié)構(gòu)的改變，以應(yīng)對機械載荷的挑戰(zhàn)[17]。骨骼中能夠產(chǎn)生力學識別和應(yīng)答的機械敏感細胞就是骨細胞、成骨細胞和間充質(zhì)干細胞。振動能夠產(chǎn)生促進骨和肌腱系統(tǒng)合成的機械信號[18]，這種“由外向內(nèi)”的信號從細胞膜啟動，通過內(nèi)在膜蛋白將機械信號轉(zhuǎn)化為生化信號[19]。研究發(fā)現(xiàn)，細胞是通過振動產(chǎn)生的加速度調(diào)節(jié)骨重建的細胞應(yīng)答活動，使之向骨髓間充質(zhì)干細胞和造血干細胞分化[20]。

2.2 肌動力

正常情況下骨量的維持或增加取決于骨負荷或骨應(yīng)力，二者主要來自肌肉的主動收縮，肌力對骨結(jié)構(gòu)和骨量具有決定作用，并且肌力的改變總是先于骨強度的改變。自然絕經(jīng)后，肌肉逐漸萎縮，肌力下降，產(chǎn)生的力學刺激隨之減弱，繼而出現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥。數(shù)據(jù)表明，婦女中年齡相關(guān)性骨質(zhì)疏松癥往往伴隨肌力的下降[21]。反之，讓絕經(jīng)后的低骨量婦女進行每周2次的抗阻力訓練，持續(xù)9個月后用外周定量CT測量脛骨遠端顯示骨密度有所提高[22]。全身振動能夠模擬肌肉發(fā)放沖動的頻率范圍，誘導肌肉產(chǎn)生牽張反射，增強肌肉收縮，在相應(yīng)骨組織上產(chǎn)生應(yīng)力，從而促進骨形成。Falcai等[23]報道，振動與游泳、跳躍運動類似，能夠增加骨量、提高強度、促進成骨，從而維持骨的質(zhì)量，預防廢用性骨質(zhì)疏松。

2.3 骨血灌注

全身振動能顯著改變骨中血流，引起骨血灌注的增加。Stewart等[24]報道，足底振動(45Hz，0.2 g)能使圍絕經(jīng)期婦女小腿血流增加30%，骨盆血量增加26%，胸部血量增加20%。振動能顯著提高外周血流量、外周淋巴和經(jīng)脈回流量，使得腿部骨血流灌注增加，從而提高了骨密度。另有研究表明，絕經(jīng)后婦女椎骨灌注峰值增長率與骨密度顯著相關(guān)[25]。

2.4 脂質(zhì)代謝

低強度的振動能夠減緩去卵巢動物脊柱中脂肪細胞的堆積，刺激骨髓基質(zhì)細胞向成骨細胞分化，使成骨細胞的生成速度超越脂肪形成，從而保留骨量。卵巢切除后骨量迅速丟失，因此對于絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的振動治療越早越好[26, 27]。

2.5 壓電效應(yīng)

根據(jù)壓電理論，機械能與電能之間可以相互轉(zhuǎn)化，因此振動所產(chǎn)生的壓力能夠引起潛在的電流改變，從而夠刺激骨的形成，其原理在于全身振動能夠增加血清中生長激素和睪酮的含量，從而預防肌少癥和骨質(zhì)疏松癥[28, 29]。

此外，有研究顯示，循環(huán)血清素對骨量具有負性調(diào)節(jié)作用，Wei等[30]認為全身振動的作用機制可能正是通過降低循環(huán)血清素水平來提高骨強度和骨密度。

3 振動模式

3.1 垂直振動與復合振動

振動治療本質(zhì)上是一種仿生醫(yī)學，通過對人體施加振動，使骨骼受力增加，一定程度上模擬了人體運動時肌肉對骨骼施加外力的情景。垂直振動方向與人體日常活動方向相近，可以改善骨的生長情況，提高骨密度和骨強度，故首先受到關(guān)注。但在實際上，人體活動十分復雜，并不是簡單垂直振動能夠模擬的，因而又有學者提出復合振動的概念[31]。

復合振動是在垂直振動的基礎(chǔ)上增加平衡干擾振動，在振動過程中受試對象需要不斷主動維持身體平衡，進而使患者骨盆產(chǎn)生一個交替的上下晃動運動訓練，骨盆的這種交替的上下晃動運動模式是人體行走和跑動的動作基礎(chǔ)，因此復合振動給人體提供了一個更加符合人體解剖學特點的訓練刺激。而且，目前垂直振動所使用的強度較大，而復合振動施加的振動載荷為動態(tài)的應(yīng)力，能夠在保證有效刺激的同時降低刺激的強度，提高振動的安全性。動物實驗也表明復合振動對于不同年齡骨質(zhì)疏松大鼠也可以在一定程度上增加骨量，抑制BMD的持續(xù)降低，改善破壞的骨微結(jié)構(gòu)，提高骨質(zhì)量，增強骨質(zhì)疏松性骨抗折能力；此外還能增加肌力，改善神經(jīng)功能的作用可能有助于改善或增強平衡能力[32]。

由此可見，復合振動在保留垂直振動成骨作用的同時，能夠強化肌肉功能和平衡控制能力，從而預防跌倒，減少骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)生。

3.2 間歇振動與持續(xù)振動

連續(xù)治療可能使人體產(chǎn)生耐受，降低治療效應(yīng)，采取短時、間斷的加載方式可能更有利于促進復合振動的成骨效果。鄭錦暢等[7]在臨床試驗中發(fā)現(xiàn)堿性磷酸酶(ALP)早期是一個上升的趨勢，在第3個月時達到一個峰值，然后呈下降趨勢。ALP作為機械載荷誘導成骨細胞分化的早期標志，前3個月ALP的升高提示復合振動可使骨組織鈣化增加，后期ALP的下降，推測可能是人體對振動刺激產(chǎn)生了耐受有關(guān)。

動物實驗中，高甲子[33]對去勢6月齡Wistar大鼠實施間歇1、3、5、7天的振動(35Hz，0.25 g)，分別于第8周、12周檢測骨形成情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，間歇振動組在防治骨質(zhì)疏松的效果上明顯優(yōu)于持續(xù)組，且間歇7天組最佳。張睿[34]對懸吊大鼠施加間歇1、3、5、7天的振動(35Hz，0.25 g)，8周后，間歇振動7天組相較對照組的破壞載荷、破壞撓度、彈性模量與截面慣性矩則分別提高了9.4%、17.42%、17.34%與11.19%，骨質(zhì)疏松現(xiàn)象較對照組以及持續(xù)振動組都有明顯的改善；間歇振動組的生長速率、骨礦化沉積率均優(yōu)于持續(xù)振動組，其中尤以間歇振動7天組的效果最為突出；骨組織形態(tài)計量學的靜態(tài)檢測表明，間歇振動7天組的大鼠骨骼靜態(tài)檢測效果最好。Li等[35]報道，間歇振動(不論間歇長短)均能誘導成骨蛋白的表達，其中又以7天為周期的間歇振動效果最佳。

與持續(xù)振動相比，間歇振動有利于避免產(chǎn)生耐受，且不論是在改善骨的力學性能還是維持骨小梁的微觀結(jié)構(gòu)上，間歇振動模式都具有較大優(yōu)勢。

3.3 單獨應(yīng)用與聯(lián)合應(yīng)用

Chen等[36]的一項隨機對照試驗表明，配合全身振動能夠增強阿倫磷酸鹽在預防骨質(zhì)疏松和改善骨小梁結(jié)構(gòu)方面的作用。Camargos等[37]認為高頻振動雖能使去卵巢大鼠骨皮質(zhì)增寬，但并不能提高它的生物力學特性，而阿侖膦酸鹽能夠預防骨小梁退化，提高骨的硬度和強度，二者聯(lián)合能夠增加骨皮質(zhì)厚度，從而發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。Wei等[38]通過比較發(fā)現(xiàn)，不論是振動治療或是中藥治療的獨立應(yīng)用，都能預防去卵巢大鼠發(fā)生骨質(zhì)疏松，但聯(lián)合中藥能夠提高骨密度和骨強度，改善骨結(jié)構(gòu)，從而提升振動治療的效果。在雌激素缺乏大鼠的骨折愈合期，全身振動能對雌二醇和雷洛昔芬起協(xié)同作用，其中雷洛昔芬+全身振動能夠有加強骨硬度和骨膜內(nèi)骨，二者分別結(jié)合全身振動均能提高骨小梁密度，由破骨細胞表達的Trap也顯著降低[39]。

然而，也有觀點認為機械振動刺激促進骨質(zhì)疏松骨皮質(zhì)合成作用，修復受損骨，但不影響骨小梁，從骨的微結(jié)構(gòu)方面而言，在采用阿倫磷酸鹽治療的同時聯(lián)用機械振動并不能提高療效[40, 41]。Hoffmann等[42]通過比較甲狀旁腺激素和雷奈酸鍶聯(lián)合全身振動治療骨質(zhì)疏松癥模型大鼠的研究發(fā)現(xiàn)，振動治療不論是獨立應(yīng)用或聯(lián)合應(yīng)用均不會對骨質(zhì)疏松的骨組織產(chǎn)生影響。Matsumoto[43]等在實驗中觀察到，雖然全身振動聯(lián)合甲狀旁腺激素治療并不能改變?nèi)ヂ殉泊笫宓墓瞧べ|(zhì)結(jié)構(gòu)，但其礦化成熟度和硬度均恢復到假手術(shù)組的水平。雖然沒有證據(jù)表明兩種治療之間存在相互作用，但其聯(lián)合效應(yīng)似乎存在累加效應(yīng)，故該方法在治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥上依然具有潛力。

3.4 全身振動與局部振動

研究表明，肌肉力量和骨密度具有定點效果，即對特定部位進行專門的力量訓練可增加或保持這一部位的骨質(zhì)[44]。類似的，局部振動也有助于逆轉(zhuǎn)失重導致的骨與肌肉丟失，35Hz和45Hz的振動能夠有效改善骨小梁骨密度的降低，35Hz的振動能夠有效提高股骨和跟腱的生物力學特性[45]。但鑒于骨質(zhì)疏松癥是一種全身性骨病，病變往往并不僅限于局部，因此目前在防治骨質(zhì)疏松癥方面的研究多采用全身振動。

4 振動治療的安全性

機械振動的安全性一直備受關(guān)注。振動作為一種力學刺激，需要達到一定的強度和頻率才能促進肌肉骨骼組織的合成，抑制其分解，過低的強度和頻率難以到達有效部位或不能成為誘發(fā)成骨的閾上刺激。Aleyaasin等[46]通過分析得出，為了獲得骨強化，振動的頻率和振幅不應(yīng)低于規(guī)定水平，低頻振動不足以刺激骨組織形成有效骨重建。Lai等[47]通過對實驗組中絕經(jīng)后婦女施予高頻率(30Hz)、高強度(3.2 g)的全身振動(5 min/次，3次/周)，6個月后采用雙能X線吸收計量法測量腰椎骨密度發(fā)現(xiàn)，實驗組較前提高2.032%(P=0.047)，較對照組有顯著提高(P=0.016)。但必須注意的是，長期高強度的振動可能會對人體系統(tǒng)造成損害。有研究表明，全身振動可能誘發(fā)小鼠椎間盤變性的加重[48]。對于骨折患者，振動治療對骨折愈合有不利影響[49]。

通常我們認為短期的LMHFV是相對安全的，但目前對于機械振動的長期療效研究并不多。Xie等[50]研究發(fā)現(xiàn)，16周的全身振動(0.3 g，30Hz，20 min/d)可能加重去卵巢大鼠股骨骨小梁的丟失，尤其是在骨小梁密集的股骨頸區(qū)域，并導致骨密度和最大負荷的下降，Qing等[51]也認為初期的全身振動對骨質(zhì)疏松癥療效確切，但療程并非越長越好。由此可見，機械振動的安全性受多種參數(shù)影響，如何根據(jù)不同人群制定一套安全有效的振動方案將是下一步的研究重點。

5 結(jié)語

機械振動作為一種短期、簡便、無創(chuàng)、不良反應(yīng)少的物理療法在防治骨質(zhì)疏松癥上極具潛力，其成骨效應(yīng)已在多項研究中得到驗證，并獲得臨床試驗的支持。不可否認的是，目前在振動方案的研究，包括頻率、幅度、時間、模式的選擇上仍有爭議，不同的組合搭配的療效也不盡相同，尚未形成一套成熟規(guī)范的治療方案。此外，機械振動的具體機制尚未闡明，還需進一步研究。