运动与骨代谢：骨密度、骨生物力学及生化指标的评价

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.46.022

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (46): 7487-7491.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.46.022

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运动与骨代谢：骨密度、骨生物力学及生化指标的评价

付蕾，柯丹丹，张玲莉，陆大江

上海体育学院，上海市 200438

修回日期:2014-10-17 出版日期:2014-11-12 发布日期:2014-11-12
通讯作者: 陆大江，硕士，教授，上海体育学院，上海市 200438
作者简介:付蕾，女，1990年生，河北省邯郸市人，汉族，在读硕士，主要从事运动监控与营养的研究。
基金资助:
十二五国家科技支撑计划课题“社区俱乐部环境远程综合监控(2012BAK23B04)”；十二五国家科技计划课题“有氧运动改善慢病人群体质健康的生物学机制(2012BAK21B00)”；“运动健身科技省部共建教育部重点实验室”资助

Exercise and bone metabolism: evaluation based on bone mineral density, bone biomechanics and biochemical indicators

Fu Lei, Ke Dan-dan, Zhang Ling-li, Lu Da-jiang

Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China

Revised:2014-10-17 Online:2014-11-12 Published:2014-11-12
Contact: Lu Da-jiang, Master, Professor, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China
About author:Fu Lei, Studying for master’s degree, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China
Supported by:
the National “Twelfth Five-Year” Plan for Science & Technology Support, No. 2012BAK23B04, 2012BAK21B00; Key Laboratory of Sports and Fitness of the Ministry of Education & Ministry of Science and Technology

摘要/Abstract

摘要：

背景：运动对于骨代谢的影响通过相关血尿生化指标的改变表现出来，以运动类型和强度影响为主。同时，这些生化指标也显示了如何标记不同个体的生理以及反映运动对骨骼的影响，可以将这些指标看成是骨生长代谢过程的一种监测。

目的：从存在于血液和尿液中与骨生长代谢的相关生化指标入手，详细阐述运动对其影响，进一步讨论对机体骨形成和骨吸收的影响。

方法：应用计算机检索中国学术期刊全文数据库(CNKI)和PubMed数据库中2000年1月至2014 年9月关于骨代谢的文章，检索主题词为“运动；骨代谢；生化指标”；英文为“Exercise；Bone metabolism；Biochemical indicators”。初检文献236篇，根据纳入标准保留38篇进行分析、综述。

结果与结论：低强度的运动对骨骼基本上起不到作用，而过度的运动对于骨骼是有害的，可以导致应力性骨折，更重要的是导致年轻女性雌激素缺乏，因而会使骨量减少。运动对骨代谢相关血尿生化指标的影响以运动类型和强度影响为主，只有把握适当的训练强度才会对骨形成和骨吸收产生积极影响，辅助骨密度、骨生物力学等指标作为制定运动处方和安排康复锻炼时的重要参考。对于运动引起骨转换的机制需要进一步结合各种通路，到细胞层面进一步讨论。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

关键词: 组织构建, 骨组织工程, 运动, 钙, 磷, 镁, 碱性磷酸酶, 甲状旁腺激素, 肌酐, 羟脯氨酸

Abstract:

BACKGROUND: Based on the blood and urine biochemical changes in different intensities and types of exercise, this research describes the impact of exercise on bone metabolism. Meantime, these biochemical indexes also show a method of marking physiological differences of certain individuals, and also reflect the impact of exercise on bone. These can be regarded as a monitoring index of bone growth and metabolism.

OBJECTIVE: To study exercise effect from the biochemical indicators in bone metebolism, and make a further discussion about its influence on bone formation and bone resorption.

METHODS: Databases of CNKI and PubMed were retrieved by computer with key words of “exercise; bone metabolism; biochemical indicators” in Chinese and English, respectively, by screening titles and abstracts to search papers related to exercise effects on the blood and urine biochemical indicators. Totally 236 papers were initially found, and only 38 papers were included in result analysis.

RESULTS AND CONCLUSION: Low-intensity exercise shows less effect on the bone, but excessive exercise is harmful to the bone that can cause stress fractures. What’s worse, it causes a lack of female hormone and reduce bone mass. Exercise can alter the blood and urine biochemical indicators in aspects of types of exercise and intensities. Only the exercise at appropriate intensity makes positive effects on bone formation and resorption, and assists bone mineral density and bone biomechanical indicators to develop exercise prescription and arrange rehabilitation exercises. MechanismS of bone turnover need further discussion at the cellular level.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

Key words: sports medicine, bone diseases, metabolic, alkaline phosphatase

中图分类号:

R318

付蕾，柯丹丹，张玲莉，陆大江. 运动与骨代谢：骨密度、骨生物力学及生化指标的评价[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(46): 7487-7491.

Fu Lei, Ke Dan-dan, Zhang Ling-li, Lu Da-jiang. Exercise and bone metabolism: evaluation based on bone mineral density, bone biomechanics and biochemical indicators [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(46): 7487-7491.

图/表（结果） 1

2.1 运动对血清中骨生化指标的影响

2.1.1 钙(calcium，Ca) Ca是人体内含量最多的矿物元素之一，它们在机体内主要以盐的形式构成骨骼和牙齿，使骨骼具有特殊的硬度和强度。当人体缺Ca时，首先表现在血浆中，由于血浆低Ca，为了维持各种生理功能的正常进行，机体不得不动用骨骼贮存的Ca，如果机体经常缺Ca，会发生代谢紊乱，导致骨质疏松骨软化等疾病。同时，Ca也是骨代谢过程中重要的调节激素及合成材料，因此，监测它们在运动中的变化能够了解骨组织代谢情况。

赵仁清等^[4]研究1 h功率自行车对男性大学生血清破骨细胞分化因子、破骨细胞抑制因子及骨代谢的影响，实验结果显示血清Ca在运动中显著增加。季丽萍等^[5]在研究游泳运动对老年男性骨质代谢影响的研究中发现，长期进行游泳运动的老年男性血Ca均显著高于对照组。尹海滨^[6]对比常年进行武术桩功练习的老年人与日常不参加专门体育运动老年人的骨代谢生化指标时也发现，练习桩功组的血Ca平均浓度显著高于对照组。

谢顺成等^[7]在不同强度的间歇跑台训练对生长期大鼠骨代谢的影响中发现，运动组血Ca均显著高于对照组。翁锡全等^[8]将48只糖尿病大鼠分成低、中、高3种运动强度进行为期6周训练，发现与对照组相比，低、中运动强度组的大鼠血Ca均未见显著性改变，而高强度组显著升高。

李世昌等^[9]通过对雌性大鼠去卵巢模型来模拟女性绝经后状态，比较跳跃和游泳两种不同方式运动对去卵巢大鼠骨的影响，8周运动干预后发现游泳组、跳跃组大鼠血清Ca水平均显著性降低。陈艳艳等^[10]在对28名绝经女性进行为期6个月的健身秧歌后发现，血清Ca水平较锻炼前呈显著性下降。

从上面阐述可得，一次性或长期的有氧运动能够促进血钙增加；不同强度的运动训练对血钙影响不一，大强度的运动效果显著；对于绝经后的女性，运动可以降低血清钙。美国学者frost教授发现并指出：激素、钙和维生素D在骨强度和估量上仅仅起到3%-10%的作用^[11]，而力学的应力则达到40%以上，这说明骨生物力性能的稳定性相当重要。在骨应力不足的情况下补充钙剂徒劳无益。运动的同时补充足够的钙剂和活性维生素D能增大肌肉力量和身体的平衡协调能力，对于改善老年性骨质疏松将产生积极的促进作用，从而降低骨折发生率。

2.1.2 磷(phosphorus，P) 血清中的P是血液中骨代谢重要的骨矿成分，骨细胞被分解时，释放Ca、P等矿物质到血液循环中。因此，通过测定血P的含量可以间接了解骨代谢平衡的状况。

彭筱^[12]将大鼠进行8周训练后，测试各组大鼠血液生化指标发现，运动组大鼠血P水平明显升高。Lin等^[13]研究一过性运动对未经训练的男大学生骨代谢的影响，结果显示两种一过性运动组的血P比对照组升高。Orcy等^[14]研究表明有氧运动增加P在血液中的透析清除，这一发现可用于评估骨矿疾病和心血管疾病。Chen等^[15]研究协助运动对极低出生体质量婴儿骨强度的影响，检查血液生化指标发现，血液中的P无显著变化。

杜新星等^[16]研究太极柔力球运动对围绝经期女性雌激素及骨代谢指标的影响的研究中发现，太极柔力球组在24周太极柔力球练习后，与运动前相比血P有一定增长，但并未出现显著性差异，而对照组则呈现自然下降趋势。

章晓霜^[17]将3月龄雌性大鼠去卵巢后分为对照组、以及低、中、高运动强度的跑台运动组，8周训练后发现，3个不同强度的运动组大鼠较对照组其血磷水平均有显著性升高。

翁锡全等^[8]将48只糖尿病大鼠按不同运动强度进行为期6周训练，发现与对照组相比，3组血P均有上升趋势，且中、高运动强度组血P水平显著性升高。

熊鹰^[18]将14名绝经后骨折女性均分为实验组和对照组，实验组进行功能性锻炼1个月，发现实验组血P显著上升。

运动可以使机体血液中的P浓度增高；不同强度的运动对P的影响不同，强度越大，浓度越高；针对绝经后骨质疏松或骨折女性，运动可以增加血液中P的浓度。

2.1.3 镁(magnesium，Mg) Mg是骨质增强因子，其高低可以直接或间接影响到钙磷平衡与骨代谢。Mg缺乏可刺激甲状旁腺素分泌，促进骨吸收，造成骨密度下降，导致骨质疏松症。

杜新星等^[16]在太极柔力球运动对围绝经期女性雌激素及骨代谢指标的影响的研究中发现，运动组在24周的太极柔力球练习后，Mg与运动前相比虽无显著性差异，但有一定增长，而对照组则呈现自然下降趋势。

Chen等^[19]研究协助运动对极低出生体质量婴儿骨强度的影响，检查血液生化指标发现，血液中Mg浓度无显著变化。同时，Soria等^[20]研究发现强度训练有素的耐力运动员中急性运动不影响血浆Mg浓度。

Matias等^[21]研究发现柔道运动员在运动过程中会因Mg快速流失而发生脱水现象。镁的损失对运动员的影响相当大，因此建议运动员应该考虑补充剂。

目前看来，对骨代谢影响的Mg研究较少，还没有形成定论，有待进一步研究。

2.1.4 碱性磷酸酶碱性磷酸酶是最常用的评价骨形成和骨转换的指标，是反映成骨细胞的活跃程度的生物标志物之一。碱性磷酸酶由成骨细胞分泌产生，主要存在于血清和骨中，而血清中碱性磷酸酶有50%来源于骨。当成骨活动增强时，成骨细胞分泌大量碱性磷酸酶，一部分参与骨的钙化，一部分释放到血液中。通常认为血液中碱性磷酸酶升高是由代偿性骨形成增强引起的^[9]。

尹海滨^[6]在对比常年进行武术桩功练习的老年人与日常不参加专门体育运动老年人的骨代谢生化指标时发现，运动组老年人血液中的碱性磷酸酶水平显著高于对照组。欧阳梅^[22]发现运动训练结束后越野组受试者的血碱性磷酸酶比对照组的明显升高，提示越野行走能够改善骨代谢指标。傅丰北等^[23]比较运动与非运动人群老年期骨代谢生化指标发现，运动人群相较于非运动人群血碱性磷酸酶明显升高，提示长期坚持体育锻炼对于成骨细胞活性有一定的促进作用，骨形成得到一定程度的加强。

谢顺成等^[7]在研究中发现运动组血清碱性磷酸酶均显著高于对照组，运动组大鼠成骨细胞活跃，骨形成作用明显好于对照组，并且发现70% VO_2max的训练强度成骨细胞最活跃。Alghadir等^[24]研究为期12周中强度的有氧运动可以提高成年人血清中的碱性磷酸酶浓度。

彭筱^[12]探讨游泳与雌激素受体调节剂联合对去卵巢大鼠骨代谢的影响，表明游泳组的大鼠血碱性磷酸酶水平显著升高，以运动+药物组效果最明显。刘思金等^[25]发现绝经后女体育教师血液中碱性磷酸酶比非运动老年人明显升高，提示长期坚持体育锻炼对于成骨细胞活性有一定的促进作用。苗福盛等^[26]研究健身气功对绝经女性骨密度和骨代谢影响发现血碱性磷酸酶显著高于对照组。

运动可以提高血液中碱性磷酸酶的浓度，适宜强度的运动对于成骨细胞活性有一定的促进作用，促进骨形成；针对绝经后女性，运动可以减缓骨质疏松。

2.1.5 甲状旁腺激素甲状旁腺激素是由甲状旁腺主细胞分泌的一种多肽激素，是骨代谢过程中重要的调节激素及合成材料，因此，监测它在运动中的变化能够了解骨生长代谢情况^[27]。

赵仁清等^[4]研究发现血清甲状旁腺激素在运动中明显增加，运动结束后迅速下降。陈玉群^[28]在探讨武术套路运动对青年期女性骨代谢影响中，发现运动年限平均为6年的武术套路专项组女性血清甲状旁腺激素显著低于对照组。Vainionpää等^[29]在研究急性运动对骨代谢的影响中发现运动组的甲状旁腺激素比对照组降低。Moreira等^[30]研究高强度的运动对绝经后女性骨代谢和骨量的影响，结果显示经过24周对照组的甲状旁腺激素显著升高，控制住运动组的甲状旁腺激素。Al-Sharif等^[31]研究轻微和中等强度的有氧跑步运动对A型血友病的骨代谢标记物的影响发现经过锻炼的患者其血液中的甲状旁腺激素浓度显著降低，提示中等强度有氧运动训练适合改善骨代谢标志物。

运动可以降低血清中的甲状旁腺激素，改善骨代谢标志物。

2.2 运动对尿液中骨生化指标的影响

2.2.1 钙(calcium，Ca)和肌酐(creatinine，Cr) 尿Ca是Ca排泄的主要途径之一，是肠钙吸收、骨吸收血钙、肾小球滤过、肾小管重吸收钙等生理过程的最终结果，它不仅反映体内钙代谢，也反映骨代谢变化。

尹海滨^[6]对比常年进行武术桩功练习的老年人与日常不参加专门体育运动老年人的骨代谢生化指标时发现，运动组老年人的尿钙与肌酐比值(Ca/Cr)显著低于对照组，由此可见长期进行武术桩功练习可明显抑制骨吸收过程。傅丰北等^[23]运动老年人群的尿Ca/Cr水平明显低于非运动老年人群，提示运动一方面促进了成骨细跑的建骨活动，而且也抑制了骨吸收过程。

张林等^[32]将绝经后女教师进行了为期6个月的健骨运动，对照组的尿Ca/Cr水平升高，而运动组下降，有显著统计学意义。刘思金等^[25]采用清晨第二次空腹尿测定Ca/ Cr, 发现绝经后妇女尿Ca/Cr比值明显增高，但终生坚持运动的老年体育教师尿Ca/Cr水平明显低于非运动老年人。熊鹰^[18]将14名绝经后骨折女性均分为实验组和对照组，实验组进行功能性锻炼，运动1个月后，实验组的尿钙有显著下降，而对照组则显著性升高。

尿肌酐在评价运动员的在肌肉骨骼功能起着关键作用。研究表明，急性运动后运动员尿液中的肌酐明显降低^[33]。Raidal等^[34]通过18个月多组分的运动，受试者的尿肌酐显著降低。运动干预显著影响尿液代谢组，而这些代谢物标志是明显的骨代谢标志物。

同时，苗福盛等^[26]在研究健身气功对绝经女性骨密度和骨代谢影响中，发现健身气功组尿脱氧吡啶啉排泄率(脱氧吡啶啉/肌酐)明显低于对照组。欧阳梅^[22]将50名老年人被分为越野行走组和对照组，结果表明，尿脱氧吡啶啉/肌酐显著低于对照组。

可见运动可以降低尿Ca/Cr，长期的有氧训练导致尿肌酐显著降低，使骨吸收降低。

2.2.2 磷(phosphorus，P) 徐莉^[35]进行多年体育运动对老年男性骨代谢影响发现，运动组尿P明显高于对照组。熊鹰^[18]将14名绝经后骨折女性均分为实验组和对照组，实验组进行功能性锻炼，运动1个月后，实验组的尿P有显著升高，而对照组则显著性降低。可见运动可以增加尿P的作用。Baltzer等^[36]经过4 h的敏捷运动后收集成年狗的尿液后发现运动后尿P增加。因此，运动使尿液中的P浓度增加。

2.2.3 羟脯氨酸羟脯氨酸是人体胶原蛋白的主要成分，为非必须氨基酸，当胶原降解时，它的降解产物从尿中排泄，尿羟脯氨酸总量被广泛应用于胶原降解的测量。因为大多数身体的胶原存在于骨骼中，并且骨胶原的清除和取代比其他组织更迅速，所以尿羟脯氨酸总量是骨转换的一个有意义的指标，但后面发现尿中羟脯氨酸仅50% 来源于骨，不特异，且易受饮食、组织炎症、创伤等非骨胶原代谢物的影响，尤其是对绝经后及老年性骨吸收缺乏敏感性，不能反映胶原转换中的微小变化。现被更多特异性骨吸收标志物如吡啶啉(PYD)、脱氧吡啶啉所取代，但它在严重性骨病如Paget病和甲状旁腺功能亢进症等中仍作为一种有效的标志物^[37]。

两组绝经妇女经过6个月慢跑或舞蹈干预后，尿羟脯氨酸无明显差异，但较锻炼前尿羟脯氨酸明显下降^[38]。张林等^[32]将绝经后75名女教师分为运动组、运动补钙组和对照组，进行了为期6个月的对比试验，发现运动使尿羟脯氨酸/肌酐(羟脯氨酸/肌酐)值降低。

运动对绝经女性骨量的维持作用主要在于抑制骨吸收过程。

2.2.4 半乳糖羟赖氨酸其他的骨吸收标志物还包括尿半乳糖羟赖氨酸等，由于指标用的较少，测试比较复杂，研究尚不多。

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运动与骨代谢：骨密度、骨生物力学及生化指标的评价

Exercise and bone metabolism: evaluation based on bone mineral density, bone biomechanics and biochemical indicators

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