Influence of Vibration Training on Bone Mass and Research

Review of Its Mechanism

張娜娜，李世昌，彭海霞

Zhang Nana, Li Shichang, Peng Haixia

振動訓(xùn)練對骨量的影響及其機制研究進展

Influence of Vibration Training on Bone Mass and Research

Review of Its Mechanism

張娜娜，李世昌，彭海霞

Zhang Nana, Li Shichang, Peng Haixia

作者單位：華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院，上海200241

前言

振動訓(xùn)練是近20年才出現(xiàn)的一種訓(xùn)練方法，是一種通過機械振動和外在抗阻負荷誘發(fā)神經(jīng)肌肉反射，促進肌肉收縮，同時給予骨骼重復(fù)性的應(yīng)力刺激進而改善肌肉-骨骼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的康復(fù)訓(xùn)練方法。

根據(jù)振動實施的方法可有準(zhǔn)確性振動，節(jié)段性振動和全身振動[1]。其中全身振動訓(xùn)練逐步成為訓(xùn)練和康復(fù)領(lǐng)域研究的熱點,而且其對骨量有積極的影響。然而由于振動裝置、運動強度、時間、頻率等因素的不同，研究結(jié)果存在一定的差異。但其具作用體機制尚不清楚。本文對振動訓(xùn)練對骨礦物質(zhì)含量的影響和作用機制進行綜述，以深入探討其對骨質(zhì)的影響作用。

1振動訓(xùn)練對骨量的影響

1.1　振動訓(xùn)練動物實驗研究進展

近年來，大量動物實驗表明振動訓(xùn)練對骨量有積極響。Lynch等[2]對成年小鼠和老年小鼠分別進行5周的振動訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)成年小鼠小腿的骨量有所增加。Wenger等人[3]對大齡雄性大鼠進行12周的振動訓(xùn)練,發(fā)現(xiàn)有較高的骨密度。這個結(jié)果與Tezval等人的去卵巢大鼠模型研究結(jié)果一致,Tezval等人[4]對去卵巢大鼠進行了7周的訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)大鼠骨量明顯高于非振動訓(xùn)練去卵巢大鼠。然而并非所有的實驗都支持這一觀點。Vander等人[5]對去卵巢大鼠進行10周的振動訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)低頻的振動不能預(yù)防骨量的減少,只能影響大鼠的體重。

綜上所述，研究結(jié)果存在著差異，是怎樣形成的呢?Judex等[6]指出遺傳基因的不同，其對骨合成分解代謝刺激的敏感度就不同。例如3-月齡C57BL，BALB/c和C3H小鼠盡管類似的體重，卻表現(xiàn)出不同的骨密度。提示造成動物實驗研究結(jié)果不同的原因可能是研究中的小鼠種類不同，對振動刺激的敏感性不同。另一方面，研究中使用的振動儀器、振動幅度、振動頻率等不同也會影響研究的結(jié)果。由于振動訓(xùn)練包括三個要素即振幅、頻率、加速度，其不同的組合有不同的訓(xùn)練方案，所以這也很難比較不同研究的不同結(jié)果[7]。振動頻率和振幅的不同可以解釋不同研究結(jié)果的差異[8]。在此基礎(chǔ)上Pasqualini等[9]探索了加速度固定時，不同頻率的振動對小鼠骨骼的影響，指出90Hz是對小鼠最有益的頻率，8Hz是最有害的頻率。此外，振動訓(xùn)練的加速度也會影響研究的結(jié)果[10]。這種背景下，不同的頻率、幅度、加速度需要更好地界定。

1.2　振動訓(xùn)練人體實驗的研究進展

那么其對人體骨量的影響效果如何呢?研究發(fā)現(xiàn)[11]6個月的振動訓(xùn)練之后能夠提高絕經(jīng)婦女髖關(guān)節(jié)處的骨密度。Rittweger等[12]發(fā)現(xiàn)振動訓(xùn)練可以減少臥床者骨質(zhì)的流失，預(yù)防骨量減少。Reyes等[13]和Wren等人[14]發(fā)現(xiàn)高頻低強度的振動訓(xùn)練可以提高殘疾兒童的骨量。然而，另一些人體實驗結(jié)果與上述結(jié)果不一致，沒有發(fā)現(xiàn)振動訓(xùn)練對老年人的骨量、骨密度有任何積極地影響。Bemben等人[15]對老年絕經(jīng)婦女分成振動訓(xùn)練和抗阻運動組、抗阻運動組、控制組，經(jīng)過8個月的實驗并沒有發(fā)現(xiàn)其各組骨密度、堿性磷酸酶有顯著差異。另一項研究[16]發(fā)現(xiàn)短時間的全身振動訓(xùn)練不能改變老年人的骨量和骨密度，只是對骨結(jié)構(gòu)有輕微的影響。筆者認為造成這種差異的原因很可能與動物實驗差異的原因相似，不同振幅、頻率都可能影響研究結(jié)果。然而，對于不同的群體用何種振動治療方案，最能達到我們所期望的效果還需要我們進步探索。

2振動訓(xùn)練增加骨量的分子機制研究進展

盡管很多研究者已經(jīng)證實了振動訓(xùn)練可以增強骨重建，防止骨丟失。然而對其介導(dǎo)的分子途徑仍不清楚。

2.1　振動訓(xùn)練對破骨細胞相關(guān)細胞因子的影響

RANKL可促進破骨細胞分化，增強成熟破骨細胞的活力，阻止破骨細胞凋亡，是破骨細胞分化成熟和維持功能所需的重要因子。RANKL和M-CSF是破骨細胞生成前體分化為成熟和維持功能所需的重要因子。Wu等人[17]發(fā)現(xiàn)振動訓(xùn)練可以降低RANKL誘導(dǎo)的抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)陽性多核細胞(MNCs)的數(shù)量，降低破骨細胞特異性基因表達。Lau等人[18]也發(fā)現(xiàn)振動訓(xùn)練可以降低RANKL和PGE2水平，雖然不能改變OPG的含量，但是降低了RANKL/OPG的比值。提示振動訓(xùn)練通過降低RANKL水平，阻止RANKL與RANK之間的結(jié)合，抑制破骨的細胞的分化，進而抑制骨吸收。

IL-1和TNF-α可通過促進祖破骨細胞增生而增強破骨細胞形成，并激活成熟破骨細胞。研究[19]指出振動訓(xùn)練能夠降低間充質(zhì)細胞中IL-1和TNF-α的水平，進而減少骨質(zhì)流失,預(yù)防骨量減少。此外，Wang等[20]研究指出振動訓(xùn)練使血液中TGF-β水平升高。

另外，ERK1/2在骨形成和骨吸收中起重要作用。Zhou等人[21]發(fā)現(xiàn)12周的振動訓(xùn)練后成骨細胞中ERK1/2的磷酸化水平升高，同時M-CSF和RANKL降低，后者可能是由于ERK1/2的競爭抑制作用，進而指出振動訓(xùn)練可能是通過ERK1/2信號上調(diào)成骨細胞活性和下調(diào)成骨細胞介導(dǎo)的破骨細胞的生成，從而增加骨密度的。提示振動訓(xùn)練可以通過ERK1/2信號促進骨形成，抑制骨吸收，進而提高骨量。

2.2　振動訓(xùn)練對成骨細胞相關(guān)細胞因子的影響

糖原合成酶激酶-3(GSK-3)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，包括兩個亞型(GSK-3α和GSK-3β)，其中主要是GSK-3β參與了細胞內(nèi)β-catenin蛋白水平的調(diào)控。GSK-3β磷酸化能抑制自身激酶活性，進而激活Wnt/β-catenin 信號通路下，促進成骨細胞分化。Wang等人[22]發(fā)現(xiàn)去卵巢大鼠全身振動訓(xùn)練后，骨髓細胞中p-GSK3β表達量顯著高于非全身振動組。提示全身振動訓(xùn)練能激發(fā)大鼠骨髓細胞GSK3β的磷酸化，進而激活Wnt/β-catenin 信號通路，使成骨細胞數(shù)量增多，加速骨的重建和骨量的積累。

2.3　全身振動對骨髓間充質(zhì)干細胞的影響

骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨細胞、脂肪細胞和軟骨細胞分化。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，機械刺激可以直接刺激骨髓間充質(zhì)細胞數(shù)量增加并且分化為成骨細胞譜系，進而促進成骨，使骨量增加。王慧敏等[26]對去卵巢大鼠振動訓(xùn)練后取骨髓細胞染色，發(fā)現(xiàn)與去卵巢靜止組比較,去卵巢振動組骨髓細胞堿性磷酸酶陽性染色細胞數(shù)目顯著增加,而骨髓細胞NileRed陽性染色細胞百分比和脛骨骨髓脂肪空泡數(shù)目顯著下降。提示全身垂直振動不僅增加去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠骨髓細胞的成骨分化能力,而且降低去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠骨髓細胞的成脂分化能力。進一步實驗證明骨髓間充質(zhì)干細胞通過Wnt信號通路的調(diào)控成脂分化和成骨分化過程，李萍華等人[27]通過Wnt信號通路PCR基因芯片觀察大鼠骨髓間充質(zhì)干細胞分化為脂肪細胞和成骨細胞后相關(guān)基因表達的變化，發(fā)現(xiàn)成骨誘導(dǎo)后,Wnt信號通路表達上調(diào)的基因(β-catenin,Wnt11)等6個。提示W(wǎng)nt信號通路在骨髓間充質(zhì)干細胞成脂細胞分化和成骨細胞分化中發(fā)揮重要作用。

3小結(jié)與展望

振動訓(xùn)練作為一種新興的訓(xùn)練方法以其安全、簡單、有效的特點已經(jīng)在提高肌肉力量和預(yù)防骨量減少方面顯示了極大的優(yōu)勢和潛力。但是對于不同的實驗群體采取何種的振動方面的研究還相對不足,仍需進一步深人研究。以期對不同的群體進行振動訓(xùn)練，能明確具體的振動幅度、頻率、加速度，以便對骨能達到最有益的效果。另外振動訓(xùn)練對骨影響的分子學(xué)機制還尚不十分清楚，需要進一步探索。

參考文獻：

[1]Matute-Llorente A, Gonzalez-Aguero A, Gomez-Cabello A, et al. Effect of whole-body vibration therapy on health-related physical fitness in children and adolescents with disabilities: a systematic review[J]. J Adolesc Health. 2014, 54(4): 385-396.

[2]Lynch M A, Brodt M D, Silva M J. Skeletal effects of whole-body vibration in adult and aged mice[J]. J Orthop Res. 2010, 28(2): 241-247.

[3]Wenger K H, Freeman J D, Fulzele S, et al. Effect of whole-body vibration on bone properties in aging mice[J]. Bone. 2010, 47(4): 746-755.

[4]Tezval M, Biblis M, Sehmisch S, et al. Improvement of Femoral Bone Quality After Low-Magnitude, High-Frequency Mechanical Stimulation in the Ovariectomized Rat as an Osteopenia Model[J]. Calcified Tissue International. 2011, 88(1): 33-40.

[5]van der Jagt O P, van der Linden J C, Waarsing J H, et al. Low-magnitude whole body vibration does not affect bone mass but does affect weight in ovariectomized rats[J]. J Bone Miner Metab. 2012, 30(1): 40-46.

[6]Judex S, Donahue L R, Rubin C. Genetic predisposition to low bone mass is paralleled by an enhanced sensitivity to signals anabolic to the skeleton[J]. FASEB J. 2002, 16(10): 1280-1282.

[7]Prisby R D, Lafage-Proust M, Malaval L, et al. Effects of whole body vibration on the skeleton and other organ systems in man and animal models: What we know and what we need to know[J]. Ageing Research Reviews. 2008, 7(4): 319-329.

[8]Matute-Llorente , González-Agüero A, Gómez-Cabello A, et al. Effect of Whole-Body Vibration Therapy on Health-Related Physical Fitness in Children and Adolescents With Disabilities: A Systematic Review[J]. Journal of Adolescent Health. 2014, 54(4): 385-396.

[9]Pasqualini M, Lavet C, Elbadaoui M, et al. Skeletal site-specific effects of whole body vibration in mature rats: From deleterious to beneficial frequency-dependent effects[J]. Bone. 2013, 55(1): 69-77.

[10]Christiansen B A, Silva M J. The Effect of Varying Magnitudes of Whole-Body Vibration on Several Skeletal Sites in Mice[J]. Annals of Biomedical Engineering. 2006, 34(7): 1149-1156.

[11]Slatkovska L, Alibhai S M, Beyene J, et al. Effect of whole-body vibration on BMD: a systematic review and meta-analysis[J]. Osteoporos Int. 2010, 21(12): 1969-1980.

[12]Rittweger J, Beller G, Armbrecht G, et al. Prevention of bone loss during 56 days of strict bed rest by side-alternating resistive vibration exercise ☆[J]. Bone. 2010, 46(1): 137-147.

[13]Reyes M L, Hernández M, Holmgren L J. High-frequency, low-intensity vibrations increase bone mass and muscle strength in upper limbs, improving autonomy in disabled children[J]. Journal of Bone and Mineral Research. 2011, 26(8): 1759-1766.

[14]Wren T A, Lee D C, Hara R, et al. Effect of high-frequency, low-magnitude vibration on bone and muscle in children with cerebral palsy[J]. J Pediatr Orthop. 2010, 30(7): 732-738.

[15]Bemben D A, Palmer I J, Bemben M G, et al. Effects of combined whole-body vibration and resistance training on muscular strength and bone metabolism in postmenopausal women[J]. Bone. 2010, 47(3): 650-656.

[16]Gomez-Cabello A, Gonzalez-Aguero A, Morales S, et al. Effects of a short-term whole body vibration intervention on bone mass and structure in elderly people[J]. J Sci Med Sport. 2014, 17(2): 160-164.

[17]Wu S H, Zhong Z M, Chen J T. Low-magnitude high-frequency vibration inhibits RANKL-induced osteoclast differentiation of RAW264.7 cells[J]. Int J Med Sci. 2012, 9(9): 801-807.

[18]Lau E, Al-Dujaili S, Guenther A, et al. Effect of low-magnitude, high-frequency vibration on osteocytes in the regulation of osteoclasts[J]. Bone. 2010, 46(6): 1508-1515.

[19]Kim I S, Lee B, Yoo S J, et al. Whole Body Vibration Reduces Inflammatory Bone Loss in a Lipopolysaccharide Murine Model[J]. J Dent Res. 2014, 93(7): 704-710.

[20]Wang H, Wan Y, Tam K F, et al. Resistive vibration exercise retards bone loss in weight-bearing skeletons during 60 days bed rest[J]. Osteoporos Int. 2012, 23(8): 2169-2178.

[21]Zhou Y, Guan X, Liu T, et al. Whole body vibration improves osseointegration by up-regulating osteoblastic activity but down-regulating osteoblast-mediated osteoclastogenesis via ERK1/2 pathway[J]. Bone. 2015, 71: 17-24.

[22]Wang Y H, Bu S M, Wang J H.[Regulating effects of whole-body vibration on protein expression of p-GSK3beta in bone marrow cells of ovariectomized osteoporosis rats][J]. Sheng Li Xue Bao. 2013, 65(2): 165-170.

[23]王慧彬，卜淑敏，文思敏. 全身垂直振動對去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠骨髓細胞分化的調(diào)節(jié)作用[J]. 中國運動醫(yī)學(xué)雜志. 2013,(6): 501-506.

School of Sports and Health, East China Normal University, Shanghai 200241, China.

摘要：振動訓(xùn)練是一種新型的訓(xùn)練方式，逐漸被應(yīng)用到多個領(lǐng)域。近年來振動訓(xùn)練對骨的影響的研究也逐漸深入，本文在查閱近年來相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對振動訓(xùn)練對骨量的影響及其機制進行綜述。結(jié)果表明振動訓(xùn)練能增加動物和人的骨量，但由于具體的振動方案不同,也有不同的結(jié)果。究竟不同的群體采取何種的振動方案，才能對骨產(chǎn)生最優(yōu)的效果，還是今后研究的重點。另外其具體生物學(xué)機制不甚清楚,因此還探討了振動運動影響骨的生物機制。

關(guān)鍵詞：振動訓(xùn)練；骨礦物質(zhì)含量；分子機制；進展

Abstract:Vibration training, a new way of training, is gradually applied to many fields. Recent years have seen deepening research on influence of vibration training on bones. On the basis of consulting relevant materials of recent years, the paper reviews the influence of vibration training on bone mass and its mechanism. Results show that vibration training can increase bone mass in animals and people; but different results also exist due to different vibration program. Future research focus would still be: taking which kind of vibration program on different groups can produce optimal effect on bones. Given the still unclear specific biological mechanism, the paper also probes into the biological mechanism that vibration training exerts on bones.

Key words:vibration training; bone mineral content; molecular mechanism; progress

doi:10.3969/ j.issn.1005-0256.2016.01.025

中圖分類號：G804

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-0256(2016)01-0055-3

作者簡介：第一張娜娜(1989-),女，河南商丘人，在讀碩士研究生，研究方向：運動和適應(yīng)。