运动对关节软骨的影响

运动对在关节活动中起重要作用的关节软骨是否有影响，近年来引起了许多专家和学者的兴趣。随着检测手段的发展，研究者们通过征集志愿者、研究临床相关病人、建立动物模型而取得了很多有意义的成果。本文从运动对关节软骨的发育、量与厚度、成分、相关生物标记物等方面的影响作一简要的综述，从而为日常的运动锻炼和临床相关治疗提供理论依据。

一、运动对关节软骨发育的影响

关节软骨属于结缔组织，由胚胎时期中胚层内的间充质分化而来。运动对器官、组织及整个机体的发育都至关重要。Arokoski等研究发现，对于关节软骨而言，如果胚胎肢体在胚胎发育期缺乏活动，正常关节结构的形成就会受到抑制，如关节软骨和关节腔的形成。而且运动对幼年动物关节软骨的发育也有影响，但在成年期则对维持关节软骨的正常状态和功能具有重要作用[1]。新生的马驹如果活动受到限制，那么其关节软骨的发育就会发生障碍[2]。

缺乏运动对关节软骨发育的影响已经在动物实验中得到证明，但由于伦理学和相关检测手段的限制，在人体的研究则相对较少。Jones等认为运动对青少年的关节软骨发育有好处，而且提出青春期前和青春期的前几年是较合适的运动锻炼时间，可以促进关节软骨的发育[3]。

二、运动对关节软骨量与厚度的影响

关节软骨的量和厚度在不同的部位是不同的，这种差异性可能由作用于不同部位的不同负荷所引起。早在1981年Palmoski等人就发现，将犬的后肢固定6周后，其膝关节软骨的厚度变薄[4]。而在随后的动物实验研究中，有学者发现进行8周跑步运动训练的兔子膝关节软骨没有增厚表现[5]。Kiviranta等在对犬进行40周跑步运动训练后进行研究，发现它们内侧股骨髁的非钙化区软骨厚度降低，而其他部位未见变化[6]。两种不同的实验结果可能是由于实验动物运动强度和持续时间的不同所造成的，或是受到早期实验条件的限制。

作为一种简单、安全、无创性和可重复的技术，MRI常被用来测量人体内关节软骨的量和厚度。而且随着定量MRI技术的出现和发展，通过三维重建，对关节软骨量与厚度的相关研究变得更加容易和完善。Eckstein等通过MRI三维重建技术研究了志愿者在运动后3~7分钟和8~12分钟的膝关节软骨量和厚度的变化，发现了运动后关节软骨量减少，且软骨厚度变薄，并认为这些变化不是局限于某一特殊部位，而是整个关节表面[7]。另一研究显示，在膝关节进行一系列的屈伸运动之后，髌软骨量和最大厚度都降低，而且在内外侧软骨面还出现变形现象[8]。Mosher等研究了7名23~27岁男性在运动前后膝关节软骨厚度的变化，发现其中6人的胫骨软骨、5人的股骨软骨的厚度变薄[9]。

对于儿童而言，早期的运动与其关节软骨的增厚是呈正相关的[10]。平时运动少的儿童与运动较多的儿童相比，其膝关节软骨量要少22~25%，而软骨量的减少则可能增加以后发生骨性关节炎的几率，因为软骨丢失是骨性关节炎发生的一个重要原因[3]。不同性别儿童的膝关节软骨量也不同，男孩要明显高于女孩，尤其是在胫骨内侧，但所有儿童胫骨外侧软骨的量和厚度均明显高于内侧[11]。

根据以上各种研究，一定方式的运动能够降低关节软骨的量与厚度，而且厚度的降低主要出现在软骨的非钙化区。运动后软骨厚度降低的具体原因还不十分清晰，可能与间隙液渗出和固体基质实变相关，也有学者认为这些变化是由肌肉和骨骼的联合作用引起的[12]。但儿童在早期进行适当的运动是很有必要的，可以增加关节软骨的量，从而可能降低日后骨性关节炎的发生几率。

三、运动对关节软骨成分的影响

关节软骨属于透明软骨，主要由软骨细胞和细胞外基质组成。细胞外基质则包括水、蛋白多糖、胶原（主要为Ⅱ型胶原）、糖蛋白及其它各种非胶原蛋白等。蛋白多糖中的多糖链因含氨基己糖，又被称为氨基多糖。

力学刺激可以影响关节软骨细胞的形状及其生成，并能改变软骨细胞的生物化学特性和基质代谢[3]。不同强度的运动对关节软骨细胞的作用是有差异的。对于经常接受高强度运动刺激的关节软骨，其软骨细胞数量增多，而蛋白多糖的合成则降低[1]，这一结果也与Firth的研究一致[10]。而非高强度的运动则使兔膝关节软骨过渡层和深层的软骨细胞及其核增大，但未见软骨细胞数量增加[5]。

软骨细胞合成的各种胶原组成了软骨胞外基质的主要结构大分子，其中型胶原占90~95%。在动物实验中，Otterness等发现仓鼠的髌软骨胶原含量在运动组和对照组的比较中并无差异[13]，而且经过运动训练的马与对照组相比关节软骨胶原也没有变化[10]。但是在相关的人体研究中则发现运动可以导致关节软骨表面胶原纤维的各向异性[9]。各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异的性质。

蛋白多糖由关节软骨细胞合成并分泌到胞外基质中，其基本结构是由一个核心蛋白和共价连接其上的氨基多糖所组成的，在保持水分、物质交换、离子分布、润滑和保护关节软骨方面具有重要作用。对仓鼠的相关运动实验表明，缺少活动的仓鼠关节软骨的蛋白多糖含量及合成均低于运动组，而且短期的运动可以增加蛋白多糖的合成[13]。此外，将犬的后肢固定6个月后，其关节软骨内蛋白多糖的合成降低[4]。

不同的运动强度和持续时间对关节软骨的蛋白多糖或氨基多糖的影响不同。经常接受高运动负荷刺激的关节软骨，其蛋白多糖含量则会降低[1]。Kiviranta等的实验表明，高强度的跑步运动可以造成犬的股骨髁顶部的氨基多糖含量降低达11%[6]。但是，中等强度的运动则刺激关节软骨中蛋白多糖的合成，增加其含量，这在许多动物实验中都得到证实[6,14-17]。5个月大的马驹在运动训练后膝关节软骨的氨基多糖含量增加，但当运动训练停止后6个月，这种变化则消失[10]，这说明运动对关节软骨蛋白多糖的这种影响是可逆的。

短期的运动可以增加关节软骨蛋白多糖的含量，而长期的运动则能降低其含量[2,18]。许多学者也研究了运动对人体关节软骨成分的影响，认为适度的运动可以增加软骨的氨基多糖含量[3,19]。对于那些因部分切除半月板而具有患骨性关节炎风险的病人，研究表明中等强度的运动可以增加软骨中氨基多糖的量，促使他们更好地适应关节负荷的变化，还能改善关节的症状和功能[20-21]。

运动对关节软骨各成分的影响是多层面的，可因运动的强度和持续时间而有所差异。短期、中等强度的运动可以增加软骨细胞的数量和蛋白多糖的合成，而长期或高强度的运动则会带来负面的影响。这对于临床工作者针对不同人群进行相关的运动疗法具有指导意义。

四、运动对关节软骨相关生物标记物的影响

关节软骨相关的生物标记物（BM），是正常关节软骨的主要组成成分或代谢产物，由软骨细胞分泌释放到体液中，当软骨发生病理改变时，体液中的生物标记物含量就会发生相应的变化。通过对生物标记物的相关检测，我们可以获得软骨代谢或病变的相关情况，尤其是对骨性关节炎的软骨病变状况的认识。与关节软骨相关的生物标记物主要有软骨寡聚基质蛋白（COMP）、基质金属蛋白酶抑制剂（TIMP-1）、硫酸角质素（KS）、新抗原决定簇3B3（-）等。

软骨寡聚基质蛋白（COMP）属于血小板反应素家族，是一种非胶原蛋白，主要表达于软骨细胞周围基质中。Anderson等认为COMP作为一种基质蛋白，是软骨发生病变的一个重要生物标记物。在其研究中发现，患有骨性关节炎的病人在运动后COMP水平立即上升，而休息30分钟后则回落到基线水平[21]。马拉松选手在长跑后，血清中COMP水平增加了3倍[22]。Kersting等研究了田径运动员在跑步前后的血COMP水平，发现运动后COMP水平要明显高于运动前[12]。这些研究表明，长期或远距离的跑步运动可能会造成关节软骨的损伤。

基质金属蛋白酶抑制剂（TIMP-1）既可以抑制基质金属蛋白酶（MMPs），还可以调节基质金属蛋白酶。TIMP-1对于维持关节软骨的完整性具有重要作用。TIMP-1和基质金属蛋白酶的失衡会造成关节软骨的破坏，进而可能导致骨性关节炎的发生。而且骨性关节炎患者关节液和血清中TIMP-1的含量均高于健康者和非骨性关节炎患者。Roos等比较了运动员在运动前后的关节液和血清中的TIMP-1水平，认为其在运动后均会有所增加[23]。

硫酸角质素（KS）常与硫酸软骨素（CS）一起构成糖胺聚糖（GAG），主要分布于关节软骨的胞外基质中，在软骨承受可逆性变形方面发挥重要作用。Okumura等研究发现，运动训练组的马血清中KS水平要高于对照组，而且在运动后会立即增加，并认为血清中KS的变化可以反映运动中关节所承受的负荷情况及关节软骨的代谢变化[24]。另有研究表明，高强度的跳跃运动可以引起兔的膝关节软骨损伤[25]，而经常进行高强度体育训练的运动员也是易患膝关节骨性关节炎的高风险人群[26]。

新抗原决定簇3B3（-）位于硫酸软骨素链上，与关节软骨合成代谢相关。Bello等人研究了20例因运动造成关节损伤的病人，发现其关节液中的新抗原决定簇3B3（-）浓度明显增加，而这种成分在正常人的关节液中则无表达或表达量很低[27]。Slater等认为新抗原决定簇3B3（-）在骨性关节炎患者关节软骨中的表达明显增强，因此可作为一项较好的检测关节软骨的蛋白多糖代谢的生物标记物[28]。

作为既有一定数量，又具有稳定性、可检测性和高敏感性的上述生物标记物，可以通过检测其在关节液和血液中的含量变化，来反映软骨细胞的代谢变化，并可以用来预测骨性关节炎中关节软骨的病变。众多研究均表明，运动可以增加关节软骨相关的生物标记物的水平，运动促进了软骨的代谢，在发生软骨病变的骨性关节炎患者中的表现更为突出。

五、结语

运动对维持人体的正常功能十分重要。本文从运动对关节软骨的发育、量与厚度、成分、相关生物标记物等方面影响的分析，可以得出以下结论：

①胚胎期及青春期运动的缺乏都能导致关节软骨的发育发生障碍。

②运动可以降低成年人关节软骨的量与厚度，还能使非钙化区软骨变薄，但运动可以增加儿童关节的软骨量。

③运动可能会导致关节软骨表面胶原纤维的各向异性；但中等强度的运动对人体是很有益的，可以增加软骨细胞的数量及刺激蛋白多糖的合成，而长期、高强度的运动则会带来负面的影响。

④运动可以促进关节软骨的代谢，还可以增加关节液和血清中与关节软骨相关的生物标记物水平，从而为临床和科研中研究软骨病变提供良好的监测指标。

运动对关节软骨的影响多限于基础研究，但在临床应用方面仍需做进一步的研究，如运动对关节软骨损伤及修复的作用，是否可以将运动因素和软骨组织工程相联系等。相信随着运动医学的发展，运动对关节软骨的影响的相关研究会更加深入。而与临床应用的结合，则能为关节软骨损伤患者的治疗提供更好的指导依据。

本文作者为南京大学医学院附属鼓楼医院关节疾病诊治中心王祖玉、蒋青。

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