机械振动防治骨质疏松症的研究进展

洪志楠 魏秋实 周广全* 何伟

1. 广州中医药大学第一临床医学院，广东 广州 510405 2. 广州中医药大学岭南医学研究中心中医骨伤科学实验室，广东 广州 510405 3. 广州中医药大学第一附属医院，广东 广州 510405

骨质疏松症是以骨量丢失、骨小梁变细、断裂、数量减少，皮质骨多孔、变薄为特征，导致骨的脆性增高、骨折危险性增加的全身性骨病。世界卫生组织以骨密度低于同种族和同性别健康年轻成人峰值的2.5个标准差(T<-2.5)作为诊断标准，其临床表现主要有疼痛、脊柱变形及骨折。骨折是最常见和最严重的并发症，其中又以脊柱压缩性骨折、髋部骨折、桡骨远端、肱骨近端和踝部骨折多见。

骨质疏松症是一种代谢性骨病，与内分泌、遗传、营养、失用等因素相关。根据病因可分为原发性、继发性和特发性骨质疏松。原发性骨质疏松又分为：①绝经后骨质疏松症(Ⅰ型)，多发于妇女绝经之后5～10年内；②老年性骨质疏松症(Ⅱ型)，多发于70岁或以上的老年人。根据我国13省市人群骨密度调查结果，估计我国骨质疏松症患者约占总人口的5.6%，绝经后妇女中约30%患有骨质疏松症。由此可见，骨质疏松症患者主要集中在中老年人群。中老年人因本身肌力、身体平衡能力和视力的下降较常人更易发生跌倒，而跌倒是导致骨质疏松性骨折的主要原因。统计表明，女性一生发生骨质疏松性骨折的风险(40%)高于乳腺癌、子宫内膜癌和卵巢癌的总和，男性一生发生骨质疏松性骨折的风险(13%)高于前列腺癌。骨质疏松性骨折严重影响患者生活质量，增加致残率及病死率，给家庭及社会造成沉重负担[1]。

目前骨质疏松症的药物治疗主要分为：①矿化类制剂，如钙制剂、骨活化剂；②骨吸收抑制剂，如性激素类制剂、降钙素、双膦酸盐类；③骨形成促进剂，如甲状旁腺激素。因上述治疗或多或少存在疗程长、副作用多、费用高及患者依从性不强等缺点，近年来研究者开始将目光转向短期、无创、简便、不良反应少的物理疗法。多项研究显示，生物力学干预可能是一种安全、有效抑制并逆转骨质疏松的方法。低强度、高频率振动(low-magnitude, high-frequency vibration，LMHFV)已被建议作为一种非药物的抗骨质疏松疗法[2]。

1 应用概况

动物实验表明，机械刺激具有促进成骨的潜力。早在2001年，Rubin等[3]通过对成年绵羊施加机械振动(0.3 g，30Hz，20 min/d)，持续1年后发现，实验组绵羊股骨近端的骨小梁密度较对照组提高34.2%，由此证明LMHFV能够作用于骨组织，对复杂的骨重塑周期产生影响，从而刺激板层骨的形成，提高骨的数量和质量，Sierpowska等[4]的研究也得出类似结论。现普遍认为在动物模型中应用短时间(30 min)、低强度(0.3 g)、相对高频率(20～90Hz)的机械振动，能够增加骨小梁的数量和宽度，还能提高松质骨的硬度和强度。

在动物实验获得成功后，Rubin等[5]又尝试将机械振动用于人体。在一项前瞻性的双盲随机对照试验中，共纳入70名停经3～8年的妇女，测试短时间(<20 min)、低强度机械信号(0.2 g，30Hz)在抑制骨质疏松方面的作用。结果显示，经过连续12个月的振动刺激，绝经后骨质疏松妇女股骨颈骨密度较对照组增加2.17%(P=0.06)，腰椎骨密度较对照组增加1.5%(P=0.09)，其中体重较轻(<65 kg)的妇女腰椎骨密度增加更明显(3.35%，P=0.009)。我国较早的一项临床报道中，振动组的受试者在接受3个月的振动治疗(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%，上升的有效率为80%[6]。郑锦畅等[7]在试验中将70例骨质疏松志愿者随机均分为复合振动组和对照组，复合振动组采用自行研制的复合振动仪进行全身振动治疗(45～55Hz，0.5～0.8 g，30 min/次，隔天1次)，连续观察6个月后发现，复合振动可促进骨组织钙化、促进钙和磷以骨盐形式沉积于骨组织。

2006年，Rubin等[8]又撰文指出，低强度的机械振动可作为一种安全无创、无副作用的物理疗法用于预防甚至逆转残疾儿童和绝经后妇女的骨质疏松。还有报道指出，全身振动能够提高唐氏综合症青少年患者的骨量和骨密度[9]，对于已经发生的骨质疏松性骨折，全身振动能够改善骨痂的质量，从而促进骨折愈合[10, 11]。在假体植入方面，全身振动能够在一定程度上逆转骨质疏松症对去卵巢大鼠的不利影响，加速早期假体周围的骨整合[12]。

骨质疏松症的现代康复强调预防跌倒，而机械振动在此亦有所长。力量训练结合本体感觉训练或全身振动能够在一定程度上改善绝经后低骨密度妇女的姿态控制，从而预防跌倒， 且相对于本体感觉训练，短期的全身振动锻炼对低骨密度的绝经后妇女的神经肌肉功能的影响更大[13, 14]。陆铁等[15]让70名受试的老年女性每日服用钙尔奇D 600 mg，在此基础上对实验组施加振动干预(30Hz，10 min/次，3次/周)，12周后发现，两组患者的腰椎BMD均有显著上升、骨痛症状均有明显缓解，且实验组的变化更为明显(P<0.05)；振动干预后患者跌倒次数以及骨折发生率均低于对照组。振动干预后患者的平衡能力较前明显增强(P<0.05)，而对照组无显著变化。另一项纳入710名老年妇女的大样本随机对照试验显示，LMHFV(35Hz，0.3 g，5d/周，18月)能够增强肌肉力量、提高平衡能力从而预防老年人跌倒，因此推荐在社区中开展振动治疗，以预防跌倒，减少意外伤害[16]。

2 作用机制

2.1 骨传导

早在一个世纪以前，人们就认识到骨骼对载荷具有适应能力。有学者认为，骨组织中存在一类机械敏感细胞，这类细胞通过细胞核的振荡来感知机械应力的变化，进而引起骨量和结构的改变，以应对机械载荷的挑战[17]。骨骼中能够产生力学识别和应答的机械敏感细胞就是骨细胞、成骨细胞和间充质干细胞。振动能够产生促进骨和肌腱系统合成的机械信号[18]，这种“由外向内”的信号从细胞膜启动，通过内在膜蛋白将机械信号转化为生化信号[19]。研究发现，细胞是通过振动产生的加速度调节骨重建的细胞应答活动，使之向骨髓间充质干细胞和造血干细胞分化[20]。

2.2 肌动力

正常情况下骨量的维持或增加取决于骨负荷或骨应力，二者主要来自肌肉的主动收缩，肌力对骨结构和骨量具有决定作用，并且肌力的改变总是先于骨强度的改变。自然绝经后，肌肉逐渐萎缩，肌力下降，产生的力学刺激随之减弱，继而出现骨质疏松症。数据表明，妇女中年龄相关性骨质疏松症往往伴随肌力的下降[21]。反之，让绝经后的低骨量妇女进行每周2次的抗阻力训练，持续9个月后用外周定量CT测量胫骨远端显示骨密度有所提高[22]。全身振动能够模拟肌肉发放冲动的频率范围，诱导肌肉产生牵张反射，增强肌肉收缩，在相应骨组织上产生应力，从而促进骨形成。Falcai等[23]报道，振动与游泳、跳跃运动类似，能够增加骨量、提高强度、促进成骨，从而维持骨的质量，预防废用性骨质疏松。

2.3 骨血灌注

全身振动能显著改变骨中血流，引起骨血灌注的增加。Stewart等[24]报道，足底振动(45Hz，0.2 g)能使围绝经期妇女小腿血流增加30%，骨盆血量增加26%，胸部血量增加20%。振动能显著提高外周血流量、外周淋巴和经脉回流量，使得腿部骨血流灌注增加，从而提高了骨密度。另有研究表明，绝经后妇女椎骨灌注峰值增长率与骨密度显著相关[25]。

2.4 脂质代谢

低强度的振动能够减缓去卵巢动物脊柱中脂肪细胞的堆积，刺激骨髓基质细胞向成骨细胞分化，使成骨细胞的生成速度超越脂肪形成，从而保留骨量。卵巢切除后骨量迅速丢失，因此对于绝经后骨质疏松症的振动治疗越早越好[26, 27]。

2.5 压电效应

根据压电理论，机械能与电能之间可以相互转化，因此振动所产生的压力能够引起潜在的电流改变，从而够刺激骨的形成，其原理在于全身振动能够增加血清中生长激素和睾酮的含量，从而预防肌少症和骨质疏松症[28, 29]。

此外，有研究显示，循环血清素对骨量具有负性调节作用，Wei等[30]认为全身振动的作用机制可能正是通过降低循环血清素水平来提高骨强度和骨密度。

3 振动模式

3.1 垂直振动与复合振动

振动治疗本质上是一种仿生医学，通过对人体施加振动，使骨骼受力增加，一定程度上模拟了人体运动时肌肉对骨骼施加外力的情景。垂直振动方向与人体日常活动方向相近，可以改善骨的生长情况，提高骨密度和骨强度，故首先受到关注。但在实际上，人体活动十分复杂，并不是简单垂直振动能够模拟的，因而又有学者提出复合振动的概念[31]。

复合振动是在垂直振动的基础上增加平衡干扰振动，在振动过程中受试对象需要不断主动维持身体平衡，进而使患者骨盆产生一个交替的上下晃动运动训练，骨盆的这种交替的上下晃动运动模式是人体行走和跑动的动作基础，因此复合振动给人体提供了一个更加符合人体解剖学特点的训练刺激。而且，目前垂直振动所使用的强度较大，而复合振动施加的振动载荷为动态的应力，能够在保证有效刺激的同时降低刺激的强度，提高振动的安全性。动物实验也表明复合振动对于不同年龄骨质疏松大鼠也可以在一定程度上增加骨量，抑制BMD的持续降低，改善破坏的骨微结构，提高骨质量，增强骨质疏松性骨抗折能力；此外还能增加肌力，改善神经功能的作用可能有助于改善或增强平衡能力[32]。

由此可见，复合振动在保留垂直振动成骨作用的同时，能够强化肌肉功能和平衡控制能力，从而预防跌倒，减少骨质疏松性骨折的发生。

3.2 间歇振动与持续振动

连续治疗可能使人体产生耐受，降低治疗效应，采取短时、间断的加载方式可能更有利于促进复合振动的成骨效果。郑锦畅等[7]在临床试验中发现碱性磷酸酶(ALP)早期是一个上升的趋势，在第3个月时达到一个峰值，然后呈下降趋势。ALP作为机械载荷诱导成骨细胞分化的早期标志，前3个月ALP的升高提示复合振动可使骨组织钙化增加，后期ALP的下降，推测可能是人体对振动刺激产生了耐受有关。

动物实验中，高甲子[33]对去势6月龄Wistar大鼠实施间歇1、3、5、7天的振动(35Hz，0.25 g)，分别于第8周、12周检测骨形成情况，结果发现，间歇振动组在防治骨质疏松的效果上明显优于持续组，且间歇7天组最佳。张睿[34]对悬吊大鼠施加间歇1、3、5、7天的振动(35Hz，0.25 g)，8周后，间歇振动7天组相较对照组的破坏载荷、破坏挠度、弹性模量与截面惯性矩则分别提高了9.4%、17.42%、17.34%与11.19%，骨质疏松现象较对照组以及持续振动组都有明显的改善；间歇振动组的生长速率、骨矿化沉积率均优于持续振动组，其中尤以间歇振动7天组的效果最为突出；骨组织形态计量学的静态检测表明，间歇振动7天组的大鼠骨骼静态检测效果最好。Li等[35]报道，间歇振动(不论间歇长短)均能诱导成骨蛋白的表达，其中又以7天为周期的间歇振动效果最佳。

与持续振动相比，间歇振动有利于避免产生耐受，且不论是在改善骨的力学性能还是维持骨小梁的微观结构上，间歇振动模式都具有较大优势。

3.3 单独应用与联合应用

Chen等[36]的一项随机对照试验表明，配合全身振动能够增强阿伦磷酸盐在预防骨质疏松和改善骨小梁结构方面的作用。Camargos等[37]认为高频振动虽能使去卵巢大鼠骨皮质增宽，但并不能提高它的生物力学特性，而阿仑膦酸盐能够预防骨小梁退化，提高骨的硬度和强度，二者联合能够增加骨皮质厚度，从而发挥协同效应。Wei等[38]通过比较发现，不论是振动治疗或是中药治疗的独立应用，都能预防去卵巢大鼠发生骨质疏松，但联合中药能够提高骨密度和骨强度，改善骨结构，从而提升振动治疗的效果。在雌激素缺乏大鼠的骨折愈合期，全身振动能对雌二醇和雷洛昔芬起协同作用，其中雷洛昔芬+全身振动能够有加强骨硬度和骨膜内骨，二者分别结合全身振动均能提高骨小梁密度，由破骨细胞表达的Trap也显著降低[39]。

然而，也有观点认为机械振动刺激促进骨质疏松骨皮质合成作用，修复受损骨，但不影响骨小梁，从骨的微结构方面而言，在采用阿伦磷酸盐治疗的同时联用机械振动并不能提高疗效[40, 41]。Hoffmann等[42]通过比较甲状旁腺激素和雷奈酸锶联合全身振动治疗骨质疏松症模型大鼠的研究发现，振动治疗不论是独立应用或联合应用均不会对骨质疏松的骨组织产生影响。Matsumoto[43]等在实验中观察到，虽然全身振动联合甲状旁腺激素治疗并不能改变去卵巢大叔的骨皮质结构，但其矿化成熟度和硬度均恢复到假手术组的水平。虽然没有证据表明两种治疗之间存在相互作用，但其联合效应似乎存在累加效应，故该方法在治疗绝经后骨质疏松症上依然具有潜力。

3.4 全身振动与局部振动

研究表明，肌肉力量和骨密度具有定点效果，即对特定部位进行专门的力量训练可增加或保持这一部位的骨质[44]。类似的，局部振动也有助于逆转失重导致的骨与肌肉丢失，35Hz和45Hz的振动能够有效改善骨小梁骨密度的降低，35Hz的振动能够有效提高股骨和跟腱的生物力学特性[45]。但鉴于骨质疏松症是一种全身性骨病，病变往往并不仅限于局部，因此目前在防治骨质疏松症方面的研究多采用全身振动。

4 振动治疗的安全性

机械振动的安全性一直备受关注。振动作为一种力学刺激，需要达到一定的强度和频率才能促进肌肉骨骼组织的合成，抑制其分解，过低的强度和频率难以到达有效部位或不能成为诱发成骨的阈上刺激。Aleyaasin等[46]通过分析得出，为了获得骨强化，振动的频率和振幅不应低于规定水平，低频振动不足以刺激骨组织形成有效骨重建。Lai等[47]通过对实验组中绝经后妇女施予高频率(30Hz)、高强度(3.2 g)的全身振动(5 min/次，3次/周)，6个月后采用双能X线吸收计量法测量腰椎骨密度发现，实验组较前提高2.032%(P=0.047)，较对照组有显著提高(P=0.016)。但必须注意的是，长期高强度的振动可能会对人体系统造成损害。有研究表明，全身振动可能诱发小鼠椎间盘变性的加重[48]。对于骨折患者，振动治疗对骨折愈合有不利影响[49]。

通常我们认为短期的LMHFV是相对安全的，但目前对于机械振动的长期疗效研究并不多。Xie等[50]研究发现，16周的全身振动(0.3 g，30Hz，20 min/d)可能加重去卵巢大鼠股骨骨小梁的丢失，尤其是在骨小梁密集的股骨颈区域，并导致骨密度和最大负荷的下降，Qing等[51]也认为初期的全身振动对骨质疏松症疗效确切，但疗程并非越长越好。由此可见，机械振动的安全性受多种参数影响，如何根据不同人群制定一套安全有效的振动方案将是下一步的研究重点。

5 结语

机械振动作为一种短期、简便、无创、不良反应少的物理疗法在防治骨质疏松症上极具潜力，其成骨效应已在多项研究中得到验证，并获得临床试验的支持。不可否认的是，目前在振动方案的研究，包括频率、幅度、时间、模式的选择上仍有争议，不同的组合搭配的疗效也不尽相同，尚未形成一套成熟规范的治疗方案。此外，机械振动的具体机制尚未阐明，还需进一步研究。