第十九卷 第九期 - 2011年九月二十三日 PDF
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游泳訓練可增益大鼠骨組織之材料特性
黃滄海*, 謝伸裕, 劉興華, 張豐麟, 林尚智, 楊榮森
國立成功大學體育健康與休閒研究所
Huang, T. H., Hsieh, S. S., Liu, S. H., Chang, F. L., Lin, S. H., Yang, R. S. (2010). Swimming Training Increases the Post-Yield Energy of Bone in Young Male Rats. Calcified Tissue International 86: 142-153.
 
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年來的研究顯示,沒有負重的運動(例如游泳)對於骨質密度(bone mineral density, BMD)及骨質含量(bone mineral content, BMC)的幫助並不大。也因此,游泳運動很常被認定為是對骨骼健康沒有益處的運動種類。然而,BMD和BMC對骨骼健康的預測能力,一直到近年來,仍未有明確的定論。而事實上,骨折並非總是發生在BMD相當低的人身上,BMD值正常者,依然同樣的會發生骨折,這意指著,BMD或BMC並不能完成代表骨頭的力學特性。另一方面,若從更多元的角度來看,游泳不但對心血管的功能提昇有益,對氣喘或運動傷害的復健也有很大的幫助。因此,單從BMD或BMC的數值,就斷定游泳對骨骼無益,而不鼓勵人們從事,似乎對這項運動不太公平。

近年來,〞骨品質〞已漸漸被用來取代〞骨密度〞而成為骨骼健康的新名詞。一些參數,諸如海綿骨組織的顯微結構(microarchitecture)、骨更新(bone turnover)、顯微斷裂(microfracture)及骨礦化(mineralization)等等,均為骨品質的重要指標。此外,骨組織的材料特性同時也受到骨基質(如膠原纖維)的影響,因此,游泳運動是否透過對骨品質相關參數或骨組織生物力學特性的增益而提昇骨骼健康,是一相當值得研究的議題。

不幸的是,上述骨品質的相關參數,均因分析方法的侵入性過高或放射線曝露等考量,而難以在人體實驗中進行。因此,本研究採雄性的Wistar大鼠為研究對象,以探討非荷重式運動對成長中大鼠骨骼的影響。研究過程中,運動組的大鼠被以不同強度游泳運動訓練一段時間,之後,本研究針對大鼠骨組織的大小、質量、型態、密度、生物力學特性以及血液中骨代謝指標進行分析。

圖 1 游泳訓練中的動物 (Wistar大鼠)。研究者在動物的尾巴上加重物,以做為操作運動強度的方法。
實驗動物(雄性Wistar大鼠,7週大)被分成四組:1) baseline控制組(BCON group),在訓練初始時即犧性;2) 控制組(CON group), 於運動訓練期間正常生活於籠內; 3) 低強度運動組(LOW group), 此組動物游泳時,在尾巴處負載有等同於2%體重的重物 (圖 1); 4) 高強度運動組(HIGH group), 此組動物游泳時,在尾巴處負載有等同於4%體重的重物 (Figure 1)。運動訓練為期八週(每天1小時,每週五天),在訓練結束後的第三天,控制組及兩組運動組實驗動物在深度麻醉後犧性,研究人員收集並保存動物的血液、肌肉及骨組織樣本,以作為之後各項分析之用。本研究的動物實驗流程均依照美國生理學會(American Physiological Society)的〞動物照護及使用手則(Guiding Principles in the Care and Use of Animals)〞進行。

在為期八週的游泳訓練後,不論是游泳組或是控制組的實驗動物,均有相同的生長趨勢,且相較於BCON組的大鼠,均明顯在各項參數有增加,因此,本文將不再著眼於BCON組與其他三組的比較,而著重於HIGH, LOW及CON三組之間的差異性比較。

一般而言,人們會預期年輕的孩子在經過一段時間的運動訓練後,體型會變得更大更壯碩。然而,本研究的測量結果似乎不青睞上述一般人的想法。在八週游泳訓練之後,年輕的雄性大鼠體重變輕了,肌肉及骨骼(股骨)質量變小了,股骨骨組織的尺寸變小了而BMD和BMC也變低了(表1)。

表 1. 體重、肌肉及骨骼質量、骨組織尺寸及骨密度數值
資料以平均數±標準誤呈現。BW, 體重; EDL, 伸趾長肌; WW, 骨組織溼重; FFDW, 骨組織去脂乾重; CSA, tissue cross-sectional area; CSMI, 斷面轉動慣量矩; BMD, 骨質密度; BMC, 骨質含量; *, 數值顯著不同於CON組。

表 2. 以三點彎曲測驗所分析而得之股骨組織生物力學特性
資料以平均數±標準誤呈現。*, 數值顯著不同於CON組。

但近年來,有愈來愈多的研究認為,這些與尺寸大小有關的參數,其實和體重有很高的相關。而本研究中,研究者在發表於Calcified Tissue International的原稿中,以BW做為共變量,進行CON, HIGH, LOW三組之間各項參數的單因子共變量分析,結果發現,表一中運動組與控制組之間的差異不復存在,這意指著,運動組的組織量測值較小,主要是由於體重較輕所致,而此一較小較輕的骨組織,似乎在生物力學特性上,並不遜色於控制組看似較粗壯的骨組織。

很有趣的,本研究在組織生物力學分析上有一些另人興奮的發現。透過將大鼠的股骨以三點彎曲的方式壓點(圖2A),結果顯示,游泳運動組的大鼠股骨在組織降伏點之後,可承受更多的變形才導致完成斷裂(圖2B),此一增加的降服點後的抗應力能力,目前為止仍有待進一步的研究以釐清其機轉,而從一些較間接的文獻推測,非礦化的骨基質的組成可能是此一特性的重要構成因素。簡單的來說,有較佳骨基質(骨膠原纖維)組成的骨組織,在外力導致組織壞損之前,可吸收較多的能量。而研究者也進一步猜測,此一特性或許可保護骨頭在外力的衝擊下,僅呈現較輕微的裂痕或損傷,而免於嚴重的斷裂,但此推論仍有待進一步研究證實。
圖 2 股骨的三點彎曲測驗。A. 三點彎曲意示圖; B. 游泳組及控制組股骨組織之負荷-位移曲線圖。

由於實驗動物並非自願參與游泳訓練,因此,在心理上可能承受些許的壓力而產生相關的負面影響。本研究為了進一步排除本實驗所採用的游泳訓練的潛在負面效應,研究者額外進行了一些骨代謝及海綿骨組織型態的分析(請參照本研究原文),這些參數除了可進一步了解骨骼的健康狀態,同時也與個體在生理及心理上的壓力有關聯。分析結果顯示,三組之間在上述參數並無差異,且低強度游泳組甚且呈現較低的骨吸收指標數據,這意指著游泳訓練可能對破骨細胞的活性有抑制的效應,進而減少骨質流失。

依據本研究結果,耐力性游泳訓練比起不運動來說,可能對於絕對的體型或與身體大小有關的量測值不見得有令人滿意的結果。然而,有一點仍必須提醒讀者,一般動物實驗中的控制組通常是以自由取食(ad libitum)的方式照護及飼養,此種類似坐式生活的型態,而很容易與慢性病的高罹患率有關。對於已開發國家而言,有愈來愈多的坐式生活者,尤其是年輕的孩子們,其每日飲食攝取的熱量有過高的傾向。因此,身為家長的我們應該要更小心的區別我們的孩是過重(胖)還是強健。同時,以生物效能的角度來看,對一個處於特定機能良好的的有機體而言,並不必然會呈現身體各項參數值的絕對高,簡單的來說,對一個處於巔峰狀態下的耐力運員而言,較多的肌肉量或骨骼質量,可能增加的是負擔而不是效能。
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