跑步與膝骨關節炎相關性的研究進展

陽天睿，李曄，金今

臨床上有患者因為跑步后出現膝關節疼痛而就診，并最終診斷為膝骨關節炎（osteoarthritis, OA）。但跑步與膝OA 的相關性仍有待探索[1]。導致OA 的危險因素很多，主要可分為關節易損性增加與關節載荷增高。關節易損性因素包括老年、絕經后女性、關節受傷史、關節對線不良、肌肉無力、遺傳等；關節載荷主要包括肥胖、體育活動等。跑步對膝關節健康的影響很可能是關節易損性和關節載荷共同作用的結果。本文回顧既往文獻，從性別、體重指數（body matrix index, BMI）、跑步強度、基礎研究、其他影響機制等多方面分析跑步與膝OA之間的聯系。

1 性別

流行病學研究顯示，OA 患病率存在顯著性別差異。大型meta分析顯示，女性的膝、手、髖關節OA患病率及新發風險均高于男性[2]，其中雌激素在其中具有重要作用。雌激素可以改善肌肉力量、保護關節軟骨、影響骨密度、調節全身炎癥等，從多方面保護關節結構的完整[3-4]，小于50 歲人群中，男性的OA 患病率稍高于女性，但女性絕經后的OA患病率約為男性的2倍，且通常更為嚴重[5]。Nazem等[6]研究了中度跑步訓練后雌雄大鼠的關節軟骨變化差異，雌雄大鼠都表現出輕度OA改變，但雌性大鼠的軟骨損傷程度較重，軟骨下骨的形態有顯著差異；雄鼠沒有出現滑膜炎，但雌鼠表現為輕度充血水腫伴有中度滑膜炎。提示中等程度的跑步可能對女性的膝關節損傷比男性大。

2 BMI

BMI 是膝OA 的重要危險因素之一，過高的體重會增加膝關節負重，增加關節磨損。許多研究證實跑步者的BMI 對OA 發生產生一定影響。Hartwell等[7]對3 804 名馬拉松參賽選手的調查表明，發生髖或膝OA 的重要危險因素是年齡、BMI、既往受傷或手術及家族史，而與累計跑步年數、完成的馬拉松次數、每周跑步里程和平均跑步速度無確切關聯。Chakravarty 等[8]對中老年長跑者的研究發現，高水平BMI 會顯著影響關節間隙寬度，與較差的膝關節影像學相關，但與總體膝關節評分（total knee score,TKS）無顯著相關性。Wang等[9]在馬拉松賽后立即對參賽者膝關節軟骨進行MRI檢查，其中高水平BMI者軟骨生化成分變化較低水平BMI者更顯著，可能提示更高的跑步后膝OA 風險。Kujala 等[10]對117 位退役世界級運動員（其中包括28位長跑運動員）的統計發現，膝OA 發生率與20 歲時高水平BMI 相關［比值比（odds ratio, OR）為1.76］。此外，Williams[11]統計出BMI每增加1 kg/m2，髖OA 發病率增加5%，髖關節置換術比率增加9.8%，消除BMI 影響后的髖OA 風險從16.5%降至8.6%，這對膝OA 的發生率也有一定提示作用。高水平BMI 也可增加運動損傷的發生幾率，為了維持高水平BMI 者的關節穩定，肌肉必須更強壯，以緩沖更多應力，然而高水平BMI 通常與身體不活動有關，肌肉功能相對較弱。這種“肌松質性肥胖”可能解釋超重或肥胖跑步者的高OA 風險[12]?？傮w而言，在跑步者中，超重或肥胖可以提示更高的膝OA 風險。因此，雖然跑步可以有助于減輕體重，但對于基礎BMI 較高的人群，不應將跑步作為減重的首選方法，而應在其他適當運動降低BMI 后再進行跑步。另外，對于高水平BMI 的人群也要結合體脂率進行分析，比如部分健身愛好者肌肉含量較多，雖然BMI 較高，但體脂率較低，出現跑步后膝OA 的風險也會相應降低。

3 跑步強度

3.1 跑步年數

兒童時期開始跑步者與成年后開始跑步者膝或髖OA 發生率的差異無統計學意義[13]。中老年跑步者與非跑步者也無明顯OA 影像學或臨床癥狀差異[14]。McDermott和Freyne[15]的研究發現，患有膝OA的跑步者跑步年數較無膝OA的跑步者長（19.6年vs.11.9 年），而跑步里程比較差異無統計學意義。在總體人群中，跑步15 年以上與膝OA 關聯性更高。但Lo等[16]對17項共114 829名受訪者的研究分析得出，休閑跑步15 年以上有益于髖關節和膝關節的健康，仍可以視為安全的鍛煉方式，與OA 更重要的相關因素是跑量。

3.2 跑量與配速

跑步通常分為休閑跑步（日常跑步運動者，跑量較小、配速較慢）、精英跑步（非專業跑者，跑量大、配速中等）、競技跑步（職業選手、專業跑步運動員，跑量大、配速較快），跑步對膝OA 的影響在這三類人群中有所區別。但是，三者無法完全量化，沒有明確分界線，如休閑跑步者也可能出于娛樂目的跑很長的距離、職業運動員退役后跑量可以驟減等。

目前，對于跑步強度高低定量劃分的標準尚不統一，大多是基于招募人群的統計結果進行分類。Schueller-Weidekamm 等[17]的分級標準包括每周訓練次數、跑量、每年平均訓練持續時間，低跑步強度定義為每周跑步頻率不超過2次，每周跑步距離不超過32 km，每年訓練時間不超過6個月；高跑步強度定義為每周跑步頻率2次以上，每周跑步距離超過32 km，每年訓練時間超過6 個月。超過11 萬人的薈萃分析結果顯示，不同跑步強度對膝關節健康有不同影響，3.5%的休閑跑步者患有髖或膝OA，該比例在久坐人群中為10.2%，在競技跑步人群中為13.3%，因此不同的跑量間應分別討論[18-19]。通常認為休閑跑步不會造成膝OA，并對膝關節健康有保護作用[20-21]。超過2 000名受試者的回顧性橫斷面研究顯示，與非跑步者相比，休閑跑步者中臨床膝OA 和影像學膝OA 的風險都較低，且在平衡了高水平BMI 危險因素的影響后，仍發現跑步并不會影響膝OA 發生[16]。非跑步者中膝OA 進展為全膝關節置換術的比例比跑步者顯著增高（4.6%vs. 2.6%）[22]。Kohatsu 和Schurman[23]對不同人群運動程度的調研發現，健康人群中跑步者比例是患OA 組中的兩倍，間接說明休閑跑步對膝關節的保護作用。

與休閑跑步保護膝關節的大量證據支持相反，更高的跑步強度如精英跑步和競技跑步，與膝OA 的相關性存在著較多爭議。Driban 等[24]統計得出競技跑步運動員的膝OA 發生風險顯著較高（長跑組4.2%vs.非運動對照組1.3%）。

4 基礎研究

4.1 平均累積負荷

膝關節所受平均負荷在OA 發生中具有比峰值負荷更重要的作用。軟骨具有黏彈性，跑步時高峰值負荷引起的內部應變相對較低，測量峰值負荷不能完全反映軟骨在跑步時的變化。Miller[25]提出平均累積負荷由即刻關節載荷、載荷持續時間（步頻）、載荷持續距離（步幅）等共同決定。由于跑步時腳與地面接觸的持續時間較短，并且在負荷循環中每次負荷覆蓋的距離較長，所以盡管跑步時峰值負荷明顯高于步行時峰值負荷，但每步幅所累積的平均負荷與步行近似。因此，在膝關節健康的情況下，跑步不會產生比步行更大的單位距離平均累積負荷。

4.2 軟骨適應與調節能力

機械載荷對關節軟骨的影響取決于所施加載荷的特性。膝關節軟骨在運動過程中可以暫時儲存彈性應變能并加以回彈[26]。在應力種類方面，多種體外研究已經確定了不同負荷模式對關節軟骨的影響[27]。突然的扭轉和軸向應力（如足球等）會降低軟骨的緩沖能力并增加軟骨退行性變的風險[28]，持續的壓縮負荷（如舉重等）會降低軟骨硬度[29]，但周期性的規律的壓縮負荷（如跑步等）可以改善軟骨硬度，促進蛋白多糖的合成[30]。軟骨中纖維膠原的不均勻分布會影響膝關節運動力學，Raju 和Koorata[31]使用纖維增強多孔超彈性材料模擬研究發現，與傾斜和垂直纖維方向相比，纖維平行于關節面時具有最高的彈性應力和流體壓力。Coburn 等[32]的meta 研究顯示，跑步后立即（20 min內）測量脛股軟骨體積略有下降，但短暫即可恢復。

此外，健康狀態下的活軟骨會適應跑步狀態，以承受其經常承受的最大壓力。Miller和Krupenevich[33]構建的接觸力學模型表示，軟骨適應修復功能在抗OA過程中可能起到最主要的作用。與久坐相比，跑步帶來的關節負荷誘導了膝關節軟骨的積極重塑，保護關節的健康狀態。但目前尚不清楚這一結論是否適用于特殊的高危人群（如前交叉韌帶損傷、超重和截肢者），也不清楚該人群行走和跑步時的負荷是否相似。

4.3 炎癥介質

Hyldahl等[34]對健康受試者跑步后膝關節炎癥介質進行評估，發現跑步可以降低關節內炎癥，30 min的跑步足以降低粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony stimulating factor,GM-CSF）和白細胞介素-15（interleukin-15, IL-15）在關節腔內的濃度。健康志愿者進行跑步30 min 與15 組蹲跳（每組15 個）對比后檢測血清炎性標志物，跑步組患者軟骨寡聚基質蛋白（cartilage oligomeric matrixprotein, COMP）和基質金屬蛋白酶-3（matrix metallo proteinase-3, MMP-3）均較蹲跳組顯著增加，殼多糖酶蛋白-40（chitinase protein-40, YKL-40）輕度增加[35]。Lin 等[36]將早期膝OA 患者分為慢跑組與靜態組，發現訓練6個月后，慢跑組患者的血清炎性介質腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α, TNF-α）、IL-16均降低，且生活能力評分增高，提示慢跑有助于早期膝OA患者康復。

5 其他影響機制

跑步可以影響骨礦物質密度。目前有觀點認為OA 與高骨密度相關，但尚存爭議。Lane 等[37]發現與非跑步者相比，長距離跑步者的L1 骨礦物質密度高40%，體格檢查、臨床癥狀方面比較差異無統計學意義。Allison 等[38]招募了35 名老年男性受試者，訓練其每日進行高強度單側腿前后跳躍運動，持續12 個月后發現運動側股骨頸的骨密度高于非跳躍運動側，說明長期運動可提高局部骨密度。Yuan 等[39]的研究認為，跑步增加的骨密度可以從多角度保護膝關節健康，如減少骨質疏松和骨折風險等。

除了對骨骼和軟骨本身的影響外，跑步還可以增加關節周圍肌肉的力量，有助于負重時分散下肢關節面的壓力，減少關節磨損風險[40]；提高軟組織伸展性、血流量和關節液的流動，有利于維持關節活動范圍和提供軟骨基質必要的營養；直接減輕體重，降低BMI。此外，跑步還可以改善心腦血管健康、力量和耐力，從而降低腦卒中和高血壓的風險，同時對情緒有積極作用，并且可以提高認知能力。

目前研究認為，高強度競技跑步對膝關節的損傷包含了多種機制。競技跑步可能導致“閾值效應”，即過度的機械應力會直接破壞軟骨細胞外基質，并改變軟骨細胞的平衡，促進分解代謝活性高于合成代謝，從而導致膠原纖維和蛋白聚糖降解。動物試驗顯示，“劇烈”跑步可能會導致OA 樣關節軟骨改變。競技跑步還可增加關節受傷幾率。非職業的高訓練跑步者與低訓練跑步者膝關節MRI 顯示，所有慢性膝關節病變（包括半月板病變、軟骨病變和前交叉韌帶病變）的總評分均顯著較高。調研顯示，人群中每年發生跑步損傷（包括肌肉、肌腱、韌帶和骨骼）的發生率高達59%[41]和79%[42]。跑步力量和關節周圍肌肉收縮也是影響因素之一。精英跑步者通常具有較高疼痛或肌肉疲勞的耐受能力，伴隨本體感受器反射靈敏度降低，感覺沖擊與肌肉反應之間的同步性降低，肌肉無法作為關節的動態穩定器，從而導致關節負荷增加和關節受傷。長距離和快節奏的運動會使疲勞肌肉吸收震動的能力降低，長時間跑步可能會導致承重關節的磨損增加[43]。此外，長跑運動員對跑步加速度的要求較高，快速加速可導致關節周圍的肌肉（保護關節的主要減震器）沒有足夠的時間吸收負荷，使得關節承受較大沖擊[43]。

6 不足與爭議

目前，尚不能得出跑步是否與膝OA 有關的確切結論，“跑步導致膝OA增加”“跑步對膝OA診斷無影響”與“跑步對膝OA 有保護作用”三種觀點均無充足證據支持，其中存在眾多限制因素與混雜因素[44-45]。

相關研究存在以下不足之處。①研究設計方案不同。如Felson等[46]使用前瞻性隊列研究，Lo等[16]使用回顧性研究。②被調查人群不同，存在抽樣偏倚。如Rhim 等[47]只研究了富有經驗的馬拉松運動員，Kujala 等[10]只研究了精英跑步者，而Felson 等[46]、Lo等[16]的樣本來自社區，包含了更多休閑跑步者，但也不排除職業和精英跑者的參與。③對結果的定義不同，且大多摻雜主觀性。如膝關節疼痛、影像學OA等，使不同研究結論的可比性降低。此外，由于膝OA 屬于慢性病，常用的隨訪時間（數月，甚至較少的年份）不足以發現全部患病率。關于跑步與膝OA 間的相關性仍需進一步探索[1]。

除研究設計本身外，年齡是不可被忽視的一大混淆因素。年齡本身與OA 顯著相關，老年人OA 比例顯著高于年輕人。但在同一個年齡層中，尤其是老年人中，尚可以跑步的老年人通常一般狀況更好，這會顯著影響研究分組。此外，對于跑步的統計中，由于人群可以自己選擇是否跑步，存在由于關節疼痛或OA 而終止跑步的人，導致其被分入非跑步組。另一方面，研究中無法全面控制變量，如跑步者同時參與其他運動等。還有很多混雜因素并未在所有研究中進行全面分析，如年齡、BMI、肌肉力量、體脂率、關節損傷等。上述眾多因素累積混雜，導致對于跑步與膝OA 的研究尚存在多項疏漏亟待添補，因此后續研究需要考慮到上述因素，并進行進一步完善。

【利益沖突】所有作者均聲明不存在利益沖突