跑步与膝骨关节炎相关性的研究进展

阳天睿，李晔，金今

临床上有患者因为跑步后出现膝关节疼痛而就诊，并最终诊断为膝骨关节炎（osteoarthritis, OA）。但跑步与膝OA 的相关性仍有待探索[1]。导致OA 的危险因素很多，主要可分为关节易损性增加与关节载荷增高。关节易损性因素包括老年、绝经后女性、关节受伤史、关节对线不良、肌肉无力、遗传等；关节载荷主要包括肥胖、体育活动等。跑步对膝关节健康的影响很可能是关节易损性和关节载荷共同作用的结果。本文回顾既往文献，从性别、体重指数（body matrix index, BMI）、跑步强度、基础研究、其他影响机制等多方面分析跑步与膝OA之间的联系。

1 性别

流行病学研究显示，OA 患病率存在显著性别差异。大型meta分析显示，女性的膝、手、髋关节OA患病率及新发风险均高于男性[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、保护关节软骨、影响骨密度、调节全身炎症等，从多方面保护关节结构的完整[3-4]，小于50 岁人群中，男性的OA 患病率稍高于女性，但女性绝经后的OA患病率约为男性的2倍，且通常更为严重[5]。Nazem等[6]研究了中度跑步训练后雌雄大鼠的关节软骨变化差异，雌雄大鼠都表现出轻度OA改变，但雌性大鼠的软骨损伤程度较重，软骨下骨的形态有显著差异；雄鼠没有出现滑膜炎，但雌鼠表现为轻度充血水肿伴有中度滑膜炎。提示中等程度的跑步可能对女性的膝关节损伤比男性大。

2 BMI

BMI 是膝OA 的重要危险因素之一，过高的体重会增加膝关节负重，增加关节磨损。许多研究证实跑步者的BMI 对OA 发生产生一定影响。Hartwell等[7]对3 804 名马拉松参赛选手的调查表明，发生髋或膝OA 的重要危险因素是年龄、BMI、既往受伤或手术及家族史，而与累计跑步年数、完成的马拉松次数、每周跑步里程和平均跑步速度无确切关联。Chakravarty 等[8]对中老年长跑者的研究发现，高水平BMI 会显著影响关节间隙宽度，与较差的膝关节影像学相关，但与总体膝关节评分（total knee score,TKS）无显著相关性。Wang等[9]在马拉松赛后立即对参赛者膝关节软骨进行MRI检查，其中高水平BMI者软骨生化成分变化较低水平BMI者更显著，可能提示更高的跑步后膝OA 风险。Kujala 等[10]对117 位退役世界级运动员（其中包括28位长跑运动员）的统计发现，膝OA 发生率与20 岁时高水平BMI 相关［比值比（odds ratio, OR）为1.76］。此外，Williams[11]统计出BMI每增加1 kg/m2，髋OA 发病率增加5%，髋关节置换术比率增加9.8%，消除BMI 影响后的髋OA 风险从16.5%降至8.6%，这对膝OA 的发生率也有一定提示作用。高水平BMI 也可增加运动损伤的发生几率，为了维持高水平BMI 者的关节稳定，肌肉必须更强壮，以缓冲更多应力，然而高水平BMI 通常与身体不活动有关，肌肉功能相对较弱。这种“肌松质性肥胖”可能解释超重或肥胖跑步者的高OA 风险[12]。总体而言，在跑步者中，超重或肥胖可以提示更高的膝OA 风险。因此，虽然跑步可以有助于减轻体重，但对于基础BMI 较高的人群，不应将跑步作为减重的首选方法，而应在其他适当运动降低BMI 后再进行跑步。另外，对于高水平BMI 的人群也要结合体脂率进行分析，比如部分健身爱好者肌肉含量较多，虽然BMI 较高，但体脂率较低，出现跑步后膝OA 的风险也会相应降低。

3 跑步强度

3.1 跑步年数

儿童时期开始跑步者与成年后开始跑步者膝或髋OA 发生率的差异无统计学意义[13]。中老年跑步者与非跑步者也无明显OA 影像学或临床症状差异[14]。McDermott和Freyne[15]的研究发现，患有膝OA的跑步者跑步年数较无膝OA的跑步者长（19.6年vs.11.9 年），而跑步里程比较差异无统计学意义。在总体人群中，跑步15 年以上与膝OA 关联性更高。但Lo等[16]对17项共114 829名受访者的研究分析得出，休闲跑步15 年以上有益于髋关节和膝关节的健康，仍可以视为安全的锻炼方式，与OA 更重要的相关因素是跑量。

3.2 跑量与配速

跑步通常分为休闲跑步（日常跑步运动者，跑量较小、配速较慢）、精英跑步（非专业跑者，跑量大、配速中等）、竞技跑步（职业选手、专业跑步运动员，跑量大、配速较快），跑步对膝OA 的影响在这三类人群中有所区别。但是，三者无法完全量化，没有明确分界线，如休闲跑步者也可能出于娱乐目的跑很长的距离、职业运动员退役后跑量可以骤减等。

目前，对于跑步强度高低定量划分的标准尚不统一，大多是基于招募人群的统计结果进行分类。Schueller-Weidekamm 等[17]的分级标准包括每周训练次数、跑量、每年平均训练持续时间，低跑步强度定义为每周跑步频率不超过2次，每周跑步距离不超过32 km，每年训练时间不超过6个月；高跑步强度定义为每周跑步频率2次以上，每周跑步距离超过32 km，每年训练时间超过6 个月。超过11 万人的荟萃分析结果显示，不同跑步强度对膝关节健康有不同影响，3.5%的休闲跑步者患有髋或膝OA，该比例在久坐人群中为10.2%，在竞技跑步人群中为13.3%，因此不同的跑量间应分别讨论[18-19]。通常认为休闲跑步不会造成膝OA，并对膝关节健康有保护作用[20-21]。超过2 000名受试者的回顾性横断面研究显示，与非跑步者相比，休闲跑步者中临床膝OA 和影像学膝OA 的风险都较低，且在平衡了高水平BMI 危险因素的影响后，仍发现跑步并不会影响膝OA 发生[16]。非跑步者中膝OA 进展为全膝关节置换术的比例比跑步者显著增高（4.6%vs. 2.6%）[22]。Kohatsu 和Schurman[23]对不同人群运动程度的调研发现，健康人群中跑步者比例是患OA 组中的两倍，间接说明休闲跑步对膝关节的保护作用。

与休闲跑步保护膝关节的大量证据支持相反，更高的跑步强度如精英跑步和竞技跑步，与膝OA 的相关性存在着较多争议。Driban 等[24]统计得出竞技跑步运动员的膝OA 发生风险显著较高（长跑组4.2%vs.非运动对照组1.3%）。

4 基础研究

4.1 平均累积负荷

膝关节所受平均负荷在OA 发生中具有比峰值负荷更重要的作用。软骨具有黏弹性，跑步时高峰值负荷引起的内部应变相对较低，测量峰值负荷不能完全反映软骨在跑步时的变化。Miller[25]提出平均累积负荷由即刻关节载荷、载荷持续时间（步频）、载荷持续距离（步幅）等共同决定。由于跑步时脚与地面接触的持续时间较短，并且在负荷循环中每次负荷覆盖的距离较长，所以尽管跑步时峰值负荷明显高于步行时峰值负荷，但每步幅所累积的平均负荷与步行近似。因此，在膝关节健康的情况下，跑步不会产生比步行更大的单位距离平均累积负荷。

4.2 软骨适应与调节能力

机械载荷对关节软骨的影响取决于所施加载荷的特性。膝关节软骨在运动过程中可以暂时储存弹性应变能并加以回弹[26]。在应力种类方面，多种体外研究已经确定了不同负荷模式对关节软骨的影响[27]。突然的扭转和轴向应力（如足球等）会降低软骨的缓冲能力并增加软骨退行性变的风险[28]，持续的压缩负荷（如举重等）会降低软骨硬度[29]，但周期性的规律的压缩负荷（如跑步等）可以改善软骨硬度，促进蛋白多糖的合成[30]。软骨中纤维胶原的不均匀分布会影响膝关节运动力学，Raju 和Koorata[31]使用纤维增强多孔超弹性材料模拟研究发现，与倾斜和垂直纤维方向相比，纤维平行于关节面时具有最高的弹性应力和流体压力。Coburn 等[32]的meta 研究显示，跑步后立即（20 min内）测量胫股软骨体积略有下降，但短暂即可恢复。

此外，健康状态下的活软骨会适应跑步状态，以承受其经常承受的最大压力。Miller和Krupenevich[33]构建的接触力学模型表示，软骨适应修复功能在抗OA过程中可能起到最主要的作用。与久坐相比，跑步带来的关节负荷诱导了膝关节软骨的积极重塑，保护关节的健康状态。但目前尚不清楚这一结论是否适用于特殊的高危人群（如前交叉韧带损伤、超重和截肢者），也不清楚该人群行走和跑步时的负荷是否相似。

4.3 炎症介质

Hyldahl等[34]对健康受试者跑步后膝关节炎症介质进行评估，发现跑步可以降低关节内炎症，30 min的跑步足以降低粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony stimulating factor,GM-CSF）和白细胞介素-15（interleukin-15, IL-15）在关节腔内的浓度。健康志愿者进行跑步30 min 与15 组蹲跳（每组15 个）对比后检测血清炎性标志物，跑步组患者软骨寡聚基质蛋白（cartilage oligomeric matrixprotein, COMP）和基质金属蛋白酶-3（matrix metallo proteinase-3, MMP-3）均较蹲跳组显著增加，壳多糖酶蛋白-40（chitinase protein-40, YKL-40）轻度增加[35]。Lin 等[36]将早期膝OA 患者分为慢跑组与静态组，发现训练6个月后，慢跑组患者的血清炎性介质肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α, TNF-α）、IL-16均降低，且生活能力评分增高，提示慢跑有助于早期膝OA患者康复。

5 其他影响机制

跑步可以影响骨矿物质密度。目前有观点认为OA 与高骨密度相关，但尚存争议。Lane 等[37]发现与非跑步者相比，长距离跑步者的L1 骨矿物质密度高40%，体格检查、临床症状方面比较差异无统计学意义。Allison 等[38]招募了35 名老年男性受试者，训练其每日进行高强度单侧腿前后跳跃运动，持续12 个月后发现运动侧股骨颈的骨密度高于非跳跃运动侧，说明长期运动可提高局部骨密度。Yuan 等[39]的研究认为，跑步增加的骨密度可以从多角度保护膝关节健康，如减少骨质疏松和骨折风险等。

除了对骨骼和软骨本身的影响外，跑步还可以增加关节周围肌肉的力量，有助于负重时分散下肢关节面的压力，减少关节磨损风险[40]；提高软组织伸展性、血流量和关节液的流动，有利于维持关节活动范围和提供软骨基质必要的营养；直接减轻体重，降低BMI。此外，跑步还可以改善心脑血管健康、力量和耐力，从而降低脑卒中和高血压的风险，同时对情绪有积极作用，并且可以提高认知能力。

目前研究认为，高强度竞技跑步对膝关节的损伤包含了多种机制。竞技跑步可能导致“阈值效应”，即过度的机械应力会直接破坏软骨细胞外基质，并改变软骨细胞的平衡，促进分解代谢活性高于合成代谢，从而导致胶原纤维和蛋白聚糖降解。动物试验显示，“剧烈”跑步可能会导致OA 样关节软骨改变。竞技跑步还可增加关节受伤几率。非职业的高训练跑步者与低训练跑步者膝关节MRI 显示，所有慢性膝关节病变（包括半月板病变、软骨病变和前交叉韧带病变）的总评分均显著较高。调研显示，人群中每年发生跑步损伤（包括肌肉、肌腱、韧带和骨骼）的发生率高达59%[41]和79%[42]。跑步力量和关节周围肌肉收缩也是影响因素之一。精英跑步者通常具有较高疼痛或肌肉疲劳的耐受能力，伴随本体感受器反射灵敏度降低，感觉冲击与肌肉反应之间的同步性降低，肌肉无法作为关节的动态稳定器，从而导致关节负荷增加和关节受伤。长距离和快节奏的运动会使疲劳肌肉吸收震动的能力降低，长时间跑步可能会导致承重关节的磨损增加[43]。此外，长跑运动员对跑步加速度的要求较高，快速加速可导致关节周围的肌肉（保护关节的主要减震器）没有足够的时间吸收负荷，使得关节承受较大冲击[43]。

6 不足与争议

目前，尚不能得出跑步是否与膝OA 有关的确切结论，“跑步导致膝OA增加”“跑步对膝OA诊断无影响”与“跑步对膝OA 有保护作用”三种观点均无充足证据支持，其中存在众多限制因素与混杂因素[44-45]。

相关研究存在以下不足之处。①研究设计方案不同。如Felson等[46]使用前瞻性队列研究，Lo等[16]使用回顾性研究。②被调查人群不同，存在抽样偏倚。如Rhim 等[47]只研究了富有经验的马拉松运动员，Kujala 等[10]只研究了精英跑步者，而Felson 等[46]、Lo等[16]的样本来自社区，包含了更多休闲跑步者，但也不排除职业和精英跑者的参与。③对结果的定义不同，且大多掺杂主观性。如膝关节疼痛、影像学OA等，使不同研究结论的可比性降低。此外，由于膝OA 属于慢性病，常用的随访时间（数月，甚至较少的年份）不足以发现全部患病率。关于跑步与膝OA 间的相关性仍需进一步探索[1]。

除研究设计本身外，年龄是不可被忽视的一大混淆因素。年龄本身与OA 显著相关，老年人OA 比例显著高于年轻人。但在同一个年龄层中，尤其是老年人中，尚可以跑步的老年人通常一般状况更好，这会显著影响研究分组。此外，对于跑步的统计中，由于人群可以自己选择是否跑步，存在由于关节疼痛或OA 而终止跑步的人，导致其被分入非跑步组。另一方面，研究中无法全面控制变量，如跑步者同时参与其他运动等。还有很多混杂因素并未在所有研究中进行全面分析，如年龄、BMI、肌肉力量、体脂率、关节损伤等。上述众多因素累积混杂，导致对于跑步与膝OA 的研究尚存在多项疏漏亟待添补，因此后续研究需要考虑到上述因素，并进行进一步完善。

【利益冲突】所有作者均声明不存在利益冲突