ㄧ、機械性負荷引致骨細胞作用活化的機轉
運動過程中引致的地面反作用力或肌肉收縮會對骨骼產生物理性刺激，通常稱為機 械性負荷 (mechanical loading)。此機械性負荷已證實可影響骨代謝，但相關機制的研 究，多來自於離體 (in vitro) 研究。研究證據顯示，造骨細胞與骨細胞均與機械性負荷 而引發的骨生成作用有關 (Ajubi, Klein-Nulend, Alblas, Burger, & Nijweide, 1999; Chen et al., 2000)。此外，機械性負荷在活體中，可能是經由液體流動而影響骨細胞所衍生的一 系列反應 (Knothe Tate, Knothe, & Niederer, 1998)。如同針對組織間液 (interstitial fluid
flow) 流動理論所整理的圖 1 所示，當骨骼承受機械性負荷時，造成骨組織形變，此形 變會使得骨組織產生不同的壓力空間，組織間液體因而會從壓力側朝向張力側流動，流 動過程中對細胞表面所產生的剪應力 (shear stress) 將會進一步轉變成細胞內一連串的 生 化 反 應 。 如 圖 2 所示，因運動或外力所產生的機械性負荷最終經由機械連結 (mechanocoupling)、生化連結 (biochemical coupling)、生化訊息傳遞 (transmission of biochemical signals)、功能細胞反應 (effector cell response) 四個步驟後 (Duncan &
Turner, 1995)，活化造骨細胞以進行骨再塑中的骨生成作用，以利新骨形成與礦化作用。
F
A：骨骼承受外力後造成的骨組織形變； F 為 force，意指外力。B：骨骼產生形變後組織間液流動刺激骨細胞示意圖；Cp 為 compression，意指 壓力側；Te 為 tension，意指張力側；IFF 為 interstitial fluid flow，意指組織間液流動的方向；Ob 為 osteoblast，意指活化之造骨細胞；Ot 為 osteocyte，
意指成熟之造骨細胞，稱為骨細胞；BLC 為 bone lining cell，意指不活化之造骨細胞，稱為骨骼襯裡細胞；Can 為 canaliculae，意指骨小管。C：
骨細胞接收刺激後將胞內的細胞激素與生長因子，經由細胞間的傳送而刺激造骨細胞的分化的示意圖；OP 為 osteoprogenitor，意指骨先驅細胞；
POb 為 preosteoblast，意指造骨細胞先驅；GJ 為 gap junctions，意指胞隙接合體，用來傳送分子訊息。IGF-1 為 insulin-like growth factor-1，即為 類胰島素生長因子；PGE2 為prostaglandin2，即為前列腺素 2；OPG 為 osteoprotegrins，意指破骨細胞生長抑制因子；NO 為 nitrogen monoxide，
即為一氧化氮。D：由兩種受納器經過生化連結後將訊息傳到細胞內示意圖；M 為 cell membrane，意指細胞膜；N 為 cell nucleus，意指細胞核；
I 為 integrins，此為一種整合蛋白，為生化連結通道之ㄧ；Ca++ Ch 為 Ca++ channel，此為鈣離子通道，為生化連結通道之ㄧ。
作用於骨骼上的機械性負荷
生化連結
訊息傳遞 功能細胞反應
訊息傳遞 生化連結 機械連結
功能細胞反應
圖 2 骨骼接受機械性負荷至活化造骨細胞作用的流程圖
上述之組織液體流動來自於骨組織的形變，依形變的特性又可分為形變次數 (strain cycle) 、形變率 (strain rate)、動靜態形變 (dynamic or static strain)。而刺激骨代 謝的最重要生物力學因素之ㄧ，目前多數研究認為是形變率 (Burr, Robling, & Turner, 2002; Turner, 1998)，也就是單位時間的形變量。以運動場或日常生活時而言，通常具衝 擊性的運動或負重式運動 （例：籃板衝搶與排球殺球後落地時下肢衝擊），較易使局部 骨骼產生較高的形變率。
二、動物模型
上述的機械性負荷影響細胞的機制多僅限於離體研究，為了更暸解活體的機械性負 荷對骨代謝的知識，科學家以動物實驗為例發展出許多模型，各種模型有其優劣，以下 進行探討：
(一) 跑步機 (treadmill running)
跑步機運動模型已行之有年，此模型的方法是將動物放置於跑步機上，在跑步訓練 過程中，動物會因負荷自身體重而對四肢骨產生機械性衝擊。研究證據顯示，此種模型 的衝擊力較少：由於量測動物跑步時的地面反作用力有方法上的限制，目前尚未找到相
關文獻呈現動物跑步時的地面反作用力。然而，以形變感應器裝置的研究發現，公雞進 行跑步時 (1.41-1.84 m/s) 的骨形變率，約為走路時的 1.36 倍 (Judex & Zernicke, 2000a)，於 60cm之高度落地時則約為走路時的 7 倍 (Judex & Zernicke, 2000b)。此外，
若以人體試驗測量的地面反作用力而言，由 1.1 m/s的走路速度測得的地面反作用力為 1.2 倍體重，以 2.2 m/s的跑步速度則為 2.3 倍體重，反而以 30.5 cm的高度進行落地就達 3.5 倍體重 (Janz, Rao, Baumann, & Schultz, 2003)。
另外，跑步訓練通常會對骨代謝有全身性的效應進而影響體內賀爾蒙，可能與機械 性負荷對於骨骼的效果混淆。此外，部份研究者的跑步機設有電擊，動物可能在被逼迫 的情況下進行運動，其所分泌的壓力賀爾蒙可能也會影響到骨骼，因而跑步機模型的研 究結果並不一致 (Huang et al., 2008b; Huang et al., 2003; Huang, Yang, Hsieh, & Liu, 2002;
Judex & Zernicke, 2000a; Notomi et al., 2000)。
(二) 攀爬 (tower climbing)
此模型主要是將動物的食用水放置於特定的高度，讓動物為了取得水源而往上攀 爬，形成一種類似阻力訓練的運動。許多研究證實，此種模型的機械性負荷可以促進大 鼠的骨再塑，進而增加骨量和骨強度，此正面效果無論在成長中 (Notomi et al., 2001)、
缺乏雄性素 (Notomi et al., 2002)、缺乏雌激素 (Notomi, Okimoto, Okazaki, Nakamura, &
Suzuki, 2003) 等不同條件的大鼠都已被證實。為了避免逼迫動物運動而影響壓力賀爾蒙 等干擾因子，因而有研究者利用此種自主性的運動模型來進行 (Rosa et al., 2010)。然 而，此模型雖然可使動物憑自由意志進行運動，但此類的運動在於肌肉收縮並非因高衝 擊引起，而肌肉收縮影響骨骼的負荷難以評估，同時因屬自主運動，因此運動量也不易 評估。此外，動物經由 21 天的攀爬運動訓練之後，相較於沒有運動訓練的對照組，獲 得較少的體重 (Rosa et al., 2010)。體重的改變將影響體內賀爾蒙，因此，攀爬運動可能 同時對骨代謝具有全身性與局部性效應，亦會混淆機械性負荷給予骨骼的作用。
(三) 起跳 (taking off)
進行此運動模式訓練時，動物首先會站立於底下備有電刺激的平台，運動介入初期 必須使用電刺激讓動物產生跳躍動作，並於約 40cm高處放置另ㄧ平台可供動物躍上抓
握之用，因此，運動過程中，不會有起跳之後的落地動作之產生。由於前腳在躍上平台 時的抓握動作有類似阻力運動的效果，因此，此類模型以探討後腿的部位為主，所引起 的機械性負荷主要在起跳期時後腿骨骼所造成的形變，其與落地模型的差別在於落地時 會產生較高的地面反作用力，而較高的地面反作用力可能會使骨組織有較高的形變率 (Edwards, Ward, Meardon, & Derrick, 2009)。雖然起跳期的作用力較落地期小，但以起跳 模型介入造成的骨骼效應卻相當明確與一致。無論是運動介入時間的長短（8 週或 1 週）、生理條件的不同（健康個體或雌激素缺乏）、運動計畫相異（例如：頻率、次數、
組數），都可使大鼠獲得骨骼的正面效應 (Honda, Sogo, Nagasawa, Shimizu, & Umemura, 2003; Honda, Umemura, & Nagasawa, 2001; Nagasawa, Honda, Sogo, & Umemura, 2008;
Umemura et al., 1995; Umemura, Ishiko, Yamauchi, Kurono, & Mashiko, 1997; Umemura, Nagasawa, Honda, & Singh, 2008)。然而，此模型的缺點在於運動初期實驗動物必須承受 電刺激所產生的生理或心理壓力，對骨代謝可能產生額外影響。
(四) 落地 (landing)
落地模型是以自由落體的方式讓動物在一定的高度被釋放而落地，此時雙腿甚至四 肢均必須承受數倍體重的地面反作用力，進而造成機械性負荷刺激骨代謝。落地時的骨 骼產生相當大且快的形變率，研究顯示，公雞於 60cm之高度落地時的形變率高於走路 時的7 倍 (Judex & Zernicke, 2000b)。另外，先前的研究發現，從 40cm的高度讓大鼠落 地會造成後腿負荷 10-15 倍的地面反作用力（林欣仕等，2010）。這種模式的優點在於 貼近日常生活之人體活動，例如籃球之衝搶籃板時的落地，抑或排球之跳躍殺球後的落 地都是此類動作模式的呈現。落地模型對骨骼的正面效應雖顯示於各項研究 (Judex &
Zernicke, 2000b; Lin et al., 2011a; Welch et al., 2008; Welch et al., 2004)，但亦有負面效應 的研究結果（林欣仕等，2010），因而，高於起跳模型的形變率並未帶來研究結果的一 致性。
三、落地模型的優勢 (一) 便利性
由於落地會引發骨骼相對高的形變率，而形變率對骨生成又是重要的指標，因而只
需每天10-30 次的落地、耗時數分鐘之內的運動介入即可得到效果。如此，操作者只需 用手將動物提高至一定高度，而後將動物釋放任其以自由落體的方式著地，對於實驗者 而言是相當便利的一種操作方法。相較於起跳模式，落地運動可產生更高的地面反作用 力，又可避免因電刺激對動物所產生的壓力。
(二) 精確性
由於大鼠落地時是以四肢同時著地以支撐身體，落地時四肢體骨組織所承受的地面 反作用力隨高度而有改變 (Welch et al., 2004)，若高度固定，此模式對大鼠四肢骨的負 荷應可精確控制。因此，此種模型除了個體的落地技巧不同而可能使衝擊力的分佈不同 之外，在固定高度下的落地，對個體下肢所產生的地面反作用力變異性相對低。
(三) 應用性
動物運動模型之建立與創造，其目的不外乎能夠應用於人類實際的生活上，落地包 含肌肉收縮與地面反作用力之衝擊對骨組織所產生的刺激，實際模擬生活中的高衝擊性 運動，或許可與籃球的籃板衝搶、排球攻擊等等之落地動作相類比。