ポイント

• ランナーは頻繁に膝に高い負荷をかけますが、変形性膝関節症を発症するリスクは高くありません。

• この現象の潜在的なメカニズムの 1 つは、ランニングの 1 歩あたりのピーク負荷が非常に高いのに対し、1 歩あたりに蓄積される平均負荷は驚くほど低いということです (ウォーキングと同様)。

• 軟骨の粘弾性の性質により、ランニング時の高いピーク負荷によって引き起こされる内部歪みも、負荷率が高いため比較的低くなります。

• もう 1 つの潜在的なメカニズムは、健康な状態にある生きている軟骨が、頻繁に受ける最大のストレスに耐えるように適応する (つまり、条件付けされる)というものです。

ランナーは非ランナーよりも変形性膝関節症 (OA) の罹患率が高いわけではありません。ランニング時の関節負荷はOAを引き起こさないという仮説が提唱される。2 つのメカニズムが提案されています:
1) ランニングでは驚くほど低い累積負荷は、ピーク負荷よりも OA リスクにとって重要です、
2) ランニングの機械的ストレスに耐えるためにランニングに適応しようとする軟骨

変形性関節症とランニング

変形性関節症 (OA) の病因には、局所的な機械的および全身性の炎症因子によって媒介される同化および異化細胞代謝の複雑なバランスが関与しています。しかし、軟骨の喪失は過剰または異常な関節負荷の蓄積によって引き起こされるという考えは、依然として疾患過程に関する多くの理論の重要な要素となっている。人間の関節軟骨のin vitro機械試験では、負荷サイクルあたりのピーク応力が増加するにつれて疲労寿命 (骨折までの負荷サイクル数) が指数関数的に減少することが示され、OA の開始については磨耗による説明が示唆されています。この示唆は、表面上関節に過負荷をかけている集団における膝 OA の有病率によって間接的に裏付けられ、より直接的には、歩行中の関節へのより大きな負荷が膝 OA の開始および/または進行と関連しているという縦断的研究によって裏付けられています。機械的疲労による軟骨の損傷は、成人に達する際にコラーゲンマトリックスが代謝回転をほとんど受けないという最近の発見を考慮すると特に関連しており、OA はコラーゲンの代謝回転速度の不均衡ではなく、関節構造の機械的または生化学的破壊に起因する可能性が高いことを示唆しています 。しかし、比較的高い負荷を繰り返し加えると軟骨の疲労寿命が短くなるのであれば、ランニング中のストライドあたりの膝関節のピーク負荷が非常に高いにもかかわらず、長距離ランナーは膝OAを発症するリスクが高くないという逆説的になります。歩行時の負荷は約 3 倍、立位時の負荷は約 8 倍、トレーニング量によってはランナーは年間数百万歩のランニングを行う場合も。ランニング時の関節負荷が変形性膝関節症を引き起こすわけではないと考え、潜在的なメカニズムを検討することは合理的であると思われます。
この記事では、ランナーにおける膝OAの有病率の低さは選択バイアスによって完全には説明できないと主張した後、軟骨力学に関連したランニング中の関節負荷を紹介し、ランニング中のピーク関節負荷がどのようにして膝関節の発症を引き起こさないのかを説明する2つの潜在的なメカニズムを概説します。このメカニズムは、軟骨の材料特性と、加えられた表面荷重と内部応力/歪みの間の関係との関連で議論されます。OA が一般に、広範囲の人々を悩ませ、体のどの関節でも発生する可能性がある複雑な疾患であり、その原因メカニズムはまだ十分に理解されていないことに留意する必要があります。提案されたメカニズムは、特定の集団（長距離ランナー）における特定の関節（膝）の OA に関連しており、他の集団の他の関節の OA に一般化できるわけではありません。しかし、膝 OA の病因の全体像の中にこれらのメカニズムを位置づけようとする試みが行われています。前提として、ランナーなどの低リスク集団をさらに研究することで、高リスク集団の膝OAの予防について多くのことが学べるということです。

OA の力学、構造的損傷、および痛み

ランニングと膝OAの関係は、この病気の存在がどのように確立されるかによって異なります。たとえば、ランナーは膝に病変や異常があることがよくありますが、痛みはありません 。生体力学や整形外科の研究では、構造的損傷や痛みの明らかな重症度によってOAを説明するのが一般的です。X線撮影によるOAは構造劣化の証拠が特徴であり、症候性OAは日常生活活動中、特に関節に負荷がかかるときの痛みが特徴です。これらの定義の利点は、特定の因果関係（例：外傷性損傷）やライフスタイル（例：磨耗）が疾患を引き起こしたと仮定していないことです。

膝OAは通常、疾患がすでに症状を示すまで診断されず、X線撮影と症候性膝OAの自然経過がどのように関連しているか、または関連しているかどうかは一般に不明です。関節軟骨自体は健康な状態では無神経であるため、膝痛の直接的な原因とは考えられていませんが、その構造的劣化は、基礎となる骨の露出、骨髄病変や滑膜炎の発生、神経支配を通じて痛みにおいて二次的な役割を果たす可能性があります。 ベースラインで痛みが大きかった人は、X線撮影による病気の進行リスクも高かった。医薬品による鎮痛剤により、膝 OA 患者の歩行速度と膝関節モーメントが増加しました。これは、膝への負荷が増加し、潜在的に痛みの発症に影響を及ぼした可能性のある歩行力学への回帰を示唆しています。関節負荷と症候性膝OAの開始に関するこれまでの唯一の縦断研究では、膝痛を発症した高齢者は、ベースラインでの日常生活活動中のピーク膝内転がより大きかった。したがって、現在の仮説とメカニズムは、X線撮影による膝OAのリスクをより直接的に語っていますが、症候性膝OAにも関連しています。膝 OA の痛みの神経学と心理学の関連トピックはランニングに関連しています。

ランニングと関節症変化

ほとんどの研究は、レクリエーションの量と強度での長距離ランニングは膝 OA の発症リスクを増加させないことに同意しています 。ここでのレクリエーションとは、エリート競技ランナーではない個人を意味します。エリートは、特定のトレーニングパラメータよりも、その能力とライフスタイルによって区別されますが、一般的に、いくつかの集中的なトレーニングを含めて週に100マイル以上を走りますが、ほとんどのレクリエーションランナーはおそらく週に10〜20マイル・週を走りますが、そうでない場合もあります。あらゆるトレーニングが含まれます。最近のメタ分析では、長期的なデータが不足しているため、ランニングと膝の OA に関するエビデンスの質はせいぜい中程度であると結論付けられています 。重要な問題は、ランニングがOAリスクを増加させないという結論がランナー集団に特有のものなのか、それとも他の集団にも適用できるのかを判断することである。たとえば、OA を発症しないランナーのベースライン リスクは非常に低く、ランニングによってこのリスクが通常のレベルまで増加した可能性があります。この議論は実現可能であり、重要です。しかし、ほとんどのランナーにおけるOAのリスクが低いことを完全に説明できるとは考えられません。第一に、これまで生涯にわたるランニングと関節の健康に関する前向き研究はありませんが、これまで頻繁にランニングをしていなかった人が最長 6 か月のトレーニング期間で受ける軟骨の損失は、臨床的に無関係であると考えられています。測定誤差を除外するために小さい、および/またはトレーニングを実行しなかった対照と同様のもの 。これに関連して、ランナーと非ランナーは、ランニングの試合後に軟骨の厚さとコラーゲンマトリックスの完全性において同様の変化を示します 。

第二に、トランスジェニック動物モデルは、ヒトの特定の表現型が機械的負荷に耐える軟骨の能力に影響を与える可能性があることを示唆しているが、著者の知る限り、関連する遺伝子がヒトのランナーと非ランナーで体系的に異なるという証拠はない。 。さらに、ランニングによってX線撮影によるOA病変を発症したトランスジェニックマウスは、毎日自発的に長距離を走り続けており、膝病変のあるヒトランナーと同様に、症候性OAを患っていない可能性が示唆されている。

第三に、ランナーが本質的に OA に対して耐性がある場合、関節に頻繁に負荷をかける他の集団でも同様の耐性があることが予想されます。しかし、鉱山労働者、農民、削岩機オペレーターなどの身体的に厳しい職業に就いている人は、一般の人よりも OA のリスクが高く、他の体重負荷のかかるスポーツ (サッカー、重量挙げなど)のアスリートも、OA のリスクが高くなります。外傷性膝損傷をコントロールした後でも、ランナーよりもOAのリスクが高い。

最後に、持久走の強力な能力は、種としての人間の特徴です 。現生人類は、走るのが苦手な現生チンパンジーに似た共通の祖先から進化したという進化生物学の共通の立場を仮定すると、もしランニングが同時に運動能力を損なう関節損傷を引き起こしていたとしたら、人類は優れた走者になっていたであろうということは矛盾している。初期の人類はランニングによって OA を発症するほど長生きしなかった可能性がありますが、この理論は、高齢者は多くのマラソン大会で最も急速に成長する年齢層の 1 つであるという現代の観察と矛盾します。人間の膝は、チンパンジーと比較して関節表面積が拡大し、負荷が増加すると接触面積が増加し（応力が軽減され）関節面の形状が変化し、半月板などの構造が減少するため、ランニングによる関節負荷に耐えるのに適していると考えられます。このように、人間の膝の構造は一般的に (特にランナーに限らず)、長距離ランニングの負荷とストレスに安全に耐えるのに適しているようです。

したがって、集団としてのランナーには、運動習慣に関係なく、OA を発症しない個人の割合が不釣り合いに高い割合で存在することは除外できませんが、多くのランナーがランニングのせいで OA になりにくい可能性を追求するのは合理的と思われます。

走行時の関節荷重

生体力学における身体への負荷は、幅広い変数を使用して評価されます。構造力学において、荷重とは、具体的には、荷重を受けた構造内に応力と変形を引き起こす力です。この定義によれば、関節面間の反力 (すなわち、関節接触力) は、関節荷重を調べるための最も直接的な変数であり、関節荷重は、結果として生じる関節モーメント と関係が深い。
ランニング中に脛骨大腿軟骨にかかる実際の負荷は不明です。2件の研究で、器具付き膝関節置換術を受けた高齢者（62～83歳）の脛骨プラトーにかかる圧縮荷重をin vivoで測定し、1.4～1.7mの比較的遅い速度でジョギングした場合の平均ピークは体重（BW）の約4倍であることが報告されている。
より速い速度で走っている若い被験者のより大きな膝関節負荷は、歩行分析データとさまざまな筋骨格モデリングアプローチから推定されています。が同様の速度での研究間の範囲はかなり広いです（たとえば、 6〜14 BW）。

軟骨の疲労寿命に関する証拠のほとんどは、ピーク応力が独立変数であるin vitroテストから得られます。応力は荷重に比例するため、疲労寿命の評価に最も関連する変数はピーク荷重であると仮定したくなります。ただし、ピーク荷重が正確にわかっていて、ピーク応力の適切な代用値であるとしても、その荷重が何回適用されるかが分からなければ、疲労のリスクの推定は不完全です。ランニングにおける疲労寿命の完全な評価には、ランニングボリュームと特定のボリュームを完了するのに必要な負荷サイクル数を考慮した負荷関連の指標が必要であり、最近いくつかの研究に含まれています。
荷重の大きさと荷重サイクルの両方がわかっていても、荷重が応力の適切な代用となるのは、応力領域が一定であると想定できる場合に限られます。この仮定は、被験者間の研究デザインでは検証が明らかに困難であり、被験者内の研究デザインでも適切な仮定ではない可能性があります。膝の解剖学的構造では、関節負荷が大きくなると、関節の接触面積が増加する。このメカニズムによってもたらされる応力の軽減は、接触面積を減少させる大量の膝屈曲を特徴とするランニングメカニズムによって潜在的に損なわれる可能性があります 。しかし、主に液相と多孔質の粘弾性固相を含む二相組成により、軟骨の剛性は静的荷重下で最も低くなり、動的荷重の荷重速度が増加すると増加します。これにより、より大きなピークによって生じるひずみが減少すると考えられます。より速い実行速度で予想されるより大きな負荷率を伴う場合は、負荷を軽減します。したがって、ランニング時の最大の軟骨応力と歪みは、ピーク負荷や走行速度に関係なく、特に高くない可能性があります。これに関連して、たとえこの時間中にランニングの方が立っているよりも多くの圧縮負荷が蓄積されるとしても、人は 30 分間走るよりも 30 分間立っている方がより多くの総ひずみを蓄積する可能性があります 。静的荷重による比較的高い負担は、長時間の立位や膝立ちを伴う肉体的に厳しい職業では比較的高い膝OAのリスクに関与している可能性がありますが、これと比較して、負荷が動的で高い負荷がかかるランニングでは膝OAのリスクが比較的低いです。同様の仮説は、ピーク負荷や累積負荷がこれらのケース間で類似していたとしても、なぜ過剰な体重でウォーキングすると、健康な体重でランニングするよりも大きな軟骨の負担が蓄積するのか、あるいはなぜアスリートが関節に大きな負荷をかけるのになぜ負荷がかかるのかを説明するために立てられる可能性があります。ランナー（重量挙げ選手など）よりも静的圧迫を長時間行う人は、膝 OA のリスクが高いようです。これらの可能性は、屍体モデル、有限要素モデル、または筋骨格モデリングとイメージングの組み合わせを使用して調査できます。

ランニング条件の軟骨

ランニング中の比較的高いピーク負荷は、一般に OA やその他のそれほど深刻ではない傷害のリスクであると考えられています 。Seedhomは、生体内での軟骨の健康は、日常生活活動中に軟骨が頻繁に受ける最大のストレスによって調節されるという代替仮説を提案しました。ランニング時の関節負荷に対する耐性に関連するメカニズムは、十分な刺激、休息、栄養が与えられると、健康な状態にある生きている軟骨がランニングによる頻繁なストレスに耐えられるように調整されることです。
関節の健康における軟骨コンディショニングの役割は、ランニング、老化、OA に関する長期臨床試験の実施を困難にしているのと同じ実際的な制限を直接テストすることが困難です。ただし、軟骨コンディショニングの概念には、説得力のある間接的な裏付けがあります。

• 足関節は膝よりも局所的な関節ストレスが大きく、足関節 OA は膝 OA よりも一般的ではありません。

• 健康な膝軟骨は、関節の体重がかかる領域で厚くなる傾向があります 。

• 潤滑と衝撃吸収に影響を与える膝軟骨のグリコサミノグリカン含有量は、座りっぱなしの人よりもレクリエーション活動をする人の方が多く、レクリエーション活動をする人よりも運動量の多いランナーの方が多かった。

• ランニングトレーニングは、コラーゲンネットワークの安定性とOAの発生と進行のバイオマーカーである血清軟骨オリゴマータンパク質のウォーキングに対する反応を減少させた。

• 脚の骨折を患っている人の長期的な関節固定は、膝軟骨の品質に関する画像ベースの指標を低下させました。

後の 3 つの点は、ランナー (非常に活動的なグループ) と肥満の成人 (一般に活動性が低い) の間の膝 OA 罹患率の差異を考慮する場合に特に関連します。肥満の成人は、低体重の成人と比較して、歩行などの活動中に関節に大きな負荷をかけますが、負荷が頻繁に行われないため、軟骨のコンディショニングが不足し、これらの負荷に対する関節の感度が損なわれる可能性があります。これに関連して、多くの肥満成人は、短期間の高カロリー摂取と低い身体活動によって、年間体重増加のかなりの部分が生じます。この期間中に軟骨の状態が悪化する可能性があり、身体活動が再開されるとより大きな負荷にさらされることになります。

さまざまなレベルの軟骨コンディショニングに対するモデルの疲労寿命予測を示しており、コンディショニングされた軟骨が徐々に大きなストレスに耐えられる能力を示しています。このモデルは、ランナーはランニング中の関節ストレスによる表在性コラーゲン線維損傷の影響を基本的に受けておらず（C > 1には数十億回の負荷サイクルが必要）、歩行者は比較的適切な位置にある力学を使用して大量のランニングを行う場合、リスクは小さい可能性があると予測しています。膝にかかるストレスが大きく、座りっぱなしの人はリスクが高いということです。このモデルはまた、文献で見られる極端な量のランニングによる潜在的な不利益だけでなく、老化に伴う表面コラーゲン線維の損傷から保護するための頻繁なウォーキングと適度なランニングの利点も予測します。このモデルは、この目的のためにパラメータを調整しなくても、人間の寿命およびOA診断の一般的な年齢範囲に関連する年齢でこれらの予測を行っていることに注意してください。

まとめ

要約すると、この記事は、ランニング時の関節負荷が膝 OA を誘発しないことが多いという仮説に対して、2 つの潜在的な生体力学的メカニズムを示唆しました。
1) ランニング時の累積負荷とピーク関節応力は特に高くない、
2) ランニング状態の軟骨における関節負荷接合部を劣化させることなくこれらの応力に耐えることができます。
これら 2 つのメカニズムは必ずしも競合しているわけではありませんが、一方の主要な役割 (たとえば、ランニング時の関節応力が低い) が他方の重要性 (たとえば、ランニング状態の軟骨における関節応力)を減少させるように見えます。どちらも、極端な量のランニングによって効果がなくなる可能性があります。
膝OAの発症と進行の長期にわたる経過、病気の発症を定義することの難しさ、および関与する可能性のある多数の交絡因子を考慮すると、どちらのメカニズムを適切に制御された方法でテストすることは困難な見通しです。理想的な研究には、比較的経験の浅いランナーの大規模なグループを含める必要があり、生態学的に関連するさまざまなトレーニング プログラムを実行する様子を少なくとも 10 年間追跡し、座りがちな個人、歩行者、または同様の生理学的性質を持つ他の運動モードを使用している個人の可能性のある対照グループを含める必要があります。負荷はありますが、機械的負荷はそれほど高くありません (水泳、サイクリングなど)。このような作業に着手する前に、このレビューでは、そのような研究を計画する最適な方法を提供できる、よりアクセスしやすい関連トピックをいくつか提案しました。それは、歩行力学からの膝関節負荷のさまざまな特徴が組織力学からの軟骨ストレスにどのように関連しているかを判断し、どの程度かを判断することです。膝OAを発症するリスクが高い集団は、膝に異常な負荷（ただし、必ずしも大きな負荷ではない）をかけます。

新しい/異常な関節負荷の経験に関しては、軟骨の強度の多くを提供するコラーゲンの置換速度は、骨格の成熟に達するとヒトの脛骨軟骨では事実上停止するようです。この結果は、軟骨が若年期以降は不活性であることを意味するものではありません（関節の潤滑と衝撃吸収を提供するグリコサミノグリカンの置換率は高いままです）が、これは重要な公衆衛生上のメッセージを示唆しています：人生の早い段階で軟骨負荷が不足すると、制限が生じる可能性があります人生の後半で達成可能な軟骨の質のレベル。現在の累積ダメージモデルの有用な関連拡張は、職業または余暇に関する追加のストレスケースを含めることであろう。一般にスポーツへの参加は必ずしも膝OAのリスクを高めるわけではありませんが、サッカーなどの一部のスポーツへの参加歴はこのリスクを高めるようです。軟骨コンディショニングの枠組み内でこの現象について検証可能な仮説としては、サッカーでの負荷の反復性が低いため、ランニングでの反復性の高い負荷ほど効果的に軟骨を調整できない、または、剪断負荷がサッカーとランニングの方が大きい可能性がある、というものがある可能性があります。急激な横方向の動きや減速/加速の頻度​​が高いため、圧縮荷重よりもはるかに軟骨の疲労寿命が長くなります。