🎯结论与未来方向
尽管现有证据支持运动可以延缓、改变甚至部分逆转许多疾病和紊乱(图10),但一些知识空白和实际挑战限制了其作为正式处方或开发新型药物靶点的工具的实用性。首先,个体对运动的反应性差异(与药物干预类似)是一个潜在问题(1231)。 目前尚不完全清楚为什么个体对相同的运动方案反应不同,但大型分子水平队列研究,如MoTrPAC,可能会揭示对运动反应性有重要影响的关键因素。在研究这些潜在影响时,努力确保研究队列的包容性至关重要,包括种族/民族多样性、性别平衡、年龄,以及考虑可能引入数据变异的其他重要人口统计学特征(例如,社会经济地位、教育水平)。继续开发生物信息学平台 [,例如代理变量分析、svaSeq(775)] ,以识别数据中的混杂伪影,并将来自多个表型水平的‘组学’数据整合起来(532),可能有助于区分由生物关系或仅仅是个体异质性(即,噪声)引起的分子关联。
其次,人类行为对运动处方的制定构成重大挑战。尽管研究人员可以促进强有力的、监督性的运动干预,但坚持长期运动是一种生活方式的选择。横断面研究考察运动生活方式的益处,为运动的长期效果提供了见解,但这些研究往往主要关注有氧运动。该领域的关注揭示了一般人类衰老过程中哪些生理系统完全、部分和较差地受到运动保护(196、219、498、 499、757、1030、1193、1323)。对终身参与如抗阻训练等实践的研究可能会揭示不同的效果,并指导我们优化运动作为抗衰老策略。然而,并非所有个体都可能被更健康和/或更长寿的承诺说服去运动;因此,挑战在于鼓励个体发现一种可维持且本身令人愉悦的偏好运动方式,同时获得功能益处。与行为科学家的合作可能引导运动生物学家鼓励个体养成可持续的身体活动习惯(677、1141)。
第三,人类健康和疾病的格局正在不断变化。例如,在本文准备期间,新型冠状病毒(COVID‐19)大流行在美国和世界大部分地区蔓延(232, 1210),对身体的(925, 960)和 心理韧性(1315)都提出了挑战。虽然可能无法预测此类事件, 但强有力的证据表明,规律运动可以增强可能对保护人类健康和生命至关重要的生理储备。目前,规律运动对增强免疫系统的影响具有巨大的公共卫生相关性(183, 989, 1207)。这些效应的完整范围可能超出了我们对骨骼肌作为主要氨基酸库的现有理解(1080, 1365, 1438)。此外,运动对除身体之外的其他生理储备的保护作用(例如,认知、情绪(235, 988)) 可能很重要。虽然许多研究集中于运动身体益处的分子机制, 但将运动视为一种整体上有益的活动将有助于深入了解影响情绪、情感和生活质量的重要因素。将体育锻炼与正念练习相结 合的活动(例如,瑜伽、太极拳)可能特别引人注目。
尽管未来仍面临挑战,且其作用机制尚不完全清楚,运动是一种通过多种生理益处延长健康寿命的可行、经济且有效的策略。对运动适应的更完整的机制性了解可能使我们在针对不同人口统计学特征(例如,年龄、性别、种族、健康状况)和异质分子谱(例如,转录组学、表观遗传)时,能够更精确地制定运动处方。此外,它还可能使我们对体力活动建议的灵活性做出响应,以适应人口结构和公共卫生状况的变化。
在结尾,我们认识到运动研究领域的丰富历史。尽管(据我们所知)这篇文章将成为迄今为止最全面的关于运动分子适应的综述(表2), 我们认识到并非所有相关文献都已被涵盖,而这是一种固有的局限性。尽管该领域文献丰富,但关于运动有益健康效应背后的分子适应仍有许多未阐明之处,我们希望这篇文章能够阐明这些知识空白。毫无疑问,预期的MoTrPAC数据集将在这个领域提供重大机遇,包括评估健康个体运动的分子图谱、研究组学中的生物相互作用,以及为理解人类生物学的差异提供方向。即使有这种前景,许多问题仍然存在;因此,鼓励继续进行跨学科合作,以扩展我们对运动作为人类健康最终保护者的作用的理解。
🎯摘要
数个世纪以来,规律运动一直被公认为促进、维持和恢复人体几乎所有生理系统健康功能的强大刺激。随着人们对人体生理复杂性认识的提高,方法学可能性的不断发展,以及公共健康形势的日益严峻,运动作为一种预防或治疗手段的研究从未像现在这样具有更多的跨学科性,或更有影响力。在美国国立卫生研究院( NIH )身体活动分子转导者联盟( MoTrPAC )倡议的早期阶段,该领域的基础是对与运动相关的潜在益处机制的现有理解。因此,我们提出了一个全面的知识体系,详细介绍了目前围绕人类运动的分子适应的文献基础,以提供在这一关键时刻该领域的状态的观点,同时也为科学家将外部专业知识引入运动生理学领域提供了资源。 在回顾当前有关运动诱导的益处和适应的分子和细胞过程的文献时,我们还要注意现有的知识空白,并持续努力研究。
教学概要
主要教学要点
• 规律、结构化的运动有助于预防疾病,并为整体健康带来多种益处。
• 纵观其历史,运动的研究一直是一项跨学科的努力。
• 基础方法学考虑、分析技术和新兴进展持续促进合作、发现和进步。
• 运动诱导适应背后的关键机制是由身体各生理系统中的细胞和分子信号驱动的。
• 有氧运动和抗阻运动刺激不同的但重叠的适应性机制,从而改善健康、人类表现和系 统功能。在身体活动分子转导者联盟 (MoTrPAC) 作为重要基础设施的情况下,关键 的知识空白为未来的研究提供了机会。
🎯引言
迄今为止,规律的身体活动(导致能量消耗的身体运动)是改善和维持人类健康最有效的方法之一。身体活动影响多种生理系统并提高各种临床状况下的健康和相关生活质量。特别是,体育锻炼[身体活动的一个子集,是计划、结构化、重复的,并以改善健康或体能的意图进行的(301)] 显示出最大的益处; 这些通常以线性、剂量依赖的方式呈现(1396)。体育锻炼的健康益处广泛,影响多种生理系统,并影响包括(但不限于) 心血管疾病(CVD)、神经认知衰退、心理障碍、肌肉骨骼疾病、代谢综合征、2型糖尿病(T2D)、某些癌症形式和全因死亡率(968,1342)。因此,人们普遍认为,运动是改善整个寿命期间各种健康方面的有力干预措施。
尽管运动具有巨大的健康价值,但在充分利用运动作为个人治疗手段的潜力以及在社会层面上减少与医疗保健相关的成本方面仍然存在一些挑战。不幸的是,在美国和世界发达国家中,只有少数人符合运动参与的最低准则( 1056、1333)。更为重要的是,尽管越来越多的证据表明,在医疗决策( 657、776)中,缺乏活动和身体不适被认为是一个独特的风险因素,但相当一部分人甚至没有从他们的医疗保健提供者( 572、940 )获得基本的运动/体力活动建议。 考虑到这些问题,从运动临床试验到临床实践和社区计划的成功实施在很大程度上仍然是难以捉摸的。
除了专注于提高依从性/实施外,还有一个重要的机会来了解运动如何改善健康 (74)。虽然已知运动影响广泛的生理功能和病理生物风险,但关于驱动这些效应的细胞和分子机制仍有许多问题有待解决。一种能够完全模拟运动在生理健康和其他健康福祉领域广泛益处的药物不太可能存在 (248, 483, 536, 1397)。然而,由于运动对身体器官系统的多效作用,一 些研究人员已经将其提议为一种“复方药”来改善健康 ( 406, 1006, 1442)。如前所述 (74),对运动健康益处背后机制的理解增强,可能会根据影响运动适应程度(即“运动反应性”) 的个人特征来改进运动处方,优化运动作为治疗手段,以及开发或重新定位辅助药物,以在合并症存在时提高运动耐受性。
鉴于这些广阔的机会,美国国立卫生研究院(NIH)通过NIH主任共同基金最近资助了一项里程碑式的研究,即身体活动分子转导者联盟(MoTrPAC)(1146)。MoTrPAC的声 明目标是:"对人体中受运动影响的生物分子进行编目,将运动引起的分子变化的综合图谱汇集起来,并在可能的情况下,将这些变化与身体活动的益处联系起来。"该分子图谱将包含许多传递体力活动健康效应的分子信号,并表明它们是如何被年龄、性别、身体成分、健身水平和运动暴露改变的。该计划还旨在开发一个用户友好的数据库,任何研究人员都可以访问该数据库,以制定关于身体活动改善或保持健康的机制的假设,从而促进研究者发起研究,并催化身体活动研究领域( 1146 )。 MoTrPAC研究有望产生大量与人体多种组织对运动生理反应的基本分子生物学相关的新数据。尽管如此,这一努力仍在进行中;因此,这项研究的有意义的成果还有很多年的时间。因此,本文的目的是汇集关于人类运动的生物反应和适应的当前知识状况的纲要,为该领域的新进者提供全面的背景资源,并概述在未来几十年内推进该领域的潜在机会。
🎯该领域的简要历史
运动作为古老的医学
运动生理学的历史与人类医学的历史重叠相当多。在一篇关于古代文明对美国运动医学学会正在进行的“运动即医学”倡议 (1312)的贡献的最近评论中,查尔斯·蒂普顿(运动生理学领域的公认领导者)指出,许多早期文明中的医生都会开运动处方,认为运动可以促进健康和预防疾病。这种信念被认为可以追溯到近公元前3000年。证据表明,在这个时期的中国 (1312)经常被开“医疗体操”呼吸练习。在大约7th 世纪公元前,古代印度医生苏鲁塔宣称,运动“应该每天进行”,取决于个人的健康和状态(1313)。有趣的是,即使在这些早期, 人们也警告不要过度运动,以免疲劳甚至死亡(1312)。尽管如此,身体运动被提倡为预防疾病和促进健康老龄化的证据跨越了地域和民族,这表明了人类基本的“运动驱动力”。因此, 当后来的哲学家们以著名的方式指出,当这种驱动力被抵制或忽视时,疾病就会随之而来时,这并不令人惊讶。
历史学家似乎都认为,古希腊和罗马文明对这一领域的建立做出了最显著的贡献。赫罗迪库斯(约公元前500年)常被称为“运动医学之父”,因为他将身体机能(例如,希腊体育馆)与药物相结合的方法(116, 455)。希波克拉底(公元前 460‐370年),作为赫罗迪库斯的有争议的学生,继续了这一做法,并因其编撰了详细的运动处方以帮助患病患者而闻名。最终,盖伦(公元130‐210年),一位生活在罗马帝国的希腊医生,借鉴了前辈的教诲,并通过将运动纳入多种疾病的处方中,对世界文化产生了深远的影响(116)。他描述了“自然物”(健康的身体过程)、“非自然物”(如活动和饮食等外部刺激,带来平静和健康)以及“反自然物”,这些会破坏它们。盖伦还将运动与一般活动区分开来,认为运动具有剧烈的 性质,需要明显的用力,这是一个重要的区别,这与描述和规定运动与一般身体活动指南的关键区别有关。盖伦的影响被认为至少持续了14个世纪( 1312 )。
文艺复兴
文艺复兴时期的医学进步极大地增进了人们对人类健康的认识。1543年,维萨里出版了第一本人体解剖学著作《人体法典》。这篇文章连同追随Galen的主张,进行解剖与观察,并推翻了Galen本人的解剖学(未实际进行人体解剖)的其他贡献一起,被认为彻底改变了医学界对心血管、神经和肌肉骨骼解剖学( 152、887、936)的理解。他独特的解剖、比较解剖学和教育学方法( 1196 )使他获得了"现代解剖学之父"的称号,被认为在外科实践中具有举足轻重的地位( 1349 )。此后不久,桑托里奥( 1561 - 1636 ),他的名字经常被写成这个主题的变体,研究人体新陈代谢的基本知识( 364 )。 他著名地构建了一个生命大小的平衡,并通过日常生活带来的扰动来跟踪他的体质量变化( 291 )。通过这部著作,桑托里奥为代谢学、营养学和营养学的研究奠定了基础,并通过他对出汗的记录( 291 )进一步为运动生理学做出了贡献。科学革命时期,威廉·哈维( William Harvey )在1628年的《心血运动论》( 1009、1170 )和列文虎克发明的显微镜上发表了关于人体循环系统力学的见解,允许观察精细的微观结构[与运动最相关的是鲸类骨骼肌纤维的肌膜和横纹( 1087 )];于是,新的知识开始推进盖伦和古代世界的教导。
该领域的巨大贡献来自法国人拉瓦锡( 1743 - 1794 ),被公认为"近代化学与燃烧之父"。拉瓦锡与他的同时代人普里斯特利和威廉·谢勒· ( 1182、1183 )一起,部分地归功于氧元素的发现,他称之为"氧化素"。他还在1784年设计了第一台合适的量热计,并在接下来的十年中很好地利用了这台量热计,这被认为是第一个真正的运动生理学实验( 672 )。跟踪氧的消耗,拉瓦锡显示,当受试者持续按压脚踏板( 1416 )时,静息呼吸中的(多了三倍)有相当大的增加。据说他的妻子观察,绘制了草图(图1),并记录了所有实验,帮助拉瓦锡成为一位创新的科学家(1416)。不幸的是,由于他的研究违反了 (更不用说推翻了)当时盛行的燃素说(基于有毒气体被排出而不是吸入给生命的氧气的概念),在法国大革命于1794年肆虐时,拉瓦锡被处决。
发现黄金的时代
在最新获得的知识推动下,19世纪的研究人员继续沿着建立运动生理学作为独立学科的道路前进,当时它被称为体育教育、 卫生或身体锻炼。生理学家克洛德·贝尔纳(1813–1878)引领了这一进程,他关于消化、新陈代谢、循环和神经系统的发现孕育了“内环境”(lemilieu intérieur)的概念,即所有身体系统都力求维持的内部环境,尽管外部环境不断波动( 269)。这一概念最终发展成为稳态的概念,现在已成为运动生理学的核心原则。贝尔纳特别关注神经系统作为内部环境的中心调节器。
同时,随着阿道夫·菲克( Adolph Fick )将物理学原理应用于心脏动力学,人们对心血管系统的工作原理有了进一步的认识,从而对气体交换有了更深入的了解,并最终实现了对心输出量的测量( 1186 )。Fick的观察表明,如果已知血液中某种物质的量和浓度,就可以计算出血液的体积( 1346 ),这恰好适用于运动生理学中的一个连接摄氧量与心输出量和动静脉氧差乘积的方程,即=耗氧量( Vo2 ) =心输出量( Q ) ÷动静脉氧差( a-vo2 )。化学家威尔伯·O·阿特沃特和物理学家爱德华·B·罗莎对能量消耗的研究进一步加深了人们的认识。
在他的职业生涯中,阿特沃特( 1844 - 1907 )进行了数以百计的与代谢有关的研究(有的在休息时间,有的在骑车运动时),著名的是连续几天运行一个量热仪,实验室工作人员通过测试对象的角色轮换。阿特沃特在燃烧方面的工作有助于确定宏量营养素的热值,对运动代谢和运动营养具有明确的意义( 193 )。这一系列的突破凸显了运动作为一项涉及多个身体系统的活动的整合性本质。因此,即使在今天,我们仍然不足为奇地确定身体组织之间的交叉对话机制以应答运动。
20世纪初的工作生理学
世纪之交带来了对人类表现和适应性的兴趣时代,在此期间,几位著名的研究人员脱颖而出。例如,约翰·斯科特·霍尔丹( 1860–1936)研究了挑战呼吸生理学极限的条件(如海拔、深潜、下水道和矿井的空气成分)(1417)。霍尔丹最可能因开发了一种量化气体交换的装置而闻名(513)。几十年后,该装置由佩尔·斯科兰德(1164)和其他人(1187)进行了优化, 提供了更高效的测量、更大的便携性和整体上提高的代谢过程评估准确性。
在此期间,斯堪的纳维亚地区取得了重大进展,由奥古斯特·克罗格(1874–1949)领导,他有时被认为是运动生理学的奠基人(61)。克罗格在德国接受了动物学和物理学的训练, 他将这些知识融入了人体生理学研究,这使他能够以独特的视角看待现有的和新兴的科学问题。这,结合他在“视觉思维” (1093)方面的技能,使他能够设计和建造创新的工具来促进研究,包括一个微音器(806)、一个磁制动自行车测功计, 以及一个精确到足以检测体重变化约2克的平衡器(1093)。 在训练期间和后来的职业生涯中,克罗格与他的妻子玛丽在呼吸和氧气动力学(605,1163)的研究中密切合作。他们共同发表了一系列题为“七个小魔鬼”的论文,之所以这样命名, 是因为他们驳斥了克罗格导师克里斯蒂安·玻尔提出的主动气体交换机制(464)。具体来说,克罗格夫妇证明了简单扩散是气体交换的原因,这是通过优化肺泡空气和动脉血中氧分压的测量实现的。玛丽进一步阐述了该系统在高需求时期(例如, 肌肉工作和/或低氧供应)的可塑性,以在1914年获得博士学位(1163),而奥古斯特则继续研究氧气输送的力学,并在优雅地证明肌肉毛细血管根据组织需求开闭,即毛细血管募集 (1093)后,在1920年代获得了诺贝尔生理学或医学奖。克罗格本人培养了许多杰出人物,他们塑造了运动生理学的未来, 其中包括他戏称的“三个火枪手”(1214)的三位积极分子, 他们是埃里克·霍夫维·克里斯滕森、马利厄斯·尼尔森和埃尔林· 阿斯穆森。克罗格的深远影响导致了1970年在哥本哈根大学以他的名字命名的研究所(1214)。
作为一门学科的运动生理学尚未形成,但《身体运动的生理学》和《肌肉工作的生理学》等教科书已经开始出版,并在后续版本中多次修订。在此期间,一位值得注意的贡献者是阿奇博尔德·维维安(A.V.)希尔(1886–1977),他是运动生理学领域所谓的“巨人”(94)。希尔专攻骨骼肌热力学、力学和新陈代谢,为理解各种生化能量系统奠定了基础,并启动了“肌肉生理学革命”(565)。希尔与生物化学家奥托·迈耶霍夫在肌肉热产生方面的合作在1922年获得了诺贝尔奖(94)。 希尔还因最大氧消耗(Vo2max)的概念而闻名,即在增加负荷的情况下,摄氧量达到平台(95)。这种测量不仅与耐力表现有很强的相关性,而且是最强大的独立预测虚弱和死亡率的指标(954),进一步将运动能力与人类健康联系起来。
Hill的传记作者们一直评论他的轻松性格和享受工作的方法。他以大胆的假设(731)而闻名,甚至对领域提出了“挑战”(567),欣赏科学假设是为了被证伪以带来突破(94)。 当被问及为什么他费心研究运动员、运动和肌肉时,Hill自己承认这项工作“有趣的”(94)。追求他的乐趣,Hill启动了应用运动生理学领域。在这个领域,Hill喜欢研究运动员,因为他认为他们是人类表现极限的典范,并且可以一致地重复他们的表现。他的假设是,由于运动生理学的整合性、复杂性和趣味性,它可能会从其他学科吸引聪明的大脑(94,409), 随着该领域进入跨学科团队科学时代,这一假设一次又一次得到了证明。
对运动员的研究进一步扩展于传奇的哈佛疲劳实验室( HFL),该实验室旨在建立对工业工人和士兵所承受的生理应激的基本理解(409)。在哈佛商学院地下室长达二十年的任期内,HFL团队产生了300多项科学出版物(650,1314), 包括题为“血液作为一个物理化学系统”和“肌肉活动研究” 的系列。HFL由劳伦斯·J·亨德森于1927年创立,并由大卫·布鲁斯·迪尔担任研究主任。最初组建是为了阐明工业工人疲劳的机制,HFL团队很快意识到,没有哪个群体比运动员更能体现疲劳暴露和韧性(1157)。他们利用了他们的地理位置,研究波士顿马拉松运动员的血气成分和血流动力学,例如七次冠军克莱伦斯·德马。
随着美国文化的变化和第二次世界大战的临近,HFL的重点从工业转向军事生理学,需要检验各种环境挑战。设施使研究团队能够通过模拟高海拔和极端寒冷和高温的舱室来复制这些挑战(409),并通过实地研究项目(如沙漠行走、高海拔暴露和北极模拟)进行补充。HFL研究人员建立了让自己参与许多实验的先例(事实上,相对较小的努力就可以辨别HFL工作人员中哪些作为受试者参与,因为许多出版物在数据表中包含了单个受试者的首字母)。这种做法的优点有几个(其中包括方便获取和证明方案的可行性/公平性),但最重要的是, 这种做法允许HFL创建一个一致且强大的数据库,用于重复测量和跨条件比较的内部验证(650)。
1947年解散后,HFL将其工作人员推向了美国的领导职位,他们继续作为富有成效的研究人员和导师。有人估计,大多数美国运动生理学实验室都可以“追溯到疲劳实验室的两三代学术代”(650)。恰当地说,HFL的声誉备受推崇,其科学实力得到了跑步机实验狗(650)和臭名昭著的40‐40‐40俱乐部的传说加持,该俱乐部只对那些能够忍受−40 ∘摄氏度、40000英尺和12小时内行走40英里的极端挑战的人开放(107, 650)。
现代时代
20世纪50年代带来了沃森和克里克对DNA化学结构的发现、 美国运动医学学会的成立,以及罗杰·班尼斯特创纪录地以不到四分钟的成绩跑完一英里。该领域准备利用这三种优势,随着对人类健康和表现兴趣的重新燃起,以及向持续发展的分子革命的科学方向,领域发展势头强劲。骨骼肌尤其开始受到显著关注(516)。休·E·赫胥黎(Hugh E. Huxley)于1954年发表的肌丝滑行理论( 616)为骨骼肌中肌动蛋白和肌球蛋白收缩元件的工作机制提供了机械性视角(1408)。不久之后,约翰内斯·伯格斯特罗姆(Johannes Bergström)将肌肉活检技术引入从活体个体中提取肌肉组织(112), 从而为该领域在运动适应机制的基础奠定了基础。这项贡献使我们的理解超越了血液等更易获取的组织,并且随着时间的推移,随着对骨骼肌在新陈代谢和信号传导中各种作用的认识不断增长,这一理解得到了优化(279,378)和丰富。
肌肉生物学研究的先驱之一是本特·萨尔丁(Bengt Saltin)(1935–2014), 他是奥古斯特·克罗格麾下火枪手埃里克·霍夫维‐克里斯滕森( 1156)的弟子,在其职业生涯中,萨尔丁在心血管和骨骼肌系统的背景下,研究了人类表现、训练适应以及卸载失调。他对这些现象背后的机制(包括但不限于骨骼肌纤维类型组成和选择性使用能量途径)表现出浓厚兴趣,其中许多机制至今仍对研究具有重要意义(658)。萨尔丁曾担任哥本哈根肌肉研究中心(CMRC) 的负责人,该中心由丹麦领导力国际合作的资金支持成立,旨在理解骨骼肌生理学的机制。由于丹麦的资助限制,该中心并未持续超过十年(1994–2004),但它对领域产生了深远影响。 在其鼎盛时期以及随后的几年里,运动生理学与药物学研究真 正融合(660),实现了早期历史学家和医生如苏鲁塔和希波克拉底的理想。例如,由Bente Pedersen领导的一组 CMRC校友在发现肌肉来源的IL‐6在收缩活动期间上调并分泌, 且与其他组织有显著相互作用以影响葡萄糖代谢(1020)后, 创造了“肌细胞因子”这一术语。
来自美国的几位访问学者与CMRC合作,包括大卫·科斯蒂尔和菲尔·戈尔尼克(78, 1156)。科斯蒂尔因在美国推广伯格斯特罗姆肌肉活检技术而闻名,将其应用于有氧运动期间代谢的研究(280)。他的科学出版物伴随的科普文章使表现与健康相关的研究对非学者群体变得可及,并帮助推动了20世纪70年代初的美国跑步热潮。戈尔尼克采用基础科学方法研究运动的机制,通过动物模型(48)补充了人类研究(471)。约翰·霍洛兹对运动与衰老的贡献提供了对训练和去训练中涉及的代谢通路的基本理解(509),从而更全面地理解了支持运动的碳水化合物生物能量学(583)。这些研究人员主导了20世纪美国的运动生理学,当前的研究格局仍在他们的直接学术后代的影响下形成。
对骨骼肌运动生物学的理解加深的一个主要推动力是人类受试者研究中肌肉活检采样技术的更广泛使用。肌肉适应的关键分子机制,通常首先在临床前研究中揭示,已被证明对指导这一方向的人类研究具有重要价值。值得注意的是,弗兰克· 布斯及其同事在一个大鼠模型中研究了制动对肌肉收缩蛋白平衡的影响,突出了肌动蛋白转录和翻译之间复杂的关系( 1401)。这项工作在布斯领导的一系列丰产研究中奠定了基础 (928,1304),为更好地理解在加载和卸载期间肌动蛋白和细胞色素C等肌肉蛋白合成的分子调控奠定了基础。其他人如威廉姆斯及其同事(1432)在此基础上进行了研究,调查了肌肉线粒体蛋白的转录动力学。
这些发现最终促成了“瞬时mRNA假说”,该假说认为蛋白质数量的长期变化是短期运动诱导的编码信使RNA增加的结果(833,986)。自Neufer和Dohm(970)产生的早期证据以来,随后的动物和人类研究都支持这一观点(358, 732,1033,1049),形成了对急性反应如何导致慢性运动训练产生稳定适应的基本理解。虽然这些研究为未来研究抗阻训 练特有的肌肉大小和力量适应奠定了重要基础(730),但肌肉基因转录和翻译的动力学影响着所有依赖新蛋白质产生的运动结果的适应性,包括对有氧运动训练的关键适应。例如,编码与线粒体生物发生(1033)、脂蛋白脂肪酶(1176)和其他代谢通路(564)相关的基因的瞬时表达增加是骨骼肌中的关键分子事件,可能构成对长期有氧运动适应的基础。
人类基因组计划和MoTrPAC
在世纪之交,政府和企业主导的努力(1219,1380)为测序完整人类基因组而进行的斗争,产生了大量可用于指导未来假设的公共数据。从我们20年的视角来看,这一重大事件已成为分子生物学研究的一个拐点,随后导致了基于转录组学、 蛋白质组学和表观遗传学的知识爆炸,这一趋势至今仍在稳步发展。这些所谓的‘组学数据集’在运动和身体活动中的应用是由克劳德·布什阿德等领导者率先推动的。如今,我们继续应用分子图谱和数据建模来理解体能(143)、对运动训练的反应(1308)或进行身体活动的遗传倾向(802)。
尽管从运动研究中收集的分子数据集的规模不断增长,但开展针对开发基于运动的疾病治疗方法的临床试验的能力仍然受到限制,因为基于适当规模人体试验数据对其作用机制的有限了解。为了突出这一关键信息差距,该领域的顶尖研究人员合作,由达雷尔·纽弗(Dr. Darrell Neufer)博士领导,共同总结了当前的知识以及运动试验发现可行动靶点的潜力,以促进人类健康(969)。 也许受此激励,弗朗西斯·柯林斯(Dr. Francis Collins)博士,现任NIH主任和人类基因组计划的关键科学家,利用NIH邀请运动社区聚会作为一个平台来满足这一需求。在柯林斯(Dr. Collins)博士的领导下,NIH最终将共同基金资源投向MoTrPAC计划。显然,这位科学巨匠的支持水平突出了开发这一科学探究领域的必要性,以及它对公共健康的潜在影响。正在进行的MoTrPAC和全球运动组学计划 (1055)等计划将加强运动背景下的可用知识库,推动健康人群知识的持续扩展,并提供一个参考地图,以便更有机制地描述运动训练对慢性病的影响。
章节摘要
运动生理学继续渗透到人类健康的新途径中,这符合我们对无限大(例如,太空前沿)和无限小(例如,甲基化或乙酰化调节基因表达)的复杂事物充满好奇的倾向。除了新兴的‘组学平台’(用于调查运动的转导器),该领域还通过研究不同的生理应激因素(如卧床休息或太空飞行中的卸载、衰老、慢性疾病)以及不断挑战人类性能极限的持续动力(589)而焕发活力。在人类历史上,运动始终被视为药物,我们继续理解其作用机制、优化其处方并应用其力量。在这个领域的轨迹拐点, 我们承认我们所站立的历史人物,并回顾他们在我们之前的积累的知识。
🎯运动研究中的重要考虑因素
为了为理解运动分子适应提供足够的背景,我们首先简要概述进行和解释运动研究的关键注意事项。虽然这些可能是该领域常见理解,但我们打算包含这些信息,无论读者对运动研究的这些原则是否熟悉。通过这一目标,本文可以指导其他领域的新颖和有才华的调查者继续发展与人类运动相关的知识广度。
运动和体力活动
而体力活动(PA)传统上被定义为身体运动的能量消耗 (208),而运动是身体活动的一个子类别,它是计划性的、 结构化的、重复性的、有目的性的(208),并且通常与一个目标或期望的结果配对。最常见的是,运动被分为有氧运动 (AE)和抗阻运动(RE)。有氧运动通常涉及重复的运动周期(例如,跑步、游泳、骑自行车),并且基于氧化磷酸化对生物能量代谢的巨大贡献来定义。抗阻运动之所以如此命名,是因为运动是针对负载进行的,从体重到外部带重量的设备不等(例如,杠铃、哑铃、弹性带)。虽然有氧运动和抗阻运动的主要结果分别涉及心肺健康和肌肉质量/力量,但每种模式都因各自施加的独特挑战而对多种生理系统具有众多益处。虽然以表现为中心的个人通常会采用专门优化其目标的训练计划( 259),但有氧运动和抗阻运动的联合训练为最大化整体健康提供了一系列益处,即在整个衰老过程中降低发病率和死亡率风险(699)。因此,大多数主要公共卫生组织和政府强调有氧运动和抗阻运动的联合训练。例如,美国疾病控制与预防中心/美国运动医学学会(ACSM)建议每周进行150分钟的中等强度有氧运动或75分钟的高强度有氧运动,并结合每周2天的抗阻运动。然而,令人沮丧的是,实际上不到5%的美国成年人达到这些标准(1048,1333)。
规律运动促进维持或增强心肺功能(CRF),这是成年人健康和死亡率的一个强预测因素(954)。CRF通过最大或峰值摄氧量(Vo2max或Vo2peak)进行测量,并以速率表示 (mLO2/kg/min或升O2/min)。简而言之,Vo2max是指 A.V.希尔引入的概念,它反映了氧气摄取的真正生理上限,这可能因个体而异。Vo2peak是指在实验参数(例如,运动方式、 测试方案)下测得的最高摄氧速率(495,1060)。在确定 CRF时,最重要的因素是参与者努力程度,这可以根据经典标准(356)进行评估,包括氧气摄取速率随负荷增加而出现真正的平台期、最大心率(HR)高于年龄预测目标、呼吸交换率 >1.1、血乳酸 >8mmol/liter和最大自觉运动强度。值得注意的是,这些测试终止标准的适当阈值仍在持续考虑中。据报道,经过短短两周的训练,Vo2max可提高4%至13%(55, 539,633,1217,1424)。值得注意的是,高水平运动员的 Vo2max值可能比未经训练的对照组高40%至50%(639, 1206)。即使在高龄(196,499,1323)时,持续运动的益处更为明显,因为Vo2max在久坐成年人中随年龄相关下降 (197,1282,1283)。然而,Vo2max不会随着持续训练无限增加,因为有些人发现Vo2max的适应性部分受到遗传限制 (136,137,1308)。
加速度测量
在加速度计技术发展之前许多年,在实验室外客观评估体力活动在自由生活环境下的情况一直是对该领域的一项挑战。加速度测量以相对无偏倚和可重复的方式帮助描述和量化体力活动 (PA),包括其类型(例如,休闲时间、职业性)、强度 (例如,轻度、中等、高)、持续时间、频率和时间。加速度计易于使用(对研究人员和参与者而言),并且对于检测变化具有高灵敏度(911)。尽管有这些优点,但文献中加速度测量数据并未始终如一地呈现。Montoye及其同事建议报告12个关键要素以进行完整的身体活动评估( PAassessment)(910):加速度计品牌、型号和身体放置位置、佩戴天数、分发数量和分发方式、有效性考虑因素(如声明有效性所需的最小天数和每天最小值)、确定加速度计未佩戴的标准,以及确定不合规,以及数据指标(如数据历元长度)和从原始数据中得出的感兴趣结果。鼓励研究人员努力实现数据报告的完整性,包括所选设备的具体限制可 能如何影响研究结果。
运动剂量
多个变量影响运动刺激的总量,或剂量。强度、持续时间和频率等因素相互作用,决定运动的总体应激,导致分子转导器在生理系统中产生差异激活。长期暴露于特定运动剂量有助于长期适应。
强度
强度是运动所需的工作或功率的指标,因此更高强度将要求更高的能量消耗。在有氧运动中,强度可以根据负荷相对于最大值的比例来定义,这通常以一次重复最大值(或 1RM,表1) 来衡量。强度决定了骨骼肌细胞(肌纤维)的负担。在人类中, 肌纤维亚型是根据收缩蛋白肌球蛋白的主要异构体来定义的, 包括 I 型(最小、慢、氧化型)、IIa 型(较大、快、更糖酵解型)和 IIx 型(最快、最易疲劳型)(1159)。这些纤维类型由特定类型的运动神经元支配,其中运动神经元及其支配的所有肌纤维组成一个运动单位。基于运动单位大小(一个称为 “大小原则”的概念)的运动单位顺序放电是在1960 年由埃尔伍德·亨尼曼(554)提出的。这使得肌肉收缩能够逐渐增加, 其中具有最低激活阈值的最小(I型)运动单位通常在较大的、 更强大的(II型)运动单位之前被激活。由于这种关系,组织水平的适应通常是特定于肌肉在负荷或张力下的收缩强度/需求,该收缩强度/需求定义了募集到最大(也就是说,所有的运动单位都被激活)的运动单元的比例。
对于有氧运动(AE),使用心率(HR)作为强度的参考点,假设对心血管系统的需求反映了整体的生理应激。该指标可以方便、快捷地收集,便于运动处方和分期。除了代表相对于最大心率的强度( HRmax ),强度通常表示为心率储备( HRR计算为HRmax - HRresting)的百分比,它是心血管储备( 1275、1276)的稳健反映。为了定义目标运动HR,在HRresting中加入给定的HRR百分比。常见的基于强度的训练方案包括中等强度持续训练和间歇训练[ e.g . 高强度间歇训练( HIIT )或冲刺间歇训练]通常包括短时间的高强度工作和较长时间的低至中等强度的恢复。生理情况下,中等强度和HIIT均能引起中枢(即,心血管系统)和外周获益,两种方案均能导致Vo2max ( 550、931 )相似的改善。
强度是整个运动过程中能量利用的主要决定因素(1115)。 而碳水化合物储存(如肌肉糖原)在高强度活动中优先被使用, 低或中等强度运动则允许有足够的时间利用脂肪,由于它们的高碳键组成,脂肪的能量更丰富。Romijn及其同事进行的一 项优雅的研究,采用稳定同位素输注设计,证明了男性( 1115)和女性(1116)在不同运动强度下对总能量消耗的不同贡献。有趣的是,在所有强度下,来自血浆来源的绝对能量是相同的,而骨骼肌成分(糖原和肌内甘油三酯)则根据强度变化。这些和其他研究(123,278)突出了骨骼肌糖原对维持运动强度的重要性。或者,通过外源性增加碳水化合物( 283)可以补充在高强度长时间活动中下降的肌肉糖原储备。
持续时间
持续时间是运动期间和运动后能量利用的另一个主要决定因素。 单次运动的时间长度(即持续时间)可以从几秒钟(例如, 100米冲刺)到 ≥24小时(例如,超耐力跑步)。当强度保持不变(即“稳态”运动)时,长时间的持续时间会促进向脂肪酸利用的转变。通过调整强度和持续时间,可以控制总运动工作量,从而影响由训练计划强制执行的机械和代谢适应。例如,在65%的Vo2max的2小时自行车运动结束时, >60%的总能量消耗来自脂肪来源(1115)。 因此,通常在中等强度的抗阻训练(238)中看到脂肪酸循环和脂肪氧化酶的适应
频率
在(抗阻训练)RE中,频率通常被描述为在最短训练周期内每个身体部位或每周的训练次数。最近的两项系统评价和荟萃分析描述了RE频率对肌肉力量( 497 )和肥大( 1169 )等结果的影响。简而言之,总体训练量是差异反应( 187、1169、1303)的主要驱动因素:积累该训练量的会话频率可能更不重要( 985 )。相反,当运动量不匹配时,频率的增加增加了总体的运动剂量,导致RE ( 1168 )的改善更大。运动频率的一个重要考虑因素是恢复时间(即. 根据运动的肌群( 497、1246 ),生物学特性[ e. g . ,性别( 610、612) ,年龄( 387 )],以及生活方式因素(如睡眠和饮食模式),可能会有所不同。
总的来说,抗阻训练频率的模式与有氧运动相似,即适应 (196,489)和健康益处(361)取决于总剂量而不是训练次数的频率。重要的是,这种剂量反应关系在非常高时减弱:因此,一些证据支持每周2到3次的理想范围(1166)。虽然关于更高的终生抗阻训练负荷是否实际上会导致负面健康结果 (如心血管事件 [在(362)] 中回顾的)和死亡率(1166) 存在一些争论,但这些发现可能受运动强度和离心负荷成分等因素的影响。在表现方面,抗阻训练频率和/或持续时间可能会通过“减量期”的过程(1215)进行调整以在比赛中达到峰值。减量期通常设计为保持总强度,同时将剂量减少约25%到50%(824)。在年轻健康的男性中,减量会导致IIa型肌纤维大小和力量增加,以及表现显著改善(824,947,1319)。
生物性别的影响
生物学性别,即由特定性染色体组成或性激素特征定义的生理属性,在运动适应与急性反应中具有重要作用。当前大量研究集中于男性群体(1051),这一现象既源于运动实验室男性受试者的可获得性,也因科研人员对月经周期激素波动可能带来的实验复杂性存在顾虑(275, 655, 848, 1095, 1270, 1428)。尽管性别内与性别间差异确实存在且具有生物学意义,学界共识认为必须持续开展两性研究,才能准确表征这些差异及其对运动表现、健康与疾病的潜在影响。可行的实践方案是招募两性受试者并进行独立的下游统计学分析,但关键仍需解析所发现的差异以深化对性别特异性生理机制的理解。
在运动科学领域,研究已揭示两性在多个生理特性维度存在显著差异(图2),主要包括骨骼肌(611, 612, 1105, 1113, 1413, 1455)、心血管(8, 326, 499, 667, 854, 1419)、内分泌(218, 491, 713, 1105, 1242, 1415)及代谢(202, 328, 1287, 1288)表型。值得注意的是,虽然调控机制可能存在差异(2, 507),但多数运动训练产生的关键适应性结果在两性间表现相似(4, 103, 593, 612, 849, 1220, 1415, 1464)。尽管取得这些重要发现,运动反应的性别特异性研究领域仍缺乏系统性界定,显然是未来需要重点探索的方向。
章节摘要
运动科学领域的最新进展揭示,诸多可控因素显著影响着运动训练适应的程度、方向及靶系统/组织。研究中有必要审慎考量这些变量的影响,并将注意力转向现存知识空白——尤其当运动处方研究迈向个体化策略时,纠正全男性研究与性别平衡研究间的失衡至关重要。此外,随着遗传学和全基因组关联研究(GWAS)的新证据涌现,种族/族裔的潜在影响亟需获得更多关注。这些因素应被视为重要的科学发现机遇。例如,正在进行的"身体活动分子转导联盟"(MoTrPAC)等项目,将通过整合人类运动生物学多样性,构建涵盖急性反应与长期适应的全维度分子图谱,为精准运动医学提供基础框架。
🎯运动作为药物的现有证据
越来越多的证据有力地支持运动对整个寿命周期(从子宫到晚 年)(图3)具有多重长期益处。运动能改善整体健康和体能、 心理健康、社会交往等,通过多种机制提升生活质量的所有维度,同时降低慢性病风险和死亡率(1034,1144)。然而, 尽管有压倒性的证据表明运动对保持健康至关重要,但大多数成年人仍然不活动(1400),这一令人不安的统计数据估计全球损失了538亿美元。令人担忧的是,不活动的患病率在老年人、女性、许多种族和少数族裔群体以及患有潜在慢性病的人群中更高(335,1400)。无论年龄、性别、种族、民族或体能水平如何,习惯性运动和积极的生活方式都是维持身体独立、健康和幸福感(1034,1048)的基石。此外,运动已显示出作为预防和/或康复策略的显著效果,通 过改善多种身体系统的功能,对广泛的疾病产生积极影响。
一般健康维护
妊娠和早期生命
在没有产科或医疗禁忌证的情况下,孕期运动被认为是安全的( 303 ~ 305、346、858、1027、1070、1143),并推荐其在产妇和新生儿结局中的广泛益处( 1027、1144)。运动降低了子痫前期、妊娠期高血压、妊娠期糖尿病( 164、305 )等妊娠并发症的发生风险。持续的母体心肺耐力和孕期体重管理可以预防产后CVD、T2D ( 106、506、524、717、1027)和肥胖的风险( 1028 )。除了控制母亲孕期体重( 1301 )和相关风险( 82、304、859 )外,孕期运动降低了婴儿高孕期体重(巨大儿)的可能性( 1388 ),这一结果与( 242、1388 )一生中许多健康缺陷有关。关于运动对剖宫产、产程时间和高出生体重儿分娩( 164、858 )的益处的证据仍然不足。 然而,母亲孕期运动的新生儿出生体重在正常范围内,并且在Apgar量表[ ( 306、858、1071、1143)新生儿反应度的测量]上的得分高于久坐的母亲。此外,运动可能会降低产后抑郁( 303、1070)的风险,这种常见的精神障碍影响约10 %至15 %的妇女在怀孕期间/后( 101、167)。
儿童期和青春期
多项研究表明,运动改善了儿童青少年( 102、245、381、488、769、770、952、1436)的心肺适能、肌肉量和力量。运动是一种有效的体重管理策略( 698、771、772、1202、1347),是应对近年来儿童肥胖患病率急剧增加的潜在对策( 740 )。值得关注的是,肥胖儿童成为肥胖成年人( 740、1151)和过早死亡的风险增加了一倍( 765 )。然而,运动可以独立于减肥( 6、310、771、772)而降低肥胖的代谢负担。 此外,规律的运动可以减轻儿童哮喘相关的肺功能损害的严重程度,这是一种限制最大肺功能和运动耐量( 797、800、823、898、1036、1395)的常见疾病。
在儿童和青少年中,HIIT是一种时间有效的干预方式,可以产生( 189、268、353、1083、1121、1418)的心血管健康效应。此外,AE + RE (正如许多有组织的运动所鼓励的那样)中的联合训练在儿童和青少年中可能具有协同作用,提高力量、力量、CRF和运动表现( 445 )。只要设计得当,RE对儿童和青少年( 102、488、952)期间的骨骼质量和骨骼发育有积极影响,此外还可以增加肌肉力量、功率、耐力和神经肌肉控制。( 777 )。进一步的证据表明,RE训练可能降低青少年( 102、381、488、777、952)运动相关损伤的风险。值得注意的是,从事RE的儿童和青少年在RE的初始阶段比成年人表现出更大的力量收益,这种收益被带到了成年期( 419 )。
作为正常健康的重要组成部分,儿童和青少年时期的神经发育通常受到诸如注意力缺陷多动障( ADHD ) [影响8 % ~ 10 %的儿童( 972名)]和自闭症谱系障碍( ASD ) [影响约2 %的儿童( 69人)]等疾病的影响。值得注意的是,中等强度的AE可能会减轻与这些障碍相关的特征的严重程度,例如,反应抑制、反应时、认知控制、注意分配、认知灵活性、处理速度和警觉( 322、972)。 在ASD儿童中,除了血脂、父母感知的生活质量( 1317 )和运动控制( 146 )的改善外,运动还可以减少社交技能、语言和沟通、认知和注意力( 393、651、1317)的缺陷。重要的是,这些研究证明了有效性之外的安全性,突出了运动治疗和管理神经发育障碍( 393、1317 )功能的潜在效用。在这些人群和神经学典范儿童和青少年中,锻炼在改善认知、元认知、自尊、增强自我概念和提高生活技能( 26、322、527、561、592、1029)方面表现出有效性。
成年期
整个生命周期中的运动促进了大多数(如果不是全部)生理系统的最佳功能。在成年期,较高的CRF与较低的过早死亡风险和较低的心血管疾病、呼吸系统疾病和结直肠癌的发生率有关( 1247 )。此外,一项针对> 50万40 ~ 69岁成年人的前瞻性队列研究发现,CRF和握力(肌肉力量是衡量身体机能的一个指标)均与死亡率呈负相关( 699 ),表明心血管和骨骼肌功能均是中年人总体健康的重要指标( 941 )。当然,其他生理系统在决定整体健康状况方面也起着一定的作用。 例如,达不到峰值骨量预示着晚年的骨骼脆性和骨折风险( 1334 ),而运动对骨量和形态有积极影响( ( 323、486 ) )。
定期评估的生命体征(例如,血压、心率变异性)可以作为健康的重要生物标志物,而运动似乎对成年人( 272、619、620、700、796、944)的生命体征有积极的影响。健康的内分泌指标也很容易在循环中获得,并为系统功能提供有价值的见解。由于在围绝经期和最终绝经期间激素水平的剧烈变化,成年女性更有可能经历肌肉和骨量下降的更快速度,导致跌倒和骨折的风险增加( 1211 ),此外还有一系列其他慢性疾病。 运动干预可以预防肌肉、骨骼和代谢健康( 211、510、1152)的下降,对中年时期的身体能力产生积极影响。此外,运动与辅助激素替代疗法的结合正在研究中。
除维持身体健康外,有规律的运动对成年人( 229、485、528、743、1266)的心理健康有促进作用。心境障碍和焦虑障碍在这个年龄段越来越普遍( 556 )。而抑郁和焦虑的估计患病率分别为4 . 4 %、3 . 6 % ( 425名),许多成年人同时患有这两种疾病( 425名),据估计,大约50 %的美国成年人在成年后的某一时间点将经历心理健康障碍( 689名)。在一项大型横断面研究中1 . 200万成年人中,无论年龄、种族、性别、家庭收入、教育程度和锻炼类型,锻炼与较低的自我报告的心理健康负担相关( 229人)。 相反,在健康成年人中,停止规律运动与抑郁症状增加有关( 919 )。这些影响在女性中尤为明显,这一群体在成年( 77、425、556)期间通常具有较高的精神健康障碍风险。
健康老龄化
衰老是所有生物共有的过程,涉及一系列复杂的生物学变化,导致生理恢复力普遍下降(即对应激源的耐受和恢复能力),对不良事件的易感性增加( 380、573 )。即使在没有慢性疾病的情况下,衰老的总体下降轨迹因个体而异,可能是遗传、表观遗传、环境、行为和其他因素综合作用的结果( 39 )。然而,大量证据表明,经常参与运动具有强大的抗衰老作用( 173、1025 ),保护大多数生理系统的功能,包括心血管、呼吸、免疫和肌肉骨骼( 70、131、140、307、408、595、615、798、915、1293)。 事实上,骨骼肌由于其质量和功能随着年龄的增长而不断下降,加之其在运动、代谢稳态和免疫系统支持中的关键作用,往往成为衰老和运动研究的热点组织。随着年龄的增长,骨骼肌功能的维持降低了跌倒的风险,这往往导致老年人( 179、336、421、442、515)的损伤、残疾和丧失独立性。在一项针对> 20 000名老年人的系统综述和荟萃分析中,运动锻炼降低了21 %的跌倒风险( 1192 ),这一效应随着年龄的增加而增加( 49 )。
那些“成功”衰老的人享有较长的健康寿命,即无慢性疾病的寿命(1173);习惯性运动似乎是成功老龄化的关键组成部分( 39,129,416,735,1235,1371)。Gries等人最近对报告终身运动的老龄男性和女性进行的一项研究表明,根据一系列最大心肺功能参数,个体的生物学年龄比其实际年龄“年轻”近30年 (499)。对终身运动者进行的研究领域正在迅速扩大,并持续证明在衰老过程中心血管健康(196,1193)、线粒体健康(499, 1323)、骨骼肌质量和表现(219,498)以及肌肉内分泌功能 (327,757)得以保留。目前,大部分研究集中在抗阻训练的老年人身上,但有必要继续研究有氧运动和/或并发训练在整个寿命周期中的潜在益处。此外,终身训练对其他健康领域(例如,认知、心理健康)的益处代表了正在出现的知识空白(447,448)。
肌肉骨骼疾病
肌肉骨骼疾病包括一组影响运动器官和组织(肌肉、骨骼、关节、肌腱、韧带等。)的条件。肌肉骨骼疾病影响着全球20 % ~ 33 %的人口,并且随着年龄的增长而增加( 1444 ),仅在美国每年的医疗保健费用中就约占2130亿美元( 1340 )。临床症状包括疼痛和活动受限,共同导致体力活动减少和残疾( 1340、1444)的可能性增加。运动既可以作为一级预防,也可以作为二级预防,预防该类疾病的发生或减轻其临床负担。 在这里,我们关注四种常见的肌肉骨骼疾患:肌少症、骨关节炎、类风湿性关节炎和骨质疏松症。
肌少症
肌少症( Sarcopenia )是一种多因素的神经肌肉疾病,其临床特征是与年龄相关的骨骼肌质量下降,有时与力量和功能( 231 , 287 , 922 , 1032 , 1267)的减少有关。肌少症存在多种操作性定义,导致难以准确评估其在( 171、288、1105)人群中的患病率。肌肉质量在30 ~ 40岁左右达到峰值后,随年龄增长自然下降(每十年减少10 %) ~ ( 287、337、726),力量损失以较快速度(每年减少2 % ~ 4 %)发生。下肢通常受( 337、482、726、805、828)的影响更大。 低肌肉量的后果可能因疾病、感染或住院后肌肉量恢复不完全等并发症而加剧( 289 )。
运动是治疗肌少症的最佳研究和最有效的对策之一。尽管不同研究在年龄范围和运动方式上存在异质性,但在肌少症( 821、1377 )中,总骨骼肌质量、力量和其他功能结果都得到了一致的改善。特别是,RE是逆转肌肉减少症的有力刺激,因为它对肌肉肥大( 163、289、337)和肌肉蛋白质合成有积极影响( 72 )。虽然肥大的程度在个体间高度可变,但所有个体都对训练产生了多种积极的适应性反应( 249 )。另一方面,AE可以通过增强机体的抗氧化能力和提高胰岛素敏感性( 581、749 )来改善运动耐量和代谢功能。 这些适应是通过增加线粒体生物合成( 1108、1145),减少低度炎症( 153、337、752、857)和改善骨骼肌可塑性来实现的( 752 )。
骨关节炎
骨关节炎( osteoarthritis,OA )以关节软骨、软骨下骨、韧带、关节囊、滑膜、关节周围肌肉( 53、608、926、1022)结构改变为特征,常伴有慢性疼痛和活动障碍。在美国,OA患病率为10 % ~ 13 % ( ( 252 , 1475) ),但在年龄≥65岁的成年人中,OA患病率增加一倍,约为25 % ( 1475 )。除年龄外,性别、种族、民族、骨密度、肥胖、关节结构和力学、营养因素、遗传易感性等因素也影响骨关节炎( 53、816、926、1254、1370、1475)的发病。由于其作为承重结构的生物力学作用,髋关节和膝关节是( 53、926 )最常受累的部位。 许多患有OA的人选择接受关节置换手术,以减轻患侧关节的疼痛、肿胀、僵硬和跛行( 926 )。OA对急诊住院费用的贡献很大( 1209 ),影响全球超过2.5亿人( 609 )。
规律运动被推荐用于预防、管理和"预康复" OA ( 81、750、966、1343)。来自多个系统评价的证据表明,当运动处方适当时,疼痛和僵硬减轻,而不会损害软骨或滑膜组织( 91、150、844、973、1034)或加速OA进展( 91、844、973、1414)。除了改善一般功能、柔韧性和肌肉力量外,运动可以增强情绪和生活质量( 91、92、119、206、222、325、668、795、1307)。此外,与非甾体抗炎药( 81、418 )等药物治疗相比,运动可以产生类似或更大的效应量。 在一项纳入103项随机对照试验的9134例膝、髋关节OA患者的网状Meta分析中,AE训练是管理疼痛和提高性能的最有益的干预措施( 468 ),尽管已经检查了一系列其他模式对肌肉力量、步行速度、体重管理和生活质量的影响。例如,一些系统评价和荟萃分析表明,益处来自AE、RE ( 91、1387 )、柔韧和力量组合项目( 149、468、754、795、966、1111、1470)、瑜伽( 754、1470 )、太极拳( 222、794)、水上运动( 90、822 )和本体感觉训练( 646、1225 )等活动。最佳处方可能会根据个人的需求、偏好和症状而有所不同。
类风湿性关节炎
类风湿关节炎( rheumatoid arthritis,RA )是一种慢性自身免疫性疾病,影响约1 %的成年人群,以滑膜关节退行性关节炎为特征,包括近端(例如,手和手腕)、椎间(颈椎、腰椎)和其他关节(例如,髋、膝、踝、趾、肩等。)、( 890、1430)。RA的临床特征是炎症、受累关节的变形、疼痛、僵硬和疲劳,导致活动能力、功能能力和生活质量的进行性恶化( 890、1430),以及许多个体的住院和残疾( 227 )。值得注意的是,RA相关的瘦体重和脂肪体重的变化与CVD风险增加( 57、890、892、894、1430)相关。 目前有多种RA的药物和非药物治疗方案( 1430种),但最主要的是传统的合成和生物制剂相结合的抗风湿药物,对患者和医疗保健系统来说成本很高( 227)。
运动干预一直被证明是一种具有成本效益和可持续的治疗方法,具有多种全身性的好处,并对RA症状学产生积极影响。其中包括有氧适能( 540 )、力量( 67、613 )、功能能力( 67、613、1430)、心血管健康( 286、892 )、疲劳( 298、681、1354)、炎症负担( 60、891 )。此外,来自前瞻性观察和实验研究的证据表明,运动对RA患者的疼痛( 68 )、认知( 1184 )和生活质量( 68 )有积极影响。 实际上,在RA患者中,较高的体能与住院次数和住院时间呈负相关( 893 ),较高的体力活动水平时间与较低的10年CVD风险( 391、895 )相关。
骨质疏松症
骨质疏松症是一种全身性骨骼疾病,其特征是骨量减少和骨微结构的破坏,增加了骨骼脆弱性、骨质疏松性骨折和死亡率 (558, 670, 711, 1147, 1449)。骨质疏松症在老年人中很常见,尤其是绝经后妇女(1001, 1449);随着人口老龄化的增长和多种导致骨质疏松症病理生理学的风险因素的协同作用, 其当前患病率预计将增加(746)。现有药物疗法有副作用, 最多只有短暂的效果;因此,对药物方案的依从性很差( 692, 874)。幸运的是,运动促进骨骼健康(874, 1152)适用于各种个体和运动处方(479, 1240, 1472–1474)。
RE作为一种高影响、负重的运动方式,调节与骨质疏松相关的不利结果,特别是被研究得很好。不管是独立的、渐进的,还是作为多模式干预的一部分,RE改善了一系列年龄的骨健康,包括高风险的绝经后女性人口( 479、1240、1472、1473)。运动干预通过改善骨密度( 479、1473)、跌倒危险因素(例如摇摆速度和前后摇摆幅度) ( 1405 )、害怕跌倒( 1240 )和跌倒相关损伤( 1472 )来调节骨质疏松症的不良结果,同时改善肌肉力量、功能活动、平衡和生活质量( 1177、1240 )。 运动量与骨密度的正向稳定变化相关( 479 )。运动也可以作为一级预防策略:有研究表明,在年轻的成年期达到10%更高的峰值骨量,可以将骨质疏松症的发病推迟13年,并将随后的终生骨折风险降低50% ( 100、1252 )。然而,适当的运动方式必须慎重考虑:非负重活动可能对骨骼结构提供很少或没有好处( 100 )。
心血管疾病
心血管疾病(CVDs)是一类影响心脏和血管健康的疾病,是全球主要的死亡原因(1445)。心血管疾病的一般风险因素包括但不限于肥胖、血脂异常、炎症和氧化应激。理论上,通过早期发现和管理以及/或通过维持CRF(有氧运动能力)的有效预防,大多数与心脏病发作和中风相关的过早死亡是可以预防的。相反,通过运动增加CRF可以降低心血管疾病和全因死亡率(718, 845, 1255)。
高血压
临床上以血压升高为特征的高血压是非常普遍的,影响着全球40 %以上的成年人。在生理学上,高血压是由于许多循环和血管活性因子引起的全身血管阻力和/或心输出量紊乱的最终产物,其中许多是由于交感神经系统的慢性过度激活引起的。高血压不仅增加了外周血管的负荷,也增加了心脏、肾脏、脑( 172、804、1097)等器官的负荷。高血压患者发生心脑血管疾病和全因死亡的风险增加( 172、192、384、392、511、512、641、1047、1097、1180、1260、1420)。 大多数患者使用一种或多种降压药联合治疗,但长期使用药物治疗会增加副作用( 502、1298 )的可能性。相比之下,规律运动对高血压的管理具有多种急性和慢性益处。
规律运动有助于减轻药物副作用、优化药物治疗效果,并预防或延缓高血压的发生(636, 916, 1047, 1097, 1100, 1420)。此外,体育锻炼能够显著改善诊室血压和动态血压(一种持续数小时的血压监测指标)(140, 194, 207, 1097)。单次有氧运动或抗阻训练后,受试者24小时动态血压及运动后2小时内的诊室血压均呈现持续性下降,这种现象被称为运动后低血压(191, 272)。血压下降幅度与运动剂量相关,但目前尚未明确能够最大程度诱发运动后低血压的最佳运动方案(194, 207, 1097)。
冠状动脉疾病(冠心病)
冠状动脉粥样硬化性心脏病( coronary heart disease,CHD )是由于冠状动脉粥样硬化斑块狭窄或阻塞引起的以缺血性心肌病为特征的心血管疾病( 1022 )。CHD具有较长的无症状发育阶段,但常常导致主要的急性心血管事件(例如,心肌梗死、心源性猝死等) ( 766 )。而男性在各个年龄段的冠心病患病率均较高,年龄的增加降低了这种性别差异( 294、1185)。一级和二级预防策略包括改变生活方式、最佳医疗护理、心肌血运重建、使用抗血小板药物( 415 )、规律运动( 417、459 )。
英国生物样本库是一项大型的纵向队列研究,研究表明,在具有CVD遗传易感性的成年人中,力量和体能与CHD和房颤的发病呈负相关( 1306 )。同样,在美国退伍军人中的一项研究也证实了较高的CRF与较低的主要心血管事件发生率之间的关系( 718 )。考虑到不同运动模式的心血管益处的广泛范围,似乎大多数类型的活动发挥保护作用( 417、475、580、1010、1356)。一些研究报道了与临床相关的心血管预适应益处,在一次( 1011、1302)运动后立即可检测到。
急性缺血事件后以运动为基础的心脏康复是冠心病二级预防的基石;这种做法使心血管( 38 )和全因死亡风险( 853 )分别降低了26%和13%。尽管有显著的益处,但只有62 %的患者在急性事件发生后出院时接受了心脏康复,甚至更少的患者实际参加了一次或多次的治疗( 339 )。最后,证据表明,由于事件风险( 417、580 )的急性升高,在对高危CHD患者进行高强度干预时,应采取预防措施。
心力衰竭
在心力衰竭( HF )中,心肌逐渐减弱,导致整个身体的血液输送受损。HF可以根据其病因进一步分类,可能是由于与高血压相关的压力超负荷( 888 )或与瓣膜缺陷相关的容量超负荷( (例如,二尖瓣返流) ( 255、902) )。进一步的判别包括解剖部位( e.g. ,左或右HF) ( 723 )和射血分数降低( HF-REF )或保留( HF-PEF )的判别( 706 )。HF影响> 500万美国人(致12 % ) ( 939、1352 ),更常见于> 70岁的个体( 1174、1352 ),需要警惕性监测以不断优化治疗以延缓其进展( 1281 )。 HF患者还具有较差的呼吸肌力量和耐力、心肺灌注和骨骼肌功能( 255、1022)。预后很差,大多数HF患者在确诊后5年内不能存活( 1372例),而另一些患者则依赖于心室辅助装置植入或心脏移植( 255、1174、1372)。
运动,特别是有氧运动,是一种有效的一级预防策略( 210、1433 ):将高危个体分层到以健身为基础的五分位,支持CRF的递增保护作用( 1022 )。相反,低适应度是不良结果的强独立预测因子( 957 )。此外,年轻成年期较低的CRF与生命晚期( 115、1003 )的左心室功能障碍和较高的亚临床异常和其他并发症的患病率有关,这表明一级预防至关重要。尽管如此,基于运动的心脏康复对HF ( 255、271、1002)患者的预后、功能能力和生活质量具有有益的影响。 即使在心室辅助装置( 7、537、673)和心脏移植( 37 )的患者中,证据支持短期和长期的训练干预都是安全和有效的。
代谢性疾病
新陈代谢是将营养物质转化为能量的细胞水平过程,在被称为代谢性疾病的疾病集群中从根本上被打乱,是全球死亡的主要原因( 19 )。生活习惯,如达到推荐的运动水平( 1048 ),对代谢性疾病的预防和管理有许多影响,有时显示出比药物治疗( 955 )更强的对代谢危险因素和死亡率的影响。
肥胖症
在整个生命周期中,超重和肥胖是常见的情况,在整个上个世纪的( 698、771、772、1347、1446)中,所有年龄段的患病率都在稳步上升。虽然它的主要特征是体脂含量过多,但肥胖是由一系列病因引起的,包括遗传、环境和内分泌因素。在儿童( 740例)和成人( 265例)中,肥胖导致了广泛的合并症,包括(但不限于) T2D、高血压、非酒精性脂肪性肝病、阻塞性睡眠呼吸暂停和血脂异常。肥胖及其相关的病理网络构成了巨大的经济负担( 1446 ),此外还损害了生活质量并增加了死亡率。
无论年龄、性别、种族、运动类型如何,规律的体育锻炼都是有效的减肥和体重管理干预( 771、772)。3个月AE或RE显著降低体脂百分比、腰围和内脏、皮下和肝内脂肪, 同时改善肥胖青少年的胰岛素敏感性和骨骼肌质量(771, 772)。即使独立于减肥(310),运动训练也会对身体成分和良好的代谢表型产生有意义的变化。一个前瞻性研究追踪了 >100,000名成年人约6年期间心血管疾病风险因素的发展 (855)。与那些随着时间的推移减少了身体活动率的人相比, 那些增加或保持习惯性运动模式的人,无论他们是否减肥、增重或保持体重,高血压、2型糖尿病和高胆固醇血症的发病率都较低(855)。虽然减肥可能是个体强有力的可见动机,但向他们传达并非所有干预措施都会导致总体体重变化,以适当调整期望可能具有临床意义。其他易于测量的参数(例如,体脂百分比、腰臀比)可能更好地反映健康状况,并可能提供继续运动计划的动力。
糖尿病
目前,美国成年人中超过13%患有糖尿病,儿童和青少年的患病率也在上升(212)。2017年,糖尿病是美国第七大死因, 估计总成本为3270亿美元(212)。大多数病例被诊断为2型糖尿病(175),这是一种由胰岛素抵抗、相对胰岛素缺乏以及脂肪和蛋白质代谢异常共同引起的胰腺β细胞功能受损的疾病(30,1022)。另一方面,1型糖尿病是由β细胞自身免疫破坏引起的。这两种情况都表现为高血糖症(高血糖);在2型糖尿病中,高血糖的发展是渐进的和隐匿的,这可能导致在更严重的并发症出现之前被忽视经典的糖尿病症状(637)。与非糖尿病患者相比,1型糖尿病或2型糖尿病患者合并症(如高血压)和死亡风险高2至4倍(257,466,704,1022)。此外,低CRF是1型糖尿病和2型糖尿病患者全因死亡率的一个强独立预测因子(138,257,803,1411)。
作为生活方式改变疗法(637)的一部分,运动已被证明可提高儿童、成年人及老年人的胰岛素敏感性、空腹胰岛素和糖化血红蛋白(HbA1c),后者是长期血糖调节的经典指标 (257,261,347,386,637,1202)。令人印象深刻的是, 运动的代谢益处在短时间内即可显现(例如,在进行了高强度有氧运动(705)的一周内),而单次运动对全身胰岛素敏感 性的影响可持续长达96小时(704)。更高强度或更长时间的训练会增强这些积极变化的稳定性(138,704,811,1268, 1434)。包括有氧运动和抗阻训练的荟萃分析表明,运动对 葡萄糖敏感性(704)、血糖控制(811)以及炎症和氧化应激(803)具有积极作用。抗阻训练也可能通过增加骨骼肌质量和骨矿物质密度(257,261, 637,803,811)来增强整体身体机能。临床前研究表明,运动可能改善胰腺β细胞的质量和功能(290)。运动还对1型糖尿病(T1D)中的胰腺β细胞和全身炎症产生免疫调节作用 (256,257)。
血脂异常
血脂异常包括多种脂蛋白代谢紊乱,主要表现为血液中总胆固醇(高胆固醇血症)和/或甘油三酯(高甘油三酯血症)水平升高,是动脉粥样硬化性CVD ( 724、1022)的主要危险因素。美国≥20岁的成年人中,超过13%的人总胆固醇水平较高,18%的人保护性HDL胆固醇水平较低( 199 ),这是代谢性和心血管疾病( 19、785、1022、1047)的反向危险因素。高总胆固醇水平与肥胖、乳腺癌( 178 )、糖尿病相关疾病( 984 )、阿尔茨海默病( AD ) ( 1457 )、中风( 882 )和冠心病( 142 )有关。 规律运动通过影响胆固醇的合成、转运和清除率( 351 ),降低总胆固醇、甘油三酯和LDL胆固醇,提高保护性HDL ( 724、939、1022、1099、1258、1420)。这些作用减少了对药物治疗的依赖:美国国家健康和营养机构调查估计,在5 % ~ 14 %的人群中,降低15%的LDL胆固醇可以减少对降血脂药物的需求( 199 )。鉴于血脂异常是许多心血管和代谢性疾病的危险因素,运动诱导的血脂谱改善对一系列结果产生积极影响,以降低总体健康风险。
代谢综合征
代谢综合征(MetS)令人惊讶地普遍存在,影响着三分之一的美国成年人≥40岁(14)。虽然国际标准有所不同(19, 962),但MetS通常被描述为五个关键因素的多因素聚集: 中心性肥胖、血脂异常、胰岛素抵抗、葡萄糖耐受不良和高血压。MetS是心血管疾病风险(1191)的主要贡献者,是其他代谢性慢性疾病(312)的前体,并已成为一种新兴的流行病。 尽管MetS患者发生冠状动脉事件的风险升高,但它们并不表现出心血管功能障碍的症状。因此,通过运动进行一级预防可能是治疗MetS的最有效方法(331)。
运动对 MetS 每个亚组分的益处已被广泛研究;因此,运动降低 MetS 总体风险是合乎逻辑的。正如最近综述的 ( 953),增加运动和/或更高的 CRF 对 MetS 发病率和患病率有积极影响,而低体能和/或身体活动与 MetS 发病率升高相关 (350, 625, 679, 953, 1262, 1469)。满足至少推荐的运动指南 (1048) 可以帮助预防后期生活中 MetS 的发展 (71, 312, 953)。通过其对MetS因素的影响,习惯性运动也可以逆转MetS:Katzmarzyk等( 676 )发现,经过20周AE干预后,> 30 %的MetS参与者基线诊断为不再受到影响。运动干预显著降低了甘油三酯、血压和腰围,同时提高了HDL胆固醇和空腹血糖。
癌症
癌症是美国第二主要的致死原因,预计2020年将新增约180万例病例和60万例死亡(1200)。患侵袭性癌症的风险取决于遗传倾向、接触DNA损伤剂的环璄暴露以及生活方式因素等复杂风险因素。据估计,通过改变肥胖、吸烟和身体活动不足等因素,40%至60%的癌症是可以预防的(1230)。鉴于癌症的患病率高且起源复杂模糊,开发和/或结合有效的治疗手段来预防、治疗和管理癌症具有重大的公共卫生意义。相对较新的运动肿瘤学领域旨在利用运动来抵消治疗相关的副作用并提高癌症患者的生活质量。早期的试验集中在乳腺癌患者中的抗阻训练(438、712、1263),在该人群中的积极结果推动了其他癌症的运动干预。集体证据支持抗阻训练和有氧运动能改善与症状相关的结果,如运动耐受性、生活质量、疲劳和整体功能(9、439、1175)。
许多化疗靶向的细胞存活通路对于保护心脏也至关重要 (221)。运动可能减轻化疗和其他癌症药物的心脏毒性负担, 这一观点最早于2006年在一项使用跑步机跑步的动物预临床研究中得到证实 (239)。在一项后续的乳腺癌病例研究中,治疗前后进行抗阻训练可减少疲劳并提高功能能力 (324)。进一步支持这一观点的是,在每次化疗前进行高强度有氧运动的患者中,血流动力学变化、抑郁症、疼痛和不适等不良反应的发生率显著低于接受常规护理的患者 (703)。此外,运动可能与肿瘤微环境的变化相关,包括肿瘤治疗敏感性、抗肿瘤免疫诱导、炎症减少和抗氧化能力增强 (52, 578)。虽然实体瘤的血管不良和通透性往往是治疗的挑战,但运动可以增加血管密度和肿瘤灌注,从而提高抗癌药物的疗效 (52)。需要进一步研究以考虑不同癌症类型、化疗药物和运动方法 (299)。
癌症患者,包括儿童患者,在治疗后现在寿命更长( 901)。不幸的是,长期有毒治疗的副作用越来越引起关注,导致癌症治疗相关疾病负担增加(例如,心血管疾病、心力衰竭),即使在治疗后30年也是如此(299)。鉴于化疗期间个体的短期心脏保护作用, 长期运动可能有助于降低治疗相关不良结局的风险。支持这一观点的是,一项针对2973名乳腺癌患者的前瞻性研究发现, 在恢复期间进行身体活动对心血管疾病风险具有剂量依赖性的 保护作用(654)。在睾丸癌中也报道了类似发现(299)。 最后,麦蒂尔南等人最近的一项荟萃分析报告称,身体活动与乳腺癌、结直肠癌和前列腺癌幸存者的全因死亡率和癌症特异性死亡率呈负相关(878)。尽管有证据表明运动在癌症治疗前、中、后都是必要的,但仍需更深入地了解驱动运动改善肿瘤生物学、心脏毒性和长期生存的分子机制。这将继续指导运动肿瘤学领域为癌症患者制定和优化特定的运动处方(965)。
神经退行性疾病
神经退行性疾病在快速老龄化的社会中日益增多(1453),预计到2050年,当前患病率将增至三倍(158)。相关痴呆是一个主要的公共卫生问题,预计在未来十年内将给全球带来2万亿美元的负担(971)。痴呆具有高度致残性,会摧毁个人的独立性和生活质量,同时给他们的家庭和护理人员带来巨大的情绪和财务压力。神经退行性疾病和痴呆的当前及预期经济负担促使2015年(1453)发起了针对神经退行性疾病进展改变的研究行动呼吁。由于目前对这些疾病尚无治愈方法或特异性生物标志物,因此生活方式因素(如运动)的影响已成为重要的研究领域(367,454,873)。虽然大多数运动研究集中于最常见的神经退行性疾病,但痴呆存在多种形式,在病理、表现和进展方面存在广泛差异。
阿尔茨海默病
阿尔茨海默病是最常见的神经退行性疾病:临床阿尔茨海默病影响全球约4%的老年人(394),而临床前阿尔茨海默病或轻度认知障碍(MCI)在更早的年龄阶段影响更为显著(158)。 死后阿尔茨海默病大脑显示出由肽类淀粉样‐β组成的神经原纤维缠结和斑块,但目前最佳生物标志物是载脂蛋白E4( ApoE4)中的一个单核苷酸多态性,超过50%的阿尔茨海默病患者共享该多态性(1137)。ApoE4基因型可能与运动适应相关:在一项涉及1646名老年人的纵向研究中,习惯性运动仅与非携带者(389)的痴呆风险降低相关。相反,一项由德马科等人(321)的研究发现,急性运动提高了年轻女性ApoE4携带者的脑功能,但非携带者没有变化,这一领域在老年人群中有待进一步研究。尽管如此,据报道身体活动可降低阿尔茨海默病的发病率约40%至50%(168,504)和更高水平的规律运动可能与减少淀粉样‐β 负担相关(161,162)。 在患有MCI的老年人中,短期有氧运动(154)和抗阻训练 (1295)可减轻痴呆和阿尔茨海默病影响的关键脑区的体积和可塑性减少。此外,在停止训练后长达一年内,这些重要变化得以持续(154)。在一项研究定期运动(报告为步数)与海马脑区基因表达之间关系的复杂研究中,Berchtold等人 (108)发现,身体活动促进了与线粒体健康、突触可塑性和神经肌肉通讯主要相关的基因转录模式,这些模式与认知障碍和阿尔茨海默病呈负相关。因此,运动可能靶向阿尔茨海默病和痴呆中失调的关键信号通路,代表了一种潜在的维持认知功能的机制策略。
帕金森病
第二大神经退行性疾病(对65岁以上成年人的影响为1%)是帕金森病( Parkinson ' s disease,PD ),起源于中脑黑质多巴胺能神经元的死亡。PD被认为是一种神经退行性运动障碍:PD的首发症状直到这些神经元大部分死亡( 122 )才被发现,但主要表现为运动功能异常(震颤、运动迟缓),此外还包括感觉、睡眠质量、情绪和认知等方面的缺陷。部分PD病例伴有α -突触核蛋白在脑内异常聚集成路易小体。路易体痴呆( LBD )是一种独立但重叠的痴呆类型,常表现为所谓的"帕金森"症状( 47、1441 )。 也许正是由于这种复杂性,专门针对LBD人群的运动训练研究较为缺乏( 626篇),凸显了现有的知识缺口。
一种流行的理论认为,PD的运动症状需要数年才能表现出来,因为黑质纹状体多巴胺损失的生理耐受阈值,低于这个阈值,运动功能就会受到损害( 122 )。在一项对近20万名越野滑雪运动员的纵向研究中,Olsson等人证明了锻炼者在PD发病前的寿命更长,这表明AE可能会加强这种"运动储备" ( 991 )。在中度进展性PD人群中,RE除了降低非运动症状( 29、682 )的严重程度外,还可能使骨骼肌大小和力量恢复到健康成年人的水平。此外,RE改善了PD ( 682、683)中相对运动单元激活(相对于完成任务所需的最大收缩,神经肌肉的"努力"程度)。 有规律的运动也可以改善平衡和步速( 1205 ),尽管这些干预措施的持久效果目前尚不清楚。大型队列研究表明,从中年开始的运动方案可能会降低PD的风险( 17 )。从机制上讲,这可能与经常运动的个体具有较高的胰岛素敏感性( 861 )、较低的神经炎症( 873 )或黑质活性急剧升高( 685 )有关。正在进行的研究正在调查,是否在诊断后不久开始运动可能会延缓PD进展或需要多巴胺能药物( 1158 )。最后,关于运动对PD中MCI和痴呆的影响的数据有限,而后者在PD的后期阶段( 552 )非常普遍。
章节摘要
总的来说,强有力的证据支持运动对健康和疾病的器官功能都有有益的影响,降低了发病率和死亡率的总体风险。随着我国人口的稳步增长,久坐的( 213、1447 )人越来越多,一系列的疾病和疾病变得越来越普遍。体力活动,无论是娱乐性还是结构性运动,都促进了包括肌肉骨骼、心血管、神经和代谢功能在内的多个生理系统的保存。有人将运动称为"多效药丸",它不仅可以模仿,而且比药物干预( 955 )更有效,几乎没有副作用,而且成本较低。尽管如此,临床医生倾向于将药物治疗优先于运动治疗( 953 )。 因此,研究工作应致力于了解驱动运动改善生理功能的分子机制,为临床医生提供循证指导( 1146 )。在普通公众中,针对个人、群体和/或社区的行为干预对于建立锻炼习惯和促进一个体力活动生活方式司空见惯的社会是绝对必要的。
🎯当前和新兴的生物样本评估方法
我们目前关于运动对人体影响的分子机制的知识大多来自于对慢性训练(即,适应( adaptation ))或单次急性运动(即,短期反应/瞬态效应)之前、期间和之后不同时间点收集的生物样本的分析。虽然运动是一种几乎影响所有系统的强大生理刺激,但本文和MoTrPAC的临床研究主要集中在人类最容易获得的组织:骨骼肌、血液和脂肪。 MoTrPAC和无数独立的研究都是利用动物模型来捕获难以到达的人体组织中的分子活动,如大脑、肝脏、心脏等;这些临床前研究继续为阐明运动适应的重要途径提供了机制。
骨骼肌
骨骼肌活检注意事项
1865年,吉约姆‐本杰明·杜谢恩发明了第一个经皮针,允许采集骨骼肌样本,从而发现了杜氏肌营养不良(226)。这种采样方法由乔纳斯·贝格斯特罗姆进一步改进(112),并在1982年由伊万斯等人通过套管针的吸力应用进一步修改,使活检样本的产量提高了约四倍(378,1289)。自那以后,由于股外侧肌体积大、皮下位置远离主要神经血管结构,伯格斯特罗姆针主要用于采集股外侧肌。除了股外侧肌,三角肌、胫前肌、腓肠肌、斜方肌、二头肌和三头肌也已被采集 (109,281,446,473,825,837)。虽然采集股外侧肌肌肉具有优势,但应尽可能实施一些技术控制,因为I型和II型肌纤维(以及因此样本的分子特性)可能因参与者人口统计学特征(性别、年龄)、优势腿(右或左)、肌肉沿线的位置以及采集深度而有所不同(788–792)。
除了广泛使用的伯格斯特罗姆针外,还引入了其他采样针, 如微活检针、韦尔‐布莱克斯利锥形取样器、肌切片器、波利比克尔针等(555,995)。据报道,由于微活检针直径较小, 可以减少肌肉采样程序的侵入性,同时无需进行皮肤和筋膜切口即可到达肌肉(538,606)。从参与者视角的轶事反思表明,他们更倾向于微活检程序(606)。与标准伯格斯特罗姆针活检获得的约50至400毫克的长而薄的肌肉组织相比,微活检针通常产生短而宽的肌肉标本(∼70–90毫克)。因此,应根据下游研究目标进行仔细考虑,这些目标可能特别依赖于束内肌纤维的特定排列和所需的总组织产量。
无论选择何种仪器提取生物样本,组织处理应根据研究目标进行。首先,需要从生物样本中去除任何血液、脂肪、筋膜 和结缔组织,因为这些可能会污染样本并影响下游结果。时间至关重要:动态、瞬时效应,如磷酸化(182、451)、甲基化(89)等,需要优先分配组织进行蛋白质组学和代谢组学 (1125)。匀浆分析(如这些和其他组学)实际上除了骨骼肌纤维外,还会捕获多种细胞类型(1127)。相比之下,单纤维分析揭示了可能被匀浆方法稀释的丰富的生物特征(1091)。 在组织分配方面,更长的束可能更适合分离和剪断单个肌纤维进行纤维类型特异性分析,而更宽的束可能提供更广泛的表面积,更适合进行组织学分析。最常见的是,纤维横向排列,因此使用冷冻切片机切割安装的样本可以获得肌纤维束内肌纤维的横截面视图(945)。或者,纵向肌肉切片可能更适合在高分辨率下观察某些亚细胞结构,如肌节结构和线粒体。
组织学染色和成像
用于组织学的组织可以通过浸入戊二醛或甲醛等固定剂中立即保存,并随后用于包括透射电子显微镜(TEM)在内的方法 (453)。TEM被认为是骨骼肌成像的黄金标准方法,允许检测线粒体等微结构的变化,包括体积、密度、数量和形态( 1190)。成像技术仍在不断发展。聚焦离子束扫描电子显微镜 (FIB‐SEM)允许在人类股外侧单肌纤维和肌肉切片的三维重建后检测肌纤维类型特异性差异的线粒体形态(180, 293)。
结合TEM和FIB‐SEM图像获取与分析过程可能非常耗时且昂贵。更广泛使用的替代方法包括共聚焦、轻度和荧光显微镜。活检样本通过控制冷冻技术保存,以限制细胞内水的膨胀 并防止组织中的冷冻断裂伪影(739)。简而言之,样本被安装在如最佳切片温度化合物与黄原胶混合的水溶性包埋介质中, 浸入液氮或干冰冷却的异戊烷中,并在−80 ∘°C或以下进行长期保存。
这些常用方法可以制备肌肉进行染色,范围从苏木精和伊红到更复杂的共染色程序(例如,中性脂质染色、油红O和免疫组化共染色)(834,945,1190)。这些技术可以应用于 检测肌纤维类型特异性现象,例如通过细胞色素C氧化酶表达测量的氧化能力变化,以及冲刺间歇训练前后脂滴相关蛋白的变化(1190)。切片或单个肌纤维的共聚焦图像能够深入分析线粒体形态变化与骨骼肌细胞内脂质储存的关系(733)。
最后,激光捕获显微切割(LCM)是一种先进的方法, 通过该方法可以物理性地切割特定的肌纤维群体。虽然存在技术障碍,但LCM的主要优势在于能够在比其他应用所需的相对较少的肌肉组织上执行靶向和高通量‘组学分析’。为了说明数据收集的效率,Murgia及其同事报告了在约2小时的测量时间内检测到 >2000 蛋白质(949)。LCM与下游基因和蛋白质分析相结合,在表征肌纤维群体之间的差异方面具有巨大的潜力,例如,基于肌球蛋白重链异构体(1265)或另一个感兴趣靶标的丰度(949)。
单肌纤维生理学
骨骼肌纤维可以在没有神经系统输入和钙离子可用性生理波动的情况下,评估收缩力、缩短速度和功率等参数。简而言之, 对于这种方法,肌纤维束在去皮溶液中渗透,然后单个肌纤维被拉出并系在力传感器和电机臂之间。为了确定最大缩短速度, 肌纤维会进行松弛测试(355):通过移动电机臂使肌纤维松弛,并计算和平均在肌纤维长度上的四个设置中重新发展力的时间(从而缓解松弛)。另一种常用的测定依赖于在一系列纤维长度上测量力与缩短速度之间的关系,以计算理论最大速度和功率(405)。单肌纤维生理学实验有助于阐明肌纤维类型之间收缩特性的基本差异,例如纯IIa型肌纤维比I型肌纤维的功率高约五倍(437,1321)。这些技术还使人们能够检测到肌纤维收缩装置中由运动训练(405,1320,1325,1328)、 衰老(498,1321)和卸载(1425,1426)引起的复杂变化。
肌肉卫星细胞培养
成熟的骨骼肌含有卫星细胞,这是一种干细胞群,能够在应激反应中促进重塑和再生(534,1039)。这种再生潜力和生化及机械扰动对肌肉卫星细胞的作用机制可以通过细胞培养模型在体外进行评估。在从人体骨骼肌活检中分离卫星细胞时,通常使用分化抗原表面标记簇(CD)56(也称为神经细胞粘附分子(NCAM))来区分卫星细胞和标本中的成纤维细胞和其他细胞类型(12)。或者,也可以使用动物来源的细胞系,如 C2C12(小鼠)或L6(大鼠)细胞系。一些证据表明,不同物种之间在基础代谢、增殖和发育基因的表达上存在差异(3), 这可能使细胞培养实验的可转化性复杂化。
肌肉卫星细胞在培养环境中经过一个可控的生长周期,分化为成肌细胞,并最终融合为多核肌管( 1244 )。值得注意的是,使用电脉冲刺激( EPS ) ( 148、375 ),脉冲毛喉素和离子霉素( 276、1232 ),5-aminoimidazole-4-carboxamide1-β-呋喃核糖核苷( AICAR )和咖啡因( 203 )等方法可以刺激肌管收缩,在没有系统或神经影响的情况下模拟运动。这些应激源使一些肌原纤维间的适应得以重现,如收缩蛋白的增加( 148 )、代谢灵活性的生物能量适应( 1232 )和肌动蛋白的产生和释放( 435 )。 虽然这些生化应激源的使用为肌细胞适应的关键途径提供了机制上的见解,但值得注意的是,它们只能部分地捕捉到运动暴露的影响,而且往往无法模仿细胞能量需求的特征多系统的提高。
血液
运动的许多有益作用是多个生理系统参与跨组织交流的综合结果。在这方面,循环系统通过组织间信号分子、细胞和其他结构的传递,是组织交叉对话的重要促进者。一个主要相关的例子是肌因子,如IL - 6,它从糖原耗竭的骨骼肌中分泌,并以旁分泌的方式作用于肝脏,刺激葡萄糖释放,以支持持续的肌肉收缩( 1026、1249 )。运动诱导的肌因子分泌促进适应,包括肥大( myostatin、IL - 4、- 6、- 7、- 15)和成骨( IGF - 1、FGF - 2),脂肪氧化,胰岛素敏感性和抗炎( IL-6 ) ( 1018 )。 此外,脂质( e.g. , 12 , 13 -二羟基- 9Z -十八碳烯酸,或12 , 13 - di HOME)和代谢产物( e. g . ,琥珀酸)也可作为运动中和运动后的循环信号分子。对前臂、腿部和内脏床[经典地用于检查运动中的燃料代谢( 15 )]的动静脉平衡研究允许表征急性运动( 1250次)后腿部IL - 6的暂时释放,并且可以作为一种强有力的方法来识别从感兴趣的组织中释放的其他新因子。
运动生物学领域的一个发展领域是蛋白质和微小RNA (miRNA)的产生、释放和包装到分泌囊泡中,例如细胞外囊泡(EVs)、微囊泡(1018)和外泌体(444、594、793、 959)。这些信号因子被认为传递着运动引起的多种全身适应的分子因素;因此,通过表征其内容并确定组织来源(751), 仍有大量知识有待学习。许多用于分析组织匀浆和单个肌纤维的标准生化工作流程(例如,蛋白质免疫测定、靶向基因表达、 其他‘组学’)也可应用于分泌囊泡。例如,Whitham等人结合EV分离和质谱分析,确定了运动后立即显著增加的322种蛋白质和4小时运动后时间点增加的3种蛋白质(1423)。对运动反应释放的EV和相关物种的持续研究可能为设计综合疾病疗法提供强大的资源。
白细胞作为免疫系统的循环细胞,也参与介导急性和慢性运动的有益作用。急性运动诱导循环自然杀伤细胞和中性粒细胞增加的时间转换( 1479 )。白细胞( e.g. ,中性粒细胞和单核细胞)浸润到外周组织,如骨骼肌,在运动( 843 )和长期肥大( 422 )后的修复和再生中起关键作用。在有差异的标准全血细胞计数之外,流式细胞术可用于研究白细胞的再分布、细胞表面标志物的表达变化以及白细胞功能随运动的变化( 1082 )。 白细胞可以被分选出特定的群体,使用流式细胞术或通过孵育和离心在包有防腐剂的特定收集管中进行后续分析。
脂肪
脂肪组织传统上被认为是一种相对惰性的器官,用于储存甘油三酯;然而,现在它被认为是一种内分泌器官(687),在脂肪细胞亚群(例如白色、米色、棕色)中表现出表型多样性, 具有不同的代谢和功能作用(463)。作为身体的能量库,脂肪组织在全身代谢中起着关键作用,其功能障碍会导致肥胖、2型糖尿病、血脂异常和胰岛素抵抗等疾病。特别是上肢脂肪的过度积累与心血管疾病(CVD)风险增加有关(413,481)。 脂肪组织功能障碍的特征是更大的、代谢灵活性差的脂肪细胞、 免疫细胞浸润和激活、衰老、脂质周转受损以及有害因子的分泌(315)。反过来,运动在维持脂肪组织健康代谢表型方面起着关键作用(314)。
皮下脂肪组织标本可以从腹部或臀部突出物中提取,使用打孔活检,用伯格斯特伦或梅赛德斯脂肪抽吸针抽吸,或手术切除( 20、185、302、1008)。根据技术不同,可以获得约100毫克到数克的组织。样品应先用冰冷的磷酸盐缓冲液清洗,然后迅速冷冻在液氮中或通过在保鲜膜中包埋制备用于组织学。已经开发了许多组织形态学方法来成像和量化脂肪细胞的大小和数量(121, 230, 852)。此外,脂肪组织标本的胶原酶消化可以将基质血管细胞(T调节细胞、巨噬细胞、平滑肌细胞和间充质干细胞)与成熟脂肪细胞分离,然后可以通过流式细胞术或单细胞组学方法进行分析(54, 130)。
高通量组学方法
转录组学
近年来高通量数据收集、分析、计算方面的显著进步,极大地加速了在健康、疾病和运动中生物现象的分子转导器的发现。下一代测序工具出现之前,研究采用微阵列技术来检测由于抗阻训练 (253, 839, 1296, 1308)和有氧运动(253, 1040, 1051, 1299, 1300)导致的基因表达全转录组变化。自那时起,设计用于更精确和深入定义组织和细胞水平转录组的新一代直接测序技术已被应用于运动研究(264, 332, 1051, 1053, 1062)。 RNA测序(RNA测序)直接测序细胞RNA,并通过生物信息学分析将读数映射到参考基因组,以量化单个转录本的水平 (929)。RNA测序可用于测量所有可用形式的RNA,或仅限于信使RNA(通过拉下所有多聚腺苷酸化RNA种类)。作为一项发现工具,RNA测序可以揭示非蛋白质编码转录本 (例如,长非编码、环状、小和miRNA),这些转录本作为运动生物学的调节因子正受到越来越多的关注(813, 1203)。
一种全面而有效的方法是将RNA - seq与其他组学( 264、532 )整合,将基因表达与基因组结构、表观遗传调控和其他分子表型的变异联系起来。例如,染色质免疫共沉淀测序( ChIP-seq )涉及DNA相互作用蛋白的免疫共沉淀和随后相关DNA片段的直接测序( 652 )。使用针对特定组蛋白修饰的抗体,可以确定样品的表观遗传景观。最近一项优雅的研究使用转录增强子(组蛋白3第4位赖氨酸去甲基化和组蛋白3第27位赖氨酸乙酰化)的表观遗传标记结合RNA - seq在小鼠跑轮模型( 1088 )中进行。 基因表达和表观遗传学数据的整合揭示了转录因子肌细胞增强因子2 ( MEF-2 )和雌激素相关受体( ERR )的激活位于氧化代谢基因高表达的上游( 1088 )。这样的整合多组学设计,以及不断发展的分子作图技术( 532 ),可以为观察到的生物学关系提供机制上的见解( 440 )。
尽管大块组织RNA测序及相关技术功能强大,但其反映的是整个样本的混合基因表达模式。相比之下,近年来单细胞cDNA合成技术的突破使得通过RNA测序解析单细胞转录组成为可能(929),这一技术能针对特定干预前后的个体细胞群进行基因表达谱分析。对骨骼肌组织样本细胞组分的研究(319,461,1127)已鉴定出多种常驻细胞类型(如免疫细胞、内皮细胞、卫星细胞及纤维-脂肪祖细胞),每种细胞均呈现独特的转录组特征。由于单细胞分离的尺寸限制,这类研究通常将肌纤维排除在分析范围外。单核RNA测序等技术理论上可覆盖包括肌纤维在内的所有细胞类型(500,597),但成熟骨骼肌纤维的多核特性可能为该技术路径带来解析复杂度。新兴的空间转录组技术能对完整组织学标本进行基因表达定位(913,1243),有望发展成为肌肉组织特定区域基因表达分析的可行方案。
蛋白质组学
我们对调控运动适应的分子相互作用的理解通过评估多组学层数据(899)得到了更深入的丰富。类似于高通量测序技术, 质谱技术的进步允许对蛋白质组进行广泛和无偏见的调查( 478)。使用这种方法,一些研究报告了由线粒体和遗传 DNA编码的骨骼肌代谢蛋白质在训练后的变化,这一发现与转录组数据集一致(357,586,1109,1160)。循环血浆蛋白质组也反映了活动状态对线粒体蛋白质的积极影响,以及炎症、免疫和应激反应蛋白质的减少(1149)。单肌纤维蛋白质组学也得到了发展(948)。将此技术应用于人类时,它揭示了慢肌和快肌中糖酵解以及肌节伴侣蛋白通路上的差异( 950)。这些方法无疑将有助于评估肌纤维类型特异性蛋白质组变化和运动适应。此外,最初为基因表达数据集开发的非特异性生物信息学管道(例如,加权基因相关网络分析)可以相对容易地应用于蛋白质组和其他高通量数据集(1149)。
磷酸化和乙酰化等翻译后修饰的测量提供了额外的信息层和生物复杂性。磷酸化通常是可逆的,并且调节(例如,构象变化、酶激活、亚细胞定位、降解、稳定性等)蛋白功能的多个方面。Hoffman等人的一项小型但具有开创性的研究确定了高强度运动后人类骨骼肌磷酸化蛋白质组的变化( 576 ):这项工作概述了由多种激酶途径介导的磷酸化事件的复杂网络。 后续研究将该数据集与小鼠和大鼠的磷酸化蛋白质组学相结合,以确定运动响应的腺苷酸活化蛋白激酶( AMPK )依赖的钙库操纵性钙内流调节( 967 )。与激酶催化的磷酸化事件不同,非组蛋白上赖氨酸残基的乙酰化被认为是由非酶质量作用介导的( 1381 )。对乙酰化赖氨酸残基进行亲和纯化,然后进行质谱分析,可以对乙酰化组学( 543 )进行无偏的调查。鉴于乙酰化在线粒体动力学和代谢中的作用( 338、1264、1429),评估乙酰化组学将可能是运动生物学中一个有价值的工具。
最后,蛋白质易受活性氧和活性氮的修饰,统称为氧化还原修饰。已知这些过程有助于与年龄相关的肌肉丢失和萎缩( 1139 )。利用半胱氨酸残基上自由巯基的差异标记的基于质谱的技术现在已经被开发出来,研究的重点是衰老小鼠骨骼肌( 867、1221 )中的氧化还原修饰。未来该技术和其他蛋白质组学技术在人类运动中的应用可能会揭示急性反应和长期适应的转换器。
代谢组学
急性和慢性运动诱导的能量底物利用通量( 584 )都可能反映在体循环或特定组织的代谢物库中。与蛋白质组学一样,质谱技术的进步允许对受运动影响的代谢物进行有监督(有针对性)和无监督(无偏倚)的调查。例如,Lewis等在Vo2max测试后观察到循环乳酸、腺嘌呤核苷酸分解代谢物和三羧酸循环中间产物( e. g . ,琥珀酸,丙酮酸,苹果酸)的急性增加,以及马拉松跑后糖异生氨基酸的减少( 786 )。 长期( 6个月) AE训练后,循环代谢物的变化与心肺耐力( 147 )和胰岛素敏感性( 604 )的变化有关。因此,循环代谢组可能是评估运动对健康和疾病影响的一种可行的方法。自然地,代谢组学也可能应用于感兴趣的组织,如骨骼肌( 603 )。
脂质组学
质谱技术也可应用于脂质种类( 519 )的测定,包括结构(磷脂类、鞘脂类等。)和信号(前列腺素、白三烯等。)分子。最常见的是,该技术涉及有机萃取,然后在质谱分析之前进行液相色谱( LC )步骤。该方法已被用于表征临床前模型和人类( 768、850、885、1178、1239)中运动诱导的骨骼肌脂质变化。值得注意的是,线粒体结构脂质心磷脂水平的变化已被证明与体重下降和中等强度AE训练( 258、885)后的线粒体能力有关。另一些研究表明,单次AE ( 1239 )后,信号脂质12,13diHOME急剧上升。 最近,一种更全面的脂质组学方法被开发出来:去除LC步骤有可能鉴定出一系列传统方法遗漏的脂质种类( 520种)。该方法最近被用于测量骨骼肌中的脂质,包括运动后的( 1053、1331)。
章节摘要
过去50年间,研究人员已开发出一系列复杂的生物样本采集、处理和全面分析技术(图4)。除了转录组学、甲基化组学、蛋白质组学等分子图谱技术外,内部因素[如肠道微生物组(1421)]和外部环境因素[如"暴露组"(88)]对运动个体反应差异的调控作用仍有待探索。目前,我们生成数据的能力已超过解读研究发现的能力。与遗传数据类似,代谢组学和脂质组学数据集的解析可能受限于参考数据库的物种匹配范围,因此持续扩充这些数据库资源将具有重要意义。为此,进一步发展数据驱动和知识驱动的生物信息学分析工具,将有助于扩展、整合和解读运动研究中的多组学数据集(532)。
🎯骨骼肌对运动的适应
出于显而易见的原因,骨骼肌一直以来都是研究运动适应性机制的重要靶组织。以本特·萨尔丁(Bengt Saltin)、约翰·霍洛西(John Holloszy)、大卫·科斯蒂尔(David Costill)等先驱者开展的早期研究,揭示了长期训练和急性运动对组织学及细胞表型的关键影响。
自这些开创性研究以来,学界对骨骼肌分子生物学的认知已得到全面拓展。骨骼肌对训练、过度训练、停训、卧床休息、卸载及微重力等干扰表现出的可塑性令人惊叹。更重要的是,骨骼肌不再仅仅被视为运动器官,更被重新定义为内分泌器官、免疫储备库以及生理健康的指示器。
骨骼肌的结构和功能
肌肉占总体重的40%至50%(428)。在系统水平上,肌肉是 一种分层结构,由结缔组织(称为肌束膜)分隔成腱束。腱束由肌纤维组成,肌纤维由肌原纤维组成,肌原纤维包含一个称为肌节的收缩单元。在这个结构中,来自神经支配神经元的动作电位的接收被转化为从肌浆网释放钙,这使得收缩装置的主要纤维之间发生相互作用(24,484)。总结一下由 Huxley和Hanson(616)引入的精妙概念,肌球蛋白丝在交错的肌动蛋白上滑动,这个过程使肌节缩短,肌肉“收缩”。 在收缩期间,肌动蛋白和肌球蛋白之间的物理相互作用不断断裂和再生,这个过程称为横桥循环。这个过程需要能量,而给定肌球蛋白异构体通过氧化磷酸化产生必要ATP的能量系统决定了其代谢表型(753)。例如,肌球蛋白重链(MHC)I优先利用氧化磷酸化,而MHC II具有更高的糖酵解ATP酶活性。
除了具有精密的收缩和运动机制外,骨骼肌组织还包含多种其他细胞类型,如卫星细胞、巨噬细胞、内皮细胞、周细胞等(1127)。肌肉本身被视为合胞体:每个肌纤维都是多核的。 因此,肌肉细胞核可能能够对特定刺激(如运动或负荷)协调广泛而整合的响应。肌肉分泌物(如肌细胞因子(1020)和外泌体样囊泡(1423))对适应的影响程度仍在阐明中。最后, 肌肉丰富的蛋白质含量使其成为生物体主要的氨基酸库( 428,1438);因此,在需要大量持续免疫反应的条件下,肌肉是常见的受害者。虽然肌肉的复杂性带来了独特的方法学挑战,但其对运动、表现和健康的相关性、易于获取以及丰富的研究历史,使该领域对其在有氧运动(AE)和抗阻训练( RE)中的适应性(图5)有了认识,并热衷于继续探索未知。
骨骼肌对有氧运动的适应
在骨骼肌中,对AE训练刺激的分子和组织学适应已经得到了经典的研究。AE性能取决于高氧化能力和燃烧经济性,肌肉水平的适应性对这两个因素都有贡献。更重要的是,骨骼肌的最大代谢能力( 33 )和血流量( 756 )超过了心输出量所能达到的生理范围,表明在大多数环境(明显的异常是高空氧分压低)中,生理上限存在于肌肉本身之外。然而,全身耗氧量与肌肉氧化能力的分子指标高度相关,包括参与氧化磷酸化的琥珀酸脱氢酶( 277 )和柠檬酸合成酶( 1368 )等酶的活性。 尽管有方向性的相关性,但这些结果中可塑性的幅度差异很大:戈尔尼克等人发现5个月的AE训练诱导了25 %的Vo2max增加,但琥珀酸脱氢酶活性增加了95 %,磷酸果糖激酶活性增加了116 % ( 469 )。这些适应可能会促进长期AE中常见的次极大值活动,从而提高能量生产和利用效率。
肌纤维适应
除了具有特征性地更小(∼10%–20% vs. IIa 型)和力量较弱 (∼5‐倍低于 IIa 型)之外,I 型肌纤维比其快肌纤维对应物 (404)更不易疲劳。在人类中,有氧运动训练通常不会诱导 II 型到 I 型的转变(1322),尽管偶尔有报道称这种情况( 708)。此外,混合(例如,IIa/IIx 或 I/IIa)纤维可能向纯 I 型肌纤维表型转变(1322)。报告有氧运动训练个体中 I 型肌纤维分布更高的横断面研究(470)并不能完全排除具有不同慢肌与快肌比例的个体会自我选择特定运动模式的可能性。 事实上,对运动成功的遗传倾向一直是学术研究的一个领域 (623)。观察到的差异不太可能是长期训练的效果,因为终身有氧运动训练的老年人并没有表现出比同龄对照组更高的 I 型肌纤维比例(498)。II 型肌纤维发生选择性年龄相关性萎缩和细胞凋亡的现象为这种比较增加了额外的复杂性(979, 1105)。虽然临床前研究已经确定了一些导致氧化型肌纤维表型的分子决定因素(例如,MEF‐2)(1063, 1452),但尚不清楚这些因素是否在成人人类肌肉对运动的适应中发挥相似的作用。为了说明潜在的关联,肌肉卸载,一种诱导人类慢肌到快肌转变的刺激(133, 1324),已被发现与 MEF‐2 的抑制有关(1130)。
在细胞水平上,有氧运动训练会在 I 型肌纤维的结构和功能上引起重要适应。一些证据表明 I 型肌纤维直径的减少( 1322,1427),这种对于减少供氧毛细血管和肌纤维中心的扩散距离被认为是有益的。然而,这并非普遍发现(469,522,1075)。此外,通过有氧运动训练增加肌肉毛细血管可能会与肌纤维肥大保持同步或超过,因此血液供应的不足不太可能造成尺寸限制(708)。肌纤维功能, 如缩短速度(405,522)、力量(498)和氧化能力(544), 在有氧运动中通常会得到改善或保持,其中最显著的效果通常报道在 I 型肌纤维中。有氧运动中常见的减量期训练似乎对 IIa 型肌纤维有额外的效果,这些效果可能有助于运动表现 (523,824,1319)。因此,尽管骨骼肌的经典架构通常被过度设计(35,139),但长期训练会在肌细胞水平上产生有益效果。
线粒体生物发生
作为ATP产生的场所,肌肉线粒体形成一个密集且活跃的网络, 支持骨骼肌的生物能量需求(535)。早在20世纪50年代,基 于动物的研究就证明了有氧能力与呼吸酶含量之间的关系( 760,1012),这导致了一系列研究考察AE对各种组织和人群中线粒体生物发生的影响(344,472,809,1132)。对AE的反应增加线粒体生物发生可能反映为线粒体DNA( mtDNA)拷贝数的变化(884,1431)。类似地,膜磷脂心磷脂可用作线粒体含量的标志物(883)。与未训练个体相比, AE训练个体的拷贝数升高了 >50%(1079),并且可能在短期训练后的老年人中增加(883)。这些效应被认为是由于运动后mtDNA转录的急性“爆发”(426,1033)的结果。
线粒体蛋白质编码在核和线粒体基因组上(424)。从机制上讲,关于这些因子的转录和调控,许多发现都是通过动物模型进行的,后来在靶向研究中被翻译到人类身上。核呼吸因子(NRF)和雌激素相关受体(ERRs)等转录因子家族是核编码线粒体基因转录的关键调节因子(465,1154)。NRF和 ERR已被证明在有氧运动(AE)反应中增加(204,398)。 线粒体编码基因的转录主要由线粒体转录因子A(Tfam)调节(465,1373)。Tfam在高度抗阻训练成人的骨骼肌中表达更高(1323),但急性有氧运动并不始终导致Tfam在 mRNA(260,1061)或蛋白(490)水平上调。
过氧化物酶体增殖物激活受体‐γ 共激活因子 1α (PGC‐1α)等共激活因子与这些转录因子相互作用,以促进在有氧运动(AE)反应中增加线粒体数量、大小和蛋白质含量 (62,273)。急性(521,1050)和慢性(490,1131, 1323)有氧运动都刺激人体骨骼肌中PGC‐1α 的表达。P GC‐1α 可能通过替代剪接机制被加工成四种转录本(PGC‐1α14),具有不同但重叠的生物学作用(856):PGC‐1α1 似乎对有氧代谢适应最重要(273,801),而PGC‐1α4 被认为在肌肉肥大中发挥作用(1126)。PGC‐1α 同工型家族也部分控制骨骼肌中的关键代谢过程,包括脂质氧化(600)、线粒体自噬(1344)和血管生成(43,240),通过上调VEGF。
线粒体动力学
除了线粒体生物发生增加外,线粒体体积和连接性的动态变化伴随着肌肉对AE的适应(50,59, 914)。涉及内、外线粒体膜蛋白的关键过程,线粒体可以结合在一起(融合)或分裂开来(分裂),这取决于细胞能量状态(45, 366, 410)。在一个平衡的过程中,融合和分裂维持着整体线粒体功能,作为细胞循环新形成的线粒体进入线粒体库的机制,同时受损/功能障碍的线粒体经历自噬(45)。
分裂通过动力蛋白相关蛋白1(DRP1)的磷酸化来促进, 然后DRP1与外膜受体结合,如线粒体分裂1蛋白(FIS1)或线粒体分裂因子(MFF)(998)。在人类肌肉中,DRP1活性在急性有氧运动和慢性有氧运动后增加(734)。当外膜GTP酶线粒体融合蛋白1和2(MFN1和2)二聚化并将两个线粒体拉在一起时,会发生线粒体融合(410)。内膜隔室随后通过视神经萎缩1(OPA1)连接(836)。研究表明,分裂和融合的标志物在有氧运动训练后均升高(721,1033)。对老年人的研究表明,长期有氧运动训练似乎促进融合,因为融合蛋白与分裂蛋白的比例增加。这些变化与代谢功能的改善有关,包括胰岛素敏感性和葡萄糖处理能力(50,59,385,1456)。虽然这些和其他(1212, 1213,1273)改善氧化能力的潜在机制因素已在动物骨骼肌中确定,但仍有必要继续研究,以完全阐明线粒体生物发生和动力学如何影响健康和疾病中的运动训练适应。
亚细胞适应
作为横桥形成的调节器,钙在骨骼肌细胞内信号传导中起着关键作用。在运动期间,动作电位沿着骨骼肌的横管传播,激活二氢吡啶受体。这促进了肌浆网通道ryanodine受体1( RYR1)的开放,导致胞质钙增加(24, 484)。当然,钙释放、 肌肉收缩和钙重新捕获在能量上是昂贵的。因此,提高氧化磷酸化的能力对于骨骼肌支持长时间重复收缩至关重要(233, 582, 585)。CaMK家族在钙感知中发挥作用,其下游效应与 AE相关。在小鼠中,CaMK IV激活PGC‐1α 和相关下游通路, 导致线粒体生物发生(1451),而CaMK II与结构和收缩适应相关(363)。CaMK II是人类肌肉中表达的主要异构体( 1119, 1120)。基础CaMK II磷酸化在AE训练后(1061, 111 8)以肌肉特异性的方式升高(1118);急性AE也会导致 CaMK II活性增加(1119)。
1982年,Davies等人报道了一种与组织损伤性运动相关的分子特征(308)。自那时起,活性氧(ROS)和活性氮在运动引起的通讯和信号转导中的作用引起了关注(1067, 1068)。例如,超氧阴离子(O2−)在各种骨骼肌结构中产生, 如肌浆网、横管、肌膜,以及(最常见的是)线粒体电子传递链的复合物I和III(85)。活性超氧阴离子可以自发地或通过 酶促反应歧化为过氧化氢(H2O2)。在动物中,促进歧化的机制在II型肌纤维中更丰富(36)。值得注意的是,H2O2 是一种弱氧化剂,可以与许多信号通路反应以促进线粒体健康 (383,628,629,1067,1364)。在人类中,过氧化氢 (H2O2 )的排放在不活动期间升高,并通过有氧运动训练降低(487)。另一种关键的信号分子是NO,它由氨基酸L‐精氨酸通过四种一氧化氮合酶(NOS)异构体之一转化而来; NOS1和NOS3是骨骼肌产生的最普遍的异构体(457,938)。当NO在有氧运动响应下在骨骼肌中增加时,它可能通过PGC‐1α促进线粒体生物发生 (807)。或者,NO可能与分子氧反应形成氧化剂过氧亚硝酸盐,这可能导致炎症(1272)或细胞毒性(938)应激。
虽然这些因素已知会促进线粒体周转和运动适应(1067), 但它们在骨骼肌适应中的全部功能是一个复杂且激烈争论的研究领域(200)。一些证据表明,骨骼肌会通过增加内源性ROS清除来应对训练引起的氧化应激升高,这体现在超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)和线粒体生物发生标志物的表达增加(1102)。然而,外源性抗氧化剂 (例如,维生素C和E)补充剂是否在早期适应窗口期间有害, 目前仍不完全清楚。Ristow等人发现,虽然四周的有氧运动改善了受训和未受训男性的葡萄糖和脂肪酸代谢、胰岛素敏感性和抗氧化防御,但维生素C和E阻断了这些有利的代谢适应 (1102)。尽管这些因素中的一些在受训个体的肌肉中基线表达更高(Vo2max ∼20%高于未受训者),但这并未进行统计学评估。相反,Bente Pedersen及其同事进行了一系列研究, 综合表明维生素C和E补充剂对健康年轻男性的有氧能力、线粒体适应、超氧化物歧化酶活性和胰岛素敏感性增加没有影响 (1460,1462),尽管它确实改变了肌肉炎症信号传导( 400,401,1461)。最近的研究表明,抗氧化剂会削弱其他几种细胞适应的长期增加,而不管其对全身或线粒体有氧能力是否有任何负面影响(927,1013)。值得注意的是,然而, 许多研究仅基于Vo2max评估表现,而代谢效率(即跑步经济性)是有氧表现同样重要的决定因素(96)。鉴于长时间有氧运动特有的代谢应激(529,975,1357),外源性抗氧化剂补充剂的亚细胞效应可能在不同长时间事件中表现出差异。 这一领域显然需要进一步研究,特别是考虑到性别、年龄和/ 或训练状态的明显影响(141,329)。
肌细胞因子
骨骼肌在细胞内通讯中的作用通过一类被称为肌细胞因子( myokines)的因素得到说明,肌细胞因子是信号分子中的一种肌肉特异性亚类(cytokines,1023)。这些因子最初被表征为协调免疫细胞运动性、激活和功能的作用(1385),但对其广泛行为的知识已呈指数级增长。此外,细胞因子命名法已根据需要进行修订以应用于其他组织类型(例如,脂肪因子、肝脏因子)交换的信号分子(e.g., adipokines, hepatokines),而肌细胞因子现已扩展到包括所有由肌肉产生和释放的因素,包括脂质衍生的分子和其他代谢物。IL‐6是第一个被确定为肌细胞因子的信号因子(997):现在已知它具有与骨骼肌相关的多种功能, 包括促进和缓解运动诱导的炎症(1019)、蛋白质平衡( 508,1348)和能量代谢(549,1440)。急性运动(acute AE)激活骨骼肌的转录和IL‐6、其他肌细胞因子(包括但不限于IL‐10、IL‐4和IL‐8(220,820,977,978,1241)的分泌。
肌因子峰值活性出现的时间点在运动后似乎因刺激的强度和持续时间而异。例如,通过肌肉活检的时间进程系列, Louis等人发现,在30分钟的有氧运动后,肌肉IL‐6基因表达在24小时内升高,但在8小时时间点达到峰值(820)。 Steensberg等人证明,在3小时的膝关节伸展运动周期开始30分钟后,肌肉IL‐6增加,并在运动停止时仍显著升高( 1248)。此外,训练状态也可能在急性运动的肌细胞因子反应中发挥作用(402)。即使之前只暴露于相同的运动周期一次,也可能影响肌细胞因子的产生(330,602)和释放( 571,881),即使间隔长达4周。在另一极端,有终身有氧运动史的男性对不习惯的负荷刺激的炎症反应不如同龄的非运动者强烈(757)。有必要继续研究以阐明这种效应对免疫健康和/或肌肉适应的影响。
采用组学方法的研究扩展了关于骨骼肌产生和分泌的肌细胞因子全范围的认知。例如,Pourteymour等人应用RNA测序技术发现了肌肉“分泌组”(1064),并揭示了巨噬细胞集落刺激因子‐1在AE+RE训练反应中的重要作用。 这和其他与免疫细胞产生交流的分子(904,1259)鉴于巨噬细胞生物学在炎症消退和骨骼肌再生中的作用(228,691), 很可能在运动对肌肉的适应中发挥作用。肌因子动力学、靶细胞生物学和表型影响(例如,年龄、训练状态)的复杂相互作用显然需要通过组学平台的综合应用进行持续研究。
抗阻训练对骨骼肌的适应
骨骼肌组织固有的高度可塑性在适应抗阻训练时最为明显,其中肌肉对抗负荷收缩。经典地,抗阻训练涉及对肌肉的渐进性超负荷以挑战稳态并触发导致结构和生理适应的多种分子通路 (76, 647, 758, 1107)。一个抗阻训练标志性的适应之一是骨骼肌质量的增加,即肥大( 76, 531, 647, 758, 1107)。鉴于骨骼肌质量与健康寿命的增加、对各种疾病(97, 758, 1309)的保护以及感染、住院和手术后的更好生存结果相关,研究重点已转向识别和理解抗阻训练诱导的肌肉肥大的机制。然而,骨骼肌健康的其他维度 (例如,力量、疲劳性、燃料经济性)也是常见的抗阻训练结果。
组织学和细胞适应
除了整个肌肉尺寸增加外,肌纤维横截面积通常随着RE训练的增加而增加(1016)。一些研究表明,这在IIa型肌纤维中最为明显(1244,1246)。根据运动神经元放电的大小原则, 较高的RE负荷需要募集具有较高放电阈值的肌纤维,即II型肌纤维(880)。事实上,大多数研究表明,较高的负荷会引发更多来自II型肌纤维的能量贡献(471,496),从而产生更明显的分子反应(1091)。新兴的研究正在调查在较低强度下至力竭(933)或伴有血流限制(1167,1201)时是否可以实现类似的效果。虽然完全的慢速到快速转变并不常见,但RE训练会导致IIa型肌纤维分布的增加,这通常是以混合型或IIx型肌纤维为代价(1244,1246)。除此之外,RE训练使肌纤维能够同步收缩,这是由于潜在的神经适应以提高运动效率 (1,1140)。在肌纤维内,生理参数,如无负荷缩短速度和力量,在RE训练后都会增加,尽管这些模式在生命的第九十年并不持续(1090,1216),这表明肌肉可塑性可能存在年龄相关损伤。因此,虽然RE训练对整个衰老过程中肌肉质量和功能的维持很重要(758),但有证据表明,RE方案必须在中年至少开始并持续到晚年。对终身RE训练个体的肌肉和其他健康表型的进一步研究可能会阐明在整个衰老过程中维持一生峰值肌肉质量的最佳策略。
肌肉蛋白质平衡
骨骼肌质量受肌肉蛋白质合成与分解的平衡调节。自然地,当合成速率超过分解时,正的肌肉蛋白质平衡会产生增加的整体肌肉蛋白质积累(297,309,872,1043,1256)。在健康、 无疾病、正常条件下,有氧运动对肌肉蛋白质合成的影响比蛋白质分解更显著(56,467,741)。事实上,一次急性运动足以成为刺激并增加蛋白质合成,持续长达48小时(297),有利于正的净蛋白质平衡。短暂的肌肉蛋白质合成升高最终会在急性运动后恢复到基础水平。因此,为了促进长期肌肉肥大,有必要进行重复的练习(即训练)。先前研究表明,肥大反应的幅度由急性肌肉蛋白质合成的变化预测(157,296),但其他人发现并非如此(905)。这些差异可能与用于定量蛋白质合成的方法(输注方案vs .富氘水),选择的采样时间范围,参与者人口统计学(年龄、性别、训练状态) 有关。(296),以及其他内在因素(例如,个体基因型、表观遗传效应等)有关。尽管对RE的肥大反应范围很广,但共识是蛋白质合成标志物至少在定性地预测长期肌肉肥大(157,296,297,905)。因此,通过测量肌肉蛋白质平衡与已知影响合成和/或分解的分子因素丰富度相结合,可以提供最清晰的RE影响图景。
蛋白质翻译效率
除了收缩蛋白肌动蛋白和肌球蛋白外,骨骼肌肥大还依赖于能够执行多种肌肉功能的蛋白质的供应增加。为了产生功能性蛋白,肌肉必须能够以有效的方式翻译在抗阻训练(RE)反应中上调的新生转录本(mRNA)。所谓的“翻译效率”可以定义为骨骼肌细胞(868)的mRNA翻译速率。目前的理解是, 翻译效率的变化主要由多种分子通路介导,包括磷脂酰肌醇3‐激酶(PI3K)、蛋白激酶B(Akt)和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)。特别是,mTOR靶向p70S6激酶(p70s6k) 以及真核翻译起始因子结合蛋白‐1(4E‐BP1)。这些因子的活性在急性(607, 905, 1297)和慢性(530)抗阻训练后上调。
蛋白质翻译能力
除了翻译途径中酶和其他因素的丰度增加外,翻译mRNA的整体能力是蛋白质合成中的限速步骤。负责翻译的高度保守的细胞器是核糖体,它是由核糖体蛋白和单链rRNA融合成不同的亚基,这些亚基定位mRNA,同时促进特定的tRNA结合以产生氨基酸序列。虽然整体肌肉RNA库由rRNA、mRNA、 tRNA和其他非编码RNA种类(395)组成,但rRNA约占总量的大约80%。因此,评估整体RNA含量可以作为核糖体含量的替代指标,并间接地反映肌肉蛋白质合成调节能力的指标(155,217, 395)。
核糖体库的增加(即核糖体生物合成)需要多种通路精细而协调的过程。简而言之,这涉及核糖体DNA(rDNA)的转录,随后是rRNA及其核糖体蛋白的处理、成熟和组装(1 55, 395)。研究表明,急性抗阻训练可以上调这些通路中的某些通路,促进分子环境以促进核糖体生物合成(396, 397)。 例如,Figueiredo等人(397)证明了核糖体DNA转录因子 (如上游结合因子(UBF)和c‐Myc)的磷酸化增加,以及UBF和转录起始因子(TIF)‐IA的总蛋白水平增加;这些变化伴随着pre‐rRNA‐45S的增加。在慢性抗阻训练暴露下,与核糖体生物合成相关的因子的急性升高导致总RNA浓度和骨骼肌中的rRNA密度增加(157, 396, 517, 1094, 1244),从而增加了支持肥大的整体能力。肌肉细胞培养模型证实了核糖体在缺乏全身影响时对肌肉肥大的重要性:体外肌管生长可能完全被mTORC1抑制剂雷帕霉素(956)或负责rRNA转录的DNA聚合酶I的抑制所阻断(1244)。
人类研究已证明核糖体密度与抗阻训练诱导的肥大程度之间存在关联(396,517,908,1244)。例如,Stec等人使用 总肌肉RNA作为核糖体密度的替代指标,发现经历最强烈肥大反应(“极端反应者”)的个体不仅基线时核糖体密度更高, 而且训练后核糖体密度也升高,表明核糖体生物合成,而与对抗阻训练反应较差的个体相比(1244)。这些结果与 Mobley等人(908)的研究结果一致,他们证明只有肌肉质量有中等至大幅度增长的个体在抗阻训练干预后总RNA浓度增加。核糖体生物合成,或者至少是翻译能力,被认为是年轻和老年个体对抗阻训练肥大反应差异的潜在原因:数据支持老年个体可能比年轻成人表现出减弱的肥大反应。潜在原因可能是老年个体与核糖体生物合成相关的分子通路激活受损(例如, c‐Myc基因表达和c‐Myc及TIF‐IA的总蛋白水平)(156)。 类似地,其他人发现只有中年成人单次急性抗阻训练后45S前体RNA表达增加,而老年个体没有(1245)。许多其他潜在的机制被认为在减弱与年龄相关的RE训练反应中起作用,包括激素环境中的(但不限于)变化( 638 ),氧化应激( 656 )和慢性基础肌肉炎症( 757、886 )。
卫星细胞和肌原性程序
人类研究中关于肌肉纤维数量增加(肥大)以响应抗阻训练的证据有限。然而,渐进性超负荷会导致最终需要关键结构变化的压力:向成熟肌肉合胞体添加细胞核。每个肌核被认为负责 (并且只能)协调其“肌核领域”内有限体积细胞质中的稳态过程(533,663,1039)。因此,随着抗阻训练后肌纤维大小增加,现有肌核数量可能最终成为限制因素。新的肌核添加到骨骼肌依赖于称为卫星细胞(SCs)的特殊单核干细胞样细胞,它们位于肌膜和基底膜之间(862)。在静息状态下,卫星细胞处于静止状态,但在响应阻力训练等机械应激等运动刺激时被激活。激活的卫星细胞可能会增殖,然后与现有的肌纤维融合,捐赠其细胞核,或者返回静止状态,重新加入卫星细胞库(225,349,533,534,1014,1227,1463)。
抗阻训练促进了一系列被认为对调节卫星细胞周期至关重要的因子的协调增加,例如机械生长因子(MGF)、肝细胞生长因子和肌调节因子:例如,MyoD、肌细胞生成素、肌生成因子(Myf)‐5和‐6增加,肌抑制素减少(75, 871, 993, 1227, 1463)。除了这些分子因素外,研究通常使用免疫染色对其特征性标记CD56或配对盒蛋白7(Pax7)进行组织学肌肉制备中的卫星细胞含量检测(390)。多项研究表明,卫星细胞池在急性(345, 964, 1228)和慢性抗阻训练(295, 908, 1039, 1229, 1360)的刺激下均会扩张。此外,一些研究显示长期肥大与卫星细胞池的扩张相关(104, 1038, 1039, 1361, 1362),而另一些研究则表明基础卫星细胞池大小同样重要 (1039)。然而,仍有一些研究未观察到卫星细胞数量与抗阻训练相关肥大反应程度之间的显著关系(908)。
尽管急性和慢性RE对卫星细胞动力学有明显影响,但肌核添加的必要阈值仍不明确(946)。虽然之前的估计认为肌纤维大小增加约25%就需要肌核添加(664),但最近的一项荟萃分析表明增加超过10%就足够了(263)。即使在这次荟萃分析中,肌核添加反应似乎与细胞需求相匹配,即在约20%的肌纤维肥大时添加的肌核比在10%时更多。此外,肌纤维类型可能在这个过程中发挥作用: 一些研究发现,I型肌纤维比II型肌纤维更可能增加肌核数量(104, 924, 1229)。这可以用II型肌纤维更高的肌核领域上限或肌纤维类型之间的典型结构差异来解释;例如,I型肌纤维倾向于位于更多肌肉毛细血管附近,这可能更有效地传递激活卫星细胞的因子(648, 963)。 虽然添加肌核到现有肌纤维的阈值目前尚不明确,但骨骼肌能够在没有立即添加肌核的情况下管理抗阻训练诱导的稳态扰动,这表明卫星细胞融合是一个更稳定的改变,或者它们在抗阻训练后的高度活跃可能服务于不同的生物学目的(946)。
重要的是,卫星细胞在抗阻训练引起的肥大反应中的作用受到了越来越多的关注。动物模型为卫星细胞的机制操作提供了途径,例如使用他莫昔芬诱导的肌肉特异性Pax7敲除小鼠。 使用这种设计,McCarthy等人(866)发现,在成年小鼠中耗尽约90%的肌肉卫星细胞库至少不会损害肥大能力,至少在短期(即2周)机械超负荷刺激的情况下。相比之下,Fry等 人(429)表明,在卫星细胞耗尽的动物中,长期肥大(即8 周)有所减弱。因此,前一项研究中达到的肌肉肥大可能不足以超过需要通过卫星细胞融合添加新的肌核的阈值。除了继续研究肌核领域这一概念外,发现其他在肌原性程序中起作用的因素可能是有用的,特别是作为对抗阻训练反应不佳的个体的潜在靶点。
章节摘要
骨骼肌质量和功能对于运动显然很重要,但现有证据支持组织内的分子环境对于健康功能同样关键。尽管几十年来的人类运动研究已经详细阐述了骨骼肌对有氧运动(AE)和抗阻训练 (RE)的分子转导器,但对肌肉在生理学中作用的理解正在迅速增长,这些作用已超越了运动和收缩。例如,肌肉与其他器官系统交流的机制仍在阐明中。鉴于骨骼肌组织易于获取, 并且它可能提供对整体健康的洞察,继续研究其对急性运动和慢性运动的分子特征反应,可能会为改善个体运动耐受性和反应性的治疗靶点提供指导,特别是在发病率和疾病背景下。
🎯心血管系统对运动的适应
心血管系统通常被认为是运动表现的主要限制因素(35), 并且是整体有氧能力的关键决定因素,有氧能力是衡量全身健康状况的指标(954)。运动(尤其是有氧运动)需要持续、升高的心输出量,降低外周血管阻力,并增加血液回流到心脏的静脉回流,使心血管系统适应增强的机械和代谢需求。 除此之外,使用心电图、血压和循环代谢标志物评估心血管功能的方法相对成熟且易于获取。因此,心血管系统在运动背景下是经常被研究且被充分理解的系统。
有氧运动的心血管适应
心室形态
对慢性有氧运动(AE)的适应高度研究,包括生理性心脏肥厚(551, 1114)、增加心肌氧供、血流和运输能力、增加血管大小以及改善内皮功能(551)。特别是左心室(LV),其 作用是将富含氧气的血液泵入主动脉以输送至外周,其大小 (体积性肥厚)和壁厚度(结构性肥厚)通常都会增加( 1412),这是由心肌细胞大小(545)增加驱动的。这个过程被称为心脏重塑,这是为了满足运动期间(840, 1359)更高组织耗氧率相关的高度生理需求而引起的。
心脏重塑传统上被分为向心性或离心性(1179,1359)。 在生理条件下,向心性生长通常定义为LV壁厚度增加比内径增加更大,而生理性离心性生长则特征在于LV内径和壁厚度均增加(1359)。这些适应的时间进程并非均匀线性。例如, 年轻久坐的男性和女性进行一年的高强度有氧马拉松训练会逐渐增加左心室和右心室质量;然而,LV体积直到训练六个月后才会出现显著增加(44)。此外,适应很容易逆转:尽管有时在训练两到三个月内积累,但在去训练几周内可能就会减少(360,686,851)。
心脏重塑受血流动力学力(如流量、压力、拉伸、应变和 压缩)等机械性刺激的影响 (166, 492)。这些血流动力学力对心血管系统的组合和/或贡献建立了适应的适当参数 (1359)。 因此,运动类型和方法影响生理性心血管适应。在纯粹的有氧活动中,心率、静脉回流和收缩力均高于休息水平;然而,即使在这个广泛的类别中,也存在重要区别。例如,尽管跑步和划船都是有氧运动 (AE) 活动,需要大量的心血管成分,但下游对心脏重塑的影响可能差异很大(图6)。划船与体积(等张力)和压力 (isometric) 应激相关,而跑步则主要涉及心脏上的等张力。因此,在这两种方法中,高度训练的个体表现出更大的左心室容积 (LV volumes) (341),但划船运动员的左心室质量 (LV mass) 更高 (1399)。
心肌细胞适应
心肌细胞大小的增加驱动LV肥大( 1179、1359),并被认为是AE训练( 420、678、1066)的标志性特征。与骨骼肌一样,心肌细胞终末分化,运动训练后主要表现为体积的增加而不是数量的增加。然而,动物的AE训练已被证明通过一系列心肌细胞生长因子,包括神经调节蛋白( NRG ) - 1,骨形态发生蛋白- 10和Periostin ( 1398 ),增加了新形成的心肌细胞,血管生成和其他心肌重塑的参数。对心肌细胞生理学的研究自然仅限于临床前模型,但对潜在的适应机制提供了重要的见解。 例如,在大鼠中,AE增强收缩力和钙处理( 961、1393、1437)。除了心肌细胞肥大之外,传播这些效应的分子线索是广泛的,并且可能因运动类型( AE vs RE)、血流动力学应激导致的肥大结果(向心性vs .离心性)和其他表型变量而异( 840 )。
虽然心肌细胞是成年人心脏肥厚的主要原因(784),但有证据表明其他心脏细胞类型也会适应运动训练,并可能是其他有益训练效果的基础。例如,成纤维细胞负责产生和释放血管生成因子,包 括VEGF和基质金属蛋白酶(MMPs)(1074)。此外,成年内皮心脏干细胞可以通过增加心脏负荷(平滑肌细胞和内皮细胞)被激活,向心肌细胞谱系分化(1341)。在外周,内皮祖细胞(EPCs)受到有氧运动(AE)和抗阻训练(RE)的影响(431,1086),这种影响受运动持续时间和强度的影响 (431,755)。源自骨髓干细胞(782),EPCs参与调节大血管和微循环扩张。EPCs参与血管修复和血管形成,并在运动训练的刺激下具有分化为成熟内皮细胞的能力(51)。在外周血液中,EPC浓度随有氧运动(AE)增加(1086),表现为常见表面标记CD34(51)的存在增强。此外,EPCs可能分泌VEGF和粒细胞集落刺激因子,导致新生血管形成(51)。
动脉适应
动脉构成外周循环的第一分支,负责将血液从心脏输送到其他器官。除了基础心输出量增加约五倍外,运动还需要高度调节地将血流重新分配到收缩的肌肉,而不是内脏器官、大脑等 (431,1124)。为了促进这种重新分配,传导动脉和阻力动脉都在调节血流中发挥作用(551)。传导动脉具有高度弹性, 处理来自主动脉的最高压力负荷;因此,主要传导动脉的运动诱导适应一直是临床关注的领域。Hambrecht 等人的一个标志性研究调查了血流动力学力对冠状动脉(514)血管功能的作用,该冠状动脉为心肌供血。他们证明,在稳定冠状动脉疾病患者中进行四周的运动改善了内皮依赖性血管舒张能力( 514)。其他人已经说明,运动改善了冠状动脉直径和血流 (343,492)。
此外,Dinenno等( 334 )发现AE增加股动脉重塑,Miyachi等( 907 )报道AE诱导的股动脉大小增加与局部血流量增加有关。此外,运动训练可能促进健康人群( 810人)和肌肉减少性肥胖女性( 1007人)的颈动脉内流量增加。这些训练诱导的改善可以促进能量底物的有效传递,提高代谢副产物的清除能力,并降低内皮剪切力,后者被认为是导致内皮细胞功能受损的原因( 494 )。
阻力动脉主要负责引导血流 (244),并且可以使用容积描记法 (659) 或血流介导的舒张 (1310) 来评估人类。血流动力学力对于血管适应至关重要:在急性运动期间,心率增加和血压升高会对心血管系统施加循环周向应力。在一个复杂的通路中,内皮细胞通过上调包括内皮一氧化氮合酶( eNOS)在内的基因来做出反应,从而增加ROS(如NO)的 丰度 (492)。训练也可能增加超氧化物歧化酶1和3 (430, 570, 1069),这些酶在抗氧化防御 (1466) 中发挥作用。因此, 虽然运动会急性增加氧化和剪切应力,但适应性机制已经到位以处理重复的锻炼 (492),同时提高系统的基本健康水平。
慢性运动训练诱导的急性剪切应力可能促使动脉重塑,在结构上使血管为剪切应力或其他血流动力学扰动增加做好准备 (493)。这种效应背后的机制仍在持续受到关注,但似乎涉及部分由NO介导的动脉直径增加(551),NO主要通过血管中的eNOS作用产生(1310)。进一步支持间歇性高剪切应力是一种适应触发因素的是,在老鼠中完全去除剪切应力会增加促炎基因(如ICAM‐1、VCAM‐1、E‐选择素和单核细胞趋化蛋白‐1(MCP‐1))的表达(643)。
广义而言,微循环是由小动脉、毛细血管和小静脉组成的网络, 用于从组织中输送、灌注和收集血液。多项临床试验已研究运动训练对微循环的适应性变化。毛细血管与骨骼肌纤维直接接触,可以在骨骼肌活检样本中轻松可视化和计数。通过血管生成,有氧运动(AE)通常导致人体骨骼肌的毛细血管网络增殖(34,930)。肌肉毛细血管化是有氧运动(AE)后期的一种适应性变化(35),新形成的毛细血管相当稳定,在去训练中持续几周(708,943),甚至如果继续训练,在整个衰老过程中都保持稳定(499,1326)。血管生成主要是对低氧应激的适应性,因为基于缺氧的训练范式(四周单腿自行车骑行伴缺血)会增加毛细血管与肌纤维比率(376)。由剪切和被动应力诱导的毛细血管化,通过血管生成因子(如VEGF) (579,842,990,1284)介导。在动物中,去除VEGF会减弱运动诱导的肌肉毛细血管密度和毛细血管与肌纤维比率的增加(317)。
抗阻运动的心血管适应
尽管绝大多数文献关注有氧运动的心血管适应,但关于抗阻训练适应性的研究有所增加,揭示了与细胞、分子和调节机制相关的知识空白,这些机制可能是抗阻训练特有的。通常,抗阻训练已被证明会导致心室质量增加、心室壁厚度增加、间隔厚度增加和外周血管阻力增加(431,1257)。抗阻训练特有的短时高强度间歇与血压升高(1359)相关。因此,这种生理刺激更常与压力负荷而非容量负荷相关,导致向心性肥厚(1057)。事实上,在考虑左心室壁厚度时,左心室对抗阻训练的适应性并不常见 (1233)。其他人研究表明,六个月的抗阻训练会导致颈动脉壁厚度减少;然而,作者认为这些变化可能是由一般运动引起的血流和剪切应力增加驱动的,而不是抗阻训练特有的特征(1234)。众所周知,抗阻训练会引发心脏细胞中的压力超负荷反应,这会导致通过内分泌级联反应的细胞内信号传导(113)。具体而言,肾素‐血管紧张素系统(RAS)对超负荷作出反应,引发机械拉伸,血管紧张素II型1受体( AT1)表达与大鼠模型中抗阻训练后的生理性心脏肥厚相关 (83)。在外周,中等强度的抗阻训练会导致循环EPCs和血管生成因子(如MMP‐2、MMP‐3和MMP‐9)增加(1122); MMP‐9是血管化的关键调节因子,其在小鼠敲除模型中的缺失会降低招募EPCs和发育血管的能力(598)。在人类中的研究表明,短期抗阻训练后,年轻人的骨骼肌毛细血管化增加 (587),以及老年人的骨骼肌毛细血管化增加(1363),额外证据支持毛细血管化可能对肌肉肥大非常重要,肌肉肥大是抗阻训练的基本结果(923,1226)。总而言之,研究抗阻训练心血管适应的文献匮乏,特别是在促进适应的机制因素方面, 是一个亟待深入研究的领域。
心血管适应的分子转导器
生长因子包括IGF‐1、VEGF和甲状腺激素的配体调节血管生成所需的细胞生长、生存和新陈代谢。在生长激素的刺激下从肝脏释放, 循环IGF‐1在有氧运动(AE(1467))和抗阻训练(RE( 1482))后增加。胰岛素和IGF‐1都通过细胞内信号级联( 526)对生长和发展是必要的。IGF‐1受体是生理性心脏肥厚的调节器(697,875)。在临床模型中,VEGF在血流动力学力如剪切应力的刺激下与NO相互作用。已知VEGF调节发育中的血管生成和成熟生物体的血管生成,VEGF刺激内皮细胞产生NO(551,1005)。
甲状腺激素
甲状腺激素可以对心肌细胞和血管产生显著的心脏保护作用 (631)。此外,甲状腺激素会增加静脉回流、心脏输出和全身血管阻力(476)。甲状腺激素信号传导通过甲状腺进行,甲状腺分泌四碘甲状腺原氨酸 (T4)和三碘甲状腺原氨酸(T3),即甲状腺激素的活性形式;两者都与生理性心脏肥厚相关(665)。关于单次有氧跑步机运动对甲状腺激素的影响存在矛盾的结果(250,601)。 一些证据表明急性运动后甲状腺激素减少(695),而另一些研究则报告增加(714);这些差异可能是由于持续时间、强度或运动模式所致。支持这一观点的是,Simsch等人发现有氧运动与抗阻训练对促甲状腺激素(促甲状腺激素)水平的影响存在差异(1208),促甲状腺激素是位于甲状腺上游的垂体激素(1004)。在本研究中,训练有素的赛艇运动员进行了三周抗阻训练,随后休息一周,再进行三周有氧训练。促甲状腺激素在抗阻训练后减少,在有氧运动后增加,作者将这一效应归因于高强度运动相关的能量需求。
关键通路
PGC‐1α 在生理性心脏肥大中发挥重要作用。运动训练增加循环儿茶酚胺(例如, β‐肾上腺素能信号传导),进而上调 PGC‐1α (431, 1359)。PGC‐1α 通过过氧化物酶体增殖物激活受体 α(PPARα)介导,并似乎在能量代谢和线粒体生物发生相关的运动适应中发挥作用。PGC‐1α 的下游靶点包括NRFs 1 和2,以及线粒体和脂肪酸氧化的转录因子ERR。Akt是细胞生长和生存的中心调节因子(553),并且是在磷脂酰肌醇3‐激酶(PI3K)等激酶级联反应下游被激活的。在临床前模型中, 已经明确运动训练通过PI3K级联反应改变IGF‐1和胰岛素诱导的信号传导(1179, 1181, 1410)。简而言之,配体与受体酪氨酸 激酶(780)的结合导致PI3K的110kDa脂质激酶亚基 α 被激活, 以及胰岛素受体底物(IRS)‐1和2的适配蛋白内部刺激(553, 875)。PI3K通路与细胞生长、生存、分化和增殖有关(188, 224)。
下游,急性增加Akt的不活动性可以促进生长,而慢性增加则可能导致病理性肥大(840)。这些不同的效应似乎取决于Akt的活性异构体以及下游靶标的活性/丰度。例如,Akt1 异构体似乎参与生理性而非病理性的心脏肥大(313)。Akt 还可以抑制糖原合成酶激酶‐3 β (GSK3β),这可能导致病理性肥大(40)。Akt的另一个显著靶点是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)(188, 1078),它通过由两个适配蛋白组成的非典型丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶调节蛋白质翻译的关键调节因子。此外,mTOR复合物1(mTORC1)调节蛋白质合成、细胞生长和增殖(1454),而复合物2(mTORC2)则参与细胞存活和极性(1454)。综合来看,这些复合物对于适应性生理性肥大是必要的(1172)。此外,mTORC1对包括IGF‐1诱导的P13K/Akt通路在内的生长因子做出反应( 875)。
Akt 也能通过涉及生长因子 NRG1、ErbB4 和 CCAAT 增强蛋白结合蛋白 β(C/EBPβ) 途径发挥心脏保护作用。在临床前模型中,该途径的活性与心肌再生增加 (117) 相关。简而言之,Akt 阻断 C/EBPβ 的活性,即丝氨酸 (Ser473)/苏氨酸 (Thr308) 激酶 (847, 1286),它是 Creb 结合蛋白 (CBP)/p300‐相互作用转录激活因子与富乙酰基羧基末端结构域‐4 (CITED4) (840) 的正效应抑制因子。在动物中,转录因子 C/EBPβ 的下调可能驱动心肌细胞增殖,并在小鼠进行有氧运动后增加 CITED4 表达 (135)。对该途径及其与运动适应 (135) 关系的持续研究可能对心脏重塑和对心力衰竭的抵抗产 生启示。
关于基因表达调控的 emerging research 揭示了 miRNA 在心血管系统运动诱导适应中的作用 (1286)。简而言 之,miRNA 是影响靶信使 RNA 翻译的小型非编码 RNA 分子。遍布整个基因组,miRNA 参与各种心脏功能,包括适应过程、收缩力生成和炎症 (65)。方便的是,miRNA 可以从循环中采样,以深入了解心血管功能、适应和重塑。人们认为几 种 miRNA 物种要么是心脏特异性,要么与心血管功能有特别高的相关性。值得注意的是,调节血管内皮 (miR‐208a 和 miR‐126)、心脏重塑 (miR‐222) 和炎症通路 (miR‐146a) 的 miRNA 已与心脏相关 (65)。在人类中,miR‐126 在有氧运动后循环中急性增加 (65),一些研究提出了一种强度依赖性效应 (1382)。这种内皮特异性 miRNA 可能通过 MAPK 和 PI3K/Akt/eNOS 等通路与运动诱导的心脏血管生成相关 (1204)。miRNA‐126 的靶点包括 Spred‐1 相关蛋白 (Spred‐1) 和 PI3K 调节亚基 2,它们通过抑制 VEGF 通路来负向调节血管生成 (918)。此外,EPC 来源的外泌体可能通过 miR‐126 促进血管修复和血管生成。包括 Spred‐1 和 VEGF 的这种调节网络可能代表了运动保护内皮细胞的一种机制 (830)。
运动导致的心脏肥厚的一个值得注意的介体是miR‐222, 它通过靶点包括细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂1B(p27)、 含同源盒的1和同源盒相互作用蛋白激酶1和2(814)来抑制不良的心脏重塑。在人类中,循环miR‐222在急性(1165)和慢性高强度间歇训练(590)后都会增加。此外,游离的循环miRNAs ( c-miRNAs )可能在缺血后由心肌细胞释放急性应激如运动(65)。临床前和细胞培养基于的研究在发现 c‐miRNA及其作用机制方面是有用的;这些方法可以随后在人类运动研究中通过靶向评估来补充。急性运动和慢性运动对c‐miRNA似乎有一系列可能的效果(64,976),并且很可能存在模式和强度依赖性的效果。
章节摘要
心血管系统在血液和氧气供应中起着核心作用,使其成为对运动反应极强的系统。心脏和相关血管对代谢(能量应激、缺氧) 和机械(血流动力学力)应激高度敏感,它们会增大并增强功能以满足高强度训练负荷的外周需求。在分子水平上,由激素、生长因子和其他调节分子启动的信号级联对于这些适应的发生至关重要。当然,对知识空白领域进行持续研究将有利于该领域的发展,例如,关注抗阻训练(RE)或综合训练对心脏结局的影响。
参考文献:
Lavin, K.M., Coen, P.M., Baptista, L.C., Bell, M.B., Drummer, D., Harper, S.A., Lixandrão, M.E., McAdam, J.S., O'Bryan, S.M., Ramos, S., Roberts, L.M., Vega, R.B., Goodpaster, B.H., Bamman, M.M. and Buford, T.W. (2022), State of Knowledge on Molecular Adaptations to Exercise in Humans: Historical Perspectives and Future Directions. Comprehensive Physiology, 12: 3193-3279. https://doi.org/10.1002/j.2040-4603.2022.tb00211.x