全身超低溫冷凍治療的生理學效應及其在運動領域的應用

楊賢罡，劉陽

●運動人體科學●

全身超低溫冷凍治療的生理學效應及其在運動領域的應用

楊賢罡，劉陽

超低溫冷凍治療在運動領域主要用于加速運動后的恢復和促進損傷后的康復。盡管超低溫冷凍治療在競技體育領域進行了較多的實踐應用，但現有研究在其對包括血液、抗氧化、免疫、心血管、內分泌和骨骼肌等諸多系統在內的生理學效應證據均表現為證據不足或缺乏證據。除了進一步積累充足的研究證據之外，實踐應用方面仍需要重視常規冷療手段所帶來的生理和臨床效果。

全身超級溫冷凍治療；肌肉損傷；功能恢復；抗炎癥反應

20世紀70年代日本的Toshiro Yamauchi教授提出將全身置于超低溫度下的治療手段，創建了第一個冷凍室并成功應用于風濕癥的治療。將全身暴露于特制的溫度可控的冷凍室中，溫度保持在-110至-140℃，這種治療被稱為全身冷凍療法（Whole-Body Cryotherapy，WBC）。WBC主要緩解疼痛和抗炎癥反應，臨床主要用于風濕性關節炎、慢性肌肉疼痛和強制性脊柱炎的治療。在運動醫學領域，冷療手段（如冰水浴、局部冰敷等）被普遍應用于疼痛、炎癥、損傷和過度使用等綜合癥的治療中。基于WBC的生理作用及潛在益處可能有利于運動員的運動表現，近年來國外開始將WBC應用于競技體育領域［1］，并取得了廣泛的社會效應。本文就WBC對機體的生理影響和實踐應用進行綜述，主要選擇針對普通健康人群和專業運動員的實驗研究，排除局部冷療對機體影響和WBC對疾病患者影響的相關報道。

1 WBC對不同系統的生理學影響

1.1 血液系統

此類研究最初的目的為了評估WBC能否促進骨髓的造血機能，從而被用作一種類似血液興奮劑的禁用手段。運動員在接受短期WBC治療后的RBC、Hb、HCT、MCV和MCHC均顯著下降，但是這種下降是短暫性的，1周后可恢復至甚至超過基礎值［1-2］。上述研究中的運動員在接受WBC的同時進行訓練，血液學參數的變化是由于訓練、WBC或是兩者共同作用的結果，需要進一步研究？普通受試者與運動員類似，在接受長期WBC治療后的RBC，Hb和HCT均顯著降低［4］。WBC并不能加速紅細胞的成熟或促進血紅蛋白的生成，相反血紅蛋白的合成呈現下降趨勢。但是田徑運動員在高強度訓練后4h接受急性WBC后，RBC和MCHC均顯著升高，且紅細胞分布寬度變異系數顯著下降，Hb呈上升趨勢但不顯著［3］，提示急性WBC可能有助于提高血液機能。

WBC有助于減少紅細胞溶解。劇烈運動中通常伴隨紅細胞溶解的增加，導致Hb下降，出現運動性貧血。觸珠蛋白是一種阻斷破壞的紅細胞釋放游離血紅蛋白的蛋白質，它的增加與紅細胞溶解減少有關。運動員進行短期WBC治療后的觸珠蛋白顯著升高，平均球形紅細胞容積亦增加，而平均紅細胞容積和平均球形紅細胞容積下降，證實了紅細胞溶解的減少［7］。

1.2 促/抗氧化系統

普通受試者接受接受單次WBC后氧自由基產生的增加可能是由于肌肉顫抖或冷應激導致兒茶酚胺釋放使氧化作用增強，并產生一定程度的氧化應激反應，且抗氧化機制主要由過氧化物酶主導［9］。長期WBC并不能導致累計效應，相反能產生抗氧化水平的適應性改變［1］。相似的情況發生在運動員中，波蘭男子賽艇奧運會級別運動員進行正常訓練第6天和第10天后血漿和紅細胞中的CD水平，SOD和GPx活性均升高，由于運動導致脂質過氧化作用增強和代謝速率不同，TBARS也出現增加。訓練同時進行WBC后僅GPx活性顯著增加，與未進行WBC治療組相比較，血漿和紅細胞中CD相對減少，TBARS相對增加，SOD活性6天后降低47%，GPx在10天后下降超過50%。WBC導致較低的抗氧化酶活性和較低濃度的脂質過氧化分子，表明氧自由基產生下降［9］。女子賽艇運動員在正常訓練同時接受WBC，6天后紅細胞中的SOD和GPx活性，血漿和紅細胞的CD水平和血漿中的TBARS水平低于未接受治療者，WBC刺激改善劇烈運動下器官的抗氧化能力，可能與適應性穩態調節機制有關［12］。賽艇訓練前進行WBC可導致細胞產生適應性改變，保護器官免受抗/促氧化平衡紊亂的破壞，長期WBC導致機體產生適應，保證劇烈訓練過程中抗/促氧化反應體系的平衡。

1.3 免疫系統

田徑運動員在高強度訓練后4h接受單次急性WBC后，白細胞數目顯著升高，其中淋巴細胞顯著升高，而中性粒細胞顯著下降［3］。女性受試者在長期WBC后的血漿白介素-1β（IL-1β），IL-6和腫瘤壞死因子-α（TNF-α）無變化［1］。運動員接受短期WBC后IgG，IgM和IgA稍有升高，而CRP有所降低，淋巴細胞和單核細胞計數不變［14］。運動員接受長期WBC后IL-1β無變化。WBC對免疫系統似乎并無抑制作用，是否上述觀察所持續的時間太短而不足以評價淋巴細胞數量和功能的改變，WBC對免疫系統的影響可能依賴于核心溫度下降和暴露時間之間的關系，值得進一步研究討論。

抑制炎癥反應被認為是WBC的主要功效。WBC能夠有效減少炎癥反應可能是通過使肌肉內血管收縮，減弱促炎性細胞因子的活動和增強抗炎性細胞因子的活動來實現。運動員接受WBC后，IL-10升高，而IL-2和IL-8降低。更進一步得是，細胞間粘附因子-1（ICAM-1）和前列腺素E2（PGE2）的降低證實了WBC具有抗炎性保護作用［14］。Pournot比較了男性耐力性運動員在運動后采用被動恢復或WBC后炎癥反應的差別，與被動恢復相比較，WBC后1h的IL-1β和24h的CRP水平下降，而1h后的IL-1ra升高，同時TNF-α，IL-10和IL-6保持不變［24］。

溶酶體酶涉及損傷肌纖維蛋白的水解，肌肉活動增加造成組織受損時導致血液中酶水平升高，單核細胞和巨噬細胞釋放酶增加。普通男性進行單次WBC后酸性磷酸酶（AcP），芳香基磷酸酯酶（ASA）和組織蛋白酶D（CTS-D）無顯著變化，提示WBC對溶酶體膜無損傷，不會導致溶酶體酶的釋放。運動員正常訓練過程中接受WBC6天后的AcP，ASA和CTS-D均顯著低于單純訓練組［16］，提示WBC有助于穩定溶酶體膜，訓練前進行WBC可通過穩定溶酶體膜來緩解運動應激。

1.4 心血管系統

青年男性舒張壓僅在首次WBC后即刻顯著升高，而收縮壓、脈搏壓和平均動脈壓在每次WBC后即刻均顯著升高且伴有心律下降［1］。女性受試者接受急性WBC導致RR間隔的高頻功率升高，提示心肌副交感神經調節功能增強，但3個月WBC后靜息RR間隔的低頻功率升高，這與運動訓練中所觀察到的現象相似，副交感神經增強減弱可能來自于自主神經功能適應的結果［17］。但Bonomi的研究未觀察到成年受試者在WBC前、后的收縮壓，舒張壓和心率出現顯著變化［26］。

肌鈣蛋白I和高敏感性C反應蛋白（hsCRP）是與心肌組織受損、壞死和組織修復有關，氨基末端B型利鈉肽前體（NT-proBNP）反映心力衰竭和心室做功能力的下降。運動員正常訓練過程中進行WBC后肌鈣蛋白I和hsCRP無變化，提示WBC未造成心臟損傷。由于NT-proBNP在高強度訓練周期后顯著升高，且WBC后的NT-proBNP水平顯著低于運動員進行高強度訓練后的水平，提示WBC可抑制NT-proBNP水平升高［18］。

因此，WBC似乎無損于健康人群和運動員的心血管功能，但仍推薦在治療過程中給予全程監護。由于WBC會造成收縮壓升高，因此不推薦將其應用于病情較重或處于藥物控制期的高血壓患者。

1.5 內分泌系統

不同性別普通受試者在接受單次或長期WBC后，包括生長激素，促甲狀腺素，催乳素，游離甲狀腺激素，促腎上腺皮質激素，皮質醇和腎上腺素在內的多項激素水平均無顯著變化，而去甲腎上腺素在每次WBC后升高2-3倍［16］。WBC不刺激垂體-腎上腺皮質軸，而唯一對去甲腎上腺素的刺激作用可能與緩解疼痛有關。

優秀足球運動員接受長期WBC后的睪酮和雌二醇顯著降低，而硫酸脫氫表雄酮和黃體化激素無變化，原因可能與WBC導致雌激素合成過程的關鍵酶——芳香化酶的活性降低，使睪酮和雄烯二酮向雌二醇的轉化減少［19］。賽艇運動員訓練6天后皮質醇升高23%，10天后仍維持在這一水平，而進行WBC后皮質醇變化不顯著［16］。但單次WBC導致高校足球運動員重復沖刺訓練后恢復期期的睪酮水平顯著高于對照組［8］。目前尚不能從有限的研究結果中總結出WBC對于內分泌系統的調節作用。

1.6 運動能力

普通男性接受單次WBC治療后CK水平顯著下降了30%［16］。賽艇運動員在正常訓練過程中CK均顯著高于訓練前水平，但進行6天的WBC后CK水平較單純訓練者顯著降低了34%［16］。橄欖球運動員經短期WBC后，且該過程中未改變訓練計劃或負荷，CK和乳酸脫氫酶顯著降低［14］，提示WBC能減少運動導致過氧化反應引起的細胞膜破壞及通透性增強，有助于促進損傷肌肉的快速恢復。WBC導致肌肉相關酶下降的機制可能與甲狀腺反應有關，降低線粒體對磷酸原供能物質和CK的敏感性，從而影響CK總的代謝。另外，前述細胞膜穩定性的提高也有助于解釋這一現象。

積極運動的健康青年受試者在多次WBC后的有氧運動能力沒有變化，但僅男性受試者的最大相對無氧功顯著增加［4］。WBC對膝伸肌最大主動等動收縮力量，最大輸出功率和離心收縮后的肌肉疼痛感無影響［20］。單次WBC對高強度訓練后的縱跳能力同樣沒有影響，WBC并不能改善高強度訓練后短時間內肌肉功能的恢復［5］。

此外，受試者首次接受WBC治療后跳深動作的騰空時間減少，但3個月治療后這些變化消失，該適應現象伴隨下肢肌肉共同收縮的減少。縮短過程中（腓腸肌拉伸和脛骨前肌縮短），主動肌（腓腸肌）的肌電信號在單次和重復治療后均顯著升高，對抗肌（脛骨前肌）的肌電信號在單次和重復治療后均無顯著變化。在伸長階段，主動肌和被動肌的肌電信號在單次和重復治療后均無顯著變化［21］。提示神經肌肉功能可以適應長期WBC，且單次WBC不增加本體感受器損傷的風險［20］，能保證患者接受WBC后同時再進行運動療法的康復療效。

Hausswirth還比較了運動員在運動后接受WBC，遠紅外治療和被動方式3種恢復模式之間的差異，雖然CK在3種模式之間無顯著差異，但肌肉最大力量和自我感覺在第1次WBC（運動后1h）后即得到恢復，遠紅外治療需要24h后才得以恢復，被動方式在48h內未得到完全恢復，提示WBC相比較遠紅外治療和被動方式，在運動后48h內對運動導致的肌肉損傷恢復程度最佳［27］。但最新的一項研究結果發現，冷水浸泡對于運動后72h的反向縱跳能力的恢復動力學要優于WBC［6］。循證研究結果認為目前關于WBC減輕積極活動的青年男性運動后的主訴肌肉疼痛感和促進主觀恢復的證據不足，而對于女性或者優秀運動員則缺乏證據［11］。

2 WBC的實踐應用

急性冷暴露可能會誘發呼吸系統發生哮喘，過度通氣和支氣管狹窄等不良反應。最大呼氣峰流速值在接受WBC第4周和第12周后分別顯著下降了5.1%和3.2%［23］，提示WBC導致了輕度的支氣管狹窄，因此對易感人群的使用還需要謹慎對待。同時WBC會造成血壓的升高。國外現有研究中WBC方案被安排在訓練課前進行，但WBC可使痛疼感減輕，使原先的損傷被掩蓋，機體失去防御，不容被運動員所忽視從而加重傷病。作為一種極低溫度的刺激，為確保WBC的安全性，推薦流程見圖1，同時現有研究中WBC應用詳細方案見表1。

圖1 全身冷凍治療流程

表1 部分研究針對優秀運動員使用的WBC方案匯總

3 總結

目前，WBC對健康人群和運動員影響的研究數量還較少，現有研究主要來自于德國、俄羅斯和波蘭等國家。與健康受人群相比較，WBC對運動員并未產生不同的影響，且無異常變化。WBC能夠有效抑制炎癥反應，穩定細胞膜，調節促/抗氧化系統平衡。對于運動員可以減少紅細胞溶解和促進肌肉損傷的恢復。然而，WBC加速肌肉損傷恢復的效果需要深入研究，離心收縮后24h進行WBC對緩解肌肉痛疼和促進肌肉力量恢復無效［20］。WBC導致體表溫度的下降與受試者的性別、體脂百分比和BMI存在關聯［25］。WBC導致紅細胞膜上脂質代謝的顯著變化需要進行12次治療后出現［22］。因此，受試者的選擇，治療周期，治療時間和治療頻率的標準化將有助于提高不同研究間的可比性。目前不同研究中的治療方案雖然較相似，但是針對運動員，需要進一步標準化治療方案，將有助于減少各研究結果間的不一致。關于運動訓練領域對冷療手段會減少關節活動度［10］和降低神經肌肉調節能力［13］的顧慮，針對WBC的廣泛而深入的研究不僅有助于更好地實踐應用，還對于反興奮劑檢測工作具有指導意義。如果WBC導致血液學指標和內分泌指標的變化超出世界反興奮劑組織設定的范圍，WBC甚至可能被劃歸為違禁手段而遭到禁用。

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Physiological Effects of Whole Body Cryopreservation and Its Application in Sports

YANG Xiangang，LIU Yang

Whole-body cryotherapy is purported to accelerate the recovery after exercise and promote rehabilitation after post-injury.Although the applications of Whole-body cryotherapy gradually become worldwide.However,the evidence of the existing studies on haematological parameters,antioxidant,immune system,cardiovascular,endocrine and skeletal muscle system is insufficient.In addition to further accumulation of sufficient evidence,practice still need to bring attention to the conventional physiological methods and clinical effect of cryotherapy

whole-body cryotherapy；functional recovery；muscle injury；anti-inflammatory response

R493

A

1003-983X（2017）01-0039-04

2016-11-03

2016年河北省科技項目（16275703D）

楊賢罡（1984-），男，安徽安慶人，博士，副研究員，研究方向：運動生物化學.

河北省體育科學研究所，河北石家莊050011

SportsScienceInstituteinHebeiProvince，Shijiazhuang Hebei ,050011