運動性疲勞生物標志物的研究進展

曹慶雷，羅明剛

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運動性疲勞生物標志物的研究進展

曹慶雷，羅明剛

北京科技大學體育部，北京，100083。

運動員在訓練和比賽的過程中會出現負荷超出機體承受能力的狀況，使得機體的生理機能出現暫時減退的現象，是運動疲勞的特征之一。運動過程中經常出現運動疲勞的現象，因而對運動性疲勞的生物標志物進行系統性研究具有重要意義。主要對運動疲勞的生物標志物及運動疲勞標志物在運動疲勞中的作用進行綜述。研究表明，機體中的能源物質、代謝產物、血液中的生化指標、中樞神經遞質、自由基、尿液、唾液等都是與運動疲勞相關的生物標志物。能源物質是最早研究并公認的運動疲勞生物標志物，對于能量物質與運動疲勞之間關系已經有了較全面的認識；血液、尿液中的生物標志物是目前常用的檢測指標；代謝產物和自由基的累積對機體有害，是衡量運動疲勞損傷的重要生物標志物；研究人員逐漸的關注到了中樞神經遞質在運動疲勞中的重要作用，是目前運動疲勞生物標志物的研究熱點之一。唾液是剛剛興起的運動疲勞的生物標志物檢測指標，由于其檢測的方便性與快捷性，被認為是很有潛力的運動疲勞生物標志物。今后的研究應該進一步驗證生物標志物和運動疲勞之間的關系，同時進一步發揮生物標志物在運動疲勞評價以及運動疲勞恢復中的作用。

運動性疲勞；生物標志物；研究進展

運動疲勞可以由中樞神經系統異常即中樞疲勞，或者是外周神經系統失調等引起。運動疲勞是由于運動引起的整個機體工作能力下降的現象，主要表現為中樞神經系統的疲勞、免疫功能下降、神經內分泌功能抑制、造血系統功能受到抑制、機體抗過氧化下降等。目前對運動性疲勞產生的可能機制提出了很多學說主要有能量耗竭學說、代謝產物堆積學說、自由基學說、內環境穩態失調學說、疲勞鏈學說、中樞神經遞質失衡學說、保護性抑制學說、突變理論等，但機制仍未完全闡明，因而運動性疲勞機制成為運動醫學研究的熱點之一。生物標志物是指可以標記從系統到細胞甚至亞細胞結構或者功能的改變的生化指標。了解運動疲勞的生物標志物可以有利于了解運動性疲勞的分級，同時對于后續的治療恢復也具有指導功能。本文主要對運動性疲勞相關的生物標志物分類進行綜述。

1 能源物質

運動首先消耗的就是能量，能量的供應主要來自于體內的儲能物質如三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（CP）和糖等。隨著運動的進行，儲能物質會逐漸減少，機體的運動能力就會下降，從而身體就會出現運動疲勞的現象。

1.1 高能磷酸化合物ATP和CP

與運動相關的高能磷酸化合物主要包括ATP和CP，運動過程中ATP分解供能，同時生成ADP（二磷酸腺苷），CP分解供能使ADP再合成ATP，兩分子ADP在肌激酶催化下生成l分子ATP和AMP（磷酸腺昔），同時生成Pi（磷離子）[1]。一般短時間內能源消耗主要以CP為主，下降可以達到90%以上。有材料證明，當進行1h的步行時，體重為70kg的人每分鐘大約會消耗4卡路里（kcal），隨著運動時間的延長，消耗的卡路里逐漸增多[2]。故ATP和CP及其相關的代謝物質AMP、ADP、Pi可作為運動疲勞的初步判斷的標志物之一。

1.2 血糖和糖原

當進行長時間劇烈運動時，主要以糖類的消耗為主。糖類在機體中儲存方式主要包括血糖和糖原，血糖是指血液中的葡萄糖，糖原在肝臟和肌肉中分別以肝糖原和肌糖原的形式存在。長時間運動后，血液中的葡萄糖會被消耗。當運動時間進一步延長時，肌糖原和肝糖原大量消耗殆盡，此時一般肌糖原可以消耗總量的75-90%，而肝糖原的消耗可以達到90%以上，此時糖原不能維持血糖正常水平，經常此時會出現低血糖的現象[3-4]。

1.3 脂 肪

隨著運動的進行，脂肪也會開始消耗，但是運動疲勞不會導致體內脂肪的大量減少，這也是短時間大量運動減肥效果不好的原因。雖然脂肪含量變化不大，但血液中脂肪酸和甘油三酯的含量會變大。李潔1998年的研究表面機體運動時血液中的血漿游離脂肪酸濃度可以從0.1mmol/L增大到2mmol/L。通常認為，如果耐力訓練可提高運動時脂肪的利用率，從而減少糖元的消耗和血糖水平的下降，進而在一定水平上可以延緩疲勞的產生。

1.4 血液中的氨基酸（能量代謝相關）

運動時，血液中游離的氨基酸和細胞內的氨基酸會被消耗利用，谷氨酰胺、亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸等是目前認為與能量代謝相關的氨基酸。這些血液中的氨基酸會隨著運動的的進行而消耗，也可以作為衡量運動疲勞程度的生物標志物[5]。

谷氨酰胺在體內可由其他氨基酸轉變而成。長時間運動后會使谷氨酰胺消耗，使其在血液和肌肉中的含量下降。長時間運動后由于糖原和血糖的下降使其合成的酶活性減低[6]。

纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸都是支鏈氨基酸。支鏈氨基酸可以在肌肉組織中分解代謝，并具有被氧化供能的作用。對馬拉松運動員補充支鏈氨基酸后，其厭跑情緒顯著減少并且成績得到提高。綜合研究文獻結果顯示，短時間極限強度運動下支鏈氨基酸含量變化不大，中等強度運動使支鏈氨基酸含量呈較大幅度升高；超長時間運動或者運動疲勞后（>3h）支鏈氨基酸含量下降，這與運動疲勞程度有較高的相關性。

2 代謝產物堆積

運動過程中，能量代謝活動旺盛，機體會產生代謝物質，隨著這些代謝產物的堆積會造成機體運動能力的下降，從而造成運動疲勞的產生。運動過程中常見的代謝產物有乳酸、氨、尿素、酮體等。這些都是常用的運動疲勞的標志物。

圖1 運動過程中能量的供應[1]

2.1 乳 酸

人體劇烈運動后會消耗大量ATP和CP，當兩者在體內含量不足時，短時間內機體會利用乳酸系統（無氧糖酵解）進行供能，此時ATP的糖類是在無氧條件下產生的。由于無氧糖酵解產生ATP效率低，機體為了產生足夠的能量會進行大量的無氧糖酵解，產生大量乳酸。Karlsson等專家學者在20世紀80年代通過腳踏車實驗發現，運動性疲勞的產生與運動后乳酸的升高有關。

乳酸本身并不能引起疲勞，導致疲勞的是肌乳酸解離出的H+。PH值的下降會影響很多過程，包括肌凝蛋白鈣離子結合能力，同時也會影響很多酶的活性。之前的研究已經證實PH值下降，同時使肌酸激酶、ATP酶、磷酸果糖激酶（PFK）等激酶的活性下降，從而影響到乳酸系統的代謝[7]。乳酸及其導致的PH值降低是運動疲勞或者力竭運動中常用的生物標志物之一。

2.2 氨

研究已經證實，在長時間高強度運動中，人體會消耗蛋白和氨基酸會參與供能。由于長時間運動中蛋白質分解供能，則促成氨基酸分解產生氨。研究指出氨濃度的升高無論是中樞性疲勞或是外周性疲勞均具有重要作用[8]。通常，高濃度的氨會影響ATP的合成。同時氨濃度的升高必然導致滲透壓升高，從而使內環境紊亂。另外氨能夠通過血腦屏障進入腦組織，對腦具有毒性作用，影響中樞神經系統的功能。目前研究[9]認為氨會阻礙抑制性GABA（γ-氨基丁酸）的合成。由于GABA缺乏，會使神經控制能力下降，從而出現疲勞。

2.3 尿 素

尿素與人體內的氨基酸代謝有關。通過尿素的含量可以了解機體內氨基酸和蛋白質的代謝情況，可以據此認定運動員的身體機能跟疲勞程度有關。通常認為，血尿素隨著運動負荷量的增大而增大，同時恢復也較慢。通過衡量運動后的上升程度及其恢復程度來判斷運動的疲勞程度。如果運動后血液中尿素的含量比運動前高出3mmol/L時，可判定為運動量大，此時運動員已達疲勞閾值。

3 血液中的生物標志物

在運動過程中，血液起到了運輸作用，其為肌肉等組織器官運送氧氣、葡萄糖、氨基酸等營養物質，當血液流回心臟時，會帶走體內產生的二氧化碳和其他廢物。而且由于血液常規檢查在檢測運動員身體狀況和臨床中是常用的檢測技術，所以對于血液中生物標志物和運動以及運動疲勞的關系已經有了較為全面的認識，表1是血液中的生物標志物與運動疲勞的關系。

表1 血液中與運動疲勞相關的生物標志物

4 自由基相關的生物標志物

自由基（Free radical）是帶有不成對電子的不穩定物質，由于其不穩定則會從其他分子搶奪電子穩定其自身結構。研究表明，在高強度運動時機體氧化代謝加強，機體組織耗氧量增大，自由基會顯著性增加，引起脂質過氧化反應，從而影響機體的功能[15-16]。體內自由基增加時，體內代謝自由基的酶主要包括氧化物歧化酶（SOD），過氧化氫酶（CAT），谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-PX）和谷胱甘肽轉移酶（GST）等。

4.1 MDA丙二醛（malondialdehyde，MDA）

丙二醛是體內過氧化反應的降解產物，MDA的含量在一定程度上可以反映運動細胞受自由基攻擊和損傷的嚴重程度。力竭性運動后脂質過氧化產物MDA含量增高，證明MDA可以用來判定力竭運動。Mitchell[17]對超長馬拉松運動員跑后血漿分析證實，運動結束后體內的MDA含量明顯升高。

4.2 超氧化物歧化酶（super oxide dismutase，SOD）

SOD是機體清除自由基體系中重要的抗過氧化酶，SOD活性的高低可以代表體內自由基的含量水平。當運動疲勞時機體自由基含量較高，需要SOD酶的高活性。長時間運動后結果顯示血漿中的MDA含量顯著升高，同時SOD的活性也升高。通過分析SOD/MDA可以反映體內自由基生成和消除速率，進一步分析自由基代謝的實際變化，進而反映出機體的運動疲勞程度。

4.3 過氧化氫酶（CAT）

CAT是細胞內清除H2O2的酶中重要的一種。H2O2是O2的還原產物其具較強的氧化性，它可以直接氧化一些酶的疏基，可以使酶失去活性。CAT在體內可以結合并清除過氧化酶。Quintanilha在1984年發現大鼠有氧耐力訓練后骨骼肌和心肌中CAT活性升高，說明隨著運動的進行可以提高肌肉中CAT的活性。人體內CAT的活性對運動刺激非常敏感，有氧運動鍛煉能夠明顯促進機體CAT活性的升高，若增大運動強度CAT活性會進一步升高。

4.4 谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-PX）

GSH-PX是一種過氧化氫分解酶，其可以催化H2O2的還原反應，從而可以保護細胞膜結構完整性。谷胱甘肽（GSH）是GSH-PX還原反應的另一個底物。多數研究認為，運動疲勞會引起GSH-PX活性升高。大量運動會引起肌肉組織中GPX活性明顯增高。Lew等報道大鼠跑臺跑至力竭時，肝臟、骨骼、GSH-PX、GST、GR活性升高，而血漿中GSH-PX、GST、GR活性下降[18]。

5 中樞神經遞質相關的生物標志物

研究表明，中樞神經遞質在運動疲勞中起到了重要作用，尤其是中樞疲勞。研究已經證實5-羥色胺、去甲腎上腺素、多巴胺、乙酰膽堿、氨基酸等在運動疲勞中起到了重要傳遞作用。

5.1 羥色胺（5-HT）

5-HT是色氨酸的代謝產物，其在中樞神經系統中是一種非常重要的神經遞質并且具有多種生理作用。色氨酸是5-HT合成的底物同時也是限速物質，血漿中的游離性色氨酸可通過血腦屏障進入腦內進而影響5-HT。運動時脂肪分解使游離脂肪酸增加，進而導致腦內5-HT合成增加。有研究證明運動可以導致中樞系統中的5-HT增高，而5-HT的增高與中樞疲勞的產生有關。Newsholme等在1987年首次提出了5-HT可能是中樞疲勞的調節物質。5-HT作為一種抑制性遞質可以降低從中樞向外周發放的沖動因此降低了運動能力。研究也證實，隨著運動時間的延長，機體中腦內的5-HT、DA等的合成代謝都會下降[19]。

5.2 多巴胺（DA）

DA可以調節肌肉組織的緊張程度并且DA是最先被證實在運動疲勞中起到重要作用的神經遞質。通常，運動后整個腦內DA代謝會增加。Sutoo[20]發現初期運動后腦中DA的的升高主要有兩方面的原因：（1）促進了DA的合成，（2）促進了DA的受體的結合。但是研究表明在中樞產生疲勞時大鼠中腦的DA合成會變弱，DA的高含量可以推遲疲勞的產生[21]。這些研究均表明，運動疲勞時，腦中DA含量會下降。

5.3 去甲腎上腺素（NE）

NE是由腎上腺素能神經末梢合成并分泌的神經遞質，NE是DA由多巴胺β羥化酶催化生成的。研究證實，下丘腦中NE在力竭運動后下降，DA的含量會影響NE的代謝水平，兩者都可以抑制下丘腦的正常作用[4，22]，這是運動疲勞產生的原因之一。

5.4 乙酰膽堿（Ach）

Ach是膽堿類神經遞質，在中樞神經系統內由膽堿能神經末梢釋放。Ach的合成、釋放在中樞神經系統中起重要作用。Ach的合成速率受前體物質膽堿影響。運動員跑完馬拉松后，血漿中的膽堿水平下降了40%，如補充適膽堿飲料來保持血漿膽堿水平，將會推遲疲勞的產生。

5.5 氨基酸（神經遞質相關）

目前認為與中樞疲勞相關的氨基酸主要有γ-氨基丁酸（GABA）、谷氨酸（Glu）和支鏈氨基酸（BCAA）等。BCAA主要包括異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸，是參與供能的重要氨基酸[23]。

GABA是一種抑制性神經遞質，引起中樞運動疲勞的原因之一就是GABA的升高，隨著運動時間的延長，機體會出現缺氧狀況，使GABA氧化過程減弱，隨著GABA的濃度會高引起突觸后抑制[24]。腦中GABA含量升高會導致運動疲勞。

Glu是中樞神經系統中與興奮有關的神經遞質，在腦內含量很高，正常水平的Glu對保持神經元興奮性具有重要的作用，Glu是多數興奮性突觸的遞質。當腦內Glu含量發生異常變化時，導致中樞系統機能下降，是產生運動疲勞的原因之一。

5.6 NO和組織內皮素（ET）

NO可以促進血管舒張同樣也是一種重要的神經遞質。在運動中，他對運動尤其是心血管系統有著重要的生理作用。NO在組織細胞中主要表現為細胞內的信使分子，其可通過cGMP相互作用引起血管平滑肌松馳。研究證實，正常情況下NOS在腦組織中功能活躍，當進行大負荷運動訓練后NOS的表達明顯減弱，說明疲勞會使腦組織中的NOS表達量減弱[25]。

ET是一種促進血管收縮的活性小分子多肽，其對血管的收縮作用是效果最好的物質，與NO的作用相反。之前的研究證實，運動促進了ET的表達增強，引起血管收縮，進一步會導致機體缺氧。ET的表達與運動強度呈現高度相關性，當運動負荷過大時會因為機體缺血缺氧導致運動疲勞的發生[26]。

6 尿液中的生物標志物

機體運動時，由于大量出汗和機體的大量營養物質消耗會導致多種生化指標的變化。通過測定尿液中的代謝產物濃度可以間接地反映體內的代謝變化，從而推斷運動疲勞程度。而且尿常規檢測在臨床和運動中機體評價常用具有重要意義。通過尿液中的生物標志物是檢測運動疲勞的可靠指標之一。

表2 尿常規檢測中與運動疲勞相關的生物標志物

7 唾 液

唾液具有采集方便、安全及無創等特點，利用唾液衡量運動狀態的研究受到越來越多的關注。尤其對運動員來說，用唾液代替血液和尿液進行機體運動運動狀況的評估將是一種更為快速且便捷的方式。

7.1 唾液PH值：

由于長時間劇烈運動后，乳酸生成增多，血液中CO2含量增高，酮體和丙酮酸等酸性物質堆積，導致血液PH值下降進而使唾液PH值也下降。當運動疲勞時經常會出現酸中毒現象，酸中毒可以使機體肌肉運動能力下降同時也會引起中樞神經系統疲勞的癥狀。運動后應該補充足夠的堿性物質。

7.2 唾液免疫球蛋白（SIgA）

SIgA水平是人體免疫狀況的一個重要指標之一，大強度運動或長時間大強度運動后，運動造成的免疫抑制導致IgA水平下降。多數研究結果顯示，IgA水平可以作為一項運功評價的指標之一，短時間大強度力竭運動后，人體sIgA水平會出現下降。Fahlman等[27-28]對成年女性進行3次間歇3min的30s全力無氧功測試，結果提示大強度間歇運動會造成女性sIgA水平的短暫下降。綜上來看，sIgA可以用來評價運動疲勞的生物標志物。

7.3 唾液中其他成分作為生物標志物

隨著高通量技術的發展及在體育學中的應用，在唾液中鑒定到了更多的成分，它們可以代替血液中相應的檢測。這些其它成分相應的也是衡量運動程度的標志物。郭菲[29]等運動員運動前后的血清和唾液為研究對象，找到了唾液中與運動相關的生化指標。Michael[30]等通過高通量蛋白質組結合色譜和質譜技術在運動后的唾液中鑒定到了一類小分子蛋白（sMW），隨后對每一種多肽運動的疲勞程度進行相關性分析，得到了一類小分子蛋白與運動疲勞程度呈現正相關性。

8 結論與展望

運動疲勞是限制運動員提高成績的重要原因之一，運動疲勞相關的生物標志物是衡量運動疲勞的重要依據，闡明生物標志物在運動疲勞中作用對于運動疲勞的預防與恢復有重要意義。首先，概述了與能量相關的運動疲勞生物標志物，運動過程中消耗的血糖、氨基酸、脂肪酸、磷酸化合物等都可以作為運動疲勞的生物標志物；運動的過程中會消耗大量物質，從而產生大量代謝物，包括體內的代謝物（乳酸、尿素、氨、MDA等），唾液中的分泌物（酸、抗體等）還有尿液中的代謝物質（尿酸、蛋白、隱血、膽紅素、尿膽原、尿肌酐等），這些也作為運動疲勞的標志物；同時運動過程中一些酶類（HB、CK、NOS、SDH、SOD、CAT、GSH-PX等）、激素（T/C）以及神經遞質（5-HT、DA、NE、Ach、GABA、NO、ET等）在運動調節過程中也發揮了重要作用，也是常用的運動疲勞標志物。可以看出運動疲勞的生物標志物是非常多的，這為全面科學的對運動疲勞進行衡量和對運動疲勞恢復的評價提供了科學基礎。

生物標志物的可靠性還需要進一步研究，例如生物標志物在不同的人群中（精英運動員、適度活躍的個人、久坐不動的人）的指標會因人而異。另外，對運動疲勞的生物機制還了解的不夠，不同的研究者提出了不同的機制，但是缺乏單一可靠的運動疲勞評價指標。此外，定量描述疲勞的生物標志物和運動疲勞之間的因果關系仍然進一步證明。隨著生物學技術的發展，尤其是分子生物學和高通量測序技術的發展，更多、更可靠的運動疲勞的生物標志物會被驗證，同時運動疲勞生物標志物會被更加充分利用到運動員的運動疲勞和運動恢復研究中。

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Advances in Research on Biomarkers of Exercise Induced Fatigue

CAO Qinglei, LUO Minggang

PE. Dept. of University Science and Technology Beijing, Beijing, 100083, China.

Athletes were often appearing beyond the body's ability to withstand the situation in the process of training and competition; it will occur the phenomenon of temporary physiological function, which is the phenomenon of exercise fatigue. Exercise fatigue is a common phenomenon in the process of exercise, but there is no systematic research on the biomarkers of exercise fatigue. The aim of this review is to systematically explore the exercise fatigue biomarkers and the role of biomarkers in exercise fatigue. Research shows that the body's energy substances, metabolites, biological indicators in the blood, the central neurotransmitter, free radicals, urine, saliva and so on were associated with exercise fatigue related biomarkers. The energy material is the earliest studied biomarkers and recognized, we have a systematic view of relationship between exercise fatigue and energy substances; biological markers in the blood or urine is commonly used; metabolites and free radicals can produce damage caused by fatigue of the body, it is an important biological marker to measure the damage of fatigue; the central neurotransmitter present gradually increased, researchers gradually pay attention to the important role of neurotransmitters in exercise fatigue, fatigue is currently hot topic research of biomarkers. Saliva as a biomarker of exercise fatigue is rising, which is considered to be the most potential biomarker because of its convenience and rapidity. Future research should further validate biomarkers between matter and exercise fatigue, and fatigue should explore biomarkers of simple and quick, to further play the role of biomarkers in evaluation of exercise fatigue and recovery of exercise fatigue.

Exercise fatigue; Biomarkers; Research

1007―6891（2017）05―0047―06

10.13932/j.cnki.sctykx.2017.05.12

G804.22

A

2017-04-01

2017-04-06

中央高校基本科研業務費資助，項目編號：FRF-BR-16-003B。