不同跑臺坡度對SD大鼠運(yùn)動(dòng)疲勞指標(biāo)的影響

石鶴坤, 陳開杰, 林小鳳, 禹 樂, 朱啟淦, 費(fèi) 燕

(解放軍第175醫(yī)院/廈門大學(xué)附屬東南醫(yī)院1. 藥學(xué)科, 2. 病理科, 漳州 363000)

不同跑臺坡度對SD大鼠運(yùn)動(dòng)疲勞指標(biāo)的影響

石鶴坤1, 陳開杰1, 林小鳳1, 禹 樂2, 朱啟淦2, 費(fèi) 燕1

(解放軍第175醫(yī)院/廈門大學(xué)附屬東南醫(yī)院1. 藥學(xué)科, 2. 病理科, 漳州 363000)

目的探討不同跑臺坡度對大鼠運(yùn)動(dòng)疲勞指標(biāo)的影響。方法32只SD大鼠隨機(jī)分為對照組以及0°、-15°和15°跑臺運(yùn)動(dòng)組，運(yùn)動(dòng)組大鼠每日按照方案進(jìn)行跑臺訓(xùn)練。大鼠經(jīng)過6周訓(xùn)練結(jié)束后檢測血清中葡萄糖(GLU)、尿素(BUN)、乳酸(LA)、肌酸激酶(CK)及血液中血紅蛋白(HGB)、紅細(xì)胞(RBC)，腓腸肌指數(shù)，對腓腸肌進(jìn)行HE染色，并統(tǒng)計(jì)大鼠被電擊次數(shù)。結(jié)果與對照組比較，不同跑臺坡度對大鼠的血液代謝產(chǎn)物、能量物質(zhì)及運(yùn)動(dòng)能力均有明顯變化。其中，各運(yùn)動(dòng)組大鼠外周血中GLU、HGB與RBC較對照組顯著降低(P＜0.01，P＜0.05)，腓腸肌指數(shù)顯著增高(P＜0.01); 15°跑臺與-15°跑臺運(yùn)動(dòng)組血清中LA、BUN濃度及CK活性均顯著增高(P＜0.01，P＜0.05)。與0°跑臺運(yùn)動(dòng)組比較, 15°跑臺與-15°跑臺運(yùn)動(dòng)組大鼠被電擊次數(shù)顯著增多(P＜0.05)。HE染色結(jié)果顯示, 運(yùn)動(dòng)后各組大鼠腓腸肌細(xì)胞有腫脹損傷的趨勢。結(jié)論15°跑臺坡度比-15°或0°跑臺坡度復(fù)制大鼠運(yùn)動(dòng)疲勞模型較更佳。

運(yùn)動(dòng)疲勞模型; 跑臺坡度; 運(yùn)動(dòng)能力; 大鼠

運(yùn)動(dòng)疲勞是近年來國內(nèi)外運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)＜谊P(guān)注的熱點(diǎn)課題，建立與人體運(yùn)動(dòng)機(jī)能相同的運(yùn)動(dòng)疲勞模型有助于研究運(yùn)動(dòng)疲勞的發(fā)生機(jī)制，并探討其如何快速消除疲勞、增強(qiáng)人體運(yùn)動(dòng)能力與健康維護(hù)。實(shí)驗(yàn)大鼠有高達(dá)98%基因與人類相似，是建立運(yùn)動(dòng)疲勞模型常用的研究對象，已有跑臺運(yùn)動(dòng)大鼠模型的評價(jià)方法多為上坡跑臺，對于下坡跑臺較少研究[1]。由于不同坡度運(yùn)動(dòng)大鼠的跑姿、強(qiáng)度不同, 及時(shí)評估其對運(yùn)動(dòng)疲勞程度的影響具有重要意義。目前，在運(yùn)動(dòng)性疲勞實(shí)驗(yàn)中, 運(yùn)動(dòng)時(shí)間長短，運(yùn)動(dòng)姿勢被用作反映運(yùn)動(dòng)耐力的行為學(xué)指標(biāo); 體液中乳酸(LA)、尿素氮(BUN)、肌酸激酶(CK)、血糖(GLU)含量等是判定疲勞常用的生化指標(biāo)[2]。因此，本研究擬采用不同的跑臺坡度對比運(yùn)動(dòng)疲勞指標(biāo)的差異, 通過監(jiān)測大鼠行為能力、代謝產(chǎn)物及能量物質(zhì), 客觀評價(jià)不同跑臺坡度對大鼠運(yùn)動(dòng)疲勞各指標(biāo)的影響, 為運(yùn)動(dòng)疲勞動(dòng)物模型相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

清潔級雄性SD大鼠32只，8周齡，體質(zhì)量220～240 g，購于上海斯萊克實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限責(zé)任公司[SCXK(滬)2012-0002]。實(shí)驗(yàn)在解放軍第175醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行[SYXK(軍)2012-054]并獲得解放軍第175醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，按實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用的3R原則給予人道關(guān)懷。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

ZH-PT動(dòng)物實(shí)驗(yàn)跑臺，安徽正華生物儀器設(shè)備有限公司; ADVIA 2400全自動(dòng)生化分析儀，德國西門子公司; LH750全自動(dòng)血液分析儀，美國貝克曼庫爾特公司; RM2245石蠟切片機(jī)及ASP300S全自動(dòng)脫水機(jī)，德國徠卡生物有限公司; CX31顯微鏡，奧林巴斯有限公司; Pico-17離心機(jī)，美國賽默飛世爾公司; BS223S電子天平，德國賽多利斯集團(tuán)公司等。LA試劑盒(批號: 332138), 購于英國朗道實(shí)驗(yàn)診斷有限公司; GLU試劑盒(批號: D1503113),BUN試劑盒(批號: D1503083)，CK試劑盒(批號:D1501133)均購于上海復(fù)星長征醫(yī)學(xué)科學(xué)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 大鼠分組及造模 根據(jù)體質(zhì)量將大鼠隨機(jī)分為4組，每組8只。各跑臺坡度模型組大鼠在本實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)性飼養(yǎng)3 d后進(jìn)行3 d的適應(yīng)性跑臺訓(xùn)練，每日2次，每次15～20 min，之后6周大鼠每日均以20 m/min的速度運(yùn)動(dòng)15 min, 休息1 min，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)15 min。跑臺儀上設(shè)定光、聲音與電刺激，刺激電壓1.2 mA，記錄電刺激次數(shù)，最后一次運(yùn)動(dòng)跑至力竭。判斷力竭狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)為: 大鼠跑姿由蹬地式變?yōu)榉厥剑瑴粼谂艿滥┒瞬荒芾^續(xù)跑動(dòng)，且光、聲音與電刺激均不能驅(qū)使動(dòng)物繼續(xù)維持跑動(dòng)[3]。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測定 大鼠運(yùn)動(dòng)結(jié)束后30 min，采用乙醚麻醉，腹主動(dòng)脈負(fù)壓管采血促凝、EDTA抗凝各2 mL。促凝血置于離心機(jī)中以3 000 r/min離心10 min，取出血清，嚴(yán)格按試劑盒說明書測定大鼠血清中GLU、BUN、LA和CK的含量; EDTA抗凝血對血液中的血紅蛋白(HGB)、紅細(xì)胞(RBC)進(jìn)行測定。脫臼處死大鼠，取其后肢腓腸肌精密稱重，計(jì)算腓腸肌指數(shù)，腓腸肌指數(shù)的計(jì)算: 腓腸肌指數(shù)=[腓腸肌質(zhì)量(mg)/體質(zhì)量(g)][4]。將大鼠后肢腓腸肌置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%甲醛溶液中固定24 h，放入自動(dòng)脫水機(jī)中進(jìn)行自動(dòng)脫水、透明、浸蠟，石蠟包埋，取腓腸肌中1/3用切片機(jī)沿水平面切成5 μm薄片，進(jìn)行HE染色。腓腸肌組織切片置于顯微鏡下進(jìn)行圖像采集。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以x- ± s表示, 應(yīng)用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，均數(shù)間比較采用One-way ANOVA 檢驗(yàn)，組間比較使用t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 血清GLU、BUN、LA、CK

如表1所示，與對照組比較，運(yùn)動(dòng)后不同跑臺坡度運(yùn)動(dòng)大鼠的GLU均有顯著降低(P＜0.01)，而BUN、LA均有顯著升高(P＜0.01，P＜0.05), 說明疲勞造模成功。15°跑臺大鼠血清中的BUN、LA升高更顯著(P＜0.01)。與對照組比較, 不同跑臺坡度運(yùn)動(dòng)大鼠血清中CK含量雖有升高，但只有15°跑臺大鼠的CK含量有顯著性差異(P＜0.05)。

表 1 不同坡度對運(yùn)動(dòng)大鼠血清GLU、BUN、LA、CK的影響Table 1 Effect of GLU, BUN, LA and CK in exercise rats with different slope

2.2 血液HGB、RBC

如表2所示, 經(jīng)過6周強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)后, 不同跑臺坡度運(yùn)動(dòng)大鼠與對照組比較, HGB均有顯著降低(P＜0.05);0°與15°跑臺運(yùn)動(dòng)組的RBC降低(P＜0.05)。

2.3 大鼠體質(zhì)量、腓腸肌質(zhì)量及腓腸肌指數(shù)

如表3所示，跑臺運(yùn)動(dòng)6周后，與對照組比較，不同跑臺坡度運(yùn)動(dòng)大鼠腓腸肌質(zhì)量與腓腸肌指數(shù)均顯著增加(P＜0.01，P＜0.05)，但各跑臺運(yùn)動(dòng)大鼠體質(zhì)量下降沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＞0.05)。

表 2 不同坡度對運(yùn)動(dòng)大鼠血液HGB、RBC的影響Table 2 Effect of HGB and RBC in exercise rats with different slope

表 3 不同坡度對運(yùn)動(dòng)大鼠體質(zhì)量、腓腸肌質(zhì)量及腓腸肌指數(shù)的影響Table 3 Effect of body, gastrocnemius muscle weight and index in exercise rats with different slope

2.4 大鼠被電擊次數(shù)及行為活動(dòng)狀態(tài)觀察

各運(yùn)動(dòng)組大鼠初期均活潑好動(dòng), 對光、聲音及電刺激反應(yīng)靈敏。運(yùn)動(dòng)至第3周后, 15°跑臺與-15°跑臺運(yùn)動(dòng)組大鼠，逐漸出現(xiàn)倦怠神情，雙眼暗淡無光，對光、聲音刺激反應(yīng)遲鈍, 運(yùn)動(dòng)20 min后,多只大鼠跑姿由開始時(shí)的蹬地跑變?yōu)榘肱P位跑，腹部與跑道時(shí)有接觸，不能維持其跑臺的速度, 并滯跑道后1/3處，對光、聲音刺激驅(qū)趕無效，被電擊次數(shù)明顯增加。圖1結(jié)果顯示，0°跑臺運(yùn)動(dòng)組大鼠電擊次數(shù)的均數(shù)第1周為8.75次，隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加而減少，第6周減至1.38次。-15°跑臺運(yùn)動(dòng)組大鼠電擊次數(shù)的均數(shù)第1周為9.13次，第2周5.25次，第6周升至6.25次。15°跑臺運(yùn)動(dòng)組大鼠電擊次數(shù)的均數(shù)第1周為10.50次，第2周降為7.50次，隨后逐漸升至9.63次。

2.5 大鼠腓腸肌形態(tài)學(xué)分析

HE染色結(jié)果顯示: 經(jīng)過6周的跑臺運(yùn)動(dòng)后，運(yùn)動(dòng)組大鼠與對照組比較，肌纖維有不同程度的腫脹(圖2箭頭所指), 出現(xiàn)圓形肌纖維, 邊界處有炎性細(xì)胞聚集浸潤, 以-15°跑臺運(yùn)動(dòng)組較為嚴(yán)重(圖2)。

圖 1 不同跑臺坡度大鼠平均被電擊的次數(shù)Figure 1 The times of electric shock in the rats with different treadmill slope

圖 2 大鼠后肢腓腸肌病理學(xué)觀察(HE×200)Figure 2 Pathological observation of gastrocnemius muscle in posterior limb of rats

3 討論

機(jī)體在進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉最初消耗的是提供直接能量的肌糖原，隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的延長與強(qiáng)度的增加，進(jìn)而大量消耗血糖以補(bǔ)充能量，當(dāng)機(jī)體消耗血糖的速度高于肝糖原分解入血的速度時(shí)，可引起血糖降低，肌肉收縮能量物質(zhì)不足而導(dǎo)致收縮能力降低，即出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)疲勞[5]。大鼠經(jīng)過6周的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，不同跑臺坡度運(yùn)動(dòng)大鼠的GLU均有顯著降低(P＜0.01)。LA是糖酵解的代謝產(chǎn)物，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)骨骼肌中LA的生成量與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度成正比，其大量堆積在體內(nèi)可引發(fā)酸中毒，內(nèi)環(huán)境的酸化可降低肌鈣蛋白對Ca2+靈敏度，增加H+與Ca2+競爭結(jié)合至肌鈣蛋白，干擾肌肉興奮收縮偶聯(lián)過程，并且可抑制磷酸果糖激酶(PFK)的活性，糖酵解的代謝過程被減慢或中止，導(dǎo)致肌肉酸痛和疲勞[6]。隨著肌糖原與血糖濃度的進(jìn)一步下降，氨基酸與蛋白質(zhì)分解代謝加強(qiáng)，機(jī)體內(nèi)BUN生成增多[7]。長時(shí)間持續(xù)高負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)可致肌肉組織的損傷，肌細(xì)胞損傷可伴隨多種酶的釋放激活，其中, CK激活的量與肌肉運(yùn)動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān)[8]。因此，GLU、LA、BU、CK均被認(rèn)為是反映機(jī)體疲勞程度的重要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對照組比較，不同跑臺坡度運(yùn)動(dòng)大鼠血清中GLU濃度顯著降低; LA、BUN濃度明顯升高，不同跑臺坡度運(yùn)動(dòng)大鼠變化趨勢基本一致。15°跑臺運(yùn)動(dòng)組高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)使得LA、BUN、CK與0°和-15°跑臺運(yùn)動(dòng)組相比有進(jìn)一步的增長。

機(jī)體中血液的HGB、RBC常被用來判斷過度疲勞與運(yùn)動(dòng)性貧血的指標(biāo)，高強(qiáng)度耐力運(yùn)動(dòng)如跑步、游泳、自行車等易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)性貧血，使血液運(yùn)輸O2和CO2的能力及能量物質(zhì)能力下降，從而影響機(jī)體的運(yùn)動(dòng)能力[9]。萬發(fā)達(dá)等[10]研究表明，長時(shí)間遞增負(fù)荷跑臺運(yùn)動(dòng)可使大鼠機(jī)體HGB、RBC含量下降。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示: 15°跑臺大鼠運(yùn)動(dòng)后HGB、RBC與對照組比較均有顯著性差異(P＜0.01,P＜0.05)。分析認(rèn)為，大鼠經(jīng)過6周的上坡負(fù)荷訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)后，疲勞連續(xù)積累，出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)性貧血表現(xiàn)與報(bào)道相符。圖1結(jié)果提示，各組大鼠在第1周時(shí)，處于對跑臺的適應(yīng)階段，電擊次數(shù)普遍較高。15°跑臺大鼠由于高負(fù)荷，從第3周開始，由于疲勞的累積，電擊次數(shù)逐漸增加，運(yùn)動(dòng)至第6周，電擊次數(shù)為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練3組中最高，平均達(dá)到9.63次, 與0°跑臺模型大鼠比較(P＜0.05), 說明運(yùn)動(dòng)疲勞程度最高。-15°跑臺大鼠雖然負(fù)荷較輕, 但與0°跑臺大鼠比較電擊次數(shù)亦顯著升高(P＜0.05)，結(jié)合圖2大鼠后肢腓腸肌HE染色的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析認(rèn)為，大鼠經(jīng)過6周連續(xù)下坡運(yùn)動(dòng)后，引起肌肉或關(guān)節(jié)面的損傷而影響大鼠的運(yùn)動(dòng)能力。

大鼠長時(shí)間的跑臺運(yùn)動(dòng)可增加肌肉蛋白質(zhì)合成，使腿部的肌肉有明顯的增加。Pasini等[4]研究表明，連續(xù)8周中等強(qiáng)度耐力運(yùn)動(dòng)可增加約38%的雄性大鼠股四頭肌質(zhì)量。本研究結(jié)果顯示，連續(xù)6周以速度20 m/min，不同坡度的運(yùn)動(dòng)大鼠的腓腸肌重量與腓腸肌指數(shù)增加約增加20.0%，與對照組比較均有顯著性差異。綜上所述，與對照組比較，不同跑臺坡度大鼠的外周血液中LA、BUN濃度以及CK活力顯著性增高，GLU、HGB、RBC則顯著低于對照組，說明大鼠已達(dá)到疲勞狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)疲勞模型建立成功。從運(yùn)動(dòng)大鼠代謝產(chǎn)物、能量物質(zhì)、被電擊次數(shù)、肌肉損傷及跑姿綜合評價(jià), 15°跑臺運(yùn)動(dòng)更容易復(fù)制運(yùn)動(dòng)性疲勞模型。從電擊次數(shù)、大鼠行為活動(dòng)狀態(tài)與腓腸肌組織HE染色觀察推測，-15°跑臺運(yùn)動(dòng)大鼠可有肌肉與關(guān)節(jié)損傷的可能，其具體的機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

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Effect of Different Treadmill Slope on Exercise Fatigue Index in SD Rats

SHI He-kun1, CHEN Kai-jie1, LIN Xiao-feng1, YU Le2, ZHU Qi-gan2, FEI Yan1
(1. Department of Pharmacy; 2. Pathology Department, 175 Hospital of PLA/ Affiliated Southeast Hospital of Xiamen University, Zhangzhou, Fujian 363000, China)

ObjectiveTo study the influence of exercise fatigue index on different treadmill slope in rats.Methods32 SD rats were randomly divided into 4 groups: the control group, and 0°-, -15°-and 15°- treadmill slope exercise groups. The model group was given treadmill exercise according to the scheme. Related indexes were detected after 6 weeks training. The serum content of glucose(GLU),blood urea nitrogen(BUN), lactic acid (LA), creatine kinase (CK), hemoglobin (HGB), red blood cell(RBC). Gastrocnemius muscle index and the number of electric shock in the rats were calculated.ResultsCompared with the control group, there were significant changes in the blood metabolites,energy material and exercise ability during different treadmill slope exercise in the rats. The GLU, HGB and RBC in the peripheral blood samples of each exercise group were significantly lower than those in the control group (P＜0.01, P＜0.05), and the gastrocnemius muscle index was significantly higher (P＜0.01).The serum of LA, BUN concentration and CK activity were significantly increased (P＜0.01, P＜0.05) in the 15°treadmill and -15°treadmill exercise groups. Compared with the 0° treadmill exercise group,the number of electric shock in the rats were significantly increased in the 15° treadmill and -15°treadmill exercise groups (P＜0.05). HE staining showed that the gastrocnemius muscle cells of rats had a tendency of swelling and injury after exercise.Conclusions At 15°treadmill exercise groups, the exercise fatigue model replication of rats was better than that of 0° or -15°treadmill exercise groups.

Exercise-induced fatigue; Treadmill slope; Exercise ability; Rat

Q95-33

A

1674-5817(2017)06-0455-05

10.3969/j.issn.1674-5817.2017.06.006

2017-06-23

解放軍第175醫(yī)院青年苗圃基金資助項(xiàng)目(No.13Y017)

石鶴坤(1980-), 男, 碩士, 主要從事中藥藥理學(xué)。

E-mail: zzphshk@163.com

費(fèi) 燕(1980-), 女, 碩士, 主要從事醫(yī)院藥事管理、臨床藥學(xué)。E-mail: feiyanfy@126.com