運動與心臟重構

秦長輝

1 前言

在哺乳動物物種中，心臟大小隨著體型的增加而增加[1]，與代謝需求、大量血液成比。例如，Stahl早期研究[2]表明哺乳動物的心臟大小通常占其體重的約0.6%。然而，對個別哺乳動物物種進行仔細檢查表明存在相當大的差異，并且在某些動物中，心臟大小占其體重的1.7%[3]。這種可變性似乎與動物習慣性參與的身體活動類型有關。具體來說，長時間運動的動物，例如純種馬和灰狗，心臟比那些較少的動物明顯更大。這種運動引起的心臟重塑也表現在耐力運動員[4]，并被稱為運動員心臟。

人類和動物心臟的重塑往往反映了不良的反應，如疾病或潛在的病理學。擴大心室腔或增加心肌壁厚分別和增加的體積載荷或壁應力的增加有關。因此，與心臟病相關的改變的血液動力學，例如瓣膜反流或主動脈瓣狹窄導致不良病理性心臟重塑。但是，生理運動期間，心臟的血流動力學負荷也是不可避免的。具體取決于具體情況運動刺激[5,6]以及環境溫度[7]，心臟可能會急劇增加體積負荷[8-10]，增強“壓力”后載[11]，或兩者的組合[12-14]。因此，當運動經常重復一定時期，類似于競技運動員(人類的或動物)，可發生心臟適應和重塑。

2 急性運動與心臟負荷

有氧運動與代謝和體溫調節需求增加有關。運動時，這些競爭性需求必須通過增強的血液輸送來滿足，包括工作肌肉和負責熱交換的毛細血管，需要血流增加，心輸出量(心率和每搏輸出量的成績)和每分鐘氧耗緊密相關[15,16]。

人類中，在動力性(等張)有氧運動期間，心率和每搏輸出量增加，同時整體血管阻力適度減少，最終結果是心輸出量大幅增加。相反，在阻力或靜態(等長)運動期間，觀察到心輸出量的適度增加主要由心率(Heart rate，HR)的增加驅動，但同時伴隨著全身血壓的增加比動力性運動時觀察到的更明顯。因此，施加在心臟上的血液動力學負荷取決于運動強度、持續時間和模態。應該注意的是，運動很少是孤立的動態或靜態運動，相反，大多數運動都是在涉及這兩個因素的連續統一體的某個地方。為了更好地描述個體運動的相對負荷，Mitchell等人[17]提出了一種擴展模式，它可以更好地表示運動員心臟所暴露的“混合”心血管負荷。盡管如此，運動心肌重塑體現在運動引起的壓力或容積刺激的背景下[5,6,12-14]。

3 運動員心臟

運動誘導心臟重構受到廣泛的關注[18,19]。早在19世紀90年代，使用聽診和叩診，瑞典和美國的醫生分別發現優秀越野滑雪者和賽艇運動員的心臟形態增加[20]。運動性心動過緩的第一份研究報告來自波士頓馬拉松賽[21]。隨后，隨著改進的成像技術(例如，心臟超聲和磁共振成像)，許多研究已經證實運動訓練可誘導心臟的結構和功能上的適應。自20世紀70年代中期以來，提出耐力運動員出現心臟適應，由增加的“體積”負荷引起，而基于力量的運動員具有由較高“壓力”負荷塑造的心臟表型。簡單地說，耐力運動員有離心型的心室重構心臟：大心室、適度的壁增厚、相對壁厚較低以及靜息HR下降；爆發力運動員表現出向心型肥厚：相對較厚的心室壁心室容積小，相對壁厚度高，HR變化極小后者被假定為由系統性全身血壓增高引起，因此心室壁應力與重復強度、基于力量的活動相關。耐力和力量運動員之間的這種二分法區別最初是由Morganroth[22]提出的，后來被稱為“Morganroth假設”。這種觀點在運動心臟病學文獻中被廣泛接受。

最初的研究來自于一緯顯像技術，隨后，隨著影像學方法的進步，對力量訓練誘導向心肥厚提出了質疑。Haykowsky等人[23]提供了進一步的生理學理由，說明為什么離心運動員可能不會經歷同心肥厚。完成強烈力量訓練(例如，動力提升)時，個人執行Valsalva動作。這種呼吸操作使透壁壓力相等，因此左心室(LV)所面臨的壁應力或后負荷并不顯著大于靜息[23]。因此，如果運動員在阻力活動期間進行Valsalva，則心臟不會暴露于適應性應激。雖然Haykowsky的數據令人信服，但應該指出的是，并非所有阻力活動都是通過Valsalva進行的。特別是當活動本質上是動力性的。因此，除了最短暫的受控阻力活動外，運動員很可能會經歷多次不同程度心臟后負荷的增加。

Weiner等人[24]展示了美國大學橄欖球運動員的縱向數據，證實了長時間以力量為基礎的訓練可以進行同心重塑。然而，應該指出的是，這些運動員在運動訓練的同時也發展了適度的高血壓。因此，LV后負荷的增加并不局限于訓練期間，并且觀察到的心室壁厚度的增加不能僅僅歸因于運動刺激。相比之下，Spence等人[25]使用心臟MRI圖像，在六個月的阻力運動訓練中未能顯示出同心重塑。然而，應該注意的是，這些人在研究開始之前是未經訓練的人員，并且訓練刺激限于每周三次一小時的訓練。因此，這些結果不能直接與來自專業運動員的文獻進行比較，而這些專業運動員完成了更大量的、長期的訓練。

最近，采用元分析技術來研究Morganroth假說。研究證實耐力訓練的運動員中存在離心重構[26]，但也為力量訓練的運動員的心臟重塑提供了一些支持。盡管分析中包含的力量訓練研究顯著減少，但在力量訓練的運動員中，室間隔壁和后壁厚度均較大比對照組，與耐力運動員的表現相似。力量運動員的心室腔的大小，但不是體積，也比對照組更大，但低于耐力運動員。此外，Pluim等人[27]基于相對壁厚增加(RWT，壁與腔的比例)，認為接受過力量訓練的運動員表現出同心肥大。然而，來自Utomi等人的平均RWT數據，力量運動員為0.40，耐力運動員為0.41，均符合臨床標準，但無顯著差異[26]。Morganroth假設的基礎耐力和力量運動員分別經歷體積或壓力過載。如上所述，絕大多數運動員的情況并非如此，大多數運動員參與力量和耐力活動，存在不同血流動力學上的變化，從而誘導心臟重構。

4 運動誘導心臟適應，不只是局限在左心室

到目前為止，絕大多數研究運動員心臟的工作都集中在LV上。這可能和LV在滿足運動需求所需的心輸出量中起重要作用有關[28]，但也可能與心臟左側成像相關的相對容易性有關。但研究不能局限在左心室，應當關注右心室、心房和主動脈的變化情況。

鑒于運動需要，左心室和右心室的每搏輸出量增加，耐力運動員中有明顯證據的支持LV重塑，RV可能發生重構現象。使用MRI圖像，Scharhag等人[29]提供了耐力運動員雙心室重塑的證據。雖然從絕對意義上講，RV所面臨的靜息后負荷遠低于LV，但運動時肺動脈壓的升高與全身動脈壓的升高成比例[30]。RV后負荷的這種增加與肺動脈的非彈性性質和肺循環中相對缺乏血管舒張有關。因此，類似LV，對于完成大量耐力訓練的運動員的RV增大有相當大的刺激作用。目前，對于接受過力量訓練的運動員的RV重塑知之甚少，需要進一步研究。

此外，根據薈萃分析的結果，很明顯主動脈[31]和左心房對運動訓練有反應[32]。Iskandar等人[31]研究數據顯示，與對照組相比，運動員的主動脈根平均大于3.2毫米，主動脈瓣環大于1.6毫米。然而，這種差異在耐力方面表現得更加明顯，而不是受過力量訓練的運動員。但不能排除身體大小對他們的發現的潛在混雜影響，作為更大的個體毫無疑問會有更大的主動脈。另外，一項研究匯總了來自54項研究的數據，包括超過七千名運動員(耐力、力量和聯合運動員)，以檢查左心房的運動重塑。分析表明，與對照組相比，運動員的加權平均左心房直徑大4.1mm，運動員體表面積指數為7mL/m2。與LV和主動脈相似，左心房在耐力運動員同樣表現出最大的適應性[32]。

5 心臟適應機制

最近，新興技術使得能夠評估LV功能(例如，心肌在縱向、徑向和周向平面中的構型以及心室基部和心尖的反向旋轉)。心臟力學與潛在的心肌結構密切相關，如上所述，心肌結構在運動訓練中顯著改造。早期數據表明高度適合的個體具有較低的靜息力學[33]。與耐力訓練引起的心動過緩相似，靜息時較低程度的心肌構型可能有助于在運動期間獲得更大的儲備。這種儲備將有助于舒張期充盈，在需求增加時增加SV和心輸出量。最近的研究表明，心室力學的這種適應可能取決于訓練持續時間。在運動訓練的初始階段，LV旋轉動力學似乎增加，可能與血容量增加有關，一旦心肌本身適應形成，動力學正?；踔两档蚚34]。

另外，從分子水平看，運動誘導的心臟重塑通常是與心肌細胞肥大[35]、心肌細胞收縮性增加、肌節重塑、細胞存活、代謝和線粒體適應[36]、電重構和血管生成相關的適應性反應[37]，例如胰島素樣生長因子1/PI3K/Akt信號途徑參與介導多種應答[38-40]。啟動心臟重塑的刺激、觸發包括增加的血液動力學負荷、增加的交感神經活動以及激素和生長因子的釋放[37]。

此外，研究表明一周大于4次有氧練習，持續超過45min，可最佳化心臟的健康[38]。

6 小結

心肺適應能力可預測心血管疾病。動力性有氧運動可誘導離心型心肌肥厚，力量訓練可誘導向心型肥厚。大部分運動設計到有氧訓練和力量訓練，因此，運動誘導心臟重構來自于心臟相對的容積和壓力負荷，取決于運動方式、運動強度、持續時間和參與的次數。運動是激活心肌細胞發生適應的強效刺激物，從而提高心臟的健康。