高強度間歇訓練改善肥胖患者認知功能的線粒體機制研究進展

蔡明，王曉軍，陳曉艷，胡靜蕓

2021年12月發布的《第五次國民體質監測公報》顯示，我國成年人（14.6%）和老年人（16.7%）的肥胖率增長幅度明顯加快［1］。預計到2025年，肥胖率將達到23.1%［2］。肥胖不僅是高脂血癥、高血壓、胰島素抵抗、2型糖尿病等代謝性疾病發生的主要誘因［3］，其負代謝后果更是損害認知功能的重要風險因素［4］。研究發現，肥胖嚙齒動物腦內線粒體去極化、腫脹、含量減少，三磷酸腺苷（ATP）產能下降以及過量活性氧 （reactive oxygen species，ROS）生成［5］，導致能量危機，是認知損傷的重要誘因［6］。而既往研究也證實了腦內線粒體功能障礙與神經退行性疾病之間的高度相關性［7］，在肥胖階段，靶向治療線粒體穩態受損通路可能是一種有效的恢復神經元功能的策略。

近年來臨床研究發現，高強度間歇訓練（high-intensity interval training，HIIT）在提高超重/肥胖患者認知功能方面有較為顯著的效果［8-9］，是肥胖患者健康管理的有效康復策略之一，但目前尚不清楚HIIT改善肥胖認知損傷的神經生物學機制。運動產生的有益生理效益常伴隨線粒體數量的增加、線粒體活性的提高以及適應力的增強［10］?；诰€粒體和肥胖、HIIT之間的相互聯系，腦內線粒體生物發生的信號上調、線粒體功能提高可能是HIIT改善肥胖認知損傷的重要作用途徑。

本文以“肥胖、認知損傷、認知功能障礙、高強度間歇訓練、線粒體功能、線粒體功能紊亂、線粒體生物發生”為中文關鍵詞檢索中國知網、維普網、萬方數據知識服務平臺等數據 庫， 以“obesity、Cognitive dysfunction、Cognitive function impairment、High-intensity interval training、 Mitochondrial function、Mitochondrial dysfunction、Mitochondrial biogenesis”為英文關鍵詞檢索PubMed 、Web of Science、Embase等英文數據庫；檢索時間為建庫至2021 年 12月；文獻的納入標準：肥胖損傷認知功能的腦線粒體機制與高強度間歇訓練改善作用相關的臨床研究、基礎研究和文獻研究；文獻的排除標準：無法獲取全文和數據的文獻、內容或觀點重復發表的文獻、質量較差及陳舊的文獻等。

1 肥胖損害腦線粒體功能并損傷認知功能

1.1 肥胖患者腦內線粒體功能障礙 線粒體是滿足機體能量需求的重要細胞器，其結構和功能表現出與代謝的高度適應，在能量代謝中起核心作用［11］。除了合成ATP供細胞利用、支持細胞功能外，線粒體還參與了ROS的產生和清除［12］。線粒體功能的破壞會導致ATP減少，ROS水平過高，影響能量內穩態［13］。神經元中線粒體影響神經傳遞、鈣穩態控制、短期和長期神經可塑性等，為學習、記憶的形成、鞏固提供能量保障［14］。肥胖嚙齒動物腦內常會發生線粒體功能障礙〔如線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）降低、ROS過多、線粒體耗氧量減少、ATP生成減少等〕，并伴隨突觸可塑性降低和記憶能力衰退［15-16］，這是因為線粒體功能缺陷會導致葡萄糖、脂質、氨基酸在腦內代謝受阻［17］，能量代謝紊亂進一步加重了神經元損傷，加速認知障礙的病理發展［11，18］。基于此，了解和揭示影響大腦線粒體能量代謝的過程，恢復線粒體的結構和功能，將為肥胖認知損傷提供一個重要的治療靶點。

1.2 引起肥胖患者認知損傷的各因素與線粒體功能障礙的內在聯系 肥胖導致的認知功能衰退是多因素作用的結果，但無論是高脂膳食還是腦內胰島素抵抗、炎癥、氧化應激、內質網應激（endoplasmic reticulum stress，ERS），最后均指向于線粒體功能受損（圖1）。

圖1 引起肥胖患者認知損傷的各因素與線粒體功能障礙間的聯系Figure 1 The relationship of induction factors of obesity-related cognitive impairment with cerebral mitochondrial dysfunction

1.2.1 高脂飲食 流行病學研究表明，高脂飲食會增加肥胖患者發生認知損傷的風險［19］。動物研究表明，高脂飲食會損害腦源性神經營養因子 （brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的表達［6］和神經元突觸數量［20］，對調控大腦認知的功能性蛋白和結構造成損害，引起焦慮［21］、抑郁樣行為［22］、視覺記憶喪失［20］、空間學習記憶能力受損［23-24］。MARQUES NETO等［25］研究發現，18周的高脂膳食會導致肥胖大鼠腦內線粒體腫脹，引起線粒體功能障礙。WANG等［15］研究發現，高脂膳食喂養小鼠20周后，其腦內MMP下降，ATP合成減少，ROS水平升高，而在改善小鼠腦內線粒體功能障礙后，認知缺陷的癥狀得到了緩解。上述研究表明，線粒體功能受損可能是高脂飲食損害肥胖患者認知功能的重要原因之一。

1.2.2 中樞胰島素抵抗 腦內胰島素存在于嗅球、下丘腦、大腦皮質、小腦和海馬等腦區，與胰島素受體結合后可調控食物攝入、Tau蛋白磷酸化、淀粉樣前體蛋白 （amyloid precursor protein，APP）代謝、β-淀粉樣蛋白 （amyloid β-protein，Aβ）清除、神經元存活及記憶［26-27］。肥胖會導致中樞發生胰島素抵抗 ，還會引起胰島素受體磷酸化水平下降，而胰島素受體底物1 （insulin receptor substrate-1，IRS-1）磷酸化水平升高，磷脂酰肌醇激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B，PI3K/AKT）和絲裂原活化蛋白激酶 （mitogen-activated protein kinase，MAPK）過度激活，會削弱胰島素的敏感性，使胰島素信號通路受損，從而損害認知功能［28］。既往研究表明，中樞胰島素抵抗導致的認知障礙可能與線粒體功能紊亂關系密切［29-30］。首先，中樞胰島素抵抗導致的胰島素信號級聯異常不利于神經元對葡萄糖、游離脂肪酸等能量底物的攝入，阻礙線粒體對神經元的能量供應，使大腦功能受損［6］。其次，中樞胰島素抵抗也會直接造成線粒體腫脹、ROS產生增加、MMP去極化、ATP合成下降、耗氧量和CO2生成減少、氧化還原失衡等一系列線粒體病理性改變，引起線粒體功能紊亂，影響突觸功能維護和重塑的基本進程［29，31］。BEIRAMI等［32］研究發現，改善大鼠海馬內PI3K/AKT介導的胰島素信號，可促進線粒體發生相關基因和蛋白的表達，改善工作記憶、學習記憶能力以及再認記憶障礙，提示線粒體可能是胰島素信號傳導的靶細胞器。

1.2.3 神經炎癥 腦內炎癥信號在肥胖的狀態下會被激活，引發神經炎癥，損害認知功能［33-34］。核轉錄因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）在介導肥胖相關炎性信號和炎性反應中發揮了核心作用［35］。NF-κB可釋放NOD樣受體蛋白 3（NOD like receptor protein 3，NLRP3）、白介素 1β（interleukin-1β，IL-1β）、腫瘤壞死因子α（TNF-α）等炎性因子，阻礙長時程增強（long-term potentiation，LTP）和記憶的形成［36］。其中NLRP3可與半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶1（cysteine-requiring aspartate protease-1，caspase-1）組成炎性小體，促進IL-1β、IL-18的成熟、釋放，進一步加劇神經炎癥［37］，抑制環磷腺苷效應元件結合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）磷酸化和BDNF的表達，損害突觸可塑性［38］。既往研究發現，肥胖嚙齒動物腦內發生神經炎癥時會伴隨線粒體功能抑制［5，39］，表明線粒體功能障礙在觸發認知受損相關的炎癥信號中發揮了重要作用。近期研究發現，線粒體功能障礙可通過多種方式強化炎癥信號，改善線粒體功能可能是緩解神經炎癥、治療認知障礙的靶點［40］。受損的線粒體成分從神經元中釋放是調控該炎癥通路的前提，這種釋放途徑有兩種，一種是細胞壞死或凋亡導致的神經元死亡［41］；另一種是“transmitophagy”，即受損的線粒體在神經元的軸突末梢釋放后，被周圍膠質細胞降解［42］。在這個過程中，受損的線粒體DNA（mtDNA）、線粒體損傷產生的高水平ROS均可刺激炎癥小體NLRP3介導的炎癥信號，促使炎性因子分泌，增強炎性反應［40］。

1.2.4 ERS ERS是內穩態失衡導致折疊或錯誤折疊的蛋白在內質網腔內積累引起的應激狀態。前期研究發現，肥胖會引起大鼠海馬、前額葉腦區葡萄糖調節蛋白78（glucose regulated protein 78，GRP78）蛋白表達、蛋白激酶R樣內質網激酶（protein kinase R-like ER kinase，PERK）、肌醇酶1α（inositol-requiring enzyme 1，IRE1α）和真核細胞起始因子2α（eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α）的磷酸化水平升高，產生過度的ERS反應，誘導細胞凋亡并降低突觸可塑性蛋白的合成［43-44］。而抑制高糖、高脂誘導的神經元ERS，能減少神經元凋亡并提高突觸可塑性［45］。值得注意的是，長期的ERS一方面會使線粒體產生過量的ROS，引起氧化應激，損害線粒體功能［46］；另一方面會引起線粒體-內質網結構偶聯（mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes，MAMs）作用增強，導致內質網到線粒體的鈣通量增加，線粒體鈣超載伴隨著線粒體ROS產生的增加，進而使線粒體功能受損［47］。但在肥胖狀態下，ERS對線粒體功能損傷有何影響，以及這些會對認知產生怎樣的負面效應，目前還未見報道。在未來的研究中明確ERS與線粒體的相互作用將為研究肥胖狀態下認知損傷的機制提供新的思路。

1.2.5 氧化應激 在肥胖的情況下，氧化應激已被證明會影響大腦線粒體功能和認知功能。氧化應激是由自由基的產生與抗氧化防御系統中的抗氧化物質生成之間的嚴重失衡引起［48］。核因子E2相關因子2（nuclear factor E2-related factor 2，NRF2）是調節Ⅱ期抗氧化反應的調控因子，通過與抗氧化反應元件 （antioxidant response element，ARE）相互作用調控抗氧化信號，使大腦免受氧化損傷。FREEMAN 等［49］研究發現肥胖小鼠海馬和腦皮質區內ROS水平顯著升高，谷胱甘肽過氧化物酶 （glutathione peroxidase，GPx）活性、抗氧化調控信號NRF2/Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1 （Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）降低。MORRISON等［50］研究亦表明，肥胖小鼠海馬內NRF2活性下降，其下游應答蛋白血紅素氧合酶1 （heme oxygenase-1，HO-1）和NAD(P)H：醌氧化還原酶1 （NQO1）表達均被抑制。MA等［51］研究則表明，盡管肥胖大鼠腦內還原型谷胱甘肽 （reduced glutathione，GSH）水平、GSH/氧化型谷胱甘肽 （oxidized glutathione，GSSG）下降，但為了應對氧化應激會提高谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）活性以及上調NRF2/NQO1信號。這種部分矛盾的研究結果可能是由高脂飼料配方、高脂干預時間、動物取材的組織、動物年齡、種屬差異性引起的。PINTANA等［52］研究表明，通過減輕肥胖大鼠腦內氧化應激可以減少線粒體ROS生成、增強MMP以及修復線粒體結構損傷，改善線粒體功能障礙并逆轉學習記憶能力的受損。因此，改善肥胖狀態下腦內氧化應激，將有利于線粒體功能恢復及緩解認知損傷。

2 HIIT在控制肥胖及認知損傷中的應用及研究進展

2.1 HIIT在肥胖管理中的臨床應用價值 2018年美國體力活動指導咨詢委員會（Physical Activity Guidelines Advisory Committee，PAGAC）指出HIIT在健康促進中的重要性。隨后有研究強調了HIIT可以改善20～77歲人群的胰島素敏感性、血壓和身體成分［53］，降低肥胖等代謝性疾病發生風險［54］。與常規的有氧訓練比，HIIT是控制肥胖更有效的運動策略［55-56］。

HIIT是一種重復多次、交替進行短期高強度和休息/低強度恢復的運動［57］。目前，根據HIIT的概念研發了多種訓練方法，主要分為有氧HIIT和自重 HIIT （抗阻HIIT）。HIIT訓練可靈活根據肥胖個體的身體素質進行運動策略的修正，起到個性化運動處方的效果；且HIIT運動模式多樣 （包括騎行、游泳、水上訓練、交叉訓練等），可根據個人意愿進行選擇。個性化的HIIT運動療法更切合當下對肥胖的管理，有效糾正肥胖代謝紊亂，預防肥胖相關風險因素。

2.2 HIIT改善肥胖認知損傷的研究 臨床研究表明，HIIT可通過提高腦內氧合功能［58］和分泌神經營養因子［8-9］兩方面，提高肥胖患者的認知功能，是肥胖個體提高認知功能的有效運動康復策略。DRIGNY等［58］通過使用近紅外光譜技術發現，中年肥胖患者在經歷4個月的HIIT后腦血氧飽和度明顯提升，同時伴隨短期記憶、言語記憶和注意力等認知功能的提升。而與常規有氧訓練相比，HIIT可在很短的時間內促進肥胖人群分泌神經營養因子。例如，一次性的HIIT結合抗阻訓練可刺激超重青年人產生較高水平的BDNF、神經營養因子3 （neurotrophin-3，NT-3）、NT-4/5［9］。且相比一次性常規有氧訓練，青年肥胖患者 BDNF對HIIT更敏感［8］。動物研究表明，HIIT能促進肥胖大鼠的腦微循環，改善線粒體功能［25］。以上研究表明，HIIT可有效改善肥胖患者認知損傷情況。

3 線粒體是HIIT促進認知改善的靶細胞器

3.1 HIIT可通過改善線粒體功能提高認知功能 運動能在細胞水平上對腦功能產生有益影響，而線粒體是其首選的目標細胞器［59］。運動對腦線粒體的影響在于能增強線粒體適應性［60-61］，提高抗氧化能力和改善氧化應激［62］，促進線粒體功能［63］。臨床研究發現，僅一次性21 min的HIIT就能顯著提高受試者腦內谷胱甘肽的水平［64］。動物研究表明，6周的HIIT能促進嚙齒動物海馬內丙二醛 （malondialdehyde，MDA）等氧化產物的清除［65-66］和減少ROS的生成［67］，且能顯著提高皮質、海馬、紋狀體腦區中超氧化物歧化酶（SOD）、總抗氧化能力 （total antioxidant capacity，TAC）、GSH-Px、過氧化氫酶（catalase，CAT）的活性［65-67］。而12周的HIIT能通過減輕阿爾茨海默病小鼠海馬內線粒體氧化應激損傷，修復線粒體的形態、結構、功能，促進小鼠的認知功能恢復［68］。本研究團隊前期研究也發現，6周的HIIT能通過調控健康小鼠海馬內的線粒體動力學和線粒體生物發生，改善線粒體質量，提高能量代謝效率，增加BDNF表達和CA1區樹突棘密度，促進突觸可塑性［69］。以上研究表明，HIIT能改善腦內氧化應激，促進線粒體網絡的穩態平衡，這有利于保證線粒體的質量，增強線粒體功能。而MARQUES NETO等［25］研究發現，僅4周的HIIT就能減輕肥胖大鼠腦內線粒體的腫脹程度，并增加其腦毛細血管密度，進一步驗證了HIIT可能會通過靶向促進線粒體功能對肥胖相關認知損傷產生正面效益。

3.2 線粒體生物發生在促進線粒體功能中的作用 線粒體生物發生受應激刺激、細胞能量需求而觸發，以應對細胞內的環境變化［70］。線粒體生物發生與mtDNA的復制、線粒體動力學相偶聯，用自身的基因組產生具有功能性的新線粒體［71］，表現為線粒體數量增多、體積增大、特異性熒光信號增強、相關蛋白表達上調［72］，對線粒體功能的維持尤為重要。

過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（peroxisome proliferators-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）是調控線粒體生物發生的主要刺激因子［73］，可與下游NRF1/2相互作用，促使線粒體轉錄因子 （mitochondrial transcription factor A，TFAM）活化進入到線粒體內，誘導mtDNA的轉錄與復制，最終促進線粒體的復制［74］。研究發現AD小鼠海馬內PGC-1α介導的線粒體生物發生信號通路受損［75］。而激活小鼠皮質神經元內PGC-1α-NRF1調控的線粒體生物發生后，可增加神經元內線粒體耗氧量和ATP產生水平，增強線粒體功能［76］，可以推測，上調線粒體生物發生信號通路是提高線粒體功能、靶向治療神經退行性病變認知損傷的可行策略。目前證據僅表明，線粒體生物發生信號受損是引起肌肉［77］、肝臟［78］、脂肪［79］等組織器官線粒體功能障礙的重要機制之一。該信號是否關聯肥胖患者腦線粒體功能障礙以及是否參與調控認知相關的信號、靶蛋白，仍有待于進一步研究。

3.3 腦內線粒體生物發生信號對運動強度敏感 有研究發現，8周高強度運動能顯著提高青年［80］和老年小鼠［74］腦內PRC mRNA、PGC-1α蛋白表達和mtDNA的水平。MARQUESALEIXO等［81］研究發現，12周跑臺運動能激活大鼠皮質區域PGC-1α介導的線粒體生物發生，改善線粒體氧化應激，促進線粒體氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）相關的復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ的蛋白表達，提高線粒體氧化磷酸化效率，促進突觸可塑性蛋白的表達。STEINER等［82］研究發現，8周跑臺運動能顯著促進青年小鼠海馬、皮質、下丘腦、小腦等腦區PGC-1α mRNA、mtDNA水平的表達，但是急性運動卻不能對這些腦區PGC-1α和mtDNA的表達產生影響。而GUSDON等［63］研究表明，3周跑臺訓練不能對老年小鼠皮質、紋狀體區域線粒體生物發生相關蛋白PGC-1α和TFAM表達產生影響。上述研究表明，運動對腦線粒體生物發生信號的刺激效應需要一定的周期。此外，運動強度也是激活線粒體生物發生信號的關鍵因素。HIIT作為一種高強度的運動，可顯著刺激肌肉內的PGC-1α基因、蛋白表達，促進線粒體生物發生［83］。而本研究團隊先前的研究也發現，6周的HIIT能提高健康小鼠海馬內的線粒體生物發生［69］。因此，HIIT很可能會通過促進肥胖腦內的線粒體生物發生而提高線粒體功能，對認知功能產生顯著的促進效果（圖2）。當然，這其中需要涉及研究HIIT強度-劑量效應、運動周期對刺激腦內線粒體生物發生的影響。

圖2 HIIT促進認知功能的線粒體機制Figure 2 The possible mechanisms of high-intensity interval training on improving obesity-related cognitive impairment

4 小結與展望

由于相較常規有氧訓練而言，HIIT每次消耗的總時間較少，不僅可高效率實現定期體育運動的健康效益，還有改善肥胖患者認知損傷的潛力，是一個極具吸引力的運動康復策略。但目前HIIT臨床應用于防治肥胖患者認知損傷還有待于系統評估。第一，報告HIIT不良事件的研究比例較低，研究對象的數據也較少，大多數HIIT的干預周期較短，導致可獲得的相關數據有限。肥胖患者在臨床上心血管代謝適應的運動風險性和HIIT安全性未知。且患者長期堅持HIIT的意愿及運動能力目前也無有力的臨床證據支持。第二，目前研究中使用HIIT相關鍛煉方案和強度范圍相對廣泛，不利于醫務工作者制定最佳的HIIT運動處方。未來還需要繼續進行研究以評估、比較和系統地回顧特定類型的HIIT對肥胖患者認知功能損傷的保護作用。

作者貢獻：蔡明負責文獻和資料收集、論文撰寫及論文圖片制作；王曉軍負責文章的質量控制及審校；陳曉艷負責文章的文獻/資料整理；胡靜蕓負責研究命題的提出、設計及負責最終版本修訂，對論文負責。所有作者確認論文終稿。

本文無利益沖突。