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運動性疲勞動物模型的研究The Research on Animal Model of Exercise Fatigue  鄭瀾1,陸愛云2

在實驗動物學被喻為生命科學研究支柱的今天,運動性疲勞動物模型成為運動性疲勞深入研究的重要途徑,標準化、理想的運動性疲勞模型無疑是實施有損傷情況下疲勞研究的首要環(huán)節(jié)。至今,國內(nèi)、外有關(guān)疲勞的動物實驗研究大部分是在力竭運動狀態(tài)下進行的。分析其原因,與運動性疲勞的綜合性、全身性、發(fā)生機制的復雜性導致建模過程中難以判斷疲勞發(fā)生、發(fā)展和鑒定疲勞程度密切相關(guān)。運動性疲勞模型的研究雖然相對滯后,但仍進行了一些可貴的探索。

1運動性疲勞模型的分類依據(jù)

自從1890年MOSSO首先用指肌力描記術(shù)研究重復肌肉收縮時所產(chǎn)生的工作能力的變化開始,對運動性疲勞的研究至今已有百年歷史。對運動性疲勞的認識,許多作者從自己研究成果出發(fā),提出過不同看法,如在教科書中較通用的是“疲勞是由前面體力活動引起的暫時性的工作能力的下降”。我國生理學家蔡翹將其定義為“疲勞是由于體力活動(或腦力活動)而導致機體機能暫時性失調(diào)的生理狀態(tài),它在客觀上表現(xiàn)為工作能力下降,在主觀上往往伴隨疲勞感”。1981年,CIBA基金會專門召開了“人體肌肉疲勞:生理機制”的討論會,EDWARDS在會上把肌肉疲勞定義為“不能維持所需或預計的力量”。1982年第5屆國際運動生物化學會議上,將疲勞(fatigue)機理統(tǒng)一為“機體生理過程不能持續(xù)其機能在一特定水平上,或不能維持特定的運動強度”。有學者將“工作能力暫時下降”及蔡翹的疲勞定義稱為“理論定義”,它是從整體上對疲勞的外在及主觀的表現(xiàn)進行了描述,而把國際運動生物化學會議及EDWARDS的定義稱為“工作定義”,用以指導實際研究,提出了在實際工作中判定疲勞的標準,適合對一次性運動所產(chǎn)生的疲勞進行判斷,以此為判斷疲勞的依據(jù),建立了急性運動中的疲勞模型,如田野的大強度運動性疲勞模型和有氧運動性疲勞模型。

工作能力的下降是一個漸進過程,從定義上講,應當是工作能力開始下降的那一點起就是疲勞的開始,但是這個“點”的判斷困難,因而造成疲勞的程度在實際操作上存在差別。有的學者為了便于判斷及引起機體出現(xiàn)更明顯的變化, 將疲勞發(fā)展到最大,以致肌肉不能繼續(xù)收縮為止,這種狀態(tài)為力竭(exhaustion),即“機體不可能維持運動”,以此為標準建立的模型稱為力竭運動模型。黎錦等認為,疲勞是一個漸進的過程,在運動性疲勞這一發(fā)展過程中,肌肉工作能力下降的那一點是疲勞過程的始發(fā)點,而精疲力竭則是疲勞過程的終結(jié)點。為了便于運動性疲勞的研究,把疲勞過程劃分為3個階段,即疲勞過程的開始階段、發(fā)展階段和力竭階段,在此基礎上建立了運動性疲勞發(fā)展過程模型。而運動實際中常常出現(xiàn)的,是運動員在進行一段時間的大強度訓練和激烈的比賽后,往往出現(xiàn)疲勞,達不到原有的競技水平。這種由于一次訓練或比賽出現(xiàn)的疲勞沒有得到及時恢復,產(chǎn)生疲勞積累,為慢性運動性疲勞,是急性運動性疲勞得不到及時恢復發(fā)展所致,模擬這種狀態(tài)建立的模型稱為慢性運動性疲勞模型。張世民等對運動性疲勞的中醫(yī)分型及診斷的研究認為,運動性疲勞是在(競技)運動過程中發(fā)生的一種疲勞癥候,具有其運動特點:筋肉疲勞酸痛、運動性失眠、運動性脾胃功能失調(diào)、腎氣不足、女運動員月經(jīng)失常。中醫(yī)對疲勞的認識,是從整體觀念出發(fā),主要集中在形體疲勞、神志疲勞和臟腑疲勞3個方面,啟發(fā)人們從系統(tǒng)論、整體觀去認識運動性疲勞,加深了對運動性疲勞的認識,同時,也拓展了運動性疲勞模型的內(nèi)涵。中醫(yī)理論介入建立的運動性疲勞模型稱為中醫(yī)運動性疲勞模型。

2運動性疲勞動物模型的建立

2.1急性運動性疲勞動物模型

2.1.1大強度運動性疲勞動物模型

選用健康雄性SD大鼠,體重250～350g。采用主觀觀察性指標:大鼠一般狀況的變化、跑的姿勢的改變及運動能力的變化,來判斷動物是否疲勞及疲勞的程度。實驗大鼠進行速度為28m/min(根據(jù)BEDFORD的最大耗氧量確定,此速度運動強度超過90%最大耗氧量,為大強度運動)水平跑運動,持續(xù)時間為20min,運動過程中采用聲音和毛刷刺激。在最初的10min實驗大鼠在沒有任何刺激的情況下基本可維持原工作強度,后10min運動時間里,實驗大鼠蹬地跑姿勢已不像運動開始時積極、有力,運動能力逐漸下降,說明疲勞已發(fā)生。此方法建立的模型運動強度較大,因而誘發(fā)身體疲勞的速度較快,但一次性大強度、短時間所造成的疲勞程度較輕,可通過增加動物運動組數(shù)來加深運動性疲勞程度。

2.1.2有氧運動性疲勞動物模型

選用健康雄性SD大鼠,體重250～350g。采用主觀觀察性指標:大鼠一般狀況的變化、跑的姿勢的改變及運動能力的變化,來判斷動物是否疲勞及疲勞的程度。實驗大鼠進行速度為18m/min的中等強度的水平跑運動,持續(xù)時間為100min。大鼠在長時間、中等強度運動后,表情較冷漠,反應較遲鈍,捕捉時,逃避反應較運動前減弱。運動后期,大鼠跑的動作較運動前期明顯吃力,特別是在最后20min,多數(shù)大鼠跑的姿勢由開始時的蹬地跑變?yōu)榘肱P位跑,腹部與跑道時有接觸,個別大鼠為臥位跑,大鼠的運動能力隨著運動時間的延長而逐漸下降。用此方法建立的模型大鼠已表現(xiàn)出明顯的疲勞特征。

2.2運動性疲勞發(fā)展過程動物模型

根據(jù)1982年第5屆國際運動生物化學會議上有關(guān)運動性疲勞的概念,將疲勞發(fā)展過程劃分為3個階段:疲勞過程的開始階段、發(fā)展階段和力竭階段。選用健康雄性SD大鼠,體重220～320g。將裝有相當于自身體重12%的砝碼的小布袋系在實驗大鼠的前肢腋下,砝碼帶系于胸腹前,在0.7m×0.5m×0.7m的鐵箱內(nèi)游泳,水深0.5m,每次1只。當大鼠游至水從耳下淹到耳上,身體輕度下沉時,為運動性疲勞的開始階段;當大鼠游至水淹過眼,其身體進一步下沉時,為疲勞的發(fā)展階段;當大鼠游至水淹過鼻尖,身體下沉無力返回水面時,為疲勞的力竭階段。在運動性疲勞發(fā)展過程的不同階段對大鼠血乳酸、肝臟的光鏡和電鏡下結(jié)構(gòu)的變化及酶組織化學進行研究,從而建立了能較客觀反映糖無氧酵解供能條件下,從疲勞開始經(jīng)進一步發(fā)展直至力竭的發(fā)展過程運動性疲勞動物模型。該模型經(jīng)實驗證明具有可重復性。

2.3慢性運動性疲勞動物模型

選用SD雄性大鼠,采用7周大強度跑臺運動,從訓練第1周起,每周遞增速度,每周速度分別為15m/min、22m/min、27m/min、31m/min、35m/min;每天訓練20min,每周5天,共訓練5周。第5周后分兩種運動強度建模,一般訓練組于第6、7周,每日按35m/min的速度,在坡度為0的跑臺上跑20min;強化訓練組于第6、7周,每日在同等情況下跑25min,來建立長時間遞增負荷運動性疲勞動物模型。有研究采用同樣持續(xù)時間為7周的遞增負荷跑臺訓練建立疲勞模型,采用的運動強度稍大。

2.4中醫(yī)運動性疲勞動物模型

2.4.1采用勞倦因素與大黃、芒硝瀉下藥物建立脾氣虛動物模型

選用Wister系雄性大鼠,體重180±20g。將大黃、芒硝、標準飼料按0.85:0.15:9.0的比例均勻混合后制成藥化飼料,實驗動物在每日喂食藥化飼料的同時,于每天上午8:00～12:00在勞倦裝置振蕩器上(振動蕩243次/min、振幅為36mm)振動4h,共建模21天。建模后,從大鼠的外觀表現(xiàn)、糞便、體重、食量及拉尿排便試驗來觀察,大鼠呈脾氣虛癥。

2.4.2采用勞倦過度與番瀉葉建立脾氣虛動物模型

選用昆明系小白鼠,體重20～32g,采用番瀉藥結(jié)合游泳運動建立模型。每天進行1次游泳訓練,時間為2～5min,以身體下沉為度,且施100%番瀉葉煎劑0.5ml/只。建模第4天,實驗動物出現(xiàn)瞇眼、懶動、扎堆、排條狀軟便、毛散而無光澤,并出現(xiàn)明顯的膽怯狀態(tài)。建模第8天處死,取血測定紅細胞C3b受體、IgG、IgM含量;取脾臟測定T細胞亞群、TL22活性、NK活性、淋巴細胞轉(zhuǎn)化率。這8項免疫學指標與對照組相比均有高顯著性差異,表現(xiàn)出各項免疫學指標下降。從實驗動物的外觀表現(xiàn)和免疫學指標的變化表明已呈脾氣虛癥。該研究還表明,雖然單純勞倦因素導致脾虛程度方面較番瀉葉瀉下法為輕,但它具有明顯的導致脾虛的效果,故不失為長期脾虛建模的方法。

2.5力竭運動動物模型

2.5.1跑臺有氧力竭運動動物模型

選用健康雄性SD大鼠,體重250～350g。采用觀察性指標:大鼠一般狀況的變化、跑的姿勢的改變及運動能力的變化,來判斷動物是否疲勞及疲勞的程度。實驗大鼠進行速度為18m/min的中等強度的水平跑運動,持續(xù)時間為200min,運動過程中采用聲音和毛刷刺激。實驗大鼠的一般狀況、跑的動作和運動能力變化較為明顯。在運動過程中,需要較多的刺激次數(shù)和延長刺激時間,才能維持原強度工作。為了誘發(fā)實驗大鼠的運動能力進一步下降,在200min運動的中間(一般在第100～120min),當大鼠的運動能力明顯下降時(刺激頻率為6次/min),取出大鼠進行短暫休息(一般為5min),然后繼續(xù)運動,直至不能維持原工作強度,大鼠表現(xiàn)為明顯的力竭癥狀。以此可作為有氧運動力竭動物模型。

2.5.2游泳力竭運動動物模型

選用雄性SD大鼠,體重約280±6g。采用尾部負重的游泳方式,負重重量為體重的3%,泳池水深50cm,水溫31°±1℃,每m2水面同時5～6只大鼠游泳,當大鼠游至連續(xù)3次沒入水底,每次超過10s,視為力竭。以此建立力竭運動動物模型。

3運動性疲勞模型分析

從已建模型來分析,建模選用的實驗動物有SD大鼠、Wister大鼠、昆明小白鼠等,且同一品系年齡不一,體重也不一樣。采用的練習主要有跑臺練習和游泳練習,其中,游泳練習中采用的泳池的大小、水深及水溫的控制亦不一樣,且一次同一泳池游泳的實驗動物的只數(shù)不一。有的負重,有的不負重,而且負重的重量不一。跑臺運動的刺激方法主要有聲、光、電及機械刺激,有的模型建立采用了電刺激,有的卻沒有,存在刺激方法不均一的特點。肖明珠等對不同刺激方法對大鼠跑臺運動疲勞及恢復期糖代謝的影響的研究表明,雖然機械刺激和電刺激都能使大鼠進行跑臺運動達到相同的疲勞標準,即奔跑大鼠在接受刺激后仍跟不上預定速度(33m/min),大鼠臀部壓在跑臺后壁,后肢隨轉(zhuǎn)運皮帶后拖30s,但2種刺激所造成的疲勞對動物機體糖代謝的影響是有區(qū)別的。因此,不同的刺激方法,在相同的疲勞標準下,對機體的影響是不一樣的。由于實驗條件不一樣,會使研究結(jié)果難以比較與交流。對運動性疲勞的判斷標準的報道不一,如對游泳至力竭的判斷,有的將大鼠游泳至沉底,無力浮出水面視為力竭;有的將力竭標準定為游泳沉底,無力復出水面達60s,出水后呼吸深、急、幅度大,雙目無光,反應遲鈍,強刺激后逃避緩慢,體位為俯臥位,被握持時,四肢下垂。而對疲勞判斷更是眾說不一。

運動性疲勞的判別是建立運動性疲勞模型的一個非常重要的問題,對于急性運動性疲勞動物,根據(jù)運動中動物的外部體征來判斷疲勞程度仍是主流。田野對實驗動物的一般狀況、跑的姿勢及運動能力的深入細致的觀察,為疲勞的外部判斷提供了寶貴的資料,如果結(jié)合一些生理、生化客觀指標的評判,將是一種科學、合理的運動性疲勞的判斷方法。黎錦等的糖酵解供能情況下運動性疲勞發(fā)展過程模型,根據(jù)實驗大鼠游泳過程中身體下沉的程度來界定疲勞的發(fā)生、發(fā)展和力竭階段,并測定了此過程中血乳酸的變化規(guī)律,為實際工作中疲勞模型的建立提供了一個有用的客觀評判指標。劉里遠等研制了大白鼠游泳輸出功測定儀,能記錄實驗動物游泳全過程隨時間變化而變化的輸出功率,并在此基礎上建立了疲勞方程,不失為一個較客觀的模型,但實驗條件難以滿足,難以推廣。中醫(yī)理論在運動性疲勞模型建立中的運用,為疲勞模型的建立開拓了新思路,不同癥型的運動性疲勞模型的建立,將有利于辯證施治,便于不同組方的中藥抗運動性疲勞作用的觀察。

4運動性疲勞動物模型質(zhì)量問題的思考動物模型的普適性、可重復性和均一性是其質(zhì)量所在,是判斷模型成功與否的關(guān)鍵,若所建模型不能再現(xiàn)或不穩(wěn)定,則不能被*。由不同的運動引發(fā)的運動性疲勞的機理和程度是不一樣的,對機體的影響亦不同。運動性疲勞動物模型的建立是一個復雜的系統(tǒng)工程。

4.1運動性疲勞動物模型建立的實驗條件的控制

運動性疲勞動物模型的建立中有很多非處理因素,包括實驗動物的選用,其中,動物的品系、年齡、飼養(yǎng)、環(huán)境等應做到均一;有些實驗條件,如跑臺運動的刺激方法、泳池的大小、水深及水溫的控制應盡量一致。這樣嚴格控制實驗條件,可以排除非處理因素對模型建立的干擾,使模型的建立更具科學性。

4.2建立運動性疲勞動物模型的指標評價體系

有關(guān)運動性疲勞的判斷及疲勞程度的鑒定一直是一個令人關(guān)注的問題。一些學者根據(jù)運動性疲勞時機體的外部體征的變化來判斷運動能力下降,如一般狀況的變化,包括體重、飲食、精神狀況和自主活動情況等;運動時的姿勢的變化,如跑臺跑時蹬地情況、腹部與跑臺的相對位置、游泳運動時頭部沒入水中的程度和時間;運動能力的變化,如采用刺激后仍跟不上所要求的運動速度等主觀觀察指標來判斷疲勞的發(fā)生及疲勞的程度。但實際情況往往是在實驗動物還沒有發(fā)生外部特征變化之前,疲勞就已經(jīng)產(chǎn)生了。因此,單憑主觀觀察指標來評判運動性疲勞有一定的局限性。有必要在此基礎上結(jié)合一些生理、生化客觀指標來鑒別運動性疲勞及疲勞程度,如建立急性運動性疲勞模型,對于不同的供能方式為主的運動,可根據(jù)運動能力的限制因素來判斷疲勞的發(fā)生。以糖酵解供能為主的運動,運動能力的限制因素主要是乳酸的堆積;強度為75%V O2max的有氧運動,運動能力的限制因素主要是肌糖原的耗竭,因而可以通過測定血乳酸升高、肌糖原的下降來判斷疲勞的發(fā)生。對于客觀觀察指標的選用,不僅要注意它的可靠性、敏感性,還要把握其可測性、易測性。建立慢性運動性疲勞動物模型,根據(jù)其疲勞積累、機能狀態(tài)下降的實質(zhì),可使用判斷機體機能狀態(tài)的有關(guān)指標,如晨脈、血紅蛋白、血乳酸、血尿素、尿蛋白等,既要注意指標的相對獨立性,又要考慮多指標的最佳組合。怎樣根據(jù)不同方式、不同供能系統(tǒng)為主的運動來選擇指標,合理組合,對運動性疲勞進行多指標、系統(tǒng)性綜合評定,是一項復雜的工作,需要進一步研究。把握疲勞的外在表現(xiàn),結(jié)合客觀生理、生化評判指標,監(jiān)控運動性疲勞模型的建立有益于模型質(zhì)量的保證。

4.3把握運動性疲勞的實質(zhì)

高強將疲勞定義為“疲勞系指由于活動使工作能力及身體機能暫時降低的現(xiàn)象”以及許豪文的“運動性疲勞是指運動本身引起機體工作能力暫時性降低,經(jīng)過適當休息后又可以恢復的狀態(tài)”,強調(diào)指出疲勞導致的工作能力或身體機能的下降是暫時的,經(jīng)過休息就可以恢復,借此可以與運動中常見的疾病——過度訓練相區(qū)別,對建立運動性疲勞模型具有一定的指導意義。張世民認為,運動性疲勞與過度疲勞,兩者在發(fā)生機理上基本相同,其本質(zhì)都為內(nèi)傷不足之虛癥,但兩者在功能、結(jié)構(gòu)變化上有根本的量與質(zhì)的不同,過度疲勞屬內(nèi)傷虛勞病。運動性疲勞是一種癥候,其本質(zhì)是臟腑功能下降或失調(diào)和精血不足,屬生理性出現(xiàn)的功能失調(diào)或下降、精血不足等癥是暫時的,可自行消除或通過調(diào)養(yǎng)很容易恢復。而過度疲勞,雖然也表現(xiàn)為不足,但是屬一種內(nèi)傷虛勞病,為病理性的,有器質(zhì)性改變,出現(xiàn)的機能下降、精血不足、結(jié)構(gòu)改變等癥候是長期的,超過人體正常生理調(diào)節(jié)范圍,需要醫(yī)治、調(diào)養(yǎng)才有可能康復。因而,運動性疲勞與過度疲勞、過度訓練不僅存在程度上的差別,而且存在質(zhì)的區(qū)別。在運動性疲勞模型建立過程中,建議在實驗設計中安排一定的自然恢復時間,了解運動所致的外部表現(xiàn)的變化及生理、生化指標的變化是否是暫時性的、可自然恢復的。因此,需把握運動性疲勞生理性的變化的實質(zhì),借以區(qū)別過度疲勞和過度訓練。理想的運動性疲勞動物模型對運動性疲勞機理及恢復手段的研究至關(guān)重要,由于疲勞的發(fā)生機制復雜,且涉及的部位多,因此,需要多學科共同合作,才有利于高質(zhì)量的運動性疲勞動物模型的建立。

 源自中國體育科技2003年(第39卷)第2期