抗衰老動物實驗的運動干預方法及作用

?

抗衰老動物實驗的運動干預方法及作用

徐劃萍金國琴1

(上海中醫藥大學學生體質研究室，上海201203)

關鍵詞〔〕衰老；跑臺；游泳

1上海中醫藥大學生化教研室

第一作者：徐劃萍(1981-)，女，講師，博士，主要從事中藥及運動抗衰老的研究

適量的運動可以延緩衰老，本文主要就動物實驗過程中運動干預方式及其作用作一綜述。

1跑臺

1.1動物跑臺的構造及使用目前，已有適用于大鼠、小鼠、兔、狗等實驗動物的跑臺，用于運動疲勞、運動損傷、延緩衰老、生理和病理等研究。跑臺一般有聲光電等3種刺激，促使動物按要求跑步。但是過多的刺激會引起動物腎上腺素的升高；不同的刺激方式對實驗結果會造成一定的影響，電刺激的強度比機械刺激大，研究發現當達到相同的疲勞標準時，兩種刺激所造成的疲勞會對動物機體糖代謝造成不同的影響〔1〕。因此，在跑臺訓練中應當盡量降低刺激的頻率和強度。另外，動物在跑步過程中需要實驗人員密切看管，防止動物偷懶或尾部被夾住、腳趾劃傷等，以免因外傷感染而死。

1.2跑臺運動負荷的設定運動負荷包括運動時間和運動強度，一般常用心率、攝氧量與最大攝氧量的百分比等來評估運動強度，跑臺的強度可以通過速度和坡度來調節。Bedford等〔2〕對大鼠最大攝氧量的影響因素進行了研究，分別考慮了性別、年齡、體重、訓練程度等因素，得出了攝氧量與不同坡度、速度之間的關系，為運動強度的量化提供了理論依據，見表1。

1.3跑臺運動在抗衰老研究中的應用

1.3.1跑臺運動對衰老大鼠骨骼肌的影響骨骼肌衰老宏觀變化表現為肌肉萎縮、肌力下降，其內在機制與氧化損傷、骨骼肌細胞凋亡、蛋白質代謝改變、線粒體功能紊亂、線粒體DNA修復和生物合成下降等原因密切相關〔3〕。

適度運動可以延緩骨骼肌的衰老；耐力運動可以使肌纖維的線粒體生物合成增強，減慢對血糖和肌糖原的利用，增強脂肪的氧化，使乳酸生成減少。

研究發現通過6 w的負重跑訓練，衰老大鼠骨骼肌胰島素樣生長因子(IGF)-I mRNA低表達和肌肉生長抑制素GDF-8 mRNA高表達的狀況可得到有效改善〔4〕，IGF-I是刺激骨骼肌生長的重要調節因子之一。GDF-8又名肌肉生長抑制素，它對骨骼肌的生長起較強的負調節作用。

表1　大鼠在不同方式的遞增負荷運動過程中的攝氧量變化〔2〕

SD大鼠，前面5項的鼠齡為74～78 d，后面6項的鼠齡為80～90 d，平均體重為(0.280±0.010)kg

另有研究發現采用沖刺訓練和耐力訓練可對p53的表達產生下調作用,可不同程度地延緩骨骼肌衰老,且間歇性運動效果更明顯〔5〕。p53被激活后可對線粒體產生一系列調節作用,如增加線粒體DNA的結構穩定性、調節線粒體的呼吸功能及調控細胞無氧和有氧代謝的路徑選擇等〔6～8〕。其間歇沖刺訓練方案為：起始速度為13 m/min，加速至42 m/min，持續10 s,間歇30～60 s；3次×3組,組間間歇3 min，第1～2周坡度為0°、第3～4周坡度為5、第5～8周坡度為10；耐力訓練實施方案為：起始速度13 m/min，第1周持續30 min，第2～4周持續40 min，第5～8周持續60 min。坡度均為0。

1.3.2跑臺運動對衰老大鼠心血管系統的影響運動訓練不但可使心血管的形態和功能產生良好適應，也可以改善其調節功能。衰老過程中，心肌組織中衰老相關基因會隨之發生表達改變，研究發現跑臺訓練可以改善這一情況〔9〕。同時，還可修復心肌組織因衰老所引起的自由基的損傷，提高衰老大鼠心肌超氧化物歧化酶(SOD)活性，降低衰老大鼠心肌丙二醛(MDA)含量，且能改善衰老大鼠心肌線粒體結構，保護線粒體膜和嵴的完整性，延緩心肌線粒體因衰老所致的退行性改變〔10〕。采用的運動方案為：剛開始運動速度為15 m/min，運動時間為15 min，隨后運動速度每2 w增加1 m/min，運動時間增加5 min，至運動結束時運動速度達到22 m/min，運動時間為60 min，每周運動6 d，共運動20 w，跑臺坡度保持為0。

另外，對大鼠進行13 w連續低強度訓練(50%～60%最大運動能力)，5 d/w， 60 min/d，發現訓練組老年自發性高血壓大鼠血壓和心率降低，左心室肥大情況、膠原體積分數和心肌小動脈壁腔比也縮小，這些改變是血壓下降的結果〔11〕。

1.3.3跑臺運動對衰老大鼠大腦功能的調節人和動物在衰老過程中，隨著衰老出現學習記憶能力下降，特別是空間記憶。運動可以改善大鼠海馬的形態結構，使腦部衰老大鼠的學習、記憶能力得到明顯改善。有研究表明〔12〕:長期適度運動能夠減少衰老過程中脊髓前角神經元的丟失，特別是比較完好地保存大的運動神經元，從而表明運動對神經元具有保護作用。

跑臺運動可使海馬活性氧呈現低水平且伴隨蛋白羰基數量下降，而且，運動可以誘導SOD-1、 谷胱苷肽過氧化物酶(GSH-Px)、過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子(PGC)-1α和磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶(p-AMPK)的上調〔13〕，與海馬氧化還原平衡相關，表明長期的身體鍛煉構成抗氧化特性，通過此途徑，保護神經細胞免受早期衰老氧化應激的損害。另外，讓老年Wistar 大鼠接受短暫(4～6)min輕度的跑臺訓練連續5 w，可增加老年大鼠比目魚肌和心臟的耗氧量，改善與年齡相關的長期空間學習和記憶損害〔14〕。短期運動使認知提高，且隨著蛋白激酶(Akt)和環磷腺苷效應元件結合蛋白(CREB)的活化，衰老大鼠海馬腦源性神經營養因子(BDNF)mRNA表達和BDNF蛋白水平含量會顯著增加，這些結果表明：短期運動可以改善衰老大鼠認知功能和突觸可塑性。

1.3.4跑臺運動對衰老大鼠糖代謝的調節衰老可以通過多種途徑干擾胰島素的信號轉導及其細胞代謝，導致胰島素抵抗的發生，并且這種現象隨年齡增加〔15〕。抗阻運動是一種有效實用的增加衰老過程肌肉質量和力量的非藥物干預方法〔16〕，可以改善衰老過程中出現的骨骼肌減少引起的胰島素抵抗。

對18月齡大鼠采用0%、30%、50%、70%最大負重間歇跑臺運動訓練，共訓練8 w，坡度采用35，跑速為15 m/min，隔天1次。研究結果發現：低、中等強度抗阻跑臺運動可以提高衰老過程中機體的胰島素敏感性，使體內糖代謝調節功能改善，從而預防或延遲胰島素抵抗的發生〔17〕。

2游泳

2.1常規的游泳訓練方法采用自然游泳對大鼠來說，運動強度比較小。如果不增加額外的負荷，大鼠適應后可以在溫度適宜的水中連續游泳幾十小時，特別是在其學會了漂浮以后，代謝率很快就會下降，漂浮4 h后可降到基礎代謝水平。所以為增加運動強度，一般讓其在負重狀態下游泳，一般用金屬制品作為負重，一般可以固定在大鼠頸部或胸腹部，但固定在尾巴根部最方便，這樣大鼠無法掙脫。負重量一般應為大鼠體重的2%～7%，最大不應超過其體重的6%～8%，否則可能會影響大鼠的正常運動，甚至造成溺亡。在大鼠游泳實驗中，一般通過大鼠游泳至力竭的時間長短來評定其運動能力。大鼠游泳力竭狀態的觀測指標為：“經10 s后仍不能返回水面”，游泳訓練周數一般在7～10 w。大鼠游泳過程中，應注意采用適宜的溫水，游泳結束后應注意保暖，游泳過程中應及時營救疲勞沉底的大鼠，以減少死亡。

2.2游泳運動在抗衰老研究中的應用

2.2.1游泳運動對大鼠學習記憶能力的影響游泳訓練可以改善衰老大鼠學習記憶能力，減少大鼠海馬神經元凋亡，其機制可能是通過上調神經機械生長因子(NGF)、B淋巴細胞瘤基因(Bcl)-2和磷酸化蛋白激酶(P-Akt)表達，同時下調凋亡基因(Bax)表達，進而促進神經元存活所致〔18〕；也可能是通過增加海馬CA1、CA3和DG區一氧化氮合酶(NOS)的活性，增加氧化氮(NO)水平〔19〕所致。游泳訓練還可以提高老齡大鼠抗氧化能力，改善衰老大鼠受損的中樞膽堿能系統。

2.2.2游泳運動對大鼠骨成分的影響研究發現采用9 w的游泳訓練，可以改善衰老大鼠血清堿性磷酸酶、Ⅰ型前膠后羧基端前肽、總鈣、血清鎂、尿鈣、尿無機磷、尿羥脯氨酸血清骨鈣索、無機磷、尿鎂、尿羥賴氨酸糖甙水平，增加衰老大鼠單位體積內的骨小梁〔20〕，說明游泳運動可以改善衰老大鼠的股骨骨質成分及其形態結構，具有延緩骨質疏松的作用。

2.2.3游泳運動對衰老大鼠腎臟功能的影響采用每周3 d，共6 w的游泳訓練，可使D-半乳糖所致衰老大鼠的腎臟損傷現象明顯好轉，首先表現的是腎臟的平均重量增高，腎小球的百分數明顯減少，毛細血管管腔進行性閉合，腎球膜基質量增加〔21〕，說明游泳運動可以改善腎臟和泌尿系統的功能。

2.2.4游泳運動對衰老大鼠抗氧化能力的影響每周訓練3 d，其中第1周每次游泳30 min，第2周每次游泳40 min，第3周每次游泳50 min，第4～9周每周游泳60 min的無負重游泳運動可以有效增加肝臟中SOD活性、GSH-Px活性，提高肝臟總抗氧化能力，可以明顯拮抗D-半乳糖衰老模型大鼠的氧化損傷〔22〕。每周連續訓練5 d，第1天游泳時間為0.5 h，以后每日增加10 min，直到達到每天0.5、1、2 h的游泳時間后保持不變,共訓練12 w，發現該幾種訓練方式均可以引起衰老大鼠股四頭肌SOD、GSH-Px和過氧化氫酶(CAT)活性的升高，并且能有效地減少MDA含量，以1 h運動組效果最佳〔23〕。

2.2.5游泳運動對衰老大鼠心肌及血液循環的影響讓衰老模型大鼠進行每周6次和每周3次(隔日)的游泳訓練，每次持續90 min，共訓練12 w，均可改善大鼠心肌Bcl-22/Bax的比值，使心肌細胞凋亡指數(AI)降低，增加心肌細胞存活，延緩心肌衰老；其中，隔日有氧運動效果更佳〔24〕。

對衰老大鼠進行每周5次、共90 d的游泳訓練，訓練的時間每周遞增5 min。從開始的30 min到最后的50 min。結果發現，老年運動組大鼠心肌線粒體DNA含量較老年對照組明顯降低、線粒體復合體Ⅰ、Ⅳ活性較老年對照組明顯升高；腦線粒體DNA含量沒有顯著性變化、線粒體復合體Ⅰ、Ⅳ活性較老年對照組明顯升高〔25〕，說明長時間的游泳訓練可以降低老年大鼠心肌線粒體DNA含量，增加線粒體呼吸鏈復合酶活性，從而延緩衰老進程中線粒體功能的退行性變化。

同時，9 w的游泳運動可明顯降低血清NOS含量，減緩NO的產生〔26〕，從而有效延緩動脈的衰老，保持血管通暢及彈性，進而降低血壓。

3其他運動方式及其抗衰老作用

除了常用的跑臺和游泳運動以外，也有學者采用爬梯運動等對動物進行運動干預。如尾部負重爬梯訓練。研究發現負重爬梯訓練可以降低D-半乳糖所致衰老大鼠骨骼肌線粒體通透轉換孔(PTP)開放程度，抑制線粒體膜電位下降，提高檸檬酸合成酶活性〔27〕。負重爬梯運動訓練是一種新的抗阻運動方法，該訓練方法可以通過降低線粒體的氧化損傷，有效保護線粒體膜的穩定性。訓練方法為：采用高1 m的爬梯，每級階梯相隔2 cm，傾斜85，將大鼠放置于爬梯的底部，用軟毛刷刺激大鼠尾部促使其上爬。每次訓練3個回合，5次/回合，每回合休息1 min，每兩回合休息2 min；每天訓練兩次，隔天訓練。訓練起始負荷為大鼠體重的25%左右；隨后訓練的8 w，負荷量每周遞增，遞增量結合體重和訓練情況，為體重的25%左右；訓練的第8周，負荷量達到其體重的200%左右；最后2 w保持此負荷量。

另有研究發現10 w的爬梯訓練后,與對照組相比，實驗組腓腸肌機械生長因子(MGF)mRNA和IGF-I多肽的表達量上調,GDF-8 mRNA的表達量下調，IGF-IEa mRNA的表達量沒有變化〔28〕。說明負重爬梯抗阻訓練可以通過上調MGF mRNA、IGF-I多肽和下調MSTN mRNA，使大鼠腓腸肌肌肉肥大。

動物配合運動的主動性較差，因此，也有學者采用電刺激的方法，驅使動物進行跑跳運動。將大鼠每天放置在特殊實驗裝置內，利用高電壓、低電流刺激動物產生跑跳運動，每次電擊0.1 s，刺激頻率10次/min，運動時間可根據需要每天運動10～60 min，但此種訓練方式易造成動物傷亡。研究發現，采用每天訓練20 min，每周訓練6 d的跳躍運動能夠較好地改善老齡大鼠股骨的生物力學性能，運動量過小對其生物力學性能無影響，運動量過大則使其生物力學性能下降〔29〕。

參考文獻4

1肖明珠，郭慶芳.動物運動性疲勞方法學研究之一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〔J〕.中國運動醫學雜志，1998;17(4)：334-8.

2Bedford TG，Tipton CM，Wilson NC，etal.Maximum oxygen consumption of rate and its changes with various experimental procedures〔J〕.J Appl Physiol，1979;47(6)：1278-83.

3Wagatsuma A,Sakuma K.Molecular mechanisms for age-associated mitochondrial deficiency in skeletal muscle〔J〕.J Aging Res，2012;(2012)：768304.

4劉豐彬，馬炳存，趙斌.6周負重跑訓練和補充大豆多肽對D-半乳糖衰老大鼠骨骼肌IGF-I mRNA和GDF-8 mRNA表達的影響〔J〕.中國運動醫學雜志，2010;29(6)：673-6.

5劉靜霞,漆正堂,丁樹哲.不同訓練方式對大鼠腓腸肌p53和IL- 6的影響〔J〕.北京體育大學學報，2010;33(2)：56-8.

6Matoba S,Kang JG,Patino WD,etal.p53 regulates mitochondrial respiration〔J〕 .Science,2006;312(5780):1650-3.

7Assaily W,Benchmol S.ATP-generating pathways〔J〕.Cell,2006;10(1):4-6.

8Achanta G,Sasaki R,Feng L,etal.Novel role of p53 in maintaining mitochondrial genetic stability through interaction with DNA Polgamma〔J〕.EMBO J,2005;24(19):3482-92.

9鄭瀾,劉銘,凡婷,等.20周有氧運動對雌性大鼠心肌組織衰老相關表達的影響〔J〕.中國運動醫學雜志，2010;29(6)：683-7.

10雷志軍，鄭瀾,凡婷，等.遞增負荷有氧運動對老齡雌性大鼠心肌抗氧化酶及心肌線粒體超微結構的影響〔J〕.體育研究與教育，2012;27(2)：119-22.

11Rossoni LV，Oliveira RA，Caffaro RR，etal.Cardiac benefits of exercise training in aging spontaneously〔J〕.Hypertensive Rats，2011;29(12)：2349-58.

12陳運才.運動延緩機體衰老的實驗研究進展〔J〕.廣東解剖學通報，1994;16(1):61.

13KMarosi Z，Bori N，Hart L，etal.Long-term exercise treatment reduces oxidative stress in the hippocampus of aging rats〔J〕.Neuroscience，2012;226:21-8.

14Aguiar AS Jr，Castro AA，Moreira EL，etal.Short bouts of mild-intensity physical exercise improve spatial learning and memory in aging rats:involvement of hippocampal plasticity via AKT,CREB and BDNF signaling〔J〕.Mech Aging Dev，2011;132(11-12)：560-7.

15衣雪潔.運動對胰島素相關疾病的影響〔J〕.沈陽體育學院學報，2005;2(2)：8-11.

16Kostek MC，Delmonieo MJ，Reichel JB，etal.Muscle strength response to strength t raining is influenced by insulin-like growth factor l genotype in older adults〔J〕.J Appl Physiol,2005;98(6)：2147-54.

17李高祥，翁錫全，杜亞，等.抗阻運動訓練對衰老大鼠胰島素抵抗及糖代謝的影響〔J〕.廣州體育學院學報，2011;31(4)：114-8.

18劉濤，白石，胡海濤.6周游泳訓練對注射D-半乳糖致衰老大鼠學習記憶能力及海馬區NGF及其下游信號分子表達的影響〔J〕.中國運動醫學雜志,2011;30(5)：442-7.

19崔建梅,付芳,賀繼平,等.游泳運動對衰老大鼠學習記憶及海馬CAl、CA3、DG區nNOS表達的影響〔J〕.天津體育學院學報，2012；27(6)：529-34.

20阮彩蓮，白亞軍，劉運磊.不同有氧運動時間對衰老大鼠骨質成分的影響〔J〕.中國組織工程研究與臨床康復，2009;13(28)：5499-504.

21張席軍，趙筱娟.長期適宜有氧運動對衰老大鼠腎臟形態結構的影響〔J〕.醫學信息，2010;23(2):355-6.

22邱小剛,白石,張星.有氧訓練對抗衰老大鼠肝臟相關生化指標影響的研究〔J〕.醫學信息，2010;23(6)：1853-4.

23金雯,李明學,錢海,等.有氧運動對衰老大鼠骨骼肌抗氧化能力的影響〔J〕.中國老年學雜志，2011；31(7)：2706-7.

24李明學，代雪茹，汪艦笛.有氧運動對衰老模型大鼠心肌細胞凋亡及Bcl-2和Bax蛋白表達的影響〔J〕.中國老年學雜志，2009;29(4)：950-2.

25賴紅梅,陳彩珍,蔣慧萍.有氧運動訓練對老年大鼠線粒體DNA含量、呼吸鏈復合酶活性的影響〔J〕.中國康復醫學雜志，2009;24(12)：1109-11.

26戴太鋮，代雪茹，汪艦笛.有氧運動對衰老大鼠血清NO及NOS的影響〔J〕.包頭醫學院學報，2011;27(4)：15-6.

27 陳彩珍，盧健，蘇有存.抗阻訓練對D-半乳糖衰老模型大鼠骨骼肌線粒體膜的影響〔J〕.西安體育學院學報，2011;28(1)：83-6.

28王靜，蘇有存，盧健.負重爬梯訓練對大鼠腓腸肌IGF-I、IGF-IEa、MGF和MSTN基因表達的影響〔J〕.山東體育學院學報，2011;27(5):55-8.

29王紅升，段濤，杜瑞卿，等.不同強度的跑跳運動對老齡大鼠股骨生物力學特性影響的動態實驗研究〔J〕.中國康復醫學雜志，2009;24(7)：600-3.

〔2014-06-15修回〕

(編輯趙慧玲/杜娟)

通訊作者：金國琴(1951-)，女，教授，碩士，主要從事中藥延緩衰老與防治老年病的基礎研究。

基金項目：國家自然科學基金(81473583)；上海市教委“085”一流學科建設科技創新支撐計劃項目(0852Y1204)

中圖分類號〔〕R331〔

文獻標識碼〕A〔

文章編號〕1005-9202(2015)21-6265-03；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.21.127