運動訓練對慢性阻塞性肺疾病肺康復作用機制的研究進展

段文滔 朱黎明 戴愛國 黃錦

·綜 述·

運動訓練對慢性阻塞性肺疾病肺康復作用機制的研究進展

段文滔1，2朱黎明1,3戴愛國3,4黃錦1

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease)是一種以持續氣流受限為特征的可以預防和治療的疾病，發病率、致殘率和死亡率高[1]。慢阻肺患者出現不同程度的活動受限、心理障礙，社會適應能力減低，極大的影響患者生活質量。肺康復運動訓練能有效減輕慢阻肺患者的呼吸困難癥狀，提高運動耐量和健康相關生活質量，減少住院次數和住院天數。肺康復運動訓練作為慢阻肺管理的一項重要內容,在國內尚處于起步階段，對運動訓練在慢阻肺患者肺康復中作用機制缺乏充分的認識，本文就其機制進行綜述。

肺康復

肺康復(Pulmonary rehabilitation，PR)是在全面的評估后給予患者的個體化綜合干預治療，包括運動訓練、健康教育、行為改變，旨在改善慢性呼吸系統疾病患者的生理和心理狀態，促進患者形成長期的有益健康的行為習慣[2]。肺康復是跨學科的綜合干預措施，而其核心是運動訓練。

運動訓練

運動訓練是肺康復的基石，長期規律的運動訓練可通過改善骨骼肌的功能及心肺適應性有效提高慢阻肺患者的運動耐量，改善活動性呼吸困難[3]。運動訓練包括多種形式，美國運動醫學學會(The American College of Sports Medicine,ACSM)推薦輕、中、重度的慢阻肺患者進行耐力訓練(有氧運動)、抗阻(力量)訓練、柔韌性(拉伸)訓練及呼吸肌訓練等[4]。

運動訓練對慢阻肺肺康復作用機制

呼吸困難或活動性呼吸困難是慢阻肺患者常見的臨床癥狀，并呈漸進性加重。呼吸困難和/或疲勞的限制導致運動不耐受，是慢阻肺患者日常活動受限、生活質量下降的重要因素。運動不耐受是慢阻肺的一個重要特征，目前認為可能與通氣受限、氣體交換異常、心功能不全、外周肌肉功能障礙等因素有關，抑或是它們共同作用的結果[5-6]。慢阻肺患者長期氣促所產生的焦慮、缺乏活動的動力也會影響運動不耐受。為這些影響因素能受運動訓練的作用而得到改善。

一、運動訓練改善慢阻肺肺通氣與換氣功能的作用機制

慢阻肺患者在運動過程中，由于呼吸做功增大、無效腔增加、氣體交換障礙，肺通氣的需求比預期增高，導致機體產生去適應作用和外周肌肉功能紊亂。同時，運動過程中，慢阻肺呼氣性氣流阻塞和肺動態過度充氣，使得肺排空延遲、最大通氣功能受限，增加肺通氣的需求,將進一步增加呼吸做功及呼吸肌負荷，使慢阻肺患者呼吸困難更加明顯[7-8]。Elbehairy等[9]發現，運動時慢阻肺患者二氧化碳通氣當量(ventilatory equivalent for carbon dioxid，VE/VCO2)、生理死腔與潮氣量比值(dead space to tidal volume ratio，VD/VT)均明顯升高。研究證實慢阻肺患者存在持續的死腔通氣(VD/VT)增高，在運動時的分鐘通氣量代償增加保持肺泡通氣和動脈血氣平衡，使慢阻肺患者表現出早期的機械通氣限制、呼吸困難和活動不耐受。此外，肺動態過度充氣可使膈肌負荷增加、胸腹矛盾呼吸、吸氣儲備降低、骨骼肌供血二次分配，從而導致慢阻肺患者運動受限[10-11]。

慢阻肺患者常伴有慢性缺氧和/或CO2潴留，并隨著運動而變得更為明顯。缺氧通過增加對外周化學感受器強刺激和間接通過刺激乳酸的產生，促使肺通氣量增加。高強度運動訓練使機體進行無氧代謝產生乳酸血癥，會導致肌肉做功、肌疲勞、肺通氣量的增加，而隨著乳酸的緩沖作用，會增加CO2產量及對外周化學感受器的刺激[12]。慢阻肺患者運動時機體對O2消耗量增加，很多慢阻肺患者本身存在低氧血癥，運動會進一步加重低氧，使得呼吸困難更加明顯。

二、運動訓練改善慢阻肺心血管功能的作用機制

慢阻肺對循環系統造成多方面的影響，而最重要的影響是低氧性肺血管收縮使肺血管阻力增大、血管損傷及重構、紅細胞增多，導致右心室后負荷增大，引起右室肥厚，導致右心衰竭[15]。右心室肥大使室間隔偏移，從而影響左心室充盈，為了滿足運動的需求會使心臟功能進一步降低[16]。另外，慢阻肺還常有心動過速和右心房高壓等并發癥，運動時右心房高壓可能進一步危害心功能[17]。

運動訓練通過機體生化、神經、激素的變化，能改善心血管功能，降低心血管危險因素，從而提高慢阻肺患者運動耐量[18]。有效的運動訓練可增加峰值運動狀態時的每搏輸出量，改變靜息心率，而對最大心率無明顯影響。運動訓練對心血管系統有多方面的生理作用，而最為顯著的影響是增強副交感神經的興奮度來降低靜息時的心率、增強運動時血流介導的血管舒張從而改善血管內皮的功能、增加血管內皮祖細胞促進血管生成以及加快心肌多重代謝變化提高機體對缺血和再灌注損傷的耐受性[19-20]。Nasis 等[21]研究表明間歇訓練能提高慢阻肺患者運動時的心輸出量，緩解慢阻肺的動態過度充氣。Vivodtzev[22]研究證實運動訓練能改善慢阻肺患者動脈硬化，降低大動脈傳播速度(PWV)。此外，Camillo等[23]研究發現運動訓練能改善心臟自主神經功能，從而有效改善慢阻肺患者心率變異性。Mereles[24]通過研究30例嚴重肺動脈高壓患者發現，運動訓練能有效改善肺動脈高壓患者的運動耐量，提高健康相關生活質量。

三、運動訓練改善慢阻肺肢體肌肉功能的作用機制

1 運動訓練改善肢體肌肉肌纖維構成：運動訓練能改變慢阻肺患者肢體肌肉功能和形態學，使肌肉的力量、耐力、易疲勞性得到改善。肌肉纖維分為易氧化耐疲勞的慢收縮Ⅰ型纖維，易酵解易疲勞的快收縮Ⅱ型纖維以及介于兩者之間的混合型Ⅱa、Ⅱx 纖維，各型纖維保持合理比例，使骨骼肌具有較強的抗疲勞能力，而慢阻肺合并骨骼肌功能障礙的患者肌肉纖維減少、各型纖維比例失調，導致肌力下降、肌耐受性降低，肌易疲勞[25]。運動訓練能增加所有肌肉纖維的的橫切面積，增加肌肉的力量和數量，減少Ⅱ型肌肉纖維比例，提高肌肉有氧代謝活動能力[26]。Covey等[27]對75例慢阻肺患者研究發現，運動訓練能有效改善肌肉的力量和耐力，增加最大運動負荷和最大攝氧量，減少運動時對通氣量的需求，改善呼吸困難、疲勞癥狀，增加運動耐量。Ioannis[28]發現進行有效的運動訓練后慢阻肺患者肌纖維橫截面積增大,毛細血管與肌纖維比值增加，Ⅱb型肌纖維減少。研究結果表明運動訓練能改變肌肉纖維形態和類型，從而提高慢阻肺患者的運動耐量。

2 運動訓練抑制肌肉蛋白降解：Vogiatzis等[29]研究表明運動訓練能上調肌肉類胰島素生長因子-1 (insulin-like growth factors, IGF-1)、肌分化因子(MyoD)，下調肌肉生成抑制蛋白(myostatin)，降低轉錄因子(nuclear factor kappa，NF-kB)的活性，減少蛋白分解通路的活性，從而抑制肌肉萎縮，增加肌肉數量質量，促進肌肉再生。Quinn L[30]發現由骨骼肌分泌的肌肉因子白細胞介素-15( interleukin 15，IL-15)能刺激人骨骼肌肌球蛋白表達，肌成肌細胞的分化。同時，Pistilli等[31]表明 IL-15還能抑制肌肉蛋白降解，對肌肉萎縮有保護作用，潛在阻止肌肉退化。而Zhijie Y等[32]研究表明有效的運動訓練能上調肌肉因子IL-15的表達。

3 運動訓練增強機體抗氧化作用：有效的耐力訓練能夠增強機體抗氧化作用，而耐力訓練抗氧化作用機制尚不明確[33]。Short[34]發現運動訓練能刺激線粒體生物合成和增強線粒體氧化能力。Mercken等[35]對11名慢阻肺患者進行8周運動訓練，研究發現慢阻肺患者體內氧化應激增強，而運動訓練能有效減少機體氧化應激，增加運動耐量。同時，Sensson等[36]表明運動訓練能增強抗氧化物谷胱甘肽(glutathione,GSH)抗氧化活性，從而增加骨骼肌抗氧化能力，提高運動耐力。

4 呼吸肌訓練的作用：慢阻肺患者呼吸肌無力或萎縮，導致通氣功能減低，呼吸效率下降，從而使運動受限。膈肌是最主要的呼吸肌，對膈肌的訓練尤為重要。Marcelo[37]發現，慢阻肺患者肺動態過度充氣限制運動能力的機制與分鐘通氣量增加、呼氣時間減少、運動效率減低相關，慢阻肺患者運動時深吸氣量下降，導致肺過度充氣，使活動受限。Bernardi等[38]觀察了26例慢阻肺 患者,進行4周的呼吸肌耐力訓練,研究證實呼吸訓練能改善呼吸力量、通氣模式、胸腹協調性，從而緩解呼吸困難，提高運動耐量。Tout[39]結果表明，吸氣肌訓練組能改善FEV1和最大呼氣流速(peak expiratory flow rate，PEFR)，增加最大吸氣壓力(maximal inspiratory pressure， Pimax)，增加6分鐘步行試驗步行距離。同時，Petrovic等[40]將20例慢阻肺患者隨機分為吸氣肌訓練組和對照組，吸氣肌訓練組使用呼吸訓練器每天進行訓練，持續8周，結果顯示試驗前后呼吸訓練組深吸氣量(inspiratory capacity，IC)、最大吸氣壓力(maximal inspiratory pressure， Pimax)及吸氣分數(inspiratory fraction，IF=IC/ total lung capacity [TLC])顯著增高，呼吸頻率與分鐘通氣量的比值(bf/V′E)顯著下降，而對照組無明顯變化。IF增大,表明肺動態充氣緩解，呼吸緩解動態過度通氣和呼吸困難；bf/V′E 降低，說明呼吸模式的改變。研究證實呼吸訓練能緩解肺過度充氣，改變呼吸模式，從而減輕呼吸困難。

展 望

綜上所述，運動訓練可增強肌肉有氧代謝能力，增加肌肉數量、力量，提高肌肉耐力；減少乳酸水平，減低分鐘通氣量及通氣需求；增加每搏輸出量、減低心率，改善心功能。研究證實，雖然運動訓練不能改善肺功能，但是能夠增加慢阻肺患者的運動耐量，緩解呼吸困難，提高生活質量[41]。然而，目前尚未明確運動訓練作用的具體機制，有待進一步探討，以制定出個性化的最優的肺康復訓練策略來促進慢阻肺患者的康復、提高生活質量。

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10.3969/j.issn.1009-6663.2017.09.039

湖南省保健專項資金科研課題重點項目(No 2012A003)；南華大學研究生科研創新項目(No 2016XCX60)；湖南省衛計委科研計劃課題項目(No B2017088)

1. 410016 湖南 長沙，湖南省人民醫院 2. 421001 湖南 衡陽，南華大學 3. 410016 湖南 長沙，湖南省老年醫學研究所呼吸疾病研究所 4. 410219 湖南 長沙，長沙醫學院呼吸疾病研究所

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2017-03-30]