低氧環境、運動訓練對紅細胞免疫功能影響的研究進展

王 璽，高炳宏

自1981年Siegel等人首次提出“紅細胞免疫”[1]的概念至今，紅細胞免疫一直是研究的熱點。紅細胞不僅可以運輸氧氣，免疫粘附IC（免疫復合物），促進吞噬細胞對IC清除，而且紅細胞表面含有多種天然免疫分子[CD35，CD44，CD55（補體衰變加速因子），CD59（膜反應性溶解抑制物），NK細胞增強因子[2]等] ,它們共同作用使紅細胞作為重要的天然免疫細胞調節免疫反應，從而構成機體免疫系統[3]。

系統免疫學的研究不僅涉及白細胞免疫系統與其子系統 （NK細胞子系統與T淋巴細胞子系統等）之間的研究[4]，還包括紅細胞免疫與其各個子系統之間的研究。因為白細胞總數少于血細胞的0.1%，其中只有68%的外周血白細胞是專業的吞噬細胞[5]，所以殺菌白細胞僅占所有血細胞的0.068%，而紅細胞占所有血細胞的70%左右。紅細胞接觸細菌的機會比殺菌白細胞多1 200～1 500倍[6]。嗜中性粒細胞在吞噬少量病原體后死亡，其壽命13 h到5.4 d[7]，而紅細胞循環100～120 d。白細胞并不能識別、捕捉和吞噬血流中的病原體，但是對于許多病原體來說，吞噬作用對于增殖和傳播是不可缺少的[8]。這些數據都表明紅細胞才是血液中具有吞噬病原體的最重要的細胞[9]。郭峰等人經過一系列的實驗證明形成了“紅細胞天然免疫主干道理論”即“血液免疫反應路線圖”理論[10]：當致病原進入血循環后，激活補體系統，被補體系統調節的85%～90%致病原被紅細胞表面CD35免疫粘附。同時，在其他免疫分子如CD55，CD59和ECKR的協助下，將致病原呈遞給T細胞、B細胞、粒細胞和吞噬細胞等。紅細胞天然免疫系統、血小板天然免疫系統、白細胞天然免疫系統、血漿補體天然免疫系統和淋巴細胞適應免疫系統共同構成了新的研究領域——系統血液固有免疫系統[11]。

紅細胞免疫研究始于探索紅細胞免疫資料積累、應用以及紅細胞在血液免疫反應中的地位與作用，發展到如今由我國專家郭峰率先提出“自然與分離實驗體系”[12]，探索和探討系統免疫學體外實驗研究，紅細胞免疫系統一直是免疫學研究的熱點。

1 低氧環境對紅細胞免疫功能的影響

有證據表明，天然免疫細胞比適應性免疫細胞更能維持低氧條件下的生存能力和功能[13]。天然免疫細胞是古老的，在空氣中氧氣含量很少的情況下進化，已學會系統地應對缺氧環境，而適應性免疫的發展則發生在常氧環境[14]。因此，缺氧環境是天然免疫的發源地。天然免疫和適應性免疫系統的整合導致淋巴細胞抗原受體的精細特異性，用于識別和驅除病原體[15]。為了完成這一任務，天然免疫系統進化出了與發育中的淋巴細胞網絡相互作用的能力，并應對常氧環境。紅細胞免疫正是天然免疫系統的重要組成部分。

1.1 傳統高原低氧環境對紅細胞免疫功能的影響

長期居住在高原的人機體受到較強的輻射并產生過多的抗原以形成免疫復合物。而高原缺氧環境使紅細胞代償性提高，血流變慢，導致積累較多的免疫復合物[16]。已有專家研究表明，隨著海拔高度的增加，健康成年人與兒童紅細胞免疫功能下降明顯[17,18]。 劉蘭等對西寧（2 260 m）、剛察（3 300 m）和甘德（4 080 m）3個不同海拔高度地區健康成年人紅細胞免疫功能檢查時發現RBC-C3bRR（紅細胞受體花環成功率）甘德＜剛察＜西寧（P＜0.01）[19]。高原低氧低壓環境嚴重影響紅細胞免疫功能，海拔越高，紅細胞免疫功能越低。杜敏智等研究發現，高原地區不同年齡正常人紅細胞免疫功能均低于平原人群，同時高原地區老年人RBC-C3bRR顯著低于中青年人[20,21]。不同移居時間的成年人（移居高原10～40年不等），移居時間越長，RBC-C3bRR越低，揭示高原地區人群不同年齡段的紅細胞免疫功能隨著年齡增長，移居時間越長，紅細胞免疫功能低下越為明顯。

可以看出，長時間的高原環境暴露影響紅細胞免疫功能，導致繼發性紅細胞免疫功能下降，那么短時間的高原暴露對紅細胞免疫功能是否存在同樣的影響呢？石貴泉通過對40名急進海拔3 600 m地區的工作人員研究發現，進入高原第2天RBC-C3bRR急劇下降，第30天紅細胞免疫功能已恢復至世居高原人水平，這是機體適應高原低氧環境的表現，但仍低于平原水平[22]。司本輝等對急進高原戰士的紅細胞免疫研究得到相似的結果[23]。

無論是世居高原者還是急進高原者其紅細胞免疫功能均顯著低于平原水平，這可能是由于一方面高原環境強輻射導致機體產生大量自由基難以清除，血液中免疫復合物產生增加，另一方面低氧刺激造成紅細胞代償增加，形態改變，血流減慢，血中免疫復合物堆積。紅細胞表面C3b受體數量與功能都下降導致紅細胞免疫功能下降。

1.2 模擬低氧環境對紅細胞免疫功能的影響

已有醫學研究表明高壓氧（HBO）治療可以顯著改善紅細胞免疫功能，而潛水員由于低壓缺氧，紅細胞天然免疫功能下降[24]。陳勇銳在模擬常壓失事潛艇環境中人血細胞表面CD55、CD59分布變化的研究中發現，紅細胞表面CD55與低氧暴露時間呈正相關，CD59變化不明顯；淋巴細胞表面CD55、CD59表達與氧分壓（PO2）呈正相關，與二氧化碳氧分壓（PCO2）呈負相關，揭示低氧環境可能誘導免疫細胞激活，從而影響紅細胞免疫功能的變化[25]。

無論是高原低氧環境還是人工模擬低氧環境，都會對紅細胞免疫產生一定的影響。長時間暴露在低氧環境下，紅細胞免疫功能由降低逐漸趨于穩定。低氧環境是影響紅細胞免疫功能的重要因素。

2 運動訓練對紅細胞免疫功能的影響

運動是調節機體免疫功能的一種應激方式。運動影響免疫功能的程度取決于運動強度、運動時間等因素。適量的有氧訓練可以提高免疫功能，降低患病的風險，但大負荷高強度的運動訓練可能會導致免疫功能受到抑制，并提高對疾病的易感性，從而影響運動員的健康水平和運動能力。

2.1 運動強度對紅細胞免疫功能的影響

國外學者研究發現低強度的運動訓練1 h前后，紅細胞CD35與CIC（循環免疫復合物）無明顯變化，當進行大強度的運動訓練時，CIC升高且清除緩慢[26]。研究認為，機體進行劇烈運動，引起組織損傷，釋放抗原，從而IC升高，吞噬細胞因為受體有限，不能完全清除IC，所以IC清除緩慢。而國內研究結果并不相同，胡琪琛等研究發現小強度運動（45%VO2max）和大強度運動 （85%VO2max）均可引起RBC-C3bRR和RBC-ICR（紅細胞免疫復合物花環率）的下降和紅細胞免疫功能下降，但不同強度結果無顯著性差異[27]。裴新貞等對SD大鼠進行4～8周的大強度游泳訓練后，發現其RBC-C3bRR和RBC-ICR變化一致，呈明顯下降趨勢，紅細胞免疫功能降低[28]。姜振在不同負荷跑臺訓練對大鼠紅細胞免疫功能變化研究中發現，大強度間歇性訓練抑制紅細胞免疫功能，但是中等強度的訓練能夠促進紅細胞免疫功能[29]。

可以看出，國內研究一致認為大強度的運動訓練會抑制紅細胞免疫功能，但是對于訓練強度的劃分并無統一標準，這也可能是對于中小強度訓練時，國內外研究結果不盡相同的原因之一。另一方面，國外研究多集中于CD35等紅細胞表面分子的研究，而國內研究多集中于花環實驗，存在一定的偏差。有研究認為短時間高強度運動可以增強紅細胞免疫功能。葉路等發現小鼠急性運動2 h后RBC-C3bRR增加明顯[30]。宋亞軍發現小鼠在力竭運動后RBC-C3bRR顯著增高[31]。其原因可能是急性運動可以有效增加循環血容量，RBC相對增多，紅細胞免疫粘附能力自然增強。由此可以發現訓練時間的長短同樣是影響紅細胞免疫功能的重要指標。

2.2 運動時間對紅細胞免疫功能的影響

研究表明短時間 （10 min）中等強度跑步運動后，健康人RBC-C3bRR和RBC-ICR顯著增高，紅細胞免疫功能增強[32]。在長時間（100 min）跑步運動后，紅細胞數目與紅細胞免疫功能均增加，且二者呈顯著正相關，揭示紅細胞免疫功能增強的部分是由于紅細胞數目的增加導致，而紅細胞數目的增加可能與運動中耗氧量增加及血液相對濃度有關[33]。宋亞軍等人在研究恒定功率下3種不同運動時間（15 min，30 min，45 min） 對紅細胞免疫功能影響中發現，3種不同運動時間均會引起RBC-C3bRR顯著降低，且下降程度與運動時間相關；45 min組運動后RBC-ICR顯著增高[34]。裴新貞等將健康大鼠分組進行游泳訓練（2周，4周，6周，8周）。研究發現，訓練4周組大鼠RBC-C3bRR和RBC-ICR顯著下降，訓練8周組大鼠RBC-C3bRR和RBC-ICR較4周組顯著下降，與對照組具有高度顯著性差異[35]。動物和人體實驗的結果均表明，不同運動持續時間會對紅細胞免疫產生不同的影響，且隨著運動時間的增加，影響越顯著。

2.3 運動水平對紅細胞免疫的影響

胡琪琛等研究發現，大強度運動（85%VO2max）引起RBC-C3bRR和RBC-ICR下降時，無訓練經驗者下降顯著[27]。黃海等人研究發現體育系女生（經常參加運動）與醫學系女生（不經常參加運動）在進行相同的跑臺運動后即刻RBC-C3bRR均顯著高于安靜值，但兩組無顯著差異，恢復1 h后，醫學組顯著降低，體育組無明顯降低[36]。運動后體育組即刻RBC-ICR顯著降低，恢復1 h后升高。揭示長期運動訓練經驗對運動應激有良好的適應性，可以使紅細胞表面SOD（超氧化物歧化酶）含量和活性增高，增強紅細胞抵御自由基損傷的能力，保持細胞活性，增強免疫力。有專家認為長期訓練的運動員紅細胞免疫促進因子與普通人在安靜狀態下無差異，但是紅細胞免疫抑制因子明顯低于普通人[37]。在進行相同小負荷的定量運動后，運動員恢復期RBC-C3bRR下降斜率顯著低于普通人，表明長期運動可以提高運動應激狀態下紅細胞免疫促進因子活性，從而增強紅細胞免疫功能。

然而，國外研究與國內研究的結果并不相同。研究顯示，自行車運動員與普通人安靜時紅細胞CR1與CIC無明顯差異。經過1 h自行車運動（75%VO2max）后，CR1與CIC也無明顯變化。國內外研究結果的不同可能與運動負荷、測定方法、測試指標等因素不同有關。譬如國內研究多采用花環實驗，而國外則測試CD35等因子，具體情況有待進一步的研究。

3 低氧訓練對紅細胞免疫功能的影響

在我國，低氧訓練被界定為利用人工低氧環境進行訓練或刺激的輔助性訓練方法[38]。低氧訓練由傳統高原訓練和人工模擬低氧訓練構成。人工模擬低氧訓練由高住低訓（HiLo）、高住高練低訓（HiHiLo）、低住高訓（LoHi）和間歇性低氧訓練（IHT）構成。無論是傳統的高原訓練，還是模擬低氧訓練都有其不可替代的優勢，低氧訓練可以在保持正常運動訓練的條件下，通過暴露于低氧壞境，從而提高運動員機體運輸氧氣的能力。同樣低氧訓練也有著不可忽略的弱勢。近年來越來越多的報道發現，在低氧訓練過程中，患病風險增加，同時免疫力下降。Tiollier等人研究發現越野滑雪運動員在3周HiLo過程中，隨著海拔高度的增加，sIgA持續下降（P＜0.05），且在Hi-Lo結束后的2周都尚未恢復至訓練前水平[39]。短道速滑運動員在進行4周IHT訓練后對疾病的抵抗力下降[40]，賽艇運動員在進行3周的HiHiLo的第一周即出現免疫抑制的現象[41]。有研究發現在低氧條件下訓練比單純的低氧環境或者單純的運動訓練對免疫功能的損傷更加嚴重，其中低氧為最主要的影響因素[42]。對于不同低氧訓練模式下運動員各種身體機能狀態與運動狀態的研究越來越多，作為免疫系統重要組成部分的紅細胞免疫，在低氧訓練中的研究結果較少且多集中于HiLo和HiHiLo。

張纓等研究發現足球專項大學生在HiLo 10 h后，機體RBC-C3bRR、RBC-ICR顯著升高，并伴隨著免疫抑制因子活性升高、免疫促進因子活性降低的趨勢[43]。揭示急性低氧暴露后，紅細胞免疫功能處于亢進或者紊亂的狀態。隨著HiLo持續時間的增長，在4周訓練結束后，周帆揚等發現RBC-C3bRR顯著下降（P＜0.01），RBC-ICR 顯著升高（P＜0.01），揭示長時間的HiLo導致紅細胞免疫功能繼發性降低[44]。趙永才等通過游泳運動員進行2周HiLo（2 800 m）后研究發現，RBC-C3bRR顯著降低，揭示2周HiLo可以抑制紅細胞免疫粘附功能[45]。

隨著研究的不斷深入與科學的不斷進步，對于HiLo對紅細胞免疫的影響也逐漸由花環實驗的定性分析轉入紅細胞表面免疫因子的定量分析研究當中。羅琳等通過4周HiHiLo過程中足球運動員紅細胞CD35數量及活性研究發現，CD35數量在實驗過程中呈下降趨勢，但對照組（常氧訓練組）較實驗組（HiHiLo）CD35下降更為明顯[46]。研究認為低氧壞境導致機體促紅細胞生成素（EPO）增多，紅細胞數量增多，導致紅細胞CD35數量增加。朱榮通過研究發現4周HiLo過程中足球運動員紅細胞表面CD59表達水平先下降后升高[47]，而趙永才等人在2周HiLo過程中發現游泳運動員CD59呈現先上升后下降的趨勢，且CD55與CD59變化一致，但是CD59上升快下降也快[45]，這與朱榮等人的研究結果并不相同。分析其原因，一方面，趙永才等人在HiLo開始后進行一次測試，而朱榮等人僅有兩次測試點，所以二人測試時間的不同可能導致結果的不同；另一方面，二人HiLo的時間并不相同，且運動員專項訓練的負荷也存在差異。王璽等人在對賽艇運動員進行3周HiLo過程中發現紅細胞表面CD55與CD59呈現相似的變化趨勢，均為先上升后下降，恢復期內再次升高且高于訓練前水平，并且嘗試分析在HiLo訓練過程中紅細胞免疫與免疫機能的聯系[48]。研究發現在紅細胞免疫與T淋巴細胞免疫變化出現了不同步性，在低氧訓練開始階段作為免疫第一道防線的紅細胞免疫先于其他免疫系統作出反應，而隨著低氧訓練時間的增加及運動訓練的雙重刺激，在紅細胞表面免疫分子的指引下，T淋巴細胞免疫開始發揮作用[48]。國外已有報道證明紅細胞天然免疫主干道在系統血液快速固有免疫炎癥反應中具有向淋巴細胞傳遞信息的重要作用[49]，尤其是紅細胞表面CR1可與致病原形成CD35/CD58/CD2三聯復合體，避免大量的免疫復合物封閉T淋巴細胞表面，促發TCR/CD3的形成，起到抗原呈遞作用，有利于T細胞功能的發揮，從而調控T淋巴細胞等免疫細胞的功能[50]。

現階段，低氧訓練對紅細胞免疫的影響多集中于HiLo，一方面低氧訓練作為針對專業運動員進行訓練的手段，對于科研人員進行研究的可控性較低，存在較多的不可控因素，另一方面，在對專業運動員進行研究時，受到訓練等條件限制，對照組較少或者沒有，并不能按照科研目的進行研究，多是作為輔助訓練手段。李玉周等利用低氧艙模擬海拔4 000 m高原低氧環境觀察SD大鼠經過4周不同低氧訓練模式后，紅細胞免疫調節因子及其免疫功能的變化規律[51]。研究發現高住對照組與低住對照組相比，紅細胞免疫抑制顯著提高，RBC-ICR顯著性升高（P＜0.01）。研究者認為，單純低氧因素對紅細胞免疫抑制因子活性的影響最大，并總結4周低氧訓練后紅細胞免疫功能由強到弱大致規律為：低住對照組＞高住低練組＞高住對照組＞高住高練組[51]。

低氧訓練受到低氧和運動的雙重刺激。在低氧訓練的初期，機體受到低氧壞境的影響EPO代償性提高，紅細胞免疫功能增強，之后隨著低氧訓練時間的增加，訓練負荷對機體的刺激加重，紅細胞免疫功能開始下降。大強度的運動訓練導致紅細胞免疫功能下降的原因可能是因為當運動負荷較大時，紅細胞破裂畸變增多，紅細胞異常情況增加，其結果是紅細胞數量減少，血紅蛋白含量減少，從而導致紅細胞不能發揮正常的生理功能，進而導致紅細胞的免疫功能下降。而紅細胞免疫功能下降也影響了其他免疫細胞（如T淋巴細胞等）與細胞因子（IL2與IL6等）的激活，削弱了紅細胞對其他免疫細胞的免疫增強作用，使調控失衡[52]，進而導致整個免疫系統受損，使整個免疫系統紊亂，機體機能狀態下降。低氧環境對紅細胞免疫的影響則主要是通過影響EPO來實現。EPO在調節紅細胞免疫上起到重要的作用，它不僅可以改善貧血功能，促進紅細胞分化，增加紅細胞計數，而且可以抑制RBC-ICR的表達，促進RBC-C3BRR的生成。EPO可以增加SOD的表達，穩定紅細胞膜，改善紅細胞膜的蛋白質構象和增加膜脂流動性，維持紅細胞膜內外的滲透壓，從而使紅細胞膜上的受體（CD35等）免疫粘附功能增強。

4 小結與未來展望

紅細胞的免疫功能為我們提供了一個未被充分研究和潛在豐富的研究領域[53]。目前，低氧訓練對紅細胞免疫影響的研究多集中于HiLo，而對于像傳統高原訓練與LoHi以及IHT條件下紅細胞免疫情況如何改變還沒有研究報道。低氧訓練對紅細胞免疫影響的機制尚不清楚。醫學上已有研究報道艾灸以及鋅的補充可以從一定程度上改善紅細胞免疫功能，調節T淋巴細胞免疫功能，以提高機體整體免疫功能[54,55]。這些手段是否適用于低氧訓練過程中的運動員，尚待深入研究。