有氧運動對大學生心血管健康的促進作用

廖菲菲，陳政強

(1.集美大學體育學院，福建 廈門 361021；2.集美大學水產學院，福建 廈門 361021)

心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)是危害人類身體健康的主要疾病，也是人類因病致死、致殘的最主要原因，它給人類帶來沉重的醫療和社會經濟負擔。[1]從1990年到2019年，全球CVD的總發病率從2.71億例增長至5.23億例，30年間幾乎翻了一番；CVD病亡人數則從1 210萬穩步增長到1 860萬(男性960余萬人、女性890多萬人)，約占全球死亡總人數的1/3。[2]CVD也是構成我國城鄉居民因病死亡的首要因素，其致死病例在各類病亡因素構成中約占45 %。當下，我國不僅是CVD致死人數最多的國家，而且我國的CVD患病率及死亡率仍然處于上升階段，與之相關的危險因素的控制狀況仍不容樂觀。[2-5]經統計發現，2019年全球約有610萬CVD病亡案例發生在30歲至70歲之間的人群，并有年輕化趨勢。其實，許多成年人的CVD始發于青少年時期甚至是兒童階段，這緣于高血壓、糖尿病、血脂異常、空氣污染、高體質量指數(體重超重與肥胖)、吸煙、睡眠障礙、腎功能不全(慢性腎病)等心血管危險因素(cardiovascular risk factors,CVRF)的累積與發展，因此，青少年的心血管健康(cardiovascular health)不容漠視。[2-6]近年來，我國大學生心源性猝死事件時有發生，而在校期間大學生的個人衛生習慣逐漸形成，在這個時期實施的健康輔導與干預，對其心血管健康具有積極意義。[5-8]本文論述有氧運動(aerobic physical activity,APA)對大學生心血管健康的促進作用，旨在為在校大學生提高心血管健康保護意識與能力提供參考。

1 我國大學生的心血管健康不容忽視

由高脂血癥、血液粘稠、動脈粥樣硬化、高血壓等引起的缺血性或出血性疾病，統稱為CVD，是嚴重威脅人類健康的常見病，具有高患病率、高致殘率和高死亡率等特點。我國每年CVD病亡人數達300萬之眾，占年總死亡人數的45 %左右，并且CVD的發展繼續呈現低齡化趨勢[9]。陳光英等對45 160名大學生進行調查發現，粵西高校青年大學生的CVD患病率為1.22 %，其中，0.35 %器質性心臟病檢出率與丁小強等針對青海省玉樹地區青少年先天性心臟病患病率的調查結果(0.316 %)基本一致，而0.43 %心律失常檢出率和0.45 %高血壓檢出率則遠低于華北某高校大學生3.05 %心律失常檢出率和上海、天津、重慶等城市在校大學生1.96 %～2.6 %的高血壓檢出率。顯而易見，當前我國在校大學生器質性CVD檢出率并不高，區域差異性不明顯，但是，高血壓等CVD風險因素檢出率區域差異性顯著，CVD客觀風險不容忽視。[4,8,10-13]我國普通高校大學生約為4 000萬人，1.22 %～2.60 %的CVD檢出率意味著在校大學生中CVD病患人數可達50萬～100萬之眾，這還未包括個體質量超重和肥胖學生潛藏的CVD風險，因此，其危害性不容小覷。據報道，我國青年大學生中個體超重或顯性肥胖體質群體的人數占比已超過20 %，男生顯性肥胖者比例甚至達到28 %，女生顯性肥胖者比例略低一些，但隱性肥胖發生率卻高達33.18 %。超重和肥胖學生不僅病理性心血管異常檢出率高于體質量正常的學生[8,9]，而且超重人群患CVD的可能性是正常體重人群的2倍，重度肥胖人群患CVD的風險是正常體重人群的10倍[14-16]。相關研究與Meta分析已發現，長期規律性運動訓練有助于增強機體對CVD的耐受性，對CVD的一級預防作用顯著，身體總活動量與CVD致死率呈顯著負相關，有氧運動能夠使CVD死亡率下降35 %。[3,14,17-19]上述可見，我國大學生受到CVD威脅者眾多，針對因久坐且少運動、生活缺乏規律、飲食疏于節制而引發體重增大、肥胖等體征，甚至出現高血壓等亞健康狀況的在校大學生，應加大體檢篩查力度以求盡早發現，有效防范，還應加強體育運動訓導與監督，主動降低CVD風險。

2 有氧運動可增進大學生的心血管健康

2.1 有氧運動可提高微血管的反應性，增進心血管健康

微循環功能異常往往是一些疾病(如動脈粥樣硬化、高血壓等)發生的前序，微循環障礙則是肥胖、糖尿病、高血壓、缺血性心臟病等疾病的重要發病機制和典型疾病癥狀，而微循環功能改善不僅是一些疾病(如糖尿病、冠心病等)康復過程中的重要階段，而且也是提高競技體育運動表現的重要生物學基礎。[19]微血管開放密集程度、血管舒張能力則是衡量微血管反應性(microvascular reactivity,MR)的兩大要素。[19]據報道，安靜狀態下機體組織中的開放毛細血管數量不超過270條/mm2橫斷面，而運動狀態下可達2 500～3 000條/mm2橫斷面；正常情況下健康成人的冠狀動脈血流量僅為心輸出血量的8 %～9 %，而在運動狀態下冠狀動脈血流量可增加40 %，吸氧量提高2 ～ 2.5倍。[20]此外，APA可增加生理切應力的強度和血管內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)表達，催化一氧化氮(nitric oxide,NO)產生，引起血管擴張，增加血流灌注，還能上調促血管生成因子，尤其是血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的水平。[18]可見，人體在氧氣充分供給的情況下進行體育鍛煉，循環系統可通過增加微血管開放密集程度、提升血管舒張能力來增大血流量，進而改善組織器官以及血管內皮功能。

有報道指出，以70 %心率儲備(heart rate reserve,HRR)為運動強度開展有氧跑步運動，或以60 %～75 % HRR為運動強度進行有氧舞蹈運動，受試者持續12周時間后，微血管反應性均出現顯著性提高，而以30 %～75 % HRR為運動強度的APA，持續24～36周可將絕經后婦女的微血管反應性提高到與年輕女性相當的水平。[19]這些報道充分說明，持續進行中高強度APA能顯著改善青壯年人的微循環。

2.2 有氧運動可提高胰島素敏感性，降低CVD風險

據報道，高血壓、動脈粥樣硬化和冠狀動脈疾病等與血管內皮功能障礙(endothelial dysfunction,ED)相關的一些危險因素誘發CVD時常常伴有胰島素抵抗(insulin resistance,IR)現象，而改善IR則可以起到有效預防和治療CVD的作用。[21]所謂IR，系胰島素促進葡萄糖攝取和利用效率下降時，機體代償性地分泌過多胰島素而產生高胰島素血癥，并借此以維持血糖穩定的現象。

IR易誘發CVD是由于IR發生時血管內皮細胞中磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)和蛋白激酶-B(protein kinase B,PKB/Akt)介導的舒血管物質一氧化氮(NO)釋放通路下調，而腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)介導的縮血管物質內皮素-1(ET-1)表達通路上調，導致NO和ET-1生成量失衡，血管張力增大，進而引發CVD。相反，APA能改善胰島素的分泌并提高血管舒張時對胰島素的敏感性從而減輕IR現象。首先，APA可通過激活PI3K-PKB/Akt-eNOS細胞“生存信號”通路，提高Akt和eNOS的磷酸化水平，促進NO生成與釋放，進而調整血管張力，改善CVD；其次，從高血壓前期就開始并長期堅持的APA可通過下調血管內特定內膜G蛋白偶聯受體激酶2(G-protein coupled receptor kinase 2,GRK-2)的表達來提高血管的胰島素敏感性，從而舒緩血管壓力，有益于對高血壓的控制；最后，APA可通過促進細胞糖代謝、抑制氧化應激和心肌梗死后缺血/再灌注誘導的心肌細胞凋亡，降低心肌缺血/再灌注損傷程度，進而改善心血管功能。[14,18,19,21]

APA強度可能是影響胰島素抵抗的一個獨立因素。流行病學調查顯示，低水平的APA已然呈現出與高血壓、肥胖、代謝綜合征、糖尿病等心血管疾病高危因素的負相關關系，中等強度APA則呈現出更為顯著的效果。[17]

2.3 有氧運動可抑制炎癥反應，降低CVD危險

炎癥(inflammation)是眾多疾病的病理基礎。不僅動脈粥樣硬化、高血壓和心肌梗死等CVD的發生發展與炎癥有直接關系，而且糖尿病、高血脂和肥胖等CVD危險因素也與炎癥密切相關。[14,17,18,22]

APA可通過如下途徑來抑制炎癥反應，改善心血管功能。其一，APA可通過促進巨噬細胞由M1型促炎性細胞向M2型抑炎性細胞轉化，并降低巨噬細胞浸潤、增加具有限制炎癥作用的CD4+CD25+Foxp3+調節性T淋巴細胞數量、抑制輔助性T細胞1(Th1)的增殖和Th2型細胞因子的產生，來減輕炎癥反應。其二，營養性肥胖和動脈粥樣硬化等非細菌性慢性炎癥與單核-巨噬細胞Toll樣受體4(TLR4)的異常活化有關，核轉錄因子κB(NF-κB)信號通路也在炎癥反應中起重要作用，而持續的中等強度APA可通過下調單核細胞TLR4的表達水平、降低心肌細胞NF-κB的DNA結合能力以及腫瘤壞死因子α(TNF-α)和白細胞介素1β(IL-1β)的含量來降低炎癥信號通路活性，進而抑制炎癥反應。其三，APA可通過抑制交感神經活性以降低去甲腎上腺素(Norepinephrine)表達、增強副交感神經活性以促進膽堿(choline)分泌來減輕炎癥反應。其四，APA可通過增加血管內皮祖細胞(endothelial progenitor cells,EPCs)數量和活性來發揮抗炎作用，還可通過促進血管內皮釋放NO來改善血管內皮功能，進而對防控CVD產生有益的影響。如果出現血管內皮功能障礙(endothelial dysfunction,ED)，那么局部發生炎癥反應、形成血栓的風險就會升高。[14,18,21,22]

短時間APA會引起促炎性因子(proinflammatory factor)應激表達，而長期APA則會抑制促炎性因子分泌。血漿中的白介素6(IL-6)、TNF-α和C反應蛋白(CRP)等炎癥介質濃度與APA之間呈線性負相關關系，然而，APA對抗炎介質(anti-inflammatory mediators)的影響則有所不同，只對患有肥胖、2型糖尿病、代謝綜合癥等慢性炎癥患者產生影響，可促其血漿抗炎介質水平顯著提升。[17]小鼠實驗進一步證實，APA可通過顯著下調炎性因子血管壁細胞粘附分子-1(VCAM-1)和單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)的表達水平，來減弱單核-巨噬細胞在主動脈壁的附著與浸潤，改善動脈粥樣硬化病變局部的炎癥狀態。[23]

2.4 有氧運動可改善線粒體功能，降低CVD危險

線粒體(mitochondrion)是細胞能量代謝的重要場所，也在胞內信號通路調節和細胞凋亡等事件中發揮重要作用。動脈粥樣硬化、高血壓、糖尿病等CVD危險因素以及心肌梗死、心力衰竭等CVD都與線粒體功能障礙有關。[14,18,21]

線粒體功能障礙的主要表現有活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)的生成異常增多、線粒體通透性轉換孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)異常開放和線粒體的生物合成減少等。在心臟缺血/再灌注損傷中，心肌細胞很明顯地因線粒體產生的ROS增多而損傷加重。在某些病理狀態下，線粒體膜上的非選擇性孔道mPTP異常開放，一方面會造成線粒體功能障礙，另一方面會因線粒體內外膜之間的細胞色素C和凋亡相關因子釋入細胞漿而導致細胞凋亡。APA可引起心肌細胞線粒體的適應性響應，降低脅迫狀態下心肌細胞ROS的產生量，減輕氧化損傷，降低由此造成的心臟功能障礙或死亡風險。此外，APA還能降低mPTP最高開放率，延緩開放時間，同時上調抗凋亡蛋白的表達，增加線粒體能量代謝相關酶(如羥酰輔酶A脫氫酶、雙烯酰輔酶A)含量、減少參與膠原纖維生成的單胺氧化酶A(一些纖維化疾病發生時該酶活性升高)含量，從而改善線粒體功能，提高細胞的生存能力。[14,21]

2.5 有氧運動可減輕肥胖，降低CVD危險

從醫學角度看，肥胖是一種多重代謝和激素異常的疾病狀態，會衍生一系列癥狀、體征和并發癥，2013年美國醫學會已將肥胖定義為一種疾病。[24,25]

在肥胖狀態下，腎素-血管緊張素系統(rennin-angiotensin system,RAS)活化，可直接誘發小動脈血管收縮、血流阻力增加，間接導致靜息心率升高，最終導致血壓升高以及持續高血壓背景下的心肌功能下降、心力衰竭；在肥胖狀態下，脂肪酸的攝取和利用顯著增加，導致心肌內脂質蓄積，進而誘發心臟功能障礙；在肥胖狀態下，甘油三酯和低密度脂蛋白 (LDL) 膽固醇的循環水平增加，巨噬細胞吞噬被氧化的LDL之后轉化為泡沫細胞并在動脈管內皮細胞下形成脂肪斑塊，導致血管壁增厚、變粘，進而阻礙血液流動，嚴重時產生血栓，甚至引發中風、心肌梗塞或心臟驟停等致命危險。[17,26]

慢性炎癥反應(Chronic inflammatory response)是肥胖患者的另一重要體征，由體內儲存的過多脂肪所引起，并且主要是通過激活機體固有免疫系統應答而呈現的亞臨床(低烈度)、慢性(長時間存在)、局部或全身系統性炎癥。[27]機體在肥胖狀態下，血液中的單核細胞進入組織內分化為M1型促炎性細胞，釋放多種細胞因子并作用于體內胰島素敏感細胞，抑制細胞胰島素信號敏感性，由此引發組織代謝性炎癥、胰島素抵抗，觸發2型糖尿病風險。[28-31]

研究表明，適度APA可有效降低肥胖患者和正常大學生的體質量指數(body mass index,BMI)、體脂率、腰圍、臀圍水平，改善身體形態，并有效控制肥胖大學生的血壓，改善身體機能的水平，提高心肺適能(cardiorespiratory fitness,CRF)水平；能使其空腹血糖(FBG)、血脂總膽固醇(TC)、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)及胰島素抵抗指數顯著下降，高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)水平顯著升高，改善正常大學生血脂狀態，促進肥胖大學生的糖脂代謝，增進正常大學生健康，降低肥胖大學生患心血管病的風險。[9,32-34]

2.6 有氧運動有助于維護消化道微生態平衡，降低CVD危險

受飲食缺乏規律性、暴飲暴食或酗酒、偏食、挑食等不良的飲食習慣和焦慮、抑郁等不良心理因素的影響，在校大學生胃腸炎等消化道疾病發病率歷來較高。[35,36]炎癥是誘發CVD的重要原因，而APA過程中，由于血液重新分配，消化系統血液灌流量減少，腸道處于低氧環境狀態，此時，低氧誘導因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)持續表達，參與腸粘膜免疫穩態調節作用。高強度APA可能導致腸粘膜免疫穩態被打破，使腸道屏障通透性增加(腸滲漏)，病原微生物入侵，最終引發炎癥反應。中低強度APA則通過緊密細胞間連接蛋白、降低腸粘膜屏障的通透性以阻止病原微生物入侵，通過改變腸道菌群的組成、下調促炎性細胞因子、上調SIgA水平等方式來維持腸粘膜免疫穩態。可見，APA能夠有效調節腸道菌群的組成，提高菌群多樣性，促進腸道微生態平衡，降低腸道炎癥的發生率。不過，由于腸道炎癥反應的發生發展還與腸神經活動及心理應激密切相關，自主性APA和強迫性APA所起到的腸道微生態干預效果可能截然不同。[37-39]

APA增大了腹肌和膈肌的活動范圍，促進了胃腸蠕動和消化液分泌，因此APA可改善消化系統功能，不僅能使食物的消化吸收更完善，而且能使食物殘渣滯留時間更短暫，腸粘膜由此受到的毒性損害減輕，對預防消化道腫瘤、腸炎等疾患有明顯的好處。[40,41]

腸道菌群(gut microbiota,GM)是細菌、真菌、古生菌、病毒和原生動物的集合體，棲息于人體腸道中，數量大、種類多，與宿主之間有著密切的信息交換，并維持著動態平衡。其代謝產生的生物活性物質可影響宿主的生理功能，在消化吸收、免疫防御、神經調節等方面發揮重要作用，也對宿主CVD產生影響。雖然從臨床資料和動物實驗中都能看到GM及其代謝產物廣泛參與到高血脂、糖尿病、高血壓、動脈粥樣硬化等CVD危險因素和冠狀動脈疾病、心肌梗死等CVD發展進程中，GM平衡失調可加速宿主CVD的發展，但是迄今為止其具體作用機制尚不明了。[42,43]

3 增進大學生心血管健康的有氧運動方式與劑量

研究已證實，適宜的體育運動可顯著降低CVD的發生率、死亡率，能確實改善CVD患者的預后，是有效預防和輔助治療CVD的重要手段與方法，提升心肺適能(CRF)可明顯提高CVD患者(甚至包括健康人)的生存率。[21,44-46]

在無氧閾(anaerobic threshold,AT)負荷下運動，骨骼肌運動收縮所需的能量主要來自線粒體中氧化糖類和脂肪酸分解代謝中間產物(丙酮酸等)產生的化學能，另一部分來自細胞質中葡萄糖或糖基單元代謝為丙酮酸(中間產物)所釋放的能量，無需通過無氧糖酵解予以補充。骨骼肌中尚未出現乳酸堆積，因此體內酸堿內環境穩定，心臟不會“超負荷”工作。相反，高于AT強度水平的運動，無氧糖酵解釋放能量以補充有氧代謝所提供能量的不足，導致乳酸堆積及代謝性酸中毒，血漿K+濃度升高，兒茶酚胺水平升高，心率-收縮壓乘積增大，反而增加了惡性心律失常和心血管事件風險。因此，APA被認為是提升CRF最直接有效而且安全的方法。[45,47]

AT下的代謝當量(metabolite equivalents,METs)指維持靜息代謝所需要的耗氧量，其值不依賴運動刺激，而取決于心、肺、骨骼肌功能。據報道，合理有效的運動訓練可以提高AT下的METs值，而BMI 值升高則導致METs值下降且差異具有顯著性，這說明合理有序的運動訓練可提升人體在有氧運動中所能承受的運動強度，而肥胖患者則需要運動才能提高最終的METs值。[47]

2020年世界衛生組織(WHO)發布了《體育鍛煉和久坐行為指南》，建議成年人(18 ～ 64歲)每周至少進行150 min～300 min中等強度(moderate-intensity)或75 min～150 min高強度體力活動(vigorous-intensity physical activity)，或是中等強度和高強度有氧體育運動的某種等效組合，并認為這是收獲顯著的健康益處和減輕健康風險所需的體育鍛煉劑量。[48]據此分析，150 min/w中等強度體力活動(3 ～ 6 METs)或者75 min/w高強度體力活動(6 ～ 9 METs)，其最小能量消耗約相當于1 000 kcal/w，青年大學生欲求更大的健身益處，需將運動劑量提升1倍。[42,48-50]上述可見，運動劑量與CVD的預防與康復獲益之間存在量效關系，即在一定運動劑量范圍內，心血管健康收益隨著運動量的增加而增大，然而過度運動顯然也是不可取的。[45,51]

2016年歐洲心血管病預防指南中提出，將有氧運動尤其是中等強度連續運動(moderate-intensity continuous training，MICT)作為基本鍛煉方式，然而近年來，高強度間歇運動(high intensity interval training,HIIT)方式也受到人們的青睞和重視。[34,44,52]據報道，HIIT能直接改善機體功能，有效提高青少年乃至中老年人群的APA峰值耗氧量(peak oxygen consumption，Vo2peak)，進而提升其CRF水平(Vo2peak是評估CRF的“金標準”)，還能有效改善血管內皮功能和心臟收縮功能，降低血壓，有效預防動脈粥樣硬化，通過降低CVD危險因素的發生率來預防CVD。迄今為止，無論是在健康人群還是CVD患者中開展HIIT均鮮有惡性不良反應發生。[44,53]雖然HIIT及MICT均對肥胖女大學生身體成分產生影響，但HIIT對軀干脂肪量、肌肉量及動脈僵硬度的改善更為有效，這可能與此運動能降低血清抵抗素水平有關。[34,44]上述可見，相較于MICT，HIIT效率更高，達到有效運動量所需用時更短，不僅安全還易于堅持，適宜青年大學生采納應用。

4 總結

CVD是嚴重危害人類身體健康的主要疾病，是人類因病致死、致殘的主要原因。我國不僅是CVD致死人數最多的國家，而且發病情況呈現年輕化趨勢。

CVD患病率、致死率與身體總活動量呈顯著負相關關系，長期規律性APA有助于增強機體對CVD的耐受性，能確實改善CVD患者的預后，是有效預防和輔助治療CVD的重要手段與方法。

提升心肺適能(CRF)是提高個體生存率的有效途徑，而APA則是提升CRF最直接有效而且安全的方法。青年大學生每周至少需要進行150 ～ 300 min的中等強度或75 ～ 150 min的高強度體力活動，或是二者的某種等效組合，其最小能量消耗約相當于1 000 kcal/w；欲求更大的健身益處，需將運動劑量提升1倍。相較于中等強度連續運動(MICT)，高強度間歇運動(HIIT)方式效率更高，不僅易于實踐者接受與堅持，而且安全性也更高。