植物多酚緩解運動疲勞作用機制研究進展

余金橙，付夢凡，崔 楠，劉素穩, ，周君一，張 棟，史東林

（1.河北科技師范學院食品科技學院，河北秦皇島 066600；2.河北省體育科學研究所，河北石家莊 050000；3.清華大學體育部，北京 100000；4.河北體育學院，河北石家莊 050000）

運動疲勞，是能量輸入與輸出不對等的條件下，失去原來的工作能力而產生的一種生理現象[1]。長時間疲勞會引起人體免疫力下降，甚至引發相關疾病，給人體健康指標帶來嚴重壓力[2]。疲勞的來源及產生機制均與能量水平的降低[3]、氧化應激[4]、底物消耗或代謝累積[5]有關，信號調控通路且都與腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase,AMPK）途徑相關，因此，以AMPK信號通路為前提闡述抗運動疲勞機制是有效的方式。多酚是許多植物產生的次生代謝物，具有顯著的生物活性，尤其是抗氧化性，屬于天然抗氧化劑[6-7]。多酚可降低活細胞和組織中蛋白質、脂質、碳水化合物的氧化損傷程度，預防癌癥、神經性疾病、糖尿病、高血壓等慢性疾病。多酚類物質主要包括黃酮類、單寧類、酚酸類等[8-10]，果蔬及果蔬制品等植物性食品是多酚類物質來源的重要渠道。

近年來，研究人員對多酚類物質抗疲勞作用的研究熱度不斷升高，研究表明多酚類物質具有延緩疲勞的功效[11]，如酚酸、黃酮、葛根素、茶多酚、蘆丁、姜黃素、槲皮素、大豆異黃酮等多酚類物質均具有顯著延緩疲勞的作用[12]，為以多酚為活性成分研發抗疲勞保健食品奠定了基礎。因此，深入研究多酚類物質緩解疲勞的作用及機制，對于開發具有快速恢復活力，增強免疫力的功能食品有重要意義。本文對多酚類物質緩解運動疲勞的作用機制進行了綜述，分析了潛在的抗疲勞調控機制通路，可為發掘多酚類物質作為功能性食品組分在疲勞緩解中的潛在價值提供理論依據。

1 運動疲勞產生的過程及機制

根據外環境或機體內代謝物、信號分子作用通路、神經信號傳遞等形式將運動疲勞分為外周疲勞和神經疲勞，外周疲勞通常是指運動使肌肉拉傷導致肌功能喪失的現象，中樞疲勞是指運動動力超過大腦驅動力承受范圍而產生的現象，是大腦內部運動神經元與中樞神經系統相互作用的結果[13]。神經疲勞是指工作學習壓力使人的神經處于緊張狀態，大腦神經系統紊亂、腦區活動受限、腦內物質代謝水平不足等現象，長時間壓力產生的疲勞會使人處于亞健康的狀態，最終升級為慢性病。活性氧（ROS）、內分泌失調、炎癥因子以及代謝物如乳酸、血清尿素氮等都會引起疲勞。疲勞產生的過程見圖1。

圖1 疲勞產生過程Fig.1 Fatigue generation process

運動疲勞是指機體氧氣供應不足，產生乳酸、自由基、血清尿素氮等物質，從而引發機體疲勞。機體疲勞是目前研究范圍廣泛、效果顯著、技術成熟的研究，抗疲勞物質也呈現出多樣化模式，進一步分析抗疲勞物質對機體的保護作用及其潛在的分子機制對運動能力上的提升具有重要作用。

運動疲勞產生機制主要包括氧化應激、能量水平的降低、骨骼肌中的底物消耗或代謝累積、炎癥因子水平上升等，它們與肌肉和中樞神經系統內各種物質之間的作用導致機體疲勞[14]。氧代謝產物（d-ROM）及自由基的增加導致氧化應激致使骨骼肌中代謝積累，導致抗氧化防御系統失衡，使具有抗氧化應激能力的蛋白質和核酸功能喪失，致使細胞凋亡和肌肉等組織器官功能遭到破壞；其次，運動打破原有的能量供應系統，ATP、糖原等能量物質被消耗導致機體能量水平的降低；機體內抗氧化酶的消耗和代謝物的積累也是導致運動疲勞的關鍵因素；炎癥因子的過度釋放也會加強機體疲勞[15]。提高機體抗氧化應激能力、抗炎能力、及時補充能量、清除自由基及代謝物等是恢復運動能力的有效方法。運動疲勞機制如圖2所示。

圖2 運動疲勞機制Fig.2 Exercise fatigue mechanism

2 具有抗疲勞作用的植物多酚類物質

目前研究證實具有抗運動疲勞的多酚類物質較多，如茶葉中的茶多酚、芡實種皮多酚、木瓜提取物、青稞籽皮提取物等都具有抗疲勞功效[16]，大多植物多酚抗疲勞能力還處于發掘階段。多項研究表明（表1），多種多酚物質對運動疲勞具有延緩作用，如黃酮、葛根素、姜黃素等。評價模式主要以小鼠負重游泳運動為主，評價結果均體現相關物質的抗疲勞能力。當然，從大多數研究實驗來看，模型主要分布于動物實驗，缺乏臨床試驗。目前，多酚類物質針對不同類型（如常溫運動與低溫運動、專業運動與業余運動）、不同損傷程度的抗運動疲勞的研究還未見報道。

表1 具有抗運動疲勞作用的主要多酚類物質Table 1 Main polyphenols with anti fatigue effect

3 多酚抗疲勞的作用機制

抗運動疲勞最終為快速消除疲勞、延緩疲勞或增加運動能力的體現[29]，同時機體也表現出適應能量水平降低和氧化應激等的一種狀態。機體內調節能量代謝和氧化應激都離不開酶的參與，AMPK是AMP依賴的蛋白激酶，以異源三聚體復合物形式存在，由一種催化亞基α（α1或α2）、兩種調節亞基β（β1或β2）和γ（γ1、γ2或γ3）組成，這些亞基有著獨立的基因編碼，能形成12種復合物[30]，是調節機體抗疲勞的重要作用位點。AMPK是一個獨特的代謝控制節點，在運動疲勞的調節中，AMPK主要參與氧化應激、能量水平、底物代謝和炎癥因子的調控[31]。根據文獻總結多酚抗疲勞機制圖如圖3所示。

圖3 多酚抗疲勞機制圖Fig.3 Antifatigue mechanism of polyphenols

由于抗疲勞機制研究的性質，各個研究都只是以僅有的實驗條件和材料進行研究，導致樣本數量較少，限制了使用更全面的方法來分析不同物質之間的差異性，可能會使結果有一定的偏差，因此還需要對多酚類物質的抗疲勞作用機制進行大規模的信號通路干預研究，以檢查驗證運動疲勞和多酚物質在運動人群機體內的相關機制。對抗疲勞信號通路的干預雖能夠減少疲勞，但在不同多酚結構的基礎上，如何高效的尋找并判斷出各類多酚作用機制靶點已經成為新的研究方向。對小鼠腦內復雜神經通路與疲勞的關系研究還有待提升，抗疲勞模型和功能性研究目前還沒有統一的評價標準，缺乏對比性，限制了相關機制的進一步研究。

3.1 多酚調節氧化應激

氧化應激是由機體內活性氧（ROS）的產生與內源性抗氧化防御系統的活性之間的失衡導致，活性氧能夠引起脂質、蛋白質和核酸的氧化，從而造成機體細胞膜損壞[32]。在運動過程中，機體代謝增強導致耗氧量增加，大量的自由基會使機體內脂質、蛋白質、DNA 等細胞大分子遭到攻擊[33]，破壞體內氧化還原系統的穩定性，從而使具有抗氧化應激能力的蛋白質和核酸功能喪失，致使細胞凋亡和肌肉等組織器官功能遭到破壞，最終引發機體的疲勞感[34]。

研究顯示多酚具有緩解疲勞的功效，在運動疲勞的調節中，酚類化合物可以通過直接作用于ROS或刺激內源性防御系統來幫助限制ROS引起的氧化損傷，也可通過AMPK信號通路調節氧化應激[35]，AMPK可以顯著降低自由基的產生量。核轉錄因子（nuclear factor-erythroid 2 p45-related factor 2， Nrf2）是一種激活因子，具有調節氧化應激的功能，在氧化應激反應中驅動適應性細胞防御[36]。葡萄籽多酚通過刺激AMPK激活Nrf2信號通路，促進下游HO-1和醌氧化還原酶1（NAD（P）H）的表達，增強抗氧化防御系統抗氧化水平[37]。環氧氯丙烷相關蛋白-1（kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1）是Nrf2信號通路的核心分子，是Nrf2和泛素連接酶 Cullin 3之間的橋梁，通常情況下在胞內結合后被降解，當誘導劑被引入機體時，Nrf2在細胞核內的積累量增加，抗氧化反應元件（ARE）被激活啟動抗氧化反應[38]，ARE與Nrf2結合后加快Nrf2轉錄和翻譯速率，產生抗氧化酶或蛋白[39]，利于清除由于運動產生的自由基。范小曼[40]研究了白花敗醬單寧清除自由基的水平，發現單寧濃度與超氧陰離子自由基（O2-·）、羥基自由基（·OH）的清除能力呈量效關系。以上的研究對于運動疲勞自由基以及具有抗氧化應激能力的蛋白質和核酸的量化沒有統一的標準，這可能與運動能力有很大的關系，也是導致實驗樣本量少的原因。目前通過營養基因組學探索生物活性化合物對個體基因表達譜的影響是研究Nrf2信號通路的新方法，活性物質作為誘導劑在信號通路中誘導酶蛋白的表達以達到清除有害物質的目的。

3.2 多酚調節能量水平

供機體攝取能量的物質主要包括ATP、磷酸肌酸、糖原、血糖以及脂肪等幾類[41]，疲勞的產生主要是由于能量不足導致，若未及時補充能量，加上有氧代謝不足以供給能量，此時無氧呼吸成為補充能量的重要途徑。AMPK是細胞能量穩態的主要調節因子，AMPK一旦被激活，就會刺激營養吸收和產生ATP的分解代謝途徑，同時抑制消耗ATP的合成代謝途徑，從而在能量缺乏的條件下幫助維持細胞能量平衡。由于運動會打破人體組織內環境平衡系統，使AMPK 的活性降低、線粒體損傷、ATP的消耗量增加、肝肌糖原的分解、體內Ca2+的釋放受阻和肌肉收縮水平降低等導致機體疲勞效應[42]。研究表明，茶多酚能夠為機體提供所需能量，及時補充運動消耗的能量，減少代謝物的積累，降低疲勞感[43]。

線粒體在抗運動疲勞中起著很大的作用，是細胞供能的主要場所，線粒體合成能力決定著運動水平，過氧化物酶體增殖物活化受體γ協同刺激因子1α（PGC-1α）是線粒體合成能量的主要調控因子，PGC-1α參與線粒體氧化代謝、肝糖原異生等過程[44]。AMPK 和沉默信息調節因子2相關酶1（Sirt1）參與線粒體能量調節，改善PGC-1α的活性，間接調控核呼吸因子1（Nrf1）的轉錄，上調線粒體轉錄因子A（TFAM）的表達，提高線粒體DNA和相關蛋白的表達能力。白藜蘆醇能夠刺激Sirt1和PGC-1α的蛋白表達，最終改善炎癥因子的積累量，產生抗氧化酶[45-46]，白藜蘆醇二聚體可逆轉AMPK通路抑制引起的線粒體損傷，減少成肌細胞凋亡[47]。葡萄籽花青素可以通過刺激AMPK信號通路，致使上下游因子肝臟激酶B1（LKB1）和鈣調素依賴蛋白激酶β（CaMKKβ）被激活，Sirt1和PGC-1α被AMPK激活，促進Sirt1和PGC-1α的蛋白表達，Nrf1是一種能夠促進CaMKKβ轉錄，激活AMPK的轉錄因子，葡萄籽花青素上調p-LKB1、Nrf1和CaMKKβ的蛋白水平，通過AMPK信號通路促進骨骼肌由快肌纖維型向慢肌纖維型轉變，有助于增強疲勞抵抗力[48]。分析蘆丁對小鼠體內PGC-1α和Sirt1的mRNA表達情況，結果表明蘆丁處理能夠增加PGC-1αmRNA和Sirt1 mRNA和蛋白的表達，進而增加線粒體的產能能力，增加疲勞耐受力[49]。

目前也有在大鼠穴位埋線以緩解疲勞的研究，此法可以減少代謝物的產生，增加能量供應，更好的調節機體的能量代謝水平，延緩疲勞的產生[50]，但報道的文獻較少。在能量代謝的研究中，利用網絡數據庫分析多酚作用靶點這一新型研究還沒有被運用到，檢測方法比較老舊、模型單一，建立定向能量代謝靶點延緩疲勞可能會成為研究多酚抗疲勞機制的新方法。

3.3 多酚調節底物消耗或代謝積累

能量底物的耗竭和代謝副產物的積累會導致肌肉收縮期間的骨骼肌疲勞，機體內乳酸（BLA）、血清尿素氮（BUN）、丙二醛（MDA）、肌酸激酶（CK）、谷丙轉氨酶（ALT）、谷草轉氨酶（AST）的積累和糖原的消耗都會影響疲勞和運動表現力的下降[51]。BLA的積累會使H+濃度上升，降低肌肉的pH值，干擾ATP產能，阻礙磷酸化酶與磷酸果糖激酶的活性通路，因此降低糖原分解與糖酵解反應能力；BUN是機體內的蛋白質代謝生成氨導致；產生的CK若進入血液中，則表明肌肉拉傷已經發生；MDA、 ALT、AST等代謝物會損傷肌肉組織，導致機體能量供給不足[52]。

茶多酚能降低糖原合成酶激酶（GSK-3β）mRNA表達，增加糖原合成酶1（Gys1）的表達水平，茶多酚還能通過提高磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）和蛋白質激酶B（Akt）活性來抑制GSK-3β的mRNA表達，從而促進糖原的合成[53]。還能降低乳酸（BLA）和血清尿素氮（BUN）的含量[54]，降低腎功能損傷，使機體內超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽過氧化物酶（GSHPX）的活性增強，MDA減少，以及減少肌纖維和線粒體膜損傷。短梗五加多酚能降低丙二醛（MDA）、血清尿素氮（BUN）含量，降低谷丙轉氨酶（ALT）、谷草轉氨酶（AST）活性，還可以提高機體內SOD、過氧化氫酶（CAT）和GSH-Px的活性，增加血糖和肝糖原的含量，加快清除或延緩體內乳酸和血清尿素氮的積累，到達緩解疲勞的作用[55]。因此，及時清理機體內過剩的代謝產物對于恢復運動能力具有重要的作用，如何快速地清除以及控制體內多酚含量的適宜濃度，使實時監測的效果發揮作用，目前還沒有最新的研究方法。

3.4 多酚抑制炎癥

疲勞與炎癥因子過度激活有關，促炎因子白細胞介素1β（IL-1β）、白細胞介素6（IL-6）、腫瘤壞死因子α（TNF-α）的過度產生是引起疲勞的特征，核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB） 調控著許多基因的表達，在細胞的炎癥反應中起著關鍵性的作用，NF-κB途徑會促進炎癥因子的釋放，加速疲勞的產生[56]。

多酚類物質刺激AMPK抑制NF-κB，阻斷先天基因的轉錄免疫和炎癥相關因素，進而下調IL-6和單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1），上調基因MiR-125b和MiR-122抑制炎癥因子C反應蛋白（CRP）、IL-6和MCP-1的產生[57]。在大鼠力竭游泳實驗中，茶多酚干預組能夠降低促炎因子IL-1β和TNF-α的釋放量[58]，降低IL-1βmRNA的表達[59]。目前多酚通過抗炎緩解疲勞的研究較少，同時驗證體內體外促炎因子的基因、蛋白的表達方面的研究還很少；再者，驗證實驗局限大，臨床方面的多酚抗疲勞試驗還不夠成熟。

4 結論與展望

多酚類物質通過AMPK信號通路調節氧化應激、能量水平、底物代謝及炎癥反應產生抗疲勞效應。以上闡述表明，酚類化合物在抗運動疲勞技術領域具有巨大的應用潛力。對于刺激食品工業新產品如抗疲勞咀嚼片、抗疲勞餐粉及抗疲勞飲料等的發展，建立其可能的應用是有利的。

目前，在多酚抗疲勞機制的研究上雖有一定的進展，但仍有很多方面需要改進。a. 驗證實驗模型較單一，大多以動物為研究對象展開，如小鼠負重游泳、跑T臺實驗，存在實驗的連續性不強等缺點，缺乏有效的細胞評價方法，可以利用新興的細胞培養技術進行操作，檢測相應的指標。b. 實驗方法較陳舊，實驗周期較長、實操性強，可以通過構建多酚緩解疲勞調控網絡，篩選并分析核心基因，建立抗疲勞基因數據庫，通過檢索系統即可查閱相應多酚的抗疲勞基因；也可利用網絡藥理學的方法，利用相關藥理數據庫和分析平臺得到多酚類物質的抗疲勞的相關作用靶點，由基因數據庫中查詢多酚類物質緩解疲勞相關靶點，再通過虛擬平臺建立成分-疲勞-靶點網絡，再利用相關數據庫對靶點進行分析，也可得到多酚類物質抗疲勞的相關機制。c. 多酚類物質成分分布廣泛，各成分之間的分子質量、結構及空間構型有較大差異，目前的研究多是量效關系，在構效關系方面的研究還未見報道，在研究多酚抗疲勞機制時，需結合不同成分之間的分子量及結構進行分析。