有氧運動對肥胖青少年左心室射血分數的急性影響

孫 朋，李世昌，陳祥和，趙常紅，于鳳至，王 靜，劉 欣，郭安靜

肥胖是誘發左心室重塑的重要危險因素（彭雪蓮 等，2019；吳慶 等，2019）。研究發現，肥胖青少年左心室的內徑、體積、厚度和質量均高于正常體重人群（Mangner et al.，2014）。左心室病理狀態的重塑能夠進一步引發左心室收縮功能障礙，并繼發性地引起心血管系統相關疾?。ǚ睹?等，2018）。研究發現，肥胖引起的心血管疾病的發病率和死亡率存在性別差異（Davel et al.，2018）。左心室射血分數（left ventricular ejection fraction，LⅤEF）是衡量左心室收縮功能的經典指標（劉修穎 等，2020）。無論在人體（Park et al.，2020）還是在動物實驗（Ⅴileigas et al.，2019）中，肥胖均能引起LⅤEF 降低，以及系列心血管疾病（Kurgansky et al.，2020；Mouton et al.，2020）。美國心臟協會（American Heart Association，AHA）報道，LⅤEF 降低是發生心衰、心肌梗死等疾病的高危險因素（Takada et al.，2020）。實驗和臨床研究表明，基礎狀態下LⅤEF 存在性別差異（Dewan et al.，2020；Gebhard et al.，2020；Rossello et al.，2020），且該差異隨著年齡的增長進一步擴大（Gebhard et al.，2017）。LⅤEF 性別間的差異，可能也是引起心血管疾病發生率和死亡率性別差異的重要因素（Gebhard et al.，2020），但目前尚不清楚LⅤEF性別差異的具體機制。

肥胖引起LⅤEF 降低的機制比較復雜，目前尚不完全清楚。研究認為，LⅤEF 受左心室前負荷［如左心室舒張末期容積（LⅤEDⅤ）］和后負荷［如總外周阻力（TPR）］的影響（Dahle et al.，2016），而肥胖是引起左心室負荷變化的重要因素（Mouton et al.， 2020）。研究認為，運動能夠改善左心室的收縮功能（Kondamudi et al.，2017），從而有效降低心血管疾病的發病率和死亡率（Green et al.，2017）。但是，目前有關運動引起LⅤEF 變化的研究結果尚存在一定爭議。Tucker 等（2019）發現，有氧運動能夠提高LⅤEF并伴隨LⅤEDⅤ的增加；Dubach 等（1997）則發現，有氧運動并未改變LⅤEF 和LⅤEDⅤ；Hambrecht 等（2000）研究報道，有氧運動能夠引起TPR 的顯著降低；但Dubach 等（1997）并未發現運動后機體TPR 的降低。此外，左心室收縮末容積（LⅤESⅤ）也是影響LⅤEF 的重要指標（Kerkhof et al.，2020），認為運動引起的LⅤESⅤ降低與LⅤEF 升高密切相關。但也有研究發現，運動并不能引起LⅤESⅤ的 變 化（Dubach et al.，1997）。綜 上，運 動 引 起LⅤEF、LⅤEDⅤ、TPR 和LⅤESⅤ等指標的變化，可能受到人群特征、運動模式、運動強度和持續時間的影響（Haykowsky et al.，2007）。研究普遍認為，中等強度的有氧運動是一種改變左心室重構和收縮功能安全有效的干預手段（Tucker et al.，2019）。但是，目前尚不清楚有氧運動是否會引起肥胖青少年LⅤEF 的急性變化，是否存在性別間的差異。因此，分析運動后肥胖青少年人群LⅤEF 的急性變化，有助于理解運動應激對肥胖青少年LⅤEF 影響的作用效果，并進一步揭示其可能機制。

基于上述分析，本研究擬通過對肥胖青少年進行45 min 中等強度的有氧運動干預，研究運動前、運動后30 min 和60 min 肥胖青少年左心室形態與功能、血流動力學和血清生化指標等的急性變化，試圖探討該變化是否存在性別差異，并進一步揭示引起該變化的可能機制。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

共招募70 名單純性肥胖青少年（BMI＞28）受試者，其中男37 人，（15±3）歲；女33 人，（16±3）歲。用Lipid Research Clinics Questionnaire（LRCQ）問卷對受試者的身體活動水平進行調查（Ainsworth et al.， 1993）。所有受試者 均 沒 有 吸 煙、高 血 壓（SBP＜140 mmHg，DBP＜90 mmHg）和心血管疾病史。為了減少雌激素對動脈僵硬度的影響，所有女性受試者均被要求在月經周期的卵泡早期接受測試（Ounis-Skali et al.，2006）。所有參與者均簽署實驗知情同意書，該研究得到華東師范大學人類倫理審查委員會批準。

1.2 實驗設計

所有受試者進行2 次生理和生化指標測試：第1 次測試的主要內容為安靜心率（HRrest）、最大攝氧量（O2max）和最大心率（HRmax），要求受試者完成健康調查問卷、身體活動能力調查問卷和實驗知情同意書等；第2 次測試的主要內容為有氧運動前后左心室形態與功能、血流動力學和血清生化指標等。2 次測試前24 h 內禁止中等強度以上的體力活動，并禁止飲酒和咖啡，所有受試者要求在餐后3 h 進行測試。為了避免時間節律對左心室功能產生影響，所有測試均被安排在每天15：00—20：00 進行（Sun et al.，2015，2016）。

1.3 有氧運動方案

所有受試者首先進行5 min 跑臺熱身，然后佩戴心率帶（Polar Electro，Woodbury，NY）進行70%心率儲備（HRR）的有氧運動，通過心率帶監控實時心率。運動目標心率（HRtarge）=（HRmax-HRrest）×70%＋HRrest。

1.4 身體形態指標的測量

用自動身高體質量測量儀（HGM-1700）測量受試者的身高和體質量，并利用公式計算受試者身體質量指數（body mass index，BMI）和體表面積（BSA）：BMI=體質量/身高2，BSA=0.006 1×身高＋0.012 4 ×體質量-0.009 9。

受試者 佩 戴Polar 心 率 帶（Polar Electro， Woodbury，NY， USA）記錄實時心率，K4b2心肺功能測定儀（Cosmed，Rome，Italy）分析受試者的代謝氣體，Bruce 跑臺模式測試受試者O2max（Bruce，1974），運動自覺量表（rating of perceived exertion， RPE）進行運動等級的評價（Noble et al.，1983）。同時出現以下2 個條件時，受試者即可停止運動，即時測得心率即為HRmax（McConnell，1988）：1）當按照Bruce 方案繼續增加運動負荷時，實時心率不再增加；2）當繼續增加運動負荷時，實時O2max不再繼續增加；3）當受試者不能繼續按照Bruce 方案進行運動；4）當呼吸商（RQ）＞1.1。

1.6 血流動力學指標的測量

受試者采取仰臥姿態，自動血壓測量儀（HEM-907 XL，Omron，Shimane，Japan）測量受試者右臂的肱動脈收縮壓（SBP）和舒張壓（DBP）。脈搏波分析儀（Millar Instruments，Houston，TX，USA）獲取右側橈動脈波形，并用肱動脈平均脈壓（MAP）和DBP 進行校正（Khera et al.，2005）。SphygmoCor 軟 件（SphygmoCor，AtCor Medical，Sydney，Australia）構建中央動脈脈搏波形（Dikaiou et al.，2020），并計算左心室收縮末期壓（ESP）。

1.7 左室形態及功能指標的測量

根據美國超聲心動圖學會（ASE）和歐洲協會心血管影像協會（EACⅤI）的建議（Nagueh et al.，2016），所有受試者均仰臥在測試床上，彩色多普勒超聲儀器（SSD-α10，Aloka，Tokyo，Japan）M 模式下，利用二維脈沖（PW）多普勒超聲技術，測量運動前后左心室的形態。1）操作時，探頭放于胸骨左緣3～4 肋間，掃描方向與右胸鎖關節至左乳頭連線相平行。用胸骨左緣左室長軸面方式測取左室LⅤEF 和左室重量（LⅤM）等指標。2）探頭置于心尖，探頭方向傾斜于心底部。用心尖左室長軸斷面二心腔方式測取左心室收縮末內徑（LⅤIS）、左心室舒張末內徑（LⅤ-ID）、左心室收縮末長軸面積（LⅤLAS）、左心室舒張末長軸面積（LⅤLAD）、左心室舒張末容積（LⅤEDⅤ）、左心室收縮末容積（LⅤESⅤ）和左心室每搏輸出量（LⅤSⅤ）等指標。

1.8 TPR的測量

受試者采取仰臥位，左手中指佩戴壓力傳感器，通過手指容積描 記 儀（Finometer，FMS，Amsterdam，Netherlands）實時檢測血流動力學變化。通過心電圖確認2 個相鄰R 峰作為1 個心動周期，記錄任何連續3 次或以上心跳，記錄心跳間期（IBI）和相應的SBP 在同一方向上的變化。記錄5 min 的測量數據，用WinCPRS 軟件計算各期回歸曲線的斜率，通過分析獲取TPR。

1.9 血清生化指標的檢測

血液樣本取自受試者前臂肘靜脈，全血3 000 rpm 離心10 min，分離血清，-80 ℃冰箱保存待分析。通過比色法，用全自動生化分析儀（Advia 2400，Siemens Healthineers，Erlangen，Germany）測定血清甘油三酯（TG）、總膽固醇（TC）、低密度脂蛋白（LDL-C）和高密度脂蛋白（HDL-C）的含量。采用放射免疫分析法（RIA 試劑盒，Cisbio Bioassays，Codolet，France），測量血清雌二醇（ER）的濃度。酶聯免疫法（ELISA 試劑盒）檢測血清一氧化氮（NO）（Human Nitric Oxide ELISA Kit，Cusabio，China）、脂聯素（APN）（Human Adiponectin ELISA Kit，Cusabio，China）和白介素-6（IL-6）（Human IL-6 ELISA Kit，DRG International，Inc.，USA）的濃度，酶標儀在450 nm 波長下測定吸光度（OD 值），通過標準曲線計算血清NO、APN 和IL-6 的含量。

1.10 統計分析

所有數據均用平均值±標準差（M±SD）表示，并采用SPSS 22.0 進行分析。獨立樣本t檢驗分析基礎狀態下性別間體征、生理和生化指標的差異；重復測量協方差分析法（ANCOⅤA）分析運動前、運動后30 min 和60 min（2 性別×3 時間點）相關指標的性別差異，O2max和基礎狀態的肱動脈SBP 作為協因素。當性別和時間交互影響存在顯著差異時，Bonferroni 法進行事后檢驗。P＜0.05 定義為存在統計學意義上的顯著性。

2 結果

分析受試者安靜狀態的身體特征和生理指標發現，年齡、BMI、HRrest和DBP 等指標均不存在性別差異。但是，男性的身高、體質量、O2max、HRmax、HRtarge、LⅤMI 和SBP 等指標均高于女性（P＜0.05，表1）。

表1 受試者安靜狀態體征及生理指標Table 1 Physical Signs and Physiological Indexes of Subjects in Quiet State M±SD

分析受試者安靜狀態下血清生化指標發現，甘油三酯（TG）、總膽固醇（TC）、IL-6HE 和APN 等指標均不存在性別差異；低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）、高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）、NO 和ER 等指標存在性別差異（P＜0.05，表2）。

表2 受試者基礎狀態血清生化指標Table 2 Biochemical Characterization of Serum on the Basal Condition of Subjects M±SD

分析有氧運動對左心室形態和功能指標的影響發現，相對于運動前水平，在運動后30 min LⅤEF（59.97±7.64 到64.00±7.02）和LⅤSⅤ（68.01±16.74 到76.85±18.35）顯著升高，LⅤESⅤ（50.63±19.97 到44.51±18.93）和LⅤIS（56.76±8.94 到53.32±9.84）顯著降低（P＜0.05，圖1A、圖1B、圖1D、圖1F）；左LⅤESⅤ和LⅤIS 從運動前到運動后30 min 和60 min 的變化，均不存在統計學意義上的顯著性差異（圖1C、圖1F）。

圖1 有氧運動對左心室形態指標的影響Figure 1. The Changes of Left Ventricular Morphological Parameters following Aerobic Exercise

進一步ANCOⅤA 發現，從運動前到運動后30 min 和60 min，LⅤEF、LⅤSⅤ、LⅤESⅤ、LⅤIS 和LⅤLAS 等指標在性別間均存在性別和時間交互作用下的顯著性差異（P＜0.05，表3），而LⅤEDⅤ、LⅤID、LⅤLAD 等指標該差異不具有顯著性（圖2）。

表3 重復測量協方差分析結果顯著性Table 3 The Repeated Measurement Covariance Analysis Results M±SD

對可能影響左心室收縮功能的相關負荷因素分析發現，從運動前到運動后30 min 和60 min，ESP 僅存在時間作用下的顯著性差異（P＜0.05），不存時間和性別交互作用下的顯著性差異（圖3A）；而TPR 的變化則存在時間和性別交互作用下的顯著性差異（男性：0.056 4±0.016 1，0.052 5±0.015 4，0.055 3±0.014 8；女性：0.067 9±0.025 3，0.058 2±0.010 3，0.067 6±0.019 2）（P＜0.05，圖3B）。

圖3 有氧運動對左心室負荷參數的影響Figure 3. The Changes of Left Ventricular Load Parameters following Aerobic Exercise

進一步對可能影響動脈功能的相關血液生化指標進行分析發現，從運動前到運動后30 min 和60 min，影響動脈舒張功能的血清NO 水平存在時間和性別交互作用上的顯著性差異（男性：8.71±3.40，10.14±4.29，9.50±3.35；女性 ：9.91±3.38，15.61±4.60，11.99±3.34）（P＜0.05，圖4C）；影響NO 表達的重要調控因子血清ER 水平也存在時間和性別交互作用上的顯著性差異（男性：53.74±10.87，53.83±11.03，53.80±9.38；女 性：122.61±36.50，135.29±40.07，124.92±40.43）（P＜0.05，圖4D）；與運動炎癥水平相關的IL-6 僅存在時間因素上的差異，在時間和性別交互作用上不存在顯著性差異（圖4A）；脂肪因子APN在時間和性別交互作用上不存在顯著性差異（圖4B）。

圖4 有氧運動對血液生化指標的影響Figure 4. The Changes of Blood Biochemical Indexes following Aerobic Exercise

3 討論

本研究通過對肥胖青少年進行急性有氧運動干預后發現，中等強度急性有氧運動能夠顯著提高肥胖青少年的LⅤEF，伴隨LⅤSⅤ的增加以及LⅤESⅤ和LⅤIS 的降低，并且該變化存在性別差異，主要表現為運動后30 min 女性LⅤEF 和LⅤSⅤ增加以及LⅤIS 和LⅤLAS 的降低程度顯著大于男性。進一步研究發現，運動后30 min 女性TPR降低程度大于男性，同時血清NO 和ER 增加程度也顯著高于男性。

肥胖能夠引起左心室重構和左心室收縮功能受損（Mangner et al.，2014；Park et al.，2020；Ⅴileigas et al.，2019）。研究發現，運動能夠改善心衰病人左心室的收縮功能（Kondamudi et al.，2017）。LⅤEF 是評價左心室收縮功能的經典指標（劉修穎 等，2020），但運動是否能夠提高肥胖人群的LⅤEF，進而改善左心室的收縮功能尚不清楚。本研究發現，一次中等強度有氧運動能夠顯著提高肥胖青少年LⅤEF，在運動停止60 min 后，LⅤEF 能夠逐漸恢復到運動前水平，說明中等強度有氧運動能夠引起肥胖青少年左心室收縮功能的應激變化。研究認為，LⅤEF與LⅤEDⅤ和LⅤESⅤ密切相關（Kosaraju et al.，2020）。研究進一步發現，在運動后30 min LⅤESⅤ顯著降低，而LⅤEDⅤ并沒有變化，提示，運動引起的LⅤEF 增加可能是通過LⅤESⅤ的降低引起的。本研究還發現，LⅤSⅤ在運動后30 min 顯著增加，同時LⅤIS 顯著降低，進一步支持了上述觀點。因此認為，有氧運動能夠引起肥胖青少年LⅤEF的急性升高，該變化主要通過降低運動后LⅤESⅤ而引起，LⅤEDⅤ并未影響運動后LⅤEF 的變化。

研究發現，肥胖引左心室功能的損傷存在性別差異（Khera et al.，2005），由肥胖引起的心血管疾病的發病率和死亡率也存在性別差異（Davel et al.，2018；Dikaiou et al.，2020）。但是，運動引起肥胖青少年LⅤEF 的變化是否也存在性別差異，尚不清楚。為了揭示運動引起肥胖青少年左心室收縮功能的急性變化是否也存在性別差異，本研究分析了運動后LⅤEF 在性別間的變化發現，有氧運動引起LⅤEF急性變化存在性別差異，主要表現為運動后30 min女性LⅤEF 急劇升高，而男性則相對平穩。此外，LⅤSⅤ、LⅤIS和LⅤLAS 等影響LEⅤF 相關指標的變化也存在性別差異，主要表現為女性LⅤSⅤ急劇增加以及LⅤIS 和LⅤLAS 的顯著降低。提示，有氧運動引起肥胖青少年LⅤEF 的變化存在性別差異，運動引起女性LⅤEF 急性升高的水平顯著高于男性，并且該差異主要由性別間LⅤESⅤ變化的差異引起。

ESP 與TPR 是影響LⅤESⅤ的重要因素（Bastos et al.，2000；Nguyen et al.，2020）。在正常生理范圍內ESP 的降低，能夠引起左心室后負荷的降低，使心肌具有更大的收縮水平，從而降低LⅤESⅤ。而TPR 的降低，則能夠降低左心室在收縮期間的壓力，提高心肌收縮的效率，最終也會引起LⅤESⅤ的降低。為了進一步揭示運動引起肥胖青少年LⅤESⅤ性別差異的具體原因，分析運動后ESP 與TPR在性別間的變化發現，運動能夠引起ESP 降低，但該變化并不存在性別差異。而運動引起的TRP 變化則存在時間和性別交互影響上的顯著性差異，主要表現為運動后30 min 女性TPR 急劇降低。提示，運動引起的TPR 在性別間變化的差異，可能是運動引起LⅤESⅤ變化性別間差異的主要因素。

動脈的舒張功能和順應性是決定TPR 的重要因素（孫朋 等， 2012）。研究認為，機體的炎癥水平能夠影響動脈的舒張功能（Mouton et al.，2020），而在肥胖個體中巨噬細胞會分泌大量促炎因子，增加機體的慢性炎癥水平（Khera et al.，2005）。此外，急性運動也會引起機體急性炎癥水平的升高（賀強 等，2016）。為了進一步驗證運動引起TPR 變化的性別差異是否由炎癥水平的差異引起，檢測受試者血清IL-6 的水平發現，急性運動能夠引起血清IL-6 的暫時性升高，但是該變化并不存在性別差異。此外，也有研究報道脂肪細胞分泌的APN 能夠通過AMPK-eNOS 信號對血管內皮細胞的分泌功能進行調控，從而改善動脈的舒張功能（于鳳至 等，2020）。Di Chiara等（2019）發現，血清APN 水平與LⅤEF 密切相關。本研究對受試者機體血清APN 水平檢測結果顯示，運動引起血清APN 水平的變化并不存在性別差異。提示，運動誘導的機體炎癥和APN 表達水平的變化并不是影響運動引起TPR 性別差異的相關因素。

NO 被認為是調控內皮功能的重要因素（高遠生，2017；劉偉 等，2017），對改善動脈舒張功能、降低動脈僵硬度和保護心臟具有重要作用（Meng et al.， 2019）。研究報道，有氧運動能夠提高血清NO 水平（張鵬程 等，2017；Kruse et al.，2018）。本研究發現，運動引起血清NO 水平的變化存在性別差異，特別是在運動后30 min，女性肥胖青少年血清NO 升高的幅度顯著大于男性。推斷運動后血清NO 水平的差異，可能是引起運動后TPR 變化性別間差異的主要因素。相關研究認為，ER 是調控NO 分泌的重要因子之一（王麗 等，2016；Bai et al.，2019），ER 通過與膜受體ERα 耦聯，進一步激活eNOS，進而上調內皮細胞分泌NO 的水平（Ozemek et al.，2020）。Hellsten 等（2019）發現，運動能夠提高機體血清ER 水平，并改善動脈的舒張功能。Seals 等（2019）也發現，運動后機體血清ER 和NO 水平均顯著增加。為了進一步驗證運動引起血清NO變化的性別差異是否由運動引起性別間ER 表達水平的差異所致，對受試者血清ER 水平進行檢測發現，運動引起血清ER 的變化存在顯著的性別差異，特別是在運動后30 min，女性血清ER 水平顯著升高，而男性相對平穩。因此認為，運動引起性別間血清ER 表達水平的差異，可能是運動引起血清NO 表達水平性別差異的主要因素。

4 結論

1）中等強度急性有氧運動能夠引起肥胖青少年左心室收縮功能的應激變化，主要表現為運動后LⅤEF 的急性增加。

2）運動引起肥胖青少年LⅤEF 的急性變化存在性別差異，主要表現為運動后女性LⅤEF 增加的幅度顯著大于男性。

3）有氧運動引起LⅤEF 急性變化性別間差異的主要機制：運動刺激引起肥胖青少年ER 分泌水平存在性別差異；不同濃度的ER 與內皮細胞膜上的ERα 受體耦聯，引起內皮細胞分泌NO 表達量的差異；不同濃度的NO 引起動脈舒張水平的差異；動脈舒張水平的差異引起TPR 的差異，直接導致LⅤESⅤ的差異，并最終表現為LⅤEF 性別間的差異。