HiHiLo对心功能的影响与ACE基因I/D多态性的关联研究

周多奇,龚 莉,胡 扬,李燕春,衣龙彦

HiHiLo对心功能的影响与ACE基因I/D多态性的关联研究

周多奇1,龚 莉1,胡 扬2,李燕春2,衣龙彦2

目的:探讨低氧训练对心脏结构与功能的影响及其与中国人群ACE基因I/D多态性之间的关联性。方法:76名中国北方平原地区汉族男子进行4周高住高练低训(HiHi-Lo),方案为每日在低氧环境(O2浓度为14.5%～14.8%)中休息10 h,每周进行3次75%O2max低氧训练(O2浓度为15.4%),其余时间在常氧下训练;HiHiLo前后测定左心室结构与功能相关指标;PCR分析受试者的ACE基因I/D多态性。结果:HiHiLo后心脏结构指标LVM、LVM I、IVSD和PWD都显著性增加(P<0.05);训练后安静时、各种负荷时和恢复时EDV、EF、SV、SV I和E/A显著性增加(P<0.05),HR、CO、CO I、Vmn和Vp显著性减小(P<0.05)。HiHiLo前各指标在ACE各基因型间无显著性差异(P>0.05);除50 W和150 W时HR外,其余心脏结构和功能指标训练后变化在各组间均未见显著性差异(P> 0.05)。结论:HiHiLo能使左心室结构和功能呈现良好的顺应性变化;ACE基因型与个体心功能对HiHiLo的敏感性无关。

ACE基因多态;耐力训练;左心室结构与功能

1 前言

高住高练低训(HiHiLo)通过让运动员居住在低氧环境下,并在低氧环境下进行适当较低强度运动和在常氧环境下进行高强度训练,从而提高运动员心肺功能,可以弥补HiLo对心肺功能刺激的相对不足[1]。已有少量研究探讨高住高练低训对运动员心功能的效果,发现HiHiLo可使受试者的左心室产生生理性肥厚,泵功能显著改善[2-4]。但运动员对HiHiLo的适应存在较大个体差异[14],并且人体对低氧环境的适应及在低氧环境下活动能力与相关低氧反应基因的多态性有关[5,12]。同时,研究发现,ACE基因插入/缺失(I/D)多态性与血浆及细胞中ACE活性有关,由于训练而导致的个体左心室肥大的适应性改变与ACE基因I/D多态性有关[16]。目前,有关HiHiLo对运动员心功能影响与ACE基因I/D多态性的关联研究未见报道。本研究通过4周HiHiLo训练,探讨中国北方平原地区汉族男子ACE基因I/D多态性与HiHiLo效果的关联性,并从中筛选HiHiLo对左心室结构和功能影响效果的分子标记,以期为我国运动员制定个体特异性的HiHiLo运动方案提供参考。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

选取76名中国北方汉族平原地区健康男性受试者,来自北京体育大学体育系和运动系,平均年龄21.09± 1.25岁,身高178.12±5.30 cm,体重69.56±9.04 kg。受试者对实验均知情同意,无低氧环境居住史。

2.2 低氧训练方案

HiHiLo方案:低氧睡眠+低氧训练+常氧专项训练,共4周,其中,低氧睡眠7d/周,每晚至少10h(晚21∶00～次日晨7∶00),氧浓度为14.8%～14.3%(模拟海拔约2 800～3 000 m);低氧训练3次/周,方式为常压低氧环境(氧气浓度为15.4%～14.8%,模拟海拔约2 500～2 800 m)蹬功率自行车30 min(60 rpm),以个体75%O2max强度为基础,运动过程中调节功率车负荷使受试者SpO2维持在87%～93%。其余时间在常氧环境下根据受试者的运动项目进行专项训练。低氧环境由国产低氧发生设备提供。

2.3 左心室结构和功能的测定

采用Dopp ler超声心动图仪分别在HiHiLo前后测定1次。每次测试前受试者至少休息24 h,测试图像在仰卧、静息5 min后获取。测试指标有左心室舒张末内径(EDD)、左心室收缩末内径(ESD)、左心室舒张末后壁厚度(PWD)、舒张末室间隔厚度(IVSD)、左心室心肌重量(LVM)和左心室心肌重量指数(LVM I)、心率(HR)、每搏输出量(SV)、每搏输出量指数(SI)、心输出量(CO)、心指数(CI)、射血分数(EF)、舒张早期和晚期血流峰值流速比值E/A、左心室流出道血流平均速度(Vmn)和左心室流出道血流峰值流速(Vp)。

SV、EF的测算参照改良Simpson法[7,10]。计算公式如下:CO(L·min-1)=SV×HR;LVM(g)=1.04×[(EDD+ PWD+IVSD)3-EDD3]-14;体表面积(BSA)=0.006×身高(cm)+0.0128×体重(kg)-0.152;CI=CO/BSA;SI =SV/BSA;LVM I=LVM/BSA。

2.4 ACE基因I/D多态性分析方法

用Promega试剂盒提取全血DNA。引物序列参考Rigat等[18]的方法由上海生工生物工程有限公司合成。上引物:CTG GAG ACC ACT CCATC CTT TCT-3;下引物: GAT GTG GCC ATC ACA TTC GTC A。20μL PCR反应体系包括:10×buffer 2μL,2.5 mM dNTP 2μL,2.5 mM MgCl22μL,上下游引物各1μL(10 pmol),Taq酶1U,模板DNA 1μL。各种药品均为TAKARA产品。扩增方案是: 1)94℃预变性5 min;2)30个循环:94℃变性40 s,50℃退火40 s,72℃延伸40 s;3)最后72℃延伸5 min。在每次扩增时做一个空白对照。PCR扩增在Gene Amp 2700进行(Perkin Elmer Cetus,Norwalk,CT)。5μL扩增产物上样, 2%琼脂糖电泳,100 V电压,45 min。

2.5 统计处理

采用SPSS 11.5统计软件处理数据。采用X2检验分析受试者基因型频率是否符合H-W平衡定律;K-S检验训练前、后生理指标数据是否符合正态分布;各基因型训练前、后指标的变化采用配对t检验;基因型之间训练前及训练后变化率的指标差异采用ANOVA的Post Hoc检验。所有数值为±SE,检验显著性水平定为P<0.05。

3 结果

中国北方平原汉族人群ACE基因分布特征为:II(33人,43.4%)、ID(37人,48.7%)和DD(6人,7.9%)。3种基因型分布经卡方检验(X2=0.993,P>0.05)符合Hardy-weinberg遗传平衡定律,具有群体代表性。

3.1 HiHiLo对心脏结构和功能的影响

HiHiLo后心脏结构显著改善,心肌质量LVM和心肌质量指数LVM I极显著增加(P<0.01),室间隔厚度IVSD和室壁厚度PWD都显著增加(P<0.05);ESD和EDD虽有增加,但未达到显著性(P>0.05,表1)。

表1 HiHiLo前、后的心脏结构指标一览表Table 1 Parameters of Cardiac Structure beforeand after the HiHiLo

表2显示,训练后安静时EDV、EF、SV和SV I显著性增加(P<0.05);HR、CO、COI、E和A显著性减小(P< 0.05)。训练后定量负荷运动时EDV、EF、SV、SV I和E/A显著性增加(P<0.05);HR、CO、COI、E、A、Vmn和Vp显著性减小(P<0.05)。训练后恢复时EDV、SV、SV I和E/ A显著性增加(P<0.05);HR、CO、COI、E、A、Vmn和Vp显著性减小(P<0.05);EF虽有增加,但不显著。

表2 HiHiLo前、后各种负荷状态下的心脏功能指标一览表Table 2 Parameters of Cardiac Function at Different Loads beforeand after the HiHiLo

3.2 HiHiLo对心脏结构和功能的影响与ACE基因I/D多态性的关系

以基因型分组,训练前心脏结构和功能在各组间没有显著性差异(P>0.05)。训练后各组心脏结构指标变化率没有显著性差异(P>0.05);训练后心功能除50W时HR、150W时HR变化率在基因型间有显著性差异外,其余各指标在各组间均未见显著性差异(P>0.05,表略)。

4 分析与讨论

4.1 HiHiLo对心脏结构和功能的影响

本研究发现,4周的HiHiLo使左心室结构有明显变化,LVM、LVM I、IVSD和PWD的显著增加说明心肌肥厚,重量增加。训练后安静时EDV、EF、SV和SV I显著性增加(P<0.05);HR、CO、和COI显著性减小。EDV增加,说明心脏舒张充分;作为心脏工作效率标志的SV、EF和FS,其增大反映左心室收缩能力增强,出现了功能顺应性变化。训练后CO和CO I显著性减小,表明血液运输氧和肌肉利用氧的能力增强,心肌出现了节省化;HR的减小是因为CO的减小和EF、SV的增大所致,也说明左心功能增强。这与一些研究结果相一致。李俊涛等对7名国家女子中长跑运动员进行4周的高HiHiLo后发现,LVM、LVM I、IVSD和PWD在训练后均显著增加[4]。吉洪书等对48名受试者进行4周的HiHiLo,结果发现,训练后受试者的LVM和LVM I分别增加了2.87%(P=0.009)和3.59% (P=0.002);SV和SV I分别增加了1.99%(P=0.001)和2.71%(P=0.000),受试者的左心室除产生了生理性肥厚外,其泵功能也显著改善心肌耗能趋向节约化[2]。

本研究同时发现,训练后定量负荷运动时EDV、EF、SV、SV I和E/A显著性增加。EF、SV、SV I增加,说明左心收缩能力增强;EDV和E/A增加,说明心脏舒张功能增强,E/A是判定左心室舒张功能的综合指标,表明左心室舒张主动松弛和被动充盈二者维持较好的平衡,反映出受试者左心室的舒张功能的顺应性变化。训练后定量负荷运动时CO、CO I、E、A、Vmn和Vp显著性减小,说明个体在完成相同负荷工作时心脏出现机能节省化。训练后恢复时EDV、SV、SV I和E/A显著性增加,HR、CO、CO I、E、A、Vmn和Vp显著性减小,表明训练后个体心脏的收缩和舒张功能恢复变快。吉洪书等[3]对48名受试者进行Hi-HiLo,训练测量受试者心脏在递增负荷全过程中的心功能指标。结果发现,4周HiHiLo后受试者SV、SV I从安静到递增负荷运动,再到恢复的全过程中均有显著增加,但CO、COI、HR和ESV从安静到递增负荷运动,再到恢复的全过程中均显著减少。笔者认为,4周HiHiLo后受试者的左心室泵功能在递增负荷全过程中均有显著改善,与我们的研究结果相似。

心脏重量增加的一种解释是可能发生了心肌肥大。心肌肥大可能原因,一是分子生物学机制,初始应答基因(原癌基因等)和次级应答基因(心肌收缩蛋白基因M HC等)在转录水平的表达,最终发生心脏结构与功能的重塑[19]。研究发现,心脏后负荷的刺激能够促进心肌细胞发生肥大[6]。心脏重量增加的另一原因,可能是心肌组织中毛细血管密度增加,导致心肌组织中血液充盈。郑澜等研究发现,低氧及运动使心肌、骨骼肌组织中微血管密度增加,低氧训练对心肌组织微血管的影响优于常氧训练[11]。Vogt等发现,低氧可以导致HIF-1亚基mRNA表达上调,能活化VEGF基因的转录和增强VEGF mRNA的稳定性,促进血管新生,使毛细血管的密度增加,利于组织氧和营养成份的供给[15,20]。

4.2 HiHiLo对心脏结构和功能的影响与ACE基因I/D多态性的关系

图1 RAS系统生理作用示意图(引自Woods,2001)[21]Figure.1 The Physiological Functions of Renin-angiotensin System (RAS,cited f rom Woods,2001)[21]

ACE基因I/D多态位于16号内含子,I等位基因与较低的血清和组织ACE活性密切相关,较低的ACE一方面,通过调节缓激肽,调节血管紧张度,减少心脏后负荷,提高心输出量;提高骨骼肌和心肌对葡萄糖和氨基酸吸收,加强能量储存和利用;促进毛细血管等组织增生;另一方面,减少血管紧张素II的生成,调节激素和水盐平衡,从而提高机体在低氧环境下的有氧工作能力(图1)[21]。Montgomery等研究发现,由于军训而导致个体左心室肥大的适应性改变与ACE基因I/D多态关联[17];同时研究发现,ACE I基因型个体有利于保持低氧条件下高水平的动脉血氧饱和度[13,22],推测低氧对心功能的影响可能与ACE基因型有关。本研究首次探讨HiHiLo对心脏结构和功能的影响与中国人群ACE基因I/D多态性的关系,发现除50W和150W时HR变化率外,其余训练后心脏结构和功能指标均未见在基因型间有显著性差异,说明ACE基因I/D多态性与HiHiLo对心功能的影响可能不相关。这也许与种族、地域有关,席翼等研究发现,中国北方汉族人群ACE基因I/D多态性与欧美人群有极显著差异,II纯合型较高[8];杨贤罡等的研究也有相似的结论[9]。由于相关研究较少,相关机制还有待进一步研究。

5 结论

1.4周HiHiLo使室壁和间隔增厚,重量增加,心肌肥厚;使安静和各种定量负荷时左心室收缩和舒张功能增加,定量负荷时出现节省化,恢复加快,提示HiHiLo使递增负荷下左心室结构与功能呈现良好的顺应性变化。

2.HiHiLo对心脏结构与功能的影响可能与ACE基因I/D多态性不相关。

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Association between ACE Gene I/D Polymorphism and the Effects of L iving High-Exercise High-Training Low on the Cardiac Functions

ZHOU Duo-qi1,GONG Li1,HU Yang2,L I Yan-chun2,YILong-yan2

To exp lo re the association between Insertion/Deletion po lymo rphism of the angio tensin converting enzyme(ACE)gene and the effects of living high-exercise high-training Low (HiHiLo)on the cardiac structure and functions.76 healthy men of Han nationality in no rthern China underwent HiHiLo training fo r 4 weeks.Training p rogram was as follow s:exposure in hypoxic environment(14.5%～14.8%O2,10 h/day),three times hypoxic training per w eek(15.4%O2),and training at sea level.The structure and function of left ventricle w ere measured befo re and after the p rotocol,and the ACE gene I/D polymo rphism was detected by PCR.The findings indicated that LVM,LVM I,IVSD and PWD all increased significantly after training(P<0.05).The EDV,EF,SV,SV I and E/A were increased significantly at rest,all loads and recovery after training(P<0.05),but the HR,CO,CO I,Vmn and Vp w ere decreased significantly at rest,all loads and recovery after training(P<0.05).No significant differences were in all baseline index befo re HiHiLo among groups,and no significant differences were observed in other index after HiHiLo among groups excep t HR at 50 W load and 150 W load(P<0.01).The p resent study suggested that the structure and function of left ventricle were imp roved through HiHiLo.No association exists between ACE gene I/D polymo rphism and individual cardiac contracted functions response to HiHiLo.

ACE gene polym orphism;endurance training;structure and function of lef t ventric le

G804.7

A

1000-677X(2011)11-0052-04

2011-05-06;

2011-10-10

国家自然科学基金(30470834/C030314)和安徽省教育厅自然科学基金(KJ2008B94ZC)共同资助。

周多奇(1977-),男,安徽定远人,副教授,硕士,研究方向为运动分子生物学和低氧训练,Tel:(0556)5300054 (8008),E-mail:duoqizhou@163.com;胡扬(1958-),男,江苏扬州人,教授,博士研究生导师,研究方向为运动分子生物学和低氧训练,Tel:(010)62989208,E-mail: hyyr1@163.com。

1.安庆师范学院,安徽安庆246011;2.北京体育大学,北京100084

1.Anqing Teachers College,Anqing 246011,China; 2.Beijing Spo rt University,Beijing 100084,China.