全身超低温冷冻治疗的生理学效应及其在运动领域的应用

杨贤罡，刘阳

●运动人体科学●

全身超低温冷冻治疗的生理学效应及其在运动领域的应用

杨贤罡，刘阳

超低温冷冻治疗在运动领域主要用于加速运动后的恢复和促进损伤后的康复。尽管超低温冷冻治疗在竞技体育领域进行了较多的实践应用，但现有研究在其对包括血液、抗氧化、免疫、心血管、内分泌和骨骼肌等诸多系统在内的生理学效应证据均表现为证据不足或缺乏证据。除了进一步积累充足的研究证据之外，实践应用方面仍需要重视常规冷疗手段所带来的生理和临床效果。

全身超级温冷冻治疗；肌肉损伤；功能恢复；抗炎症反应

20世纪70年代日本的Toshiro Yamauchi教授提出将全身置于超低温度下的治疗手段，创建了第一个冷冻室并成功应用于风湿症的治疗。将全身暴露于特制的温度可控的冷冻室中，温度保持在-110至-140℃，这种治疗被称为全身冷冻疗法（Whole-Body Cryotherapy，WBC）。WBC主要缓解疼痛和抗炎症反应，临床主要用于风湿性关节炎、慢性肌肉疼痛和强制性脊柱炎的治疗。在运动医学领域，冷疗手段（如冰水浴、局部冰敷等）被普遍应用于疼痛、炎症、损伤和过度使用等综合症的治疗中。基于WBC的生理作用及潜在益处可能有利于运动员的运动表现，近年来国外开始将WBC应用于竞技体育领域［1］，并取得了广泛的社会效应。本文就WBC对机体的生理影响和实践应用进行综述，主要选择针对普通健康人群和专业运动员的实验研究，排除局部冷疗对机体影响和WBC对疾病患者影响的相关报道。

1 WBC对不同系统的生理学影响

1.1 血液系统

此类研究最初的目的为了评估WBC能否促进骨髓的造血机能，从而被用作一种类似血液兴奋剂的禁用手段。运动员在接受短期WBC治疗后的RBC、Hb、HCT、MCV和MCHC均显著下降，但是这种下降是短暂性的，1周后可恢复至甚至超过基础值［1-2］。上述研究中的运动员在接受WBC的同时进行训练，血液学参数的变化是由于训练、WBC或是两者共同作用的结果，需要进一步研究？普通受试者与运动员类似，在接受长期WBC治疗后的RBC，Hb和HCT均显著降低［4］。WBC并不能加速红细胞的成熟或促进血红蛋白的生成，相反血红蛋白的合成呈现下降趋势。但是田径运动员在高强度训练后4h接受急性WBC后，RBC和MCHC均显著升高，且红细胞分布宽度变异系数显著下降，Hb呈上升趋势但不显著［3］，提示急性WBC可能有助于提高血液机能。

WBC有助于减少红细胞溶解。剧烈运动中通常伴随红细胞溶解的增加，导致Hb下降，出现运动性贫血。触珠蛋白是一种阻断破坏的红细胞释放游离血红蛋白的蛋白质，它的增加与红细胞溶解减少有关。运动员进行短期WBC治疗后的触珠蛋白显著升高，平均球形红细胞容积亦增加，而平均红细胞容积和平均球形红细胞容积下降，证实了红细胞溶解的减少［7］。

1.2 促/抗氧化系统

普通受试者接受接受单次WBC后氧自由基产生的增加可能是由于肌肉颤抖或冷应激导致儿茶酚胺释放使氧化作用增强，并产生一定程度的氧化应激反应，且抗氧化机制主要由过氧化物酶主导［9］。长期WBC并不能导致累计效应，相反能产生抗氧化水平的适应性改变［1］。相似的情况发生在运动员中，波兰男子赛艇奥运会级别运动员进行正常训练第6天和第10天后血浆和红细胞中的CD水平，SOD和GPx活性均升高，由于运动导致脂质过氧化作用增强和代谢速率不同，TBARS也出现增加。训练同时进行WBC后仅GPx活性显著增加，与未进行WBC治疗组相比较，血浆和红细胞中CD相对减少，TBARS相对增加，SOD活性6天后降低47%，GPx在10天后下降超过50%。WBC导致较低的抗氧化酶活性和较低浓度的脂质过氧化分子，表明氧自由基产生下降［9］。女子赛艇运动员在正常训练同时接受WBC，6天后红细胞中的SOD和GPx活性，血浆和红细胞的CD水平和血浆中的TBARS水平低于未接受治疗者，WBC刺激改善剧烈运动下器官的抗氧化能力，可能与适应性稳态调节机制有关［12］。赛艇训练前进行WBC可导致细胞产生适应性改变，保护器官免受抗/促氧化平衡紊乱的破坏，长期WBC导致机体产生适应，保证剧烈训练过程中抗/促氧化反应体系的平衡。

1.3 免疫系统

田径运动员在高强度训练后4h接受单次急性WBC后，白细胞数目显著升高，其中淋巴细胞显著升高，而中性粒细胞显著下降［3］。女性受试者在长期WBC后的血浆白介素-1β（IL-1β），IL-6和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）无变化［1］。运动员接受短期WBC后IgG，IgM和IgA稍有升高，而CRP有所降低，淋巴细胞和单核细胞计数不变［14］。运动员接受长期WBC后IL-1β无变化。WBC对免疫系统似乎并无抑制作用，是否上述观察所持续的时间太短而不足以评价淋巴细胞数量和功能的改变，WBC对免疫系统的影响可能依赖于核心温度下降和暴露时间之间的关系，值得进一步研究讨论。

抑制炎症反应被认为是WBC的主要功效。WBC能够有效减少炎症反应可能是通过使肌肉内血管收缩，减弱促炎性细胞因子的活动和增强抗炎性细胞因子的活动来实现。运动员接受WBC后，IL-10升高，而IL-2和IL-8降低。更进一步得是，细胞间粘附因子-1（ICAM-1）和前列腺素E2（PGE2）的降低证实了WBC具有抗炎性保护作用［14］。Pournot比较了男性耐力性运动员在运动后采用被动恢复或WBC后炎症反应的差别，与被动恢复相比较，WBC后1h的IL-1β和24h的CRP水平下降，而1h后的IL-1ra升高，同时TNF-α，IL-10和IL-6保持不变［24］。

溶酶体酶涉及损伤肌纤维蛋白的水解，肌肉活动增加造成组织受损时导致血液中酶水平升高，单核细胞和巨噬细胞释放酶增加。普通男性进行单次WBC后酸性磷酸酶（AcP），芳香基磷酸酯酶（ASA）和组织蛋白酶D（CTS-D）无显著变化，提示WBC对溶酶体膜无损伤，不会导致溶酶体酶的释放。运动员正常训练过程中接受WBC6天后的AcP，ASA和CTS-D均显著低于单纯训练组［16］，提示WBC有助于稳定溶酶体膜，训练前进行WBC可通过稳定溶酶体膜来缓解运动应激。

1.4 心血管系统

青年男性舒张压仅在首次WBC后即刻显著升高，而收缩压、脉搏压和平均动脉压在每次WBC后即刻均显著升高且伴有心律下降［1］。女性受试者接受急性WBC导致RR间隔的高频功率升高，提示心肌副交感神经调节功能增强，但3个月WBC后静息RR间隔的低频功率升高，这与运动训练中所观察到的现象相似，副交感神经增强减弱可能来自于自主神经功能适应的结果［17］。但Bonomi的研究未观察到成年受试者在WBC前、后的收缩压，舒张压和心率出现显著变化［26］。

肌钙蛋白I和高敏感性C反应蛋白（hsCRP）是与心肌组织受损、坏死和组织修复有关，氨基末端B型利钠肽前体（NT-proBNP）反映心力衰竭和心室做功能力的下降。运动员正常训练过程中进行WBC后肌钙蛋白I和hsCRP无变化，提示WBC未造成心脏损伤。由于NT-proBNP在高强度训练周期后显著升高，且WBC后的NT-proBNP水平显著低于运动员进行高强度训练后的水平，提示WBC可抑制NT-proBNP水平升高［18］。

因此，WBC似乎无损于健康人群和运动员的心血管功能，但仍推荐在治疗过程中给予全程监护。由于WBC会造成收缩压升高，因此不推荐将其应用于病情较重或处于药物控制期的高血压患者。

1.5 内分泌系统

不同性别普通受试者在接受单次或长期WBC后，包括生长激素，促甲状腺素，催乳素，游离甲状腺激素，促肾上腺皮质激素，皮质醇和肾上腺素在内的多项激素水平均无显著变化，而去甲肾上腺素在每次WBC后升高2-3倍［16］。WBC不刺激垂体-肾上腺皮质轴，而唯一对去甲肾上腺素的刺激作用可能与缓解疼痛有关。

优秀足球运动员接受长期WBC后的睾酮和雌二醇显著降低，而硫酸脱氢表雄酮和黄体化激素无变化，原因可能与WBC导致雌激素合成过程的关键酶——芳香化酶的活性降低，使睾酮和雄烯二酮向雌二醇的转化减少［19］。赛艇运动员训练6天后皮质醇升高23%，10天后仍维持在这一水平，而进行WBC后皮质醇变化不显著［16］。但单次WBC导致高校足球运动员重复冲刺训练后恢复期期的睾酮水平显著高于对照组［8］。目前尚不能从有限的研究结果中总结出WBC对于内分泌系统的调节作用。

1.6 运动能力

普通男性接受单次WBC治疗后CK水平显著下降了30%［16］。赛艇运动员在正常训练过程中CK均显著高于训练前水平，但进行6天的WBC后CK水平较单纯训练者显著降低了34%［16］。橄榄球运动员经短期WBC后，且该过程中未改变训练计划或负荷，CK和乳酸脱氢酶显著降低［14］，提示WBC能减少运动导致过氧化反应引起的细胞膜破坏及通透性增强，有助于促进损伤肌肉的快速恢复。WBC导致肌肉相关酶下降的机制可能与甲状腺反应有关，降低线粒体对磷酸原供能物质和CK的敏感性，从而影响CK总的代谢。另外，前述细胞膜稳定性的提高也有助于解释这一现象。

积极运动的健康青年受试者在多次WBC后的有氧运动能力没有变化，但仅男性受试者的最大相对无氧功显著增加［4］。WBC对膝伸肌最大主动等动收缩力量，最大输出功率和离心收缩后的肌肉疼痛感无影响［20］。单次WBC对高强度训练后的纵跳能力同样没有影响，WBC并不能改善高强度训练后短时间内肌肉功能的恢复［5］。

此外，受试者首次接受WBC治疗后跳深动作的腾空时间减少，但3个月治疗后这些变化消失，该适应现象伴随下肢肌肉共同收缩的减少。缩短过程中（腓肠肌拉伸和胫骨前肌缩短），主动肌（腓肠肌）的肌电信号在单次和重复治疗后均显著升高，对抗肌（胫骨前肌）的肌电信号在单次和重复治疗后均无显著变化。在伸长阶段，主动肌和被动肌的肌电信号在单次和重复治疗后均无显著变化［21］。提示神经肌肉功能可以适应长期WBC，且单次WBC不增加本体感受器损伤的风险［20］，能保证患者接受WBC后同时再进行运动疗法的康复疗效。

Hausswirth还比较了运动员在运动后接受WBC，远红外治疗和被动方式3种恢复模式之间的差异，虽然CK在3种模式之间无显著差异，但肌肉最大力量和自我感觉在第1次WBC（运动后1h）后即得到恢复，远红外治疗需要24h后才得以恢复，被动方式在48h内未得到完全恢复，提示WBC相比较远红外治疗和被动方式，在运动后48h内对运动导致的肌肉损伤恢复程度最佳［27］。但最新的一项研究结果发现，冷水浸泡对于运动后72h的反向纵跳能力的恢复动力学要优于WBC［6］。循证研究结果认为目前关于WBC减轻积极活动的青年男性运动后的主诉肌肉疼痛感和促进主观恢复的证据不足，而对于女性或者优秀运动员则缺乏证据［11］。

2 WBC的实践应用

急性冷暴露可能会诱发呼吸系统发生哮喘，过度通气和支气管狭窄等不良反应。最大呼气峰流速值在接受WBC第4周和第12周后分别显著下降了5.1%和3.2%［23］，提示WBC导致了轻度的支气管狭窄，因此对易感人群的使用还需要谨慎对待。同时WBC会造成血压的升高。国外现有研究中WBC方案被安排在训练课前进行，但WBC可使痛疼感减轻，使原先的损伤被掩盖，机体失去防御，不容被运动员所忽视从而加重伤病。作为一种极低温度的刺激，为确保WBC的安全性，推荐流程见图1，同时现有研究中WBC应用详细方案见表1。

图1 全身冷冻治疗流程

表1 部分研究针对优秀运动员使用的WBC方案汇总

3 总结

目前，WBC对健康人群和运动员影响的研究数量还较少，现有研究主要来自于德国、俄罗斯和波兰等国家。与健康受人群相比较，WBC对运动员并未产生不同的影响，且无异常变化。WBC能够有效抑制炎症反应，稳定细胞膜，调节促/抗氧化系统平衡。对于运动员可以减少红细胞溶解和促进肌肉损伤的恢复。然而，WBC加速肌肉损伤恢复的效果需要深入研究，离心收缩后24h进行WBC对缓解肌肉痛疼和促进肌肉力量恢复无效［20］。WBC导致体表温度的下降与受试者的性别、体脂百分比和BMI存在关联［25］。WBC导致红细胞膜上脂质代谢的显著变化需要进行12次治疗后出现［22］。因此，受试者的选择，治疗周期，治疗时间和治疗频率的标准化将有助于提高不同研究间的可比性。目前不同研究中的治疗方案虽然较相似，但是针对运动员，需要进一步标准化治疗方案，将有助于减少各研究结果间的不一致。关于运动训练领域对冷疗手段会减少关节活动度［10］和降低神经肌肉调节能力［13］的顾虑，针对WBC的广泛而深入的研究不仅有助于更好地实践应用，还对于反兴奋剂检测工作具有指导意义。如果WBC导致血液学指标和内分泌指标的变化超出世界反兴奋剂组织设定的范围，WBC甚至可能被划归为违禁手段而遭到禁用。

［1］Bleakley CM，Bieuzen F，Davison GW，et al.Whole-body cryotherapy：empirical evidence and theoretical perspectives［J］.Open Access J Sports Med，2014（5）.

［2］Banfi G，Krajewska M，Melegati G，et al.Effects of the whole body cryotherapy on haematological values in athletes［J］.Br J Sports Med，2008，42：558.

［3］王世涛，史东林，杨贤罡.急性全身超低温冷冻实验对运动员血液学参数的影响［J］.东北师大学报（自然科学版），2013（4）.

［4］Klimek AT，Lubkowska A，Szygula Z，et al.Influence of the ten sessions of the whole body cryostimulation on aerobic and anaerobic capacity［J］.Int J Occup Med Environ Health，2010（2）.

［5］Vieira A，Bottaro M，Ferreira-Junior JB，et al.Does whole-body cryotherapy improve vertical jump recovery following a high-intensity exercise bout?［J］.Open Access J Sports Med，2015（6）.

［6］Aba?dia AE，Lamblin J，Delecroix B，et al.Recovery From Exercise-Induced Muscle Damage：Cold Water Immersion Versus Whole BodyCryotherapy［J］.Int J Sports Physiol Perform，2016.

［7］Banfi G，Melegati G，Barassi A，et al.Beneficial effects of wholebody cryotherapy on sport hemolysis［J］.J Hum Sport Exerc，2009.

［8］Russell M，Birch J，Love T，et al.The effects of a single whole body cryotherapy exposure on physiological，performance and perceptual responses of professional academy soccer players following repeated sprint exercise［J］.J Strength Cond Res，2016（2）.

［9］Wozniak A，Wozniak B，DrewaG，et al.The effect of whole-body cryostimulation on the prooxidant-antioxidant balance in blood of elite kayakers after training［J］.Eur J Appl Physiol，2007（7）.

［10］De Nardi M，La Torre A，Benis R，et al.Acute effects of whole-body cryotherapy on sit-and-reach amplitude in women and men［J］.Cryobiology，2015（3）.

［11］Costello JT，Baker PR，Minett GM，et al.Whole-body cryotherapy（extreme cold air exposure）for preventing and treating muscle soreness after exercise in adults［J］.Cochrane Database Syst Rev，2015（9）.

［12］Mila-Kierzenkowska C，Wozniak A，Wozniak B，et al.Whole-body cryostimulation in kayaker women：a study of the effect of cryogenic temperatures on oxidative stress after the exercise［J］.J Sports Med Phys Fitness，2009（2）.

［13］Ferreira-Junior JB，Vieira CA，Soares SR，et al.Effects of a single whole body cryotherapy（-110°C）bout on neuromuscular performance of the elbow flexors during isokinetic exercise［J］.Int J Sports Med，2014（14）.

［14］Banfi G，Melegati G，Barassi A，et al.Effects of whole-body cryotherapy on serum mediators of inflammation and serum muscle enzymes in athletes［J］.J Thermal Biol，2009.

［15］Walsh NP，Whitham M.Exercising in environmental extremes：a greater threat to immune function［J］.Sports Med，2006.

［16］Wozniak A，Wozniak B，Drewa G，et al.The effect of wholebody cryostimulation on lysosomal enzyme activity in kayakers during training［J］.Eur J Appl Physiol，2007.

［17］Westerlund T，Uusitalo A，Smolander J，et al.Heart rate variability in women exposed to very cold air（-110℃）during whole-body cryotherapy［J］.J Thermal Biol，2006.

［18］Banfi G，Melegati G，Barassi A，et al.Effects of the wholebody cryotherapy on NTproBNP，hsCRP and troponin I in athletes［J］.J Sci Med Sport，2009（6）.

［19］Korzonek-Szlacheta I，Wielkoszynski T，Stanek A，et al.Influence of whole body cryotherapy on the levels of some hormones in professional footballers［J］.Pol J Endocrinol，2007（1）.

［20］Costello JT，Algar LA，Donnelly AE.Effects of whole-body cryotherapy（-110℃）on proprioception and indices of muscle damage［J］. Scand J Med Sci Sports，2011（2）.

［21］Westerlund T，Oksa J，Smolander J，et al.Neuromuscular adaptation after repeated exposure to whole-body cryotherapy（à110 degrees C）［J］.J Therm Biol，2009（5）.

［22］Kepinska M，Gdula-Argasinska J，Dabrowski Z，et al.Fatty acids composition in erythrocyte membranes of athletes after one and after a series of whole body cryostimulation sessions［J］.Cryobiology. 2016，18.pii：S0011-2240（16）30435-7.

［23］Smolander J，Westerlund T，Uusitalo A，et al.Lung function after acute and repeated exposures to extremely cold air（-110 degrees C）during whole-body cryotherapy［J］.Clin Physiol Funct Imaging，2006.

［24］Pournot H，Bieuzen F，Louis J，et al.Time-course of changes in inflammatory response after whole-body cryotherapy multi exposures following severe exercise［J］.PLoS One，2011（7）.

［25］Hammond LE，Cuttell S，Nunley P，et al.Anthropometric characteristics and sex influence magnitude of skin cooling following exposure to whole body cryotherapy［J］.Biomed Res Int，2014.

［26］Bonomi FG，Nardi M De，Fappani A，et al.Impact of different treatment of whole-body cryotherapy on circulatory parameters［J］.Arch Immunol Ther Exp（Warsz），2012（2）.

［27］Hausswirth C，Louis J，Bieuzen F，et al.Effects of whole-body cryotherapy vs.far-infrared vs.passive modalities on recovery from exercise-induced muscle damage in highly-trained runners［J］. PLoS One，2011（12）.

Physiological Effects of Whole Body Cryopreservation and Its Application in Sports

YANG Xiangang，LIU Yang

Whole-body cryotherapy is purported to accelerate the recovery after exercise and promote rehabilitation after post-injury.Although the applications of Whole-body cryotherapy gradually become worldwide.However,the evidence of the existing studies on haematological parameters,antioxidant,immune system,cardiovascular,endocrine and skeletal muscle system is insufficient.In addition to further accumulation of sufficient evidence,practice still need to bring attention to the conventional physiological methods and clinical effect of cryotherapy

whole-body cryotherapy；functional recovery；muscle injury；anti-inflammatory response

R493

A

1003-983X（2017）01-0039-04

2016-11-03

2016年河北省科技项目（16275703D）

杨贤罡（1984-），男，安徽安庆人，博士，副研究员，研究方向：运动生物化学.

河北省体育科学研究所，河北石家庄050011

SportsScienceInstituteinHebeiProvince，Shijiazhuang Hebei ,050011