不同跑台坡度对SD大鼠运动疲劳指标的影响

石鹤坤, 陈开杰, 林小凤, 禹 乐, 朱启淦, 费 燕

(解放军第175医院/厦门大学附属东南医院1. 药学科, 2. 病理科, 漳州 363000)

不同跑台坡度对SD大鼠运动疲劳指标的影响

石鹤坤1, 陈开杰1, 林小凤1, 禹 乐2, 朱启淦2, 费 燕1

(解放军第175医院/厦门大学附属东南医院1. 药学科, 2. 病理科, 漳州 363000)

目的探讨不同跑台坡度对大鼠运动疲劳指标的影响。方法32只SD大鼠随机分为对照组以及0°、-15°和15°跑台运动组，运动组大鼠每日按照方案进行跑台训练。大鼠经过6周训练结束后检测血清中葡萄糖(GLU)、尿素(BUN)、乳酸(LA)、肌酸激酶(CK)及血液中血红蛋白(HGB)、红细胞(RBC)，腓肠肌指数，对腓肠肌进行HE染色，并统计大鼠被电击次数。结果与对照组比较，不同跑台坡度对大鼠的血液代谢产物、能量物质及运动能力均有明显变化。其中，各运动组大鼠外周血中GLU、HGB与RBC较对照组显著降低(P＜0.01，P＜0.05)，腓肠肌指数显著增高(P＜0.01); 15°跑台与-15°跑台运动组血清中LA、BUN浓度及CK活性均显著增高(P＜0.01，P＜0.05)。与0°跑台运动组比较, 15°跑台与-15°跑台运动组大鼠被电击次数显著增多(P＜0.05)。HE染色结果显示, 运动后各组大鼠腓肠肌细胞有肿胀损伤的趋势。结论15°跑台坡度比-15°或0°跑台坡度复制大鼠运动疲劳模型较更佳。

运动疲劳模型; 跑台坡度; 运动能力; 大鼠

运动疲劳是近年来国内外运动医学领域专家关注的热点课题，建立与人体运动机能相同的运动疲劳模型有助于研究运动疲劳的发生机制，并探讨其如何快速消除疲劳、增强人体运动能力与健康维护。实验大鼠有高达98%基因与人类相似，是建立运动疲劳模型常用的研究对象，已有跑台运动大鼠模型的评价方法多为上坡跑台，对于下坡跑台较少研究[1]。由于不同坡度运动大鼠的跑姿、强度不同, 及时评估其对运动疲劳程度的影响具有重要意义。目前，在运动性疲劳实验中, 运动时间长短，运动姿势被用作反映运动耐力的行为学指标; 体液中乳酸(LA)、尿素氮(BUN)、肌酸激酶(CK)、血糖(GLU)含量等是判定疲劳常用的生化指标[2]。因此，本研究拟采用不同的跑台坡度对比运动疲劳指标的差异, 通过监测大鼠行为能力、代谢产物及能量物质, 客观评价不同跑台坡度对大鼠运动疲劳各指标的影响, 为运动疲劳动物模型相关研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验动物

清洁级雄性SD大鼠32只，8周龄，体质量220～240 g，购于上海斯莱克实验动物有限责任公司[SCXK(沪)2012-0002]。实验在解放军第175医院中心实验室进行[SYXK(军)2012-054]并获得解放军第175医院实验动物伦理委员会批准，按实验动物使用的3R原则给予人道关怀。

1.2 实验仪器及试剂

ZH-PT动物实验跑台，安徽正华生物仪器设备有限公司; ADVIA 2400全自动生化分析仪，德国西门子公司; LH750全自动血液分析仪，美国贝克曼库尔特公司; RM2245石蜡切片机及ASP300S全自动脱水机，德国徕卡生物有限公司; CX31显微镜，奥林巴斯有限公司; Pico-17离心机，美国赛默飞世尔公司; BS223S电子天平，德国赛多利斯集团公司等。LA试剂盒(批号: 332138), 购于英国朗道实验诊断有限公司; GLU试剂盒(批号: D1503113),BUN试剂盒(批号: D1503083)，CK试剂盒(批号:D1501133)均购于上海复星长征医学科学有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 大鼠分组及造模 根据体质量将大鼠随机分为4组，每组8只。各跑台坡度模型组大鼠在本实验室适应性饲养3 d后进行3 d的适应性跑台训练，每日2次，每次15～20 min，之后6周大鼠每日均以20 m/min的速度运动15 min, 休息1 min，继续运动15 min。跑台仪上设定光、声音与电刺激，刺激电压1.2 mA，记录电刺激次数，最后一次运动跑至力竭。判断力竭状态的标准为: 大鼠跑姿由蹬地式变为伏地式，滞留在跑道末端不能继续跑动，且光、声音与电刺激均不能驱使动物继续维持跑动[3]。

1.2.2 实验指标的测定 大鼠运动结束后30 min，采用乙醚麻醉，腹主动脉负压管采血促凝、EDTA抗凝各2 mL。促凝血置于离心机中以3 000 r/min离心10 min，取出血清，严格按试剂盒说明书测定大鼠血清中GLU、BUN、LA和CK的含量; EDTA抗凝血对血液中的血红蛋白(HGB)、红细胞(RBC)进行测定。脱臼处死大鼠，取其后肢腓肠肌精密称重，计算腓肠肌指数，腓肠肌指数的计算: 腓肠肌指数=[腓肠肌质量(mg)/体质量(g)][4]。将大鼠后肢腓肠肌置于质量分数4%甲醛溶液中固定24 h，放入自动脱水机中进行自动脱水、透明、浸蜡，石蜡包埋，取腓肠肌中1/3用切片机沿水平面切成5 μm薄片，进行HE染色。腓肠肌组织切片置于显微镜下进行图像采集。

1.3 统计学方法

所有测得实验数据以x- ± s表示, 应用SPSS16.0统计软件进行分析，均数间比较采用One-way ANOVA 检验，组间比较使用t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 血清GLU、BUN、LA、CK

如表1所示，与对照组比较，运动后不同跑台坡度运动大鼠的GLU均有显著降低(P＜0.01)，而BUN、LA均有显著升高(P＜0.01，P＜0.05), 说明疲劳造模成功。15°跑台大鼠血清中的BUN、LA升高更显著(P＜0.01)。与对照组比较, 不同跑台坡度运动大鼠血清中CK含量虽有升高，但只有15°跑台大鼠的CK含量有显著性差异(P＜0.05)。

表 1 不同坡度对运动大鼠血清GLU、BUN、LA、CK的影响Table 1 Effect of GLU, BUN, LA and CK in exercise rats with different slope

2.2 血液HGB、RBC

如表2所示, 经过6周强制运动后, 不同跑台坡度运动大鼠与对照组比较, HGB均有显著降低(P＜0.05);0°与15°跑台运动组的RBC降低(P＜0.05)。

2.3 大鼠体质量、腓肠肌质量及腓肠肌指数

如表3所示，跑台运动6周后，与对照组比较，不同跑台坡度运动大鼠腓肠肌质量与腓肠肌指数均显著增加(P＜0.01，P＜0.05)，但各跑台运动大鼠体质量下降没有统计学差异(P＞0.05)。

表 2 不同坡度对运动大鼠血液HGB、RBC的影响Table 2 Effect of HGB and RBC in exercise rats with different slope

表 3 不同坡度对运动大鼠体质量、腓肠肌质量及腓肠肌指数的影响Table 3 Effect of body, gastrocnemius muscle weight and index in exercise rats with different slope

2.4 大鼠被电击次数及行为活动状态观察

各运动组大鼠初期均活泼好动, 对光、声音及电刺激反应灵敏。运动至第3周后, 15°跑台与-15°跑台运动组大鼠，逐渐出现倦怠神情，双眼暗淡无光，对光、声音刺激反应迟钝, 运动20 min后,多只大鼠跑姿由开始时的蹬地跑变为半卧位跑，腹部与跑道时有接触，不能维持其跑台的速度, 并滞跑道后1/3处，对光、声音刺激驱赶无效，被电击次数明显增加。图1结果显示，0°跑台运动组大鼠电击次数的均数第1周为8.75次，随着运动时间的增加而减少，第6周减至1.38次。-15°跑台运动组大鼠电击次数的均数第1周为9.13次，第2周5.25次，第6周升至6.25次。15°跑台运动组大鼠电击次数的均数第1周为10.50次，第2周降为7.50次，随后逐渐升至9.63次。

2.5 大鼠腓肠肌形态学分析

HE染色结果显示: 经过6周的跑台运动后，运动组大鼠与对照组比较，肌纤维有不同程度的肿胀(图2箭头所指), 出现圆形肌纤维, 边界处有炎性细胞聚集浸润, 以-15°跑台运动组较为严重(图2)。

图 1 不同跑台坡度大鼠平均被电击的次数Figure 1 The times of electric shock in the rats with different treadmill slope

图 2 大鼠后肢腓肠肌病理学观察(HE×200)Figure 2 Pathological observation of gastrocnemius muscle in posterior limb of rats

3 讨论

机体在进行高强度运动时肌肉最初消耗的是提供直接能量的肌糖原，随着运动时间的延长与强度的增加，进而大量消耗血糖以补充能量，当机体消耗血糖的速度高于肝糖原分解入血的速度时，可引起血糖降低，肌肉收缩能量物质不足而导致收缩能力降低，即出现运动疲劳[5]。大鼠经过6周的运动训练，不同跑台坡度运动大鼠的GLU均有显著降低(P＜0.01)。LA是糖酵解的代谢产物，运动训练时骨骼肌中LA的生成量与运动强度成正比，其大量堆积在体内可引发酸中毒，内环境的酸化可降低肌钙蛋白对Ca2+灵敏度，增加H+与Ca2+竞争结合至肌钙蛋白，干扰肌肉兴奋收缩偶联过程，并且可抑制磷酸果糖激酶(PFK)的活性，糖酵解的代谢过程被减慢或中止，导致肌肉酸痛和疲劳[6]。随着肌糖原与血糖浓度的进一步下降，氨基酸与蛋白质分解代谢加强，机体内BUN生成增多[7]。长时间持续高负荷的运动可致肌肉组织的损伤，肌细胞损伤可伴随多种酶的释放激活，其中, CK激活的量与肌肉运动负荷强度和运动持续时间呈正相关[8]。因此，GLU、LA、BU、CK均被认为是反映机体疲劳程度的重要指标。本实验结果表明，与对照组比较，不同跑台坡度运动大鼠血清中GLU浓度显著降低; LA、BUN浓度明显升高，不同跑台坡度运动大鼠变化趋势基本一致。15°跑台运动组高负荷运动使得LA、BUN、CK与0°和-15°跑台运动组相比有进一步的增长。

机体中血液的HGB、RBC常被用来判断过度疲劳与运动性贫血的指标，高强度耐力运动如跑步、游泳、自行车等易导致运动性贫血，使血液运输O2和CO2的能力及能量物质能力下降，从而影响机体的运动能力[9]。万发达等[10]研究表明，长时间递增负荷跑台运动可使大鼠机体HGB、RBC含量下降。本次实验结果显示: 15°跑台大鼠运动后HGB、RBC与对照组比较均有显著性差异(P＜0.01,P＜0.05)。分析认为，大鼠经过6周的上坡负荷训练运动后，疲劳连续积累，出现了运动性贫血表现与报道相符。图1结果提示，各组大鼠在第1周时，处于对跑台的适应阶段，电击次数普遍较高。15°跑台大鼠由于高负荷，从第3周开始，由于疲劳的累积，电击次数逐渐增加，运动至第6周，电击次数为运动训练3组中最高，平均达到9.63次, 与0°跑台模型大鼠比较(P＜0.05), 说明运动疲劳程度最高。-15°跑台大鼠虽然负荷较轻, 但与0°跑台大鼠比较电击次数亦显著升高(P＜0.05)，结合图2大鼠后肢腓肠肌HE染色的实验结果，分析认为，大鼠经过6周连续下坡运动后，引起肌肉或关节面的损伤而影响大鼠的运动能力。

大鼠长时间的跑台运动可增加肌肉蛋白质合成，使腿部的肌肉有明显的增加。Pasini等[4]研究表明，连续8周中等强度耐力运动可增加约38%的雄性大鼠股四头肌质量。本研究结果显示，连续6周以速度20 m/min，不同坡度的运动大鼠的腓肠肌重量与腓肠肌指数增加约增加20.0%，与对照组比较均有显著性差异。综上所述，与对照组比较，不同跑台坡度大鼠的外周血液中LA、BUN浓度以及CK活力显著性增高，GLU、HGB、RBC则显著低于对照组，说明大鼠已达到疲劳状态，运动疲劳模型建立成功。从运动大鼠代谢产物、能量物质、被电击次数、肌肉损伤及跑姿综合评价, 15°跑台运动更容易复制运动性疲劳模型。从电击次数、大鼠行为活动状态与腓肠肌组织HE染色观察推测，-15°跑台运动大鼠可有肌肉与关节损伤的可能，其具体的机制还有待于进一步研究。

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Effect of Different Treadmill Slope on Exercise Fatigue Index in SD Rats

SHI He-kun1, CHEN Kai-jie1, LIN Xiao-feng1, YU Le2, ZHU Qi-gan2, FEI Yan1
(1. Department of Pharmacy; 2. Pathology Department, 175 Hospital of PLA/ Affiliated Southeast Hospital of Xiamen University, Zhangzhou, Fujian 363000, China)

ObjectiveTo study the influence of exercise fatigue index on different treadmill slope in rats.Methods32 SD rats were randomly divided into 4 groups: the control group, and 0°-, -15°-and 15°- treadmill slope exercise groups. The model group was given treadmill exercise according to the scheme. Related indexes were detected after 6 weeks training. The serum content of glucose(GLU),blood urea nitrogen(BUN), lactic acid (LA), creatine kinase (CK), hemoglobin (HGB), red blood cell(RBC). Gastrocnemius muscle index and the number of electric shock in the rats were calculated.ResultsCompared with the control group, there were significant changes in the blood metabolites,energy material and exercise ability during different treadmill slope exercise in the rats. The GLU, HGB and RBC in the peripheral blood samples of each exercise group were significantly lower than those in the control group (P＜0.01, P＜0.05), and the gastrocnemius muscle index was significantly higher (P＜0.01).The serum of LA, BUN concentration and CK activity were significantly increased (P＜0.01, P＜0.05) in the 15°treadmill and -15°treadmill exercise groups. Compared with the 0° treadmill exercise group,the number of electric shock in the rats were significantly increased in the 15° treadmill and -15°treadmill exercise groups (P＜0.05). HE staining showed that the gastrocnemius muscle cells of rats had a tendency of swelling and injury after exercise.Conclusions At 15°treadmill exercise groups, the exercise fatigue model replication of rats was better than that of 0° or -15°treadmill exercise groups.

Exercise-induced fatigue; Treadmill slope; Exercise ability; Rat

Q95-33

A

1674-5817(2017)06-0455-05

10.3969/j.issn.1674-5817.2017.06.006

2017-06-23

解放军第175医院青年苗圃基金资助项目(No.13Y017)

石鹤坤(1980-), 男, 硕士, 主要从事中药药理学。

E-mail: zzphshk@163.com

费 燕(1980-), 女, 硕士, 主要从事医院药事管理、临床药学。E-mail: feiyanfy@126.com