刘晓丽 刘超能 王人卫 向政
1湖北民族学院体育学院(湖北省恩施 445000)
2上海体育学院运动人体科学学院(上海 200438)
心肺功能(cardiorespiratory fitness,CRF)又名有氧运动能力,指机体运送和利用氧的综合能力[1]。CRF能够综合体现呼吸系统和心血管系统的整体功能,是空气中的氧气转运至细胞内线粒体,并以体力活动的形式表现出来的综合过程。评价CRF的客观指标是最大摄氧量(VO2max),单位为mL·kg-1·min-1,常用梅脱(metabolic equivalent,met)表示,1 met=3.5 mL·kg-1·min-1。
对于健康人群而言,CRF与遗传、性别、年龄和运动密切相关。其中最重要的影响因素是遗传,CRF一半以上的变化取决于遗传因素[2]。运动对CRF的改变达到45%~50%[3],因此规律的运动是引起CRF值变化的重要因素。CRF值随着年龄的增加而下降,在30~49岁之间VO2峰值每10年降低3%~6%,但是70岁后每10年下降的比率超过20%[4]。另外,性别也是影响CRF值的重要因素,同一年龄的男性比女性CRF值高2 mets[5]。
CRF与健康状况密切相关,是重要的风险预测因子。越来越多的流行病学和临床证据表明,低下的CRF水平同心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)和全因死亡风险[6],以及各种癌症死亡率[7]增加有关联。CRF可能是一个比传统的预测因子如吸烟、高血压、高血脂和Ⅱ型糖尿病(Type 2 diabetes,T2D)更可靠的预测死亡率的预测因子;将其加入传统预测风险模型可以显著改善对死亡风险的预测[8]。本文就CRF预测健康结局、CVD、心衰、中风、手术风险、抑郁和其他相关疾病的文献进行综述,为在相关风险模型中添加CRF因子提供支持,并为今后该领域的研究提供参考。
CRF是重要的死亡预测因子。从1950年开始,很多学者致力于CRF与健康结局关系的研究[9]。经过几十年的发展,众多学者得出一致的结论是当调整年龄和其他危险因子后,CRF是预测全因死亡率重要且独立的指标,在预测死亡风险上CRF比传统指标如高血压、吸烟、肥胖、高脂血症和T2D更准确[8];在风险预测方面CRF比其他运动监测指标如心电图中S-T段下降、血液动力学反应等更有效。有学者指出在各种引起死亡的危险因子中,16%是由于CRF值较低引起的,该值显著高于肥胖、吸烟、高血压、高胆固醇、糖尿病等危险因子,由此表明CRF水平较低引起的死亡率显著高于其他各种危险因子[10]。
Myers等[11]采用最大运动负荷试验获得6213名美国男性退伍军人CRF值,接着进行平均6.2年的随访,结果发现体适能水平最差的受试者(CRF<5 mets)与体适能最好的受试者(CRF>8 mets)相比全因死亡率增加1倍,而且CRF值比已有的指标如吸烟、高血压、高胆固醇和T2D预测死亡风险更准确。Blair等[12]对13344名成年人进行8年的随访,结果显示男性和女性CRF值最低的组全因死亡率分别为64.0/10000人年和39.5/10000人年,而CRF值最高的组全因死亡率分别为18.6/10000人年和8.5/10000人年。库珀追踪研究中心对36836名男性进行平均15.8年的随访发现,CRF值处于上游的80%人群与处于下游的20%相比,全因死亡发生率显著降低[13]。为了确定CRF值在死亡风险预测方面是否存在性别差异,Al-Mallah等[14]对29470名男性和27814名女性在1991到 2009年间进行运动测试获取CRF值,接着进行为期10年的随访,发现在同一CRF值区间男女全因死亡率差异无统计学意义。Ko⁃dama等[5]通过meta分析进一步确定CRF和全因死亡率的关系,研究结果显示与CRF值最高的人群相比,CRF值较低者全因死亡率增加70%。所有研究均说明CRF值较高的人群死亡率降低。
流行病学研究和临床基础研究均证实CRF水平与全因死亡率负相关。Kannel等[15]和美国 LRC(Lipid Research Clinics)[16,17]的观察性研究发现,运动能力每增加1 met,全因死亡率降低15%,而且随着CRF水平升高生活质量提高[5]。Gulati等[18]通过8年的随访指出CRF每增加1 met,死亡风险降低17%。Al-Mallah等[14]10年的随访发现,男性和女性的CRF值每降低1 met,死亡风险分别增加16%和17%。Artero等[19]对43356名成人(21%女性,年龄为20~84岁)14.5年的随访研究证实,CRF每增加1 met,男性和女性全因死亡风险分别降低15%和 11%。Laukkanen等[20]在相隔11年的时间里两次进行极量运动试验测试受试者VO2max,随后进行15年的跟踪调查,结果发现VO2max每增加1 met,受试者全因死亡率降低31.5%。LRC对3000名无症状女性随访时间延长至20年,结果发现CRF每降低1 met,生存率降低20%。Nes等[21]对健康人群24年的随访研究发现,CRF每增加1 met,死亡风险降低21%。已有的研究证明,在死亡风险预测方面,CRF每增加1 met,全因死亡率降低7.4%~21%,且随着时间的延长CRF值高者获益越多。
CRF值与健康呈剂量依赖性关系,当成人CRF<5 mets时其死亡风险处于高值,当CRF>8~10 mets时生存机会增加。不同年龄段的男性和女性CRF值超过一定数值后能降低死亡风险,其中40~49岁分别为9 mets和7 mets,50~59岁分别为8 mets和6 mets,60~69岁分别为7 mets和5 mets[5]。故排除其他危险因子的影响,CRF值越高寿命越长。运动能改善CRF水平,但是CRF值较低的人群通过运动获益最多,而且能够降低全因死亡风险。Farrell等[22]按CRF值对受试者进行分类,结果发现CRF值的基值处于最差的受试者通过锻炼后全因死亡率降低一半,但是CRF基值处于中等或较高水平的人群经过一段时间锻炼后对全因死亡率影响微弱。Dorn等[23]发现经过锻炼CRF每增加1 met,随后19年的全因死亡率降低8%~14%。初始CRF值在一定范围的男性(n=14345,平均CRF为11.9 mets),6年后进行第2次测试,与CRF值降低者相比CRF值维持原状或提高者平均11.4年后CVD和全因死亡率分别减少27%和42%[24]。重要的是第2次检测时CRF值降低者无论体脂率是否变化其CVD死亡风险都显著增加,CRF每增加1 met则CVD死亡风险降低19%[24]。Kokkinos等[25]通过8.1年的随访发现,与CRF值维持原状者相比,CRF值提高者死亡风险降低35%。因此要鼓励从事长期静力性工作的人和体适能较低的人群在专业健身指导员指导下系统参加中等强度的运动,从而获得更多益处,但需要注意的是运动必须循序渐进。
CRF与死亡率负相关的机理仍未完全清楚,可能的解释是健康人群在预防CVD方面的心血管保护作用增强(部分通过大强度运动进行调节)、调节自主神经张力的能力加强、血栓性疾病的危险性降低、血管内皮功能提高。Arsenault等[26]对169名无T2D的健康男性采用横向研究发现,CRF值最低的1/3人群与CRF值最高的1/3人群相比甘油三酯、载脂蛋白B水平和总胆固醇/高密度脂蛋白比值显著升高,CRF值升高者腹部脂肪堆积量减少、胰岛素抵抗减弱、炎性反应减少、优质脂质和脂蛋白增加和血压降低。Kawano等[27]对217名存在CVD潜在危险性的男性进行了运动训练与饮食干预的随机试验,结果发现血脂水平随着CRF值提高而得到改善。还有研究发现体适能较好的人群C反应蛋白和其他的炎性因子水平较低[28,29]。
由于大多数人群是CVD低风险人群,在普通人群中进行风险预测具有挑战性,但已有的研究证明CRF与CVD风险负相关。Laukkanen等[30]的研究发现,男性CRF值每增加1 met就会使致命的CVD发生率降低17~29%,非致命的CVD发生率降低28~51%。Mora等[16]对2994名无症状女性进行20年的跟踪调查发现,CRF<7.5 mets者较CRF≥7.5 mets者CVD死亡风险增加3.5倍,同时该研究指出运动引起的心电图S-T段下降并不是预测CRD发生率的有效指标。Gulati等[18]对5721名平均年龄为52岁的女性进行为期8年的随访后发现,CRF值每增加1 met,CVD死亡风险降低17%。Aspenes等[31]直接测量20~90岁年龄段人群(n=4631)的CRF值,然后通过队列研究方法观察CRF与CVD间的关系,结果发现女性 CRF<10 mets、男性 CRF<12.6 mets的人群与CRF值较高的人群相比,其CVD危险性增加5~8倍,而且CRF每降低 1 met CVD危险性升高37.3%[31]。总之,虽然不同研究在CRF值预测CVD发生率与死亡率方面有一定差异,但是CRF值每增加1 met,CVD死亡风险至少降低17%。当CRF值较低时(男性VO2max<8 mets,女性VO2max<6 mets),30年后患CVD死亡风险增加[32],由此说明CRF增加了长期风险的预测性,如显著提高的30年后的CVD死亡风险。这些研究结果均证明在已有的指标上增加CRF值能够显著提高CVD风险预测能力。
CRF值提高能降低CVD发生率和死亡风险的机理主要与心血管功能改善密切相关。在相同运动负荷条件下CRF值不同时,心血管系统生理负担有差异,CRF值较高的人群完成相对轻松,故能减少心血管负担,如爬相同距离的楼梯,CRF值较高的人群心血管负担较轻,致使相应心血管系统危险性降低。同时CRF值较高者在心肌耗氧量减少的同时心肌供氧量增加[33],室性心律失常发生率降低,病理性血小板凝聚减少,血浆纤维蛋白溶解活性增加。除此之外,CRF值较高者还能改善众多CVD危险因子,如肥胖、血脂过高、高血压等。
医疗水平改善使得年龄较大的老人在急性CVD发作后生存率提高,但是出现心力衰竭(Heart failure,HF)的患者逐渐增多。由于CRF值较高的人能够减少HF并发症,降低神经激素的活性,提高生活质量[34],故CRF值对 HF患者有重要价值。众多研究表明CRF与HF死亡率负相关,在所有HF风险因子中CRF水平低下和肥胖是最重要的风险因子[35]。
为了探讨CRF在HF风险评定中的作用,研究者筛选出美国库珀有氧追踪研究中有医疗保险覆盖超过10年的平均年龄49岁的19485人(男性占比78.8%),所有被选对象出现传统的危险因子较少。他们通过Balke跑台运动时间估算中年人的CRF值,然后通过CRF值预测65岁后是否由于HF需要住院治疗。矫正传统危险因子对HF的影响后,中年CRF值与HF住院治疗风险负相关,中年时CRF每增加1 met晚年由于HF需要住院治疗的风险降低17%[36]。该研究进一步说明,在不考虑其它HF危险因素的情况下,应用改良的中年CRF在评定HF风险中更有意义。Mancini等[37]通过VO2max方法直接测量非卧床HF患者CRF值确定最佳心脏移植手术时间,结果发现:当CRF>4 mets时,不管患者是否接受心脏移植手术,其生存率一致;当CRF<3 mets时,未接受移植手术的患者生存率显著低于接受移植手术的患者,由此说明CRF值在判断手术时机方面有重要的临床价值。对HF患者进行运动干预,3个月的运动训练后,CRF每增加6%会引起HF住院治疗风险降低8%[38]。由此可见,CRF逐渐提高的人群不良健康风险降低,故可以通过适当的运动改善CRF,进而提高HF患者健康水平。
高血压是最常见的CVD,常被称作“沉默的杀手”,其引发的心脏病和脑卒中每年可导致全球940万人死亡,是全球范围内的重大公共卫生问题。由于运动能降低血液儿茶酚胺水平、增加前列腺素E水平和增加尿钠代谢,故早在1985年就有学者提出规律的中等强度运动能降低原发性高血压患者的血压。Sawada等[39]对3305名平均年龄为50岁的日本人通过公式估计获得VO2max值和测量血压,随后进行5年的随访,发现VO2max值最低的人群高血压发病率是VO2max值最高人群的1.9倍。接着5年后进行第2次估算,结果显示VO2max值提高者与VO2max值不变或下降的人群相比高血压发病率显著降低[39]。
Mercedes等对18~30岁人群15年的随访发现,CRF值处于中低水平的人群高血压发病率增加3~6倍[40]。高血压与遗传密切相关,研究表明与无家族高血压史和体适能处于中等水平人群相比,有家族高血压史且体适能处于较低水平的人群高血压发病率增加70%,而有家族史但CRF值较高的人群高血压发病率仅增加16%[41],故有高血压家族史的人群可以通过适当的运动增加CRF值,从而降低高血压的发病率。Sui等[42]对 4932名20~82岁成年人近35年回顾性研究发现,调整其他的危险因子后,与CRF值降低者相比,CRF值随着年龄增加而增加者,CRF呈倒“U”型和“U”型增加者高血压发病率分别降低36%、11%和22%,由此说明在任何年龄阶段通过运动锻炼提高CRF值都能在一定程度上减少高血压发病率。
CRF除了能预测CVD和全因死亡率外,还能评估患者实施部分手术的风险[43],而且能预测某些手术术后并发症和短期预后,这些手术包括腹主动脉瘤修复术[44-46]、肝移植[47,48]、肺癌切除术[49]、上消化道手术[50,51]、腹腔手术[52,53]、肥胖外科手术[54]和冠状动脉搭桥术[55]等。
Herdy等[56]对在医院等待冠状动脉搭桥术的患者实施术前运动锻炼,结果发现运动能力较好的标准组患者术后并发症降低、术后住院时间缩短。对于实施腹腔手术的患者而言,通气无氧阈<3 mets的患者中18%由于心血管原因死亡,但是通气无氧阈≥3 mets的患者死亡率<1%[53]。Epstein等[49]对42名实施肺癌切除术的患者进行跟踪调查,结果发现VO2峰值<500 ml·m-2·min-1的患者比VO2峰值≥500 ml·m-2·min-1的患者出现心肺并发症的几率增加6倍。McCullough等[54]对109名实施胃旁路术的患者进行研究,发现37名VO2峰值<4.5 mets的患者中6名出现并发症,而72名VO2峰值>4.5 mets的患者中仅有2名出现并发症,两者差异有统计学意义。Carlisle等[45]对130名进行腹主动脉瘤腔内修复术的患者进行研究发现,2年后30名体适能较低的患者仅有55%存活,而体适能较高的100名患者中有97%的患者存活。Prentis等[48]对60名患者实施肝移植手术,结果发现通气无氧阈>3.4 mets的患者与通气无氧阈<2.4 mets的患者相比,生存率显著提高。Smith等[55]对596名实施冠状动脉搭桥术的患者进行研究发现,术前VO2峰值<5 mets的患者手术死亡风险和术后30天内死亡风险显著升高。这些研究均表明CRF能在术前预测术后并发症,因此对患者在术前进行必要的康复训练能够增加手术效果、降低手术风险、减少并发症和增加术后功能康复效果[57]。
目前关于CRF值较高能引起术后并发症减少的机理尚不清楚。可能的解释是CRF水平较高的患者能够满足由于手术创伤引起的氧量需求。CRF水平较低会引起更多或更严重的并发症,致使死亡率增加。另外,CRF值较低的患者手术更难,手术时间和插管时间延长,或者有促炎性反应,致使出现术后并发症的风险增加[54]。
CRF对减少脑血管疾病发生率方面有潜在的预防作用。CRF值较高能够减缓脑组织退化速率[58],当CRF值较高意味着大脑氧供应较好,在出现大脑局部缺血时能避免或减少脑组织损伤;CRF值较高能降低脑血管危险因素的发生率;CRF值较高和规律运动能增加脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic fac⁃tor,BDNF)的表达[58],而BDNF对脑缺血有一定的缓解作用。
Kurl等[59]对2011名男性进行11年的随访,结果发现CRF<7.2 mets的男性中风发生率是CRF≥10.1的男性的3.24倍。Lee等[60]通过运动试验将受试者分为低体适能组(8.5±1.0 mets)、中体适能组(10.5±1.0 mets)和高体适能组(13.1± 1.4 mets)三组,接着进行平均10年的随访,结果发现:高体适能组和中体适能组脑卒中死亡风险比低体适能组分别减少68%和63%。需要指出的是该研究在10年的随访中仅有32名受试者死亡。Hooker等[61]对46405名男性和15282名女性进行最大运动负荷测试确定CRF值,接着进行22年的随访,发现男性CRF值每增加1 met中风风险降低5%~24%,女性CRF值每增加1 met中风风险降低10%~19%。CRF=7~8 mets是中风风险的阈值,当CRF大于该值时,不论男女,中风风险显著降低[61],因此可以通过适当地运动改善CRF值从而降低中风风险。Jefferis等[62]对4252名英国男性经过11年的随访发现,每周步行时间分别为4~7 h、8~14 h、15~21 h、≥22 h的受试者与每周步行0~3 h的人群相比,中风风险发生率分别降低11%、37%、32%和64%,由此说明每周步行时间和中风发生率成剂量依赖性负相关。
CRF与T2D密切相关,与T2D风险负相关[63]并成曲线关系[64,65],是T2D 的重要预测因子[66]。研究表明CRF值较低大鼠出现脂质异常,体脂增加,细胞色素C和脂肪酸氧化导致骨骼肌线粒体功能受损,导致胰岛素抵抗和代谢综合征[67]。动物实验显示:低CRF值者肝脏葡萄糖转化增多,故T2D风险增加。骨骼肌线粒体氧化能力与肥胖和胰岛素抵抗密切相关,CRF值低者出现线粒体含量减少,氧化能力降低。高CRF组大鼠骨骼肌氧化酶的氧化能力提高、PGC-1α(线粒体合成的关键因子)显著增多[68,69],由此说明CRF值较低者线粒体的氧化途径可能遭到破坏。CRF值低者常伴随着体内脂肪含量增多,特别是腹部脂肪堆积,进而出现胰岛素抵抗和葡萄糖敏感性降低,故CRF值较低是T2D的主要危险因子之一。Bye等[70]将运动大鼠分为两组,低CRF组和高CRF组。其中低CRF组血压和内脏脂肪含量、空腹血糖、胰岛素、甘油三酯和自由脂肪酸水平显著高于高CRF组。血清铁蛋白(Serum ferritin,SF)是体内铁储存的标记物,它能影响体内糖代谢过程,进而损害胰岛素的作用效果,同时SF增加还能损害肝脏胰岛素的利用从而导致 T2D发病率增加。SF能损伤胰腺β细胞,导致胰岛素合成、分泌异常,最终引起T2D[71]。CRF对T2D的作用部分通过降低SF实现。
CRF处于中高水平的人群,T2D发生率在两者之间差异较小,但是CRF值较低的人群患T2D的风险显著增加,故CRF值较低者T2D风险较高[72]。Krause等[66]对1069名女性的研究发现,CRF值处于最低的1/4人群与CRF值最高的1/4人群相比,T2D患病风险增加1倍。不仅老人CRF值与T2D密切相关,有研究发现青少年CRF值与T2D关系也非常密切,CRF值低的年轻T2D患者出现骨骼肌代谢异常,如线粒体功能异常。Shaibi等[73]对13名13~18岁青少年T2D患者进行配对研究,并通过极量运动获得VO2max值,结果发现T2D患者CRF值为8.2 mets,显著低于对照组9.9 mets,由此进一步确认CRF值高低与T2D负相关。Le等[71]对5512名 受试者的追踪研究发现,CRF值高的男性出现T2D者仅为CRF值低者的40%,由此说明CRF值越低,出现T2D的几率越大。虽然女性CRF值较高者出现T2D的几率是CRF值较低者的0.63,但是CI值为[0.24,1.62],故差异不具有统计学意义。
随着社会竞争越来越激烈,患抑郁症的人数逐年增多。研究表明CRF值与抑郁负相关[74]。CRF值较高者焦虑症状和抑郁症状指标得分降低[75,76]。Baumeis⁃ter等[74]发现VO2max每增加一个标准差,抑郁发生率降低32%,焦虑发生率降低31%。Peel等[77]对11258名男性和3085名女性进行12年的跟踪研究,结果发现与CRF值处于最低的20%人群相比,CRF值处于前40%和中间40%的男性抑郁发生率分别降低51%和31%,对应女性分别降低54%和44%,由此说明CRF值越高,抑郁发病率越低。研究发现运动与抑郁成剂量依赖性负相关,经常运动的人抑郁发生率降低27%。51~55岁男性和53~56岁女性CRF值每降低0.5 mets,抑郁发病率增加1.3%和5.4%[75]。但是也有研究发现CRF值与抑郁发病率关系不密切[78]。
CRF主要是通过生理和心理两方面对抑郁产生影响。通过运动获得较高水平的CRF值的人自信心和对自己认同度相对较高,而且CRF值较高的人心态较好,较容易满足基本的心理需求,自我控制能力和学习能力较强[79]。从生理学角度而言,体育活动能够增加神经递质的数量和活性(如5-羟色胺、去甲肾上腺素和多巴胺)、减缓压力(降低皮质醇水平和心血管系统对心理应激原的反应)和减轻炎症反应。同时运动还能增加BDNF水平和海马神经功能[80]。CRF是压力缓冲剂,CRF值较高能够减少主观应激和抑郁综合征[81]。疲劳综合征在职场经常遇到,而CRF值较高的人群出现疲劳综合征和抑郁症状较少,而且抗压能力较强[81]。需要指出的是CRF对压力和抑郁的影响仅存在于压力和抑郁程度较高的人群,而对压力和抑郁程度较低的人群没有影响。
CRF值较高能够减缓大脑退化,提高老年人记忆能力,改善神经可塑性,减缓年龄对部分脑区如额叶、丘脑和海马的作用[82],同时还能改善大脑营养状况,如增加BDNF[58]和促红细胞生成素的水平[83],故CRF值较高对痴呆和阿兹海默症有一定的缓解作用。CRF值高时患痴呆和阿兹海默症风险降低,Defina等[84]发现CRF值处于最高1/4位的人群较CRF值处于最低1/4位的人群患痴呆风险降低36%。
CRF水平高者患某些癌症风险降低,包括肺癌、乳腺癌和消化系统癌[85]。Schmid等[85]的meta分析发现在不考虑肥胖的基础上,中、高体适能人群与低体适能人群相比癌症死亡风险分别降低20%和45%。Peel等[77]通过对38801名20~88岁人群29年的随访发现,CRF值处于中高水平的人群相对于CRF处于低水平的人群而言患消化系统癌风险降低34%。CRF处于高位80%人群结肠癌、肝癌死亡风险较CRF处于低位20%的人群降低39%和72%,该研究进一步支持CRF对于消化系统癌症而言是一重要保护因子[77]。CRF影响恶性肿瘤细胞生长的机理尚不清晰,可能与免疫和内分泌功能增强有关。
大量研究已证明CRF与健康密切相关,能够对健康、CVD、心衰、手术风险、T2D、抑郁等提供风险预测。流行病学研究发现,CRF值的基值处于最差的人群通过锻炼后全因死亡率和CVD死亡风险降低一半,故长期静力性工作和体适能较低的人群若在专业人员的运动指导下长期坚持中等强度的运动能够获得许多好处。对于CVD而言,在传统风险因子的基础上添加CRF指标能提高CVD风险预测能力。但是由于CRF值是精确的量化指标和缺乏临床随机试验证据,目前仍没有医疗机构和卫生组织在CVD风险预测模型中添加CRF因子。故在未来的研究中需要有临床随机试验支持CRF对健康、CVD及其它相关疾病的风险预测能力,为今后在CVD风险预测模型中添加CRF因子做出贡献。同时需要更多的机理试验探讨支持CRF与健康间的关系,为其预测能力提供理论基础。
国民体质测试是了解CRF值的重要途径,笔者对目前体质测试中的测试数据、问卷内容进行仔细分析,仍然无法获得准确的CRF值。故在以后的体质测试中可以通过增加适当的测试内容或者制定相应的问卷内容计算或者估计评定受试者CRF值,这将利于准确了解受试者有氧能力和预测健康状况,也为受试者的运动提供合理的指导。