体育场馆内PM2.5暴露对运动大鼠行为学及相关无氧代谢酶活性的影响

李峰

西安建筑科技大学体育学院，西安 710055

PM2.5作为复合型大气污染环境中的主要污染物，具有粒径小、危害性大、比表面积大、累积性强、在空气中停留时间长、运输距离远等特点[1]。由于其易被人体吸入至肺部，随血液循环达到身体深部而引发疾病，长期在空气污染的环境中进行体育运动，会加剧PM2.5对人体的伤害，使机体面临更大的健康风险[2]。作为评判机体行为学的重要指标，卒中指数和神经病学症状评分对神经系统功能缺损的评定具有重要的作用[3]。糖代谢作为机体运动时重要的能量供应来源，其能量转换速率与糖代谢限速酶的表达高度相关[4]。同时，限速酶本身受多种物理化学及生物因素的影响，从而对糖代谢的转换起着加速或减缓的作用[5]。因此，通过研究不同浓度PM2.5暴露对运动行为学特点及机体糖代谢限速酶的影响及其机制，可以为探明PM2.5暴露剂量-运动反应-运动效能之间的关系提供一定的实验参考，也可以为污染天气应急计划的制定和户外体育活动的防护提供一定的依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 PM2.5的采样及悬液制备

PM2.5收集采用颗粒物智能采样器进行，地点为某高校综合体育馆内，为使采样不受影响，样品采集时对周围器械及其他物品进行清理，以保证空气通道畅通。同时为了模仿人体呼吸带的高度，设置采样仪器的进气口高度保持为1.5～2 m。由于体育场馆内污染源较多且相对集中，因此取样点的确定采用同心圆方式选取。同时根据采样点布置原则，使采样器和墙壁保持1 m以上、离门窗在3 m以上，每天24 h连续采样，共采样30 d。采样前称取滤膜质量、采样后再根据滤膜质量差和采样体积，得出细颗粒物的质量浓度。采样结束后收集滤膜，然后将滤膜裁剪为小块后浸入去离子水中，利用超声振荡器进行4次震荡，每次30 min，再用去离子水对颗粒物进行洗脱；将滤液在4 ℃下进行20 min离心，转速为1 000 r·min-1，最后真空干燥后称重，-20 ℃保存。染毒前需用0.9%生理盐水配制成高、中、低3个浓度，使用前超声振荡混匀，灭菌后给大鼠进行气管滴注。

1.2 仪器与试剂

BECKMAN AD 340化学发光酶标仪(美国)；MR23i 型低温高速离心机(美国 Thermo公司)；电动跑台(中国杭州段氏制作公司)；Bonso-TCS-2000 A电子称(武汉自动化仪表厂)；DK-98-1A恒温浴锅(天津泰斯特有限公司)；TN-100托盘扭力天平(武汉自动化仪表厂)；TH-150C型大容量大气总颗粒物智能采样器(配2.5 μm的切割器)(武汉天虹)。

1.3 实验动物分组与运动方案

选用7周龄雄性健康大鼠32只(由西安交通大学医学院动物饲养中心提供)，级别为SPF(specific pathogen free，SPF)，体重180～220 g。实验大鼠的饲养及实验均按照《关于善待实验动物的指导性意见》进行操作[6]。训练前将实验大鼠先进行2 d的适应性跑台训练，速度为10 m·min-1、持续时间为5 min·d-1；正式训练前再将所有大鼠随机分为EC、LPE、MPE和HPE组，每组8只，所有实验大鼠进行1 d的训练前恢复，1 d后按照15 m·min-1×15 min(相当于45% VO2 max)，18 m·min-1×20 min(相当于50% VO2 max)，21 m·min-1×30 min(相当于65% VO2 max)，24 m·min-1×40 min(相当于70% VO2 max)，27 m·min-1×50 min (相当于76% VO2 max)的递增负荷形式进行，具体训练方案见下表1。

表1 大鼠运动方案一览表(n=8)Table 1 The incremental training model of rats (n=8)

1.4 实验动物染毒剂量与染毒方式

染毒前先将制备好的PM2.5悬液在水浴锅内预热到37 ℃，按照30 mg·kg-1、15 mg·kg-1、7.5 mg·kg-1剂量/体重比进行气管滴注，滴注体积为3 mL·kg-1[7]。为了使PM2.5悬液均匀分布，滴注后立即将大鼠直立并旋转；EC组按照同样的剂量和方式滴注同等体积的生理盐水。

1.5 组织匀浆制备及指标测试

血清制备：大鼠运动结束后，腹腔注射麻醉(20%乌拉坦溶液)，腹主动脉取血，然后将血液置于37 ℃恒温水浴5 min 后取出，用高速冷冻离心机按照3 500 r·min-1离心15 min，分离血清并置于4 ℃冰箱保存备用。

肺泡灌洗液：大鼠处理同血清制备，取血后即刻处死，然后切开颈部皮肤，暴露气管，结扎左肺，在主气管处剪一“V”形小切口，插人灌洗针头，结扎固定。注射器抽取37 ℃生理盐水缓慢注入肺内，同时轻轻按摩胸壁，待右肺变得膨隆后缓慢抽出灌洗液。灌洗2次，第1次注入6 mL，第2次注入3 mL，混匀抽吸2次，至灌洗液总量为6 mL。然后以4 000 r·min-1、4oC下离心20 min，取上清液于-20 ℃保存以进行后续测试。

股四头肌匀浆制备：取组织块(0.5 ～1 g)，在冰冷的生理盐水中漂洗，除去血液，滤纸拭干、称重，放入5 mL的小烧杯内按W (g):V (mL)=1:9的比例加入预冷的匀浆介质(pH 7.4, 0.01 mol·L-1Tris-HCL，0.0001 mol·L-1EDTA-2Na，0.01 mol·L-1蔗糖, 0.8%的NaCl溶液)，冰浴条件下用眼科小剪尽快剪碎组织，然后倒入研钵中按顺时针方向进行研磨至糊状。匀浆液通过二层纱布过滤，低温冷冻离心机4 000 r·min-1离心10 min，将分离的上清液4 ℃保存。

指标测试：酶联免疫吸附实验测试HK、PK、PFK-1。

卒中指数评分[8]：总分25分，0～3分为症状组，3～9分为中间组，可能有损伤，10分明显有损伤。毛发脏乱颤抖：1分，运动减少或迟钝：1分，耳触觉迟钝：1分，头翘起：3分，眼固定状睁开：3分，后肢外展呈“八”字：3分，上睑下垂：1分，转圈：3分，惊厥或爆发运动：3分，极度衰弱：6分。

神经病学症状评分[8]：总分10分，0分正常，1～3分轻度损伤，4～6分中度损伤，7～l0分严重损伤。有自发探究：0分。刺激时能走动：1分，正常步态：0分，共济失调：1分，爬行：2分，无步态：3分。能进食：0分，不能进食：1分，能饮水：0分，不能饮水：1分，疼痛刺激可移动：0分，仅头或躯干运动：1分，肢体回缩或无反应：2分。

1.6 统计学分析

2 结果(Results)

2.1 PM2.5暴露对运动大鼠行为学的影响

染毒后各组大鼠卒中得分和神经病学症状评分结果见表2。数据显示，与EC相比，LPE、MPE和HPE组大鼠的卒中得分和神经病学症状评分随着暴露浓度的增加而升高，差异具有统计学意义(P<0.01)。

表2 PM2.5暴露对运动大鼠行为学的影响(n=8)Table 2 Effects of PM2.5 exposure on behavior in exercise rats (n=8)

注：EC、LPE、MPE和HPE是运动对照组、低剂量运动组、中剂量运动组、高剂量运动组；与对照组相比，**P<0.01。

Note: EC, LPE, MPE and HPE stand for control group, low dose PM2.5+excercise, medium dose PM2.5+excercise, high dose PM2.5+excercise; compared with EC,**P<0.01.

2.2 PM2.5暴露对大鼠血清无氧代谢酶的影响

染毒后各组大鼠血清无氧代谢酶活性的变化见表3。由表3可知，和EC组相比，LPE、MPE、HPE组HK、PK、PFK-1酶活性均下降且成剂量相关反应，差异有统计学意义(P<0.01)。

2.3 PM2.5暴露对大鼠BALF无氧代谢酶的影响

染毒后各组大鼠BALF无氧代谢酶活性的变化见表4。由表中数据看出，和EC组相比，3个剂量组HK、PK、PFK-1酶活性下降且与PM2.5浓度成剂量相关性反应，差异均有统计学意义(P<0.05，P<0.01)。

2.4 运动及PM2.5暴露对大鼠股四头肌无氧代谢酶的影响

染毒后各组大鼠股四头肌无氧代谢酶的影响见表5。表5数据显示，和EC组相比，HK、PK、PFK-1酶活性随着PM2.5浓度的增大而呈剂量相关性下降，差异均有统计学意义(P<0.05，P<0.01)。

3 分析与讨论(Analysis and discussion)

3.1 PM2.5暴露对运动大鼠行为学的影响

运动行为学是运用相关运动学科的理论来研究运动训练的过程，在认识、情感、动机、环境因素影响下的行为特征及规律性。大鼠对外界的应激反应是一个复杂的过程，为了保持体内稳态的平衡和维持一定的生理机能，机体在做出反应的过程中，必然会通过各种生理生化指标的变化来进行调节，而这种机体对应激的调节与施加的运动类型、运动方式、运动强度、暴露方式和暴露浓度有关。在行为学的评价中，运动学习、运动发展和运动控制3个环节是3个主要的指标[9]，而不同指标反映不同的功能。卒中指数主要反映脑组织损伤的程度，而“神经病学症状评分”综合反映了肌肉前庭运动功能、综合平衡能力，它与“卒中指数评分”的相关性较高，二者都是行为学评价常用的方法。

表3 PM2.5暴露对大鼠血清无氧代谢酶的影响(n=8)Table 3 The activities of anaerobic metabolism enzyme in serum of training rats after PM2.5 exposure (n=8)

注：与对照组相比，**P<0.01。

Note: compared with EC，**P<0.01.

表4 PM2.5暴露对大鼠BALF无氧代谢酶的影响(n=8)Table 4 The activities of anaerobic metabolism enzyme in BALF of training rats after PM2.5 exposure (n=8)

注：与对照组相比，*P<0.05，**P<0.01。

Note: compared with EC，*P<0.05，**P<0.01.

表5 PM2.5暴露对大鼠股四头肌无氧代谢酶的影响(n=8)Table 5 The activities of anaerobic metabolism enzyme in quadriceps of training rats after PM2.5 exposure (n=8)

注：与对照组相比，*P<0.05，**P<0.01。

Note: compared with EC，*P<0.05，**P<0.01.

实验数据结果显示，和运动对照组比较，大鼠的卒中指数和神经病学症状评分随着PM2.5暴露浓度的增加而上升，在高浓度组分值已超过12分，且差异具有统计学意义，根据评分标准属于“明显有损伤”类别。结合卒中和神经病学症状评分标准，主要体现在自主性运动速度降低、运动行为迟钝、高浓度组的部分大鼠在运动过程中出现毛发脏乱无光泽、间歇性颤抖、逃避运动，在运动后期个别出现衰弱症状，需器械辅助才能进行运动。本实验的结果表明，运动强度和PM2.5暴露浓度是影响大鼠运动能力的2个重要因素，尤其是高浓度的PM2.5暴露会造成大鼠的运动行为功能减弱[10]，其机制是PM2.5进入血液循环以后，影响到机体的内稳态平衡，从而导致包含神经系统在内的功能受到抑制，同时触发或者加剧破坏了氧化-抗氧化系统的平衡[11]。另外，运动时能量的供应需要离子的转运，而卒中的发生伴有细胞内外信息传递的一系列不稳定性变化[12]，Ca2+超载是导致细胞损伤甚至凋亡的机制之一，在运动医学界，认为运动疲劳和恢复与钙稳态和钙超载也有密切的关联[13]。另外，从运动过程中大鼠的行为表现来推测，PM2.5暴露是否会造成运动情绪低落从而导致卒中指数升高还需进一步探讨，但是这种PM2.5暴露浓度的变化，可以理解为是大鼠运动行为和大脑组织病理学改变之间的一种表现形式。

室内空气污染对神经系统的损伤是颗粒物常见的毒性效应表现之一，这主要与氧化与抗氧化系统的失衡有关[14]。本实验中神经病学评分表现在染毒组高于运动组，也呈一定的剂量反应关系，由于“神经病学症状评分”与机体的前庭运动功能密切相关，因此在高剂量PM2.5组大鼠出现共济失调和肢体回缩或无反应症状。其他研究也发现，运动大鼠在水平运动、垂直运动后活动能力水平和活动兴趣均下降[15]，这说明了PM2.5暴露会对大鼠的行为学功能产生不良的影响。其机制是大鼠在PM2.5暴露和运动的双重刺激下，氧化损伤可能引起神经递质的异常产生与释放，导致神经兴奋或抑制性毒性作用[16]，由于机体的反应不足以平衡这种应激水平，因此其神经内分泌、学习记忆、免疫调节网络、行为能力等均会受到明显的影响[17]。产生的主要中枢效应为：抑郁、焦虑等情绪行为改变，并且在应激反应中HPA轴起到了将神经信息转换成生理反应的模式[18]，从而影响到大鼠的行为学方面的功能，并进一步造成运动行为的反应迟缓。因此，PM2.5暴露对运动大鼠行为学的影响，归根结底是颗粒物毒性导致大脑神经系统氧化损伤，诱导学习记忆功能障碍[19]，这些神经指标的异常表达和神经系统的功能异常反应到行为学上，表现为学习记忆和运动能力降低。

3.2 PM2.5对运动大鼠血清、BALF和股四头肌的HK、PK、PFK-1的影响

正常生理条件下，机体的运动离不开能量的供应，而人体内的各种能量代谢受到严格而精确的调节，以满足机体的需要。这种调节主要是通过代谢过程中的限速酶来平衡反应速度，不同的外界应激会引起相关酶发生适应性变化，使运动与能量代谢具有楔合性特征。

PM2.5暴露对呼吸系统的损伤存在连续性或惯性效应[20]，环境因子、运动强度和持续时间都是影响血清酶活性的重要因素。PM2.5对肺功能的影响存在一定滞后性，并和暴露时间的长短之间存在短期或长期负效应[21]。

HK、PK、PFK-1作为糖无氧代谢的限速酶，其活性很容易受到外界因素的干扰，造成整个代谢体系受影响。实验中表3、4、5数据显示，PM2.5染毒后HK、PK、PFK-1 3种酶活性随着暴露浓度的增高而降低，表明PM2.5暴露会影响机体的糖无氧代谢速率，从而限制机体的无氧供能能力。血清中3种酶活性的降低主要是因为：(1) PM2.5进入机体后可以使细胞膜受损，增加膜的通透性，降低膜对流通物质分子的选择能力[22-23]。(2) PM2.5所携带的有机污染物和重金属可以诱导机体产生自由基；结合本实验中卒中指数和神经病学症状评分的结果分析，PM2.5在使抗氧化系统平衡得到破坏之时，同时诱导神经系统兴奋或抑制的失衡，导致神经递质产生和释放异常，使神经系统对机体行为的控制受到不良的影响，而组织内酶的合成和分解代谢与神经递质酶基因表达有关[24]。缺氧时神经传递递质降低引起动物行为改变，说明中枢神经递质合成及代谢改变是引起缺氧时脑功能障碍的重要因素。另外，自由基和酶发生环氧化反应的过程中，使糖代谢底物发生变构从而影响与酶的楔合效应，其最终结果是减少代谢酶的生成量[25]。

流行病学研究发现，PM2.5与呼吸系统疾病的发病率密切相关[26]，BALF中生化指标的变化也是肺损伤的表现。本实验中BALF中各种限速酶的活性变化，显示出了肺对PM2.5暴露浓度的敏感性和脆弱性。其机制可能是PM2.5破坏了肺泡上皮-毛细血管屏障，使酶从胞浆中渗出，导致肺实质和膜性组织的损伤[27]。另外，自由基与PM2.5的毒性累加效应，可以竞争性抑制酶和底物的结合，导致酶活性的降低。

HK、PK、PFK-1活性的大小是反映组织能量状态的重要指标。股四头肌在运动过程中对能量供应系统调动的过程，实际上就是激活限速酶的过程。本实验中HK、PK、PFK-1 3种酶在PM2.5暴露后均有下降趋势，表明PM2.5降低了运动大鼠的糖酵解系统的供能能力。这是因为PM2.5所吸附的有害物质，不仅可以直接造成组织细胞损伤，而且某些金属原子还可能与线粒体膜上Ca2+竞争结合，干扰细胞信号的传递，从而引起线粒体细胞膜内钙稳态失调[28]，危及线粒体功能和细胞骨架结构，最终激活不可逆的细胞内成分的分解代谢过程。

本实验数据显示HK、PK、PFK-1活性的降低与PM2.5浓度具有明显的负相关。结合实验中大鼠行为学的数据表明，PM2.5浓度越高，对机体运动能力的影响越大。因此，我们通过本实验研究低、中、高3种不同浓度的PM2.5滴注对运动环境下机体行为学及代谢酶的影响，也是为分析人群在不同的PM2.5暴露水平-暴露时间-运动方式-运动场所-运动对象之间的关系提供一定的数据支持。同时，也为进一步阐明在PM2.5暴露的污染环境下运动对人体健康伤害的机制提供参考。

总之，通过本实验结果我们得出：(1) 3种浓度的PM2.5暴露可以影响大鼠的运动行为学表现，降低大鼠的运动能力；(2) PM2.5染毒后HK、PK、PFK-1活性均下降，影响机体糖代谢能量的供给。

通讯作者简介：李峰(1982—)，男，环境科学(健康生态学)博士，副教授，主要研究方向为空气质量与运动健康之间的关系研究。

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