抵抗骨骼肌衰减的活性因子及其食品现状

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(1.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨 150040; 2.黑龙江省森林食品资源利用重点实验室,黑龙江哈尔滨 150040; 3.黑龙江飞鹤乳业有限公司,北京 100015)

肌肉衰减“Sarcopenia”也称骨骼肌减少症(肌少症),主要源自增龄性的衰老导致的生物学变化[1](例如慢性炎症、线粒体异常、神经肌肉接头丧失、卫星细胞数量减少、激素改变等),与遗传[2]、营养缺乏、运动不足、疾病等多种因素有关。肌肉衰减1989年被定义为广泛存在于中老年人群中的骨骼肌衰老现象“Sarcopenia”,中文意译“肌肉衰减综合症”。而后逐渐演变为2010年Sarcopenia欧洲工作组“老年人骨骼肌质量、力量及功能下降的一种病征”的定义[3]。2009年欧洲老年人骨骼肌衰减工作组[4]、2011年国际老年人骨骼肌衰减工作组[5]、2014年骨骼肌衰减国际联盟将“Sarcopenia”译为“骨骼肌衰减综合症”。2016年,骨骼肌衰减综合症被并入ICD-10疾病编码中,正式成为一类疾病,编码为M62.84[6]。

肌肉衰减主要表现为骨骼肌的负增长以及质量下降,近年来,随着人们生活节奏加快,办公久坐、多食少动等不良习惯,导致肌肉衰减现象日趋普遍,人们对其也愈加重视。国内外的专家学者对于肌肉衰减的机理、治疗以及防治等方面进行了大量的实验与临床研究。且药物治疗和运动预防等手段都能显著提高肌肉质量与力量,延缓肌肉衰减的产生。

无论通过哪种手段进行肌肉衰减的预防或治疗,食源性营养物质的补充作为辅助都必不可少,目前对于具有抵抗肌肉衰减活性的因子及其食品现状的研究还不够完善,有待进一步深入。本文将对骨骼肌衰减的发病机制、主要防治方法,以及具有抵抗骨骼肌衰减活性的食品现状进行综述,为骨骼肌衰减的预防和治疗以及功能食品研发提供理论基础。

1 骨骼肌衰减的发病机制

骨骼肌衰减综合症是骨骼肌量减少、骨骼肌力量降低以及功能减退的病症,分为原发性和继发性两种。原发性骨骼肌衰减综合症与增龄相关,在老年人群中发病率高[7],又称为增龄性骨骼肌衰减综合症。研究显示,骨骼肌衰减综合症患者较正常人群而言更易发生骨质疏松,会进一步增加骨折风险。骨骼肌衰减综合症除导致老年人运动和平衡能力下降,易跌倒,严重影响机体的运动系统外,还增加了肺损伤、糖尿病、血脂异常、心脏病等其他系统疾病的发病危险[8]。骨骼肌的衰减会导致机体衰老,而机体衰老又会加速骨骼肌的衰减[9],如此反复、恶性循环,最终导致患者肌肉质量和力量等指标大幅降低,目前普遍公认的肌肉衰减发病机制有以下几种。

1.1 骨骼肌卫星细胞损伤或减少

骨骼肌卫星细胞(即骨骼肌干细胞)是在机体中储备的、能够随时应激分化成肌肉细胞和肌神经细胞的一种潜能细胞,其活性和数量直接影响到骨骼肌细胞的功能和创后恢复能力[10]。机体衰老等因素会使骨骼肌卫星细胞功能受损、数目减少,在肌肉细胞自然凋亡和机械损伤后不能进行及时充足的补充,导致骨骼肌细胞形成减缓甚至停滞[11],破坏了骨骼肌代谢平衡,从而产生肌肉衰减现象。王会玲等[10]将实验组小鼠肾切除5/6制作卫星细胞抑制模型,并设对照组(开腹后即缝合),分离并原代培养骨骼肌卫星细胞,检测分化后卫星细胞增殖分化相关基因的表达情况及肌纤维质量。结果显示,原代培养一周后,实验组的胫骨前肌质量低于对照组23%,卫星细胞增值分化相关基因表达较对照组分别降低51.5%、72.3%、32.4%和18.4%,新形成的阳性肌纤维数目低于对照组且较为纤细，结果表明,卫星细胞减少或损伤失能会引发肌肉衰减。

1.2 快肌纤维(Ⅱ型)萎缩

作为骨骼肌的主要构成之一,快肌纤维由于收缩弹性较好而负荷机体动位相的运动调整,主要承担速度和力量方面的活动。受活动强度降低[12]、内环境(激素水平、氧化损伤及炎性反应等[13])影响,快肌纤维蛋白的合成速度会降低,在得不到及时充分蛋白质补充的情况下,产生萎缩现象,造成肌肉质量和力量的降低[14]。王灵战等[15]将不同月龄的大鼠比目鱼肌进行垂直冷冻切片,染色后观察其肌纤维数量,30个月龄大鼠比目鱼肌快肌纤维横截面积较4个月龄大鼠相比萎缩81.7%,肌纤维形态极不规则,肌肉质量与力量明显降低。

1.3 肌肉运动神经元退化和丧失

运动神经元是机体支配肌肉正常活动和功能的神经元,它的正常活力和功能维持了肌纤维的生理活性。肌肉衰减进程往往伴随着大量运动神经元支配的丧失[16],失去了神经元支配的肌细胞会产生细胞形态异常、功能减弱等现象,持续长时间失去神经支配会导致骨骼肌细胞的萎缩、无力等。蔡明轩等[17]将大鼠后肢腓肠肌肌肉组织破碎成分散细胞,在实验组加入从大鼠脑组织中提取的神经元分泌因子,培养10日后,实验组骨骼肌细胞数量是对照组中数量1.9倍,结果具有显著性,说明失去神经元支配的大鼠骨骼肌细胞生长缓慢,易导致肌肉衰减的发生。

1.4 细胞自噬能力降低

细胞自噬是指细胞对自身内部损伤、衰老或坏死的细胞器及蛋白质等进行内部消解的行为[18]。衰老机体的卫星细胞自噬失败或年轻细胞中有关自噬的遗传信息损伤会破坏蛋白质稳态,积累代谢废物导致卫星细胞的功能和数量下降,致使肌纤维的再生能力受损从而导致肌肉衰减现象[19]。自噬的恢复能够逆转衰老并恢复老年卫星细胞的再生功能,对于促进肌肉减少症患者的肌肉再生具有重要意义。Eva等[20]通过基因工程技术敲除有关小鼠细胞自噬的基因,特异性地阻断骨骼肌中的自噬,1个月后纯合小鼠的肌纤维横截面积较正常组少40%,且5个月龄雄性小鼠比例下降水平达25%,比2个月龄小鼠下降的3%更加显著。此外,在诱导成年小鼠细胞自噬基因急性缺失后,小鼠肌纤维横截面积较正常组少20%,肌肉质量和力量随之降低20%。

1.5 线粒体功能障碍

线粒体是细胞的主要能源场所,是细胞分解有机物产生能量、抗氧化物质等[21]的重要细胞器。增龄伴随着细胞内线粒体数量的减少、参与线粒体内代谢活动的酶活性降低[22],这一现象致使线粒体氧化磷酸化及合成ATP的能力减弱[23],从而使得细胞供能不足、脂质蓄积、代谢紊乱,最终导致细胞萎缩衰减。Diaz等[24]通过敲除骨骼肌的COX10基因制作线粒体功能障碍模型COX10 KO小鼠,2个月龄的KO小鼠在运动测试中比对照小鼠更频繁地落入网格中,雌性KO小鼠掉落次数为对照组18倍,雄性为7倍,且实验组小鼠最大肌肉力量较对照组低45%,肌纤维的横截面积平均比对照小19%。大多KO小鼠呈疲惫状态,并且需要相对较长时间恢复。3～4个月龄时KO小鼠开始表现出明显的表型变化,肌肉质量较对照组下降75%。

1.6 肠道微生态失衡

肠道微生物群在肠粘膜内代谢产生的一些营养素,如纤维素蛋白质以及生物介质等,可通过促进胰岛素敏感性对肌细胞线粒体产生正向影响,促进肠道外组织细胞的代谢,并调节能量稳态和全身炎症,控制肠道的屏障以及免疫和内分泌功能。肠道微生态失衡会致使肌肉细胞内能量大量消耗,引发炎症反应以及慢性感染等,破坏机体内环境最终导致肌肉萎缩[25]。Chen等[26]对实验小鼠进行肠道菌群的平衡调节后得到对照组,以及每日口服植物乳杆菌TWK10(LP10)剂量分别为2.05×108(LP10-1X)和1.03×109CFU/kg的模型组LP10-1X和LP10-5X。在前肢握力测试中,LP10-1X和LP10-5X组分别比对照组高1.31倍和1.40倍。耐久性游泳时间测试中,LP-1X和LP-5X分别为对照组的1.85和4.81倍。腓肠肌中的I型肌纤维数目分别为1.48和1.75倍。在趋势分析中,各指标随着LP10剂量的增加而增加,表明肠道菌群的失衡会降低机体肌肉质量和力量,导致肌肉衰减。

1.7 慢性炎症等其他因素

机体在出现应激炎症反应时,产生的炎症因子扩散至各处细胞,促进炎症介质的产生,从而刺激机体产生免疫反应,促进分解代谢、抑制合成代谢、限制蛋白质合成,损伤肌卫星细胞、肌纤维等,使骨骼肌呈现负增长状态进而引起肌肉萎缩[27]。

此外,遗传与性别差异、人种与地域差异等也对骨骼肌衰减症的产生有一定的影响,这些因素决定的机体状态、生活习惯和方式的不同都影响着机体内环境,进而在不同程度上导致骨骼肌质量和力量的损失。

2 肌肉衰减的主要防治方法

2.1 食品中具有抵抗肌肉衰减的活性因子

中国传统医学讲究药补不如食补,食源性的各种营养物质如蛋白质、维生素、中草药中天然活性因子等在对抗肌肉衰减方面虽见效相对较慢,但却从根本上补养机体,实用且安全。

2.1.1 蛋白质 蛋白质作为肌肉生长的基础,是主要的增肌营养成分[28]。Sebastiano等[29]在试验期间,每日上下午定时给予肌肉减少症老年受试者口服蛋白质补充剂,其蛋白质补充量为8 g/d,保持每日总热量摄入(2000±280) kcal(55%碳水化合物,30%脂质,15%蛋白质;1 kcal=4.2 kJ),并对其腿部、手臂和躯干组织使用双能X射线吸收测定法测量瘦体重。16个月后,实验组全身所有区域的瘦体重增加了24%,并且在口服营养补充蛋白质的18个月后增长更加稳定,实验组组体重指数的平均值从20.9±1.2增加到22.3±1.7(P<0.05),且治疗期间未观察到显著的副作用。这些初步数据表明,口服蛋白质营养补充剂显著增加了患有肌肉减少症的老年人的全身瘦体重,能有效抵抗老年人肌肉衰减现象。安宁等[30]将16名健康状况良好的成年男性分为对照组和实验组,实验组每日早、午、晚三次给予30 g乳清蛋白,同时对照组给予等量水,结果显示,实验组肌肉力量高于对照组5.4%,肌肉量高于对照组4.5%。肌肉生长需要充足的氮源补充来合成肌肉蛋白,成人每日最佳蛋白质补充剂量为0.8～1.0 g/kg[31],市面现有的产品中多以浓缩乳清蛋白、分离乳清蛋白、水解乳清蛋白等作为主要蛋白质来源,除乳蛋白外,还有多种以优质动物蛋白为来源的蛋白补充产品。

2.1.2β-羟基-β-甲基丁酸(HMB) HMB是人体必需氨基酸亮氨酸的一种代谢中间产物,广泛存在于柑橘类水果、花椰菜、紫苜蓿等。它有助于减少机体炎性反应、维持骨骼肌蛋白稳态,通过抑制蛋白质分解和刺激蛋白质合成来减轻肌肉萎缩,从而增加肌肉质量和力量[32],在运动和健美方面得到广泛应用,国标GB24154-2015中CaHMB的建议使用量为1～3 g/d[33],可作为营养强化剂适量添加到饮料、巧克力以及糖果、烘焙食品、特殊膳食等食品中。近年来HMB也被应用于临床上对肌肉消耗的治疗,有研究表明HMB可以增加患者瘦体重和肌肉力量[34],预防肌肉减少、增加肌肉量,并减少不良愈后风险[35]。Nicolaas等[36]给与实验组中的卧床受试者每日两次、分别为1.5 g的CaHMB摄入,给与对照组等量无活性安慰剂,在卧床休息前5 d开始提供治疗直至结束康复阶段。数据显示,对照组的力量损失高于实验组42.6%。在恢复期结束时,卧床休息导致对照组总瘦体重下降(2.05±0.66) kg,显著高于实验组下降值(-0.17±0.19) kg。此外,将HMB应用于动物饲料中,对家畜肌肉生长的促进作用也很显著。乔璇等[37]对刚出雏的雄性肉雏鸡分别饲喂CaHMB添加量为0(对照组)、0.05%、0.10%、0.15%和0.20%的饲料,试验期42 d。结果显示,0.1% CaHMB添加组的肉仔鸡腿肌率较空白对照组提高12.61%。

2.1.3 维生素D 维生素D是刺激肌肉生长的关键营养素[38],与机体活动能力关系密切。维生素D对肌肉的发育和修复至关重要,它能够调节机体钙稳态、调节骨骼肌细胞的增殖和分化并强化骨骼[39],维生素D缺乏人群的肌肉萎缩现象相比于正常人群更为明显[40]。Foo等[41]通过双能X射线吸收测定法测量受试者全身和远端和近端前臂的肌力,维生素D充足的受试者肌力等各项指标分别高于维生素D缺乏女性8.3%、6.25%和69%。肌肉衰减患者日常补充维生素D时应适量多食海鱼、动物肝脏和蛋黄等维生素D含量较高食物,建议补充剂量为15～20 μg/d,其中维生素D2与维生素D3可以替换使用[42]。

2.1.4 激素 激素对机体的生长、发育、代谢等行为都起着重要的调节作用。在促进肌肉生长方面,睾酮具有代表性作用,它是一种类固醇荷尔蒙,由男性的睾丸或女性的卵巢、肾上腺分泌,低剂量摄入具有维持肌肉强度及质量、维持骨质密度及强度、提神及提升体能等功能[43]。尹会男等[44]在每日对SD雌性大鼠注射1 mL/kg地塞米松诱导产生骨骼肌萎缩模型后,给予模型大鼠每日5 mg/kg睾酮注射,并设空白对照组。实验组趾长伸肌、胫骨前肌重量与肌纤维等质量分别高于对照组大鼠10%、8.6%和11%。然而,过量摄入睾酮则会对心脑血管以及各脏器产生不可逆伤害,体育赛事中的药物滥用者往往为追求较高的肌肉质量和力量而深受其害[42]。此外,甲状腺激素、生长激素等也有类似效果。有实验表明,摄入低剂量激素可预防或延缓肌肉衰减,但作用效果的稳定性还有待进一步证实。

2.1.5 肌酸 肌酸是机体内可合成的一类氨基酸营养素,能够再造ATP,是爆发性用力动作的能量来源[45]。此外,它还能够提升胰岛素类生长因子在肌肉中的含量,并使快肌纤维保持水分，提高肌糖原储备,增加肌肉力量和持久力,达到肌肉增加的目的。在抗阻运动前后连续、低剂量补充肌酸能够显著改善骨骼肌质量、力量和功能[46],可安全用于老年人肌肉衰减方面的治疗。Sipilä等[47]持续每日给肌肉衰减患者补充1.5 g肌酸,一年后患者Ⅱ型肌纤维的直径较治疗前增加46%。虽然肌酸与老年人群中度到高强度的运动相结合可以改善骨骼肌健康,但有效剂量和持续时间等方面还需要进一步的研究来确定。

2.1.6 其他营养因子 还原型辅酶Q是一种脂溶性醌类化合物,是细胞代谢、呼吸作用的激活剂,同时也是重要的抗氧化剂和免疫反应中的非特异性免疫增强剂[48]。辅酶Q能清除机体内的自由基、减少氧化应激,保护细胞器、防止细胞氧化损伤和凋亡[49],在一定程度上通过抗氧化能力抑制骨骼肌细胞的衰减,从而达到抑制肌肉衰减目的。

益生菌制剂通过使机体摄入益生菌或益生元的方式,调整机体内微生态平衡,从而使机体恢复或维持健康状态。Rodrigues等[50]的大鼠实验表明,用每日1 mL浓缩双歧杆菌喂养的32只雄性Wistar大鼠,平均体重(109.9±6.27) g,其胫骨钙、镁、磷含量分别较对照组上升18%、15%和32%,肌肉衰减症状有明显改善。Weaver等[51]的实验证明,青少年摄入额外益生菌后,肌肉力量提高12%。

中医学认为[52]肾主骨、脾主肉、肌肉主要靠脾胃提供的水谷精微滋养,肌肉衰减主要与肾虚、脾虚和血瘀有关,强调应以补肾、健脾、活血作为调理方式,辅以适度运动。

2.2 医学治疗肌肉衰减的方法

2.2.1 干细胞(卫星细胞)植入治疗肌肉衰减 Sato等[53]的小鼠实验中,将骨骼肌干细胞植入小鼠体内,有明显的骨骼肌细胞增加现象。还有研究表明,脂肪干细胞在多种基因、蛋白和信号通路交互作用的条件下或是在特定选择培养基筛培养下可被诱导分化出骨骼肌成肌细胞,能够提高骨骼肌细胞数量从而恢复机体活力[54]。Liu等[55]从成人脂肪组织中分离出Flk-1+间充质干细胞(MSCs),诱导它们分化成骨骼肌细胞并用荧光标记。在瓶底细胞达到50%汇合时,将Flk-1+AD-MSC培养物转换为肌原性培养基。将Flk-1+AD-MSCs移植到小鼠的预处理肌肉中,2周后观察到阳性细胞,它们被整合到新形成的肌纤维中,具有位于中心的细胞核。在移植后4周,观察到具有外周定位细胞核的肌纤维簇,且几乎均为阳性荧光细胞。在移植后12周观察到相当数量阳性肌纤维。Flk-1+AD-MSCs也能分化为肌肉卫星细胞等,从而可能修复肌肉衰减。这在理论上提供了骨骼肌衰减症的防治方向,但具体的安全性和实施条件还有待进一步的研究。因此干细胞治疗暂未应用于肌肉衰减的治疗。

2.2.2 适度的抗阻运动抵抗肌肉衰减 适度的抗阻运动可以有效地减缓肌肉衰减患者的病情[56]。运动不仅能提升肌肉的力量,还能提升肌肉质量,改善人体机能。Roth等[57]对受试者进行了6个月的全身ST力量反应训练,每周三日锻炼机体所有主要肌肉群,ST方案前后通过磁共振成像评估大腿和股四头肌肌肉体积以及大腿中段肌肉横截面积(CSA)。结果显示,青年受试者的肌肉增加3.8%、大腿中部肌肉横截面积增加5%、腿部肌肉力量提高28.9%、胸部肌肉力量提高28.9%,老年受试者的肌肉增加1.6%、大腿中部肌肉横截面积增加3.7%、腿部肌肉力量提高19.7%、胸部肌肉力量提高16.7%,抗阻运动效果显著。

运动时消耗大量能量且伴随着大量蛋白分解,运动后及时补充蛋白质及能量可以使机体内蛋白分子结合成平衡,达到最佳运动效果，再辅以功能食品的协同下,抗阻运动的成效会更加显著[58]。

3 具有抵抗肌肉衰减活性的食品现状

人们都希望通过健身来促进肌肉生长、提升肌肉质量、预防肌肉衰减,但是单纯的依靠增肌训练来增加肌肉、达到预期效果是很困难的。研究表明,促进肌肉生长不能只靠单纯的力量训练,还要补充充足的营养。而独立包装的蛋白粉类冲剂、片剂等产品由于具有高蛋白低能量且方便食用、效果显著等优点成为了大多数健身健美人士的首选。

3.1 分离乳清蛋白粉

张晓圆等[59]的实验证明术前等速离心训练联合补充乳清蛋白可以显著增加患者肌力,且效果优于单纯训练。但由乳清直接烘干得到的乳清蛋白粉末蛋白含量极低,往往要经过进一步加工成浓缩乳清蛋白应用于产品。而分离乳清蛋白是在浓缩乳清蛋白的基础上经过进一步的加工处理后纯度可达90%以上的高纯度乳清蛋白,更易被人体消化吸收,具有抗氧化、抗菌、抗病毒及免疫等功能[60]。分离乳清蛋白中高含量的优质蛋白能为某些特定需要的人群(婴儿和住院病人等)提供所需的优质蛋白。此外,分离乳清蛋白所含有的生物活性化合物如α-乳清蛋白、β-乳球蛋白、乳铁蛋白以及免疫球蛋白,可以调节人体的免疫力。同时,分离乳清蛋白也含大量BCAA(支键氨基酸),可以极为有效的补充肌肉所需的养份,是目前最适合增加肌肉成长和病患恢复健康的营养补充品。

Arla食品、达能、恒天然等乳品企业都有分离乳清蛋白类产品,但由于分离乳清蛋白成本较高,目前多作为主要配料添加在牛初乳粉、增肌粉等各类蛋白质型功能食品中,如汤臣倍健增肌蛋白粉、美国麦斯泰克增肌粉等,其蛋白含量均在75%左右。在诸如美国狄马泰斯等品牌旗下,也有蛋白含量能达到90%左右的纯分离乳清蛋白粉和调味分离乳清蛋白粉等产品。

3.2 增肌粉和蛋白粉

常见的促进肌肉增长的营养补充剂被用于运动后能量以及日常蛋白质的补充,是一种将高品质浓缩蛋白和其他促进肌肉生长的营养物质合理配比后调制成的固体饮料,大致分为蛋白粉(whey)和增肌粉(mass)两种。

蛋白粉的主要成分是蛋白质和氨基酸,一份蛋白粉的热量通常在250 kcal以内,蛋白质含量可以达到85%以上;增肌粉在蛋白粉的基础上增加了碳水化合物、维生素及其他矿物质的比例,一份增肌粉的热量通常在600 kcal以上,有的增肌粉热量甚至在1000 kcal以上,蛋白质含量在25%～35%之间。增肌粉中含有高额的热量、碳水化合物、糖分和中等分量的蛋白质,一般增肌粉中碳水化合物和蛋白质的比例在2∶1～3∶1,而蛋白粉则是以高质量的蛋白质为主,碳水和蛋白质的比例可达到1∶6～1∶9。

一般而言,增肌粉因其单位热量较高而适用于体质较瘦弱,以及处于增肌期的健身爱好者,容易发胖或处于减脂期的人群食用蛋白粉效果更佳。通常运动后食用增肌粉补充能量,早起和睡前食用蛋白粉补充蛋白。

国内外增肌粉和蛋白粉品牌繁多,汤臣倍健-健乐多、北京康比特、美国Muscle Pharm、ON、捷克Nutrend等品牌均有种类丰富的产品在售,其中成分多为乳清蛋白、维生素和钙、铁、钠等矿物质,部分产品中还添加了肌酸及HMB等营养强化剂以强化其增肌作用。

3.3 饱腹零食

饱腹零食是一类高蛋白且低糖低脂的代餐食品,目前大致分为鸡肉类、牛肉类、谷物类以及蛋白棒等,依靠其成分特性在饱腹的同时提供充足的蛋白质补充、提高运动能力、调整机能状态、促进消除疲劳[61]。由于这一类食品中纤维含量较高,在体内消化代谢时会吸水膨胀给人以饱腹感,以此降低食欲和进食量从而降低能量摄入。与此同时,其中的优质蛋白为肌肉生长提供充足原料,增肌的同时尽可能的避免了体脂肪率的升高。

现有饱腹零食包括鲨鱼菲特即食鸡胸肉、牛肉等肉类熟食品,型食主义、DGI等品牌的控能高蛋白代餐棒、能量棒等抗阻运动后即食补充蛋白和能量的产品，主要特点为饱腹、高蛋白、低脂且口感佳、口味丰富。

4 结论与展望

目前对肌肉衰减发病机制的研究还在不断的完善过程中,其防治手段以抗衰老、促进肌肉生长为主,中西医防治手段混杂食疗运动等方法,尚未出现完善、系统的治疗范式。现有产品也大多面向运动员和健身人群,成分大同小异,效果参差不齐。国内外对抗肌肉衰减食品开展了探索与试验,但仍处于初步阶段,大量的机理与技术问题亟需解决。未来的发展方向应侧重于骨骼肌衰减发病的机理的完善以及功能性食品的开发,如具有抵抗肌肉衰减功能的活性物质筛选、活性成分的挖掘、活性功能的验证、活性的提高、功能产品的研发,抗肌肉衰减功能评价体系建立、产品标准设定等方面。