最大脂肪氧化强度跑步运动对早期动脉硬化的影响研究

杜卫提, 王 强

(1.安徽建筑大学 体育部,安徽 合肥 230601，2.合肥师范学院 体育科学学院,安徽 合肥 230601)

动脉硬化是随着增龄而出现的血管疾病，随着静坐少动、能量摄入过剩、吸烟、过量饮酒等不良生活方式的聚集，该病已经成为该类人群致残和死亡的主要因素之一。动脉硬化的发展一般分为出现结构和功能变化至斑块形成的早期、动脉狭窄引起缺血症状的缺血期、管腔完全闭塞导致组织坏死的坏死期以及长期缺血导致组织器官纤维化和萎缩的纤维化期。早期发现动脉结构和功能病变并进行及时有效的干预，可以延缓甚至逆转早期动脉硬化，在心血管病的“上游防治”中具有独特意义，是预防这些严重致死性疾病发生的根本措施。

既往研究证实体育锻炼可以降低动脉硬化程度，但研究多集中在验证运动项目或形式的短期作用，缺乏针对早期动脉硬化的运动处方干预的跟踪研究。运动处方各要素中运动强度是决定运动效应的关键因素，最大脂肪氧化强度是单位时间脂肪分解代谢峰值对应的有氧运动强度。有研究证实，最大脂肪氧化强度训练具有改善脂质环境、抗炎等多重作用[1，2]，动脉粥样硬化发生发展与血脂代谢异常、炎症反应、氧化应激关系密切。鉴于此，本项目利用彩色超声多普勒和血压脉搏波检测技术对早期动脉硬化进行危险分层，探讨最大脂肪氧化强度跑步运动对早期动脉硬化的延缓作用，深入分析最大脂肪氧化强度跑步运动延缓早期动脉硬化的机制。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象与分组

从无吸烟史、无饮酒习惯且半年内没有进行过有计划系统锻炼的自愿者中，使用血压脉搏波检测装置、多普勒彩超仪和血液生化检测分析，筛选100名30-60岁成年动脉硬化早期患者受试者作为实验对象，男女各50名。实验前经三级甲等医院常规体检并进行运动负荷测试，除高血脂外，未见有任何神经、内分泌、循环、呼吸及运动系统疾患，近期也无服药记录(表1)。根据颈动脉内膜-中膜厚度为1-1.5mm判断为斑块形成初期，颈动脉内膜-中膜厚度小于1mm，且baPWV大于14m/s为动脉弹性硬度增加。依照分层随机化原则，受试者先按动脉硬化程度分为动脉弹性改变和斑块形成初期两层，每层内再按性别随机分为动脉弹性改变对照组(AEC)、动脉弹性改变+运动干预实验组(AECE)、动脉硬化斑块形成初期对照组(APF)、动脉硬化斑块形成初期+运动干预实验组(APFE)，每组25人，实验组与对照组间身体状况各项指标经检验无统计学差异，其中每组随机抽取5人为实验递补对象，各组实验对象若有因病或事中途退出的，将从递补人员中随机增补，确保每组有效统计数据为20人，所有增补人员按同样要求完成所有实验过程。实验组受试者在实验前已充分了解实验内容、意义与实验过程并签署知情同意书，均表示自愿参加本实验，为了提高实验对象的依从性，课题组通过免费提供健身卡、体格检查、锻炼服装和腕表等物质奖励来提升其体育锻炼的参与度，并定期开展心脑血管疾病防治的专家讲座，提高实验对象疾病防治的认知水平。

表1 受试者身体状况一览表(x±s，n=20)

1.2 仪器

日本欧姆龙Colin公司动脉硬化检测装置(BP-203RPEⅢ)；美国通用公司彩色多普勒超声显像仪(GE730型)；美国麦加菲公司气体代谢分析仪(VO2000)；芬兰POLAR公司心率表(团队型)；上海闪谱酶标仪(SP-Max2300A2)；德国西门子公司全自动生化分析仪(ADVIL1800)。

1.3 研究方法

1.3.1 实验条件控制 实验组和对照组均进行动脉硬化防治的健康教育，教育内容包括饮食、饮酒、吸烟、心理健康等动脉硬化致病因素以及防治策略。对照组不进行任何有组织的运动干预计划，实验组按照预定的运动方案进行干预。

1.3.2 运动方案 受试者休息至少48h以后，早晨空腹，室内温度控制在20-25℃，采用运动跑台、心率表和心肺功能仪完成递增负荷运动机体气体代谢指标测试，确定最大脂肪氧率和对应的心率。测试方案为热身5min，3.5km/h，递增速度，递增幅度为1km/3min，保持水平坡度不变，直至呼吸商达1.00以上，测试过程连续记录心率和摄氧量。采用每级负荷后30s气体代谢数据计算脂肪氧化率，通过3阶数多项式拟合曲线确定脂肪氧化动力曲线和FATmax。脂肪氧化率计算公式：脂肪的氧化(g/min)=1．67VO2(L/min)-1．67VCO2(L/min)。根据最大脂肪氧化率出现时对应的心率，确定每位个体跑步运动强度。

实验组受试者每次按照FATmax强度跑步45分钟，每周4次，实验周期12个月，第1周按85%FATmax强度跑步30分钟进行适应性训练，运动强度每1周递增5%，运动持续时间每1周递增5分钟，直到按100%FATmax，持续运动45分钟完成整个实验周期。受试者按要求佩戴心率表，并记录每次运动情况，运动时间段和场地根据受试者个人作息时间自主安排，遇到雨雪天气，可就近到签订协议的健身馆的跑步机上进行，以完成预定运动计划，每周收集实验对象运动记录，并反馈实验完成情况。

1.3.3 测试指标 1)生化指标测试 实验对象于实验前、实验中第六个月末、实验后空腹采集肘静脉血，分离血清待测TC、TG、HDL-C、LDL-C、IL-1、TNF-α、Ox-LDL；血脂四项试剂盒，南京建成生物工程研究所；IL-1、TNF-α、Ox-LDL的ELISA试剂盒，武汉博士德生物工程有限公司，采用酶免法按照试剂盒要求进行检测。

2)动脉血管结构和功能指标 动脉结构与功能指标分别于实验前、实验中第六个月末、实验后检测；baPWV是反映肱-踝脉搏波速度，PWV越快则反映动脉弹性越低，是评价中央动脉和外周动脉弹性的无创指标；ABI是双侧肱动脉收缩压与踝部动脉收缩压峰值之比，是外周动脉闭塞性疾病有效的评价指标，ABI正常范围1-1.4，大于1.4说明动脉弹性降低，ABI小于0.9说明动脉发生闭塞风险增加；IMT是动脉血管内膜内侧面至中膜外侧面的垂直距离，颈动脉IMT在1.0mm以内为正常，IMT≥1.0mm为增厚，IMT≥1.5mm为斑块形成。

1.4 数据统计

使用SPSS 20.0统计软件进行数据分析，计量数据用x±s表示，实验组与对照组采用独立样本T检验，自身前后比较采用配对样本T检验，以P<0.05表示差异性。

2 研究结果

2.1 FATmax跑步运动对早期动脉硬化患者baPWV作用

脉搏波传导速度是评估动脉弹性功能的金指标，baPWV能反映中央动脉至外周动脉的顺应性，是评价动脉粥样硬化的常用指标。如表2所示，自身前后相比，AEC组与APF组baPWV没有显著变化(P>0.05)，AECE组与APFE组运动干预中和干预后baPWV显著低于干预前(P<0.05)，运动干预后显著低于干预中。与对照组相比，AECE组运动干预中和干预后baPWV显著低于AEC组(P<0.05)，APFE组运动干预中和干预

后baPWV明显低于APF组(P<0.05)。以上研究结果显示，有组织FATmax跑步运动干预能显著降低动脉硬化早期的动脉硬度，改善大动脉弹性，而且干预6个月后具有显著效果，持续干预至12个月持续效果进一步增强，对于弹性改变期而言，12个月的FATmax强度跑步运动可使动脉弹性改善至正常水平，表明运动对早期动脉粥样硬化具有逆转效应。

2.2 FATmax跑步运动对早期动脉硬化患者ABI的作用

踝臂指数是临床诊断外周动脉血管弹性的无创最佳指标。如表3所示，与自身实验前相比，AEC组、APF组实验中和实验后ABI有上升趋势，但变化没有显著性(P>0.05)，APFE组运动干预6个月和12个月ABI显著低于实验前(P<0.05)，AECE组只在实验12月后ABI明显低于实验前。与对照组相比，APFE组实验中和实验后ABI值均显著低于AEC组同实验段值(P<0.05)，AECE组只在实验后ABI值明显低于APF组实验后的值(P<0.05)。以上研究结果显示，有组织FATmax跑步运动能显著降低动脉斑块形成初期的动脉硬度，改善外周动脉弹性，而且随着干预时间延长改善外周动脉弹性效果更明显，从干预时相看，斑块形成初期运动效果要优于弹性改变期。

2.3 FATmax跑步运动对早期动脉硬化患者大动脉IMT的影响

彩色多普勒超声是临床无创检测大动脉中膜-内膜厚度，评价动脉结构变化的常用技术，IMT变化能客观反映动脉结构病变程度。如表4所示，自身实验前、中、后相比，AEC组和APF组IMT没有显著变化(P>0.05)，AECE组与APFE组实验中和实验后IMT显著低于实验前(P<0.05)，AECE组与APFE组实验后IMT值显著低于实验中(P<0.05)。与对照组相比，AECE组和APFE组实验中和实验后IMT均低于同时段AEC组和APF组，差异显著(P<0.05)。以上研究结果显示，12个月有组织FATmax跑步运动能显著降低动脉斑块形成初期和动脉弹性改变期的动脉中膜至内膜的厚度，改善外周早期动脉硬化的结构。

表2 FATmax跑步运动对baPWV的影响(x±s，n=20，cm/s)

※表示自身与实验前比较，P<0.05；△表示自身与实验中比较，P<0.05；☆表示AECE组与AEC组比较，P<0.05；#表示APFE组与APF组比较，P<0.05。

表3 FATmax跑步运动对ABI的影响(x±s，n=20)

※表示自身与实验前比较，P<0.05；△表示自身与实验中比较，P<0.05；☆表示AECE组与AEC组比较，P<0.05；#表示APFE组与APF组比较，P<0.05。

表4 FATmax跑步运动对大动脉中膜-内膜厚度的影响(x±s，n=20，mm)

※表示自身与实验前比较，P<0.05；△表示自身与实验中比较，P<0.05；☆表示AECE组与AEC组比较，P<0.05；#表示APFE组与APF组比较，P<0.05。

2.4 FATmax跑步运动对早期动脉硬化患者血脂的作用

血脂代谢紊乱是导致动脉硬化的重要危险因素，在动脉硬化进程中发挥重要作用。改善血脂是动脉硬化防治的重要策略。如表5所示，与自身实验相比，AEC组、APF组TC、TG、HDL-C、LDL-C以及AECE组、APFE组LDL-C实验中和实验后均没有显著变化(P>0.05)，APFE组和AECE组实验中和实验后TC明显降低(P<0.05)，HDL-C显著上升(P<0.05)。与对照组相比，AECE组与APFE组实验中和实验后TC、TG值均显著降低(P<0.05)，AECE组与APFE组HDL-C显著上升(P<0.05)，AECE组与APFE组LDL-C有降低趋势，但差异不显著(P>0.05)。以上研究结果显示，12个月有组织FATmax跑步运动能持续显著改善血脂环境。

表5 FATmax跑步运动对血脂的影响(x±s，n=20，mmol/L)

续前表

※表示自身与实验前比较，P<0.05；△表示自身与实验中比较，P<0.05；☆表示AECE组与AEC组比较，P<0.05；#表示APFE组与APF组比较，P<0.05。

2.5 FATmax跑步运动对早期动脉硬化患者血清炎症因子的影响

肿瘤坏死因子和白介素-1是重要的促炎细胞因子，参与介导了动脉粥样硬化的发生发展，也是动脉硬化等心血管疾病危险性和预后的标志。如表6所示，与自身前后相比，AEC组、APF组血清TNF-α、IL-1没有显著变化(P>0.05)，AECE组、APFE组实验中和实验后血清TNF-α明显降低(P<0.05)，AECE组、APFE组实验后血清IL-1明显降低(P<0.05)。与对照组相比，AECE组与APFE组实验中和实验后血清TNF-α均显著降低(P<0.05)，AECE组与APFE组实验后血清IL-1均显著降低(P<0.05)。以上研究结果显示，12个月有组织FATmax跑步运动能持续显著降低血管炎症反应状态。

表6 FATmax跑步运动对血清炎症因子的影响(x±s，n=20，ng/L)

※表示自身与实验前比较，P<0.05；△表示自身与实验中比较，P<0.05；☆表示AECE组与AEC组比较，P<0.05；#表示APFE组与APF组比较，P<0.05。

2.6 FATmax跑步运动对早期动脉硬化患者血清氧化应激指标的影响

氧化低密度脂蛋白是反映动脉血管氧化应激损伤程度的标志物，参与动脉粥样硬化的形成和发展。如表7所示，与自身前后相比，AEC组、APF组血清Ox-LDL没有显著变化(P>0.05)，AECE组实验中、实验后以及APFE组实验后血清Ox-LDL明显降低(P<0.05)。与对照组相比，AECE组与APFE组实验中和实验

后血清Ox-LDL均显著降低(P<0.05)。以上研究结果显示，12个月有组织FATmax跑步运动能持续显著降低血管氧化应激态。

3 讨论

动脉硬化发生发展是缓慢的过程，动脉硬化早期主要发生的事件是动脉管壁微细结构的变化，血管弹性功能降低，及时有效的早期干预是预防这一致死致残率极高性疾病的根本措施。动脉脉搏波检测技术是目前无创检测动脉硬化程度的有效手段。大量研究表明[3,4]，PWV是动脉硬化等心血管疾病独立的预测因子。长期动脉硬化危险因素作用，诱导和加速动脉管壁发生纤维化、钙化、弹力层断裂以及胶原蛋白增多等微细结构变化，导致动脉弹性降低。陈文聪等人研究发现[5]，有规律有氧耐力运动能增加健康老年人的动脉弹性。本研究结果显示，长期FATmax跑步运动能持续降低动脉弹性下降期和斑块形成初期的baPWV，降低动脉硬度，提高动脉顺应性。

表7 FATmax跑步运动对血清氧化应激指标的影响(x±s，n=20，mg/L)

※表示自身与实验前比较，P<0.05；△表示自身与实验中比较，P<0.05；☆表示AECE组与AEC组比较，P<0.05；#表示APFE组与APF组比较，P<0.05。

ABI是外周动脉闭塞性疾病有效的评价指标，并对心血管发病率和死亡率具有良好的预测效果。本研究结果显示，FATmax跑步运动能降低早期动动脉硬化患者的ABI，而对动脉弹性改变期影响比脉斑块形成初期更加明显。有研究发现[6]，ABI对动脉硬化中动脉中膜-内膜厚度以及管径结构的变化评价更加敏感。

动脉硬化早期发生动脉管壁中层钙化、纤维化、增生，IMT能很好反映动脉血管壁结构的这种变化，是致残致死性心脑血管疾病有效的预测因子。大量研究证实，动脉血管内膜中膜厚度增加是冠心病、高血压、缺血性脑病等疾病的重要危险因素。张金春等研究证实[7]，长期运动训练能有效控制高血压患者血压，并能降低颈动脉内膜中层厚度。Tomiyama等人[8]研究证实，平均每周参加至少3次以上剧烈运动个体的颈动脉壁厚度增加速度明显低于不锻炼者。本研究结果显示，长期FATmax跑步运动能显著降低动脉斑块形成初期和动脉弹性改变期的IMT，降低动脉硬度，表明FATmax跑步运动能纠正早期动脉硬化的血管壁异常，修复内皮功能。

传统脂源性学说认为血脂代谢紊乱是导致动脉粥样硬化发生的主要原因。大量临床研究证实，动脉粥样硬化的严重程度与血浆甘油三酯、胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇呈正相关，而与高密度脂蛋白胆固醇呈负相关。血浆低密度脂蛋白胆固醇上升是导致动脉粥样硬化的最重要的危险因素，血浆LDL-C增多容易导致氧化型低密度脂蛋白生成增加，从而参与介导动脉粥样硬化。另外，血脂中的成分特别是胆固醇是斑块组成的基本成分，因此调脂治疗在动脉粥样硬化的治疗中极为关键。大量临床研究显示，改善血脂代谢紊乱可延缓动脉粥样硬化的发展，减少心血管事件的发病率和病死率[9]。研究表明，规律的运动在降低和逆转动脉粥样硬化进程中起到一定作用，能够降低血浆总甘油三酯、血浆低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)，升高血浆高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)和减轻体脂量[10]。研究发现[11]，FATmax运动能显著提高骨骼肌线粒体数量，提高脂肪酸氧化酶以及柠檬酸氧化酶活性，并降低血浆LDL、TC、TG水平和提高HDL水平。本研究结果显示，长期FATmax跑步运动能显著降低动脉斑块形成初期和动脉弹性改变期患者血浆甘油三酯、胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平，升高高密度脂蛋白胆固醇水平。FATmax运动可能通过增加骨骼肌氧化酶活性，加速运动中骨骼肌对血液中游离脂肪酸摄取和利用，进而改善整体脂代谢状态。动脉内皮损伤和脂质沉积是公认的动脉粥样硬化发生发展的始动因素，因此，纠正动脉硬化早期的血脂代谢异常对延缓早期动脉硬化有重要意义。

动脉粥样硬化的发生发展过程中的重要机制是氧化应激。氧化应激和抗氧化防御失衡导致机体活性氧簇紊乱、产生过多，从而导致机体病理损伤，动脉硬化时活性氧簇含量增加导致内皮细胞损伤，其后诱导黏附分子和趋化因子的表达，单核细胞和淋巴细胞被激活和聚集，进一步移置内皮下，单核细胞转化为巨噬细胞，产生更多氧簇，介导LDL氧化修饰为氧化低密度脂蛋白(Ox-LDL)，后者细胞毒作用可促使巨噬细胞形成泡沫细胞，刺激内皮细胞表达释放多种炎性因子和黏附分子，诱导内皮细胞和平滑肌细胞增生、迁移，Ox-LDL是动脉粥样硬化发生发展的关键环节[12,13]。Wallenfeldt K等研究发现[14]，循环中Ox-LDL水平是早期动脉硬化的发展的独立危险因素。因此，降低体内氧化应激态，提高抗氧化能力是降低Ox-LDL的重要措施，对治疗动脉粥样硬化有重要意义。大量研究表明，规律适量的运动能提高机体整体抗氧化能力，发挥延缓衰老，减慢与氧化损伤有关疾病的进程。本研究结果显示，长期FATmax跑步运动能显著降低动脉斑块形成初期和动脉弹性改变期患者循环中Ox-LDL水平，延缓动脉硬化进程，对逆转早期动脉硬化发挥重要作用。长期有氧耐力运动，可能通过激活抗氧化酶重新合成，以适应长期增高的氧化应激。有氧运动训练使线粒体产生适应性变化，线粒体数目增多，酶合成增加，调节机体内气体信号分子/气体信号分子合成酶的表达降低氧化应激状态，改善动脉粥样硬化的病理状态[15]。

炎性损伤与反应学说认为，各种有害因素导致血管内皮损伤及过度凋亡，导致血管壁通透性增加，血浆大分子沉积于血管壁，同时受损或凋亡的内皮细胞持续性释放TNF-α和IL-1等炎性因子，增加周围细胞对凋亡小体的吞饮，释放更多可溶性黏附因子和趋化因子，并在Ox-LDL、巨噬细胞集落刺激因子的介导下促使单核细胞黏附于血管内皮细胞并转换为巨噬细胞，吞噬组织内富含胆固醇的脂蛋白形成泡沫细胞，从而启动脂纹的形成[16,17]。因此，减少有害因素的损伤，降低TNF-α和IL-1等炎性细胞因子释放，阻遏始动因素是动脉粥样硬化早期干预的靶点。研究证实[18]，规律的FATmax运动干预能降低肥胖者血液中CRP、NLR、PLR等炎性因子水平，降低全身炎症状态。本研究结果显示，长期FATmax跑步运动能显著降低动脉斑块形成初期和动脉弹性改变期患者血清中TNF-α和IL-1水平，改善炎症反应状态。肿瘤坏死因子α和IL-1主要是由免疫系统的淋巴细胞和单核/巨噬细胞系产生的细胞因子，具有诱导血管细胞粘附分子-1表达作用，后者能诱导单核细胞粘附在血管内皮上，进而促进和不断放大化学炎症反应过程，维持血管内皮的慢性炎症状态，加速动脉粥样硬化进程。

4 结 论

长期FATmax跑步运动可能通过改善血脂环境，纠正血脂异常，降低血管氧化应激态，减轻血管炎症反应来延缓动脉弹性改变期血管平滑肌增生过程，降低动脉内膜中膜厚度，增加中央动脉和外周动脉血管弹性，降低动脉血管硬度，提高顺应性，并在一定程度上降低动脉斑块形成初期的动脉内膜中膜厚度，改善中央动脉和外周动脉血管弹性，降低动脉血管硬度。