有氧运动对肥胖青少年左心室射血分数的急性影响

孙 朋，李世昌，陈祥和，赵常红，于凤至，王 静，刘 欣，郭安静

肥胖是诱发左心室重塑的重要危险因素（彭雪莲 等，2019；吴庆 等，2019）。研究发现，肥胖青少年左心室的内径、体积、厚度和质量均高于正常体重人群（Mangner et al.，2014）。左心室病理状态的重塑能够进一步引发左心室收缩功能障碍，并继发性地引起心血管系统相关疾病（范苗 等，2018）。研究发现，肥胖引起的心血管疾病的发病率和死亡率存在性别差异（Davel et al.，2018）。左心室射血分数（left ventricular ejection fraction，LⅤEF）是衡量左心室收缩功能的经典指标（刘修颖 等，2020）。无论在人体（Park et al.，2020）还是在动物实验（Ⅴileigas et al.，2019）中，肥胖均能引起LⅤEF 降低，以及系列心血管疾病（Kurgansky et al.，2020；Mouton et al.，2020）。美国心脏协会（American Heart Association，AHA）报道，LⅤEF 降低是发生心衰、心肌梗死等疾病的高危险因素（Takada et al.，2020）。实验和临床研究表明，基础状态下LⅤEF 存在性别差异（Dewan et al.，2020；Gebhard et al.，2020；Rossello et al.，2020），且该差异随着年龄的增长进一步扩大（Gebhard et al.，2017）。LⅤEF 性别间的差异，可能也是引起心血管疾病发生率和死亡率性别差异的重要因素（Gebhard et al.，2020），但目前尚不清楚LⅤEF性别差异的具体机制。

肥胖引起LⅤEF 降低的机制比较复杂，目前尚不完全清楚。研究认为，LⅤEF 受左心室前负荷［如左心室舒张末期容积（LⅤEDⅤ）］和后负荷［如总外周阻力（TPR）］的影响（Dahle et al.，2016），而肥胖是引起左心室负荷变化的重要因素（Mouton et al.， 2020）。研究认为，运动能够改善左心室的收缩功能（Kondamudi et al.，2017），从而有效降低心血管疾病的发病率和死亡率（Green et al.，2017）。但是，目前有关运动引起LⅤEF 变化的研究结果尚存在一定争议。Tucker 等（2019）发现，有氧运动能够提高LⅤEF并伴随LⅤEDⅤ的增加；Dubach 等（1997）则发现，有氧运动并未改变LⅤEF 和LⅤEDⅤ；Hambrecht 等（2000）研究报道，有氧运动能够引起TPR 的显著降低；但Dubach 等（1997）并未发现运动后机体TPR 的降低。此外，左心室收缩末容积（LⅤESⅤ）也是影响LⅤEF 的重要指标（Kerkhof et al.，2020），认为运动引起的LⅤESⅤ降低与LⅤEF 升高密切相关。但也有研究发现，运动并不能引起LⅤESⅤ的 变 化（Dubach et al.，1997）。综 上，运 动 引 起LⅤEF、LⅤEDⅤ、TPR 和LⅤESⅤ等指标的变化，可能受到人群特征、运动模式、运动强度和持续时间的影响（Haykowsky et al.，2007）。研究普遍认为，中等强度的有氧运动是一种改变左心室重构和收缩功能安全有效的干预手段（Tucker et al.，2019）。但是，目前尚不清楚有氧运动是否会引起肥胖青少年LⅤEF 的急性变化，是否存在性别间的差异。因此，分析运动后肥胖青少年人群LⅤEF 的急性变化，有助于理解运动应激对肥胖青少年LⅤEF 影响的作用效果，并进一步揭示其可能机制。

基于上述分析，本研究拟通过对肥胖青少年进行45 min 中等强度的有氧运动干预，研究运动前、运动后30 min 和60 min 肥胖青少年左心室形态与功能、血流动力学和血清生化指标等的急性变化，试图探讨该变化是否存在性别差异，并进一步揭示引起该变化的可能机制。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

共招募70 名单纯性肥胖青少年（BMI＞28）受试者，其中男37 人，（15±3）岁；女33 人，（16±3）岁。用Lipid Research Clinics Questionnaire（LRCQ）问卷对受试者的身体活动水平进行调查（Ainsworth et al.， 1993）。所有受试者 均 没 有 吸 烟、高 血 压（SBP＜140 mmHg，DBP＜90 mmHg）和心血管疾病史。为了减少雌激素对动脉僵硬度的影响，所有女性受试者均被要求在月经周期的卵泡早期接受测试（Ounis-Skali et al.，2006）。所有参与者均签署实验知情同意书，该研究得到华东师范大学人类伦理审查委员会批准。

1.2 实验设计

所有受试者进行2 次生理和生化指标测试：第1 次测试的主要内容为安静心率（HRrest）、最大摄氧量（O2max）和最大心率（HRmax），要求受试者完成健康调查问卷、身体活动能力调查问卷和实验知情同意书等；第2 次测试的主要内容为有氧运动前后左心室形态与功能、血流动力学和血清生化指标等。2 次测试前24 h 内禁止中等强度以上的体力活动，并禁止饮酒和咖啡，所有受试者要求在餐后3 h 进行测试。为了避免时间节律对左心室功能产生影响，所有测试均被安排在每天15：00—20：00 进行（Sun et al.，2015，2016）。

1.3 有氧运动方案

所有受试者首先进行5 min 跑台热身，然后佩戴心率带（Polar Electro，Woodbury，NY）进行70%心率储备（HRR）的有氧运动，通过心率带监控实时心率。运动目标心率（HRtarge）=（HRmax-HRrest）×70%＋HRrest。

1.4 身体形态指标的测量

用自动身高体质量测量仪（HGM-1700）测量受试者的身高和体质量，并利用公式计算受试者身体质量指数（body mass index，BMI）和体表面积（BSA）：BMI=体质量/身高2，BSA=0.006 1×身高＋0.012 4 ×体质量-0.009 9。

受试者 佩 戴Polar 心 率 带（Polar Electro， Woodbury，NY， USA）记录实时心率，K4b2心肺功能测定仪（Cosmed，Rome，Italy）分析受试者的代谢气体，Bruce 跑台模式测试受试者O2max（Bruce，1974），运动自觉量表（rating of perceived exertion， RPE）进行运动等级的评价（Noble et al.，1983）。同时出现以下2 个条件时，受试者即可停止运动，即时测得心率即为HRmax（McConnell，1988）：1）当按照Bruce 方案继续增加运动负荷时，实时心率不再增加；2）当继续增加运动负荷时，实时O2max不再继续增加；3）当受试者不能继续按照Bruce 方案进行运动；4）当呼吸商（RQ）＞1.1。

1.6 血流动力学指标的测量

受试者采取仰卧姿态，自动血压测量仪（HEM-907 XL，Omron，Shimane，Japan）测量受试者右臂的肱动脉收缩压（SBP）和舒张压（DBP）。脉搏波分析仪（Millar Instruments，Houston，TX，USA）获取右侧桡动脉波形，并用肱动脉平均脉压（MAP）和DBP 进行校正（Khera et al.，2005）。SphygmoCor 软 件（SphygmoCor，AtCor Medical，Sydney，Australia）构建中央动脉脉搏波形（Dikaiou et al.，2020），并计算左心室收缩末期压（ESP）。

1.7 左室形态及功能指标的测量

根据美国超声心动图学会（ASE）和欧洲协会心血管影像协会（EACⅤI）的建议（Nagueh et al.，2016），所有受试者均仰卧在测试床上，彩色多普勒超声仪器（SSD-α10，Aloka，Tokyo，Japan）M 模式下，利用二维脉冲（PW）多普勒超声技术，测量运动前后左心室的形态。1）操作时，探头放于胸骨左缘3～4 肋间，扫描方向与右胸锁关节至左乳头连线相平行。用胸骨左缘左室长轴面方式测取左室LⅤEF 和左室重量（LⅤM）等指标。2）探头置于心尖，探头方向倾斜于心底部。用心尖左室长轴断面二心腔方式测取左心室收缩末内径（LⅤIS）、左心室舒张末内径（LⅤ-ID）、左心室收缩末长轴面积（LⅤLAS）、左心室舒张末长轴面积（LⅤLAD）、左心室舒张末容积（LⅤEDⅤ）、左心室收缩末容积（LⅤESⅤ）和左心室每搏输出量（LⅤSⅤ）等指标。

1.8 TPR的测量

受试者采取仰卧位，左手中指佩戴压力传感器，通过手指容积描 记 仪（Finometer，FMS，Amsterdam，Netherlands）实时检测血流动力学变化。通过心电图确认2 个相邻R 峰作为1 个心动周期，记录任何连续3 次或以上心跳，记录心跳间期（IBI）和相应的SBP 在同一方向上的变化。记录5 min 的测量数据，用WinCPRS 软件计算各期回归曲线的斜率，通过分析获取TPR。

1.9 血清生化指标的检测

血液样本取自受试者前臂肘静脉，全血3 000 rpm 离心10 min，分离血清，-80 ℃冰箱保存待分析。通过比色法，用全自动生化分析仪（Advia 2400，Siemens Healthineers，Erlangen，Germany）测定血清甘油三酯（TG）、总胆固醇（TC）、低密度脂蛋白（LDL-C）和高密度脂蛋白（HDL-C）的含量。采用放射免疫分析法（RIA 试剂盒，Cisbio Bioassays，Codolet，France），测量血清雌二醇（ER）的浓度。酶联免疫法（ELISA 试剂盒）检测血清一氧化氮（NO）（Human Nitric Oxide ELISA Kit，Cusabio，China）、脂联素（APN）（Human Adiponectin ELISA Kit，Cusabio，China）和白介素-6（IL-6）（Human IL-6 ELISA Kit，DRG International，Inc.，USA）的浓度，酶标仪在450 nm 波长下测定吸光度（OD 值），通过标准曲线计算血清NO、APN 和IL-6 的含量。

1.10 统计分析

所有数据均用平均值±标准差（M±SD）表示，并采用SPSS 22.0 进行分析。独立样本t检验分析基础状态下性别间体征、生理和生化指标的差异；重复测量协方差分析法（ANCOⅤA）分析运动前、运动后30 min 和60 min（2 性别×3 时间点）相关指标的性别差异，O2max和基础状态的肱动脉SBP 作为协因素。当性别和时间交互影响存在显著差异时，Bonferroni 法进行事后检验。P＜0.05 定义为存在统计学意义上的显著性。

2 结果

分析受试者安静状态的身体特征和生理指标发现，年龄、BMI、HRrest和DBP 等指标均不存在性别差异。但是，男性的身高、体质量、O2max、HRmax、HRtarge、LⅤMI 和SBP 等指标均高于女性（P＜0.05，表1）。

表1 受试者安静状态体征及生理指标Table 1 Physical Signs and Physiological Indexes of Subjects in Quiet State M±SD

分析受试者安静状态下血清生化指标发现，甘油三酯（TG）、总胆固醇（TC）、IL-6HE 和APN 等指标均不存在性别差异；低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）、高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）、NO 和ER 等指标存在性别差异（P＜0.05，表2）。

表2 受试者基础状态血清生化指标Table 2 Biochemical Characterization of Serum on the Basal Condition of Subjects M±SD

分析有氧运动对左心室形态和功能指标的影响发现，相对于运动前水平，在运动后30 min LⅤEF（59.97±7.64 到64.00±7.02）和LⅤSⅤ（68.01±16.74 到76.85±18.35）显著升高，LⅤESⅤ（50.63±19.97 到44.51±18.93）和LⅤIS（56.76±8.94 到53.32±9.84）显著降低（P＜0.05，图1A、图1B、图1D、图1F）；左LⅤESⅤ和LⅤIS 从运动前到运动后30 min 和60 min 的变化，均不存在统计学意义上的显著性差异（图1C、图1F）。

图1 有氧运动对左心室形态指标的影响Figure 1. The Changes of Left Ventricular Morphological Parameters following Aerobic Exercise

进一步ANCOⅤA 发现，从运动前到运动后30 min 和60 min，LⅤEF、LⅤSⅤ、LⅤESⅤ、LⅤIS 和LⅤLAS 等指标在性别间均存在性别和时间交互作用下的显著性差异（P＜0.05，表3），而LⅤEDⅤ、LⅤID、LⅤLAD 等指标该差异不具有显著性（图2）。

表3 重复测量协方差分析结果显著性Table 3 The Repeated Measurement Covariance Analysis Results M±SD

对可能影响左心室收缩功能的相关负荷因素分析发现，从运动前到运动后30 min 和60 min，ESP 仅存在时间作用下的显著性差异（P＜0.05），不存时间和性别交互作用下的显著性差异（图3A）；而TPR 的变化则存在时间和性别交互作用下的显著性差异（男性：0.056 4±0.016 1，0.052 5±0.015 4，0.055 3±0.014 8；女性：0.067 9±0.025 3，0.058 2±0.010 3，0.067 6±0.019 2）（P＜0.05，图3B）。

图3 有氧运动对左心室负荷参数的影响Figure 3. The Changes of Left Ventricular Load Parameters following Aerobic Exercise

进一步对可能影响动脉功能的相关血液生化指标进行分析发现，从运动前到运动后30 min 和60 min，影响动脉舒张功能的血清NO 水平存在时间和性别交互作用上的显著性差异（男性：8.71±3.40，10.14±4.29，9.50±3.35；女性 ：9.91±3.38，15.61±4.60，11.99±3.34）（P＜0.05，图4C）；影响NO 表达的重要调控因子血清ER 水平也存在时间和性别交互作用上的显著性差异（男性：53.74±10.87，53.83±11.03，53.80±9.38；女 性：122.61±36.50，135.29±40.07，124.92±40.43）（P＜0.05，图4D）；与运动炎症水平相关的IL-6 仅存在时间因素上的差异，在时间和性别交互作用上不存在显著性差异（图4A）；脂肪因子APN在时间和性别交互作用上不存在显著性差异（图4B）。

图4 有氧运动对血液生化指标的影响Figure 4. The Changes of Blood Biochemical Indexes following Aerobic Exercise

3 讨论

本研究通过对肥胖青少年进行急性有氧运动干预后发现，中等强度急性有氧运动能够显著提高肥胖青少年的LⅤEF，伴随LⅤSⅤ的增加以及LⅤESⅤ和LⅤIS 的降低，并且该变化存在性别差异，主要表现为运动后30 min 女性LⅤEF 和LⅤSⅤ增加以及LⅤIS 和LⅤLAS 的降低程度显著大于男性。进一步研究发现，运动后30 min 女性TPR降低程度大于男性，同时血清NO 和ER 增加程度也显著高于男性。

肥胖能够引起左心室重构和左心室收缩功能受损（Mangner et al.，2014；Park et al.，2020；Ⅴileigas et al.，2019）。研究发现，运动能够改善心衰病人左心室的收缩功能（Kondamudi et al.，2017）。LⅤEF 是评价左心室收缩功能的经典指标（刘修颖 等，2020），但运动是否能够提高肥胖人群的LⅤEF，进而改善左心室的收缩功能尚不清楚。本研究发现，一次中等强度有氧运动能够显著提高肥胖青少年LⅤEF，在运动停止60 min 后，LⅤEF 能够逐渐恢复到运动前水平，说明中等强度有氧运动能够引起肥胖青少年左心室收缩功能的应激变化。研究认为，LⅤEF与LⅤEDⅤ和LⅤESⅤ密切相关（Kosaraju et al.，2020）。研究进一步发现，在运动后30 min LⅤESⅤ显著降低，而LⅤEDⅤ并没有变化，提示，运动引起的LⅤEF 增加可能是通过LⅤESⅤ的降低引起的。本研究还发现，LⅤSⅤ在运动后30 min 显著增加，同时LⅤIS 显著降低，进一步支持了上述观点。因此认为，有氧运动能够引起肥胖青少年LⅤEF的急性升高，该变化主要通过降低运动后LⅤESⅤ而引起，LⅤEDⅤ并未影响运动后LⅤEF 的变化。

研究发现，肥胖引左心室功能的损伤存在性别差异（Khera et al.，2005），由肥胖引起的心血管疾病的发病率和死亡率也存在性别差异（Davel et al.，2018；Dikaiou et al.，2020）。但是，运动引起肥胖青少年LⅤEF 的变化是否也存在性别差异，尚不清楚。为了揭示运动引起肥胖青少年左心室收缩功能的急性变化是否也存在性别差异，本研究分析了运动后LⅤEF 在性别间的变化发现，有氧运动引起LⅤEF急性变化存在性别差异，主要表现为运动后30 min女性LⅤEF 急剧升高，而男性则相对平稳。此外，LⅤSⅤ、LⅤIS和LⅤLAS 等影响LEⅤF 相关指标的变化也存在性别差异，主要表现为女性LⅤSⅤ急剧增加以及LⅤIS 和LⅤLAS 的显著降低。提示，有氧运动引起肥胖青少年LⅤEF 的变化存在性别差异，运动引起女性LⅤEF 急性升高的水平显著高于男性，并且该差异主要由性别间LⅤESⅤ变化的差异引起。

ESP 与TPR 是影响LⅤESⅤ的重要因素（Bastos et al.，2000；Nguyen et al.，2020）。在正常生理范围内ESP 的降低，能够引起左心室后负荷的降低，使心肌具有更大的收缩水平，从而降低LⅤESⅤ。而TPR 的降低，则能够降低左心室在收缩期间的压力，提高心肌收缩的效率，最终也会引起LⅤESⅤ的降低。为了进一步揭示运动引起肥胖青少年LⅤESⅤ性别差异的具体原因，分析运动后ESP 与TPR在性别间的变化发现，运动能够引起ESP 降低，但该变化并不存在性别差异。而运动引起的TRP 变化则存在时间和性别交互影响上的显著性差异，主要表现为运动后30 min 女性TPR 急剧降低。提示，运动引起的TPR 在性别间变化的差异，可能是运动引起LⅤESⅤ变化性别间差异的主要因素。

动脉的舒张功能和顺应性是决定TPR 的重要因素（孙朋 等， 2012）。研究认为，机体的炎症水平能够影响动脉的舒张功能（Mouton et al.，2020），而在肥胖个体中巨噬细胞会分泌大量促炎因子，增加机体的慢性炎症水平（Khera et al.，2005）。此外，急性运动也会引起机体急性炎症水平的升高（贺强 等，2016）。为了进一步验证运动引起TPR 变化的性别差异是否由炎症水平的差异引起，检测受试者血清IL-6 的水平发现，急性运动能够引起血清IL-6 的暂时性升高，但是该变化并不存在性别差异。此外，也有研究报道脂肪细胞分泌的APN 能够通过AMPK-eNOS 信号对血管内皮细胞的分泌功能进行调控，从而改善动脉的舒张功能（于凤至 等，2020）。Di Chiara等（2019）发现，血清APN 水平与LⅤEF 密切相关。本研究对受试者机体血清APN 水平检测结果显示，运动引起血清APN 水平的变化并不存在性别差异。提示，运动诱导的机体炎症和APN 表达水平的变化并不是影响运动引起TPR 性别差异的相关因素。

NO 被认为是调控内皮功能的重要因素（高远生，2017；刘伟 等，2017），对改善动脉舒张功能、降低动脉僵硬度和保护心脏具有重要作用（Meng et al.， 2019）。研究报道，有氧运动能够提高血清NO 水平（张鹏程 等，2017；Kruse et al.，2018）。本研究发现，运动引起血清NO 水平的变化存在性别差异，特别是在运动后30 min，女性肥胖青少年血清NO 升高的幅度显著大于男性。推断运动后血清NO 水平的差异，可能是引起运动后TPR 变化性别间差异的主要因素。相关研究认为，ER 是调控NO 分泌的重要因子之一（王丽 等，2016；Bai et al.，2019），ER 通过与膜受体ERα 耦联，进一步激活eNOS，进而上调内皮细胞分泌NO 的水平（Ozemek et al.，2020）。Hellsten 等（2019）发现，运动能够提高机体血清ER 水平，并改善动脉的舒张功能。Seals 等（2019）也发现，运动后机体血清ER 和NO 水平均显著增加。为了进一步验证运动引起血清NO变化的性别差异是否由运动引起性别间ER 表达水平的差异所致，对受试者血清ER 水平进行检测发现，运动引起血清ER 的变化存在显著的性别差异，特别是在运动后30 min，女性血清ER 水平显著升高，而男性相对平稳。因此认为，运动引起性别间血清ER 表达水平的差异，可能是运动引起血清NO 表达水平性别差异的主要因素。

4 结论

1）中等强度急性有氧运动能够引起肥胖青少年左心室收缩功能的应激变化，主要表现为运动后LⅤEF 的急性增加。

2）运动引起肥胖青少年LⅤEF 的急性变化存在性别差异，主要表现为运动后女性LⅤEF 增加的幅度显著大于男性。

3）有氧运动引起LⅤEF 急性变化性别间差异的主要机制：运动刺激引起肥胖青少年ER 分泌水平存在性别差异；不同浓度的ER 与内皮细胞膜上的ERα 受体耦联，引起内皮细胞分泌NO 表达量的差异；不同浓度的NO 引起动脉舒张水平的差异；动脉舒张水平的差异引起TPR 的差异，直接导致LⅤESⅤ的差异，并最终表现为LⅤEF 性别间的差异。