Influence of long-term aerobic exercise sports on microcirculation function and maximum oxygen uptake on the lower limbs of college students
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摘要:
目的 探讨长期有氧运动对大学生微循环功能和最大摄氧量(VO2max)的影响,并对微循环功能与VO2max的关联性进行研究。 方法 以湖北民族大学在校大学生为研究对象,选取70名体育专业大学生为运动组,70名习惯久坐的非体育专业学生为对照组。使用PF6000型双通道激光多普勒血流检测仪对受试者右侧下肢股四头肌皮肤微循环功能进行测试;使用PFT Ergo心肺功能测试系统及所配备的功率自行车对受试者VO2max进行测试。 结果 运动组微血管血流灌注量(MBP)基线值(6.5±1.8)低于对照组(8.1±2.5),但微血管反应性(1 666.3±588.6)高于对照组(1 165.2±407.1);运动组VO2max的绝对值(2 684.8±451.1)mL/min和相对值(42.7±4.3)mL/min均高于对照组(2 474.4±423.5, 35.1±4.8)mL/min(t值分别为-3.42,4.46,2.16,3.25,P值均 < 0.01)。微血管反应性和VO2max(相对值)呈正相关(β=0.40, P=0.03),经皮氧分压和VO2max(相对值)相关无统计学意义(β=0.23, P=0.19)。 结论 长期有氧运动能降低大学生安静时MBP,提高微血管反应性、经皮氧分压,微血管反应性的改善可能是有氧运动提高VO2max相对值的重要外周生理学机制之一。 Abstract:Objective To explore the effect of long-term aerobic exercise on microcirculation function and VO2max of college students, and to explore the relationship between microcirculation function and VO2max. Methods Seventy sports major college students were selected as the exercise group, 70 sedentary non-sports major students were selected as the control group. PF6000 dual-channel laser Doppler blood flow detector was used to assess the skin microcirculation function on the quadriceps femoris muscle of the subjects' right lower limbs.The PFT Ergo cardiopulmonary function test system and the equipped power bicycle were used to measure the VO2max of the subjects. Results The baseline value of MBP in the exercise group was significantly lower than that in the control group (6.5±1.8 vs. 8.1±2.5), but the microvascular reactivity(1 666.3±588.6 vs. 1 165.2±407.1) was significantly higher than that in the control group(t=-3.42, 4.46, P < 0.01). The absolute value of VO2max (2 684.8±451.1 vs. 2 474.4±423.5) and relative value (42.7±4.3 vs. 35.1±4.8) in exercise group were significantly higher than those in control group(t=2.16, 3.25, P < 0.01). Multiple regression showed that there was a positive correlation between microvascular reactivity and VO2max (relative value) (β=0.40, P=0.03), but no significant correlation between percutaneous oxygen partial pressure and VO2max (relative value) (β=0.23, P=0.19). Conclusion Long-term physical exercise can decrease microcirculation perfusion volume, improve microvascular reactivity, percutaneous oxygen partial pressure among college students. Improvement of the microvascular reactivity may be a sport improving VO2max (relative) one of the most important peripheral physiological mechanism. -
Key words:
- Motor activity /
- Lower extremity /
- Microcirculation /
- Oxygen consumption /
- Regression analysis /
- Students
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2016年,美国心脏协会提出将心肺耐力作为人的第5个临床生命特征,心肺耐力低下比吸烟、肥胖、高血压等更能科学地预测人类健康的变化[1]。最大摄氧量(VO2max)为人体在大肌群参与的长时间剧烈活动中,每分钟摄氧量能达到的最大值[2]。VO2max作为评价人体心肺耐力的权威指标,可以准确地反应人体的心肺耐力。此外,在竞技体育领域VO2max不仅是耐力运动员选材的金指标与金标准,也是监控运动员身体功能、评判有氧耐力表现变化的常用指标[3-4]。遗传、后天环境(如运动训练)是影响个体VO2max的关键因素,其中遗传因素约占70%~80%,而运动训练等因素占20%~30%,其中以有氧运动对VO2max的影响最为显著[5-6]。有氧运动是指运动时身体得到充足的氧气供应,以有氧代谢系统供能为主的运动,其中52%~63%最大心率的强度为低强度有氧运动,64%~76%最大心率的强度为中等强度有氧运动,76%~87%最大心率的强度为高强度有氧运动[7]。研究表明,持续8~12周以上、每周3~5次、每次>30 min的有氧运动能显著提高大学生VO2max[8-12]。
在有氧运动提高VO2max的机制中,心脏的泵血功能和肌肉利用氧的能力是关键的生物学机制。在肌肉利用氧能力的影响因素中,微循环(毛细血管)功能的改善是关键所在[13],微血管作为氧气由血管进入组织细胞的唯一途径,直接决定血液向组织细胞的氧气输送。微血管反应性是不同刺激下(局部组织加热、血流阻断、药物注射等)微血管血流量的变化情况,该指标是评价微血管内皮细胞舒张功能的重要指标,已广泛应用于微血管功能的评价[14-15]。此外,经皮氧分压作为毛细血管透过皮肤弥散出来的氧气,能够较好反应微循环的血流灌注与代谢情况[16]。微血管反应性与经皮氧分压相结合能够准确反应人体微血管功能。基于此,本研究分别对体育专业和普通大学生微血管反应性及最大摄氧进行测试,研究长期体育运动对微血管反应性和VO2max的影响,并对两者关系进行分析,探讨体育运动提高VO2max的可能外周生理学机制。
1. 对象与方法
1.1 对象
2020年9月20日至10月9日期间制定宣传海报,在湖北民族大学全校范围内招募受试者,其中运动组受试者入选要求:(1)体育学院武术、体育舞蹈、健美操等体育专项大三年级学生;(2)运动组学生从大一下学期开始接受专项老师的学校专业课训练,平均每周运动时常>6 h(每周2次专项课堂训练+每周至少2次课外练习,每次约90 min),运动强度为中等强度的有氧运动,共计70名,其中男生35名,女生35名,平均年龄为(21.0±1.5)岁。对照组入选要求为近半年内除学校体育课程(每周1次)外未参加其他体育锻炼,共计70名,其中男生35名,女生35名,平均年龄为(20.9±2.6)岁。两组性别比例均为1∶1,两组受试者的身高、体重、体质量指数(BMI)、皮肤温度比较,除身高[(1.69±0.07)(1.65±0.08)m]差异有统计学意义外(t=1.85,P<0.05),其他方面运动组[(61.5±9.0)kg, (21.3±2.5)kg/m2, (31.2±0.5)℃]与对照组[(62.7±14.4)kg, (23.1±3.7)kg/m2, (31.5±0.7)℃]差异均无统计学意义(t值分别为-0.88,-0.38,-0.53,P值均>0.05)。所有研究对象身心健康,无高血压、糖尿病等影响心肺功能和血管功能的疾病。该研究在获得湖北民族大学生物医学伦理委员会的审批(2020037)的基础上,将研究的目的、测试指标的含义、测试过程及被试者的权益等信息以书面形式告知被试者,并在自愿的情况下签署书面同意书。
1.2 方法
1.2.1 微血管功能评价指标与测试仪器
使用瑞典帕瑞医学生产的PF6000双通道激光多普勒微循环血流与经皮氧分压监测仪对受试者右侧下肢股四头肌(股直肌肌腹中间位置)进行测试,测试指标包括基础皮温(basal skin temperature,BKT)、血细胞平均运动速度(average velocity of blood cells, AVBC)、运动血细胞浓度(concentration of moving blood cells, CMBC)、微血管血流灌注量(microcirculatory blood perfusion, MBP)、经皮氧分压(transcutaneous oxygen partial pressure,TcPO2)。
CMBC指所监测的微血管血液中的血细胞数量;AVBC指所监测的微血管血液中的血细胞移动速率;MBP指所监测的微血管中的血流量,MBP=AVBC×CMBC/100[17]。AVBC、CMBC及MBP的测试状态包括安静时的基线值及局部皮肤加热到44 ℃时值。当局部皮肤加热到44 ℃时,微血管表现出最大的舒张功能,微血管的血流达到峰值[17]。本研究中,微血管反应性(microvascular reactivity, MR)指MBP加热后值较基础值的增加率,即微血管反应性=(MBP加热后值-MBP基础值)/MBP基础值×100[18]。TcPO2是毛细血管透过表皮弥散出来的氧气含量,能反映出身体的供氧能力[16]。温度是影响血管血流量的重要因子,因此本研究测试过程中对受试者的体温进行严格监控,排除测试过程中因食物、情绪、运动等因素导致皮肤温度的变化。此外,本研究对环境温度、湿度及室内空气流动等因素也进行了严格控制,确保测试环境的一致性。晨起空腹状态下,对受试者进行微循环功能测试,各指标测试流程、测试环境的具体控制条件参照本研究团队前期相关研究[18-19]。
1.2.2 VO2max测试仪器及测试方法
使用意大利PFT Ergo心肺功能测试系统及所配备的功率自行车对受试者VO2max进行测试。测试方案为逐级递增负荷,基础负荷为0,其中女生每分钟增加25 W负荷,男生增加30 W负荷,功率自行车转速要求为60 r/min,直到受试者力竭为止。阻力负荷开始前受试者无阻力热身运动2 min,结束后无阻力恢复运动3 min。测试过程中使用仪器配备的心率、血氧饱和度及血压监测设备对受试者的身体功能进行全程监控,确保受试者测试安全。受试者达到力竭运动的判断标准参照文献[20]。VO2max的计算包括绝对值和相对值,其中相对值指每千克体重每分钟摄取的氧气,即VO2max绝对值/体重[21]。所有的测试由3名熟悉仪器操作的教师在湖北民族大学体育学院运动人体科学实验室完成,测试时间为2020年10月10—20日。
1.3 统计学分析
微循环指标数据由PF6000双通道激光多普勒微循环血流与经皮氧分压监测仪所配备的软件自动生成,最大摄氧量指标由PFT Ergo心肺功能测试系统自动生成。使用SPSS 25.0对数据进行统计。首先使用S-W检验对统计数据的正态分布情况进行检验,组间比较采用独立样本t检验,通过多元线性回归对相关指标的关联性进行分析,检验水准α=0.05。
2. 结果
2.1 两组大学生微循环相关指标比较
由表 1可知,运动组MBP基线值低于对照组(P<0.01),但MBP增加率、CMBC加热值、增加率及TcPO2均高于对照组;其他指标运动组与对照组相比差异均无统计学意义(P值均>0.05)。
表 1 两组大学生股四头肌微循环功能测试指标比较(x±s)Table 1. Comparison of quadriceps microcirculation function between exercise group and control group(x±s)组别 人数 MBP CMBC AVBC TcPO2加热值/mm Hg 基础值 加热值 增加率/% 基础值 加热值 增加率/% 基础值 加热值 增加率/% 运动组 70 6.5±1.8 128.0±45.0 1 666.3±588.6 70.9±24.9 262.3±53.6 305.7±130.3 7.9±2.3 42.2±9.2 319.5±148.6 78.3±5.1 对照组 70 8.1±2.5 107.5±88.8 1 165.2±407.1 81.8±29.4 243.2±51.8 223.1±122.5 10.9±2.7 41.5±10.9 294.6±150.3 64.9±12.0 t值 -3.42 0.83 4.46 -1.97 1.85 3.39 -0.58 0.32 0.96 3.62 P值 0.00 0.41 0.00 0.05 0.07 0.00 0.56 0.75 0.42 0.00 注:1 mm Hg=0.133 kPa。 2.2 运动组与对照组大学生VO2max的比较
运动组VO2max的绝对值和相对值[(2 684.8±451.1)(42.7±4.3)mL/min]均高于对照组[(2 474.4±423.5)(35.1±4.8)mL/min](t值分别为2.16,3.25,P值均<0.05)。
2.3 微血管功能变化与VO2max相对值的关系
见表 2。
表 2 大学生微血管反应性和经皮氧分压与VO2max的多元线性回归分析(n=70)Table 2. Multiple linear regression analysis of microvascular reactivity and percutaneous oxygen partial pressure and VO2max of college students(n=70)指标 模型1 模型2 β值 P值 β值 P值 微血管反应性 0.43 0.01 0.40 0.03 经皮氧分压 0.18 0.30 0.23 0.19 性别 -0.00 0.99 年龄 -0.13 0.30 BMI 0.13 0.37 通过对照组微血管反应性、TcPO2、VO2max相对值进行正态检验、残差检验及共线性分析,得知均符合正态分布,共线性检验各自变量VIF值均<3,残差亦服从正态分布,方差齐性,因此数据符合采用多元线性回归统计方法的前提条件。
首先建立模型1,将微血管反应性、TcPO2作为自变量,VO2max相对值作为因变量,探讨微血管反应性和经皮氧分压与VO2max的关系;在此模型基础上,加入控制变量年龄、性别、BMI,建立模型2,在控制混杂因素的条件下,探讨微血管反应性、经皮氧分压与VO2max的关系。
模型1中,微血管反应性和VO2max相对值呈正相关(β=0.43),经皮氧分压和VO2max相对值相关无统计学意义。模型2发现微血管反应性和VOmax相对值仍呈正相关(β=0.40),经皮氧分压和VO2max相对值相关无统计学意义。
3. 讨论
微循环作为身体物质能量交换的场所,与体质健康有着密切关系。目前有关体育运动与微循环功能关系的研究主要集中在微循环功能减退的人群。国外相关研究表明,10~12周以上的有氧运动能提高中老年人微循环功能,减少慢性疾病的发生[22-24]。国内学者刘蜜等[25]研究得出,微循环功能与年龄有密切的关系,高龄组受试者(60~70岁)的微血管反应性明显小于中老年组(50~60岁)和中青年组(31~40岁)。此外,笔者前期研究也表明,长期的太极拳运动能提高中老年人膝关节微血管反应性[18],但乒乓球运动不能显著提高中老年人持拍侧前臂微血管反应性(仅能在一定程度上改善)[19]。此外,大量研究证明长期体育运动能提高慢性病患者微血管反应性,促进患者康复。Klonizakis等[26]研究显示,8周跑步运动能提高静脉曲张患者术后仰卧位和站立位的微血管内皮依赖式舒张能力,但不能提高内皮非依赖式舒张能力。Tew等[27]研究得出,12周有氧运动能提高下肢静脉性溃疡患者下肢皮肤微血管反应性。Mutlak等[28]的研究得出相似结论,且该研究得出加压运动会进一步增加这种作用,经皮氧分压和微循环血流灌注量可视为评估微血管变化,监测静脉腿溃疡愈合和随访的有用工具。
虽然相关研究表明,体育运动能够改善中老年人及慢性病患者微循环功能,但其能否进一步提升健康人群(尤其是年轻人)微循环功能学术界尚存在一定争议。本研究中,两组受试者皮肤温度无显著差异,排除了皮肤温度的差异对测试结果的影响,保证了微循环指标测试的准确性。
结果显示,运动组大学生股四头肌微血管反应性、经皮氧分压均高于对照组,表明长期的体育运动能有效提高人体微血管功能,与作者团队前期研究结果一致[29]。作者团队前期研究得出,长期进行体育锻炼能显著提高大学生微血管反应性,且微血管反应性的变化与肌肉围度的变化有关[29]。体育运动作为提高人体体质的有效手段,其效果已得到国内外大量学者的验证。在运动干预的过程中,提高心血管功能尤其是微血管功能是增强人体体质的关键的生物学途径。在运动改善微循环功能的生物学机制中,血管内皮依赖式舒张能力的提高被认为是关键的生物学机制[14]。
VO2max绝对值与个体的体重有关。体重越大,VO2max绝对值就越大,因此VO2max的绝对值不能客观反映人体有氧耐力的水平,而VO2max的相对值能够反映单位体重的摄氧量水平,能较为客观反映人体的有氧耐力水平。本研究中,经多元线性回归得出,微血管反应性是影响VO2max相对值的独立因子,微血管反应性越高,VO2max相对值越大,而长期的有氧运动能够改善微血管反应性,进而提高VO2max相对值,提升有氧耐力水平。VO2max作为评价人体有氧能力的关键指标,能客观反映人体的有氧耐力和有氧能力水平,因此应通过有氧运动提高大学生心肺功能和有氧耐力水平,增强体质、减少疾病的发生,提高应对重大疾病的身体能力。
综上所述,长期有氧运动能降低大学生安静时微循环血流灌注量,提高微血管反应性、经皮氧分压,微血管反应性的改善可能是有氧运动提高VO2max的重要外周生理学机制,但两者更为准确的因果关系仍需进一步深入研究。
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表 1 两组大学生股四头肌微循环功能测试指标比较(x±s)
Table 1. Comparison of quadriceps microcirculation function between exercise group and control group(x±s)
组别 人数 MBP CMBC AVBC TcPO2加热值/mm Hg 基础值 加热值 增加率/% 基础值 加热值 增加率/% 基础值 加热值 增加率/% 运动组 70 6.5±1.8 128.0±45.0 1 666.3±588.6 70.9±24.9 262.3±53.6 305.7±130.3 7.9±2.3 42.2±9.2 319.5±148.6 78.3±5.1 对照组 70 8.1±2.5 107.5±88.8 1 165.2±407.1 81.8±29.4 243.2±51.8 223.1±122.5 10.9±2.7 41.5±10.9 294.6±150.3 64.9±12.0 t值 -3.42 0.83 4.46 -1.97 1.85 3.39 -0.58 0.32 0.96 3.62 P值 0.00 0.41 0.00 0.05 0.07 0.00 0.56 0.75 0.42 0.00 注:1 mm Hg=0.133 kPa。 表 2 大学生微血管反应性和经皮氧分压与VO2max的多元线性回归分析(n=70)
Table 2. Multiple linear regression analysis of microvascular reactivity and percutaneous oxygen partial pressure and VO2max of college students(n=70)
指标 模型1 模型2 β值 P值 β值 P值 微血管反应性 0.43 0.01 0.40 0.03 经皮氧分压 0.18 0.30 0.23 0.19 性别 -0.00 0.99 年龄 -0.13 0.30 BMI 0.13 0.37 -
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