運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型的研究The Research on Animal Model of Exercise Fatigue 鄭瀾1,陸愛(ài)云2
在實(shí)驗動(dòng)物學(xué)被喻為生命科學(xué)研究支柱的今天,運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型成為運動(dòng)性疲勞深入研究的重要途徑,標準化、理想的運動(dòng)性疲勞模型無(wú)疑是實(shí)施有損傷情況下疲勞研究的首要環(huán)節。至今,國內、外有關(guān)疲勞的動(dòng)物實(shí)驗研究大部分是在力竭運動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的。分析其原因,與運動(dòng)性疲勞的綜合性、全身性、發(fā)生機制的復雜性導致建模過(guò)程中難以判斷疲勞發(fā)生、發(fā)展和鑒定疲勞程度密切相關(guān)。運動(dòng)性疲勞模型的研究雖然相對滯后,但仍進(jìn)行了一些可貴的探索。
1運動(dòng)性疲勞模型的分類(lèi)依據
自從1890年MOSSO首先用指肌力描記術(shù)研究重復肌肉收縮時(shí)所產(chǎn)生的工作能力的變化開(kāi)始,對運動(dòng)性疲勞的研究至今已有百年歷史。對運動(dòng)性疲勞的認識,許多作者從自己研究成果出發(fā),提出過(guò)不同看法,如在教科書(shū)中較通用的是“疲勞是由前面體力活動(dòng)引起的暫時(shí)性的工作能力的下降”。我國生理學(xué)家蔡翹將其定義為“疲勞是由于體力活動(dòng)(或腦力活動(dòng))而導致機體機能暫時(shí)性失調的生理狀態(tài),它在客觀(guān)上表現為工作能力下降,在主觀(guān)上往往伴隨疲勞感”。1981年,CIBA基金會(huì )專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了“人體肌肉疲勞:生理機制”的討論會(huì ),EDWARDS在會(huì )上把肌肉疲勞定義為“不能維持所需或預計的力量”。1982年第5屆國際運動(dòng)生物化學(xué)會(huì )議上,將疲勞(fatigue)機理統一為“機體生理過(guò)程不能持續其機能在一特定水平上,或不能維持特定的運動(dòng)強度”。有學(xué)者將“工作能力暫時(shí)下降”及蔡翹的疲勞定義稱(chēng)為“理論定義”,它是從整體上對疲勞的外在及主觀(guān)的表現進(jìn)行了描述,而把國際運動(dòng)生物化學(xué)會(huì )議及EDWARDS的定義稱(chēng)為“工作定義”,用以指導實(shí)際研究,提出了在實(shí)際工作中判定疲勞的標準,適合對一次性運動(dòng)所產(chǎn)生的疲勞進(jìn)行判斷,以此為判斷疲勞的依據,建立了急性運動(dòng)中的疲勞模型,如田野的大強度運動(dòng)性疲勞模型和有氧運動(dòng)性疲勞模型。
工作能力的下降是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程,從定義上講,應當是工作能力開(kāi)始下降的那一點(diǎn)起就是疲勞的開(kāi)始,但是這個(gè)“點(diǎn)”的判斷困難,因而造成疲勞的程度在實(shí)際操作上存在差別。有的學(xué)者為了便于判斷及引起機體出現更明顯的變化, 將疲勞發(fā)展到最大,以致肌肉不能繼續收縮為止,這種狀態(tài)為力竭(exhaustion),即“機體不可能維持運動(dòng)”,以此為標準建立的模型稱(chēng)為力竭運動(dòng)模型。黎錦等認為,疲勞是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程,在運動(dòng)性疲勞這一發(fā)展過(guò)程中,肌肉工作能力下降的那一點(diǎn)是疲勞過(guò)程的始發(fā)點(diǎn),而精疲力竭則是疲勞過(guò)程的終結點(diǎn)。為了便于運動(dòng)性疲勞的研究,把疲勞過(guò)程劃分為3個(gè)階段,即疲勞過(guò)程的開(kāi)始階段、發(fā)展階段和力竭階段,在此基礎上建立了運動(dòng)性疲勞發(fā)展過(guò)程模型。而運動(dòng)實(shí)際中常常出現的,是運動(dòng)員在進(jìn)行一段時(shí)間的大強度訓練和激烈的比賽后,往往出現疲勞,達不到原有的競技水平。這種由于一次訓練或比賽出現的疲勞沒(méi)有得到及時(shí)恢復,產(chǎn)生疲勞積累,為慢性運動(dòng)性疲勞,是急性運動(dòng)性疲勞得不到及時(shí)恢復發(fā)展所致,模擬這種狀態(tài)建立的模型稱(chēng)為慢性運動(dòng)性疲勞模型。張世民等對運動(dòng)性疲勞的中醫分型及診斷的研究認為,運動(dòng)性疲勞是在(競技)運動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的一種疲勞癥候,具有其運動(dòng)特點(diǎn):筋肉疲勞酸痛、運動(dòng)性失眠、運動(dòng)性脾胃功能失調、腎氣不足、女運動(dòng)員月經(jīng)失常。中醫對疲勞的認識,是從整體觀(guān)念出發(fā),主要集中在形體疲勞、神志疲勞和臟腑疲勞3個(gè)方面,啟發(fā)人們從系統論、整體觀(guān)去認識運動(dòng)性疲勞,加深了對運動(dòng)性疲勞的認識,同時(shí),也拓展了運動(dòng)性疲勞模型的內涵。中醫理論介入建立的運動(dòng)性疲勞模型稱(chēng)為中醫運動(dòng)性疲勞模型。
2運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型的建立
2.1急性運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型
2.1.1大強度運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型
選用健康雄性SD大鼠,體重250～350g。采用主觀(guān)觀(guān)察性指標:大鼠一般狀況的變化、跑的姿勢的改變及運動(dòng)能力的變化,來(lái)判斷動(dòng)物是否疲勞及疲勞的程度。實(shí)驗大鼠進(jìn)行速度為28m/min(根據BEDFORD的最大耗氧量確定,此速度運動(dòng)強度超過(guò)90%最大耗氧量,為大強度運動(dòng))水平跑運動(dòng),持續時(shí)間為20min,運動(dòng)過(guò)程中采用聲音和毛刷刺激。在最初的10min實(shí)驗大鼠在沒(méi)有任何刺激的情況下基本可維持原工作強度,后10min運動(dòng)時(shí)間里,實(shí)驗大鼠蹬地跑姿勢已不像運動(dòng)開(kāi)始時(shí)積極、有力,運動(dòng)能力逐漸下降,說(shuō)明疲勞已發(fā)生。此方法建立的模型運動(dòng)強度較大,因而誘發(fā)身體疲勞的速度較快,但一次性大強度、短時(shí)間所造成的疲勞程度較輕,可通過(guò)增加動(dòng)物運動(dòng)組數來(lái)加深運動(dòng)性疲勞程度。
2.1.2有氧運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型
選用健康雄性SD大鼠,體重250～350g。采用主觀(guān)觀(guān)察性指標:大鼠一般狀況的變化、跑的姿勢的改變及運動(dòng)能力的變化,來(lái)判斷動(dòng)物是否疲勞及疲勞的程度。實(shí)驗大鼠進(jìn)行速度為18m/min的中等強度的水平跑運動(dòng),持續時(shí)間為100min。大鼠在長(cháng)時(shí)間、中等強度運動(dòng)后,表情較冷漠,反應較遲鈍,捕捉時(shí),逃避反應較運動(dòng)前減弱。運動(dòng)后期,大鼠跑的動(dòng)作較運動(dòng)前期明顯吃力,特別是在最后20min,多數大鼠跑的姿勢由開(kāi)始時(shí)的蹬地跑變?yōu)榘肱P位跑,腹部與跑道時(shí)有接觸,個(gè)別大鼠為臥位跑,大鼠的運動(dòng)能力隨著(zhù)運動(dòng)時(shí)間的延長(cháng)而逐漸下降。用此方法建立的模型大鼠已表現出明顯的疲勞特征。
2.2運動(dòng)性疲勞發(fā)展過(guò)程動(dòng)物模型
根據1982年第5屆國際運動(dòng)生物化學(xué)會(huì )議上有關(guān)運動(dòng)性疲勞的概念,將疲勞發(fā)展過(guò)程劃分為3個(gè)階段:疲勞過(guò)程的開(kāi)始階段、發(fā)展階段和力竭階段。選用健康雄性SD大鼠,體重220～320g。將裝有相當于自身體重12%的砝碼的小布袋系在實(shí)驗大鼠的前肢腋下,砝碼帶系于胸腹前,在0.7m×0.5m×0.7m的鐵箱內游泳,水深0.5m,每次1只。當大鼠游至水從耳下淹到耳上,身體輕度下沉時(shí),為運動(dòng)性疲勞的開(kāi)始階段;當大鼠游至水淹過(guò)眼,其身體進(jìn)一步下沉時(shí),為疲勞的發(fā)展階段;當大鼠游至水淹過(guò)鼻尖,身體下沉無(wú)力返回水面時(shí),為疲勞的力竭階段。在運動(dòng)性疲勞發(fā)展過(guò)程的不同階段對大鼠血乳酸、肝臟的光鏡和電鏡下結構的變化及酶組織化學(xué)進(jìn)行研究,從而建立了能較客觀(guān)反映糖無(wú)氧酵解供能條件下,從疲勞開(kāi)始經(jīng)進(jìn)一步發(fā)展直至力竭的發(fā)展過(guò)程運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型。該模型經(jīng)實(shí)驗證明具有可重復性。
2.3慢性運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型
選用SD雄性大鼠,采用7周大強度跑臺運動(dòng),從訓練第1周起,每周遞增速度,每周速度分別為15m/min、22m/min、27m/min、31m/min、35m/min;每天訓練20min,每周5天,共訓練5周。第5周后分兩種運動(dòng)強度建模,一般訓練組于第6、7周,每日按35m/min的速度,在坡度為0的跑臺上跑20min;強化訓練組于第6、7周,每日在同等情況下跑25min,來(lái)建立長(cháng)時(shí)間遞增負荷運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型。有研究采用同樣持續時(shí)間為7周的遞增負荷跑臺訓練建立疲勞模型,采用的運動(dòng)強度稍大。
2.4中醫運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型
2.4.1采用勞倦因素與大黃、芒硝瀉下藥物建立脾氣虛動(dòng)物模型
選用Wister系雄性大鼠,體重180±20g。將大黃、芒硝、標準飼料按0.85:0.15:9.0的比例均勻混合后制成藥化飼料,實(shí)驗動(dòng)物在每日喂食藥化飼料的同時(shí),于每天上午8:00～12:00在勞倦裝置振蕩器上(振動(dòng)蕩243次/min、振幅為36mm)振動(dòng)4h,共建模21天。建模后,從大鼠的外觀(guān)表現、糞便、體重、食量及拉尿排便試驗來(lái)觀(guān)察,大鼠呈脾氣虛癥。
2.4.2采用勞倦過(guò)度與番瀉葉建立脾氣虛動(dòng)物模型
選用昆明系小白鼠,體重20～32g,采用番瀉藥結合游泳運動(dòng)建立模型。每天進(jìn)行1次游泳訓練,時(shí)間為2～5min,以身體下沉為度,且施100%番瀉葉煎劑0.5ml/只。建模第4天,實(shí)驗動(dòng)物出現瞇眼、懶動(dòng)、扎堆、排條狀軟便、毛散而無(wú)光澤,并出現明顯的膽怯狀態(tài)。建模第8天處死,取血測定紅細胞C3b受體、IgG、IgM含量;取脾臟測定T細胞亞群、TL22活性、NK活性、淋巴細胞轉化率。這8項免疫學(xué)指標與對照組相比均有高顯著(zhù)性差異,表現出各項免疫學(xué)指標下降。從實(shí)驗動(dòng)物的外觀(guān)表現和免疫學(xué)指標的變化表明已呈脾氣虛癥。該研究還表明,雖然單純勞倦因素導致脾虛程度方面較番瀉葉瀉下法為輕,但它具有明顯的導致脾虛的效果,故不失為長(cháng)期脾虛建模的方法。
2.5力竭運動(dòng)動(dòng)物模型
2.5.1跑臺有氧力竭運動(dòng)動(dòng)物模型
選用健康雄性SD大鼠,體重250～350g。采用觀(guān)察性指標:大鼠一般狀況的變化、跑的姿勢的改變及運動(dòng)能力的變化,來(lái)判斷動(dòng)物是否疲勞及疲勞的程度。實(shí)驗大鼠進(jìn)行速度為18m/min的中等強度的水平跑運動(dòng),持續時(shí)間為200min,運動(dòng)過(guò)程中采用聲音和毛刷刺激。實(shí)驗大鼠的一般狀況、跑的動(dòng)作和運動(dòng)能力變化較為明顯。在運動(dòng)過(guò)程中,需要較多的刺激次數和延長(cháng)刺激時(shí)間,才能維持原強度工作。為了誘發(fā)實(shí)驗大鼠的運動(dòng)能力進(jìn)一步下降,在200min運動(dòng)的中間(一般在第100～120min),當大鼠的運動(dòng)能力明顯下降時(shí)(刺激頻率為6次/min),取出大鼠進(jìn)行短暫休息(一般為5min),然后繼續運動(dòng),直至不能維持原工作強度,大鼠表現為明顯的力竭癥狀。以此可作為有氧運動(dòng)力竭動(dòng)物模型。
2.5.2游泳力竭運動(dòng)動(dòng)物模型
選用雄性SD大鼠,體重約280±6g。采用尾部負重的游泳方式,負重重量為體重的3%,泳池水深50cm,水溫31°±1℃,每m2水面同時(shí)5～6只大鼠游泳,當大鼠游至連續3次沒(méi)入水底,每次超過(guò)10s,視為力竭。以此建立力竭運動(dòng)動(dòng)物模型。
3運動(dòng)性疲勞模型分析
從已建模型來(lái)分析,建模選用的實(shí)驗動(dòng)物有SD大鼠、Wister大鼠、昆明小白鼠等,且同一品系年齡不一,體重也不一樣。采用的練習主要有跑臺練習和游泳練習,其中,游泳練習中采用的泳池的大小、水深及水溫的控制亦不一樣,且一次同一泳池游泳的實(shí)驗動(dòng)物的只數不一。有的負重,有的不負重,而且負重的重量不一。跑臺運動(dòng)的刺激方法主要有聲、光、電及機械刺激,有的模型建立采用了電刺激,有的卻沒(méi)有,存在刺激方法不均一的特點(diǎn)。肖明珠等對不同刺激方法對大鼠跑臺運動(dòng)疲勞及恢復期糖代謝的影響的研究表明,雖然機械刺激和電刺激都能使大鼠進(jìn)行跑臺運動(dòng)達到相同的疲勞標準,即奔跑大鼠在接受刺激后仍跟不上預定速度(33m/min),大鼠臀部壓在跑臺后壁,后肢隨轉運皮帶后拖30s,但2種刺激所造成的疲勞對動(dòng)物機體糖代謝的影響是有區別的。因此,不同的刺激方法,在相同的疲勞標準下,對機體的影響是不一樣的。由于實(shí)驗條件不一樣,會(huì )使研究結果難以比較與交流。對運動(dòng)性疲勞的判斷標準的報道不一,如對游泳至力竭的判斷,有的將大鼠游泳至沉底,無(wú)力浮出水面視為力竭;有的將力竭標準定為游泳沉底,無(wú)力復出水面達60s,出水后呼吸深、急、幅度大,雙目無(wú)光,反應遲鈍,強刺激后逃避緩慢,體位為俯臥位,被握持時(shí),四肢下垂。而對疲勞判斷更是眾說(shuō)不一。
運動(dòng)性疲勞的判別是建立運動(dòng)性疲勞模型的一個(gè)非常重要的問(wèn)題,對于急性運動(dòng)性疲勞動(dòng)物,根據運動(dòng)中動(dòng)物的外部體征來(lái)判斷疲勞程度仍是主流。田野對實(shí)驗動(dòng)物的一般狀況、跑的姿勢及運動(dòng)能力的深入細致的觀(guān)察,為疲勞的外部判斷提供了寶貴的資料,如果結合一些生理、生化客觀(guān)指標的評判,將是一種科學(xué)、合理的運動(dòng)性疲勞的判斷方法。黎錦等的糖酵解供能情況下運動(dòng)性疲勞發(fā)展過(guò)程模型,根據實(shí)驗大鼠游泳過(guò)程中身體下沉的程度來(lái)界定疲勞的發(fā)生、發(fā)展和力竭階段,并測定了此過(guò)程中血乳酸的變化規律,為實(shí)際工作中疲勞模型的建立提供了一個(gè)有用的客觀(guān)評判指標。劉里遠等研制了大白鼠游泳輸出功測定儀,能記錄實(shí)驗動(dòng)物游泳全過(guò)程隨時(shí)間變化而變化的輸出功率,并在此基礎上建立了疲勞方程,不失為一個(gè)較客觀(guān)的模型,但實(shí)驗條件難以滿(mǎn)足,難以推廣。中醫理論在運動(dòng)性疲勞模型建立中的運用,為疲勞模型的建立開(kāi)拓了新思路,不同癥型的運動(dòng)性疲勞模型的建立,將有利于辯證施治,便于不同組方的中藥抗運動(dòng)性疲勞作用的觀(guān)察。
4運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型質(zhì)量問(wèn)題的思考動(dòng)物模型的普適性、可重復性和均一性是其質(zhì)量所在,是判斷模型成功與否的關(guān)鍵,若所建模型不能再現或不穩定,則不能被*。由不同的運動(dòng)引發(fā)的運動(dòng)性疲勞的機理和程度是不一樣的,對機體的影響亦不同。運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型的建立是一個(gè)復雜的系統工程。
4.1運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型建立的實(shí)驗條件的控制
運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型的建立中有很多非處理因素,包括實(shí)驗動(dòng)物的選用,其中,動(dòng)物的品系、年齡、飼養、環(huán)境等應做到均一;有些實(shí)驗條件,如跑臺運動(dòng)的刺激方法、泳池的大小、水深及水溫的控制應盡量一致。這樣嚴格控制實(shí)驗條件,可以排除非處理因素對模型建立的干擾,使模型的建立更具科學(xué)性。
4.2建立運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型的指標評價(jià)體系
有關(guān)運動(dòng)性疲勞的判斷及疲勞程度的鑒定一直是一個(gè)令人關(guān)注的問(wèn)題。一些學(xué)者根據運動(dòng)性疲勞時(shí)機體的外部體征的變化來(lái)判斷運動(dòng)能力下降,如一般狀況的變化,包括體重、飲食、精神狀況和自主活動(dòng)情況等;運動(dòng)時(shí)的姿勢的變化,如跑臺跑時(shí)蹬地情況、腹部與跑臺的相對位置、游泳運動(dòng)時(shí)頭部沒(méi)入水中的程度和時(shí)間;運動(dòng)能力的變化,如采用刺激后仍跟不上所要求的運動(dòng)速度等主觀(guān)觀(guān)察指標來(lái)判斷疲勞的發(fā)生及疲勞的程度。但實(shí)際情況往往是在實(shí)驗動(dòng)物還沒(méi)有發(fā)生外部特征變化之前,疲勞就已經(jīng)產(chǎn)生了。因此,單憑主觀(guān)觀(guān)察指標來(lái)評判運動(dòng)性疲勞有一定的局限性。有必要在此基礎上結合一些生理、生化客觀(guān)指標來(lái)鑒別運動(dòng)性疲勞及疲勞程度,如建立急性運動(dòng)性疲勞模型,對于不同的供能方式為主的運動(dòng),可根據運動(dòng)能力的限制因素來(lái)判斷疲勞的發(fā)生。以糖酵解供能為主的運動(dòng),運動(dòng)能力的限制因素主要是乳酸的堆積;強度為75%V O2max的有氧運動(dòng),運動(dòng)能力的限制因素主要是肌糖原的耗竭,因而可以通過(guò)測定血乳酸升高、肌糖原的下降來(lái)判斷疲勞的發(fā)生。對于客觀(guān)觀(guān)察指標的選用,不僅要注意它的可靠性、敏感性,還要把握其可測性、易測性。建立慢性運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型,根據其疲勞積累、機能狀態(tài)下降的實(shí)質(zhì),可使用判斷機體機能狀態(tài)的有關(guān)指標,如晨脈、血紅蛋白、血乳酸、血尿素、尿蛋白等,既要注意指標的相對獨立性,又要考慮多指標的最佳組合。怎樣根據不同方式、不同供能系統為主的運動(dòng)來(lái)選擇指標,合理組合,對運動(dòng)性疲勞進(jìn)行多指標、系統性綜合評定,是一項復雜的工作,需要進(jìn)一步研究。把握疲勞的外在表現,結合客觀(guān)生理、生化評判指標,監控運動(dòng)性疲勞模型的建立有益于模型質(zhì)量的保證。
4.3把握運動(dòng)性疲勞的實(shí)質(zhì)
高強將疲勞定義為“疲勞系指由于活動(dòng)使工作能力及身體機能暫時(shí)降低的現象”以及許豪文的“運動(dòng)性疲勞是指運動(dòng)本身引起機體工作能力暫時(shí)性降低,經(jīng)過(guò)適當休息后又可以恢復的狀態(tài)”,強調指出疲勞導致的工作能力或身體機能的下降是暫時(shí)的,經(jīng)過(guò)休息就可以恢復,借此可以與運動(dòng)中常見(jiàn)的疾病——過(guò)度訓練相區別,對建立運動(dòng)性疲勞模型具有一定的指導意義。張世民認為,運動(dòng)性疲勞與過(guò)度疲勞,兩者在發(fā)生機理上基本相同,其本質(zhì)都為內傷不足之虛癥,但兩者在功能、結構變化上有根本的量與質(zhì)的不同,過(guò)度疲勞屬內傷虛勞病。運動(dòng)性疲勞是一種癥候,其本質(zhì)是臟腑功能下降或失調和精血不足,屬生理性出現的功能失調或下降、精血不足等癥是暫時(shí)的,可自行消除或通過(guò)調養很容易恢復。而過(guò)度疲勞,雖然也表現為不足,但是屬一種內傷虛勞病,為病理性的,有器質(zhì)性改變,出現的機能下降、精血不足、結構改變等癥候是長(cháng)期的,超過(guò)人體正常生理調節范圍,需要醫治、調養才有可能康復。因而,運動(dòng)性疲勞與過(guò)度疲勞、過(guò)度訓練不僅存在程度上的差別,而且存在質(zhì)的區別。在運動(dòng)性疲勞模型建立過(guò)程中,建議在實(shí)驗設計中安排一定的自然恢復時(shí)間,了解運動(dòng)所致的外部表現的變化及生理、生化指標的變化是否是暫時(shí)性的、可自然恢復的。因此,需把握運動(dòng)性疲勞生理性的變化的實(shí)質(zhì),借以區別過(guò)度疲勞和過(guò)度訓練。理想的運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型對運動(dòng)性疲勞機理及恢復手段的研究至關(guān)重要,由于疲勞的發(fā)生機制復雜,且涉及的部位多,因此,需要多學(xué)科共同合作,才有利于高質(zhì)量的運動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型的建立。
源自中國體育科技2003年(第39卷)第2期
