有氧运动结合抗阻训练对男性肥胖青少年心血管功能的改善及可能机制

李 娟，唐东辉，陈 巍

肥胖（obesity）是指体内脂肪过量而导致体重超过正常标准的一种慢性疾病，由于发病率剧增而备受关注。目前，儿童与青少年肥胖的发生率在发达与发展中国家迅速膨胀，已经成为影响儿童健康的社会问题［6］。儿童与青少年肥胖是诱发心血管疾病（cardiovascular diseases，CVDs）发生的重要独立危险因素［8］。近年来的研究表明，血管内皮功能障碍（Endothelial dysfunction）在血管病变的发生发展过程中发挥了重要作用，几乎与所有心血管疾病均存在重要关系［5］。因此，改善肥胖者血管内皮功能对防治心血管疾病发病率与死亡率具有重要意义。肥胖儿童的血管内皮功能障碍在肥胖早期便有所显现，越来越多的证据表明氧化应激（oxidative stress）与炎症（inflammation）在肥胖诱导的血管内皮功能障碍的病理机制中担当了重要角色［3，15］。当前，增加身体活动水平已经成为儿童肥胖防治策略的重要组成部分，大量研究显示，运动（有氧运动与抗阻训练）不但可以改善肥胖儿童与青少年的身体成分，还可使代谢综合征的危险因素显著减少，包括血压降低、胰岛素敏感度提高、血管内皮功能改善、氧化应激及炎症水平降低［2，9，11］。但运动改善肥胖儿童与青少年心血管功能的相关机制尚未明确，是否与氧化应激及炎症水平的存在关系也未取得一致认识。因此，本研究拟通过比较单纯性肥胖青少年运动干预前、后其内皮依赖性血流介导的血管舒张功能（flow mediate dilation，FMD），血清丙二醛（MDA）、8-异前列腺素F2α（8-isoprostaneF2α）、C-反应蛋白（C-reactive protein，CRP）及肿瘤坏死因子-α（TNF-α）水平的变化及相互关系，探讨氧化应激与炎症在运动改善肥胖青少年血管内皮功能中的作用及机制。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究选取参加暑期运动减肥训练营的30名单纯性男性肥胖青少年为研究对象，肥胖标准按照“中国学龄儿童青少年超重、肥胖筛查体质量指数值分类标准”确定。其他纳入标准包括无心血管疾病、肾脏疾病、无吸烟史、近6个月未服用过任何的激素类药物、平时无规律运动习惯。运动干预期间的膳食应满足肥胖青少年生长发育的基本生理需要，个体1日总热量摄入根据“个体体重×极轻体力劳动单位体重热能供应量（20～25kal／kg）”计算；早、中及晚餐提供的热量比例约为30%，40%，30%，其中，糖、脂肪及蛋白质的供能量约占总热量的60%，25%及15%，严格统一作息制度。所有受试者及其法律监护人均要求预先了解整个实验流程及目的，整个实验过程中可随时自由退出实验。由监护人填写知情同意书。符合纳入标准的受试者共计28名，中途有2名退出，最终26名受试者确定为肥胖组（EG）。同时，将10名健康非肥胖男性青少年（同样的纳入标准）作为对照组（CG），并采集其基础生理生化指标（表1）。

1.2 研究方法

1.2.1 运动方案

肥胖组青少年在封闭的运动减肥夏令营接受为期6周的运动干预，运动方案包括有氧运动与抗阻训练两部分内容，有氧运动在上午进行，主要包括篮球、游泳、有氧操、慢跑及体育游戏，运动强度控制在最大心率的60%～70%，每周5次，每次80min（热身运动15min，正式训练50min，放松训练15min），个体最大心率取公式“最大心率＝220-年龄”估算，运动过程中心率的监控采用心率表结合受试者自测脉搏进行；抗阻训练在下午进行，且每2次抗阻训练至少间隔1天，主要内容包括肩关节、肘关节、髋关节、膝关节与躯干肌群的屈伸练习，运动强度约为65%～70%一次最大重复负荷（One Repetition Maximum，1RM），每周训练3次，每次进行3组，每组包括6个运动环节，每个环节重复6～8次，本研究中由于受试者为青少年，考虑到IRM测试存在较高风险，采用了临床上经常使用的低限阻力测试值 （7～10RM）预测一次最大重复负荷，计算 公 式 为“IRM＝1.554 ×（7～10RM 重 量）-5.181”。为保证运动方案的安全性与有效性，对训练过程进行医务监督。

1.2.2 身体基本情况测试

对所有研究对象进行身高、体重、身体质量指数（BMI）、安静心率、血压等指标的测试；并采用韩国产Slim-Manager-N20身体成分测试仪（生物电阻抗）对所有研究对象的身体成分进行测试。

1.2.3 血管内皮功能的检测

在运动干预前、后采用超声诊断技术测定受试者内皮依赖性血流介导的血管舒张功能（FMD）以代表血管内皮功能，测试时间统一安排在上午8—10点进行，受试者处于仰卧位，选取其右侧肘关节上方2～10cm处的肱动脉，首先，纵向扫描测定其安静状态下此处肱动脉舒张末期的基础内径（D1），然后采用血压计袖带缚在受试者肘关节下，加压至250mmHg，并维持3～4min后迅速放气减压，测定1min内反应性充血后的内径（D2），FMD＝ （D2-D1）／D1×100%。

1.2.4 生化指标的测试

分别在运动干预前、后采集空腹状态下的肘静脉血，分离血清置-20℃环境保存待测。为避免生物节律对实验结果的影响，血液采集时间均选择在上午8～10点进行。脂代谢指标采用酶比色法测定:包括甘油三酯（total triglyceride，TG）、总胆固醇（total cholesterol，TC）、高密度脂蛋白（high-density lipoprotein cholesterol，HDL-C）、低密度脂蛋白（low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C）；氧化应激指标包括血清丙二醛（MDA）与8-异构前列腺素（8-isoprostane）水平，其中，MDA采用硫巴比妥酸法（TBA）测定，8-isoprostane采用酶联免疫吸附法测定；炎症指标包括血清 C-反应蛋白（CRP）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α），均采用酶联免疫吸附法测定；血糖（FBG）采用氧化酶法测定，血胰岛素（FINS）水平采用酶联免疫吸附法测定，并计算胰岛素抵抗指数:HOMA-Ir＝FBG×FINS／22.5。

1.3 数据统计学处理

采用SPSS 18.0软件对数据资料进行统计分析，计量资料用均数±标准差表示，对所有数据进行正态性检验，对于符合正态分布的数据，运动干预前、后比较采用t检验，对于不符合正态分布的数据运动干预前、后采用非参数检验；两变量前、后变化值的相关性采用等级相关分析（pearson），检验水平为P＜0.05。

2 研究结果

2.1 运动干预前、后身体形态指标变化

如表1所示，运动干预前，肥胖组体重、BMI、体脂百分比显著高于对照组（P＜0.01，P＜0.01，P＜0.01）；经过6周的运动干预，肥胖青少年体重（81.51±11.32kg vs 76.50±10.73kg，P＜0.01）、BMI（30.75±2.05vs 28.72±1.92，P＜0.01）、体脂百分比（45.69%±4.65%vs 32.96%±4.61%，P＜0.01）均出现显著下降。

表1 本研究受试者各指标运动干预前、后变化比较一览表Table 1 The Index Changes before and after Exercise Intervene in Subjects （D）

表1 本研究受试者各指标运动干预前、后变化比较一览表Table 1 The Index Changes before and after Exercise Intervene in Subjects （D）

注:与对照组比较，＊表示P＜0.05，＊＊表示P＜0.01；与运动干预前比较，＃表示P＜0.05，＃＃表示P＜0.01。

对照组 肥胖组运动干预前 运动干预后总数n＝10 n＝26年龄（year） 13.28±1.34 13.77±1.89身高（m） 1.61±0.13 1.63±0.09 1.63±0.09体重（kg） 50.26±3.25 81.51±11.32＊＊ 76.50±10.73＃＃BMI（kg／m2） 19.75±2.07 30.75±2.05＊＊ 28.72±1.92＃＃Fat（%） 19.62±5.38 45.69±4.65＊＊ 32.96±4.61＃＃安静心率（bpm） 67.64±6.38 72.85±4.57＊＊ 66.62±3.64＃收缩压（mm Hg） 107.36±12.29 129.15±8.69＊＊ 114.88±5.43＃舒张压（mm Hg） 66.73±5.41 78.15±8.32＊ 70.58±3.56＃FBG（mmol／L） 2.88±0.79 4.27±0.66＊ 3.30±0.34＃FINS（mIU／L） 6.23±3.45 11.17±2.05＊＊ 8.30±1.46＃HOMA-IR 0.82±0.24 2.14±0.60＊＊ 1.22±0.24＃＃TG（mmol／L） 0.71±0.26 1.52±0.49＊ 1.09±0.34＃TC（mmol／L） 1.51±0.64 4.86±1.09＊＊ 4.06±0.79 HDL-C（mmol／L） 1.43±0.37 1.37±0.18 1.46±0.26 LDL-C（mmol／L）2.28±0.52 2.57±0.39 2.03±0.48

2.2 运动干预前、后常规生理生化指标变化

如表1所示，运动干预前，肥胖组安静心率、收缩压、舒张压、血糖、血胰岛素、HOMA-IR、甘油三酯、总胆固醇水平显著高于对照组（P＜0.01，P＜0.01，P＜0.05，P＜0.05，P＜0.01，P＜0.01，P＜0.05，P＜0.01）；经过6周的运动干预，肥胖青少年安静心率（72.85±4.57bpm vs 66.62±3.64bpm，P＜0.05）、收缩压（129.15±8.69mm Hg vs 114.88±5.43mm Hg，P＜0.05）、舒张压（78.15±8.32mm Hg vs 70.58±3.56mm Hg，P＜0.05）、血糖（4.27±0.66mmol／L vs 3.30±0.34mmol／L，P＜0.05）、血胰岛素（11.17±2.05mIU／L vs 8.30±1.46mIU／L，P＜0.05）、HOMA-IR（2.14±0.60vs 1.22±0.24，P＜0.01）与甘油三酯（1.52±0.49mmol／L vs 1.09±0.34 mmol／L，P＜0.05）水平均出现明显下降。

2.3 运动干预前、后血管内皮功能变化

如图1所示，肥胖组青少年内皮依赖性血流介导的血管舒张功能（FMD）显著低于正常对照组（14.12%±3.14%vs 8.34%±1.36%，P＜0.01），而6周的运动干预可以显著增加肥胖青少年FMD（8.34%±1.36%vs 12.57%±2.56%，P＜0.05）。

2.4 运动干预前、后氧化应激与炎症指标变化

如图1所示，与普通对照组比较，肥胖青少年血清MDA（3.62±1.31mmol／L vs 5.38±1.03mmol／L，P＜0.01），8-isoprostane（21.32±5.03pg／ml vs 36.35±7.57 pg／ml，P＜0.01），CRP（2.41±0.62mg／L vs 4.17±0.85 mg／L，P＜0.01）与 TNF-α（21.51±9.35pg／ml vs 33.82±10.43pg／ml，P＜0.05）水平均显著升高；而经过6周的运动干预后，肥胖青少年血清 MDA（5.38±1.03mmol／L vs 2.18±1.43mmol／L，P＜0.01），8-isoprostane（36.35±7.57pg／ml vs 25.57±6.54pg／ml，P＜0.05），CRP（4.17±0.85mg／L vs 2.66±0.81mg／L，P＜0.05）以及 TNF-α（33.82±10.43pg／ml vs 20.87±9.16pg／ml，P＜0.05）水平显著下降。

图1 本研究受试者血管内皮功能、氧化应激与炎症指标变化比较示意图Figure 1.The Comparison of Changes in Endothelial Function，Indicators of Oxidative Stress and Inflammation in Subjects

2.5 运动干预前、后血管内皮功能、氧化应激与炎症变化的相关性分析

对肥胖青少年运动干预前、后各生理生化指标的变化进行等级相关分析，结果显示其血清MDA（r＝0.497，P＝0.012），8-isoprostane（r＝0.677，P＝0.001），CRP（r＝0.489，P＝0.011）以及 TNF-α（r＝0.414，P＝0.036）降低的程度与FMD的增加均呈显著正相关（图2）。

图2 本研究肥胖组受试者血清MDA、8-isoprostane、CRP及TNF-α与FMD的相关性检验示意图Figure 2.Relationship between Changes of MDA、8-isoprostane、CRP、TNF-αand FMD in Obese Subjects

3 讨论

肥胖状态下，脂肪含量的增加加剧了机体氧化应激与炎症反应的程度，进而促进血管内皮功能下降，使得血管病变的风险显著增加［3，15］。与成年肥胖者一样，肥胖儿童与青少年体内氧化应激与炎症反应也有所增高，这将极大地促进其成年后心血管疾病的发病风险［2，11］。有研究表明，肥胖儿童与青少年在肥胖的早期便出现血管内皮功能障碍，并表现出心血管功能的整体下降［4］。而血管内皮功能障碍几乎与所有的心血管疾病存在关系。近20年来的研究表明，血管内皮细胞除了衬里血管内腔作为血液与血管平滑肌细胞之间屏障外，更重要的是可以通过分泌一系列生物活性物质来实现对血管舒缩功能的调节，肥胖诱导的血管内皮功能障碍主要表现为内源性NO合成减少，致使内皮依赖性血管舒张功能下降，进而促进高血压及动脉粥样硬化的发生［3，5］。因此，改善肥胖儿童与青少年血管内皮功能障碍是降低心血管疾病发病风险的有效策略。有充分的证据表明，运动可有效改善肥胖儿童与青少年血管内皮功能障碍，并且可明显降低心血管疾病危险因素的数量［9］。由于氧化应激与炎症参与了肥胖及血管内皮功能障碍的病理机制，不难推断，通过降低氧化应激与炎症可能有利于改善肥胖儿童及青少年血管内皮功能障碍，进而有利于其心血管整体功能的提高。

目前，规律运动的抗氧化应激与抗炎症的作用已经受到广泛的关注，但是，运动改善肥胖儿童及青少年血管内皮功能是否与氧化应激以及炎症的降低有关，目前尚未取得一致的认识。本研究结果显示，经过6周的运动干预，肥胖青少年体重、BMI、脂肪含量、胰岛素抵抗、血压、安静心率、血浆总胆固醇、甘油三酯水平均显著降低，这进一步表明了科学的运动干预可以有效降低肥胖青少年体重，改善其体成分及糖脂代谢，提高心血管机能。这与目前国内、外的研究结果是一致的［9，16］。此外，本研究采用多普勒超声显像技术，观察肥胖青少年肱动脉在反应性充血时血管内径的变化，并以此代表内皮依赖性血流介导的血管舒张功能（FMD），由于机体的末梢动脉可释放内皮生物活性物质应对物理或化学的刺激，通过采取某些手段使末梢动脉血流量增加引起血管壁剪切力的改变而刺激内皮细胞释放血管舒张因子时便会引导血管舒张［4，9］。因此，FMD可以反映全身内皮依赖性血管舒张功能，其增高表明血管内皮功能障碍得到有效缓解。本研究结果显示，运动干预后肥胖青少年FMD得到显著提高，提示，6周的运动干预可以有效改善肥胖青少年血管内皮功能障碍，进而降低血压及安静心率改善其心血管功能。

由于氧化应激与炎症在血管内皮功能障碍中发挥了重要作用［3，15］，为测定受试者体内氧化应激与炎症状态，本研究还对受试者血清 MDA、8-isoprostaneF2α、CRP与TNF-α的水平进行了检测。MDA是体内脂质过氧化与细胞氧化损伤的重要产物，细胞内一个氧自由基可对多不饱和脂肪酸抽氢，不饱和键重排形成共轭双键，然后发生过氧化生成脂过氧基，后者再形成环氧化物断裂后产生MDA［1］。因此，目前，经常以血清 MDA水平作为氧化应激的重要检测指标。8-isoprostaneF2α是经自由基催化不饱和脂肪酸脂质过氧化后的终末产物，是前列腺素F2α的异构体，目前被认为是评价体内氧化应激的金标准［4］。

本研究显示，肥胖青少年血清MDA与8-isoprostaneF2α水平较对照组显著升高，这提示肥胖青少年体内存在一定程度的氧化应激。这与OSTROW等人的研究结果一致［7，14］。氧化应激导致细胞内活性氧的产生与抗氧化系统失衡，过量活性氧可以改变血管内皮细胞多种生物活性物质的基因表达，如内皮细胞粘附分子、趋化分子的表达上调会促进单核细胞向血管壁迁移与粘附，血管内皮细胞失去NO生物活性而发生舒缩障碍［4，14］。此外，本研究结果还发现，肥胖青少年血清CRP与TNF-α水平较对照组也显著升高。

近年来的研究表明，脂肪组织作为体内重要的内分泌器官，可分泌多种炎症细胞因子参与维持机体多种生理功能，除了调节胰岛素敏感度、糖脂代谢与能量平衡外，还参与了血管功能、免疫及炎症反应的调节过程，以共同维持机体内环境稳定［12，13］。CRP与 TNF-α是机体免疫与炎症反应的重要调节因子，其血液浓度可以反映体内炎性应激水平。CRP是机体受到创伤或者炎症造成各种损伤时由肝脏合成并释放入血的急性相蛋白，是一种高度灵敏的炎性标志，其水平的升高与心血管疾病密切相关［13］。TNF-α主要由活化单核巨噬细胞和T细胞产生，是体内重要的免疫调节因子，但其水平过高会使各种炎症细胞聚集，引起强烈的炎症反应，导致机体免疫功能受损或诱发各种炎症性疾病［13］。

肥胖青少年血清CRP与TNF-α水平显著增加提示其体内炎症应激有所加剧。LIRA等的研究发现，肥胖青少年血清TNF-α水平显著升高，且与内脏脂肪含量呈正相关［12］。KELLY等人发现，肥胖儿童与青少年血清CRP含量也明显上升，这与本研究结果一致，即肥胖青少年处于一种所谓的慢性低度炎症状态（low-grade chronic inflammation）［10］。

本研究还显示，经过6周的运动干预，肥胖青少年者血清 MDA、8-isoprostane、CRP与TNF-α水平显著降低，这提示本研究所采取的运动干预方案可以显著改善肥胖青少年氧化应激与炎症反应。进一步证明了规律运动的抗氧化应激与抗炎症作用。本研究结果还显示，6周运动干预对所诱导的肥胖青少年者血清 MDA、8-isoprostane、CRP与TNF-α水平降低的程度与FMD增加程度呈显著正相关关系，这提示运动干预改善肥胖青少年血管内皮功能可能与运动的抗氧化应激及抗炎症作用有关。近年来，越来越多的证据表明，运动干预所具有的抗氧化及抗炎症作用是运动有效防治心血管疾病的重要机制［9-12，16］。

对于儿童与青少年而言，肥胖通过复杂机制引起血管内皮功能障碍，启动早期动脉粥样硬化诱发心血管疾病发生，其中氧化应激与炎症反应在血管内皮功能障碍过程中扮演了重要角色［3，15］。因此，通过改善其血管内皮功能可以有效降低其罹患心血管并发症的风险。本研究结果提示，在肥胖青少年及儿童在运动减肥过程中，采取一些抗氧化与抗炎症的措施可能有利于改善其血管内皮功能。但是，有关运动通过降低肥胖青少年氧化应激与炎症反应改善其血管内皮功能的具体分子生物学机制，还有待于开展基础研究加以阐明。

4 结论

6周的有氧运动结合抗阻训练干预可以有效降低肥胖青少年体重，改善体成分，提高胰岛素敏感度以及调节脂代谢，并且可以提高其心血管功能，减轻氧化应激与炎症反应水平；运动干预改善肥胖青少年心血管功能的机制可能与运动通过抗氧化应激及抗炎症介导的血管内皮功能提高有关。

［1］肖伟强，肖志强，李艳萍，等.肥胖患儿体内抗氧化剂抗氧化酶和丙二醛的检测及分析［J］.中国实用儿科杂志，2006，21（3）:182-186.

［2］张献博，黄秀清，孙明晓，等.生活方式干预改善超重及肥胖青少年氧化应激状态［J］.中华健康管理学杂志，2011，5（6）:344-348.

［3］ANGELO A，SAULA V K.Mechanisms of endothelial dysfunction in obesity［J］.Clin Chimica Acta，2005，360（1-2）:9-26.

［4］EMMANUELLE M，YACINE A，MAUD P，et al.Association of Arterial Stiffness and Endothelial Dysfunction with Metabolic Syndrome in Obese Children［J］.J Pediatrics，2008，153（1）:65-70.

［5］FERNANDO G P，ANA BZG.Endothelial dysfunction and cardiovascular risk factors［J］.Diab Res Clin Practice，2009，84（1）:1-10.

［6］FLEGAL K M，OGDEN C L，YANOVSKI J A，et al.High adiposity and high body mass index-for-age in US children and adolescents overall and by race-ethnic group［J］.Am J Clin Nutr，2010，91:1020-1026.

［7］FRANCH P C，ALONSO S T，ESTAL R M，et al.Nitric oxide production is increased in severely obese children and related to markers of oxidative stress and inflammation［J］.Ather，2011，215（2）:475-480.

［8］GEETHA R.Assessment of atherosclerotic cardiovascular risk and management of dyslipidemia in obese children［J］.Progress Pediatric Cardiology，2008，25（2）:167-176.

［9］KATIE W，PETRA B，ARIS S，et al.Effects of exercise training on vascular function in obese children［J］.J Pediatrics，2004，144（5）:620-625.

［10］KELLY A S，WETZSTEON R J，KAISER D R，et al.Inflammation，insulin，and endothelial function in overweight children and adolescents:The role of exercise［J］.J Pediatrics，2004，145（6）:731-736.

［11］KUANG C S，ANTHONY J J，CHING F K，et al.Effects of exercise on insulin sensitivity，inflammatory cytokines，and serum tartrate-resistant acid phosphatase 5ain obese Chinese male adolescents［J］.Met Clin Exper，2010，59:144-151.

［12］LIRA F S，ROSA J C，SANTOS R V，et al.Visceral fat decreased by long-term interdisciplinary lifestyle therapy correlated positively with interleukin-6and tumor necrosis factor–α and negatively with adiponectin levels in obese adolescents［J］.Met，2011，60（3）:359-365.

［13］NTAIOS G，GATSELIS N K，MAKARITSIS K，et al.Adipokines as mediators of endothelial function and atherosclerosis［J］.Ather，2013，227（2）:216-221.

［14］OSTROW V，WU S F，AGUILAR A，et al.Association between Oxidative Stress and Masked Hypertension in a Multi-Ethnic Population of Obese Children and Adolescents［J］.J Pediatrics，2011，158（4）:628-633.

［15］PILAR C F，VICTORIA V B，ANGELA AC，et al.Oxidant mechanisms in childhood obesity:the link between inflammation and oxidative stress［J］.Translational Res，2011，158（6）:369-384.

［16］YOLANDA E，JOSE M S，ANTONIO G H，et al.Improvement of the lipid profile with exercise in obese children:A systematic review ［J］.Preventive Med，2012，54（5）:293-301.