中长跑运动员10天热适应过程中机体热调节反应及HSP70变化

吴卫兵，王人卫，许弟群

高温、高湿是运动员运动训练和比赛不可避免的环境条件，大量研究证实，高温、高湿会对机体的体温调节系统、心血管系统、呼吸系统、神经内分泌等系统造成不利的影响，尤其是长时间的运动项目受到的影响更大［1，4，19］。如何克服高温、高湿环境对运动人体的不利影响，研究认为，让运动员产生热适应是一种行之有效的方法和手段。热适应是机体在热刺激的反复作用下逐步建立的耐受高温和抵抗热损伤的保护性生理反应，可缓解高热引起的机体生理紧张，提高机体运动能力，减少训练伤害及过度疲劳的发生。然而，有关运动员热适应建立的研究国内鲜有报道，国外研究报道的结果也不尽一致，对于如何有效地建立热适应目前尚无定论，没有形成可供参考的热适应相关参量标准，仅以热适应建立时间周期来看就存在一些争议［5，10，16，17，21，22］。 本研究以中长跑运动员为研究对象，结合运动训练和比赛实践，观察和分析10天热适应过程中机体热调节反应和热休克蛋白70（heat shock protein70，HSP70）变化，并初步探讨其作用机理，为运动员热适应建立提供实验依据和实践指导。

1 对象与方法

1.1 研究对象

上海体育学院附属竞技体育学校8名中长跑男性运动员为受试对象，他们的基本情况为，年龄16.6±1.4岁，身高172.2±6.6cm，体重61.3±5.1kg，体脂率（18.3±5.8）%，最大耗氧量（˙VO2max）57.1±2.1ml／kg／min，最大输出功率236.0±38.9W，训练年限3.3±0.9年。实验前向受试对象说明实验目的、流程以及实验的可能风险，并签订知情同意书。同时对每个受试对象进行健康问卷调查和医学检查，以及体质测试与评估，排除健康隐患。

1.2 实验设计

根据实验的安排，先对受试对象进行最大摄氧量测试，为热适应方案中制定运动强度，然后，对他们进行热适应运动实验。

1.2.1 最大耗氧量测试

利用运动心肺功能仪（K4b2，Cosmed，Italy）和可调式功率自行车（Ergoselect 100，Ergoline，Germany），采用Breath by Breath每口气采集法进行˙VO2max测试。测试方法为:适应性活动3min后，以基础负荷60W开始蹬功率自行车运动，每2min递增30W，当运动至耗氧量的差＜5%（或150ml／min），RQ＞1.1，HR＞180b／min，力竭至不能维持原有的运动速度，此时耗氧量判定为最大耗氧量。

1.2.2 热适应方案

受试对象到达实验室进行热适应时，要求空腹2h以上，且保持良好的水合状态，热适应运动前排空大小便，为避免生理节律的影响，热适应实验时间统一为每天下午（14:00-17:00）。受试对象热适应期间避免大强度运动，每一次热适应前8～12h饮用禁止酒精和咖啡，并在整个实验期间避免非处方药摄入。

热适应为连续10天，其中第1天环境仓内自由活动暴露60min，第2天至第10天每天先热身5min，然后以40%˙VO2max强度运动3次15min，次间休息5min。功率自行车蹬踏速度要求55rpm左右（踏频屏闪指示灯显示绿色）。选择40%˙VO2max强度进行热适应运动，是基于对热应激与运动应激的考虑。相关文献报道［23，24］，对于有良好训练的运动员，中等强度（大约50%˙VO2max）下运动对人体主要产生热适应，不能充分引起运动适应。本实验的热适应方案的具体程序见表1。

表1 本研究热适应方案的具体程序一览表Table 1 Operational Program of Heat Acclimation Project

1.2.3 热适应环境条件

热适应环境条件:温度为33℃、湿度为80%RH。热适应实验地点为上海体育学院运动环境实验室，通过温湿度调控器可以设定热适应过程中环境仓的温度和湿度。环境仓由美国Submital A ＆S公司建造，规格长×宽×高为4.88m×3.06m×3.70m，温度可控范围为在-40℃～100℃之间，湿度可控范围1%～95%RH，环境仓四周封闭，顶部有日光灯照明，环境仓门装有透明玻璃，仓壁有温度和湿度传感器探头，感应环境仓内的温度和湿度变化，通风换气由管道与外界连接，工作状态下环境仓空气流量为1830CFM，噪音70dB。环境仓外大厅及实验预备室中央空凋，温度为26℃，湿度为40%RH。

1.3 取样与指标测试

1.3.1 核心温度和裸重测试

分别于热适应的第1～10天运动前后进行核心温度（Core Temperature，Tc）和裸重测试。核心温度测试:使用前先将体温计（Crw11，上海华辰，中国）度数甩到35℃以下，让受试对象俯卧，露出臀部，将涂有凡士林的体温计水银端，轻轻插入肛门内约3～4cm，5min后取出，用软纸擦净体温计表后，读出体温刻度。裸重测试:采用电子体重计（Hbf-356，欧姆龙，日本）测试，运动后测试裸重时要用毛巾擦干身上的汗水。

1.3.2 心率（HR）和主观感觉疲劳程度测试

分别于热适应的第1～10天运动中进行HR和主观感觉疲劳（RPE值）程度测试。HR测试:热适应运动过程中佩带 Polar心率表（Rcx5，Polar Electro，Finland），全程监测受试对象HR的变化，研究取受试对象每隔5min变化的HR数据。RPE值程度测试:运用Borg量表，实验前向受试对象详细讲解Borg量表每个水平所代表的身体状态，使其准确理解自己身体状态与RPE值的对应关系，运动过程中每5min记录受试对象的RPE值。

1.3.3 汗液测试

分别于热适应的第1～10天运动中进行汗液收集。汗液收集采用臂汗收集法，用聚乙烯袋包裹一只手臂并达肘关节上15cm进行收集，聚乙烯袋包裹前先对受试对象手臂进行清洗，再依次用自来水和去离子水多次冲洗。聚乙烯袋自制方法:参照文献并做适当修改［7］，运用剪刀和封口机，聚乙烯塑料袋剪裁成圆筒状，并使筒状下沿呈一漏斗状，然后，用去离子水浸泡1天后，去离子水再冲洗3遍，置室温下阴干备用。运动结束后，干净夹钳移去汗液收集袋，移液枪精确移取5ml汗液于离心管中，采用离子选择电极法全自动生化分析仪（Hitach2100，Hitachi，Japan）检测汗液Na＋、K＋和Cl-。

1.3.4 HSP70测试

分别于热适应的第2天、6天、10天运动前后，肘静脉取血5ml，4℃、3000rpm离心10min，取上清液分装后置于-70℃保存待测。HSP70采用双抗体两步夹心酶联免疫吸附法（ELISA）检测，试剂盒由美国R ＆D公司提供，仪器使用芬兰雷博MK3型酶标仪，并严格按说明书操作。

1.4 数据统计学分析

采用SPSS 13.0统计软件进行数据统计处理分析，各指标数值结果均以均数±标准差（）表示。对不同热适应时间数据比较采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）和配对样本t检验（Paired-Samples T Test），以P＜0.05为差异具有显著性，以P＜0.01为差异具有非常显著性。

2 结果

2.1 热适应过程中核心温度、HR和RPE值变化

由图1可见，从整体上看热适应连续10天运动结束时，核心温度均高于运动前安静时的核心温度，运动结束时和运动前的核心温度在热适应连续10天呈现一个进行性下降变化，其中运动结束时核心温度变化明显。热适应连续10天运动后核心温度与运动前核心温度相差差值表现为第1天变化差值最小，差值为0.19℃，第2天变化差值最大，差值为1℃，第3～10天变化差值呈波动性变化。

图1 本研究热适应连续10天运动前和运动结束时核心温度变化示意图Figure 1.Change of Tc before and after Exercise during Heat Acclimation

由表2可见，与运动前相比，热适应的第2天、6天和10天运动后的Tc明显升高，具有非常显著性差异（P＜0.05）。其中，运动前Tc第2天、6天和10天变化经单因素方差分析，未见显著性差异（F＝0.762，P＝0.479）；运动后Tc第2天、6天和10天变化经单因素方差分析，也未见显著性差异（F＝2.707，P＝0.090）。

表2 本研究热适应第2、6、10天运动前后核心温度一览表Table 2 Tc before and after Exercise on 2，6，10Days during Heat Acclimation

图2为热适应第2天、6天和10天运动中3次15min运动结束时RPE和HR变化（每天运动60min时间安排:5min热身、15min运动、5min间歇、15min运动、5min间歇、15min运动），把第1次15min、第2次15min、第3次15min依次定义为1×15min、2×15min和3×15min。由图2可知，一方面，从1×15min、2×15min和3×15 min运动后即刻RPE来看，均是第2天的RPE最高；另一方面，从第2天、6天和10天的每一天3次15min运动后即刻RPE来看，1×15min、2×15min和3×15min的RPE均表现为依次升高。同时，热适应第2天、6天和10天运动中3次15min运动结束时HR变化完全类同于RPE变化。

图2 本研究热适应第2、6、10天3次15min运动结束时HR和RPE变化示意图Figure 2.Change of HR and RPE in Exercise on 2，6，10Days during Heat Acclimation

图3为热适应过程中HR和RPE相关散点和趋势变化情况，散点图中HR和对应RPE的散点分别来源于1×15min、2×15min和3×15min运动后即刻数据。经皮尔逊相关分析，HR和 RPE相关系数r＝0.308，P＝0.025。

由表3可见，第2天热适应运动过程中，1×15min、2×15min和3×15min的HR和RPE未发生显著性变化（P＞0.05）；第6天热适应运动过程中，与1×15min相比，3×15min的 HR显著升高（P＜0.05），3×15min的RPE值非常显著升高（P＜0.05）；第10天热适应运动过程中，与1×15min相比，2×15min的HR和RPE值显著升高（P＜0.05），3×15min的 HR和 RPE值非常显著升高（P＜0.05）。与第2天相比，第6天、第10天的1×15 min、2×15min和3×15min的HR和RPE值变化均未发生显著性差异（P＞0.05）。

2.2 热适应过程中出汗量、出汗率和汗液电解质变化

由图4可见，出汗量在热适应的10天过程中呈一个波动调整的变化，第1天出汗量最小，然后，出汗量分别是第3天大、第5天小、第7天大、第9天小，到第10天又表现为一个增高的趋势。出汗率为每小时每平方米单位体表面积皮肤丢失的汗液公斤重量，其中，人体体表面积计算参考胡咏梅针对中国男性制定的公式［2］。由图4可见，出汗率10天热适应过程中变化类同于出汗量的变化。

图3 本研究热适应过程中HR和RPE相关散点和趋势示意图Figure 3.Scatter Diagram of Correlation between HR and RPE during Heat Acclimation

表3 本研究热适应第2、6、10天3次15min运动HR和RPE一览表Table 3 HR and RPE in Exercise on 2，6，10Days during Heat Acclimation

图4 本研究热适应连续10天出汗量和出汗率的变化示意图Figure 4.Change of Sweat Loss and Sweat Rate during Heat Acclimation

由表4可见，Na＋和Cl-浓度热适应过程中的第2、6、10天逐渐下降，其中，与第2天相比，第10天的Na＋和Cl-浓度显著性下降（P＜0.05），与第6天相比，第10天的Na＋和Cl-浓度非常显著性下降（P＜0.01）；K＋浓度热适应过程中的第2、6、10天未出现显著性变化（P＞0.05）。

表4 本研究热适应第2、6、10天汗液K＋、Na＋和Cl-一览表Table 4 Sweat Ion after Exercise on 2，6，10Days during Heat Acclimation

2.3 热适应过程中HSP70变化

由表5可见，第2天热适应运动后HSP70比运动前非常显著性增加（P＜0.01），第10天热适应运动后HSP70比运动前显著性增加（P＜0.05），第6天热适应运动后HSP70比运动前增加未见显著性差异（P＞0.05）。第2、6、10天运动前HSP70不断增加，经单因素方差分析，未见显著性差异（F＝0.307，P＝0.740）；第2、6、10天运动后HSP70不断增加，经单因素方差分析，也未见显著性差异（F＝0.378，P＝0.691）。

3 讨论

热适应是机体在热刺激的反复作用下逐步建立的保护性生理反应，其中，体核温度、HR、出汗量和出汗率等指标是评价机体热适应及其适应程度的重要生理学指标［6，8，9，14］。从本研究实验结果来看，中长跑运动员10天热适应过程中体核温度、HR、PRE值、出汗量、出汗率和汗液电解质表现出一些规律和适应性的变化。

体核温度在10天热适应过程中运动后比运动前明显升高，运动后体核温度在10天热适应过程中总体上呈一个下降趋势变化，其中第1天运动后体核温度最低、第2天运动后体核温度最高、第3～10天运动后体核温度呈波动变化下降趋势。实验结果与BURK 等［6，8，14］研究报道相一致。运动后体核温度的变化与与本研究热适应方案设计的第1天只热暴露、第2～10天运动热应激适应有关。运动后体核温度升高是机体运动应激和环境温度湿度联合作用所致，高温高湿环境运动时，强烈的肌肉活动大量产热，而本实验运动环境为温度33℃和湿度80%RH，这种高温高湿的运动环境使机体散热困难导致机体核心温度升高。随着运动热适应继续进行，机体的体温调节系统逐渐产生一定的热适应，使得体核温度在热适应的后期出现下降趋势。

表5 本研究热适应第2、6、10天运动前后HSP70一览表Table 5 HSP70before and after Exercise on 2，6，10Days during Heat Acclimation

HR在10天热适应过程中发生明显变化，10天的热适应1×15min、2×15min和3×15min运动后即刻 HR逐渐增加。高温环境运动HR增加与机体处于运动热应激状态有关，其作用机理可能是运动热应激使机体交感神经系统高度紧张，肾上腺素大量分泌，作用于心肌受体，激活心肌细胞腺苷酸环化酶，使心肌糖原分解加强，能量代谢加速，HR大幅度增加；另一方面是汗液的流失使大量血液流入体表，导致中心循环血量明显减少，容量感受器所受刺激发放冲动减少，从而通过心交感神经系统引起心率增加。同时，10天热适应过程中第2天、6天和10天1×15min和3×15min运动后即刻所对应的HR逐渐降低。这也进一步证实了HUE等［12，13，18］的研究结果，随着机体的热适应使心率呈现下降变化。其原因可能是由于机体受到10天连续运动热应激，提高了心血管、皮肤、汗腺和内脏等组织器官的协调作用，使得机体出现皮肤血流量减少、静脉回流量加快、毎搏输出量增加等一些热适应特征。

RPE值在10天热适应过程中的变化类同于心率的变化，主要表现在10天热适应过程中1×15min、2×15min和3×15min运动后即刻RPE值与HR变化趋势相一致。针对高温环境运动下RPE值和HR相关性研究还未见相关的报道，本研究发现运动热适应过程中RPE值和HR呈低度相关（r＝0.308，P＝0.025），这可能与高温环境对RPE值和HR的影响程度不同所致，从本研究RPE值对应的HR实验结果来看也支持这一假设，10天热适应过程中1×15min运动后即刻对应的RPE值（12～14级）和 HR（100～110次／分）、2×15min运动后即刻对应的RPE值程度（13～14级）和 HR（110～120次／min）、3×15min运动后即刻对应的RPE值程度（14～15级）和心率（120～130次／min），而根据恒定负荷运动中HR＝RPE×10换算公式［17］，可知本研究RPE推算出来的HR明显大于实际测试的HR。由此可见，高温运动热适应过程中机体RPE受到影响明显高于HR。

出汗率和出汗量在10天热适应过程中的变化相一致，表现为一个波动调整的增高趋势变化。汗液电解质在10天热适应过程中K＋浓度未发生明显变化、Na＋和Cl-浓度发生显著性下降。汗液是由汗腺自动分泌的液体，汗腺受交感神经支配并受下丘脑发汗中枢控制，为胆碱能器官，受醛固酮和抗利尿素所制约。本研究10天热适应过程中，出汗量、出汗率和汗液电解质热适应性变化可能与机体热适应增加了汗腺周围乙酰胆碱的浓度、增强了外分泌腺胆碱能神经元的敏感性有关，从而提高了机体汗腺功能和醛固酮介导汗腺对K＋、Na＋和Cl-的重吸收。需要说明的是，本研究出汗量的计算是由热适应运动前后的体重差所得，这种计算方法会高估出汗量的实际值，因为，热适应运动过程中呼吸道也排出了部分水分。同时需要说明的是，汗液电解质浓度测试受汗液收集的方法和收集的部位的影响，有研究表明，汗液电解质浓度与汗液不同的收集方法和收集部位有关［15，20，23，24］。

HSP70是目前研究较多的一种细胞保护蛋白，高温、感染、损伤、运动等均可诱导其表达，表达的强弱与局部承受负荷状况、组织细胞的损害程度有关。在运动训练过程中，通过诱导HSP70表达，可提高机体对运动的耐受性，抵抗运动对机体的损害［25］。目前，有关运动热应激与HSP70研究可见大量报道，研究对象以动物实验居多，研究方法以一次急性运动或热预处理为手段，测试HSP70主要取材于心脏、肾脏、肝脏、骨骼肌和淋巴细胞。本研究结合热环境运动训练和比赛的实际需要，以运动员为实验对象进行热适应实验，观察10天热适应过程中血清HSP70的变化。从本实验结果来看，第2天、6天、10天运动热应激后HSP70水平比运动热应激前显著增加，第2天、6天、10天运动应激前HSP70水平逐渐增加，第2天、6天、10天运动应激后HSP70水平逐渐增加，研究结果与SANDSTROM等［11，22］报道相一致，提示 HSP70在10天热适应过程中产生热适应变化。

4 结论

经过连续10天高温高湿运动热适应，运动员热应激的体核温度、HR下降，排汗能力增强，汗液电解质浓度下降，HSP70水平升高，表明运动员已经有效地建立了热适应。同时研究提示，环境温度、环境湿度、运动强度、运动时间和热适应周期是热适应有效建立的重要因素。

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