运动员生物护照在反兴奋剂中的应用分析——基于内稳态的视角

马国全 李小唐 张虎祥 杨建文 高玉洲 郭春锋

(兰州理工大学 体育教学研究部，甘肃 兰州 730050)

2013 年11 月15 日，在南非约翰内斯堡召开的第4 届世界反兴奋剂大会上通过了修订版《世界反兴奋剂条例》(World Anti-Doping Code，简称WADC)，其中明确了“运动员生物护照(Athlete Biological Passport，ABP)”可以作为认定使用禁用物质或禁用方法的证据，将于2015 生效［1］。ABP 是近年来发展起来的一项反兴奋剂新技术，通过检测“间接”反映兴奋剂作用的人体生物标记(biomarker)，根据其变化是否异常来逆向推断运动员是否使用了违禁物质或方法［2］。它不同于以往通过化学检验来发现运动员体内违禁物质本身的兴奋剂检测方法，ABP 项目对兴奋剂违规的判定，并不是参照某个固定的值，而是需求某个监控参数的“演化”，它寻求的是某个参数的纵向(随时间变化)的变化。对此，瑞士兴奋剂分析实验室Sottas 等2008 年在国际知名期刊《自然》杂志上撰文［3］，根据与其将血液测量值与基于总人口的宽泛阈值相比较，不如利用运动员本人不同时段的测量值作为对照，以寻找其中的异常起伏变化，同时兴奋剂检测的时间窗口也相对延长。本文拟从内稳态的角度初步探讨ABP的理论依据，以期为我国有效实施ABP 项目提供有价值的参考。

1 内稳态理论

1.1 内稳态的缘起

内稳态是内环境(internal environment)恒定概念的引伸与发展［4］。内环境恒定概念是由19 世纪法国生理学家克洛德·贝尔纳(Claude Bernard)提出。贝尔纳认为［5］，“内环境恒定是(机体)自由和独立生存的首要条件”。美国生理学家沃尔特·坎农(Walter Cannon)扩展了贝尔纳的内稳态概念。在他的著作“The Wisdom of the Body(身体的智慧)”中，坎农指出，内稳态主要指内环境是可变的又是相对稳定的状态。稳态是在不断运动中所达到的一种动态平衡;即是在遭受着许多外界干扰因素的条件下，经过体内复杂的调节机制使各器官、系统协调活动的结果，这种稳定是相对的，不是绝对的。随着控制论和其他生命科学的发展，稳态也扩展到有机体内极多的保持协调、稳定的生理过程，例如，用于衡量机体的不同层次或水平(细胞、组织器官与系统等)的稳定状态，以及在特定时间内(由几毫秒直至若干万年)保持的特定状态。

内稳态是生物系统从进化适应中获得的维持整个生物系统生存的基本条件［6］。处于内稳态的生物系统是健康的，可以正常稳定地发挥应有的功能。远离内稳态的生物系统则处于病理状态，生物系统的功能异常，而且不能获得稳定的发挥［7，8］。自内稳态理论诞生以来，一直受到学术界的重视，譬如，美国遗传学家迈克尔·布朗(Michael Brown)依靠研究胆固醇的内稳态机制而荣获诺贝尔生理学奖［9］，2003 年，Berridge 等［10］在著名杂志《自然》子刊”Molecular Cell Biology”上撰文，讨论了Ca2+离子在调节细胞内功能的静态及内稳态特征。

内稳态作为一个经典理论，虽然已提出了很多年，但由于其表征方法的缺乏妨碍了其广泛深入的应用。刘承宜等［6，7，11］将内稳态对生理参数的稳定发展为对生物功能的稳定，提出了功能内稳态(function-specific homeostasis，FSH)的概念，认为，功能内稳态是稳定维持生物系统功能的充分发挥的负反馈机制，一个生物系统处于功能内稳态就是其功能相对稳定并得以正常发挥的状态，一个生物系统远离功能内稳态 就是其功能偏离正常，即通常所称的功能失调或功能障碍。

对于不同运动项目，训练平台所表征的运动员内稳态是不同的，因此，每个运动员的内稳态是项目特异的，对此刘承宜等［11，12］扩展了功能内稳态的内涵，提出了运动项目内稳态(SSH)概念，并建立了SSH 训练理论。根据SSH 理论，运动员对一套训练方法的适应过程是内稳态建立的过程，内稳态一旦建立，原有的训练方法就成为维持内稳态的必要条件。另外，从SSH 的角度可将运动训练分为两类，维持既定内稳态的训练称为常规训练(ordinary training，OT)，通过打破原有内稳态(former homeostasis，FH)建立成绩性能更好的新的内稳态(new homeostasis，NH)的训练则称为超常训练(extraordinary training，ET)，通过ET 和OT 的周期循环，运动员所建立的SSH 的品质就会越来越高，即表现为运动水平的不断提高。

1.2 内稳态视角下的ABP

在某项特定的运动中，运动员通过常规训练达到某种项目内稳态。由于运动员本身身体技能的综合限制，不可能永远通过超常训练这种策略，破坏低品质内稳态，达到高品质内稳态，从而不断提升运动成绩。当无法通过超常训练提升内稳态品质时，也就是达到了运动员的成绩性能“瓶颈”，即生理极限。若想打破此类瓶颈，一般来说，正常的超常训练策略无效，除非借助于外界刺激和干扰——即使用兴奋剂，来破坏原有的内稳态。一些运动员在使用兴奋剂后的一段时间内，成绩性能得到高水平的呈现，而此时ABP 的检测显示，运动员的多项生物标记特征“异常”于原来的内稳态，而这种状态又不同于通过超常训练(ET)达到的高品质的内稳态(因为这种内稳态可以通过常规训练得以维系)，这种非正常的暂稳态被称为“兴奋剂内稳态”(Doping Homeostasis，DH)。

项目内稳态和兴奋剂内稳态的变迁关系如图1所示。图1 所示的状态迁移，可用一个有穷状态自动机(finite automation，FA)M 来表示［13］:

M 是一个五元组，其中，Q 是状态的非空有穷集合，∀q∈Q，q 成为M 的一个状态。针对应用场景，这里有Q={DH，FH，NH};∑是输入字母表(input alphabet)，这里它代表内稳态外部的刺激，比如说常规训练(OT)，超常训练(ET)，使用兴奋剂(Doping，这里简写为DP)等;δ 为状态转移函数(transition function)，这里有δ:Q×Σ→Q。对∀(q，a)∈Q×Σ，δ(q，a)=p 表示M 在状态q 读入字符a，将状态变成p。譬如，在FH 状态下，在接受DP 刺激下，转换至DH 状态;q0为M 的开始状态，显然q0∈Q。在这里，我们定义q0为低品质的项目内稳态;F 为M 的终止状态，同样有F⊆Q。这里的终止状态并非说M一旦进入这种状态就终止了，而是说M 一旦在处理输入字符串时达到的这种状态，M 就是接受当前处理的字符串，所以也称终止状态为接收状态。比如说，FH 在接受DP 情况，状态可变迁为DH，那么DH可以看作M 的一种终止态。

一种内稳态的描述是由多个生物特征参数来表征的，比如在FH 下，HCT、RET%、HGB 等参数各有其合理的波动范围。在外界刺激和干扰下，状态可发生迁移，必然涉及到描述内稳态存在的多种生物特征参数的变化。在本质上，ABP 正是利用运动员的某些生物特征(称为生物标记)的“异常变迁”来发现兴奋剂的可疑使用者。需要说明的是，正常的项目内稳态(FH 或NH)可通过达到内稳态后的常规训练得以维系，而高(低)品质的内稳态也可以发生可逆转的变迁，但是，对于项目内稳态向兴奋剂内稳态的变迁，其可逆变迁(即兴奋剂内稳态至项目内稳态)通常是不完全的(图1 中用虚线表示)，这是因为兴奋剂对运动员身体机能的伤害，很多情况下是不可修复的。很多运动员在使用兴奋剂后发生意外事件，如据2005 年《自然》刊出的研究结果显示［14］，使用基因兴奋剂，可提升运动员患肿瘤、中风、甚至猝死的风险，更严重的是，使用基因兴奋剂(如促红细胞生成素、胰岛素样生长因子等)的运动员，其体内细胞组织的染色体结构一旦被改变，其后果是永久性不可逆的，对人体内、外环境平衡产生的影响，科学家们还无法预计，也难以控制［15］。

图1 兴奋剂内稳态与项目内稳态之间的变迁图

下面从内稳态视角出发，运用ABP 技术，以“阿姆斯特朗兴奋剂事件”为案例，从而说明ABP 技术如何结合内稳态理论在反兴奋剂中的应用。

2 内稳态视角的ABP 案例分析——以“阿姆斯特朗兴奋剂事件”为例

2013 年1 月17 日，阿姆斯特朗在电视节目中，放弃了申述和辩解，承认他曾经使用过兴奋剂，而且在全部7 次环法赛夺冠的经历中都使用过兴奋剂。同时他还表示，虽然他屡次成功地躲避了兴奋剂检查，但运动员生物护照的出现确实对他很有震慑力［16］。

自1999 年起，兰斯·阿姆斯特朗奇迹般地在环法自行车大赛上连续7 年夺冠(1999 ～2005)。尽管阿姆斯特朗多年来经历无数次兴奋剂检查，但均没有找到有力的证据证明他使用过兴奋剂，当阿姆斯特朗在2009 年重返赛场时，ABP 已在国际自行车联盟(UCI)成功实施。根据DimSpace 提供的资料［17］，笔者统计了在2008 年-2010 年期间UCI 和美国反兴奋剂机构(USADA)对阿姆斯特朗先后实施多达61 次的兴奋剂检测概况(表1)。由表1 可知，在2008 年至2010 年期间的众多检测中，ABP 检测占绝大多数比例(71.9%～100%)。

表1 2008 年－2010 年期间阿姆斯特朗的兴奋剂检测概况

2009 年，阿姆斯特朗为了证明自己的“清白”，曾在其创建的康复癌症基金会官网(LiveStrong.com)公布了他自己的生物检测报告［18］，试图让人们关注他的HGB、HCT 等参数都在合理范围之内，从而说明他是清白的。而根据内稳态理论，内稳态是生物系统抵抗外界干扰的负反馈状态。在比赛期间，对于高强度运动这个“外界干扰”，运动员预期地经过一系列紧张地运动后，其机体为了维持内稳态，势必有“抵抗外界干扰的动作”，随之内稳态参数也会发生动态变化，其变化的程度随环境影响以及机体对这种影响的反应程度而起伏波动，波动的范围与机体的需要和机体的潜能相一致，最终实现对环境反应和内源性过程的最佳化［6］。表2 是从阿姆斯特朗公布的包括抽取有关其ABP 的2008-2009 年期间的部分数据，对完整数据感兴趣的读者可参阅文献［18］。从表2 数据可清楚地看出，阿姆斯特朗在复出前到环意赛期间的内稳态参数变化合理，即没有使用兴奋剂，而在2009 年环法赛期间的内稳态参数发生了异常变动，也就是说这些内稳态参数无法在常规的项目内稳态中获得合理解释:

表2 阿姆斯特朗在2008 至2009 年期间的血样/尿样检测结果

(1)一般来说，长时间的高负荷运动会导致红血细胞的减少，而人体的生理应激反应(physiological response)则是再次生成更多的红细胞来补充原有红细胞的损失，这就意味着新生的红细胞将在整体上更多，这些新生的红细胞是不成熟的，其被称之为网织红细胞(RET)，换句话说，长时间的高负荷运动会导致人体内的RET 增加，“正常”的RET 百分比位于0.5%～1.5%之间［19］，如果单纯地从静态角度来看，表2 所示的阿姆斯特朗的RET%值均在合理范围之内，但它的绝对值并不能用于判断被测者是否使用了兴奋剂，该生物标记在一段时间内的变化是否合理才是使用兴奋剂的判断标准。因此，反兴奋剂科学家Ashenden 据此提出质疑［20］，在2009 年环法自行车赛为期三周的赛季期间，阿姆斯特朗的血液数据存在“生物标记”的异常:在二次复出前的ABP 检测表明(见表2)，阿姆斯特朗的RET%值在0.83 ～1.49%区间，而环法自行车赛季期间，阿姆斯特朗的RET%却稳定在0.5%～0.7%之间，远低于在高负荷运动后的RET%预期值(下降幅度超过50%)，这正是使用血液兴奋剂后的典型特征。

(2)此外，表2 数据还显示，在环法赛期间，阿姆斯特朗的另一个内稳态参数——红血细胞压积(HCT)值也不符合常规内稳态特征。HCT 是指抗凝全血经离心后，测得沉淀的血细胞(主要是红细胞)在全血中占有的比例。通常长时间的高负荷运动会导致血液浓度的下降(因红细胞减少)，相应地，HCT 也会降低。在环意自行车赛开始阶段，阿姆斯特朗的HCT 值为43.5%，三周赛季之后，他的HCT 值为38.2%，下降了5.3 个百分点，这是符合生理学预期的。对比而言，在环法赛期间，阿姆斯特朗比赛初期的HCT 值是42.8%，三周的赛季之后，他的HCT 值变为43%，不降反升了0.2 个百分点。根据内稳态的理论，应激是生物系统对干扰因素的适应，长时间的高负荷运动作为外界刺激，阿姆斯特朗的HCT 值理应下降，而环法赛期间的HCT 变化是不符合内稳态应激反映的。通过环意和环法赛季期间的两组HCT 变化值的鲜明对比，促使反兴奋剂科学家Parisotto 认为［21］，阿姆斯特朗在环法自行车赛季期间使用了血液兴奋剂(血液回输)。

面对众多专家的质疑，阿姆斯特朗的新闻发言人兼律师Mark Fabiani 却表示［22］，由血液检测而来的数据根本不能作为证据，全世界除了USADA 都清楚这个规则:要么你通过了药检，要么没有，不存在两者之间，而且阿姆斯特朗通过了所有的测试，包括2009 年环法赛的官方测试。从司法定案的角度来看，Fabiani 当时质疑并非“无稽之谈”，这是因为ABP 是一个基于贝叶斯概率理论的推理系统，它提供的是运动员使用兴奋剂的可能性，即使置信概率为99.9%，也还有0.1%的偏差。在司法判决上，一个嫌疑人要么有罪，要么无罪，而判决某人99.9%有罪与“疑罪从无”的原则是相违背的，此其一。其二是，如前文所述，ABP 提供的是一种间接逆向推论，缺少运动员兴奋剂违规的“物证”。可以想象，如果不是阿姆斯特朗自己认罪，其兴奋剂丑闻一案仍将是一个漫长的司法诉讼。

然而由上文分析可知，常规训练达成的内稳态向“兴奋剂内稳态”的状态迁移，必然涉及到内稳态参数的改变，而一种状态的描述是由多个参数来表征的，用各状态参数及其合适的组合方式来有机评估状态的迁移，更能准确判断运动员目前状态是否达到“兴奋剂内稳态”，在兴奋剂内稳态下，描述这种状态的各种生理特征参数是一个有机的整体表达，而非“各自为政”地私有表达。因此，简单地用二维参数(RET［%］和HCT［%］)一起衡量阿姆斯特朗的ABP 参数，并实施可视化的聚类分析，如图2所示。

图2 阿姆斯特朗的项目内稳态与兴奋剂内稳态聚类示意图

在图2 中，可明显地看出，阿姆斯特朗在环法自行车赛期间的兴奋剂内稳态(用圆形标识)明显异于其非使用兴奋剂(三角形与正方形所标识)的状态，在这个可视化图中，项目内稳态和兴奋剂内稳态有着明显的边界，不再含糊不清，引人争议。因此，阿姆斯特朗使用兴奋剂的事实可在内稳态理论中得到进一步确认。由此可知，内稳态理论可以从另一个学术角度判定兴奋剂违规行为，并可与ABP 技术有机结合起来，使判定结果形成一个相互印证的证据链，彼此交叉验证，从而增强兴奋剂违规判定的司法说服力。

以上是利用内稳态理论结合ABP 技术对兴奋剂检测评判的简单尝试。随着体育科学科技与理论的研究深入，有理由相信，利用该理论，可找到更多检测参数或者它们的有机组合机制，更为准确地评估“兴奋剂内稳态”，从而将违禁运动员阻止于赛场之外。

3 讨论

ABP 能够较为准确地检测出运动员的兴奋剂使用特征。但需承认的是，当运动员的生物标记偏离正常值不明显时，ABP 判断兴奋剂的准确率还有较大的提升空间，此外，ABP 仅是对运动员使用兴奋剂的一种高概率推断，并不能提供兴奋剂违规的必然因果关系［23］。加之它无法明确判定运动员到底使用了哪种禁用物质或方法，所以ABP 的违规判定至今仍受到法律和科学的双重挑战［24，25］。

内稳态理论可作为ABP 判定策略的有益补充，能更好地配合ABP 在反兴奋剂检测中的作用，以一种更加全面的视角对运动员是否使用兴奋剂做出进一步确认与判定，而且在这种视角下，还有望挖掘出更多可行的、合理化的检测手段。譬如，虽然ABP已经提出了类固醇检测模块，能否在Michael Brown等［9］胆固醇研究的基础上，从内稳态视角审视反兴奋剂的研究;再比如，虽然ABP 提出了三大检测模块(血液、类固醇和内分泌)，能否在Berridge 等［10］研究的基础上，在内稳态理论指导下，考虑微量元素(如Ca2+离子)在使用兴奋剂前后的细胞体内变化特征，从而开辟新的检测模块。

近几年，蛋白质组学、代谢物组学和基因组学领域科技进步得到较大的发展，又给多角度的交叉验证提供了可能，为ABP 在兴奋剂判定的准确率提升方面提供了很大的发展空间［26，27］。最新的调查研究表明，有近10%的运动员在参加国际赛事时使用兴奋剂，但仅有1% ～2%的运动员被检测出使用了兴奋剂［28］，从使用率与检出率之间的巨大差异可见，反兴奋剂斗争任重道远。如何做到兴奋剂使用“魔高一尺”，反兴奋剂工作的“道高一丈”，是每一位体育科学工作者需要认真思考的问题，本文尝试性的研究希望起到“抛砖引玉”的作用。

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