抗衰老动物实验的运动干预方法及作用

2016-01-28徐划萍,金国琴

中国老年学杂志 2015年21期

关键词：衰老游泳

抗衰老动物实验的运动干预方法及作用

徐划萍金国琴1

(上海中医药大学学生体质研究室，上海201203)

关键词〔〕衰老；跑台；游泳

1上海中医药大学生化教研室

第一作者：徐划萍(1981-)，女，讲师，博士，主要从事中药及运动抗衰老的研究

适量的运动可以延缓衰老，本文主要就动物实验过程中运动干预方式及其作用作一综述。

1跑台

1.1动物跑台的构造及使用目前，已有适用于大鼠、小鼠、兔、狗等实验动物的跑台，用于运动疲劳、运动损伤、延缓衰老、生理和病理等研究。跑台一般有声光电等3种刺激，促使动物按要求跑步。但是过多的刺激会引起动物肾上腺素的升高；不同的刺激方式对实验结果会造成一定的影响，电刺激的强度比机械刺激大，研究发现当达到相同的疲劳标准时，两种刺激所造成的疲劳会对动物机体糖代谢造成不同的影响〔1〕。因此，在跑台训练中应当尽量降低刺激的频率和强度。另外，动物在跑步过程中需要实验人员密切看管，防止动物偷懒或尾部被夹住、脚趾划伤等，以免因外伤感染而死。

1.2跑台运动负荷的设定运动负荷包括运动时间和运动强度，一般常用心率、摄氧量与最大摄氧量的百分比等来评估运动强度，跑台的强度可以通过速度和坡度来调节。Bedford等〔2〕对大鼠最大摄氧量的影响因素进行了研究，分别考虑了性别、年龄、体重、训练程度等因素，得出了摄氧量与不同坡度、速度之间的关系，为运动强度的量化提供了理论依据，见表1。

1.3跑台运动在抗衰老研究中的应用

1.3.1跑台运动对衰老大鼠骨骼肌的影响骨骼肌衰老宏观变化表现为肌肉萎缩、肌力下降，其内在机制与氧化损伤、骨骼肌细胞凋亡、蛋白质代谢改变、线粒体功能紊乱、线粒体DNA修复和生物合成下降等原因密切相关〔3〕。

适度运动可以延缓骨骼肌的衰老；耐力运动可以使肌纤维的线粒体生物合成增强，减慢对血糖和肌糖原的利用，增强脂肪的氧化，使乳酸生成减少。

研究发现通过6 w的负重跑训练，衰老大鼠骨骼肌胰岛素样生长因子(IGF)-I mRNA低表达和肌肉生长抑制素GDF-8 mRNA高表达的状况可得到有效改善〔4〕，IGF-I是刺激骨骼肌生长的重要调节因子之一。GDF-8又名肌肉生长抑制素，它对骨骼肌的生长起较强的负调节作用。

表1　大鼠在不同方式的递增负荷运动过程中的摄氧量变化〔2〕

SD大鼠，前面5项的鼠龄为74～78 d，后面6项的鼠龄为80～90 d，平均体重为(0.280±0.010)kg

另有研究发现采用冲刺训练和耐力训练可对p53的表达产生下调作用,可不同程度地延缓骨骼肌衰老,且间歇性运动效果更明显〔5〕。p53被激活后可对线粒体产生一系列调节作用,如增加线粒体DNA的结构稳定性、调节线粒体的呼吸功能及调控细胞无氧和有氧代谢的路径选择等〔6～8〕。其间歇冲刺训练方案为：起始速度为13 m/min，加速至42 m/min，持续10 s,间歇30～60 s；3次×3组,组间间歇3 min，第1～2周坡度为0°、第3～4周坡度为5、第5～8周坡度为10；耐力训练实施方案为：起始速度13 m/min，第1周持续30 min，第2～4周持续40 min，第5～8周持续60 min。坡度均为0。

1.3.2跑台运动对衰老大鼠心血管系统的影响运动训练不但可使心血管的形态和功能产生良好适应，也可以改善其调节功能。衰老过程中，心肌组织中衰老相关基因会随之发生表达改变，研究发现跑台训练可以改善这一情况〔9〕。同时，还可修复心肌组织因衰老所引起的自由基的损伤，提高衰老大鼠心肌超氧化物歧化酶(SOD)活性，降低衰老大鼠心肌丙二醛(MDA)含量，且能改善衰老大鼠心肌线粒体结构，保护线粒体膜和嵴的完整性，延缓心肌线粒体因衰老所致的退行性改变〔10〕。采用的运动方案为：刚开始运动速度为15 m/min，运动时间为15 min，随后运动速度每2 w增加1 m/min，运动时间增加5 min，至运动结束时运动速度达到22 m/min，运动时间为60 min，每周运动6 d，共运动20 w，跑台坡度保持为0。

另外，对大鼠进行13 w连续低强度训练(50%～60%最大运动能力)，5 d/w， 60 min/d，发现训练组老年自发性高血压大鼠血压和心率降低，左心室肥大情况、胶原体积分数和心肌小动脉壁腔比也缩小，这些改变是血压下降的结果〔11〕。

1.3.3跑台运动对衰老大鼠大脑功能的调节人和动物在衰老过程中，随着衰老出现学习记忆能力下降，特别是空间记忆。运动可以改善大鼠海马的形态结构，使脑部衰老大鼠的学习、记忆能力得到明显改善。有研究表明〔12〕:长期适度运动能够减少衰老过程中脊髓前角神经元的丢失，特别是比较完好地保存大的运动神经元，从而表明运动对神经元具有保护作用。

跑台运动可使海马活性氧呈现低水平且伴随蛋白羰基数量下降，而且，运动可以诱导SOD-1、谷胱苷肽过氧化物酶(GSH-Px)、过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子(PGC)-1α和磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶(p-AMPK)的上调〔13〕，与海马氧化还原平衡相关，表明长期的身体锻炼构成抗氧化特性，通过此途径，保护神经细胞免受早期衰老氧化应激的损害。另外，让老年Wistar 大鼠接受短暂(4～6)min轻度的跑台训练连续5 w，可增加老年大鼠比目鱼肌和心脏的耗氧量，改善与年龄相关的长期空间学习和记忆损害〔14〕。短期运动使认知提高，且随着蛋白激酶(Akt)和环磷腺苷效应元件结合蛋白(CREB)的活化，衰老大鼠海马脑源性神经营养因子(BDNF)mRNA表达和BDNF蛋白水平含量会显著增加，这些结果表明：短期运动可以改善衰老大鼠认知功能和突触可塑性。

1.3.4跑台运动对衰老大鼠糖代谢的调节衰老可以通过多种途径干扰胰岛素的信号转导及其细胞代谢，导致胰岛素抵抗的发生，并且这种现象随年龄增加〔15〕。抗阻运动是一种有效实用的增加衰老过程肌肉质量和力量的非药物干预方法〔16〕，可以改善衰老过程中出现的骨骼肌减少引起的胰岛素抵抗。

对18月龄大鼠采用0%、30%、50%、70%最大负重间歇跑台运动训练，共训练8 w，坡度采用35，跑速为15 m/min，隔天1次。研究结果发现：低、中等强度抗阻跑台运动可以提高衰老过程中机体的胰岛素敏感性，使体内糖代谢调节功能改善，从而预防或延迟胰岛素抵抗的发生〔17〕。

2游泳

2.1常规的游泳训练方法采用自然游泳对大鼠来说，运动强度比较小。如果不增加额外的负荷，大鼠适应后可以在温度适宜的水中连续游泳几十小时，特别是在其学会了漂浮以后，代谢率很快就会下降，漂浮4 h后可降到基础代谢水平。所以为增加运动强度，一般让其在负重状态下游泳，一般用金属制品作为负重，一般可以固定在大鼠颈部或胸腹部，但固定在尾巴根部最方便，这样大鼠无法挣脱。负重量一般应为大鼠体重的2%～7%，最大不应超过其体重的6%～8%，否则可能会影响大鼠的正常运动，甚至造成溺亡。在大鼠游泳实验中，一般通过大鼠游泳至力竭的时间长短来评定其运动能力。大鼠游泳力竭状态的观测指标为：“经10 s后仍不能返回水面”，游泳训练周数一般在7～10 w。大鼠游泳过程中，应注意采用适宜的温水，游泳结束后应注意保暖，游泳过程中应及时营救疲劳沉底的大鼠，以减少死亡。

2.2游泳运动在抗衰老研究中的应用

2.2.1游泳运动对大鼠学习记忆能力的影响游泳训练可以改善衰老大鼠学习记忆能力，减少大鼠海马神经元凋亡，其机制可能是通过上调神经机械生长因子(NGF)、B淋巴细胞瘤基因(Bcl)-2和磷酸化蛋白激酶(P-Akt)表达，同时下调凋亡基因(Bax)表达，进而促进神经元存活所致〔18〕；也可能是通过增加海马CA1、CA3和DG区一氧化氮合酶(NOS)的活性，增加氧化氮(NO)水平〔19〕所致。游泳训练还可以提高老龄大鼠抗氧化能力，改善衰老大鼠受损的中枢胆碱能系统。

2.2.2游泳运动对大鼠骨成分的影响研究发现采用9 w的游泳训练，可以改善衰老大鼠血清碱性磷酸酶、Ⅰ型前胶后羧基端前肽、总钙、血清镁、尿钙、尿无机磷、尿羟脯氨酸血清骨钙索、无机磷、尿镁、尿羟赖氨酸糖甙水平，增加衰老大鼠单位体积内的骨小梁〔20〕，说明游泳运动可以改善衰老大鼠的股骨骨质成分及其形态结构，具有延缓骨质疏松的作用。

2.2.3游泳运动对衰老大鼠肾脏功能的影响采用每周3 d，共6 w的游泳训练，可使D-半乳糖所致衰老大鼠的肾脏损伤现象明显好转，首先表现的是肾脏的平均重量增高，肾小球的百分数明显减少，毛细血管管腔进行性闭合，肾球膜基质量增加〔21〕，说明游泳运动可以改善肾脏和泌尿系统的功能。

2.2.4游泳运动对衰老大鼠抗氧化能力的影响每周训练3 d，其中第1周每次游泳30 min，第2周每次游泳40 min，第3周每次游泳50 min，第4～9周每周游泳60 min的无负重游泳运动可以有效增加肝脏中SOD活性、GSH-Px活性，提高肝脏总抗氧化能力，可以明显拮抗D-半乳糖衰老模型大鼠的氧化损伤〔22〕。每周连续训练5 d，第1天游泳时间为0.5 h，以后每日增加10 min，直到达到每天0.5、1、2 h的游泳时间后保持不变,共训练12 w，发现该几种训练方式均可以引起衰老大鼠股四头肌SOD、GSH-Px和过氧化氢酶(CAT)活性的升高，并且能有效地减少MDA含量，以1 h运动组效果最佳〔23〕。

2.2.5游泳运动对衰老大鼠心肌及血液循环的影响让衰老模型大鼠进行每周6次和每周3次(隔日)的游泳训练，每次持续90 min，共训练12 w，均可改善大鼠心肌Bcl-22/Bax的比值，使心肌细胞凋亡指数(AI)降低，增加心肌细胞存活，延缓心肌衰老；其中，隔日有氧运动效果更佳〔24〕。

对衰老大鼠进行每周5次、共90 d的游泳训练，训练的时间每周递增5 min。从开始的30 min到最后的50 min。结果发现，老年运动组大鼠心肌线粒体DNA含量较老年对照组明显降低、线粒体复合体Ⅰ、Ⅳ活性较老年对照组明显升高；脑线粒体DNA含量没有显著性变化、线粒体复合体Ⅰ、Ⅳ活性较老年对照组明显升高〔25〕，说明长时间的游泳训练可以降低老年大鼠心肌线粒体DNA含量，增加线粒体呼吸链复合酶活性，从而延缓衰老进程中线粒体功能的退行性变化。

同时，9 w的游泳运动可明显降低血清NOS含量，减缓NO的产生〔26〕，从而有效延缓动脉的衰老，保持血管通畅及弹性，进而降低血压。

3其他运动方式及其抗衰老作用

除了常用的跑台和游泳运动以外，也有学者采用爬梯运动等对动物进行运动干预。如尾部负重爬梯训练。研究发现负重爬梯训练可以降低D-半乳糖所致衰老大鼠骨骼肌线粒体通透转换孔(PTP)开放程度，抑制线粒体膜电位下降，提高柠檬酸合成酶活性〔27〕。负重爬梯运动训练是一种新的抗阻运动方法，该训练方法可以通过降低线粒体的氧化损伤，有效保护线粒体膜的稳定性。训练方法为：采用高1 m的爬梯，每级阶梯相隔2 cm，倾斜85，将大鼠放置于爬梯的底部，用软毛刷刺激大鼠尾部促使其上爬。每次训练3个回合，5次/回合，每回合休息1 min，每两回合休息2 min；每天训练两次，隔天训练。训练起始负荷为大鼠体重的25%左右；随后训练的8 w，负荷量每周递增，递增量结合体重和训练情况，为体重的25%左右；训练的第8周，负荷量达到其体重的200%左右；最后2 w保持此负荷量。

另有研究发现10 w的爬梯训练后,与对照组相比，实验组腓肠肌机械生长因子(MGF)mRNA和IGF-I多肽的表达量上调,GDF-8 mRNA的表达量下调，IGF-IEa mRNA的表达量没有变化〔28〕。说明负重爬梯抗阻训练可以通过上调MGF mRNA、IGF-I多肽和下调MSTN mRNA，使大鼠腓肠肌肌肉肥大。

动物配合运动的主动性较差，因此，也有学者采用电刺激的方法，驱使动物进行跑跳运动。将大鼠每天放置在特殊实验装置内，利用高电压、低电流刺激动物产生跑跳运动，每次电击0.1 s，刺激频率10次/min，运动时间可根据需要每天运动10～60 min，但此种训练方式易造成动物伤亡。研究发现，采用每天训练20 min，每周训练6 d的跳跃运动能够较好地改善老龄大鼠股骨的生物力学性能，运动量过小对其生物力学性能无影响，运动量过大则使其生物力学性能下降〔29〕。

参考文献4

1肖明珠，郭庆芳.动物运动性疲劳方法学研究之一不同刺激方法对大鼠跑台运动疲劳及恢复期糖代谢的影响〔J〕.中国运动医学杂志，1998;17(4)：334-8.

2Bedford TG，Tipton CM，Wilson NC，etal.Maximum oxygen consumption of rate and its changes with various experimental procedures〔J〕.J Appl Physiol，1979;47(6)：1278-83.

3Wagatsuma A,Sakuma K.Molecular mechanisms for age-associated mitochondrial deficiency in skeletal muscle〔J〕.J Aging Res，2012;(2012)：768304.

4刘丰彬，马炳存，赵斌.6周负重跑训练和补充大豆多肽对D-半乳糖衰老大鼠骨骼肌IGF-I mRNA和GDF-8 mRNA表达的影响〔J〕.中国运动医学杂志，2010;29(6)：673-6.

5刘静霞,漆正堂,丁树哲.不同训练方式对大鼠腓肠肌p53和IL- 6的影响〔J〕.北京体育大学学报，2010;33(2)：56-8.

6Matoba S,Kang JG,Patino WD,etal.p53 regulates mitochondrial respiration〔J〕 .Science,2006;312(5780):1650-3.

7Assaily W,Benchmol S.ATP-generating pathways〔J〕.Cell,2006;10(1):4-6.

8Achanta G,Sasaki R,Feng L,etal.Novel role of p53 in maintaining mitochondrial genetic stability through interaction with DNA Polgamma〔J〕.EMBO J,2005;24(19):3482-92.

9郑澜,刘铭,凡婷,等.20周有氧运动对雌性大鼠心肌组织衰老相关表达的影响〔J〕.中国运动医学杂志，2010;29(6)：683-7.

10雷志军，郑澜,凡婷，等.递增负荷有氧运动对老龄雌性大鼠心肌抗氧化酶及心肌线粒体超微结构的影响〔J〕.体育研究与教育，2012;27(2)：119-22.

11Rossoni LV，Oliveira RA，Caffaro RR，etal.Cardiac benefits of exercise training in aging spontaneously〔J〕.Hypertensive Rats，2011;29(12)：2349-58.

12陈运才.运动延缓机体衰老的实验研究进展〔J〕.广东解剖学通报，1994;16(1):61.

13KMarosi Z，Bori N，Hart L，etal.Long-term exercise treatment reduces oxidative stress in the hippocampus of aging rats〔J〕.Neuroscience，2012;226:21-8.

14Aguiar AS Jr，Castro AA，Moreira EL，etal.Short bouts of mild-intensity physical exercise improve spatial learning and memory in aging rats:involvement of hippocampal plasticity via AKT,CREB and BDNF signaling〔J〕.Mech Aging Dev，2011;132(11-12)：560-7.

15衣雪洁.运动对胰岛素相关疾病的影响〔J〕.沈阳体育学院学报，2005;2(2)：8-11.

16Kostek MC，Delmonieo MJ，Reichel JB，etal.Muscle strength response to strength t raining is influenced by insulin-like growth factor l genotype in older adults〔J〕.J Appl Physiol,2005;98(6)：2147-54.

17李高祥，翁锡全，杜亚，等.抗阻运动训练对衰老大鼠胰岛素抵抗及糖代谢的影响〔J〕.广州体育学院学报，2011;31(4)：114-8.

18刘涛，白石，胡海涛.6周游泳训练对注射D-半乳糖致衰老大鼠学习记忆能力及海马区NGF及其下游信号分子表达的影响〔J〕.中国运动医学杂志,2011;30(5)：442-7.

19崔建梅,付芳,贺继平,等.游泳运动对衰老大鼠学习记忆及海马CAl、CA3、DG区nNOS表达的影响〔J〕.天津体育学院学报，2012；27(6)：529-34.

20阮彩莲，白亚军，刘运磊.不同有氧运动时间对衰老大鼠骨质成分的影响〔J〕.中国组织工程研究与临床康复，2009;13(28)：5499-504.

21张席军，赵筱娟.长期适宜有氧运动对衰老大鼠肾脏形态结构的影响〔J〕.医学信息，2010;23(2):355-6.

22邱小刚,白石,张星.有氧训练对抗衰老大鼠肝脏相关生化指标影响的研究〔J〕.医学信息，2010;23(6)：1853-4.

23金雯,李明学,钱海,等.有氧运动对衰老大鼠骨骼肌抗氧化能力的影响〔J〕.中国老年学杂志，2011；31(7)：2706-7.

24李明学，代雪茹，汪舰笛.有氧运动对衰老模型大鼠心肌细胞凋亡及Bcl-2和Bax蛋白表达的影响〔J〕.中国老年学杂志，2009;29(4)：950-2.

25赖红梅,陈彩珍,蒋慧萍.有氧运动训练对老年大鼠线粒体DNA含量、呼吸链复合酶活性的影响〔J〕.中国康复医学杂志，2009;24(12)：1109-11.

26戴太铖，代雪茹，汪舰笛.有氧运动对衰老大鼠血清NO及NOS的影响〔J〕.包头医学院学报，2011;27(4)：15-6.

27 陈彩珍，卢健，苏有存.抗阻训练对D-半乳糖衰老模型大鼠骨骼肌线粒体膜的影响〔J〕.西安体育学院学报，2011;28(1)：83-6.

28王静，苏有存，卢健.负重爬梯训练对大鼠腓肠肌IGF-I、IGF-IEa、MGF和MSTN基因表达的影响〔J〕.山东体育学院学报，2011;27(5):55-8.