男性青少年高强度间歇运动后心血管与代谢反应

2019-03-14刘涛王海洲林家仕严金慧

中国运动医学杂志 2019年2期

刘涛王海洲林家仕严金慧

集美大学体育学院（福建厦门 361021）

儿童青少年超重或肥胖是成年继发性肥胖及多种心血管疾病和代谢性疾病的重要原因[1]。规律运动是预防儿童青少年超重和肥胖的有效手段，研究证实，体力活动以及体适能水平与心血管及代谢危险因素降低相关联。近期“中国儿童青少年身体活动指南”（简称“指南”）指出[2]，儿童青少年应每天至少累计达到60 min中高强度身体活动。2016年“中国学龄儿童青少年体力活动和体质健康研究（Physical Activity and Fitness in China—the Youth Study，PAFCTYS）”[3]发现，中国儿童青少年中只有29.9%达到“指南”推荐要求，肥胖率高达12%。

既然大多数儿童青少年无法达到“指南”的要求，开发省时（时间短）有效（能够改善代谢和心血管健康水平）且符合儿童青少年发育特点的运动方式尤为必要。针对儿童青少年的运动处方一般推荐中等强度持续运动（moderate intensity continuous training，MICT）方式[2]，但由于持续时间较长、运动节奏单调，造成运动依从性和坚持性较差。Armstrong等[4]的调查发现，儿童青少年体力活动以间歇运动为特点，持续时间约5～10 min。近些年来兴起一种省时高效的训练模式——高强度间歇运动（high intensity intermittent training，HIIT）。研究显示，与MICT比较，HIIT可诱导机体产生相似的代谢适应[5]，且炎症因子的变化幅度较低[6]。此外，HIIT符合儿童青少年心理发育规律以及参加体力活动的特点，更易被接受及完成（依从性高）[4]。多项研究指出，HIIT能够有效改善正常体重以及肥胖成人身体成分并降低心血管危险因素。Motiani等[7]的研究发现，2周HIIT即可提高健康男性最大摄氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）。Rakobowchuk等[8]的研究显示，6周HIIT和MICT均可改善健康青年血管内皮功能。超重/肥胖青年经2周HIIT后脂肪氧化增加，碳水化合物氧化、呼吸商（respiratory quotient，RQ）、血压、腰围和臀围下降[9]。然而在该研究中，血压、RQ和底物氧化的改变持续至运动后24 h并在72 h恢复，提示上述变化来自末次运动的急性反应而非长期适应的结果。另外两项针对成人的研究同样显示[10，11]，一次急性HIIT后外周动脉硬度和血压降低，下降幅度与MICT方式相似。

尽管HIIT对成人健康水平的改善作用得到广泛证实，然而针对儿童青少年尚缺乏有效证据。Williams等[12]让男性儿童进行8周HIIT，结果发现，VO2max、每分钟通气量和心率等参数均无显著性变化，提示HIIT并不能改善儿童心肺适能水平。由于HIIT时间短、强度大、有间歇，符合儿童青少年参加体力活动的特点，因此有必要对HIIT诱导机体发生反应和适应的规律进行深入探索，以形成针对儿童青少年健康促进的最佳运动方案。对于儿童青少年而言，安全有效的运动方案应注重运动的急性反应并期待长期训练的良好适应，其中急性反应又分为机体在运动过程中对运动刺激的反应以及运动结束后对刺激的滞后效应，同时注意不良反应。本研究旨在探讨一次急性HIIT对男性青少年运动后心血管反应以及代谢的影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

20名年龄在15～17岁的男性青少年，身体健康，体重指数（body mass index，BMI）处于正常范围（依据“中国肥胖问题工作组”建立的全国学龄儿童、青少年超重、肥胖筛查分类标准[13]），无各种急慢性疾病，无烟酒等不良嗜好，除参加学校组织的体育课外无规律运动习惯。所有受试者均经本人、学校及家长（监护人）三方同意后自愿参加本实验。实验前由课题组负责人向受试者和家长（监护人）说明本研究目的、实验流程及潜在风险并签订知情同意书。受试者人体测量学特征见表1。

表1 受试者人体测量学参数

1.2 实验设计

实验前48 h以及整个实验过程中嘱受试者维持日常生活习惯，清淡饮食，保证充足睡眠，禁止吸烟、饮酒和咖啡并避免剧烈运动。受试者先进行人体测量学参数测定，包括身高、体重、BMI、腰围、臀围、腰臀比以及体脂百分比等（表1）。代谢基线参数测量：受试者坐位休息10 min后佩戴便携式运动心肺测试仪（Cosmed Quark K4b2，意大利）呼吸面罩，连续监测30 min平静呼吸状态下的气体代谢以获取VO2和RQ。随后利用自动血压仪（SUN TECH-420，美国）测定安静时的血压和心率。然后以随机顺序分别完成两次实验。（a）一次急性HIIT（运动实验）：于清晨8:00～10:00，受试者全程佩戴便携式运动心肺测试仪（Cosmed Quark K4b2，意大利）和自动血压仪（SUN TECH-420，美国）以检测摄氧量（oxygen uptake，VO2）、RQ、血压、心率（HR）以及底物代谢和供能的变化；（b）实验室安静休息（对照实验）：测试程序、方法、时间以及指标同（a），安排对照实验的目的是为了排除生物节律等因素的影响。两次实验之间间隔72 h。实验前2小时给予受试者一份标准热量早餐（5 kcal/kg体重），其中碳水化合物、脂肪和蛋白质的热量比例分别约为60%、25%和15%，10～15 min进餐完毕。对两次实验进餐的时间、种类和量进行严格控制。实验过程中记录运动执行情况、不良反应（类型、发生时间、频率、持续时间、严重程度）、失访者及失访原因，实验后1周继续随访并记录不良反应。

1.3 人体测量学参数

利用体质检测组件（方舟Ⅲ，中国）测定身高、体重并计算BMI，即BMI＝体重（kg）/身高（m）2，其中电子体重秤最大称重为200 kg，测量误差＜0.1 kg。利用身体成分分析仪（Inbody 530，韩国）测定体脂百分比，测量时要求排空大小便、轻装、赤足并取出金属物品（纽扣、手机、手表等）。腰围测量方法：皮尺经髂前上棘和第12肋下缘连线中点处，水平绕一周，于自然呼气末检测围度。臀围测量方法：沿股骨大转子，将皮尺沿水平位经背部绕至前方检测围度。计算腰臀比（腰围/臀围）。

1.4 HIIT方案

参照Dupont等[14]的研究以及前期预实验结果（主要是参训者耐受性和不良反应）制定HIIT方案，即采用无氧功率自行车（Monark 894E，瑞典）完成两次Wingate实验。受试者先进行10 min准备活动（包括慢跑和拉伸），然后在功率车上以75 W负荷蹬车2 min，之后开始正式实验：受试者尽全力蹬车，同时阻力增加，在2～4 s内达到规定负荷（阻力负荷为0.075 kg/kg体重），同时开启计算机及其配套光电管探头等设备记录每秒轮转圈数，30 s结束（运动中不断给予受试者口头鼓励），共完成2组（分别用HIIT 1和HIIT 2表示），组间间歇4 min，间歇期安静坐在功率车上休息。每次Wingate实验时（不包括间歇期）记录以下指标：（1）峰值功率输出（peak power output，PPO），即第一个5 s的功率输出；（2）平均功率输出（mean power output，MPO），即30 s全力蹬车的平均功率输出；（3）疲劳指数（fatigue index，FI），即FI＝（PPO－最低功率）÷PPO×100%。运动后受试者于坐位安静休息100 min，运动后即刻以及随后每隔10 min记录VO2、RQ、血压、HR并计算碳水化合物和脂肪氧化和供能。

1.5 数据采集分析

HR和血压取连续两次测量的均值。VO2和RQ：基线测量时取监测过程中（共30 min）最后15 min的数据并计算均值，运动后取观测点前5 min的均值。总VO2用“VO2－时间”曲线下面积的积分值。碳水化合物（carbohydrate，CHO）和脂肪（FAT）供能及氧化利用Kuo等[15]建立的公式计算，即：

（1）CHO供能比例（%CHO）＝（RQ－0.707）÷0.293×100

FAT供能比例（%FAT）＝100－（RQ－0.707）÷0.293×100

（2）CHO供能（kcal/min）＝%CHO÷100×VO2×（5.05 kcal/L O2）

FAT供能（kcal/min）＝%FAT÷100×VO2×（4.7 kcal/L O2）

（3）CHO氧化（g/min）＝%CHO×VO2×（5.05 kcal/L O2）÷（4 kcal/g CHO）

FAT氧化（g/min）＝%FAT×VO2×（4.7 kcal/L O2）÷（9 kcal/g FAT）

其中RQ≥1.0时能量主要来自CHO氧化，RQ≤0.7时主要依靠FAT供能。CHO和FAT总氧化量用“底物氧化－时间”曲线下面积积分表示。

1.6 统计学分析

使用SPSS 20.0 for Windows进行统计学处理。所有数据以均数±标准差表示。两次实验（运动实验vs.安静实验）基线参数比较，HIIT 1和HIIT 2间PPO、MPO和FI比较，恢复过程中各参数（VO2、RQ、血压、HR、底物代谢）比较使用配对样本t检验；运动后各参数时程比较使用重复测量方差分析。统计学差异定为α＝0.05。

2 结果

2.1 样本量与不良反应

实验过程中，因故失访者3名，最终样本量：n=17。整个实验过程中以及实验后随访期间（1周）所有受试者均未出现运动相关不良反应（包括肌肉损伤、异常疲劳、晕厥、心悸、心绞痛、呼吸困难、恶心、呕吐等）。

2.2 两次实验前安静时基线参数

运动实验和对照实验前基线参数VO2、RQ、底物供能与氧化、HR和血压等均无显著性差异（P＞0.05），两次实验之间具有可比性，见表2。

表2 运动实验和对照实验前基线参数比较

（续表2）

2.3 两组HIIT时PP、MP和FI的变化

受试者完成HIIT2时的MPO显著低于HIIT1（P＜0.05），两组HIIT时PPO和FI则无显著性差异（P＞0.05）。见表3。

表3 两组HIIT时PP、MP和FI比较

2.4 运动后VO 2的变化

运动实验总VO2显著高于对照实验（P＜0.05），见图1。VO2的时程变化显示，运动实验在运动后即刻和运动后10 min显著高于对照实验（P＜0.05）以及实验前安静基线值（P＜0.05），20 min时恢复（P＞0.05），见图2。

图1 运动后总VO2比较

图2 VO2的时程变化

图3 RQ的时程变化

2.5 运动后RQ的变化

与对照实验比较，运动实验时RQ在运动后即刻显著升高（P＜0.05），10～20 min仍升高（P＜0.05），随后迅速下降，30～60 min时显著降低（P＜0.05）。与安静基线值比较，运动实验时RQ在运动后20 min内显著升高（P＜0.05），30～60 min显著降低（P＜0.05）。见图3。

2.6 运动后底物氧化与供能的变化

与对照实验比较，运动实验时运动后即刻至20 min时CHO供能比例显著升高（P＜0.05）、FAT供能比例显著下降（P＜0.05），40～60 min时CHO供能比例显著下降（P＜0.05）、FAT供能比例显著升高（P＜0.05），见图4。底物供能和底物氧化的时程变化规律同上，见图5～6。运动后底物总氧化量在运动实验与对照实验间并无显著性差异（P＞0.05），见图7。

图4 底物（CHO和FAT）供能比例的时程变化

图5 底物（CHO和FAT）供能的时程变化

图6 底物（CHO和FAT）氧化的时程变化

图7 运动后底物（CHO和FAT）总氧化量

2.7 运动后HR和血压的变化

与对照实验比较，运动实验时HR在运动后即刻显著升高并持续至90 min（P＜0.05），100 min时恢复（P＞0.05），见图8。SBP在运动后即刻显著升高（P＜0.05），运动后90～100 min显著下降（P＜0.05），见图9。DBP在运动后各时间点均无显著性变化（P＞0.05），见图10。

图8 HR的时程变化

图9 SBP的时程变化

图10 DBP的时程变化

3 讨论

本研究的主要发现是，男性青少年进行一次HIIT后即刻VO2升高、20 min时恢复，30～60 min时RQ下降，40～60min时脂肪氧化增加，然而运动后100 min内的脂肪总氧化量并无显著性变化，SBP在运动后90 min下降。

健康成人HIIT方案一般采用4～6组Wingate，间歇4 min。我们前期小样本（n＝6）预实验发现，青少年完成2组Wingate时耐受性较好。Ratel等[16]的研究指出，儿童青少年进行HIIT时的恢复时间与成人接近。Dupont等[14]证实，连续进行2次Wingate，间歇期进行消极性恢复（间歇期完全休息）时的训练效果（运动能力）优于积极性恢复（间歇期以20%～40%最大功率继续蹬车）。因此，本研究采用的HIIT方案为2组30 s Wingate、组间间歇4 min、间歇期坐在功率车上完全休息。结果显示，受试者运动中及运动后均未出现运动相关不良反应。由于本研究仅记录受试者主观感觉，因此该方案的安全性尚需进一步确定。

多项研究针对亚极量运动或递增负荷力竭运动后VO2的反应规律进行了报道。然而超大强度运动的影响则鲜有关注。Bahr等[17]让健康成年男性以108%VO2max强度完成3组2 min蹬车训练，组间间歇3 min，结果发现，完成第1、2、3组运动后VO2分别持续升高30 min、60 min和4 h。Laforgia等[18]随后的研究显示，男子中长跑运动员以105%VO2max强度运动1 min后休息2 min，共完成20组，其VO2在运动后持续升高达8 h。HIIT诱导运动后过量氧耗与多种生理和/或代谢机制有关，包括血液和肌肉中氧气再填充，ATP和CP重新合成，体温升高，儿茶酚胺释放增加刺激甘油三酯－脂肪酸循环，过度通气以及乳酸转变为葡萄糖或糖原（糖异生）等[19]。本研究以男性青少年为受试对象，结果发现，运动后VO2短暂升高且仅持续约20 min，时间上明显低于Bahr等[17]和Laforgia等[18]的研究。其可能的解释是，本研究设计的HIIT方案运动时间短（30 s）、重复次数少（2组），其总运动负荷较低而不足以刺激VO2持续上调。此外，受试者运动过程中是否全力蹬车可能也是影响VO2动力学的原因之一，然而本研究中PP、MP和FI等做功数据与多项针对青少年的研究结果基本一致[20，21]，因此可排除这一主观因素。结合Bahr等[17]的研究，我们认为，HIIT负荷（运动时间、重复次数等）与运动后过量氧耗的持续时间之间可能存在“剂量－反应”（dose response）关系。

成人进行定量负荷持续有氧运动后，RQ下降、脂肪氧化增加[15]，然而对于超大强度运动的作用尚存在分歧。Bahr等[17]发现，3组2 min超大强度（108%VO2max）HIIT后60 min时RQ仍未降低。相反，以105%VO2max强度运动1 min、完成20组的HIIT后，RQ持续下降达8 h[18]。然而在该项研究中，受试者在运动后3 h进食午餐（约5.8 MJ热量），因此不能排除餐后消化过程对脂肪氧化的影响。Whyte等[9]让超重/肥胖成人进行2周HIIT，末次运动后脂肪氧化增加、RQ降低并持续至24 h。研究结果不一致可能与受试对象健康水平（超重/肥胖vs.正常体重）、年龄（青少年vs.成人）、HIIT设计方案以及干预方式（急性vs.长期）不同有关。在本研究中，RQ在HIIT后即刻升高（P＜0.05），10～20 min仍升高（P＜0.05），30～60 min时下降，40～60 min时脂肪氧化增加。超大强度运动时，有氧代谢无法满足机体的能量需求，糖酵解供能增加而使乳酸浓度增加，此时机体动用碳酸氢盐缓冲系统中和乳酸，CO2产生增加并造成过度通气反应，RQ随之升高并持续至运动后[22]。随后的RQ降低提示运动后CO2潴留以重新合成碳酸氢盐用于缓冲乳酸[22]。此外，在运动后的100 min内，脂肪总氧化量并无显著性改变。研究显示，一次运动后脂肪供能比例呈现一过性增加[15]，然而长期训练是否能够促进脂肪氧化持续上调尚不得而知，需要实验进一步证实。

本研究发现，SBP在运动后90～100 min下降，这与针对成人的研究类似[11]。在Whyte等[9]的研究中，超重/肥胖成人进行2周HIIT，SBP在末次运动后24 h下降约6 mmHg，72 h恢复，提示HIIT后血压的变化同样具有一过性特点。Rossow等[23]对比HIIT（4组30 s Wingate，组间间歇4 min）和MICT（60%心率储备强度，60 min）对青年耐力运动员血压的影响，结果发现，两种方式运动后60 min时SBP下降，与本研究结果类似，提示HIIT下调SBP具有延迟效应，同时也说明，即使血压正常者，一次HIIT亦可使血压降低，进而改善心血管健康水平。

需要提及的是，进餐对运动后的生理反应和能量代谢存在显著影响。Farah等[24]发现，成年超重男性运动前进餐可减少运动中的脂肪氧化量并增加碳水化合物氧化量，而运动后进餐则延缓运动中糖水化合物向脂肪供能转移，餐前进行MICT时脂肪供能量显著高于餐后运动，且无论餐前运动或餐后运动其脂肪氧化量均高于空腹运动。由于本研究纳入的受试者体重正常，因此选择餐后2 h运动。由于对两次实验进餐时间、种类和量进行严格控制，因此可基本排除进餐对实验结果的影响。然而餐前运动和餐后运动对青少年HIIT后能量代谢影响的差异尚不得而知。

本研究尚存在一些局限。第一，本研究以男性青少年为受试对象。由于女性受试者受月经周期的影响，故未纳入，故研究结果应谨慎应用于女性青少年。第二，为避免不良反应，受试者仅完成2组HIIT，而针对成人往往多采用4～6组，因此针对青少年的最佳HIIT方案尚待进一步研究。第三，本研究未设计MICT对照实验，所以未能比较HIIT与MICT对生理和代谢反应影响的异同。第四，本研究采用一次急性HIIT模式，长期HIIT的效果尚需实验证实。