乳酸对大鼠疲劳骨骼肌收缩效能的影响

邓智钊 戴美华 邓艳红 温梓君 张建兴 叶新苗 王焕伟 高佳宁

（广州医科大学第二临床学院，广东广州 510120）

乳酸作为无氧糖酵解的产物，主要产生于能量代谢活跃的骨骼肌，并且可以作为糖异生的能源底物进行氧化供能。传统观点认为，高强度训练时，乳酸的生成是肌肉产生疲劳的主要原因。但也有研究表明，乳酸的产生并没有使疲劳骨骼肌的收缩力下降，反而对其收缩效能有利。目前来看，乳酸与骨骼肌疲劳的关系尚不明确。有研究证明，高强度运动时，血浆中K+浓度可达8mM；细胞间隙中K+可达10～15mM（正常为5.9mM）。细胞外K+浓度升高的原因之一是动作电位激活电压-敏感K+通道，导致细胞内大量K+外泄，而胞外高K+被大量学者认为是导致骨骼肌疲劳的重要原因。因此，本研究通过将液体环境的K+浓度调至11mM以制备骨骼肌的疲劳模型。

本研究设计了六个实验组（正常组、高钾对照组、乳酸对照组、Lac-10组、Lac-20组和Lac-30组），通过分析骨骼肌收缩幅度的变化以探讨：①乳酸是否会降低大鼠正常骨骼肌的收缩效能；②乳酸是否能缩小高钾状态下疲劳骨骼肌收缩效能的下降幅度；③不同浓度的乳酸对高钾状态下疲劳骨骼肌收缩效能的影响。通过探讨乳酸与骨骼肌疲劳的关系，为研究乳酸对骨骼肌的作用机制提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 动物和仪器

选取8周龄健康雄性清洁级SD大鼠35只，体重170～250g，购自广州市白云区江高文毅实验养殖场，随机分为正常组（N=6）、高钾对照组（N=6）、乳酸对照组（N=6）、Lac-10组（N=5）、Lac-20组（N=7）和Lac-30组（N=5）。BL-420s生物信号采集处理系统（成都泰盟科技有限公司）；HW-400S恒温水浴槽（成都泰盟科技有限公司）。

1.2 溶液配制

克-林氏重碳酸氢盐缓冲液（KRBB，单位：mM）：122氯化钠、2.8氯化钾、1.2磷酸二氢钾、25碳酸氢钠、1.3氯化钙、1.2硫酸镁、5.0葡萄糖，通空气30min，温度保持在32℃；使用时间为1天。高钾缓冲液（单位：mM）：11氯化钾。含有乳酸的缓冲液在使用前通空气30min。

1.3 标本的制作与处理

所有大鼠采用颈椎脱臼法处死，快速分离腓肠肌并保留坐骨神经，用锌铜弓检验肌肉活性。立即将腓肠肌标本置于KRBB中并同时通空气30min。然后将标本移至恒温水浴槽（水浴温度为32℃，通气以最大气流），一端固定于试管中，另一端通过缝合线与张力换能器连接，刺激电极与腓肠肌中部固定接触，整个实验过程始终保持接触点不变，每次给予电刺激前均关闭通气。

1.4 收缩幅度的测定

运行BL-420S生物信号采集处理系统，选择“刺激强度和收缩幅度的关系”项目。参数设置：初始刺激强度50mV；刺激强度增量10mV；刺激间隔10s；选择“程控”。共测4组数据，将测到的4组大鼠腓肠肌最适刺激强度（即刚能引起肌肉出现最大收缩的最小刺激强度）取平均值，作为本实验串刺激的刺激强度。采用BL-420s生物信号采集处理系统记录腓肠肌的收缩幅度。刺激模式为粗电压，方式为串刺激，刺激频率60Hz，刺激强度5V，串长度20，刺激间隔5min。

1.5 实验程序

在KRBB环境下，各组先测定和记录基础张力（单位：mm）4次。①正常组在第15min后和第35min后均加入KRBB；②高钾对照组在第15min后和第35min后均加入高钾缓冲液；③乳酸对照组在第35min后加入乳酸使溶液里乳酸浓度为20 mM；④Lac-10组、Lac-20组和Lac-30组在第15min后均加入高钾缓冲液，在第35min后加入乳酸使溶液里乳酸浓度分别为10、20和30mM。各组实验总时长均为65min。

1.6 统计学处理

应用SPSS 19.0统计软件分析数据，计量资料用均数±标准差（±s）表示，各组大鼠一般情况比较和各组组间比较采用两独立样本t检验，均以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

各实验组的大鼠体重和肌肉长度差异无统计学意义（P=0.736>0.05）。

高钾对照组肌力在第15-65min内呈缓慢下降趋势，至第35min下降至约20%，在第40-65min各时点较正常组显著降低（P<0.05）；乳酸对照组肌力在实验开始至第35min各时点均维持在50%以上，加入乳酸5min后呈下降趋势，在第55和第60min时点较正常组显著降低（P<0.05），见图1。

Lac-10、Lac-20和Lac-30组肌力在实验开始至第35min各时点较高钾对照组差异无统计学意义（P>0.05）；Lac-10组肌力在第40min至第65min呈持续下降趋势，各时点较高钾对照组差异无统计学意义（P>0.05）；Lac-20组肌力在加入20mM乳酸后10min内无明显下降趋势，在第45min显著高于高钾对照组（P<0.05），在第50min至第65min呈下降趋势各时点较高钾对照组差异无统计学意义（P>0.05）；Lac-30组肌力在加入30mM乳酸后10min内无明显下降趋势，在第40min至第60min各时点显著高于高钾对照组（P<0.05），见图2。

3 讨论

自20世纪以来，人们普遍认为剧烈运动时骨骼肌产生的乳酸是导致运动性疲劳的主要因素。1978年Fabiato等人研究表明，肌肉中的乳酸可使兴奋-收缩脱偶联，从而降低骨骼肌的收缩能力。也有学者提出，”乳酸-酸中毒-肌疲劳”三者之间存在因果关系：肌肉生成乳酸，细胞内pH下降，肌肉的收缩效能下降。而近年来，有学者对乳酸与骨骼肌疲劳的关系提出新的观点：乳酸不是影响骨骼肌收缩的负面因素，反而对缓解骨骼肌疲劳有一定的积极作用，可以增强骨骼肌的收缩力。乳酸伴随运动产生，且随运动强度的增加而增加。它在运动性疲劳中，究竟是起促进作用还是抑制作用，目前还不明确。在现代体育竞技中，运动员的表现与骨骼肌运动性疲劳息息相关。故探讨乳酸是否能缓解疲劳骨骼肌收缩效能的降低趋势具有重要意义：为阐明乳酸对缓解骨骼肌疲劳的机制以及为预防和治疗运动所致的骨骼肌疲劳提供实验依据。

研究结果（见图1）显示，高浓度K+可明显降低骨骼肌的收缩效能，导致骨骼肌疲劳。因此，本研究疲劳骨骼肌模型的制备具有一定的可行性。在剧烈运动后机体K+浓度升高，同时肌肉会通过无氧酵解产生乳酸，我们猜测后者并非是导致肌肉疲劳的因素，而是机体在运动性疲劳中产生的一种保护性物质，能使肌肉在疲劳的状态下（即收缩效能出现持续降低趋势）仍能保持收缩性能（即抑制收缩效能降低的趋势）。

如图1所示，乳酸对照组加入乳酸后对比正常组肌力下降幅度增大，在第55和第60min时点显著降低（P<0.05），说明乳酸会降低大鼠正常骨骼肌的收缩效能。这一点与传统的"乳酸-酸中毒-肌疲劳"观点相符。再如图2所示，加入乳酸后，Lac-20组的肌力在第45min显著高于高钾对照组（P<0.05），Lac-30组的肌力在第40min至第60min各时点显著高于高钾对照组（P<0.05），可看出乳酸浓度越高，抑制疲劳骨骼肌收缩效能降低的效果越明显。首先，由此可知乳酸在一定程度上能缩小高钾状态下骨骼肌收缩效能的下降幅度，符合我们提出的实验猜想。再者，有实验表明，在剧烈运动后，大鼠骨骼肌肌乳酸可超过30mM；人在高强度运动后，肌肉肌乳酸也可达25mM，即生理状态下乳酸可达到抑制疲劳骨骼肌收缩效能降低的有效浓度。以此我们推测，在人正常运动过程中，乳酸逐渐积累，对疲劳骨骼肌收缩效能的降低抑制越明显，而保证骨骼肌在疲劳时仍具有一定的收缩性。最后，结合上述结果分析，我们提出乳酸对骨骼肌的作用具有双重性：乳酸虽然可以降低正常骨骼肌的收缩效能，但也能抑制高钾引起的疲劳骨骼肌收缩效能的降低趋势。

综上所述，在运动过程中，乳酸和K+浓度升高到一定水平时，乳酸可以拮抗高钾导致的骨骼肌疲劳，这为运动员高强度运动后如何维持骨骼肌更好的收缩效能提供了理论依据。但其具体作用机制，需要进一步研究。