4周限制饮食结合低氧训练对超重和肥胖青少年骨的影响

2021-06-02路瑛丽徐建方高炳宏冯连世

体育科学 2021年3期

高欢，路瑛丽，徐建方，张漓，高炳宏，冯连世*

（1.上海体育科学研究所（上海市反兴奋剂中心），上海 200030；2.国家体育总局体育科学研究所，北京 100061；3.上海体育学院，上海 200438）

肥胖已成为危害人类健康的一个全球性问题。我国青少年肥胖人口的数量和比例日益增多。青少年时期的肥胖对成年后健康的危害涉及身体机能的方方面面。青少年阶段对骨的生长发育又极为关键，大多数骨的形成发生在这一时期，峰值骨量也通常出现在这一阶段（Boot et al.，2010）。体重增加，骨所承受的机械负荷增加，而机械负荷增加有益于成骨细胞的分化、增殖（Ehrlich et al.，2002），故传统观点认为，肥胖对骨无不良影响，甚至是有益的。然而，动物模型的研究发现，肥胖鼠股骨骨密度（bone mineral density，BMD）、骨皮质厚度、骨小梁体积显著低于体重正常鼠（Hamrick et al.，2004）。高脂膳食肥胖鼠破骨细胞活性显著升高（Cao et al.，2009），BMD、骨小梁体积显著下降（Hsu et al.，2006；Kyung et al.，2009）。针对人群的调查则发现，我国成年男性和女性体脂含量百分比与骨质减少、骨折发生率呈显著正相关（Hsu et al.，2006）。青少年人群体脂含量与骨矿含量（bone mineral content，BMC）、BMD 呈显著负相关（Mosca et al.，2014；Nobrega et al.，2014）。大样本的调查表明，代谢综合征患者的BMC、BMD显著低于体重正常人群，这一现象在男性中表现尤为突出（Hwang et al.，2010；Kim et al.，2010；Szulc et al.，2010）。

过多的脂肪堆积是肥胖的典型特征。庞大的脂肪组织可分泌多种细胞因子，如瘦素（leptin，LP）、内脂素（visfatin，VF），或直接或间接地调控骨代谢。也有研究将脂肪组织视为一种内分泌器官（Scheja et al.，2019）。LP缺乏的小鼠，股骨BMC、BMD均显著下降（Philbrick et al.，2018）；LP受体Δ65位点酪氨酸磷酸化不仅引起肥胖，也会导致骨髓脂肪化、骨质疏松（Mccabe et al.，2019）。VF主要来源于脂肪组织，可通过多个信号途径参与骨代谢的调控（Franco-Trepat et al.，2019；Tsiklauri et al.，2018）；代谢综合征患者血清VF水平较高，但BMD较正常体重人群低（Iacobellis et al.，2011）。以上分析提示，肥胖对骨有多重影响，较大的体重使骨的机械应力增加，BMD升高，但长期过高的体脂可能导致骨质疏松、骨强度下降，由脂肪组织分泌的一些脂肪细胞因子在调节骨代谢过程中可能发挥重要作用。

长期处于肥胖状态，还会引起一系列疾病。减控体重已成为当下超重和肥胖青少年刻不容缓的问题。限制饮食结合有氧运动（diet plus aerobic exercise，DAE）被认为是较为有效的减控体重的方式。与常氧环境比较，低氧暴露可能更有利于脂肪的动员利用（黄徐根等，2007；Workman et al.，2012）。本课题组的前期研究表明，为期4周的限制饮食结合高住高练低练（living high-training low and high，LHTLH），较为有效地降低了体重、体脂（冯连世等，2013）。在此基础上，本研究将进一步探讨限制饮食结合LHTLH这一低氧训练方式在减重减脂的同时，对超重和肥胖青少年骨健康的影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

世居平原超重或肥胖青少年36人，身体健康，无心血管系统疾病，无抽烟酗酒等不良嗜好，无系统锻炼史。分为平原训练组（简称“常氧组”）、低氧训练组（高住高练低练，模拟海拔2 300 m，简称“低氧组”）。研究对象基本信息如表1所示。

表1 研究对象基本信息Table 1 Basic Information of Subjects

1.2 干预方案

1）干预共持续4周，每周运动6天。常氧组每天运动和生活均在平原环境；低氧组每天晚上7点开始居住在模拟2 300 m海拔高度的低氧环境中，且每日在模拟2 300 m海拔高度的低氧环境中运动2 h，其他安排与常氧组相同。每天运动安排：早晨慢走1 h，上午运动2 h，下午运动2 h。运动方式包括：快走、慢跑、乒乓球、羽毛球、游泳、有氧操、功率自行车等。

2）运动过程中，每隔10 min监测心率，以评价训练强度，并控制运动强度在靶心率范围内。靶心率=静息心率＋40%心率储备，最大心率以（220-年龄）推算。本研究选定的运动强度属于低强度有氧耐力范畴。

3）两组受试者一日三餐均在同一食堂用餐，由专门的营养师制定菜谱，实行集中分餐制；并以每位受试者的静息代谢率为基础（男性约1 900 kcal，女性约1 300 kcal），由研究助理根据营养师制定的每日膳食摄入量给受试者配餐。男性每天膳食能量摄入2 500 kcal左右，女性2 100 kcal左右。膳食以碳水化合物为主（55%～65%），适量蛋白质（20%～35%），少脂肪含量高的食物（10%～15%）。干预过程中，所有受试者均不补充任何额外营养品。经测算，男性每日运动中能量消耗约1 700 kcal，每日净消耗约1 100 kcal；女性每日运动中能量消耗约1 500 kcal，每日净消耗约700 kcal。

1.3 测试指标与仪器

分别在实验开始前1天、结束后1天以双能X射线吸收法（dual energy X-ray absorptiometry，DXA）测量BMD、BMC，测试仪器为GE Lunar Prodigy，软件版本：12.2。测试前1 h进行仪器的预热和校准。采用全身扫描模式，计算机自动识别各区域。测试前对受试者的基本要求：1）穿着运动装；2）测试前的3～5天内未服用或注射放射性核素和不透射线药物；3）测试时，受试者脊椎位于中线，双手和双脚自然分开，头部、手臂边缘和脚不能超过仪器边缘。

干预前1天和干预结束后次日晨起空腹采集肘静脉血5 ml，3 000 rpm离心15 min，分离血清，-80℃冻存。按试剂盒（Thermo Multiscan FC）说明书测试流程，以酶联免疫吸附法测定血清LP和VF浓度。

1.4 数据统计

以重复测量方差分析（2×2）比较常氧组与低氧组间有氧运动干预前后的效果差异，各指标干预前后组内差异以配对样本t检验比较，所有结果均以“平均数±标准差”表示，显著性水平为P＜0.05，统计软件为SPSS 25.0。以Person相关性检验分析血清LP、VF变化与BMC、BMD变化相关性。

2 研究结果

2.1 4周干预对BMC的影响

如表2所示，4周限制饮食结合有氧运动干预后，常氧组全身总BMC显著升高（P=0.006），低氧组有显著升高的趋势（P=0.092）。手臂、腿部及躯干BMC均略有增加，但无统计学意义上的显著改变；常氧组与低氧组间无显著交互效应。

表2 4周干预对BMC的影响Table 2 Effect of 4 Weeks Intervention on BMC

2.2 4周干预对BMD的影响

如表3所示，4周干预后，常氧组和低氧组全身总BMD均显著升高（P＜0.001、P=0.012），且呈现出显著的组间交互效应（P=0.011，η2=0.176），常氧组BMD升高幅度显著高于低氧组（＋3.09%vs＋1.29%）。两组别手臂BMD显著升高，呈现出显著的组间交互效应，常氧组升高幅度显著高于低氧组（＋17.42%vs＋10.59%）。常氧组腿部BMD显著升高（P=0.047），低氧组无统计学意义上的显著改变。两组别躯干BMD均未发生显著改变，腿部和躯干两个区域BMD的变化组间均无显著交互效应。

表3 4周干预对BMD的影响Table 3 Effect of 4 Weeks Intervention on BMD

2.3 4周干预对脊椎BMC和BMD的影响

如表4所示，4周干预后，常氧组脊椎BMC、BMD均显著升高（P=0.031、P=0.025）；低氧组虽有升高，但无统计学意义上的差异；常氧组与低氧组间BMC、BMD均无显著交互效应。

表4 4周干预对脊椎BMC和BMD的影响Table 4 Effect of 4 Weeks Intervention on BMC and BMD in Spine

2.4 4周干预对血清LP和VF的影响

4周限制饮食结合有氧运动干预后，常氧组血清LP水平略有升高，低氧组略下降，但与干预前比较均无显著差异，组间无显著交互效应。4周干预后，常氧组血清VF下降18.76%，而低氧组升高31.87%，两组间存在显著交互效应（P=0.033，η2=0.143，表5）。

表5 4周干预对血清LP、VF的影响Table 5 Effect of 4 Weeks Intervention on Serum Leptin and Visfatin

2.5 血清LP、VF变化与BMC、BMD变化的相关性分析

Pearson相关性分析发现，血清LP的变化与全身BMC、BMD的变化均无显著相关性。血清VF的变化与全身BMD的变化呈中等显著负相关（P=0.04，r=-0.37，图1）。

图1 血清VF变化与全身BMD变化的Pearson相关性Figure 1.Pearson’s Correlation between the Changes in Serum VF and Total BMD

前期的研究表明，4周限制饮食结合有氧运动干预后常氧组和低氧组体质量分别下降9.34%、10.18%，全身脂肪质量（fat mass，FM）分别下降13.58%、15.79%，躯干FM分别下降14.08%、15.98%（冯连世等，2013）。全身FM的变化与血清VF的变化无显著相关性，躯干FM的变化与血清VF的变化呈中等显著正相关（P=0.02，r=0.38）。

3 分析与讨论

本研究表明，4周常氧和低氧环境下，有氧耐力训练结合饮食限制在有效减重减脂的同时（冯连世等，2013），全身总BMC及各区域BMC均略有增加，全身BMD显著升高，均未对骨健康相关指标造成负面影响。但4周干预后低氧组全身总BMD的升高幅度显著低于常氧组；血清VF的变化亦存在显著组间交互效应，低氧组升高而常氧组下降。提示，VF在调节BMD应答过程中可能发挥着重要作用。

限制饮食、运动干预或二者相结合是目前减控体重的主要方式。限制饮食是通过减少能量摄入来减体重。动物模型的研究显示，低热量饮食后骨小梁、骨皮质容量和BMD 降低，骨强度也显著下降（Sheng et al.，2013）；破骨细胞数量显著增加，且骨生长减缓（Turner et al.，2011）。针对中青年肥胖人群的调查显示，节食后虽可减重，但也伴随着BMC丢失，BMD下降（Bacon et al.，2004；Ensrud et al.，2005；Pritchard et al.，1996）。老年肥胖受试者限制饮食减重后，腰椎BMD显著下降（Avenell et al.，1994），即使补钙也难阻BMD下降（Villareal et al.，2011）。以上研究表明，长期限制饮食所致的能量负平衡状态可能会影响骨矿物质的吸收，成骨作用抑制。

运动可通过增加日常能量消耗来减控体重。有氧运动有助于改善心肺功能，预防多种心血管疾病（Farrell等，2018）。不仅如此，研究发现，规律运动还可有效增加儿童青少年的BMC和BMD（Meyer et al.，2013；Nogueira et al.，2014；Yang et al.，2010）；体力活动量越大，BMD越高（Stager et al.，2006），且骨皮质面积和单位体积密度的升高与体力活动量呈现出剂量依赖效应（Michalopoulou et al.，2013）。运动强度在中段股骨矿物质的重分布中发挥重要作用，运动强度越大中段股骨围度和骨强度增加越多（Vainionpaa et al.，2007）。

DAE理论上既可减重，也有助于缓解能量摄入减少对骨造成的不良影响。肥胖老年人6个月～1年的DAE干预后减重约9%，伴随有BMD下降（Shah et al.，2011；Villareal et al.，2017）；但相近减重幅度下，DAE结合抗阻运动股骨BMD下降幅度较小（Villareal et al.，2017），这可能与抗阻训练缓解瘦体重下降作用有关。中青年超重或肥胖女性6个月DAE干预减重约10%的同时，BMD下降约1%（Hinton et al.，2012）。我们推测DAE减重干预过程中，限制饮食的程度、营养结构和运动负荷对骨有较大影响，但可能存在一个平衡点。持续时间较长、过度的限制饮食所带来的营养摄入不足，可能会对骨健康造成损害；尽量保持各种营养元素均衡的适度限制饮食，同时，通过运动负荷来促进成骨作用，对骨健康的维持更为有利。对于处于生长发育高峰期的肥胖青少年而言，适当控制饮食，并保持营养成分的均衡尤为重要。有研究报道，饮食结合有氧运动干预后，肥胖鼠体重和体脂下降较多，但BMC和BMD均未发生显著变化（Gerbaix et al.，2013）。超重或肥胖青少年经6个月～1年的DAE干预减重后，全身 BMD 无显著改变（Kelley et al.，2018；Redman et al.，2008）。也有研究报道，肥胖女性3个月DAE干预后，L2-L4腰椎的BMD显著升高（Hosny et al.，2012）。

我们的研究表明，4周常氧和低氧环境下DAE干预在成功减重后，全身BMC增加、BMD升高，对骨未造成负面影响。BMC和骨强度主要取决于作用于骨的负荷，这里的负荷来自骨骼肌作用于骨的力及其综合效应。骨骼肌所作用于骨上的负荷可能存在一个阈值，超过这一阈值成骨相关基因的表达才会被启动（Frost，1997）。本研究虽减少了饮食中能量摄入，但膳食营养结构均衡；另外，受试者每日运动量较大，并包含跑步、跳跃运动（跳绳），运动过程中全程监督，运动效果较好，对骨的有效负荷作用较强。但我们的研究也发现，低氧组BMD升高幅度显著低于常氧组，这可能与低氧环境下相同内负荷强度运动时，外负荷强度（跑速、骑行功率）较常氧运动时低（Wiesner et al.，2010），4周干预过程中作用于骨的负荷效应低于常氧组有关。

VF分布于人体多个组织，脂肪组织是其重要来源之一，故VF也被视作一种脂肪细胞因子。调查显示，血清VF水平与BMI呈显著正相关（Taskesen et al.，2012），肥胖青少年循环血VF水平较高（Li et al.，2013；Taskesen et al.，2012）。减重对VF有显著影响。肥胖无糖尿病青年女性限制饮食减重8.7%后，FM下降12.8%，瘦体重（lean mass，LM）亦减少5.4%，血清VF显著升高（Agueda et al.，2012）。超重青年男性12周限制饮食减重后，全身FM和腹部FM分别下降7.5%、6.7%，LM显著减少3.9%，但血清VF未发生显著变化（Matinhomaee et al.，2014）。肥胖中老年受试者不限制饮食，仅通过每周2次、每次90 min的有氧运动，3个月后体质量、FM分别下降2.7%、4.6%，骨骼肌质量基本无变化，但皮下脂肪组织VF mRNA的表达显著升高（Rausch et al.，2018）。限制饮食结合高强度间歇训练干预后，中年超重男性全身FM和腹部FM分别减少18.1%、23.4%，LM未发生显著变化，但血浆VF显著降低15.4%（Matinhomaee et al.，2014）。以上报道结果不一，具体原因尚不明确。我们推测可能与性别、年龄、肥胖程度、减重方式及运动负荷等因素有关。值得注意的是，骨骼肌组织亦可分泌VF，运动可诱导骨骼肌VF表达增加，且骨骼肌线粒体含量与VF水平呈正相关（Costford et al.，2010）。有研究指出，LM的变化与血清VF的变化呈显著相关性（Agueda et al.，2012）。Matinhomaee等（2014）的研究中，限制饮食结合高强度间歇运动干预后，LM基本未发生变化，所引起的血清VF降低可能主要与FM减少有关。本研究常氧组FM下降的同时，循环血VF下降达18.76%，这与Matinhomaee等报道（2014）限制饮食结合高强度间歇训练后，肥胖受试者全身和腹部FM大幅下降，血浆VF同步降低基本一致。我们的研究也发现，血清VF的变化仅与躯干FM的变化呈显著正相关，即躯干FM下降幅度越大，血清VF降低幅度越大，但VF的变化与全身FM的变化无显著相关性。这一结果提示，躯干FM在调节血浆VF应答过程中可能发挥着重要作用。研究表明，躯干FM与内脏脂肪面积呈正相关（Demura et al.，2008）。而过多的内脏脂肪与BMC呈负相关（Lv et al.，2016），高内脏脂肪面积还伴随着血浆VF水平升高及系统炎症反应增强（Araki et al.，2008；Syme et al.，2019）。这可能也是本研究中常氧组4周干预后血清VF降低、BMC增加、BMD升高的原因之一。

限制饮食结合LHTLH减重干预对肥胖青少年循环血中VF影响的研究尚未见报道。低氧对VF的表达有直接影响。VF基因启动子上有两个低氧反应元件，是低氧诱导因子 1α（hypoxia inducible factor 1-alpha，HIF-1α）的靶基因，低氧暴露或HIF-1α的过表达可导致脂肪组织中VF mRNA水平显著升高（Segawa et al.，2006）；肝干细胞低氧暴露后6 h，VF蛋白水平亦显著升高（Yi et al.，2014）。另外，高原/低氧训练所致的骨骼肌线粒体数量增多（Hoppeler et al.，2001），可间接上调VF表达。一项不限制饮食，仅每周3 500 m低氧环境下有氧运动2次、每次90 min的对照干预研究发现，持续3个月低氧运动干预，体质量、FM分别下降3.6%、4.0%，骨骼肌质量基本无变化，皮下脂肪组织VF mRNA表达未发生显著改变（Rausch et al.，2018），这可能是低氧上调VF表达，抵消了FM减少所致的VF降低。本研究中限制饮食结合LHTLH干预后，血清VF水平升高31.87%，与常氧对照组存在显著交互效应，而两种干预方式对体质量及身体成分造成的影响近似，其主要原因可能是持续大剂量低氧暴露后，HIF-1α上调骨骼肌VF表达增多更占优势。

VF 也是一种促炎因子，可促进 IL6、IL-10、TNF-α 等炎症因子的分泌（Moschen et al.，2007）。离体研究显示，在肝细胞，VF可经IKK/NF-κB和JAK2/STAT3信号通路诱导炎症反应和胰岛素抵抗（Heo et al.，2019）。慢性肠炎患者血清VF水平与骨质疏松程度呈显著正相关（Terzoudis et al.，2016）。VF在骨关节炎和骨质疏松的发生过程中有着重要作用（Franco-Trepat et al.，2019），可促进骨分解代谢（Yang et al.，2015）。我们的研究发现，4周干预后VF的变化与BMD的变化呈显著负相关，这与4周干预后常氧组BMD升高幅度显著高于低氧组、VF升高幅度显著低于低氧组相吻合。VF在减重干预过程中骨代谢应答调节的作用及其机制值得进一步深入研究。

本研究中常氧组和低氧组虽然执行相同的运动干预计划，有专门的研究人员负责膳食营养相关工作，但考虑不周的是4周干预过程中未记录和计算每天钙、磷、维生素D等微量元素的摄入量，这是本研究的不足之处。