支链氨基酸干预视域下军事作业性疲劳的防治机制研究进展

黄迎春,陈予欣综述,王金金审校

0 引 言

军事作业性疲劳常于剧烈(和)或长时间军事训练后出现,官兵常产生肌肉酸痛、注意力不集中、心跳呼吸浅快等身心异常,持续时间及疲劳程度将对军人的后续体能表现产生不良影响,降低部队军事训练与作战能力。近年来应用营养学手段,尤其是给予氨基酸制剂防治与缓解运动训练性疲劳随之走进大众视野。支链氨基酸(branched-chain amino acids,BCAA)包括亮氨酸、异亮氨酸与缬氨酸在内,可通过口服途径吸收。相关研究表明,BCAA可缓解训练运动性疲劳,并因具备非侵入性、易于作战期间携带、方便官兵服用等优势,可成为军队中缓解军事作业性疲劳的良好选择。本文主要结合军事训练与军事作业性疲劳的特点,对近十年来应用支链氨基酸干预运动训练性疲劳的相关研究作一综述,阐明应用支链氨基酸缓解军事运动性疲劳的可行性与科学性。

1 军事作业性疲劳的产生机制

现代国际局势诡谲,我国官兵所需面对的作战环境及作战条件渐趋复杂苛刻。军人在长时间、高强度、多科目的超负荷军事训练前后,极易面临军事作业性疲劳的发生,对军队战斗力产生严重危害。然而,目前军事作业性疲劳产生的机制至今尚未彻底明确。针对军事作业性疲劳的机制机理,分析支链氨基酸的作用并施以干预,将有助于预防并精准提升基层官兵演习过程中、结束后面对疲劳状态的能力,为我军军事作业性疲劳的防治提供借鉴。

1.1军事作业性疲劳的中枢性因素军事作业性中枢疲劳可被认为是一种防止军事训练中官兵机体过度衰竭的保护性机制。长时间的军事作业后,官兵血浆游离氨基酸谱发生变化,即游离色氨酸浓度升高,其作为前体分泌的5-羟色胺(5-HT)也随之升高,故游离色氨酸:支链氨基酸的比值由此增加,此过程阻碍冲动由中枢向外周释放,产生中枢性军事作业疲劳,继而降低官兵的训练与作战能力[1]。同时,早在1987年即有研究显示多巴胺可抑制5-羟色胺的分泌,因此作为第一个被发现与运动性疲劳相关的神经递质,多巴胺活性的降低与5-羟色胺的升高相互作用,共同促成军事作业性疲劳的发生[2]。此外,一旦军事训练活动开始,官兵血液中的氨浓度即升高,原因在于训练中官兵机体内二磷酸腺苷浓度的升高以及氨基酸代谢能力的增强。

1.2军事作业性疲劳的外周性因素

1.2.1 氧自由基学说氧自由基是军事作业时官兵体内物质进行代谢的一种副产品。剧烈的军事运动中,大量自由基攻击脂质,其过氧化作用导致细胞膜的通透性改变、完整性受损、流动性下降,使得细胞异常活动,军事作业性疲劳由此发生[3]。

1.2.2钙离子学说剧烈与长时间的军事作业中,三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)减少但脂质过氧化物增加,肌质网膜上的“钙泵”发生异常,使钙离子进入胞质内,此时官兵的肌肉长期处于收缩非舒张状态,最终导致肌肉酸痛等不良临床表现的发生。同时,长时间军事训练也可能造成肌浆网释放的钙离子减少、再释放钙离子的能力下降,两者导致兴奋-收缩脱偶联,造成军事作业性疲劳[4]。

2 支链氨基酸临床研究与军事作业性疲劳防治

BCAA可通过促进胰岛素和生长激素的释放促进机体的合成代谢与肌肉增长。然而BCAA无法由机体自身合成,必须依靠外界摄入才可具备,因而也被称为“人体必需氨基酸”。目前针对军事相关性疲劳的临床研究主要集中于探讨支链氨基酸对运动后疲劳物质、肌肉损伤物质、能量代谢物质释放的影响。

AbuMoh'd等[5]于16名男性长跑运动员的增量运动方案期间,使干预组锻炼前1 h摄入20克支链氨基酸或安慰剂,发现口服支链氨基酸氧化使游离脂肪酸(free fat acid, FFA)分泌减少、5-羟色胺水平降低,体内色氨酸(tryptophan, TRP)与BCAAs的比值减小。此干预结果可从亚细胞水平和分子水平上防止官兵体内产生高水平的血浆血清素,从而造成军事作业性中枢疲劳。Coombes等[6]对有无口服支链氨基酸的干预组与安慰剂组进行了长期运动后肌肉损伤血清指标的分析,结果表明补充支链氨基酸在长时间运动后降低了肌酸激酶(creatine kinase, CK)和乳酸脱氢酶(lactic dehydrogenase, LDH)的血清浓度,即补充支链氨基酸可减少军事训练中耐力运动相关的肌肉损伤,尽可能减少新兵训练阶段损伤后可能出现的慢性疼痛或长期残疾。

Kim等[7]组织大学在读男性在自行车测力器测试中运动至完全竭力,在干预组和对照组摄入支链氨基酸和安慰剂之前、运动前10 min、运动开始后30 min、运动结束即刻和运动结束后30 min,分别测量疲劳物质、肌肉损伤物质和能量代谢物质并进行分析。此研究结果得出“补充支链氨基酸使肌肉损伤物质(CK和LDH)减少”的结论,因此BCAA减缓慢性骨骼肌肉损伤可对单兵和军队战备产生积极的长期影响。此外,研究还发现支链氨基酸干预组比安慰剂组显示出更低水平的肌肉疲劳物质的产生,如低血清素、低血磷、低氨和低乳酸盐水平。低水平的血清素又可降低CK和LDH的血清浓度,而氨浓度越低,LDH浓度越低。由此可见,补充支链氨基酸不仅可减少肌肉损伤物质的释放,还可减少运动疲劳物质的产生。针对包括长跑、负重越野等在内的耐力型训练,营养学干预的重点应在于增强机体的抗疲劳能力[8],因此在该类型的军事训练中可通过支链氨基酸减少长时间、长距离等作业条件产生的疲劳物质。另低血磷可能有助于维持三羧酸循环中的能量基质物,从而保存ATP,降低无机磷酸盐的产生。该结论表明,在进行百米冲刺等快速军事运动时,官兵机体的能量来源主要是ATP,因此磷酸原在特定负荷下的供能能力可通过补充支链氨基酸来提升[9]。研究还发现运动中的主要能量来源由葡萄糖充当,但在超过1 h的耐力运动中即被FFA取代。因此补充BCAA也可有效避免机体脂质供能不足后,参训官兵肌肉蛋白消耗所致的身体消瘦与体力骤降等不良结局。

3 支链氨基酸机理研究与军事作业性疲劳防治

3.1 BCAA竞争性抑制色氨酸唐芳[10]发现补充BCAA后,大鼠力竭游泳运动恢复期中的血浆BCAA与游离色氨酸竞争通过血脑屏障的能力增高,继而推迟和减少脑5-HT的生成。在对训练有素的跆拳道运动员进行三次模拟比赛的中枢性疲劳实验[11]中,服用支链氨基酸者的血浆游离色氨酸:支链氨基酸的值发生显著降低,中枢性疲劳也明显改善。因此,参训官兵服用的支链氨基酸可竞争性抑制色氨酸,阻断色氨酸进入血脑屏障转化为5-羟色胺,使得游离色氨酸:支链氨基酸的值因色氨酸浓度降低、支链氨基酸浓度升高而出现下降,军事作业性中枢疲劳因而得以缓解。

3.2BCAA可降低自由基水平剧烈军事训练产生的大量氧自由基会凭借其强氧化性降低氧化酶活性,使脂质过氧化加强,从而破坏细胞结构。此时,补充支链氨基酸可减少生成的氧自由基数量,减少中枢神经细胞对疲劳的敏感度[12]。在蛇形跑等灵活型军事训练中,此法可助参训官兵的运动系统与神经系统协调配合,在神经认知层面上减少身心疲惫感。林正豪[13]以30只SD大鼠为实验对象进行为期8周的有氧运动训练,观察超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)、过氧化氢酶(catalase, CAT)的活性变化。研究结果表明BCAA使有氧运动大鼠腓肠肌内的丙二醛含量下降(P<0.05),而SOD和CAT活性明显升高(P<0.01)。此实验提示,CAT可分解过氧化氢,与作为体内清除自由基的首要物质SOD共同降低自由基水平的同时,也将提高抗氧化酶的活性,从而提升官兵对于军事作业性疲劳的恢复能力。

3.3BCAA对钙离子及骨骼肌的调节剧烈的军事作业会引起严重的钙离子扰动,从而降低肌层兴奋性,影响力量的维持与输出[14]。秦鹏华[15]在关于氨基酸与钙离子相互作用的理论研究中表明,支链氨基酸作为氨基酸中的一类,可提升钙离子的稳定性,此举因而可增加官兵的机体运动能力,使其在军事训练中取得良好成绩。

军事作业性疲劳可被认作是由于中央驱动力减少而导致的肌肉力量减少,对军人后续的肌肉训练产生可逆性的不良影响。支链氨基酸在1999年的研究中被发现共占总肌肉蛋白质的三分之一,此后有研究于2014年证实支链氨基酸是骨骼肌中代谢的唯一一类氨基酸[16]。因此,补充支链氨基酸可以直接在军人肌肉中代谢并参与氧化供能,以此促进肌肉增长并减轻官兵参与有氧运动时的疲劳感,对军人运动后肌肉疲劳的恢复产生积极作用。

刘斯汝[17]通过小鼠研究发现,BCAA干预的小鼠拥有更密更粗的肌纤维,同时Ⅱ型肌纤维以及弹性纤维增多,因此饲喂BCAA可明显增重骨骼肌,促进小鼠骨骼肌的增长。因此,官兵补充支链氨基酸可加强肌肉的收缩效能、促进肌肉的增长,从而提高军事战斗力。

在军事作业前补充BCAA亦能使军人机体内的红细胞携带更多的氧,加快乳酸的代谢,防止“堵塞”学说中乳酸堆积的发生[18]。Hatazawa等[19]发现,运动诱导骨骼肌中的PGC1α增加,而增加的PGC1α又激活支链氨基酸代谢、脂肪酸氧化和三羧酸循环,并增加能量;同时,PGC1α还通过肌肉细胞中的丙氨酸氨基转移酶增加丙氨酸的合成,与骨骼肌中BCAA通过转氨基作用再生成的丙氨酸一同,促进葡萄糖-丙氨酸循环,从而降低肌细胞内的丙酮酸浓度与乳酸生成量。军事操练中的速度训练要求官兵快速完成动作、快速对各种信号刺激产生反应进而快速位移。官兵机体在这个过程中产生的大量乳酸可通过补充支链氨基酸对冲缓解乳酸堆积,减轻运动后肌肉酸痛等军事作业性疲劳的临床表现,减少在接下来的训练中出现体能的下降和运动能力的减弱。

3.4BCAA对CK与LDH的影响除上文所述的临床实验证实了补充BCAA可降低军事训练中肌肉损伤物质的产生外,许多机理实验的结果也与其一致。刘诚[20]以服用富含支链氨基酸的姬松茸的小鼠为干预组,使其进行30 min的负重游泳后测量其血清LDH与尿素氮(blood urea nitrogen, BUN)的含量。结果表明支链氨基酸抑制了BUN的产生,可以相对减少蛋白质的分解代谢,从而使机体充足获能。因此支链氨基酸补充剂可使长期军事运动后,肌肉损伤血清指标中的LDH和CK的值在前后5 d内发生显著下降(P<0.05),避免肌肉损伤物质生成增多,加速肌肉损伤的发生[21]。

3.5亮氨酸与蛋白质代谢亮氨酸是支链氨基酸中生物效应最强的一种氨基酸,既是谷氨酰胺的基质物,又可直接作为细胞燃料,两种途径皆可促进官兵的肌肉生长、减少官兵体内的炎症标志物,对防治军事作业性疲劳起到积极作用[22]。亮氨酸及其代谢产物β-羟基-β-甲基丁酸(β-hydroxy-β-methylbutyrate, HMB)均可激活雷帕霉素复合物1(mTORC1)的哺乳动物靶标,并增加蛋白质的合成,减少蛋白质的分解[23]。俯卧撑、单双杠机械训练等力量训练作为军事训练的基础,要求官兵肌肉收缩时克服内部和外部的阻力,因此支链氨基酸补充的优质蛋白可有助于增加肌肉力量,延缓运动功能缺失[24]。

此外,亮氨酸使乳清蛋白稳定,反过来促进了血清亮氨酸峰流量平衡[25]。其间,亮氨酸及其代谢产物HMB会降低蛋白水解酶活性、减少肌蛋白分解,进而刺激官兵的肌肉合成增多,导致其瘦体重增加、基础代谢提高,并促进官兵肌肉的损伤后修复,缓解其军事作业性疲劳。

4 结语与展望

综上所述,军事作业性疲劳的产生受中枢性与外周性因素的影响,临床试验基于此阐明了支链氨基酸可通过减少训练后疲劳物质与肌肉损伤物质的释放来防治疲劳;基础医学研究则表明该机理可能由于支链氨基酸竞争性抑制色氨酸、降低自由基水平、调节钙离子的稳定性与骨骼肌中的物质代谢、降低肌酸激酶及乳酸脱氢酶的水平、影响蛋白质代谢等原因中的一个或多个造成。

有关BCAA的研究大多聚焦于基础实验,从军事作业性疲劳与官兵营养角度进行临床干预的研究分析目前尚少,因此BCAA针对军事医学领域的应用可填补预防医学与营养学领域的开拓方向,有助于推进我军训练疲劳乃至军事训练伤等方面的流行病学分析,为全军训练疲劳与疾病的防控治疗体系提供建设性意见。

此外,即使是机理研究,更多仍在重复相对已被证实过的学说,而在其他机制学说的证明上(如突变理论、内环境稳定性失调学说、衰竭学说等),缺少创新性的探索。同时,由于各实验中研究对象的测量指标存在差别,缺乏统一的衡量尺度与可重复性,未来的相关实验应建立在特定的实验类型基础上,搭建对应的模型、测敏感指标,保证研究的高信效度。

补充支链氨基酸缓解防治军事作业性疲劳的相关研究,将从营养学角度开拓支链氨基酸在军事预防医学中的作用,提高军事训练的有效性与科学性,从而提升我国军人的身体素质能力和我军的总体战斗力,以更加强健的体能体魄、更加顽强的意志力与更加强大的作战能力,维护国家与社会的稳定和谐。