運動性疲勞動物模型的研究The Research on Animal Model of Exercise Fatigue 鄭瀾1,陸愛云2
在實驗動物學(xué)被喻為生命科學(xué)研究支柱的今天,運動性疲勞動物模型成為運動性疲勞深入研究的重要途徑,標(biāo)準(zhǔn)化、理想的運動性疲勞模型無疑是實施有損傷情況下疲勞研究的首要環(huán)節(jié)。至今,國內(nèi)、外有關(guān)疲勞的動物實驗研究大部分是在力竭運動狀態(tài)下進(jìn)行的。分析其原因,與運動性疲勞的綜合性、全身性、發(fā)生機制的復(fù)雜性導(dǎo)致建模過程中難以判斷疲勞發(fā)生、發(fā)展和鑒定疲勞程度密切相關(guān)。運動性疲勞模型的研究雖然相對滯后,但仍進(jìn)行了一些可貴的探索。
1運動性疲勞模型的分類依據(jù)
自從1890年MOSSO首先用指肌力描記術(shù)研究重復(fù)肌肉收縮時所產(chǎn)生的工作能力的變化開始,對運動性疲勞的研究至今已有百年歷史。對運動性疲勞的認(rèn)識,許多作者從自己研究成果出發(fā),提出過不同看法,如在教科書中較通用的是“疲勞是由前面體力活動引起的暫時性的工作能力的下降”。我國生理學(xué)家蔡翹將其定義為“疲勞是由于體力活動(或腦力活動)而導(dǎo)致機體機能暫時性失調(diào)的生理狀態(tài),它在客觀上表現(xiàn)為工作能力下降,在主觀上往往伴隨疲勞感”。1981年,CIBA基金會專門召開了“人體肌肉疲勞:生理機制”的討論會,EDWARDS在會上把肌肉疲勞定義為“不能維持所需或預(yù)計的力量”。1982年第5屆國際運動生物化學(xué)會議上,將疲勞(fatigue)機理統(tǒng)一為“機體生理過程不能持續(xù)其機能在一特定水平上,或不能維持特定的運動強度”。有學(xué)者將“工作能力暫時下降”及蔡翹的疲勞定義稱為“理論定義”,它是從整體上對疲勞的外在及主觀的表現(xiàn)進(jìn)行了描述,而把國際運動生物化學(xué)會議及EDWARDS的定義稱為“工作定義”,用以指導(dǎo)實際研究,提出了在實際工作中判定疲勞的標(biāo)準(zhǔn),適合對一次性運動所產(chǎn)生的疲勞進(jìn)行判斷,以此為判斷疲勞的依據(jù),建立了急性運動中的疲勞模型,如田野的大強度運動性疲勞模型和有氧運動性疲勞模型。
工作能力的下降是一個漸進(jìn)過程,從定義上講,應(yīng)當(dāng)是工作能力開始下降的那一點起就是疲勞的開始,但是這個“點”的判斷困難,因而造成疲勞的程度在實際操作上存在差別。有的學(xué)者為了便于判斷及引起機體出現(xiàn)更明顯的變化, 將疲勞發(fā)展到最大,以致肌肉不能繼續(xù)收縮為止,這種狀態(tài)為力竭(exhaustion),即“機體不可能維持運動”,以此為標(biāo)準(zhǔn)建立的模型稱為力竭運動模型。黎錦等認(rèn)為,疲勞是一個漸進(jìn)的過程,在運動性疲勞這一發(fā)展過程中,肌肉工作能力下降的那一點是疲勞過程的始發(fā)點,而精疲力竭則是疲勞過程的終結(jié)點。為了便于運動性疲勞的研究,把疲勞過程劃分為3個階段,即疲勞過程的開始階段、發(fā)展階段和力竭階段,在此基礎(chǔ)上建立了運動性疲勞發(fā)展過程模型。而運動實際中常常出現(xiàn)的,是運動員在進(jìn)行一段時間的大強度訓(xùn)練和激烈的比賽后,往往出現(xiàn)疲勞,達(dá)不到原有的競技水平。這種由于一次訓(xùn)練或比賽出現(xiàn)的疲勞沒有得到及時恢復(fù),產(chǎn)生疲勞積累,為慢性運動性疲勞,是急性運動性疲勞得不到及時恢復(fù)發(fā)展所致,模擬這種狀態(tài)建立的模型稱為慢性運動性疲勞模型。張世民等對運動性疲勞的中醫(yī)分型及診斷的研究認(rèn)為,運動性疲勞是在(競技)運動過程中發(fā)生的一種疲勞癥候,具有其運動特點:筋肉疲勞酸痛、運動性失眠、運動性脾胃功能失調(diào)、腎氣不足、女運動員月經(jīng)失常。中醫(yī)對疲勞的認(rèn)識,是從整體觀念出發(fā),主要集中在形體疲勞、神志疲勞和臟腑疲勞3個方面,啟發(fā)人們從系統(tǒng)論、整體觀去認(rèn)識運動性疲勞,加深了對運動性疲勞的認(rèn)識,同時,也拓展了運動性疲勞模型的內(nèi)涵。中醫(yī)理論介入建立的運動性疲勞模型稱為中醫(yī)運動性疲勞模型。
2運動性疲勞動物模型的建立
2.1急性運動性疲勞動物模型
2.1.1大強度運動性疲勞動物模型
選用健康雄性SD大鼠,體重250～350g。采用主觀觀察性指標(biāo):大鼠一般狀況的變化、跑的姿勢的改變及運動能力的變化,來判斷動物是否疲勞及疲勞的程度。實驗大鼠進(jìn)行速度為28m/min(根據(jù)BEDFORD的最大耗氧量確定,此速度運動強度超過90%最大耗氧量,為大強度運動)水平跑運動,持續(xù)時間為20min,運動過程中采用聲音和毛刷刺激。在最初的10min實驗大鼠在沒有任何刺激的情況下基本可維持原工作強度,后10min運動時間里,實驗大鼠蹬地跑姿勢已不像運動開始時積極、有力,運動能力逐漸下降,說明疲勞已發(fā)生。此方法建立的模型運動強度較大,因而誘發(fā)身體疲勞的速度較快,但一次性大強度、短時間所造成的疲勞程度較輕,可通過增加動物運動組數(shù)來加深運動性疲勞程度。
2.1.2有氧運動性疲勞動物模型
選用健康雄性SD大鼠,體重250～350g。采用主觀觀察性指標(biāo):大鼠一般狀況的變化、跑的姿勢的改變及運動能力的變化,來判斷動物是否疲勞及疲勞的程度。實驗大鼠進(jìn)行速度為18m/min的中等強度的水平跑運動,持續(xù)時間為100min。大鼠在長時間、中等強度運動后,表情較冷漠,反應(yīng)較遲鈍,捕捉時,逃避反應(yīng)較運動前減弱。運動后期,大鼠跑的動作較運動前期明顯吃力,特別是在最后20min,多數(shù)大鼠跑的姿勢由開始時的蹬地跑變?yōu)榘肱P位跑,腹部與跑道時有接觸,個別大鼠為臥位跑,大鼠的運動能力隨著運動時間的延長而逐漸下降。用此方法建立的模型大鼠已表現(xiàn)出明顯的疲勞特征。
2.2運動性疲勞發(fā)展過程動物模型
根據(jù)1982年第5屆國際運動生物化學(xué)會議上有關(guān)運動性疲勞的概念,將疲勞發(fā)展過程劃分為3個階段:疲勞過程的開始階段、發(fā)展階段和力竭階段。選用健康雄性SD大鼠,體重220～320g。將裝有相當(dāng)于自身體重12%的砝碼的小布袋系在實驗大鼠的前肢腋下,砝碼帶系于胸腹前,在0.7m×0.5m×0.7m的鐵箱內(nèi)游泳,水深0.5m,每次1只。當(dāng)大鼠游至水從耳下淹到耳上,身體輕度下沉?xí)r,為運動性疲勞的開始階段;當(dāng)大鼠游至水淹過眼,其身體進(jìn)一步下沉?xí)r,為疲勞的發(fā)展階段;當(dāng)大鼠游至水淹過鼻尖,身體下沉無力返回水面時,為疲勞的力竭階段。在運動性疲勞發(fā)展過程的不同階段對大鼠血乳酸、肝臟的光鏡和電鏡下結(jié)構(gòu)的變化及酶組織化學(xué)進(jìn)行研究,從而建立了能較客觀反映糖無氧酵解供能條件下,從疲勞開始經(jīng)進(jìn)一步發(fā)展直至力竭的發(fā)展過程運動性疲勞動物模型。該模型經(jīng)實驗證明具有可重復(fù)性。
2.3慢性運動性疲勞動物模型
選用SD雄性大鼠,采用7周大強度跑臺運動,從訓(xùn)練第1周起,每周遞增速度,每周速度分別為15m/min、22m/min、27m/min、31m/min、35m/min;每天訓(xùn)練20min,每周5天,共訓(xùn)練5周。第5周后分兩種運動強度建模,一般訓(xùn)練組于第6、7周,每日按35m/min的速度,在坡度為0的跑臺上跑20min;強化訓(xùn)練組于第6、7周,每日在同等情況下跑25min,來建立長時間遞增負(fù)荷運動性疲勞動物模型。有研究采用同樣持續(xù)時間為7周的遞增負(fù)荷跑臺訓(xùn)練建立疲勞模型,采用的運動強度稍大。
2.4中醫(yī)運動性疲勞動物模型
2.4.1采用勞倦因素與大黃、芒硝瀉下藥物建立脾氣虛動物模型
選用Wister系雄性大鼠,體重180±20g。將大黃、芒硝、標(biāo)準(zhǔn)飼料按0.85:0.15:9.0的比例均勻混合后制成藥化飼料,實驗動物在每日喂食藥化飼料的同時,于每天上午8:00～12:00在勞倦裝置振蕩器上(振動蕩243次/min、振幅為36mm)振動4h,共建模21天。建模后,從大鼠的外觀表現(xiàn)、糞便、體重、食量及拉尿排便試驗來觀察,大鼠呈脾氣虛癥。
2.4.2采用勞倦過度與番瀉葉建立脾氣虛動物模型
選用昆明系小白鼠,體重20～32g,采用番瀉藥結(jié)合游泳運動建立模型。每天進(jìn)行1次游泳訓(xùn)練,時間為2～5min,以身體下沉為度,且施100%番瀉葉煎劑0.5ml/只。建模第4天,實驗動物出現(xiàn)瞇眼、懶動、扎堆、排條狀軟便、毛散而無光澤,并出現(xiàn)明顯的膽怯狀態(tài)。建模第8天處死,取血測定紅細(xì)胞C3b受體、IgG、IgM含量;取脾臟測定T細(xì)胞亞群、TL22活性、NK活性、淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率。這8項免疫學(xué)指標(biāo)與對照組相比均有高顯著性差異,表現(xiàn)出各項免疫學(xué)指標(biāo)下降。從實驗動物的外觀表現(xiàn)和免疫學(xué)指標(biāo)的變化表明已呈脾氣虛癥。該研究還表明,雖然單純勞倦因素導(dǎo)致脾虛程度方面較番瀉葉瀉下法為輕,但它具有明顯的導(dǎo)致脾虛的效果,故不失為長期脾虛建模的方法。
2.5力竭運動動物模型
2.5.1跑臺有氧力竭運動動物模型
選用健康雄性SD大鼠,體重250～350g。采用觀察性指標(biāo):大鼠一般狀況的變化、跑的姿勢的改變及運動能力的變化,來判斷動物是否疲勞及疲勞的程度。實驗大鼠進(jìn)行速度為18m/min的中等強度的水平跑運動,持續(xù)時間為200min,運動過程中采用聲音和毛刷刺激。實驗大鼠的一般狀況、跑的動作和運動能力變化較為明顯。在運動過程中,需要較多的刺激次數(shù)和延長刺激時間,才能維持原強度工作。為了誘發(fā)實驗大鼠的運動能力進(jìn)一步下降,在200min運動的中間(一般在第100～120min),當(dāng)大鼠的運動能力明顯下降時(刺激頻率為6次/min),取出大鼠進(jìn)行短暫休息(一般為5min),然后繼續(xù)運動,直至不能維持原工作強度,大鼠表現(xiàn)為明顯的力竭癥狀。以此可作為有氧運動力竭動物模型。
2.5.2游泳力竭運動動物模型
選用雄性SD大鼠,體重約280±6g。采用尾部負(fù)重的游泳方式,負(fù)重重量為體重的3%,泳池水深50cm,水溫31°±1℃,每m2水面同時5～6只大鼠游泳,當(dāng)大鼠游至連續(xù)3次沒入水底,每次超過10s,視為力竭。以此建立力竭運動動物模型。
3運動性疲勞模型分析
從已建模型來分析,建模選用的實驗動物有SD大鼠、Wister大鼠、昆明小白鼠等,且同一品系年齡不一,體重也不一樣。采用的練習(xí)主要有跑臺練習(xí)和游泳練習(xí),其中,游泳練習(xí)中采用的泳池的大小、水深及水溫的控制亦不一樣,且一次同一泳池游泳的實驗動物的只數(shù)不一。有的負(fù)重,有的不負(fù)重,而且負(fù)重的重量不一。跑臺運動的刺激方法主要有聲、光、電及機械刺激,有的模型建立采用了電刺激,有的卻沒有,存在刺激方法不均一的特點。肖明珠等對不同刺激方法對大鼠跑臺運動疲勞及恢復(fù)期糖代謝的影響的研究表明,雖然機械刺激和電刺激都能使大鼠進(jìn)行跑臺運動達(dá)到相同的疲勞標(biāo)準(zhǔn),即奔跑大鼠在接受刺激后仍跟不上預(yù)定速度(33m/min),大鼠臀部壓在跑臺后壁,后肢隨轉(zhuǎn)運皮帶后拖30s,但2種刺激所造成的疲勞對動物機體糖代謝的影響是有區(qū)別的。因此,不同的刺激方法,在相同的疲勞標(biāo)準(zhǔn)下,對機體的影響是不一樣的。由于實驗條件不一樣,會使研究結(jié)果難以比較與交流。對運動性疲勞的判斷標(biāo)準(zhǔn)的報道不一,如對游泳至力竭的判斷,有的將大鼠游泳至沉底,無力浮出水面視為力竭;有的將力竭標(biāo)準(zhǔn)定為游泳沉底,無力復(fù)出水面達(dá)60s,出水后呼吸深、急、幅度大,雙目無光,反應(yīng)遲鈍,強刺激后逃避緩慢,體位為俯臥位,被握持時,四肢下垂。而對疲勞判斷更是眾說不一。
運動性疲勞的判別是建立運動性疲勞模型的一個非常重要的問題,對于急性運動性疲勞動物,根據(jù)運動中動物的外部體征來判斷疲勞程度仍是主流。田野對實驗動物的一般狀況、跑的姿勢及運動能力的深入細(xì)致的觀察,為疲勞的外部判斷提供了寶貴的資料,如果結(jié)合一些生理、生化客觀指標(biāo)的評判,將是一種科學(xué)、合理的運動性疲勞的判斷方法。黎錦等的糖酵解供能情況下運動性疲勞發(fā)展過程模型,根據(jù)實驗大鼠游泳過程中身體下沉的程度來界定疲勞的發(fā)生、發(fā)展和力竭階段,并測定了此過程中血乳酸的變化規(guī)律,為實際工作中疲勞模型的建立提供了一個有用的客觀評判指標(biāo)。劉里遠(yuǎn)等研制了大白鼠游泳輸出功測定儀,能記錄實驗動物游泳全過程隨時間變化而變化的輸出功率,并在此基礎(chǔ)上建立了疲勞方程,不失為一個較客觀的模型,但實驗條件難以滿足,難以推廣。中醫(yī)理論在運動性疲勞模型建立中的運用,為疲勞模型的建立開拓了新思路,不同癥型的運動性疲勞模型的建立,將有利于辯證施治,便于不同組方的中藥抗運動性疲勞作用的觀察。
4運動性疲勞動物模型質(zhì)量問題的思考動物模型的普適性、可重復(fù)性和均一性是其質(zhì)量所在,是判斷模型成功與否的關(guān)鍵,若所建模型不能再現(xiàn)或不穩(wěn)定,則不能被*。由不同的運動引發(fā)的運動性疲勞的機理和程度是不一樣的,對機體的影響亦不同。運動性疲勞動物模型的建立是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。
4.1運動性疲勞動物模型建立的實驗條件的控制
運動性疲勞動物模型的建立中有很多非處理因素,包括實驗動物的選用,其中,動物的品系、年齡、飼養(yǎng)、環(huán)境等應(yīng)做到均一;有些實驗條件,如跑臺運動的刺激方法、泳池的大小、水深及水溫的控制應(yīng)盡量一致。這樣嚴(yán)格控制實驗條件,可以排除非處理因素對模型建立的干擾,使模型的建立更具科學(xué)性。
4.2建立運動性疲勞動物模型的指標(biāo)評價體系
有關(guān)運動性疲勞的判斷及疲勞程度的鑒定一直是一個令人關(guān)注的問題。一些學(xué)者根據(jù)運動性疲勞時機體的外部體征的變化來判斷運動能力下降,如一般狀況的變化,包括體重、飲食、精神狀況和自主活動情況等;運動時的姿勢的變化,如跑臺跑時蹬地情況、腹部與跑臺的相對位置、游泳運動時頭部沒入水中的程度和時間;運動能力的變化,如采用刺激后仍跟不上所要求的運動速度等主觀觀察指標(biāo)來判斷疲勞的發(fā)生及疲勞的程度。但實際情況往往是在實驗動物還沒有發(fā)生外部特征變化之前,疲勞就已經(jīng)產(chǎn)生了。因此,單憑主觀觀察指標(biāo)來評判運動性疲勞有一定的局限性。有必要在此基礎(chǔ)上結(jié)合一些生理、生化客觀指標(biāo)來鑒別運動性疲勞及疲勞程度,如建立急性運動性疲勞模型,對于不同的供能方式為主的運動,可根據(jù)運動能力的限制因素來判斷疲勞的發(fā)生。以糖酵解供能為主的運動,運動能力的限制因素主要是乳酸的堆積;強度為75%V O2max的有氧運動,運動能力的限制因素主要是肌糖原的耗竭,因而可以通過測定血乳酸升高、肌糖原的下降來判斷疲勞的發(fā)生。對于客觀觀察指標(biāo)的選用,不僅要注意它的可靠性、敏感性,還要把握其可測性、易測性。建立慢性運動性疲勞動物模型,根據(jù)其疲勞積累、機能狀態(tài)下降的實質(zhì),可使用判斷機體機能狀態(tài)的有關(guān)指標(biāo),如晨脈、血紅蛋白、血乳酸、血尿素、尿蛋白等,既要注意指標(biāo)的相對獨立性,又要考慮多指標(biāo)的最佳組合。怎樣根據(jù)不同方式、不同供能系統(tǒng)為主的運動來選擇指標(biāo),合理組合,對運動性疲勞進(jìn)行多指標(biāo)、系統(tǒng)性綜合評定,是一項復(fù)雜的工作,需要進(jìn)一步研究。把握疲勞的外在表現(xiàn),結(jié)合客觀生理、生化評判指標(biāo),監(jiān)控運動性疲勞模型的建立有益于模型質(zhì)量的保證。
4.3把握運動性疲勞的實質(zhì)
高強將疲勞定義為“疲勞系指由于活動使工作能力及身體機能暫時降低的現(xiàn)象”以及許豪文的“運動性疲勞是指運動本身引起機體工作能力暫時性降低,經(jīng)過適當(dāng)休息后又可以恢復(fù)的狀態(tài)”,強調(diào)指出疲勞導(dǎo)致的工作能力或身體機能的下降是暫時的,經(jīng)過休息就可以恢復(fù),借此可以與運動中常見的疾病——過度訓(xùn)練相區(qū)別,對建立運動性疲勞模型具有一定的指導(dǎo)意義。張世民認(rèn)為,運動性疲勞與過度疲勞,兩者在發(fā)生機理上基本相同,其本質(zhì)都為內(nèi)傷不足之虛癥,但兩者在功能、結(jié)構(gòu)變化上有根本的量與質(zhì)的不同,過度疲勞屬內(nèi)傷虛勞病。運動性疲勞是一種癥候,其本質(zhì)是臟腑功能下降或失調(diào)和精血不足,屬生理性出現(xiàn)的功能失調(diào)或下降、精血不足等癥是暫時的,可自行消除或通過調(diào)養(yǎng)很容易恢復(fù)。而過度疲勞,雖然也表現(xiàn)為不足,但是屬一種內(nèi)傷虛勞病,為病理性的,有器質(zhì)性改變,出現(xiàn)的機能下降、精血不足、結(jié)構(gòu)改變等癥候是長期的,超過人體正常生理調(diào)節(jié)范圍,需要醫(yī)治、調(diào)養(yǎng)才有可能康復(fù)。因而,運動性疲勞與過度疲勞、過度訓(xùn)練不僅存在程度上的差別,而且存在質(zhì)的區(qū)別。在運動性疲勞模型建立過程中,建議在實驗設(shè)計中安排一定的自然恢復(fù)時間,了解運動所致的外部表現(xiàn)的變化及生理、生化指標(biāo)的變化是否是暫時性的、可自然恢復(fù)的。因此,需把握運動性疲勞生理性的變化的實質(zhì),借以區(qū)別過度疲勞和過度訓(xùn)練。理想的運動性疲勞動物模型對運動性疲勞機理及恢復(fù)手段的研究至關(guān)重要,由于疲勞的發(fā)生機制復(fù)雜,且涉及的部位多,因此,需要多學(xué)科共同合作,才有利于高質(zhì)量的運動性疲勞動物模型的建立。
源自中國體育科技2003年(第39卷)第2期
