运动性疲劳动物模型的研究The Research on Animal Model of Exercise Fatigue 郑澜1,陆爱云2
在实验动物学被喻为生命科学研究支柱的今天,运动性疲劳动物模型成为运动性疲劳深入研究的重要途径,标准化、理想的运动性疲劳模型无疑是实施有损伤情况下疲劳研究的首要环节。至今,国内、外有关疲劳的动物实验研究大部分是在力竭运动状态下进行的。分析其原因,与运动性疲劳的综合性、全身性、发生机制的复杂性导致建模过程中难以判断疲劳发生、发展和鉴定疲劳程度密切相关。运动性疲劳模型的研究虽然相对滞后,但仍进行了一些可贵的探索。
1运动性疲劳模型的分类依据
自从1890年MOSSO首先用指肌力描记术研究重复肌肉收缩时所产生的工作能力的变化开始,对运动性疲劳的研究至今已有百年历史。对运动性疲劳的认识,许多作者从自己研究成果出发,提出过不同看法,如在教科书中较通用的是“疲劳是由前面体力活动引起的暂时性的工作能力的下降”。我国生理学家蔡翘将其定义为“疲劳是由于体力活动(或脑力活动)而导致机体机能暂时性失调的生理状态,它在客观上表现为工作能力下降,在主观上往往伴随疲劳感”。1981年,CIBA基金会专门召开了“人体肌肉疲劳:生理机制”的讨论会,EDWARDS在会上把肌肉疲劳定义为“不能维持所需或预计的力量”。1982年第5届国际运动生物化学会议上,将疲劳(fatigue)机理统一为“机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上,或不能维持特定的运动强度”。有学者将“工作能力暂时下降”及蔡翘的疲劳定义称为“理论定义”,它是从整体上对疲劳的外在及主观的表现进行了描述,而把国际运动生物化学会议及EDWARDS的定义称为“工作定义”,用以指导实际研究,提出了在实际工作中判定疲劳的标准,适合对一次性运动所产生的疲劳进行判断,以此为判断疲劳的依据,建立了急性运动中的疲劳模型,如田野的大强度运动性疲劳模型和有氧运动性疲劳模型。
工作能力的下降是一个渐进过程,从定义上讲,应当是工作能力开始下降的那一点起就是疲劳的开始,但是这个“点”的判断困难,因而造成疲劳的程度在实际操作上存在差别。有的学者为了便于判断及引起机体出现更明显的变化, 将疲劳发展到最大,以致肌肉不能继续收缩为止,这种状态为力竭(exhaustion),即“机体不可能维持运动”,以此为标准建立的模型称为力竭运动模型。黎锦等认为,疲劳是一个渐进的过程,在运动性疲劳这一发展过程中,肌肉工作能力下降的那一点是疲劳过程的始发点,而精疲力竭则是疲劳过程的终结点。为了便于运动性疲劳的研究,把疲劳过程划分为3个阶段,即疲劳过程的开始阶段、发展阶段和力竭阶段,在此基础上建立了运动性疲劳发展过程模型。而运动实际中常常出现的,是运动员在进行一段时间的大强度训练和激烈的比赛后,往往出现疲劳,达不到原有的竞技水平。这种由于一次训练或比赛出现的疲劳没有得到及时恢复,产生疲劳积累,为慢性运动性疲劳,是急性运动性疲劳得不到及时恢复发展所致,模拟这种状态建立的模型称为慢性运动性疲劳模型。张世民等对运动性疲劳的中医分型及诊断的研究认为,运动性疲劳是在(竞技)运动过程中发生的一种疲劳症候,具有其运动特点:筋肉疲劳酸痛、运动性失眠、运动性脾胃功能失调、肾气不足、女运动员月经失常。中医对疲劳的认识,是从整体观念出发,主要集中在形体疲劳、神志疲劳和脏腑疲劳3个方面,启发人们从系统论、整体观去认识运动性疲劳,加深了对运动性疲劳的认识,同时,也拓展了运动性疲劳模型的内涵。中医理论介入建立的运动性疲劳模型称为中医运动性疲劳模型。
2运动性疲劳动物模型的建立
2.1急性运动性疲劳动物模型
2.1.1大强度运动性疲劳动物模型
选用健康雄性SD大鼠,体重250～350g。采用主观观察性指标:大鼠一般状况的变化、跑的姿势的改变及运动能力的变化,来判断动物是否疲劳及疲劳的程度。实验大鼠进行速度为28m/min(根据BEDFORD的最大耗氧量确定,此速度运动强度超过90%最大耗氧量,为大强度运动)水平跑运动,持续时间为20min,运动过程中采用声音和毛刷刺激。在最初的10min实验大鼠在没有任何刺激的情况下基本可维持原工作强度,后10min运动时间里,实验大鼠蹬地跑姿势已不像运动开始时积极、有力,运动能力逐渐下降,说明疲劳已发生。此方法建立的模型运动强度较大,因而诱发身体疲劳的速度较快,但一次性大强度、短时间所造成的疲劳程度较轻,可通过增加动物运动组数来加深运动性疲劳程度。
2.1.2有氧运动性疲劳动物模型
选用健康雄性SD大鼠,体重250～350g。采用主观观察性指标:大鼠一般状况的变化、跑的姿势的改变及运动能力的变化,来判断动物是否疲劳及疲劳的程度。实验大鼠进行速度为18m/min的中等强度的水平跑运动,持续时间为100min。大鼠在长时间、中等强度运动后,表情较冷漠,反应较迟钝,捕捉时,逃避反应较运动前减弱。运动后期,大鼠跑的动作较运动前期明显吃力,特别是在最后20min,多数大鼠跑的姿势由开始时的蹬地跑变为半卧位跑,腹部与跑道时有接触,个别大鼠为卧位跑,大鼠的运动能力随着运动时间的延长而逐渐下降。用此方法建立的模型大鼠已表现出明显的疲劳特征。
2.2运动性疲劳发展过程动物模型
根据1982年第5届国际运动生物化学会议上有关运动性疲劳的概念,将疲劳发展过程划分为3个阶段:疲劳过程的开始阶段、发展阶段和力竭阶段。选用健康雄性SD大鼠,体重220～320g。将装有相当于自身体重12%的砝码的小布袋系在实验大鼠的前肢腋下,砝码带系于胸腹前,在0.7m×0.5m×0.7m的铁箱内游泳,水深0.5m,每次1只。当大鼠游至水从耳下淹到耳上,身体轻度下沉时,为运动性疲劳的开始阶段;当大鼠游至水淹过眼,其身体进一步下沉时,为疲劳的发展阶段;当大鼠游至水淹过鼻尖,身体下沉无力返回水面时,为疲劳的力竭阶段。在运动性疲劳发展过程的不同阶段对大鼠血乳酸、肝脏的光镜和电镜下结构的变化及酶组织化学进行研究,从而建立了能较客观反映糖无氧酵解供能条件下,从疲劳开始经进一步发展直至力竭的发展过程运动性疲劳动物模型。该模型经实验证明具有可重复性。
2.3慢性运动性疲劳动物模型
选用SD雄性大鼠,采用7周大强度跑台运动,从训练第1周起,每周递增速度,每周速度分别为15m/min、22m/min、27m/min、31m/min、35m/min;每天训练20min,每周5天,共训练5周。第5周后分两种运动强度建模,一般训练组于第6、7周,每日按35m/min的速度,在坡度为0的跑台上跑20min;强化训练组于第6、7周,每日在同等情况下跑25min,来建立长时间递增负荷运动性疲劳动物模型。有研究采用同样持续时间为7周的递增负荷跑台训练建立疲劳模型,采用的运动强度稍大。
2.4中医运动性疲劳动物模型
2.4.1采用劳倦因素与大黄、芒硝泻下药物建立脾气虚动物模型
选用Wister系雄性大鼠,体重180±20g。将大黄、芒硝、标准饲料按0.85:0.15:9.0的比例均匀混合后制成药化饲料,实验动物在每日喂食药化饲料的同时,于每天上午8:00～12:00在劳倦装置振荡器上(振动荡243次/min、振幅为36mm)振动4h,共建模21天。建模后,从大鼠的外观表现、粪便、体重、食量及拉尿排便试验来观察,大鼠呈脾气虚症。
2.4.2采用劳倦过度与番泻叶建立脾气虚动物模型
选用昆明系小白鼠,体重20～32g,采用番泻药结合游泳运动建立模型。每天进行1次游泳训练,时间为2～5min,以身体下沉为度,且施100%番泻叶煎剂0.5ml/只。建模第4天,实验动物出现眯眼、懒动、扎堆、排条状软便、毛散而无光泽,并出现明显的胆怯状态。建模第8天处死,取血测定红细胞C3b受体、IgG、IgM含量;取脾脏测定T细胞亚群、TL22活性、NK活性、淋巴细胞转化率。这8项免疫学指标与对照组相比均有高显著性差异,表现出各项免疫学指标下降。从实验动物的外观表现和免疫学指标的变化表明已呈脾气虚症。该研究还表明,虽然单纯劳倦因素导致脾虚程度方面较番泻叶泻下法为轻,但它具有明显的导致脾虚的效果,故不失为长期脾虚建模的方法。
2.5力竭运动动物模型
2.5.1跑台有氧力竭运动动物模型
选用健康雄性SD大鼠,体重250～350g。采用观察性指标:大鼠一般状况的变化、跑的姿势的改变及运动能力的变化,来判断动物是否疲劳及疲劳的程度。实验大鼠进行速度为18m/min的中等强度的水平跑运动,持续时间为200min,运动过程中采用声音和毛刷刺激。实验大鼠的一般状况、跑的动作和运动能力变化较为明显。在运动过程中,需要较多的刺激次数和延长刺激时间,才能维持原强度工作。为了诱发实验大鼠的运动能力进一步下降,在200min运动的中间(一般在第100～120min),当大鼠的运动能力明显下降时(刺激频率为6次/min),取出大鼠进行短暂休息(一般为5min),然后继续运动,直至不能维持原工作强度,大鼠表现为明显的力竭症状。以此可作为有氧运动力竭动物模型。
2.5.2游泳力竭运动动物模型
选用雄性SD大鼠,体重约280±6g。采用尾部负重的游泳方式,负重重量为体重的3%,泳池水深50cm,水温31°±1℃,每m2水面同时5～6只大鼠游泳,当大鼠游至连续3次没入水底,每次超过10s,视为力竭。以此建立力竭运动动物模型。
3运动性疲劳模型分析
从已建模型来分析,建模选用的实验动物有SD大鼠、Wister大鼠、昆明小白鼠等,且同一品系年龄不一,体重也不一样。采用的练习主要有跑台练习和游泳练习,其中,游泳练习中采用的泳池的大小、水深及水温的控制亦不一样,且一次同一泳池游泳的实验动物的只数不一。有的负重,有的不负重,而且负重的重量不一。跑台运动的刺激方法主要有声、光、电及机械刺激,有的模型建立采用了电刺激,有的却没有,存在刺激方法不均一的特点。肖明珠等对不同刺激方法对大鼠跑台运动疲劳及恢复期糖代谢的影响的研究表明,虽然机械刺激和电刺激都能使大鼠进行跑台运动达到相同的疲劳标准,即奔跑大鼠在接受刺激后仍跟不上预定速度(33m/min),大鼠臀部压在跑台后壁,后肢随转运皮带后拖30s,但2种刺激所造成的疲劳对动物机体糖代谢的影响是有区别的。因此,不同的刺激方法,在相同的疲劳标准下,对机体的影响是不一样的。由于实验条件不一样,会使研究结果难以比较与交流。对运动性疲劳的判断标准的报道不一,如对游泳至力竭的判断,有的将大鼠游泳至沉底,无力浮出水面视为力竭;有的将力竭标准定为游泳沉底,无力复出水面达60s,出水后呼吸深、急、幅度大,双目无光,反应迟钝,强刺激后逃避缓慢,体位为俯卧位,被握持时,四肢下垂。而对疲劳判断更是众说不一。
运动性疲劳的判别是建立运动性疲劳模型的一个非常重要的问题,对于急性运动性疲劳动物,根据运动中动物的外部体征来判断疲劳程度仍是主流。田野对实验动物的一般状况、跑的姿势及运动能力的深入细致的观察,为疲劳的外部判断提供了宝贵的资料,如果结合一些生理、生化客观指标的评判,将是一种科学、合理的运动性疲劳的判断方法。黎锦等的糖酵解供能情况下运动性疲劳发展过程模型,根据实验大鼠游泳过程中身体下沉的程度来界定疲劳的发生、发展和力竭阶段,并测定了此过程中血乳酸的变化规律,为实际工作中疲劳模型的建立提供了一个有用的客观评判指标。刘里远等研制了大白鼠游泳输出功测定仪,能记录实验动物游泳全过程随时间变化而变化的输出功率,并在此基础上建立了疲劳方程,不失为一个较客观的模型,但实验条件难以满足,难以推广。中医理论在运动性疲劳模型建立中的运用,为疲劳模型的建立开拓了新思路,不同症型的运动性疲劳模型的建立,将有利于辩证施治,便于不同组方的中药抗运动性疲劳作用的观察。
4运动性疲劳动物模型质量问题的思考动物模型的普适性、可重复性和均一性是其质量所在,是判断模型成功与否的关键,若所建模型不能再现或不稳定,则不能被*。由不同的运动引发的运动性疲劳的机理和程度是不一样的,对机体的影响亦不同。运动性疲劳动物模型的建立是一个复杂的系统工程。
4.1运动性疲劳动物模型建立的实验条件的控制
运动性疲劳动物模型的建立中有很多非处理因素,包括实验动物的选用,其中,动物的品系、年龄、饲养、环境等应做到均一;有些实验条件,如跑台运动的刺激方法、泳池的大小、水深及水温的控制应尽量一致。这样严格控制实验条件,可以排除非处理因素对模型建立的干扰,使模型的建立更具科学性。
4.2建立运动性疲劳动物模型的指标评价体系
有关运动性疲劳的判断及疲劳程度的鉴定一直是一个令人关注的问题。一些学者根据运动性疲劳时机体的外部体征的变化来判断运动能力下降,如一般状况的变化,包括体重、饮食、精神状况和自主活动情况等;运动时的姿势的变化,如跑台跑时蹬地情况、腹部与跑台的相对位置、游泳运动时头部没入水中的程度和时间;运动能力的变化,如采用刺激后仍跟不上所要求的运动速度等主观观察指标来判断疲劳的发生及疲劳的程度。但实际情况往往是在实验动物还没有发生外部特征变化之前,疲劳就已经产生了。因此,单凭主观观察指标来评判运动性疲劳有一定的局限性。有必要在此基础上结合一些生理、生化客观指标来鉴别运动性疲劳及疲劳程度,如建立急性运动性疲劳模型,对于不同的供能方式为主的运动,可根据运动能力的限制因素来判断疲劳的发生。以糖酵解供能为主的运动,运动能力的限制因素主要是乳酸的堆积;强度为75%V O2max的有氧运动,运动能力的限制因素主要是肌糖原的耗竭,因而可以通过测定血乳酸升高、肌糖原的下降来判断疲劳的发生。对于客观观察指标的选用,不仅要注意它的可靠性、敏感性,还要把握其可测性、易测性。建立慢性运动性疲劳动物模型,根据其疲劳积累、机能状态下降的实质,可使用判断机体机能状态的有关指标,如晨脉、血红蛋白、血乳酸、血尿素、尿蛋白等,既要注意指标的相对独立性,又要考虑多指标的最佳组合。怎样根据不同方式、不同供能系统为主的运动来选择指标,合理组合,对运动性疲劳进行多指标、系统性综合评定,是一项复杂的工作,需要进一步研究。把握疲劳的外在表现,结合客观生理、生化评判指标,监控运动性疲劳模型的建立有益于模型质量的保证。
4.3把握运动性疲劳的实质
高强将疲劳定义为“疲劳系指由于活动使工作能力及身体机能暂时降低的现象”以及许豪文的“运动性疲劳是指运动本身引起机体工作能力暂时性降低,经过适当休息后又可以恢复的状态”,强调指出疲劳导致的工作能力或身体机能的下降是暂时的,经过休息就可以恢复,借此可以与运动中常见的疾病——过度训练相区别,对建立运动性疲劳模型具有一定的指导意义。张世民认为,运动性疲劳与过度疲劳,两者在发生机理上基本相同,其本质都为内伤不足之虚症,但两者在功能、结构变化上有根本的量与质的不同,过度疲劳属内伤虚劳病。运动性疲劳是一种症候,其本质是脏腑功能下降或失调和精血不足,属生理性出现的功能失调或下降、精血不足等症是暂时的,可自行消除或通过调养很容易恢复。而过度疲劳,虽然也表现为不足,但是属一种内伤虚劳病,为病理性的,有器质性改变,出现的机能下降、精血不足、结构改变等症候是长期的,超过人体正常生理调节范围,需要医治、调养才有可能康复。因而,运动性疲劳与过度疲劳、过度训练不仅存在程度上的差别,而且存在质的区别。在运动性疲劳模型建立过程中,建议在实验设计中安排一定的自然恢复时间,了解运动所致的外部表现的变化及生理、生化指标的变化是否是暂时性的、可自然恢复的。因此,需把握运动性疲劳生理性的变化的实质,借以区别过度疲劳和过度训练。理想的运动性疲劳动物模型对运动性疲劳机理及恢复手段的研究至关重要,由于疲劳的发生机制复杂,且涉及的部位多,因此,需要多学科共同合作,才有利于高质量的运动性疲劳动物模型的建立。
源自中国体育科技2003年(第39卷)第2期
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