運動相關外周肌肉疲勞的生物標記

摘要

外周肌肉疲勞的生物標記（Biomarkers of peripheral muscle fatigue，BPMFs）在檢測異常疲勞或檢測缺陷的代謝途徑可以為在運動疲勞機制提供新視野。BPMFs的產生與運動類型有關，作為標記物的生物特性需穩定、晝夜變化少、與運動強度相關並存在於生物體液中便於檢測。根據疲勞的機理，BPMFs與三磷酸腺苷代謝、氧化代謝以及炎性因子產生有關係。血乳酸和IL- 6在BPMFS檢測中最常用；應用最廣泛的篩查是通過乳酸壓力測試線粒體病的氧化代謝。然而大多數其他的臨床相關性BPMFs還在探討當中。BPMFs在不同年齡、性別、健康情況、訓練所需的能源供應會有相應的變化。儘管BPMFs在疲勞中的作用了解甚少，但在運動和疲勞發生過程在特定的，標準化的條件下測量BPMFs可能有利於評估生物學狀態或過程，綜述運動相關肌肉疲勞的生物標記有助於運動與健康的促進。

Research of Exercise-related Biomarkers of

Abstract: Biomarkers of peripheral muscle fatigue (BPMFs) are used to offer insights into mechanisms of exhaustion during exercise in order to detect abnormal fatigue or defective metabolic pathways. Production of BPMFs is predominantly dependent on the type of exercise. It should be stable without appreciable diurnal variations, correlate well with exercise intensity, and be present in detectable amounts in easily accessible biological fluids. According to the mechanism of fatigue, BPMFs related to adenosine triphosphate metabolism, oxidative metabolism and inflammatory

response. Serum lactate and interleukin-6 are the most well-known BPMFs. Application screening for defective oxidative metabolism in mitochondrial disorders by means of the lactate stress test is widely applied. The most of other BPMFs relevance however is under debate. Since they often depend on age, gender, physical fitness, the energy supply during exercise, the type of exercise needed to produce the BPMF. However, poorly understanding of the role of BPMFs during fatigue, measuring BPMFs under specific or standardized conditions appears to be helpful for assessing biological states or processes during exercise and fatigue.

程華

嶺南師範學院

1 前言

肌肉疲勞是指在肌肉持續收縮活動期間產生適當肌肉力量的能力下降。肌肉疲勞因產生原因或發生機制不同，有著不同的恢復率。例如，馬拉松引起的疲勞不同於在給定的阻力下重複10次仰卧推舉的所產生疲勞。運動產生的肌肉疲勞可能急性的（發生運動開始不久之後）或延遲性的（恆定、高強度運動進行了很長時間後）；可以在次極量以及極量強度的鍛煉下發生；可以發生在健康或患病的機體，取決於年齡、性別、身體健康、運動模式和持續時間的鍛煉和潛在的疾病。

生物標記是指作為組織物質生化狀態的指示物可被測量的成分，可以客觀地反映機體健康、疾病或對藥物治療的生理或病理過程的反應；也可以是一個引入機體檢查器官功能或其他方面健康的物質（示蹤劑）。生物標記隨著過程、功能監控而變化，可以被準確地測量，穩定而不受晝夜節律影響變化、與運動強度相關、並存在於生物液體中易被監測、表示著疾病過程或風險相關蛋白狀態或表達的變化，以及既定治療的疾病的易感性。

在運動過程中肌肉力量的減少可被視為一種安全機制。設想加入疲勞不會發生或發生推遲，肌肉細胞和支持組織的結構損傷就會發生。肌肉疲勞可以很快恢復，而肌肉損傷通常需要更長的恢復期，因為肌肉疲勞不是伴隨著肌原纖維的結構性破壞；因此兩者生物標記是有區別的。然而肌肉疲勞與肌肉損傷（如炎症生物標記）生物標記物有共存的情況，如高強度、離心性收縮會導致肌肉損傷。肌肉疲勞生物標記注意區分與肌肉損傷重疊的生物標記。

運動性肌肉疲勞是在運動中隨時間發展加重的可逆的肌肉力量（肌肉收縮）丟失。生物標記可以量化運動中的肌肉疲勞和疾病進程的程度。本文旨在描述在訓練中肌肉疲勞最重要的生物標記的最新進展和未來展望。

2 外周肌肉疲勞的生物標記

生物標記可根據運動或訓練負荷種類分類或根據檢測延遲和運動前後時間分類（如表1）。

生物標誌產生的濃度取決於引起的疲勞量以及運動類型和持續時間。進一步的分類依賴於生物標誌起源的生化旁路（如表2）。

肌肉疲勞產生有多重機制，其中最重要的包括：1、酸中毒和ATP消耗增加或生成減少，由生物標誌物的血清乳酸、氨、氧化嘌呤反映。2、生產過剩的活性氧（ROS）物質反映脂質過氧化作用、蛋白質過氧化和抗氧化作用能力。與肌肉疲勞特異性相對低一些的標記物包括局部炎性反應，由生物標誌白細胞，腫瘤壞死因子（TNF）-α和白介素所反映的，改變Ca2+釋放和調控，干擾生物能量學途徑（如糖原消耗），或肌肉細胞的內分泌功能受損。肌肉疲勞也反映在基因的活動增加。局部炎症反應繼續在運動數小時後存在，不僅可以反映肌肉疲勞，也反應肌肉損害。

2.1 ATP代謝

雖然在重複或長時間的肌肉收縮中能觀察到肌肉ATP的減少，但有跡象表明單純是高能化合物的降低是不足以導致輕微的肌肉功能障礙。有觀察指出力量減弱過程可以保持ATP恆定[1]，但也有觀察認為ATP的減少和ATP運輸系統功能可能導致了肌肉疲勞的發生。對於不贊同ATP消耗是疲勞的機制的觀點，認為肌肉對ADP增加、ATP能量減少的容納能力驚人的高[2]。

運動開始時，腺苷酸池（ATP+ADP+AMP）保持恆定，隨著運動時間延長和強度增大，ATP/ADP比率隨著ATP消耗而下降，腺苷酸池也因AMP脫氨基作用下降，生成磷酸肌苷（IMP）和氨[3]，導致疲勞產生。AMP脫氨基缺陷者對疲勞更易感，因此酶對抗疲勞性起關鍵作用。同時PCr缺乏和細胞內磷的累積也造成疲勞。PCr的重新合成以及磷的清除都依靠有氧代謝，因此有氧健身和疲勞有關[4]。

細胞內酸中毒、肌肉pH的輕微變化都可以干預橫橋結合、ATP酶活性干擾肌絲的競爭性結合和酶功能。橫橋的離解不受疲勞的影響但其結合會因疲勞而減少。細胞內pH下降可以損害氧化酶活性，以及影響內質網鈣通道蛋白功能[5]。儘管已有研究認為運動與ATP代謝有關，但如何評估疲勞測量標記物還是探討的熱點。其中血乳酸、血氨、氧化嘌呤（次黃嘌呤和黃嘌呤）就是最著名的生物標記。

2.1.1 血乳酸：血清乳酸參考值為> 2 mmol/l[6]，它不隨著年齡、性別、健康狀況改變而改變，只與運動強度和超過閾值的運動有關；遞增負荷訓練中血清乳酸超過一定的狀態呈指數方式增加。男性成人運動後血清乳酸增加高於男性青少年[7]。在長時間恆定負荷耐力運動中，乳酸增加<5 mmol/l。一般來說， 病人與健康受試者相比乳酸在相對較低的運動負荷都出現增加。氧化磷酸化功能受損患者（線粒體病）和肺疾病患者在低負荷運動中也出現乳酸增加。乳酸血症可能導致低鈣血症和低鎂血症。儘管影響乳酸水平因素很多，但在運動負荷標準化情況下血乳酸是一個有用的肌肉疲勞標記物。

2.1.2 氨：當ATP消耗高於ATP生成時，ATP/ADP比率下降並損害肌細胞ATP酶功能，包括肌球蛋白ATP酶（70%），肌質網Ca2+-ATP酶（25%）以及肌膜Na+-K+ATP酶。肌細胞ATP酶損害可導致疲勞產生。為了穩定ATP/ADP比率，腺苷酸激酶催化轉移高能量磷酸基團從ADP分子到另一個ADP分子，生成ATP和AMP各一分子。AMP隨後被AMP脫氨基酶降解為次黃嘌呤核苷酸（IMP）和氨[8]。氨含量通常在血清中檢測，血氨的參考值取決於許多變數；血清氨似乎並沒有年齡的相關性[9]；與性別和身體健康狀態的相關性還沒有深入的研究，但短跑運動後在男性氨增加比女性高[10]。在健康受試者執行最大ergocycle鍛煉，氨在運動增加了32%。因為AMP降解在運動中增強，血清氨和胞內IMP水平與此同時增加。由於氨緊跟在運動中乳酸的反應，它適合於監控肌肉疲勞。

2.1.3 次黃嘌呤和黃嘌呤：次黃嘌呤和黃嘌呤源於嘌呤核苷酸（腺嘌呤、鳥嘌呤）的降解。次黃嘌呤和黃嘌呤通常在血清或尿液中進行分析。 次黃嘌呤參考值範圍介於0~8μmol / l[11]。影響這些生物標誌變異性在很大程度上是未知的。血清次黃嘌呤的年齡相關性並沒有詳細的研究，但是兩性之間的差異可能存在[12]。次黃嘌呤對身體健康狀態相關性還沒有可靠的數據。由健康男性以向心性運動模式進行長時間等速運動直至疲勞，發現血清次黃嘌呤和黃嘌呤含量運動後顯著增加隨著運動關節偏移量增加，這使得次黃嘌呤在訓練或康復程序用於監測肌肉組織的代謝應激。由於血清次黃嘌呤是直接與細胞內消耗的ATP含量相關，所以是一個很好的肌肉疲勞生物標誌[13]。

2.2 氧化應激標誌物（Oxidative stress biomarkers，ROS）：ROS是一個前景開闊的與氧化應激相關的肌肉疲勞生物標記群。ROS含多一個電子導致疲勞及線粒體損傷。ROS產物在運動的增加致使蛋白質、脂質和核酸的氧化。在疲勞中產生的ROS也伴隨著抗氧化能力明顯降低，這與訓練負荷成比例。脂質過氧化作用生物標記（硫代巴比妥反應物，異前列素）、蛋白質氧化生物標記物（蛋白質金屬羰基合物）或抗氧化能力生物標記物的（谷胱甘肽，谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶、總抗氧化能力）等都可以作為有前途的評估疲勞標記物。

2.2.1 硫代巴比妥反應物（Thiobarbituric acid-reactive substances，TBARS）： TBARS通常在血清也可唾液中檢測到[14]。血清TBARS參考基線水平被報道為6.8~8.0μM[15]，但受到許多變數的影響。TBARS在紅細胞中隨著年齡而增加，女性較男性為低。TBARS與體能呈正相關。TBARS血清濃度在運動後立刻增加，並維持數個小時。雖然運動性氧化應激運動最高，脂質過氧化反應可以發生運動後一段時間。

2.2.2 異前列素：異前列素是前列腺素樣化合物，在體內源自必需脂肪酸（主要是花生四烯酸）被ROS催化和沒有環加氧酶的作用的過氧化反應。異前列素是在細胞膜中酯化的磷脂質，通過磷脂酶的作用以自由形式釋放至體循環。異前列素是的脂質過氧化作用準確的標記物及其運動引起的增加反映肌肉活動導致的細胞膜的氧化損傷。異前列素通常在血清、尿、或其他體液和血液細胞中可測。血清異前列素參考值範圍為1.5-1.8

2.2.3 蛋白羰基：蛋白質羰基合物主要來源於血清白蛋白或其他蛋白質氧化，是蛋白質氧化損傷的標誌物，其積累是蛋白質老化氧化損傷的指標；通常可在血清中檢測到。蛋白質羰基參考值範圍為0.30~0.36 nmol / mg[15]，但很多條件都可以影響其參考值。蛋白質羰基合物在一項研究中隨著年齡的增加而在另一個研究中減少；甲狀腺功能減退男性的蛋白質羰基高於女性，並與身體健康狀態成正比[17]。

2.2.4 谷胱甘肽（Glutathione，GSH）是一種最重要的抗氧化劑和半胱氨酸的重要儲備；可通過生物轉化作用進行解毒。GSH不僅存在於細胞，在血清和唾液也可檢測到。血清GSH參考值為0.36~0.41mM[15]，但受各種條件影響。男性GSH含量低於女性，隨著年齡的增長和減少，與身體健康狀態呈正相關[18]。

2.2.5 谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase，GPX）： GPX是一種在低水平訓練中清除過氧化氫的酶，過量的過氧化氫造成肌肉收縮損失，從而增加肌肉疲勞。GPX可以發現在大多數體液和細胞。16名健康對照顯示外周血單核細胞GPX參考值為509.3±26.3 U / g蛋白[19]，但其取決於多種因素。紅細胞GPX活動隨著年齡的增長而減少[20]；處於慢性應激的女性高於男性，提示GPX 與性別相關[21]；久坐的女性練習太極8周期間紅細胞GPX增加，說明GPX活性也依賴於身體健康狀況[22]。

2.2.6 過氧化氫酶：過氧化氫酶是催化H2O2分解為水和O2的泛酶，通常在血清中測定。1756例健康個體血清過氧化氫酶參考值範圍在96.8~129.8 MU/l[23]，但參考值取決於各種影響。過氧化氫酶值女性較低，並隨著年齡的增長而減少；健康運動員在短跑運動後減少，但沒有性別差異報告；過氧化氫酶水平似乎並與遺傳家系、身體健康狀態無關。

2.2.7 總抗氧化能力（Total antioxidant capacity，TAC）：TAC為非特異性抗氧化劑的抗氧化活動的總和， TAC的非酶促抗氧化特性通常是通過測量鐵降低抗氧化能力（FRAP）化學試劑測量的，通常在血清中可檢測。18-22歲的13名健康受試者TAC參考值介於1.26- 1.89mmol/l 。TAC似乎隨著年齡的增加，蛋白質羰基合物和蛋白氧化終產物（AOPPs）隨著年齡的增長而增加與TAC相關。中國人群中男性TAC水平高於女性；TAC與身體健康狀況的關係數據目前尚缺乏。

2.3 炎症生物標記

骨骼肌有肌肉纖維生成、表達和釋放細胞因子和其他肽發揮旁分泌或內分泌效應，因而將骨骼肌可視為一個內分泌器官，由骨骼肌產生的肌因子包括IL-6、IL-8、IL-15、腦源性神經營養因子、白血病抑制因子、成纖維細胞生長因子21和卵泡抑素樣因子-1。肌原纖維也釋放力學生長因素，傳授自分泌對肌肉纖維的影響。相關炎症生物標記細胞分解代謝的生物標記，包括參與細胞免疫反應促炎細胞因子，如IL家族、IL-受體拮抗劑（IL-RA）、TNF-α和其他炎症標誌物。

2.3.1 白細胞：有氧運動後立即引起淋巴細胞動員從周圍淋巴隔間進入血液，主要是白細胞分化抗原（CD）8和自然殺傷細胞（NK cell）數量。從邊緣池聚集的T淋巴細胞屬於發生在有的缺血現象的應激組織非特異性免疫反應。由於免疫細胞產生活性氧，同時促進運動後炎症、組織清除和癒合的發生。T淋巴細胞參考數值範圍取決於年齡、性別和計數方法[24]。

2.3.2 白介素-6（IL-6）：IL-6屬於調節機體炎症反應的細胞因子群。由T細胞和巨噬細胞分泌的IL-6刺激導致炎症，是對創傷或其他組織損傷的免疫應答。IL-6劈開糖蛋白受體亞單位gp130；此外IL-6作為肌因子的功能增加肌肉收縮反應；血清IL-6與運動持續時間以指數方式增加到100倍， 先於其他細胞因子迅速釋放到血液循環，運動後立即達到頂峰，然後恢複數小時後下降至到休息水平。指數增加與運動持續時間、強度、肌肉機械力量和耐力能力相關[24]；在訓練過程中，IL-6以類激素方式動員細胞外基質或增強基質轉運；當胰島素作用增強，IL-6在運動後階段生成明顯增加。在54名健康對照研究中IL-6 的參考值範圍是1.0~4.8 pg / ml，但與性別有關的；血清IL-6 水平與年齡無關，但是女性中較低。

2.3.3 腫瘤壞死因子α（TNF-α）： 促炎細胞因子TNF-α主要由巨噬細胞產生，能夠誘導細胞凋亡、炎症、細胞增殖和細胞分化，抑制腫瘤發生和病毒複製。TNF-α通過TNF-受體I型介導肢體肌肉收縮功能障礙，可以在血清和各種細胞中檢測。TNF-α參考值在靜止條件下介於0.78~3.12 pg / ml，並獨立於年齡、性別和身體條件；在成纖維細胞TNF-α mRNA的表達隨著年齡增加，但TNF-α血清水平沒有年齡差異；TNF-α的性別差異尚未報道；TNF-α水平與身體健康狀況無關。

3 結論

生物標誌物是測量和監控肌肉疲勞可靠的工具，但最適用用於肌肉疲勞評價這個目的的標記物仍在討論中。最合理的生物標記分類應跟隨疲勞機制和疲勞代謝變化。由於引起的肌肉疲勞沒有單一因素，因此也沒有單一的生物標誌來評估肌肉疲勞。對肌肉力量下降的幾個生物標誌物的研究表明，多個高分解代謝的生物標誌物比單個生物標誌物更好預測肌肉疲勞。

生物標誌物的有效性和可靠性是強烈依賴於不同情境設置和人群的範圍，生物標誌物和疲勞之間的因果關係仍需進一步證明。不同分析方法討論了生物標記物也可能影響其可靠性。迄今為止，最經常研究和應用最廣泛的肌肉疲勞生物標誌物血清乳酸和IL-6；而氨、白細胞和氧化應激參數也獲得越來越多的關注。肌肉疲勞的生物標誌物可能是確定受試者的力量強度下降風險增加的預測工具。

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