跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用

姚 璐，張 纓，張連峰

(1.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心，衛(wèi)生部人類(lèi)疾病比較醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100021;2.北京體育大學(xué) 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院，北京 100084)

跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用

姚 璐1，2，張 纓2，張連峰1

(1.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心，衛(wèi)生部人類(lèi)疾病比較醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100021;2.北京體育大學(xué) 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院，北京 100084)

跑臺(tái)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究中的應(yīng)用越來(lái)越多，主要集中在建立運(yùn)動(dòng)模型以及探究運(yùn)動(dòng)對(duì)生理和病理的作用，以促進(jìn)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的科學(xué)化、競(jìng)技體育成績(jī)的提高、運(yùn)動(dòng)療法在疾病康復(fù)中合理有效的應(yīng)用等，同時(shí)也是研究運(yùn)動(dòng)與代謝，運(yùn)動(dòng)與心腦血管病等的研究工具。本文對(duì)動(dòng)物跑臺(tái)的基本構(gòu)造、使用方法和研究進(jìn)展進(jìn)行了分析和總結(jié)，為利用跑臺(tái)進(jìn)行研究提供一定的參考。

跑臺(tái);運(yùn)動(dòng)模型;心血管;代謝;骨

1961年，Kimeldor設(shè)計(jì)了第一個(gè)大鼠跑臺(tái)，距今已有近五十年的歷史。目前，動(dòng)物跑臺(tái)已用于大鼠、小鼠、狗等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，是運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)損傷、新陳代謝、生理和病理等實(shí)驗(yàn)研究的手段之一。文本旨在對(duì)動(dòng)物跑臺(tái)的構(gòu)造、使用方法及其應(yīng)用分析、總結(jié)，為跑臺(tái)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究中更加廣泛的應(yīng)用提供一定的參考。

1 動(dòng)物跑臺(tái)的構(gòu)造

動(dòng)物跑臺(tái)與與人用的跑步機(jī)結(jié)構(gòu)基本相同，為適應(yīng)動(dòng)物的體型設(shè)計(jì)成了不同的大小。動(dòng)物跑臺(tái)(圖1)通常附帶一個(gè)透明的塑料蓋，防止動(dòng)物跳出跑臺(tái)。跑臺(tái)的主要部分是一個(gè)滾動(dòng)的傳送帶，表面的材質(zhì)有利于動(dòng)物抓地。分隔板將跑臺(tái)劃分成若干通道，通道的后壁安裝有刺激電極和/或發(fā)聲裝置，各個(gè)通道的刺激裝置是彼此獨(dú)立的。當(dāng)動(dòng)物拒絕跑動(dòng)或者跑速低于實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，就會(huì)在傳送帶上退行而碰觸到后壁的刺激裝置，較強(qiáng)的電刺激或聲音刺激將迫使動(dòng)物按照跑臺(tái)的速度奔跑。除此之外，還可以應(yīng)用其它的方式，如光刺激。但是過(guò)多的刺激會(huì)引起生理上的變化，如腎上腺素升高;不同的刺激方式也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，電刺激的強(qiáng)度比機(jī)械刺激大，有研究發(fā)現(xiàn)在達(dá)到相同的疲勞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，兩種刺激所造成的疲勞對(duì)動(dòng)物機(jī)體糖代謝的影響是有區(qū)別的［1］。因此，在跑臺(tái)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)盡量降低刺激強(qiáng)度和刺激頻率。

圖1 動(dòng)物跑臺(tái)Fig.1 The treadmill for laboratory animals

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物采用跑臺(tái)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于:(1)運(yùn)動(dòng)方式符合實(shí)驗(yàn)動(dòng)物日常的運(yùn)動(dòng)情況;(2)動(dòng)物在各個(gè)通道內(nèi)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，不會(huì)受到干擾，彼此之間的限制因素較少;(3)與游泳和自主轉(zhuǎn)籠運(yùn)動(dòng)相比，跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)可以更加準(zhǔn)確地控制運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，跑臺(tái)的坡度和速度都是可以人工調(diào)節(jié)的;(4)隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，一些跑臺(tái)采用了完全的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地控制動(dòng)物的狀態(tài)，計(jì)算動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做功并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能夠?qū)崟r(shí)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析效率，是動(dòng)物生理機(jī)能定量分析的發(fā)展趨勢(shì)。

2 運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和跑臺(tái)參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?dòng)物的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)包括持續(xù)性運(yùn)動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)等各種方案。在對(duì)動(dòng)物進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，大多數(shù)研究中的運(yùn)動(dòng)頻率為每天跑1～2次，每周5～6 d，持續(xù)若干周不等，并且通常需要1周左右的適應(yīng)期，此期間運(yùn)動(dòng)量較小，使動(dòng)物逐漸適應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷。

常用攝氧量與最大攝氧量(VO2max)的百分比衡量運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)強(qiáng)度的控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)跑臺(tái)的速度和坡度來(lái)實(shí)現(xiàn)。VO2max與體重和性別有一定的關(guān)系，因此應(yīng)全面考慮以確定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。1979年，Bedford等［2］將年齡、性別、體重、訓(xùn)練程度等因素對(duì)大鼠最大攝氧量的影響進(jìn)行了研究，并得出了不同速度和坡度與攝氧量之間的關(guān)系，為運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的量化提供了理論依據(jù)(表1)。

表1 大鼠在不同方式的遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的攝氧量變化［2］Tab.1 VO2changes during a progressive exercise test and with different training regimes

一些跑臺(tái)的設(shè)計(jì)已經(jīng)具備測(cè)定最大攝氧量的功能，但是在應(yīng)用不能測(cè)量實(shí)驗(yàn)動(dòng)物代謝狀態(tài)的跑臺(tái)時(shí)，可以根據(jù) Bedford等［2］的研究結(jié)果做以粗略的估算:

(1)小于200 d的大鼠的 VO2max:雄性，0.19×體重(g)+91.16;雌性，0.20×體重(g)+95.58;

(2)大于200 d的大鼠的 VO2max:0.35×體重(g)0.69。

3 跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究中的應(yīng)用

3.1 跑臺(tái)在建立運(yùn)動(dòng)模型中的應(yīng)用

人體實(shí)驗(yàn)受到方法學(xué)和道德方面的限制，具有很大的局限性，影響了有關(guān)研究的深入。所以非常有必要采取動(dòng)物模擬性實(shí)驗(yàn)，而復(fù)制動(dòng)物模型是其中的重要環(huán)節(jié)，模型的適用性、可靠性和可行性直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性。

為了提高競(jìng)技水平，減少運(yùn)動(dòng)傷病，研究運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中機(jī)體的生理變化規(guī)律，創(chuàng)建了各種運(yùn)動(dòng)模型。采用動(dòng)物模擬運(yùn)動(dòng)人體的各種生理和病理過(guò)程，探討運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體的影響以及機(jī)體對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)。跑臺(tái)經(jīng)常被用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的各種運(yùn)動(dòng)模型的建立中，如運(yùn)動(dòng)性疲勞模型、過(guò)度訓(xùn)練模型、運(yùn)動(dòng)性貧血模型、運(yùn)動(dòng)性損傷模型等。

3.1.1 運(yùn)動(dòng)性疲勞模型:當(dāng)前運(yùn)動(dòng)成績(jī)正逐漸接近人體的生物極限，強(qiáng)度越來(lái)越大，疲勞程度也就越來(lái)越深。運(yùn)動(dòng)性疲勞已經(jīng)成為體育生物學(xué)科關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，它是指機(jī)體的生理過(guò)程不能持續(xù)其機(jī)能在一特定水平或不能維持預(yù)定的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。建立理想的運(yùn)動(dòng)性疲勞模型有助于深入研究運(yùn)動(dòng)性疲勞的發(fā)生機(jī)理和恢復(fù)手段，對(duì)訓(xùn)練的科學(xué)化以及運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)能力和健康的維護(hù)都有十分重要的意義。

田野等［3］根據(jù)動(dòng)物的表情、逃避反應(yīng)、跑姿和運(yùn)動(dòng)能力等指標(biāo)判斷是否達(dá)到疲勞和疲勞的程度，建立了幾種不同的急性運(yùn)動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型:(1)大鼠在水平跑臺(tái)上進(jìn)行20 min、速度為28 m/min的向心運(yùn)動(dòng)，這種短時(shí)間、大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)能夠較快地誘發(fā)身體疲勞，但是疲勞程度較輕，可以通過(guò)增加運(yùn)動(dòng)組數(shù)加深疲勞;(2)采用長(zhǎng)時(shí)間、中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)，以18 m/min的速度跑100 min，大鼠表現(xiàn)出明顯的疲勞癥狀，恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，可以作為有氧運(yùn)動(dòng)的疲勞模型;(3)力竭是疲勞的一種特殊形式，是在疲勞時(shí)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到肌肉或器官不能維持運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，以18 m/min的速度進(jìn)行200 min的超長(zhǎng)時(shí)間跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后，大鼠基本無(wú)法繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了力竭狀態(tài)。在對(duì)具體的體育項(xiàng)目進(jìn)行的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，可以依據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的差異選擇不同的運(yùn)動(dòng)性疲勞模型。

另外，還可以通過(guò)7周的大強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)建立慢性運(yùn)動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型。具體方法是:前五周采用遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)，每周訓(xùn)練5 d，每天訓(xùn)練20 min，各周的速度分別為 15 m/min、22 m/min、27 m/min、31 m/min、35 m/min;接下來(lái)兩周的跑速維持在35 m/min，以兩種運(yùn)動(dòng)時(shí)間建模，一般訓(xùn)練組每天跑20 min，強(qiáng)化訓(xùn)練組每天跑 25 min［4］。

3.1.2 過(guò)度訓(xùn)練模型:運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練負(fù)荷過(guò)大，超過(guò)機(jī)體的承受能力，訓(xùn)練后機(jī)體未能得到充分恢復(fù)，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練與恢復(fù)的長(zhǎng)期失衡會(huì)導(dǎo)致過(guò)度訓(xùn)練。過(guò)度訓(xùn)練綜合征是最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)性疾病，發(fā)病率在各類(lèi)運(yùn)動(dòng)性疾病中占據(jù)首位，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的身心健康和運(yùn)動(dòng)成績(jī)的損害都是巨大的。

葉劍飛等［5］通過(guò)建立過(guò)度訓(xùn)練動(dòng)物模型，對(duì)一些簡(jiǎn)便適用的指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和篩選，為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提供了指導(dǎo)，也為后續(xù)的研究打下基礎(chǔ)。大鼠模擬周期性耐力項(xiàng)目的反復(fù)超長(zhǎng)距離跑，逐漸遞增跑速和時(shí)間以加大運(yùn)動(dòng)量，應(yīng)用心電圖、飲食量、精神狀況、毛發(fā)、運(yùn)動(dòng)能力以及血液等指標(biāo)進(jìn)行判斷，確定誘發(fā)了過(guò)度訓(xùn)練。鄭陸等［6］對(duì)大鼠的大運(yùn)動(dòng)量跑臺(tái)訓(xùn)練也達(dá)到了過(guò)度訓(xùn)練狀態(tài)。跑臺(tái)坡度為10°，一般訓(xùn)練和力竭訓(xùn)練各4周，每周6 d，每天的運(yùn)動(dòng)量安排如下:第一周為10 m/min×10 min;第二周:10 m/min×10 min，然后再進(jìn)行15 m/min×10 min;第三周:10 m/min、15 m/min和20 m/min各10 min;第四周:以 10 m/min、15 m/min、20 m/min 以及25 m/min的速度各進(jìn)行10 min持續(xù)跑;從第五周起，每天分別進(jìn)行15 m/min、20 m/min和25 m/min各10 min的運(yùn)動(dòng)后，加速至30 m/min和35 m/min各20 min，并不斷遞增跑速，直至力竭。同步監(jiān)測(cè)大鼠的體重、血紅蛋白、血尿素氮、血漿總睪酮和運(yùn)動(dòng)能力，符合人體過(guò)度訓(xùn)練的表現(xiàn)。

3.1.3 運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷模型:運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷是反復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的肌纖維損傷，易發(fā)生在骨骼肌的離心收縮過(guò)程中，多見(jiàn)于周期性運(yùn)動(dòng)的耐力項(xiàng)目。運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷的動(dòng)物模型，基本上是驅(qū)使動(dòng)物在一定坡度的跑臺(tái)上進(jìn)行下坡跑。在下坡運(yùn)動(dòng)中肌肉離心收縮做功，主要工作肌群是前肢的股四頭肌和小腿三頭肌，由于體重的分布原因，對(duì)后肢的作用效果小，所以在使用這種動(dòng)物模型時(shí)，應(yīng)該在前肢取材［7］。陳英杰等［8］的研究中，大鼠在 16°的跑臺(tái)上以16 m/min的速度持續(xù)90 min下坡跑，引起肌纖維損傷。在光鏡下可見(jiàn)肌細(xì)胞變性、壞死、炎細(xì)胞浸潤(rùn);在電鏡下可見(jiàn)肌細(xì)胞的肌絲扭曲、溶解、斷裂，線粒體腫脹、破裂溶解等形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，是典型的運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷的病理特點(diǎn)。在Armstrong的實(shí)驗(yàn)中，16°是大鼠下坡跑不打滑的最大坡度，然而不同型號(hào)跑臺(tái)的傳送帶材料和質(zhì)地存在差異，故可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整坡度。在保證大鼠能夠正常跑步的前提下，坡度越大，模型的復(fù)制效果應(yīng)該越明顯［7］。

肌肉的慢性損傷是由于局部過(guò)度負(fù)荷、多次微細(xì)損傷的積累造成的勞損，或者是由于急性損傷處理不當(dāng)轉(zhuǎn)化而來(lái)的陳舊性損傷。對(duì)慢性肌肉損傷動(dòng)物模型的復(fù)制，大都應(yīng)用過(guò)度負(fù)荷或過(guò)度牽張等原理制作。大鼠以16 ～20步/10 s的速度在10°～15°的跑臺(tái)上持續(xù)跑30～60 min，共訓(xùn)練272 d，復(fù)制出肌肉慢性損傷模型。上坡跑的難度較大，對(duì)于沒(méi)有經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，可以適當(dāng)降低坡度或逐漸增加坡度和跑速，還可以應(yīng)用間歇訓(xùn)練法。

3.2 跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)在生理和病理研究中的應(yīng)用意義

跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)是耐力訓(xùn)練的一種很好的方式，使機(jī)體在生理上出現(xiàn)一系列有益的適應(yīng)性變化。適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)可以調(diào)節(jié)機(jī)體各器官系統(tǒng)的功能，進(jìn)而緩解病情，因此越來(lái)越多的研究開(kāi)始致力于運(yùn)動(dòng)康復(fù)方向。

3.2.1 跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)與心血管功能的相互作用:耐力運(yùn)動(dòng)和心血管機(jī)能之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，心血管機(jī)能的增強(qiáng)可以提高耐力運(yùn)動(dòng)能力，同時(shí)耐力運(yùn)動(dòng)有助于改善心血管機(jī)能。

Chen等［9］研究了11種近交品系大鼠，發(fā)現(xiàn)它們的耐力能力和離體心臟機(jī)能之間都有很好的相關(guān)性(r=0.86)，DA和COP大鼠的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)能力相差兩倍多，DA大鼠離體心臟的排血量比COP大鼠高出50%以上，DA大鼠心臟的其它一些指標(biāo)也顯著高于 COP大鼠，如離體乳突肌的最大張力、離體心肌細(xì)胞中Ca2+從肌漿網(wǎng)中的釋放、離體心肌細(xì)胞的 Na+、K+－ATP 酶的活性。Buck 等［10］依據(jù)跑臺(tái)測(cè)試成績(jī)，將高運(yùn)動(dòng)能力(HCR)和低運(yùn)動(dòng)能力(LCR)的大鼠分別近交繁殖，與HCR子代相比，LCR子代的血壓較高。跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)能力高的大鼠對(duì)室性心律失常的敏感性降低，這是由于在缺血過(guò)程中心臟的代謝需求減少，并且心率自動(dòng)調(diào)控的范圍擴(kuò)大所引起的［11］。肌球蛋白R(shí)403Q突變的轉(zhuǎn)基因小鼠誘發(fā)心肌病，其運(yùn)動(dòng)耐量顯著受損［12］。常用上坡跑作為評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物心功能的應(yīng)激測(cè)試，進(jìn)行性假肥大型肌營(yíng)養(yǎng)不良(DMD)對(duì)心肌功能也有影響，微小肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白轉(zhuǎn)基因小鼠比同年齡同性別患有DMD心肌病的mdx小鼠的跑距遠(yuǎn)得多，轉(zhuǎn)基因小鼠上坡跑能力的提高說(shuō)明心臟功能得到了改善［13］。Medeiros等［14］通過(guò)多級(jí)跑臺(tái)測(cè)試評(píng)估心衰小鼠的心臟狀況。

心臟是運(yùn)動(dòng)最直接刺激的部位，劇烈運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致心臟病患者的病情加重，甚至有致命的危險(xiǎn)。但是，強(qiáng)度適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)可以給予心臟良好的刺激，長(zhǎng)期堅(jiān)持能夠改善心臟機(jī)能。人類(lèi)流行病學(xué)調(diào)查和許多實(shí)驗(yàn)研究都表明有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)可以減少心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)因子。有研究顯示跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)引發(fā)了心臟的保護(hù)性應(yīng)答，增加了熱應(yīng)激蛋白70(Hsp70)的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)［15］。運(yùn)動(dòng)能夠促進(jìn)心肌細(xì)胞產(chǎn)生適應(yīng)性肥大，增強(qiáng)心肌收縮功能。對(duì)雌性 SD大鼠進(jìn)行間歇訓(xùn)練，訓(xùn)練期以85%～90%VO2max的強(qiáng)度跑8 min，間歇期以50%～60%的強(qiáng)度跑2 min，4周后發(fā)現(xiàn)心肌肌絲的Ca2+敏感性增加，這可能是心肌細(xì)胞收縮力增強(qiáng)的主要原因［16］。

然而運(yùn)動(dòng)對(duì)心血管的積極作用是否存在性別差異頗有爭(zhēng)議。一般認(rèn)為雌激素是對(duì)抗心血管疾病的保護(hù)性因子，流行病學(xué)調(diào)查顯示絕經(jīng)前女性的冠心病發(fā)病率低于男性，絕經(jīng)后女性與男性發(fā)病率的差距縮小。但是考慮到生活方式這個(gè)因素后，冠心病發(fā)生率的性別差異也減小。大鼠在跑臺(tái)上以30 m/min的速度運(yùn)動(dòng)60 min后，雄鼠和切除卵巢的雌鼠的心臟功能都得到了明顯的改善，如左心室的最大收縮率和最大舒張率升高，而正常雌鼠的變化并不大，因此Paroo等［15］提出在預(yù)防心臟疾病上，運(yùn)動(dòng)療法對(duì)男性可能比女性更有效，有利于縮小心臟敏感性的性別差異。

許多心臟疾病最終都發(fā)展成心力衰竭，它是造成死亡的一個(gè)重要原因。心力衰竭是由各種原因的初始心肌損傷引起心臟結(jié)構(gòu)和功能的變化，最后導(dǎo)致心室泵血功能低下，心臟不能泵出足夠的血液以滿足組織的代謝需要，或僅在提高充盈壓后才能泵出組織代謝所需要的血量。對(duì)于病情穩(wěn)定的心衰病人，采用運(yùn)動(dòng)療法是安全的，與藥物治療相結(jié)合，可以取得更佳的療效。Emter等［17］和 Chicco等［18］先后對(duì)自發(fā)性高血壓心衰大鼠模型進(jìn)行研究，雄性和雌性大鼠分別以14 m/min和14.5 m/min的速度，每天跑45 min，每周3 d，結(jié)果都顯示長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練推遲了心力衰竭的發(fā)生，提高了它們的存活率，他們認(rèn)為運(yùn)動(dòng)可能是通過(guò)改善線粒體能量代謝的途徑來(lái)達(dá)到緩解心力衰竭的目的［18］。在確定雄鼠訓(xùn)練強(qiáng)度的過(guò)程中，強(qiáng)度的增加導(dǎo)致了訓(xùn)練時(shí)的猝死［17］。不同原因引發(fā)的心力衰竭，運(yùn)動(dòng)療法的效果不同。由于嚴(yán)重的心肌缺血阻礙了心肌能量的產(chǎn)生，影響心肌的舒縮功能，導(dǎo)致心力衰竭，可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)改善側(cè)枝循環(huán)和冠狀微血管舒張，從而促進(jìn)心肌灌注;由心肌梗死引起的心力衰竭對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性較差［19］。不過(guò)，有研究對(duì)心肌梗死導(dǎo)致的充血性心力衰竭大鼠進(jìn)行中等強(qiáng)度的跑臺(tái)訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)最大攝氧量增加，腹膜巨噬細(xì)胞的功能得以恢復(fù)［20］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不一致可能是由實(shí)驗(yàn)條件的差異造成的，如動(dòng)物模型、心肌梗死的面積、心力衰竭的程度和持續(xù)時(shí)間等。

3.2.2 跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)代謝的調(diào)節(jié)作用:運(yùn)動(dòng)所需的能量主要來(lái)源于糖和脂肪兩類(lèi)物質(zhì)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)可以調(diào)節(jié)機(jī)體的糖、脂代謝。肥胖就是由于脂代謝紊亂所造成的，已經(jīng)成為全世界共同面臨的公共健康問(wèn)題，被列為世界四大醫(yī)學(xué)社會(huì)問(wèn)題之一，它會(huì)增加許多慢性疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。單純性肥胖的主要原因之一是靜坐少動(dòng)的生活方式。因此在限制飲食的同時(shí)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)是應(yīng)對(duì)肥胖的良策。

12周的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)顯著減小了雄性大鼠脂肪細(xì)胞的大小，增強(qiáng)了腎上腺素刺激的脂肪分解作用，Askew和Hecker［21］認(rèn)為這是訓(xùn)練產(chǎn)生的代謝適應(yīng)，食物限制雖然也能減輕體重，但是達(dá)不到這樣的目的。Bhattacharya等［22］對(duì)雄性 BALB/c小鼠進(jìn)行14周的跑臺(tái)訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)，雖然運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了攝食量的增加，但是運(yùn)動(dòng)組的體重增加值卻低于安靜組，主要是由于體脂的含量和比例發(fā)生了變化，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)降低了血漿葡萄糖濃度和瘦素水平。雄性SD大鼠在經(jīng)過(guò)中等強(qiáng)度(60%VO2max)的耐力跑之后，全身的脂肪酸氧化水平提高，Ishikawa等［23］首次提出大腦中的生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化因子－β參與了這種調(diào)節(jié)。

運(yùn)動(dòng)增加了Zucker大鼠的脂蛋白脂酶(LPL)活性，而對(duì) Osborne－Mendel大鼠的研究結(jié)果與此相反，在這兩種形式的肥胖中，LPL對(duì)脂肪生成和維持的作用具有較大的差異［24］。中等強(qiáng)度的跑臺(tái)訓(xùn)練促使身體成分發(fā)生有益的變化，脂肪合成減少，但是在停訓(xùn)2周后，攝食量、體重、脂肪合成以及腹膜脂肪細(xì)胞的數(shù)量都迅速增加，Applegate［24］等提出訓(xùn)練時(shí)引起的胰島素敏感性增加可能是原因之一。也有其它研究顯示運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)脂肪代謝的改善作用不具有持續(xù)性，停訓(xùn)后脂肪沉積。這種現(xiàn)象也可能與訓(xùn)練期的長(zhǎng)短等因素有關(guān)。

大多數(shù)研究都表明跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)具有增加瘦體重，降低體脂百分比的作用，然而關(guān)于年齡與運(yùn)動(dòng)的研究結(jié)果并不一致。隨著年齡的增長(zhǎng)，生活方式和生理機(jī)能發(fā)生了改變，體脂百分比逐漸增加，有人認(rèn)為不同年齡的生理狀況對(duì)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)答不同會(huì)造成運(yùn)動(dòng)效果的差異，運(yùn)動(dòng)對(duì)老年的減脂作用不明顯。分別對(duì)6月齡、15月齡和27月齡的雌性大鼠進(jìn)行12周的跑臺(tái)訓(xùn)練，運(yùn)動(dòng)增加了6月齡和15月齡大鼠的攝食量和瘦體重，而27月齡大鼠的攝食量和瘦體重幾乎沒(méi)有變化，但是各年齡組大鼠的體脂含量都有明顯下降［25］。在運(yùn)動(dòng)耗能相同的情況下，很難說(shuō)明老年大鼠體重和體脂的降低是否直接由運(yùn)動(dòng)引起的，但是 Mazzeo［25］也指出，與27月齡對(duì)照組的體重和體成分變化(瘦體重下降)相比，運(yùn)動(dòng)組能夠維持瘦體重不變，足以證明運(yùn)動(dòng)的積極作用了。該研究中的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)于老年大鼠來(lái)說(shuō)是非常大的，因此運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度很可能是造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異的主要原因。

跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)不僅對(duì)脂代謝有很好的調(diào)節(jié)作用，還能夠改善糖代謝。運(yùn)動(dòng)中的骨骼肌是胰島素的主要作用部位，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)可以提高胰島素敏感性。Straczkowskl等［26］發(fā)現(xiàn)紅肌和肝臟中的甘油三酯(TG)含量和胰島素之間具有明顯的相關(guān)性，4周的跑臺(tái)訓(xùn)練則削弱了TG對(duì)高胰島素血癥和胰島素敏感性的負(fù)面效應(yīng)。Zucker糖尿病肥胖(ZDF)大鼠可用作高脂飲食誘導(dǎo)的2型糖尿病模型，跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)增加了肌肉中GLUT4的蛋白表達(dá)，Smith等［27］認(rèn)為訓(xùn)練可能通過(guò)降低FAT/CD36，削弱了胰島素抵抗的現(xiàn)象。

3.2.3 跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨質(zhì)疏松癥的改善:年齡的增長(zhǎng)伴隨著骨礦含量逐漸減少，骨小梁體積分?jǐn)?shù)下降，骨質(zhì)疏松是中老年人常見(jiàn)的疾病之一，特別是絕經(jīng)后的女性。一般認(rèn)為雌激素可以直接調(diào)節(jié)骨對(duì)機(jī)械力的應(yīng)答反應(yīng)，有助于增加骨量。另一方面，運(yùn)動(dòng)能夠引起骨的形變，進(jìn)而產(chǎn)生適應(yīng)性應(yīng)答反應(yīng)［28］。尤其是撞擊性運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目如跑步，對(duì)骨的機(jī)械性撞擊可以增加骨密度、加強(qiáng)骨骼強(qiáng)度，是預(yù)防和減緩骨礦物質(zhì)流失的有效方法。跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)常被用于骨質(zhì)疏松動(dòng)物模型的研究中。

這方面的報(bào)道中，很多都是針對(duì)雌激素缺乏而展開(kāi)的研究，實(shí)際上，雄性激素不足也會(huì)加速骨量的流失。Wu等［29］對(duì)雄性激素缺乏的睪切小鼠進(jìn)行4周的中等強(qiáng)度訓(xùn)練，速度為12 m/min，研究結(jié)果提示我們運(yùn)動(dòng)預(yù)防骨質(zhì)疏松的良好作用不僅適用于絕經(jīng)后的女性，也適用于性功能低下的老年男性。在雄性激素不足的情況下，運(yùn)動(dòng)對(duì)骨量流失的預(yù)防作用主要是通過(guò)抑制骨的吸收，并不是促進(jìn)骨的生成［29］。

Lepp?nen等［28］對(duì) 47～61 周齡的成年大鼠和75～102周齡的老年大鼠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)老年大鼠的骨礦含量等指標(biāo)顯著低于成年大鼠，說(shuō)明老年組的骨架結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了惡化;14周的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后，老年大鼠的骨量顯著增加，產(chǎn)生了適應(yīng)性應(yīng)答。等量負(fù)荷作用于相對(duì)不堅(jiān)硬的骨骼上，會(huì)發(fā)生更大的變形，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的應(yīng)答反應(yīng)，因此對(duì)老年大鼠骨吸收的抑制作用更顯著。

跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨的積極作用表現(xiàn)出位置的特異性，遠(yuǎn)端骨受到更強(qiáng)烈的地面作用力，運(yùn)動(dòng)的刺激作用更顯著，Wu和Hamrick等許多實(shí)驗(yàn)研究都證實(shí)了這一點(diǎn)。12周齡的雌性小鼠每天跑30 min，每周5 d，共4周，速度為12 m/min，運(yùn)動(dòng)對(duì)股骨遠(yuǎn)端的成骨作用大于骨干，這種差異性是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果［30］。例如，運(yùn)動(dòng)增加了干骺端骨小梁的表面積，為成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的附著并活化提供了更大的接觸區(qū)域;干骺端和骨干的生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)制不同，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械敏感性的不同。另有研究對(duì)切除卵巢的5月齡Wistar雌性大鼠進(jìn)行3個(gè)月的中等強(qiáng)度跑臺(tái)訓(xùn)練，除了長(zhǎng)骨和椎骨發(fā)生了有益的變化之外，鼻骨顯著增厚，并且骨細(xì)胞的連接增加。Ocarino等［31］認(rèn)為運(yùn)動(dòng)不僅可以通過(guò)機(jī)械力的作用直接調(diào)節(jié)骨量，還可以引起激素的改變，促使骨細(xì)胞中細(xì)胞因子的產(chǎn)生和生長(zhǎng)因子的釋放，間接促進(jìn)骨量的增長(zhǎng)。不過(guò)，關(guān)于運(yùn)動(dòng)如何引起骨細(xì)胞形態(tài)和活性的變化，有待進(jìn)一步的研究。

承受體重較多的骨對(duì)跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的敏感性更高，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物如大鼠在跑步時(shí)，四肢骨比中軸骨承受更多的負(fù)荷，運(yùn)動(dòng)對(duì)脛骨和股骨的作用大于腰椎。但是，人在跑步過(guò)程中，中軸骨和下肢骨都受到機(jī)械負(fù)荷。因此不能將跑步對(duì)大鼠腰椎的影響用于對(duì)人類(lèi)的分析中。還有人指出大鼠的密質(zhì)骨缺少以哈弗氏管為基礎(chǔ)的再塑造，所以運(yùn)動(dòng)對(duì)大鼠骨骼的作用并不完全適用于人類(lèi)。此外，關(guān)于運(yùn)動(dòng)對(duì)密質(zhì)骨的影響，說(shuō)法并不一致。不同研究使用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物品系不一，不同年齡的骨骼發(fā)育程度不同等因素都會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，需要更全面的考慮，更深入的研究探討。

4 小結(jié)

隨著競(jìng)技體育和大眾健身的全面發(fā)展，關(guān)于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和運(yùn)動(dòng)康復(fù)的研究越來(lái)越深入，跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)作為一種典型的耐力訓(xùn)練方式被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究中。通過(guò)跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)建立的運(yùn)動(dòng)模型有助于深入理解訓(xùn)練對(duì)機(jī)體的作用和恢復(fù)手段等問(wèn)題。另一方面，還可以利用跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)療法作用于生理和病理的機(jī)制和效果進(jìn)行進(jìn)一步的探究。但是，跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)在實(shí)驗(yàn)研究中的具體應(yīng)用仍存在一些問(wèn)題，尤其是運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的確定，需要綜合考慮多方面的因素。

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The Applications of Treadmill in the Study of Laboratory Animals

YAO Lu1，2，ZHANG Ying2，ZHANG Lian－feng1
(1.Key Laboratory of Human Disease Comparative Medicine，Ministry of Health，Institute of Laboratory Animal Science，Chinese Academy of Medical Sciences ＆ Comparative Medical Center，Peking Union Medical College，Beijing 100021，China;2.Institnte of Human Sports Science，Beijing Sport University，Beijing 100084，China)

More and more applications of treadmill in laboratory animal studies are focused on the establishment of sport models and exploration on the effects of exercise on physiology and pathology，in order to promote scientific exercise training，better sports performance，reasonable and effective application of exercise therapy in the rehabilitation and so on.Also，the treadmill is a kind of tool for studying the relationships between exercise and metabolism or cardiocerebral vascular diseases.In this review，the basic structure of treadmill，its applying method and research progress are analyzed and summarized.

Treadmill;Sport model;Cardiovascular;Metabolism;Bone

R331

A

1671－7856(2010)06－0075－07

2009－01－07

姚璐(1985－)，女，碩士，研究方向:運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)。

張連峰。E－mail:zhanglf@mail.cnilas.org