軍事訓(xùn)練致肌肉損傷的發(fā)生機(jī)制及其生物化學(xué)標(biāo)志物

刁秋霞，薄 海，秦永生，王大寧，彭 朋 綜述 張曉丹 審校

軍事訓(xùn)練后出現(xiàn)肌肉酸痛、痙攣、腫脹等癥狀，被稱為軍事訓(xùn)練性肌肉損傷;嚴(yán)重者可出現(xiàn)橫紋肌溶解癥(rhabdomyolysis，RM)，甚至發(fā)生危及生命的并發(fā)癥，如肌紅蛋白尿?qū)е录毙阅I功能衰竭，電解質(zhì)紊亂引起心律失常甚至心臟驟停，以及彌漫性血管內(nèi)凝血、多器官功能障礙綜合征等［1］，美軍報道其總致死率高達(dá)8%，且發(fā)病率逐年提高［2］。國內(nèi)尚無權(quán)威的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，只有零散的病例報道。由于發(fā)生RM 時只有50%患者具有上述典型癥狀，出現(xiàn)黑尿者只占25%。因此，有必要對參訓(xùn)者肌肉損傷生物化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行適時監(jiān)測并探尋敏感、有效的標(biāo)志物，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)防訓(xùn)練性肌肉損傷和RM 的發(fā)生。

1 發(fā)生機(jī)制

大強(qiáng)度長時間軍事訓(xùn)練后可出現(xiàn)肌肉酸痛、痙攣、腫脹等癥狀，稱為訓(xùn)練性肌肉損傷，其發(fā)生機(jī)制與機(jī)械性因素和代謝性因素有關(guān)。劇烈運(yùn)動或不習(xí)慣的運(yùn)動方式(特別是離心運(yùn)動)對肌纖維產(chǎn)生高牽張力，造成肌肉“機(jī)械性損傷”，表現(xiàn)為Z 盤斷裂、肌節(jié)降解、細(xì)胞骨架破壞以及膜通透性增高［3］;另一方面，劇烈運(yùn)動使細(xì)胞內(nèi)氧自由基增多，胞漿Ca2+濃度增加(鈣超載)等，引起一系列化學(xué)反應(yīng)(即“代謝性損傷”)，包括激活鈣依賴的蛋白激酶以及觸發(fā)泛素-蛋白酶體途徑介導(dǎo)的肌肉蛋白質(zhì)降解過程，破壞骨架蛋白，使骨骼肌超微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常變化，同時激活K+通道使膜電阻下降，以及自由基造成膜脂質(zhì)過氧化加強(qiáng)，細(xì)胞膜通透性增高［3］。因此，訓(xùn)練性肌肉損傷是機(jī)械因素和化學(xué)變化共同作用的結(jié)果。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)容物透過肌膜漏出細(xì)胞進(jìn)入血液，引起血清酶/蛋白活性升高。但最新的研究發(fā)現(xiàn)［4］，持續(xù)大強(qiáng)度運(yùn)動導(dǎo)致肌肉缺血缺氧，肌膜表面產(chǎn)生一種“囊泡”，囊泡逐漸增大并脫離細(xì)胞，被巨噬細(xì)胞吞噬后發(fā)生破裂，內(nèi)容物外漏至組織間液，通過淋巴管進(jìn)入血循環(huán)。

2 生物化學(xué)標(biāo)志物

2.1 血液中生化標(biāo)志物

2.1.1 肌酸激酶(creatine kinase，CK) CK 是催化ADP 與ATP 可逆反應(yīng)的關(guān)鍵酶，CK 有5 種同工酶，即3 種存在于胞漿的CK 同工酶包括CK-MM(主要存在于骨骼肌)、CK-MB(主要存在于心肌)、CK-BB(主要存在于腦組織)，以及兩種存在于線粒體的CK 同工酶。

影響運(yùn)動后血清總CK 時程變化的主要因素包括:(1)運(yùn)動方式。如力量訓(xùn)練后8 h，CK 約升高2 倍;肌肉離心運(yùn)動時常伴肌肉損傷，CK 峰值一般在2～7 d 出現(xiàn);長時間運(yùn)動，CK 峰值運(yùn)動后24～48 h 出現(xiàn);一次運(yùn)動后48 h 再次進(jìn)行運(yùn)動，一般不會對CK 的變化規(guī)律產(chǎn)生顯著影響［5］。(2)訓(xùn)練水平。長期系統(tǒng)訓(xùn)練可使安靜時的CK 水平升高，故士兵的基礎(chǔ)CK 水平高于普通人，但運(yùn)動后升高的幅度卻低于普通人［6］。(3)運(yùn)動強(qiáng)度和持續(xù)時間。長時間大強(qiáng)度的運(yùn)動項目如超長距離跑(如馬拉松)以及肌肉主要進(jìn)行離心收縮的項目如下坡跑、蛙跳等，運(yùn)動后其CK 升高幅度最大［3］。(4)遺傳因素。分子遺傳學(xué)研究證實，血清CK 對于運(yùn)動的反應(yīng)存在顯著的個體差異并與遺傳基因有關(guān)［7］，提示某些基因型或等位基因具有肌肉損傷保護(hù)或促進(jìn)作用。某些CK 高反應(yīng)者易發(fā)生訓(xùn)練性肌肉損傷甚至RM。這在新兵基礎(chǔ)訓(xùn)練期或武裝拉練過程中時有發(fā)生，死亡率較高。(5)恢復(fù)手段。訓(xùn)練后消除疲勞的手段包括休息、理療和營養(yǎng)等。休息期間肌肉CK 生成減少，同時釋放入血的量降低，若進(jìn)行肌肉按摩理療則可加速淋巴系統(tǒng)對CK 的轉(zhuǎn)運(yùn)。運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)證實，補(bǔ)充支鏈氨基酸可減輕肌肉損傷并加快CK 的清除［8］。

安靜狀態(tài)下，血清中只有CK-MM，長時間大強(qiáng)度運(yùn)動可使3 種同工酶均升高，CK-MB 升高可預(yù)示心肌損傷，CK-BB 則可能是腦損傷的特異指標(biāo)［5］。血清總CK 較正常值(55～100 U/L)升高5～10 倍以上提示可能發(fā)生RM，超過10 000 U/L 則提示發(fā)生急性腎衰(RM 最嚴(yán)重的并發(fā)癥)［9］。CK 及其同工酶的變化規(guī)律，對于參訓(xùn)者功能狀態(tài)評定、訓(xùn)練負(fù)荷監(jiān)控、過度疲勞、訓(xùn)練性肌肉損傷和RM 的防治具有重要的指導(dǎo)意義。從分子水平深入研究CK 高反應(yīng)機(jī)制，可為軍事訓(xùn)練提供個性化監(jiān)控指標(biāo)——基因標(biāo)記，同時對篩查易感人群，及早發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練損傷危險因素具有重要的理論和實踐意義。

2.1.2 肌紅蛋白(myoglobin，Mb) Mb 是一種小分子單體血紅素蛋白，存在于肌細(xì)胞中，其功能是儲存和運(yùn)輸氧氣，即把血液中的氧通過細(xì)胞膜運(yùn)輸?shù)郊〖?xì)胞中，以氧合Mb 的形式暫時儲存，保證肌肉劇烈活動時對氧的需要。因此，Mb 對運(yùn)動能力有重要作用。此外，Mb 對微血管和組織中的一氧化氮具有調(diào)節(jié)作用，促進(jìn)血紅素中的Fe3+釋放并造成線粒體膜脂質(zhì)過氧化［10］。劇烈運(yùn)動后Mb 在30 min 內(nèi)升高并可持續(xù)數(shù)天［11］，故可作為訓(xùn)練負(fù)荷的監(jiān)控指標(biāo)。但某些參訓(xùn)者在長時間大負(fù)荷訓(xùn)練時可發(fā)生RM，可能與遺傳易感性有關(guān)［7］，此時肌細(xì)胞壞死崩解，Mb 進(jìn)入血液，經(jīng)過腎臟時通過氧化應(yīng)激作用導(dǎo)致腎小管細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能損傷(腎毒性)，甚至發(fā)生急性腎衰，致死率較高。血清Mb 和尿Mb 含量異常升高時，應(yīng)警惕RM 合并腎衰，結(jié)合血清CK 變化可確診［9］。

2.1.3 肌鈣蛋白(troponin，Tn)Tn 由3個亞基構(gòu)成，即TnT、TnI 和TnC。其功能是通過感受胞漿Ca2+濃度的變化調(diào)控肌肉的收縮與舒張。根據(jù)組織分布，可分為心肌型Tn(cTn)和骨骼肌型Tn(sTn)。測定運(yùn)動后血清TnI 和TnT 的變化，可以為較早的發(fā)現(xiàn)和判斷運(yùn)動導(dǎo)致的骨骼肌和心肌早期損傷提供依據(jù)。新兵訓(xùn)練后cTnI 增高，4 h 后恢復(fù)，提示新兵心功能較差，訓(xùn)練后出現(xiàn)一過性的心肌損傷，在短時間內(nèi)恢復(fù)正常［12］，這種心肌損傷有區(qū)別于臨床上的急性心肌缺血損傷(可持續(xù)7～10 d);動物實驗表明，一次力竭運(yùn)動后，cTnT 升高2～3 倍并可持續(xù)12 h，而且cTnT 分布變得紊亂，可能是導(dǎo)致心肌機(jī)械功能異常的原因［13］;而測定運(yùn)動后血中sTnI 含量(一般在運(yùn)動后6 h 內(nèi)升高)則有利于早期發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練性骨骼肌損傷［14］。

2.1.4 乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH) LDH 主要催化丙酮酸與乳酸的相互轉(zhuǎn)化，LDH 由4個35KD 的亞基組成，亞基分為骨骼肌型(M 型)和心肌型(H 型)。兩種亞基以不同比例組成5 種四聚體，即同工酶，LDH1(H4)、LDH2(H3M)、LDH3(H2M2)、LDH4(HM3)及LDH5(M4)。M 亞基負(fù)責(zé)催化丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸，H 亞基則催化丙酮酸的有氧氧化。M 亞基含量多的同工酶介導(dǎo)無氧代謝途徑，H 亞基增多則轉(zhuǎn)向有氧氧化。

LDH 同功酶的分布有明顯的組織特異性，因此血清LDH 活性升高是細(xì)胞損傷的標(biāo)志物。運(yùn)動可導(dǎo)致LDH 活性升高，其升高的幅度依賴于運(yùn)動強(qiáng)度和運(yùn)動時間，其中長時間耐力訓(xùn)練后LDH 升高約2 倍并可持續(xù)2周，離心運(yùn)動較向心運(yùn)動后LDH 升高幅度更大，持續(xù)時間更長［15］。有研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動后LDH1/LDH2 比值升高說明存在心肌損傷，若持續(xù)增加則可能合并肝臟損傷;LDH5 異常升高并持續(xù)數(shù)天可作為診斷RM 的輔助指標(biāo)［16］。但在高原低氧環(huán)境下訓(xùn)練時，LDH 的活性反而下降，其機(jī)制未明［17］。

2.1.5 轉(zhuǎn)氨酶 轉(zhuǎn)氨酶包括天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(aspartate aminotransferase，AST)和丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(alanine aminotransferase，ALT)，主要存在于骨骼肌、心肌、肝臟和紅細(xì)胞中。長時間運(yùn)動后AST 活性明顯增加并一直持續(xù)到運(yùn)動后24 h［18］。慢性肌肉損傷時兩者均升高［19］，但須首先排除肝臟疾患，與CK 聯(lián)合應(yīng)用可提高診斷的準(zhǔn)確性［19］。

2.1.6 血漿游離DNA(cell-free plasma DNA，cf-DNA)長時間劇烈運(yùn)動可通過氧化應(yīng)激以及炎癥反應(yīng)導(dǎo)致多種細(xì)胞DNA 損傷，非特異性DNA 修復(fù)酶切除DNA 損傷部位并釋放DNA 片段，堿基特異性的修復(fù)酶切除相應(yīng)的堿基［20］，這些產(chǎn)物釋放入血形成cf-DNA［21］。研究指出，訓(xùn)練后cf-DNA 升高與CK 和Mb 同步，表明骨骼肌細(xì)胞凋亡、DNA 片段的釋放可能是cf-DNA 的主要來源，但不是唯一來源［6］。Fatouros 等［21］的研究發(fā)現(xiàn)，cf-DNA 在運(yùn)動后即刻升高達(dá)安靜時的15 倍，30 min 后開始顯著下降并在數(shù)小時內(nèi)迅速恢復(fù)至運(yùn)動前水平，提示cf-DNA 可能是診斷訓(xùn)練性肌肉損傷早期、敏感的指標(biāo)之一。由于訓(xùn)練后cf-DNA 的升高是多種類型細(xì)胞(包括腎小管細(xì)胞、肝細(xì)胞和白細(xì)胞等)凋亡的結(jié)果，說明cf-DNA 對于RM 合并急性腎衰可能有潛在的診斷價值。

2.2 尿液中生化標(biāo)志物

訓(xùn)練導(dǎo)致的肌肉損傷常伴有血紅蛋白尿甚至血尿，若出現(xiàn)黑尿(肌紅蛋白尿)則提示發(fā)生RM。上述色素尿一般在運(yùn)動后24～48 h 出現(xiàn)，72 h 逐漸消退［22］。血清CK 是反應(yīng)肌肉損傷嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)，但CK 升高的范圍與RM 以及急性腎衰的關(guān)系仍未確定，因此需要對尿液進(jìn)行免疫化學(xué)分析以及聯(lián)合其他尿生化指標(biāo)來進(jìn)一步確診［22］。如尿中的羥脯氨酸和羥賴氨酸(膠原代謝產(chǎn)物)含量在訓(xùn)練性肌肉損傷后顯著升高。此外，還可檢測尿中肌酸/肌酐比值以及尿酸的含量反應(yīng)肌肉損傷和腎功能受損的程度［23］。

其他訓(xùn)練性肌肉損傷標(biāo)志物還有醛縮酶、碳酸酐酶Ⅲ、肌球蛋白、α-肌動蛋白和脂肪酸結(jié)合蛋白等。由于大強(qiáng)度運(yùn)動造成機(jī)體氧化應(yīng)激水平增加并誘導(dǎo)肌細(xì)胞凋亡，故某些氧化應(yīng)激指標(biāo)如丙二醛、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽等亦可評價肌肉損傷的程度。由于單一指標(biāo)只能反映肌肉損傷的某一機(jī)制或過程，因此，盡量多指標(biāo)聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)行全面分析。此外，肌肉損傷標(biāo)志物的選取還應(yīng)考慮指標(biāo)的敏感性、特異性，測試的便攜性以及對參訓(xùn)者的損傷性，即以最小的損傷獲取最大的信息［24］。

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