男性青少年高強度間歇運動后心血管與代謝反應(yīng)

劉濤 王海洲 林家仕 嚴金慧

集美大學(xué)體育學(xué)院（福建廈門 361021）

兒童青少年超重或肥胖是成年繼發(fā)性肥胖及多種心血管疾病和代謝性疾病的重要原因[1]。規(guī)律運動是預(yù)防兒童青少年超重和肥胖的有效手段，研究證實，體力活動以及體適能水平與心血管及代謝危險因素降低相關(guān)聯(lián)。近期“中國兒童青少年身體活動指南”（簡稱“指南”）指出[2]，兒童青少年應(yīng)每天至少累計達到60 min中高強度身體活動。2016年“中國學(xué)齡兒童青少年體力活動和體質(zhì)健康研究（Physical Activity and Fitness in China—the Youth Study，PAFCTYS）”[3]發(fā)現(xiàn)，中國兒童青少年中只有29.9%達到“指南”推薦要求，肥胖率高達12%。

既然大多數(shù)兒童青少年無法達到“指南”的要求，開發(fā)省時（時間短）有效（能夠改善代謝和心血管健康水平）且符合兒童青少年發(fā)育特點的運動方式尤為必要。針對兒童青少年的運動處方一般推薦中等強度持續(xù)運動（moderate intensity continuous training，MICT）方式[2]，但由于持續(xù)時間較長、運動節(jié)奏單調(diào)，造成運動依從性和堅持性較差。Armstrong等[4]的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兒童青少年體力活動以間歇運動為特點，持續(xù)時間約5～10 min。近些年來興起一種省時高效的訓(xùn)練模式——高強度間歇運動（high intensity intermittent training，HIIT）。研究顯示，與MICT比較，HIIT可誘導(dǎo)機體產(chǎn)生相似的代謝適應(yīng)[5]，且炎癥因子的變化幅度較低[6]。此外，HIIT符合兒童青少年心理發(fā)育規(guī)律以及參加體力活動的特點，更易被接受及完成（依從性高）[4]。多項研究指出，HIIT能夠有效改善正常體重以及肥胖成人身體成分并降低心血管危險因素。Motiani等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，2周HIIT即可提高健康男性最大攝氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）。Rakobowchuk等[8]的研究顯示，6周HIIT和MICT均可改善健康青年血管內(nèi)皮功能。超重/肥胖青年經(jīng)2周HIIT后脂肪氧化增加，碳水化合物氧化、呼吸商（respiratory quotient，RQ）、血壓、腰圍和臀圍下降[9]。然而在該研究中，血壓、RQ和底物氧化的改變持續(xù)至運動后24 h并在72 h恢復(fù)，提示上述變化來自末次運動的急性反應(yīng)而非長期適應(yīng)的結(jié)果。另外兩項針對成人的研究同樣顯示[10，11]，一次急性HIIT后外周動脈硬度和血壓降低，下降幅度與MICT方式相似。

盡管HIIT對成人健康水平的改善作用得到廣泛證實，然而針對兒童青少年尚缺乏有效證據(jù)。Williams等[12]讓男性兒童進行8周HIIT，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，VO2max、每分鐘通氣量和心率等參數(shù)均無顯著性變化，提示HIIT并不能改善兒童心肺適能水平。由于HIIT時間短、強度大、有間歇，符合兒童青少年參加體力活動的特點，因此有必要對HIIT誘導(dǎo)機體發(fā)生反應(yīng)和適應(yīng)的規(guī)律進行深入探索，以形成針對兒童青少年健康促進的最佳運動方案。對于兒童青少年而言，安全有效的運動方案應(yīng)注重運動的急性反應(yīng)并期待長期訓(xùn)練的良好適應(yīng)，其中急性反應(yīng)又分為機體在運動過程中對運動刺激的反應(yīng)以及運動結(jié)束后對刺激的滯后效應(yīng)，同時注意不良反應(yīng)。本研究旨在探討一次急性HIIT對男性青少年運動后心血管反應(yīng)以及代謝的影響。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

20名年齡在15～17歲的男性青少年，身體健康，體重指數(shù)（body mass index，BMI）處于正常范圍（依據(jù)“中國肥胖問題工作組”建立的全國學(xué)齡兒童、青少年超重、肥胖篩查分類標(biāo)準(zhǔn)[13]），無各種急慢性疾病，無煙酒等不良嗜好，除參加學(xué)校組織的體育課外無規(guī)律運動習(xí)慣。所有受試者均經(jīng)本人、學(xué)校及家長（監(jiān)護人）三方同意后自愿參加本實驗。實驗前由課題組負責(zé)人向受試者和家長（監(jiān)護人）說明本研究目的、實驗流程及潛在風(fēng)險并簽訂知情同意書。受試者人體測量學(xué)特征見表1。

表1 受試者人體測量學(xué)參數(shù)

1.2 實驗設(shè)計

實驗前48 h以及整個實驗過程中囑受試者維持日常生活習(xí)慣，清淡飲食，保證充足睡眠，禁止吸煙、飲酒和咖啡并避免劇烈運動。受試者先進行人體測量學(xué)參數(shù)測定，包括身高、體重、BMI、腰圍、臀圍、腰臀比以及體脂百分比等（表1）。代謝基線參數(shù)測量：受試者坐位休息10 min后佩戴便攜式運動心肺測試儀（Cosmed Quark K4b2，意大利）呼吸面罩，連續(xù)監(jiān)測30 min平靜呼吸狀態(tài)下的氣體代謝以獲取VO2和RQ。隨后利用自動血壓儀（SUN TECH-420，美國）測定安靜時的血壓和心率。然后以隨機順序分別完成兩次實驗。（a）一次急性HIIT（運動實驗）：于清晨8:00～10:00，受試者全程佩戴便攜式運動心肺測試儀（Cosmed Quark K4b2，意大利）和自動血壓儀（SUN TECH-420，美國）以檢測攝氧量（oxygen uptake，VO2）、RQ、血壓、心率（HR）以及底物代謝和供能的變化；（b）實驗室安靜休息（對照實驗）：測試程序、方法、時間以及指標(biāo)同（a），安排對照實驗的目的是為了排除生物節(jié)律等因素的影響。兩次實驗之間間隔72 h。實驗前2小時給予受試者一份標(biāo)準(zhǔn)熱量早餐（5 kcal/kg體重），其中碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的熱量比例分別約為60%、25%和15%，10～15 min進餐完畢。對兩次實驗進餐的時間、種類和量進行嚴格控制。實驗過程中記錄運動執(zhí)行情況、不良反應(yīng)（類型、發(fā)生時間、頻率、持續(xù)時間、嚴重程度）、失訪者及失訪原因，實驗后1周繼續(xù)隨訪并記錄不良反應(yīng)。

1.3 人體測量學(xué)參數(shù)

利用體質(zhì)檢測組件（方舟Ⅲ，中國）測定身高、體重并計算BMI，即BMI＝體重（kg）/身高（m）2，其中電子體重秤最大稱重為200 kg，測量誤差＜0.1 kg。利用身體成分分析儀（Inbody 530，韓國）測定體脂百分比，測量時要求排空大小便、輕裝、赤足并取出金屬物品（紐扣、手機、手表等）。腰圍測量方法：皮尺經(jīng)髂前上棘和第12肋下緣連線中點處，水平繞一周，于自然呼氣末檢測圍度。臀圍測量方法：沿股骨大轉(zhuǎn)子，將皮尺沿水平位經(jīng)背部繞至前方檢測圍度。計算腰臀比（腰圍/臀圍）。

1.4 HIIT方案

參照Dupont等[14]的研究以及前期預(yù)實驗結(jié)果（主要是參訓(xùn)者耐受性和不良反應(yīng)）制定HIIT方案，即采用無氧功率自行車（Monark 894E，瑞典）完成兩次Wingate實驗。受試者先進行10 min準(zhǔn)備活動（包括慢跑和拉伸），然后在功率車上以75 W負荷蹬車2 min，之后開始正式實驗：受試者盡全力蹬車，同時阻力增加，在2～4 s內(nèi)達到規(guī)定負荷（阻力負荷為0.075 kg/kg體重），同時開啟計算機及其配套光電管探頭等設(shè)備記錄每秒輪轉(zhuǎn)圈數(shù)，30 s結(jié)束（運動中不斷給予受試者口頭鼓勵），共完成2組（分別用HIIT 1和HIIT 2表示），組間間歇4 min，間歇期安靜坐在功率車上休息。每次Wingate實驗時（不包括間歇期）記錄以下指標(biāo)：（1）峰值功率輸出（peak power output，PPO），即第一個5 s的功率輸出；（2）平均功率輸出（mean power output，MPO），即30 s全力蹬車的平均功率輸出；（3）疲勞指數(shù)（fatigue index，F(xiàn)I），即FI＝（PPO－最低功率）÷PPO×100%。運動后受試者于坐位安靜休息100 min，運動后即刻以及隨后每隔10 min記錄VO2、RQ、血壓、HR并計算碳水化合物和脂肪氧化和供能。

1.5 數(shù)據(jù)采集分析

HR和血壓取連續(xù)兩次測量的均值。VO2和RQ：基線測量時取監(jiān)測過程中（共30 min）最后15 min的數(shù)據(jù)并計算均值，運動后取觀測點前5 min的均值?？俈O2用“VO2－時間”曲線下面積的積分值。碳水化合物（carbohydrate，CHO）和脂肪（FAT）供能及氧化利用Kuo等[15]建立的公式計算，即：

（1）CHO供能比例（%CHO）＝（RQ－0.707）÷0.293×100

FAT供能比例（%FAT）＝100－（RQ－0.707）÷0.293×100

（2）CHO供能（kcal/min）＝%CHO÷100×VO2×（5.05 kcal/L O2）

FAT供能（kcal/min）＝%FAT÷100×VO2×（4.7 kcal/L O2）

（3）CHO氧化（g/min）＝%CHO×VO2×（5.05 kcal/L O2）÷（4 kcal/g CHO）

FAT氧化（g/min）＝%FAT×VO2×（4.7 kcal/L O2）÷（9 kcal/g FAT）

其中RQ≥1.0時能量主要來自CHO氧化，RQ≤0.7時主要依靠FAT供能。CHO和FAT總氧化量用“底物氧化－時間”曲線下面積積分表示。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 20.0 for Windows進行統(tǒng)計學(xué)處理。所有數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。兩次實驗（運動實驗vs.安靜實驗）基線參數(shù)比較，HIIT 1和HIIT 2間PPO、MPO和FI比較，恢復(fù)過程中各參數(shù)（VO2、RQ、血壓、HR、底物代謝）比較使用配對樣本t檢驗；運動后各參數(shù)時程比較使用重復(fù)測量方差分析。統(tǒng)計學(xué)差異定為α＝0.05。

2 結(jié)果

2.1 樣本量與不良反應(yīng)

實驗過程中，因故失訪者3名，最終樣本量：n=17。整個實驗過程中以及實驗后隨訪期間（1周）所有受試者均未出現(xiàn)運動相關(guān)不良反應(yīng)（包括肌肉損傷、異常疲勞、暈厥、心悸、心絞痛、呼吸困難、惡心、嘔吐等）。

2.2 兩次實驗前安靜時基線參數(shù)

運動實驗和對照實驗前基線參數(shù)VO2、RQ、底物供能與氧化、HR和血壓等均無顯著性差異（P＞0.05），兩次實驗之間具有可比性，見表2。

表2 運動實驗和對照實驗前基線參數(shù)比較

（續(xù)表2）

2.3 兩組HIIT時PP、MP和FI的變化

受試者完成HIIT2時的MPO顯著低于HIIT1（P＜0.05），兩組HIIT時PPO和FI則無顯著性差異（P＞0.05）。見表3。

表3 兩組HIIT時PP、MP和FI比較

2.4 運動后VO 2的變化

運動實驗總VO2顯著高于對照實驗（P＜0.05），見圖1。VO2的時程變化顯示，運動實驗在運動后即刻和運動后10 min顯著高于對照實驗（P＜0.05）以及實驗前安靜基線值（P＜0.05），20 min時恢復(fù)（P＞0.05），見圖2。

圖1 運動后總VO2比較

圖2 VO2的時程變化

圖3 RQ的時程變化

2.5 運動后RQ的變化

與對照實驗比較，運動實驗時RQ在運動后即刻顯著升高（P＜0.05），10～20 min仍升高（P＜0.05），隨后迅速下降，30～60 min時顯著降低（P＜0.05）。與安靜基線值比較，運動實驗時RQ在運動后20 min內(nèi)顯著升高（P＜0.05），30～60 min顯著降低（P＜0.05）。見圖3。

2.6 運動后底物氧化與供能的變化

與對照實驗比較，運動實驗時運動后即刻至20 min時CHO供能比例顯著升高（P＜0.05）、FAT供能比例顯著下降（P＜0.05），40～60 min時CHO供能比例顯著下降（P＜0.05）、FAT供能比例顯著升高（P＜0.05），見圖4。底物供能和底物氧化的時程變化規(guī)律同上，見圖5～6。運動后底物總氧化量在運動實驗與對照實驗間并無顯著性差異（P＞0.05），見圖7。

圖4 底物（CHO和FAT）供能比例的時程變化

圖5 底物（CHO和FAT）供能的時程變化

圖6 底物（CHO和FAT）氧化的時程變化

圖7 運動后底物（CHO和FAT）總氧化量

2.7 運動后HR和血壓的變化

與對照實驗比較，運動實驗時HR在運動后即刻顯著升高并持續(xù)至90 min（P＜0.05），100 min時恢復(fù)（P＞0.05），見圖8。SBP在運動后即刻顯著升高（P＜0.05），運動后90～100 min顯著下降（P＜0.05），見圖9。DBP在運動后各時間點均無顯著性變化（P＞0.05），見圖10。

圖8 HR的時程變化

圖9 SBP的時程變化

圖10 DBP的時程變化

3 討論

本研究的主要發(fā)現(xiàn)是，男性青少年進行一次HIIT后即刻VO2升高、20 min時恢復(fù)，30～60 min時RQ下降，40～60min時脂肪氧化增加，然而運動后100 min內(nèi)的脂肪總氧化量并無顯著性變化，SBP在運動后90 min下降。

健康成人HIIT方案一般采用4～6組Wingate，間歇4 min。我們前期小樣本（n＝6）預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，青少年完成2組Wingate時耐受性較好。Ratel等[16]的研究指出，兒童青少年進行HIIT時的恢復(fù)時間與成人接近。Dupont等[14]證實，連續(xù)進行2次Wingate，間歇期進行消極性恢復(fù)（間歇期完全休息）時的訓(xùn)練效果（運動能力）優(yōu)于積極性恢復(fù)（間歇期以20%～40%最大功率繼續(xù)蹬車）。因此，本研究采用的HIIT方案為2組30 s Wingate、組間間歇4 min、間歇期坐在功率車上完全休息。結(jié)果顯示，受試者運動中及運動后均未出現(xiàn)運動相關(guān)不良反應(yīng)。由于本研究僅記錄受試者主觀感覺，因此該方案的安全性尚需進一步確定。

多項研究針對亞極量運動或遞增負荷力竭運動后VO2的反應(yīng)規(guī)律進行了報道。然而超大強度運動的影響則鮮有關(guān)注。Bahr等[17]讓健康成年男性以108%VO2max強度完成3組2 min蹬車訓(xùn)練，組間間歇3 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，完成第1、2、3組運動后VO2分別持續(xù)升高30 min、60 min和4 h。Laforgia等[18]隨后的研究顯示，男子中長跑運動員以105%VO2max強度運動1 min后休息2 min，共完成20組，其VO2在運動后持續(xù)升高達8 h。HIIT誘導(dǎo)運動后過量氧耗與多種生理和/或代謝機制有關(guān)，包括血液和肌肉中氧氣再填充，ATP和CP重新合成，體溫升高，兒茶酚胺釋放增加刺激甘油三酯－脂肪酸循環(huán)，過度通氣以及乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟腔蛱窃ㄌ钱惿┑萚19]。本研究以男性青少年為受試對象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運動后VO2短暫升高且僅持續(xù)約20 min，時間上明顯低于Bahr等[17]和Laforgia等[18]的研究。其可能的解釋是，本研究設(shè)計的HIIT方案運動時間短（30 s）、重復(fù)次數(shù)少（2組），其總運動負荷較低而不足以刺激VO2持續(xù)上調(diào)。此外，受試者運動過程中是否全力蹬車可能也是影響VO2動力學(xué)的原因之一，然而本研究中PP、MP和FI等做功數(shù)據(jù)與多項針對青少年的研究結(jié)果基本一致[20，21]，因此可排除這一主觀因素。結(jié)合Bahr等[17]的研究，我們認為，HIIT負荷（運動時間、重復(fù)次數(shù)等）與運動后過量氧耗的持續(xù)時間之間可能存在“劑量－反應(yīng)”（dose response）關(guān)系。

成人進行定量負荷持續(xù)有氧運動后，RQ下降、脂肪氧化增加[15]，然而對于超大強度運動的作用尚存在分歧。Bahr等[17]發(fā)現(xiàn)，3組2 min超大強度（108%VO2max）HIIT后60 min時RQ仍未降低。相反，以105%VO2max強度運動1 min、完成20組的HIIT后，RQ持續(xù)下降達8 h[18]。然而在該項研究中，受試者在運動后3 h進食午餐（約5.8 MJ熱量），因此不能排除餐后消化過程對脂肪氧化的影響。Whyte等[9]讓超重/肥胖成人進行2周HIIT，末次運動后脂肪氧化增加、RQ降低并持續(xù)至24 h。研究結(jié)果不一致可能與受試對象健康水平（超重/肥胖vs.正常體重）、年齡（青少年vs.成人）、HIIT設(shè)計方案以及干預(yù)方式（急性vs.長期）不同有關(guān)。在本研究中，RQ在HIIT后即刻升高（P＜0.05），10～20 min仍升高（P＜0.05），30～60 min時下降，40～60 min時脂肪氧化增加。超大強度運動時，有氧代謝無法滿足機體的能量需求，糖酵解供能增加而使乳酸濃度增加，此時機體動用碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng)中和乳酸，CO2產(chǎn)生增加并造成過度通氣反應(yīng)，RQ隨之升高并持續(xù)至運動后[22]。隨后的RQ降低提示運動后CO2潴留以重新合成碳酸氫鹽用于緩沖乳酸[22]。此外，在運動后的100 min內(nèi)，脂肪總氧化量并無顯著性改變。研究顯示，一次運動后脂肪供能比例呈現(xiàn)一過性增加[15]，然而長期訓(xùn)練是否能夠促進脂肪氧化持續(xù)上調(diào)尚不得而知，需要實驗進一步證實。

本研究發(fā)現(xiàn)，SBP在運動后90～100 min下降，這與針對成人的研究類似[11]。在Whyte等[9]的研究中，超重/肥胖成人進行2周HIIT，SBP在末次運動后24 h下降約6 mmHg，72 h恢復(fù)，提示HIIT后血壓的變化同樣具有一過性特點。Rossow等[23]對比HIIT（4組30 s Wingate，組間間歇4 min）和MICT（60%心率儲備強度，60 min）對青年耐力運動員血壓的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種方式運動后60 min時SBP下降，與本研究結(jié)果類似，提示HIIT下調(diào)SBP具有延遲效應(yīng)，同時也說明，即使血壓正常者，一次HIIT亦可使血壓降低，進而改善心血管健康水平。

需要提及的是，進餐對運動后的生理反應(yīng)和能量代謝存在顯著影響。Farah等[24]發(fā)現(xiàn)，成年超重男性運動前進餐可減少運動中的脂肪氧化量并增加碳水化合物氧化量，而運動后進餐則延緩運動中糖水化合物向脂肪供能轉(zhuǎn)移，餐前進行MICT時脂肪供能量顯著高于餐后運動，且無論餐前運動或餐后運動其脂肪氧化量均高于空腹運動。由于本研究納入的受試者體重正常，因此選擇餐后2 h運動。由于對兩次實驗進餐時間、種類和量進行嚴格控制，因此可基本排除進餐對實驗結(jié)果的影響。然而餐前運動和餐后運動對青少年HIIT后能量代謝影響的差異尚不得而知。

本研究尚存在一些局限。第一，本研究以男性青少年為受試對象。由于女性受試者受月經(jīng)周期的影響，故未納入，故研究結(jié)果應(yīng)謹慎應(yīng)用于女性青少年。第二，為避免不良反應(yīng)，受試者僅完成2組HIIT，而針對成人往往多采用4～6組，因此針對青少年的最佳HIIT方案尚待進一步研究。第三，本研究未設(shè)計MICT對照實驗，所以未能比較HIIT與MICT對生理和代謝反應(yīng)影響的異同。第四，本研究采用一次急性HIIT模式，長期HIIT的效果尚需實驗證實。

4 結(jié)論

本研究中使用的運動方案使男性青少年進行一次HIIT后VO2一過性升高、SBP下降；脂肪氧化亦短暫性增加，但運動后脂肪總氧化量較安靜時并無顯著性差異。