全身水平振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)心血管系統(tǒng)的影響與機(jī)制進(jìn)展

譚景旺，韓甲，沈玉芹，徐純鑫，宋亞剛，李娟，吳雪萍

1.上海體育學(xué)院，a.運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院，b.體育教育訓(xùn)練學(xué)院，c.體育休閑與藝術(shù)學(xué)院，上海市200438；2.上海市同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院，上海市200065；3.上海市殘疾人康復(fù)職業(yè)培訓(xùn)中心，上海市200127

大量研究表明全身振動(dòng)訓(xùn)練(whole body vibration,WBV)可以對(duì)肌肉骨骼系統(tǒng)[1-2]、循環(huán)系統(tǒng)[3]、呼吸系統(tǒng)[4]等人體多個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。作為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和康復(fù)領(lǐng)域中一種重要的干預(yù)方式，全身振動(dòng)訓(xùn)練的研究類型、研究數(shù)目、受益人群正在不斷增加，全身振動(dòng)訓(xùn)練理論正逐漸豐富[5]。然而，另外一種振動(dòng)形式，即水平方向的振動(dòng)，卻似乎未得到國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)注。通過(guò)檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國(guó)外學(xué)者在20世紀(jì)末就已開展相關(guān)研究并獲得較為可靠的研究結(jié)果。為了呼應(yīng)垂直方向的“WBV”，同時(shí)也為了豐富振動(dòng)訓(xùn)練理論、擴(kuò)增振動(dòng)訓(xùn)練效益、為治療和訓(xùn)練提供新的解決方案，本文在搜集、整理、研讀國(guó)外水平振動(dòng)訓(xùn)練文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行綜述，并以對(duì)心血管系統(tǒng)的影響為核心論述水平振動(dòng)訓(xùn)練的效果和機(jī)理。

1 全身水平振動(dòng)訓(xùn)練的起源與命名

全身水平振動(dòng)訓(xùn)練起源于20世紀(jì)末，在開始時(shí)間上與WBV相近，相關(guān)研究由美國(guó)紐約西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院Adams和Sackner研究團(tuán)隊(duì)率先發(fā)起。當(dāng)時(shí)，水平振動(dòng)設(shè)備被稱為非侵入式運(yùn)動(dòng)通氣裝置(noninvasive motion ventilation,NIMV)，原因在于其主要用途是幫助肺通氣障礙患者改善通氣功能。該課題組通過(guò)后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，水平振動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生效果的機(jī)制在于能夠提供水平方向的“加速度”，并在此基礎(chǔ)上提出全身周期性加速度(whole body periodic acceleration,WBPA)這一術(shù)語(yǔ)[6]。筆者經(jīng)文獻(xiàn)檢索后發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)水平振動(dòng)相關(guān)研究還尚未開始，相關(guān)術(shù)語(yǔ)或釋義還無(wú)從參考，而WBV的內(nèi)涵和外延已初具體系。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)WBV研究開始的時(shí)間與國(guó)外相近，只是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)學(xué)者在命名上未與國(guó)際同步[7]。

為了利于交流，在借鑒我國(guó)臺(tái)灣簡(jiǎn)志龍命名方法基礎(chǔ)上，本文將全身周期性加速度更改為全身水平振動(dòng)訓(xùn)練，作為水平振動(dòng)方向的術(shù)語(yǔ)[6]。將全身水平振動(dòng)訓(xùn)練定義為：一種通過(guò)振動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生水平方向正弦波，使接振體在Z軸(從頭到腳)方向產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在增加血流速、提高內(nèi)皮剪切力、促使一氧化氮(nitric oxide,NO)釋放基礎(chǔ)上，影響心血管系統(tǒng)的新型治療和/或訓(xùn)練方法。這一方面可與WBV相呼應(yīng)，為振動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域里的學(xué)者交流提供便利；另一方面，從水平和垂直這兩種振動(dòng)波傳遞方向上對(duì)振動(dòng)訓(xùn)練進(jìn)行劃分也會(huì)使振動(dòng)訓(xùn)練理論體系更清晰。

2 全身水平振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)心血管系統(tǒng)的影響

全身水平振動(dòng)訓(xùn)練能夠利用振動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生的水平加速度改變血流速，舒張血管，改善血管內(nèi)皮功能，進(jìn)而影響心血管系統(tǒng)功能。在此基礎(chǔ)上，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練的作用表現(xiàn)在肺動(dòng)脈高壓、冠狀動(dòng)脈血流儲(chǔ)備(coronary flow reserve,CFR)以及腦血流量等方面。

2.1 肺動(dòng)脈高壓

亞硝基左旋精氨酸甲酯(L-nitro-arginine methylester,LNAME)是內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)抑制劑的一種，具有降低心輸出量、提高血壓的作用。Adams等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，注射L-NAME后進(jìn)行全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(2~4 Hz,0.5~1 cm,0.2~0.8 g)60 min，可使心輸出量提升15%，主動(dòng)脈血壓下降26%，肺動(dòng)脈血壓降低46%。Adams等[9]的研究還發(fā)現(xiàn)，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(2.5~4 Hz,0.4~0.7 g)可改善窒息引起的主動(dòng)脈壓〔(82±19)mmHg到(66±8)mmHg〕和肺動(dòng)脈壓〔(26±8)mmHg到(7±3)mmHg〕升高，降低主動(dòng)脈〔(54±23)RU到(44±19)RU〕和肺部血管阻力〔(11±8)RU到(7±3)RU〕，提示全身水平振動(dòng)訓(xùn)練在降低血壓上具有積極效果。同時(shí)，分別在15 min、30 min、60 min、90 min、120 min和150 min觀測(cè)相應(yīng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)全身水平振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)血壓的影響可以維持至150 min左右。兩項(xiàng)研究雖是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在證據(jù)水平上弱于臨床實(shí)驗(yàn)，但就實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練在一定程度上有助于解決肺動(dòng)脈高壓?jiǎn)栴}。

2.2 CFR

CFR是指冠狀動(dòng)脈最大程度擴(kuò)張時(shí)的血流量與靜息狀態(tài)下血流量的比值，該指標(biāo)主要用來(lái)評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈微循環(huán)狀況以及心肌灌注狀況，目前被認(rèn)為是反映冠狀動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)改變的敏感指標(biāo)之一，冠狀動(dòng)脈血流儲(chǔ)備降低會(huì)導(dǎo)致心肌供血供氧不足從而產(chǎn)生危險(xiǎn)[10-11]。Sakaguchi等[12]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，單次全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(45 min,2.2 m/s2,140/min)能夠使受試者CFR從(2.3±0.3)增加至(2.6±0.4)，表明單次全身水平振動(dòng)訓(xùn)練可改善心臟微循環(huán)功能，推測(cè)其原因可能與全身水平振動(dòng)訓(xùn)練增強(qiáng)血管內(nèi)皮剪切力、促使NO產(chǎn)生有關(guān)。Fukuda等[13]的研究也發(fā)現(xiàn)，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(45 min,2.2 m/s2,140/min)在不改變心率和收縮壓的情況下，可使受試者CFR從(3.3±1.0)增加至(3.7±1.1)，使左前降支狹窄患者CFR從(2.4±0.4)增加至(2.7±0.5)，體現(xiàn)出全身水平振動(dòng)訓(xùn)練在改善冠狀動(dòng)脈微循環(huán)上的積極作用。

2.3 腦血流量

大腦要實(shí)現(xiàn)其正常代謝和功能，需要充足的腦血流量，當(dāng)發(fā)生缺血或缺氧性腦損傷(如腦卒中)時(shí)，NO會(huì)參與血流量的調(diào)節(jié)[14]。Wu等[15]發(fā)現(xiàn)，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(2 Hz,0.6 g,15 min)能增加豬的腦部血流量，并且恢復(fù)缺血組織血流情況的效果要優(yōu)于心肺復(fù)蘇。Adams等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(2 Hz,0.6 g,15 min)可以增加心臟和腦的血流量。同時(shí)，Adams等[17]還發(fā)現(xiàn)全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(4 Hz,0.35 g)可使豬大腦(183%)和腦干(177%)血流量得到增長(zhǎng)。Adams等[18]認(rèn)為，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)和膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(glial-derived neurotrophic factor,GDNF)的積極影響也與腦血流量的增加有關(guān)。因此，可以認(rèn)為全身水平振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)改善腦血流量具有積極作用，提示其或許可應(yīng)用在腦卒中的治療和預(yù)防上。

3 全身水平振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)心血管系統(tǒng)的影響機(jī)制

全身水平振動(dòng)訓(xùn)練改善心血管系統(tǒng)問(wèn)題的原因在于能夠促使血管擴(kuò)張、降低血管阻力，其中NO發(fā)揮著重要作用。全身水平振動(dòng)訓(xùn)練通過(guò)拍頻現(xiàn)象提高血流速，血流速增加提高血管內(nèi)皮剪切力，通過(guò)磷脂酰肌醇3激酶/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶(phosphoinositide 3-kinase/serine threonine kinase,PI3K-Akt)和絲裂原細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶/細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(mitogen extra‐cellular signal regulated kinases/extracellular signal regulated ki‐nase,MEK-ERK1/2)等信號(hào)傳導(dǎo)通路促使NO產(chǎn)生，繼而促使血管舒張。見(jiàn)圖1。

3.1 提高血流速

進(jìn)行全身水平振動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，人體被動(dòng)地接受振動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生的加速度，促使血管內(nèi)血液產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象，進(jìn)而使血流速得以加快。拍頻現(xiàn)象是指兩種不同頻率振動(dòng)波(正弦波)相互影響時(shí)產(chǎn)生的抵消與疊加現(xiàn)象[6]。心臟在節(jié)律性收縮舒張過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)波，心臟收縮的頻率平均60~100次/min，全身水平振動(dòng)平臺(tái)的振動(dòng)頻率100~140次/min，這兩者通過(guò)交互能夠產(chǎn)生疊加現(xiàn)象。全身水平振動(dòng)設(shè)備提供的振動(dòng)頻率接近受迫系統(tǒng)(心臟)的振動(dòng)頻率時(shí)，疊加效果最好，振幅最大[19]。由于人體內(nèi)血液的流動(dòng)屬于脈動(dòng)型流動(dòng)，血液在流動(dòng)過(guò)程中本就會(huì)由于心臟搏動(dòng)而產(chǎn)生加速度，當(dāng)接觸全身水平振動(dòng)平臺(tái)后，振動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生的水平加速度和血液流動(dòng)的加速度相互影響，使血液流動(dòng)狀況發(fā)生變化。心臟搏動(dòng)和水平振動(dòng)交涉后變成大小不同的燈籠型波形，燈籠最寬處振幅最強(qiáng)，是兩種波振幅疊加后的結(jié)果。在燈籠最寬處，血管內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的血流量最多[6]。

全身水平振動(dòng)訓(xùn)練增加血流速的效果來(lái)自于眾多研究者的實(shí)驗(yàn)支持。Sackner等[20]通過(guò)觀察受試者干預(yù)前后脈搏波的變化情況，發(fā)現(xiàn)全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(140/min,2.2 m/s2)能夠顯著改變脈搏波，證實(shí)其能夠增加血流速。Adams等[17]通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(4 Hz,0.35 g)可使豬多器官和組織血流量得到增長(zhǎng)，具體增長(zhǎng)幅度表現(xiàn)為心外膜71%、心內(nèi)膜93%、腎皮質(zhì)53%、回腸粘膜69%、胃竇粘膜72%和肝臟86%，干預(yù)前后差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。脾和骨骼肌血流量提升幅度雖無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但提升比例也達(dá)到38%和158%。Adams等[21]的另外一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練能夠顯著提高血流速，與穩(wěn)定血流相比，提高300%~1000%。

3.2 促使NO釋放

NO是重要的內(nèi)源性血管舒張因子，能夠舒張血管平滑肌、抑制血小板聚集，在抑制血栓形成、提高血流速方面發(fā)揮著重要作用。剪切力是指血管中血流流經(jīng)內(nèi)皮細(xì)胞時(shí)在切線方向上對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的作用力，實(shí)驗(yàn)已證實(shí)血管內(nèi)皮剪切力與NO的合成及釋放具有很強(qiáng)相關(guān)性[22-23]。搏動(dòng)性血流、血流速度加快以及血管內(nèi)壓增高所致的切應(yīng)力，是刺激內(nèi)皮細(xì)胞合成釋放NO的主要生理因素。因?yàn)镹O極其不穩(wěn)定，直接測(cè)量NO含量變化存在較大困難，為此國(guó)外學(xué)者普遍采用重搏切跡(dicrotic‐notch,DN)評(píng)估NO的產(chǎn)生情況。重搏切跡是指心臟收縮期結(jié)束將要進(jìn)入舒張期時(shí)，由于心室松弛、壓力下降，主動(dòng)脈或肺動(dòng)脈壓力會(huì)短暫性地高于心室壓力，在動(dòng)脈壓力曲線上會(huì)出現(xiàn)略微上升的波形，此波形被稱為重搏切跡。收縮期和重搏切跡的比值代表著血管的松弛程度，a/b值越大，血管的松弛程度越大，表明NO的產(chǎn)生量越多[6]。

全身水平振動(dòng)訓(xùn)練促使NO釋放的研究體現(xiàn)在細(xì)胞、動(dòng)物以及臨床實(shí)驗(yàn)上。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)方面：Wu等[24]的實(shí)驗(yàn)表明，額外施加全身水平振動(dòng)刺激(60~180/min,3.5 m/s2)的內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的eNOS、信使RNA(mRNA)和磷酸化eNOS(phosphorylation eNOS,p-eNOS)含量明顯高于常規(guī)血流狀態(tài)下的內(nèi)皮細(xì)胞。Ad‐ams等[25]進(jìn)行的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(180/min,3.9 m/s2,1 h)后，豬eNOS和p-eNOS分別增加(2.3±0.4)倍和(6.6±0.1)倍。Uryash等[26]發(fā)現(xiàn)，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(180~600/min,30 min,2.9 m/s2)能夠提高大鼠血管NO含量，將a/b值從(1.6±0.2)提升到(3.6±0.3)。臨床研究方面，Sackner等[20]發(fā)現(xiàn)全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(2.2 m/s2,45 min,140/min)可使正常人a/b值從(2.3±1.0)提升到(53±44)，心率從(64±11)次/min提升到(76±10)次/min，患者a/b值從(1.6±0.5)提升到(62±39)。此外，Sackner等[27]還比較了中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)和全身水平振動(dòng)訓(xùn)練在釋放NO上的功效，結(jié)果發(fā)現(xiàn)全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(2.2 m/s2,140/min)促使NO產(chǎn)生的效果已接近中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)。Takase等[28]發(fā)現(xiàn)單次全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(2~3 Hz,0.25 g,45 min)可明顯改善受試者血流介導(dǎo)的血管舒張功能(flow-mediated vasodilatation,FMD)，曲線下面積從(4.5±4.2)s.%增加至(10.2±11.6)s.%，證實(shí)全身水平振動(dòng)訓(xùn)練在促使NO釋放、舒張血管上的效果。

分子層面研究揭示了全身水平振動(dòng)訓(xùn)練促使NO產(chǎn)生的機(jī)制。PI3K-Akt與MEK-ERK1/2是兩種重要的信號(hào)傳導(dǎo)通路，其在促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、促進(jìn)血管生成等方面發(fā)揮著重要作用[29-32]。Wu等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練(60~180/min,3.5 m/s2)可以通過(guò)激活PI3K/Akt路徑增加內(nèi)皮型NO含量與peNOS，通過(guò)MEK-ERK1/2信號(hào)傳導(dǎo)通路上調(diào)eNOS表達(dá)。Li等[33]通過(guò)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，全身水平振動(dòng)訓(xùn)練促使NO產(chǎn)生的機(jī)制在于PI3K/Akt介導(dǎo)下的eNOS激活與表達(dá)。因此，可以推測(cè)全身水平振動(dòng)訓(xùn)練促使NO釋放的機(jī)制在于PI3K/Akt以及MEK-ERK1/2信號(hào)傳導(dǎo)通路上。

4 全身水平振動(dòng)訓(xùn)練的實(shí)施

圖1 全身水平振動(dòng)訓(xùn)練舒張血管示意圖

在實(shí)施全身水平振動(dòng)訓(xùn)練時(shí)要特別注意訓(xùn)練時(shí)間、訓(xùn)練頻率、振動(dòng)參數(shù)以及禁忌癥等方面。訓(xùn)練時(shí)間方面，Sackner[6,34]研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為30~45 min干預(yù)或許能達(dá)到最佳效果。訓(xùn)練頻率方面，Wu等[35]發(fā)現(xiàn)全身水平振動(dòng)訓(xùn)練的干預(yù)效果或能維持24 h，預(yù)示著鍛煉者每天干預(yù)1次即可，但這種頻率在何種振動(dòng)參數(shù)下有效還有待研究。振動(dòng)參數(shù)方面，有效的振動(dòng)頻率為120~180/min，140/min可能為最佳，已有研究所用振動(dòng)平臺(tái)的振幅為10~20 mm，加速度0.2~0.6 g[6]。禁忌癥方面，低血壓患者、前庭功能失調(diào)者以及血管擴(kuò)張劑使用者應(yīng)慎用全身水平振動(dòng)訓(xùn)練。

5 小結(jié)

目前研究已表明全身水平振動(dòng)訓(xùn)練可在肺動(dòng)脈高血壓、冠狀動(dòng)脈血流儲(chǔ)備、血流量等方面發(fā)揮積極作用，其機(jī)制或許在于提高血流速、增加血管內(nèi)皮剪切力、激活PI3K/Akt和MEKERK1/2信號(hào)傳導(dǎo)通路產(chǎn)生NO、舒張血管。全身水平振動(dòng)訓(xùn)練可能是一種安全的、能夠改善心血管功能的新型訓(xùn)練方法，但其機(jī)制研究和高質(zhì)量臨床試驗(yàn)均較為缺乏，需要更進(jìn)一步深入研究。