運(yùn)動(dòng)與心臟重構(gòu)

秦長(zhǎng)輝

1 前言

在哺乳動(dòng)物物種中，心臟大小隨著體型的增加而增加[1]，與代謝需求、大量血液成比。例如，Stahl早期研究[2]表明哺乳動(dòng)物的心臟大小通常占其體重的約0.6%。然而，對(duì)個(gè)別哺乳動(dòng)物物種進(jìn)行仔細(xì)檢查表明存在相當(dāng)大的差異，并且在某些動(dòng)物中，心臟大小占其體重的1.7%[3]。這種可變性似乎與動(dòng)物習(xí)慣性參與的身體活動(dòng)類型有關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)的動(dòng)物，例如純種馬和灰狗，心臟比那些較少的動(dòng)物明顯更大。這種運(yùn)動(dòng)引起的心臟重塑也表現(xiàn)在耐力運(yùn)動(dòng)員[4]，并被稱為運(yùn)動(dòng)員心臟。

人類和動(dòng)物心臟的重塑往往反映了不良的反應(yīng)，如疾病或潛在的病理學(xué)。擴(kuò)大心室腔或增加心肌壁厚分別和增加的體積載荷或壁應(yīng)力的增加有關(guān)。因此，與心臟病相關(guān)的改變的血液動(dòng)力學(xué)，例如瓣膜反流或主動(dòng)脈瓣狹窄導(dǎo)致不良病理性心臟重塑。但是，生理運(yùn)動(dòng)期間，心臟的血流動(dòng)力學(xué)負(fù)荷也是不可避免的。具體取決于具體情況運(yùn)動(dòng)刺激[5,6]以及環(huán)境溫度[7]，心臟可能會(huì)急劇增加體積負(fù)荷[8-10]，增強(qiáng)“壓力”后載[11]，或兩者的組合[12-14]。因此，當(dāng)運(yùn)動(dòng)經(jīng)常重復(fù)一定時(shí)期，類似于競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員(人類的或動(dòng)物)，可發(fā)生心臟適應(yīng)和重塑。

2 急性運(yùn)動(dòng)與心臟負(fù)荷

有氧運(yùn)動(dòng)與代謝和體溫調(diào)節(jié)需求增加有關(guān)。運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些競(jìng)爭(zhēng)性需求必須通過(guò)增強(qiáng)的血液輸送來(lái)滿足，包括工作肌肉和負(fù)責(zé)熱交換的毛細(xì)血管，需要血流增加，心輸出量(心率和每搏輸出量的成績(jī))和每分鐘氧耗緊密相關(guān)[15,16]。

人類中，在動(dòng)力性(等張)有氧運(yùn)動(dòng)期間，心率和每搏輸出量增加，同時(shí)整體血管阻力適度減少，最終結(jié)果是心輸出量大幅增加。相反，在阻力或靜態(tài)(等長(zhǎng))運(yùn)動(dòng)期間，觀察到心輸出量的適度增加主要由心率(Heart rate，HR)的增加驅(qū)動(dòng)，但同時(shí)伴隨著全身血壓的增加比動(dòng)力性運(yùn)動(dòng)時(shí)觀察到的更明顯。因此，施加在心臟上的血液動(dòng)力學(xué)負(fù)荷取決于運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和模態(tài)。應(yīng)該注意的是，運(yùn)動(dòng)很少是孤立的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)運(yùn)動(dòng)，相反，大多數(shù)運(yùn)動(dòng)都是在涉及這兩個(gè)因素的連續(xù)統(tǒng)一體的某個(gè)地方。為了更好地描述個(gè)體運(yùn)動(dòng)的相對(duì)負(fù)荷，Mitchell等人[17]提出了一種擴(kuò)展模式，它可以更好地表示運(yùn)動(dòng)員心臟所暴露的“混合”心血管負(fù)荷。盡管如此，運(yùn)動(dòng)心肌重塑體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)引起的壓力或容積刺激的背景下[5,6,12-14]。

3 運(yùn)動(dòng)員心臟

運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)心臟重構(gòu)受到廣泛的關(guān)注[18,19]。早在19世紀(jì)90年代，使用聽(tīng)診和叩診，瑞典和美國(guó)的醫(yī)生分別發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀越野滑雪者和賽艇運(yùn)動(dòng)員的心臟形態(tài)增加[20]。運(yùn)動(dòng)性心動(dòng)過(guò)緩的第一份研究報(bào)告來(lái)自波士頓馬拉松賽[21]。隨后，隨著改進(jìn)的成像技術(shù)(例如，心臟超聲和磁共振成像)，許多研究已經(jīng)證實(shí)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可誘導(dǎo)心臟的結(jié)構(gòu)和功能上的適應(yīng)。自20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，提出耐力運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)心臟適應(yīng)，由增加的“體積”負(fù)荷引起，而基于力量的運(yùn)動(dòng)員具有由較高“壓力”負(fù)荷塑造的心臟表型。簡(jiǎn)單地說(shuō)，耐力運(yùn)動(dòng)員有離心型的心室重構(gòu)心臟：大心室、適度的壁增厚、相對(duì)壁厚較低以及靜息HR下降；爆發(fā)力運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出向心型肥厚：相對(duì)較厚的心室壁心室容積小，相對(duì)壁厚度高，HR變化極小后者被假定為由系統(tǒng)性全身血壓增高引起，因此心室壁應(yīng)力與重復(fù)強(qiáng)度、基于力量的活動(dòng)相關(guān)。耐力和力量運(yùn)動(dòng)員之間的這種二分法區(qū)別最初是由Morganroth[22]提出的，后來(lái)被稱為“Morganroth假設(shè)”。這種觀點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)心臟病學(xué)文獻(xiàn)中被廣泛接受。

最初的研究來(lái)自于一緯顯像技術(shù)，隨后，隨著影像學(xué)方法的進(jìn)步，對(duì)力量訓(xùn)練誘導(dǎo)向心肥厚提出了質(zhì)疑。Haykowsky等人[23]提供了進(jìn)一步的生理學(xué)理由，說(shuō)明為什么離心運(yùn)動(dòng)員可能不會(huì)經(jīng)歷同心肥厚。完成強(qiáng)烈力量訓(xùn)練(例如，動(dòng)力提升)時(shí)，個(gè)人執(zhí)行Valsalva動(dòng)作。這種呼吸操作使透壁壓力相等，因此左心室(LV)所面臨的壁應(yīng)力或后負(fù)荷并不顯著大于靜息[23]。因此，如果運(yùn)動(dòng)員在阻力活動(dòng)期間進(jìn)行Valsalva，則心臟不會(huì)暴露于適應(yīng)性應(yīng)激。雖然Haykowsky的數(shù)據(jù)令人信服，但應(yīng)該指出的是，并非所有阻力活動(dòng)都是通過(guò)Valsalva進(jìn)行的。特別是當(dāng)活動(dòng)本質(zhì)上是動(dòng)力性的。因此，除了最短暫的受控阻力活動(dòng)外，運(yùn)動(dòng)員很可能會(huì)經(jīng)歷多次不同程度心臟后負(fù)荷的增加。

Weiner等人[24]展示了美國(guó)大學(xué)橄欖球運(yùn)動(dòng)員的縱向數(shù)據(jù)，證實(shí)了長(zhǎng)時(shí)間以力量為基礎(chǔ)的訓(xùn)練可以進(jìn)行同心重塑。然而，應(yīng)該指出的是，這些運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的同時(shí)也發(fā)展了適度的高血壓。因此，LV后負(fù)荷的增加并不局限于訓(xùn)練期間，并且觀察到的心室壁厚度的增加不能僅僅歸因于運(yùn)動(dòng)刺激。相比之下，Spence等人[25]使用心臟MRI圖像，在六個(gè)月的阻力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中未能顯示出同心重塑。然而，應(yīng)該注意的是，這些人在研究開(kāi)始之前是未經(jīng)訓(xùn)練的人員，并且訓(xùn)練刺激限于每周三次一小時(shí)的訓(xùn)練。因此，這些結(jié)果不能直接與來(lái)自專業(yè)運(yùn)動(dòng)員的文獻(xiàn)進(jìn)行比較，而這些專業(yè)運(yùn)動(dòng)員完成了更大量的、長(zhǎng)期的訓(xùn)練。

最近，采用元分析技術(shù)來(lái)研究Morganroth假說(shuō)。研究證實(shí)耐力訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員中存在離心重構(gòu)[26]，但也為力量訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員的心臟重塑提供了一些支持。盡管分析中包含的力量訓(xùn)練研究顯著減少，但在力量訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員中，室間隔壁和后壁厚度均較大比對(duì)照組，與耐力運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)相似。力量運(yùn)動(dòng)員的心室腔的大小，但不是體積，也比對(duì)照組更大，但低于耐力運(yùn)動(dòng)員。此外，Pluim等人[27]基于相對(duì)壁厚增加(RWT，壁與腔的比例)，認(rèn)為接受過(guò)力量訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出同心肥大。然而，來(lái)自Utomi等人的平均RWT數(shù)據(jù)，力量運(yùn)動(dòng)員為0.40，耐力運(yùn)動(dòng)員為0.41，均符合臨床標(biāo)準(zhǔn)，但無(wú)顯著差異[26]。Morganroth假設(shè)的基礎(chǔ)耐力和力量運(yùn)動(dòng)員分別經(jīng)歷體積或壓力過(guò)載。如上所述，絕大多數(shù)運(yùn)動(dòng)員的情況并非如此，大多數(shù)運(yùn)動(dòng)員參與力量和耐力活動(dòng)，存在不同血流動(dòng)力學(xué)上的變化，從而誘導(dǎo)心臟重構(gòu)。

4 運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)心臟適應(yīng)，不只是局限在左心室

到目前為止，絕大多數(shù)研究運(yùn)動(dòng)員心臟的工作都集中在LV上。這可能和LV在滿足運(yùn)動(dòng)需求所需的心輸出量中起重要作用有關(guān)[28]，但也可能與心臟左側(cè)成像相關(guān)的相對(duì)容易性有關(guān)。但研究不能局限在左心室，應(yīng)當(dāng)關(guān)注右心室、心房和主動(dòng)脈的變化情況。

鑒于運(yùn)動(dòng)需要，左心室和右心室的每搏輸出量增加，耐力運(yùn)動(dòng)員中有明顯證據(jù)的支持LV重塑，RV可能發(fā)生重構(gòu)現(xiàn)象。使用MRI圖像，Scharhag等人[29]提供了耐力運(yùn)動(dòng)員雙心室重塑的證據(jù)。雖然從絕對(duì)意義上講，RV所面臨的靜息后負(fù)荷遠(yuǎn)低于LV，但運(yùn)動(dòng)時(shí)肺動(dòng)脈壓的升高與全身動(dòng)脈壓的升高成比例[30]。RV后負(fù)荷的這種增加與肺動(dòng)脈的非彈性性質(zhì)和肺循環(huán)中相對(duì)缺乏血管舒張有關(guān)。因此，類似LV，對(duì)于完成大量耐力訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員的RV增大有相當(dāng)大的刺激作用。目前，對(duì)于接受過(guò)力量訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員的RV重塑知之甚少，需要進(jìn)一步研究。

此外，根據(jù)薈萃分析的結(jié)果，很明顯主動(dòng)脈[31]和左心房對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練有反應(yīng)[32]。Iskandar等人[31]研究數(shù)據(jù)顯示，與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)員的主動(dòng)脈根平均大于3.2毫米，主動(dòng)脈瓣環(huán)大于1.6毫米。然而，這種差異在耐力方面表現(xiàn)得更加明顯，而不是受過(guò)力量訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員。但不能排除身體大小對(duì)他們的發(fā)現(xiàn)的潛在混雜影響，作為更大的個(gè)體毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)有更大的主動(dòng)脈。另外，一項(xiàng)研究匯總了來(lái)自54項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)，包括超過(guò)七千名運(yùn)動(dòng)員(耐力、力量和聯(lián)合運(yùn)動(dòng)員)，以檢查左心房的運(yùn)動(dòng)重塑。分析表明，與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)員的加權(quán)平均左心房直徑大4.1mm，運(yùn)動(dòng)員體表面積指數(shù)為7mL/m2。與LV和主動(dòng)脈相似，左心房在耐力運(yùn)動(dòng)員同樣表現(xiàn)出最大的適應(yīng)性[32]。

5 心臟適應(yīng)機(jī)制

最近，新興技術(shù)使得能夠評(píng)估LV功能(例如，心肌在縱向、徑向和周向平面中的構(gòu)型以及心室基部和心尖的反向旋轉(zhuǎn))。心臟力學(xué)與潛在的心肌結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如上所述，心肌結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中顯著改造。早期數(shù)據(jù)表明高度適合的個(gè)體具有較低的靜息力學(xué)[33]。與耐力訓(xùn)練引起的心動(dòng)過(guò)緩相似，靜息時(shí)較低程度的心肌構(gòu)型可能有助于在運(yùn)動(dòng)期間獲得更大的儲(chǔ)備。這種儲(chǔ)備將有助于舒張期充盈，在需求增加時(shí)增加SV和心輸出量。最近的研究表明，心室力學(xué)的這種適應(yīng)可能取決于訓(xùn)練持續(xù)時(shí)間。在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的初始階段，LV旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)似乎增加，可能與血容量增加有關(guān)，一旦心肌本身適應(yīng)形成，動(dòng)力學(xué)正常化甚至降低[34]。

另外，從分子水平看，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的心臟重塑通常是與心肌細(xì)胞肥大[35]、心肌細(xì)胞收縮性增加、肌節(jié)重塑、細(xì)胞存活、代謝和線粒體適應(yīng)[36]、電重構(gòu)和血管生成相關(guān)的適應(yīng)性反應(yīng)[37]，例如胰島素樣生長(zhǎng)因子1/PI3K/Akt信號(hào)途徑參與介導(dǎo)多種應(yīng)答[38-40]。啟動(dòng)心臟重塑的刺激、觸發(fā)包括增加的血液動(dòng)力學(xué)負(fù)荷、增加的交感神經(jīng)活動(dòng)以及激素和生長(zhǎng)因子的釋放[37]。

此外，研究表明一周大于4次有氧練習(xí)，持續(xù)超過(guò)45min，可最佳化心臟的健康[38]。

6 小結(jié)

心肺適應(yīng)能力可預(yù)測(cè)心血管疾病。動(dòng)力性有氧運(yùn)動(dòng)可誘導(dǎo)離心型心肌肥厚，力量訓(xùn)練可誘導(dǎo)向心型肥厚。大部分運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)到有氧訓(xùn)練和力量訓(xùn)練，因此，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)心臟重構(gòu)來(lái)自于心臟相對(duì)的容積和壓力負(fù)荷，取決于運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和參與的次數(shù)。運(yùn)動(dòng)是激活心肌細(xì)胞發(fā)生適應(yīng)的強(qiáng)效刺激物，從而提高心臟的健康。