4周限制飲食結合低氧訓練對超重和肥胖青少年骨的影響

高 歡，路瑛麗，徐建方，張 漓，高炳宏，馮連世*

（1.上海體育科學研究所（上海市反興奮劑中心），上海 200030；2.國家體育總局體育科學研究所，北京 100061；3.上海體育學院，上海 200438）

肥胖已成為危害人類健康的一個全球性問題。我國青少年肥胖人口的數(shù)量和比例日益增多。青少年時期的肥胖對成年后健康的危害涉及身體機能的方方面面。青少年階段對骨的生長發(fā)育又極為關鍵，大多數(shù)骨的形成發(fā)生在這一時期，峰值骨量也通常出現(xiàn)在這一階段（Boot et al.，2010）。體重增加，骨所承受的機械負荷增加，而機械負荷增加有益于成骨細胞的分化、增殖（Ehrlich et al.，2002），故傳統(tǒng)觀點認為，肥胖對骨無不良影響，甚至是有益的。然而，動物模型的研究發(fā)現(xiàn)，肥胖鼠股骨骨密度（bone mineral density，BMD）、骨皮質厚度、骨小梁體積顯著低于體重正常鼠（Hamrick et al.，2004）。高脂膳食肥胖鼠破骨細胞活性顯著升高（Cao et al.，2009），BMD、骨小梁體積顯著下降（Hsu et al.，2006；Kyung et al.，2009）。針對人群的調查則發(fā)現(xiàn)，我國成年男性和女性體脂含量百分比與骨質減少、骨折發(fā)生率呈顯著正相關（Hsu et al.，2006）。青少年人群體脂含量與骨礦含量（bone mineral content，BMC）、BMD 呈顯著負相關（Mosca et al.，2014；Nobrega et al.，2014）。大樣本的調查表明，代謝綜合征患者的BMC、BMD顯著低于體重正常人群，這一現(xiàn)象在男性中表現(xiàn)尤為突出（Hwang et al.，2010；Kim et al.，2010；Szulc et al.，2010）。

過多的脂肪堆積是肥胖的典型特征。龐大的脂肪組織可分泌多種細胞因子，如瘦素（leptin，LP）、內脂素（visfatin，VF），或直接或間接地調控骨代謝。也有研究將脂肪組織視為一種內分泌器官（Scheja et al.，2019）。LP缺乏的小鼠，股骨BMC、BMD均顯著下降（Philbrick et al.，2018）；LP受體Δ65位點酪氨酸磷酸化不僅引起肥胖，也會導致骨髓脂肪化、骨質疏松（Mccabe et al.，2019）。VF主要來源于脂肪組織，可通過多個信號途徑參與骨代謝的調控（Franco-Trepat et al.，2019；Tsiklauri et al.，2018）；代謝綜合征患者血清VF水平較高，但BMD較正常體重人群低（Iacobellis et al.，2011）。以上分析提示，肥胖對骨有多重影響，較大的體重使骨的機械應力增加，BMD升高，但長期過高的體脂可能導致骨質疏松、骨強度下降，由脂肪組織分泌的一些脂肪細胞因子在調節(jié)骨代謝過程中可能發(fā)揮重要作用。

長期處于肥胖狀態(tài)，還會引起一系列疾病。減控體重已成為當下超重和肥胖青少年刻不容緩的問題。限制飲食結合有氧運動（diet plus aerobic exercise，DAE）被認為是較為有效的減控體重的方式。與常氧環(huán)境比較，低氧暴露可能更有利于脂肪的動員利用（黃徐根等，2007；Workman et al.，2012）。本課題組的前期研究表明，為期4周的限制飲食結合高住高練低練（living high-training low and high，LHTLH），較為有效地降低了體重、體脂（馮連世等，2013）。在此基礎上，本研究將進一步探討限制飲食結合LHTLH這一低氧訓練方式在減重減脂的同時，對超重和肥胖青少年骨健康的影響。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

世居平原超重或肥胖青少年36人，身體健康，無心血管系統(tǒng)疾病，無抽煙酗酒等不良嗜好，無系統(tǒng)鍛煉史。分為平原訓練組（簡稱“常氧組”）、低氧訓練組（高住高練低練，模擬海拔2 300 m，簡稱“低氧組”）。研究對象基本信息如表1所示。

表1 研究對象基本信息Table 1 Basic Information of Subjects

1.2 干預方案

1）干預共持續(xù)4周，每周運動6天。常氧組每天運動和生活均在平原環(huán)境；低氧組每天晚上7點開始居住在模擬2 300 m海拔高度的低氧環(huán)境中，且每日在模擬2 300 m海拔高度的低氧環(huán)境中運動2 h，其他安排與常氧組相同。每天運動安排：早晨慢走1 h，上午運動2 h，下午運動2 h。運動方式包括：快走、慢跑、乒乓球、羽毛球、游泳、有氧操、功率自行車等。

2）運動過程中，每隔10 min監(jiān)測心率，以評價訓練強度，并控制運動強度在靶心率范圍內。靶心率=靜息心率＋40%心率儲備，最大心率以（220-年齡）推算。本研究選定的運動強度屬于低強度有氧耐力范疇。

3）兩組受試者一日三餐均在同一食堂用餐，由專門的營養(yǎng)師制定菜譜，實行集中分餐制；并以每位受試者的靜息代謝率為基礎（男性約1 900 kcal，女性約1 300 kcal），由研究助理根據(jù)營養(yǎng)師制定的每日膳食攝入量給受試者配餐。男性每天膳食能量攝入2 500 kcal左右，女性2 100 kcal左右。膳食以碳水化合物為主（55%～65%），適量蛋白質（20%～35%），少脂肪含量高的食物（10%～15%）。干預過程中，所有受試者均不補充任何額外營養(yǎng)品。經(jīng)測算，男性每日運動中能量消耗約1 700 kcal，每日凈消耗約1 100 kcal；女性每日運動中能量消耗約1 500 kcal，每日凈消耗約700 kcal。

1.3 測試指標與儀器

分別在實驗開始前1天、結束后1天以雙能X射線吸收法（dual energy X-ray absorptiometry，DXA）測量BMD、BMC，測試儀器為GE Lunar Prodigy，軟件版本：12.2。測試前1 h進行儀器的預熱和校準。采用全身掃描模式，計算機自動識別各區(qū)域。測試前對受試者的基本要求：1）穿著運動裝；2）測試前的3～5天內未服用或注射放射性核素和不透射線藥物；3）測試時，受試者脊椎位于中線，雙手和雙腳自然分開，頭部、手臂邊緣和腳不能超過儀器邊緣。

干預前1天和干預結束后次日晨起空腹采集肘靜脈血5 ml，3 000 rpm離心15 min，分離血清，-80℃凍存。按試劑盒（Thermo Multiscan FC）說明書測試流程，以酶聯(lián)免疫吸附法測定血清LP和VF濃度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

以重復測量方差分析（2×2）比較常氧組與低氧組間有氧運動干預前后的效果差異，各指標干預前后組內差異以配對樣本t檢驗比較，所有結果均以“平均數(shù)±標準差”表示，顯著性水平為P＜0.05，統(tǒng)計軟件為SPSS 25.0。以Person相關性檢驗分析血清LP、VF變化與BMC、BMD變化相關性。

2 研究結果

2.1 4周干預對BMC的影響

如表2所示，4周限制飲食結合有氧運動干預后，常氧組全身總BMC顯著升高（P=0.006），低氧組有顯著升高的趨勢（P=0.092）。手臂、腿部及軀干BMC均略有增加，但無統(tǒng)計學意義上的顯著改變；常氧組與低氧組間無顯著交互效應。

表2 4周干預對BMC的影響Table 2 Effect of 4 Weeks Intervention on BMC

2.2 4周干預對BMD的影響

如表3所示，4周干預后，常氧組和低氧組全身總BMD均顯著升高（P＜0.001、P=0.012），且呈現(xiàn)出顯著的組間交互效應（P=0.011，η2=0.176），常氧組BMD升高幅度顯著高于低氧組（＋3.09%vs＋1.29%）。兩組別手臂BMD顯著升高，呈現(xiàn)出顯著的組間交互效應，常氧組升高幅度顯著高于低氧組（＋17.42%vs＋10.59%）。常氧組腿部BMD顯著升高（P=0.047），低氧組無統(tǒng)計學意義上的顯著改變。兩組別軀干BMD均未發(fā)生顯著改變，腿部和軀干兩個區(qū)域BMD的變化組間均無顯著交互效應。

表3 4周干預對BMD的影響Table 3 Effect of 4 Weeks Intervention on BMD

2.3 4周干預對脊椎BMC和BMD的影響

如表4所示，4周干預后，常氧組脊椎BMC、BMD均顯著升高（P=0.031、P=0.025）；低氧組雖有升高，但無統(tǒng)計學意義上的差異；常氧組與低氧組間BMC、BMD均無顯著交互效應。

表4 4周干預對脊椎BMC和BMD的影響Table 4 Effect of 4 Weeks Intervention on BMC and BMD in Spine

2.4 4周干預對血清LP和VF的影響

4周限制飲食結合有氧運動干預后，常氧組血清LP水平略有升高，低氧組略下降，但與干預前比較均無顯著差異，組間無顯著交互效應。4周干預后，常氧組血清VF下降18.76%，而低氧組升高31.87%，兩組間存在顯著交互效應（P=0.033，η2=0.143，表5）。

表5 4周干預對血清LP、VF的影響Table 5 Effect of 4 Weeks Intervention on Serum Leptin and Visfatin

2.5 血清LP、VF變化與BMC、BMD變化的相關性分析

Pearson相關性分析發(fā)現(xiàn)，血清LP的變化與全身BMC、BMD的變化均無顯著相關性。血清VF的變化與全身BMD的變化呈中等顯著負相關（P=0.04，r=-0.37，圖1）。

圖1 血清VF變化與全身BMD變化的Pearson相關性Figure 1.Pearson’s Correlation between the Changes in Serum VF and Total BMD

前期的研究表明，4周限制飲食結合有氧運動干預后常氧組和低氧組體質量分別下降9.34%、10.18%，全身脂肪質量（fat mass，F(xiàn)M）分別下降13.58%、15.79%，軀干FM分別下降14.08%、15.98%（馮連世等，2013）。全身FM的變化與血清VF的變化無顯著相關性，軀干FM的變化與血清VF的變化呈中等顯著正相關（P=0.02，r=0.38）。

3 分析與討論

本研究表明，4周常氧和低氧環(huán)境下，有氧耐力訓練結合飲食限制在有效減重減脂的同時（馮連世等，2013），全身總BMC及各區(qū)域BMC均略有增加，全身BMD顯著升高，均未對骨健康相關指標造成負面影響。但4周干預后低氧組全身總BMD的升高幅度顯著低于常氧組；血清VF的變化亦存在顯著組間交互效應，低氧組升高而常氧組下降。提示，VF在調節(jié)BMD應答過程中可能發(fā)揮著重要作用。

限制飲食、運動干預或二者相結合是目前減控體重的主要方式。限制飲食是通過減少能量攝入來減體重。動物模型的研究顯示，低熱量飲食后骨小梁、骨皮質容量和BMD 降低，骨強度也顯著下降（Sheng et al.，2013）；破骨細胞數(shù)量顯著增加，且骨生長減緩（Turner et al.，2011）。針對中青年肥胖人群的調查顯示，節(jié)食后雖可減重，但也伴隨著BMC丟失，BMD下降（Bacon et al.，2004；Ensrud et al.，2005；Pritchard et al.，1996）。老年肥胖受試者限制飲食減重后，腰椎BMD顯著下降（Avenell et al.，1994），即使補鈣也難阻BMD下降（Villareal et al.，2011）。以上研究表明，長期限制飲食所致的能量負平衡狀態(tài)可能會影響骨礦物質的吸收，成骨作用抑制。

運動可通過增加日常能量消耗來減控體重。有氧運動有助于改善心肺功能，預防多種心血管疾病（Farrell等，2018）。不僅如此，研究發(fā)現(xiàn)，規(guī)律運動還可有效增加兒童青少年的BMC和BMD（Meyer et al.，2013；Nogueira et al.，2014；Yang et al.，2010）；體力活動量越大，BMD越高（Stager et al.，2006），且骨皮質面積和單位體積密度的升高與體力活動量呈現(xiàn)出劑量依賴效應（Michalopoulou et al.，2013）。運動強度在中段股骨礦物質的重分布中發(fā)揮重要作用，運動強度越大中段股骨圍度和骨強度增加越多（Vainionpaa et al.，2007）。

DAE理論上既可減重，也有助于緩解能量攝入減少對骨造成的不良影響。肥胖老年人6個月～1年的DAE干預后減重約9%，伴隨有BMD下降（Shah et al.，2011；Villareal et al.，2017）；但相近減重幅度下，DAE結合抗阻運動股骨BMD下降幅度較?。╒illareal et al.，2017），這可能與抗阻訓練緩解瘦體重下降作用有關。中青年超重或肥胖女性6個月DAE干預減重約10%的同時，BMD下降約1%（Hinton et al.，2012）。我們推測DAE減重干預過程中，限制飲食的程度、營養(yǎng)結構和運動負荷對骨有較大影響，但可能存在一個平衡點。持續(xù)時間較長、過度的限制飲食所帶來的營養(yǎng)攝入不足，可能會對骨健康造成損害；盡量保持各種營養(yǎng)元素均衡的適度限制飲食，同時，通過運動負荷來促進成骨作用，對骨健康的維持更為有利。對于處于生長發(fā)育高峰期的肥胖青少年而言，適當控制飲食，并保持營養(yǎng)成分的均衡尤為重要。有研究報道，飲食結合有氧運動干預后，肥胖鼠體重和體脂下降較多，但BMC和BMD均未發(fā)生顯著變化（Gerbaix et al.，2013）。超重或肥胖青少年經(jīng)6個月～1年的DAE干預減重后，全身 BMD 無顯著改變（Kelley et al.，2018；Redman et al.，2008）。也有研究報道，肥胖女性3個月DAE干預后，L2-L4腰椎的BMD顯著升高（Hosny et al.，2012）。

我們的研究表明，4周常氧和低氧環(huán)境下DAE干預在成功減重后，全身BMC增加、BMD升高，對骨未造成負面影響。BMC和骨強度主要取決于作用于骨的負荷，這里的負荷來自骨骼肌作用于骨的力及其綜合效應。骨骼肌所作用于骨上的負荷可能存在一個閾值，超過這一閾值成骨相關基因的表達才會被啟動（Frost，1997）。本研究雖減少了飲食中能量攝入，但膳食營養(yǎng)結構均衡；另外，受試者每日運動量較大，并包含跑步、跳躍運動（跳繩），運動過程中全程監(jiān)督，運動效果較好，對骨的有效負荷作用較強。但我們的研究也發(fā)現(xiàn)，低氧組BMD升高幅度顯著低于常氧組，這可能與低氧環(huán)境下相同內負荷強度運動時，外負荷強度（跑速、騎行功率）較常氧運動時低（Wiesner et al.，2010），4周干預過程中作用于骨的負荷效應低于常氧組有關。

VF分布于人體多個組織，脂肪組織是其重要來源之一，故VF也被視作一種脂肪細胞因子。調查顯示，血清VF水平與BMI呈顯著正相關（Taskesen et al.，2012），肥胖青少年循環(huán)血VF水平較高（Li et al.，2013；Taskesen et al.，2012）。減重對VF有顯著影響。肥胖無糖尿病青年女性限制飲食減重8.7%后，F(xiàn)M下降12.8%，瘦體重（lean mass，LM）亦減少5.4%，血清VF顯著升高（Agueda et al.，2012）。超重青年男性12周限制飲食減重后，全身FM和腹部FM分別下降7.5%、6.7%，LM顯著減少3.9%，但血清VF未發(fā)生顯著變化（Matinhomaee et al.，2014）。肥胖中老年受試者不限制飲食，僅通過每周2次、每次90 min的有氧運動，3個月后體質量、FM分別下降2.7%、4.6%，骨骼肌質量基本無變化，但皮下脂肪組織VF mRNA的表達顯著升高（Rausch et al.，2018）。限制飲食結合高強度間歇訓練干預后，中年超重男性全身FM和腹部FM分別減少18.1%、23.4%，LM未發(fā)生顯著變化，但血漿VF顯著降低15.4%（Matinhomaee et al.，2014）。以上報道結果不一，具體原因尚不明確。我們推測可能與性別、年齡、肥胖程度、減重方式及運動負荷等因素有關。值得注意的是，骨骼肌組織亦可分泌VF，運動可誘導骨骼肌VF表達增加，且骨骼肌線粒體含量與VF水平呈正相關（Costford et al.，2010）。有研究指出，LM的變化與血清VF的變化呈顯著相關性（Agueda et al.，2012）。Matinhomaee等（2014）的研究中，限制飲食結合高強度間歇運動干預后，LM基本未發(fā)生變化，所引起的血清VF降低可能主要與FM減少有關。本研究常氧組FM下降的同時，循環(huán)血VF下降達18.76%，這與Matinhomaee等報道（2014）限制飲食結合高強度間歇訓練后，肥胖受試者全身和腹部FM大幅下降，血漿VF同步降低基本一致。我們的研究也發(fā)現(xiàn)，血清VF的變化僅與軀干FM的變化呈顯著正相關，即軀干FM下降幅度越大，血清VF降低幅度越大，但VF的變化與全身FM的變化無顯著相關性。這一結果提示，軀干FM在調節(jié)血漿VF應答過程中可能發(fā)揮著重要作用。研究表明，軀干FM與內臟脂肪面積呈正相關（Demura et al.，2008）。而過多的內臟脂肪與BMC呈負相關（Lv et al.，2016），高內臟脂肪面積還伴隨著血漿VF水平升高及系統(tǒng)炎癥反應增強（Araki et al.，2008；Syme et al.，2019）。這可能也是本研究中常氧組4周干預后血清VF降低、BMC增加、BMD升高的原因之一。

限制飲食結合LHTLH減重干預對肥胖青少年循環(huán)血中VF影響的研究尚未見報道。低氧對VF的表達有直接影響。VF基因啟動子上有兩個低氧反應元件，是低氧誘導因子 1α（hypoxia inducible factor 1-alpha，HIF-1α）的靶基因，低氧暴露或HIF-1α的過表達可導致脂肪組織中VF mRNA水平顯著升高（Segawa et al.，2006）；肝干細胞低氧暴露后6 h，VF蛋白水平亦顯著升高（Yi et al.，2014）。另外，高原/低氧訓練所致的骨骼肌線粒體數(shù)量增多（Hoppeler et al.，2001），可間接上調VF表達。一項不限制飲食，僅每周3 500 m低氧環(huán)境下有氧運動2次、每次90 min的對照干預研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)3個月低氧運動干預，體質量、FM分別下降3.6%、4.0%，骨骼肌質量基本無變化，皮下脂肪組織VF mRNA表達未發(fā)生顯著改變（Rausch et al.，2018），這可能是低氧上調VF表達，抵消了FM減少所致的VF降低。本研究中限制飲食結合LHTLH干預后，血清VF水平升高31.87%，與常氧對照組存在顯著交互效應，而兩種干預方式對體質量及身體成分造成的影響近似，其主要原因可能是持續(xù)大劑量低氧暴露后，HIF-1α上調骨骼肌VF表達增多更占優(yōu)勢。

VF 也是一種促炎因子，可促進 IL6、IL-10、TNF-α 等炎癥因子的分泌（Moschen et al.，2007）。離體研究顯示，在肝細胞，VF可經(jīng)IKK/NF-κB和JAK2/STAT3信號通路誘導炎癥反應和胰島素抵抗（Heo et al.，2019）。慢性腸炎患者血清VF水平與骨質疏松程度呈顯著正相關（Terzoudis et al.，2016）。VF在骨關節(jié)炎和骨質疏松的發(fā)生過程中有著重要作用（Franco-Trepat et al.，2019），可促進骨分解代謝（Yang et al.，2015）。我們的研究發(fā)現(xiàn)，4周干預后VF的變化與BMD的變化呈顯著負相關，這與4周干預后常氧組BMD升高幅度顯著高于低氧組、VF升高幅度顯著低于低氧組相吻合。VF在減重干預過程中骨代謝應答調節(jié)的作用及其機制值得進一步深入研究。

本研究中常氧組和低氧組雖然執(zhí)行相同的運動干預計劃，有專門的研究人員負責膳食營養(yǎng)相關工作，但考慮不周的是4周干預過程中未記錄和計算每天鈣、磷、維生素D等微量元素的攝入量，這是本研究的不足之處。

4 結論

4周限制飲食結合低氧訓練在有效減重減脂的同時，全身總BMC、BMD及各區(qū)域BMC小幅升高，對超重或肥胖青少年骨健康未造成負面影響。但低氧對骨表現(xiàn)出一定程度的不利影響，VF可能在其中發(fā)揮重要作用。