肌肉運(yùn)動(dòng)疲勞的生物標(biāo)志物研究進(jìn)展

趙海濤，曹慶雷，劉 鑫，李小蘭

運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的肌肉疲勞是在短時(shí)間高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)(急性肌肉疲勞)或者長時(shí)間持續(xù)高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)(延遲運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的疲勞)后發(fā)生的，其特征主要表現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疲勞、神經(jīng)內(nèi)分泌和造血系統(tǒng)功能受到抑制、免疫功能和機(jī)體抗過氧化能力下降等[1-2]。肌肉疲勞過程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的生物物質(zhì)，這些物質(zhì)稱為生物標(biāo)志物。廣義的生物標(biāo)志物是指生物體產(chǎn)生的可測量的產(chǎn)物或物質(zhì)，可用作生物狀態(tài)的指示物，并用于對(duì)機(jī)體進(jìn)行診斷、監(jiān)測或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[3]，也可以用于客觀地評(píng)估個(gè)體的生物或病理過程。生物標(biāo)志物會(huì)受各種因素的影響，包括年齡、性別以及個(gè)人生理狀況等[4-5]。肌肉疲勞生物標(biāo)志物的分類遵循疲勞機(jī)制和疲勞期間的代謝變化以及疲勞后產(chǎn)生的表型等。由于肌肉疲勞產(chǎn)生原因很復(fù)雜，因此沒有有效用于評(píng)估肌肉疲勞的單一生物標(biāo)志物。用多個(gè)分解代謝生物標(biāo)志物比單個(gè)生物標(biāo)志物可以更好地預(yù)測肌肉疲勞現(xiàn)象[6]。為了更好的梳理肌肉疲勞的相關(guān)生物標(biāo)志物，從生物標(biāo)志物的獲得方式對(duì)生物標(biāo)志物進(jìn)行分類(圖1)，主要包括侵入式肌肉疲勞生物標(biāo)志物:ATP 代謝，氧化應(yīng)激，免疫；非侵入式肌肉疲勞生物標(biāo)志物:功率輸出測量，電生理測量，心臟測量等。

圖1 肌肉疲勞示意圖Figure 1 Schematic diagram of muscle exercise fatigue

1 侵入式生物標(biāo)志物

侵入式生物標(biāo)志物大多來源于血液，還有一些來自唾液或尿液。主要是由于ATP 消耗、氧化應(yīng)激反應(yīng)、免疫損傷等過程產(chǎn)生的，這些過程產(chǎn)物可以用于肌肉疲勞檢測。

1.1 能量代謝的生物標(biāo)志物

運(yùn)動(dòng)過程中，能量代謝的直接供能物質(zhì)是三磷酸腺苷(ATP)，隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，儲(chǔ)能物質(zhì)會(huì)逐漸減少。與能量代謝相關(guān)的肌肉疲勞的標(biāo)志物主要包括乳酸，氨和氧化嘌呤等[1]。

1.1.1 乳酸

在氧化磷酸化不能為機(jī)體提供足夠的ATP 時(shí)，ATP 的產(chǎn)生就會(huì)從有氧過程轉(zhuǎn)變?yōu)闊o氧糖酵解或糖原分解過程。乳酸是無氧呼吸的產(chǎn)物之一，通常乳酸隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增加而呈線性增加[7]，當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度超過一定范圍后，血清乳酸含量呈指數(shù)增長[8]。血清乳酸含量的增加并不隨年齡變化，在性別之間也沒有差異，也不依賴于身體狀況[9]。但是，乳酸檢測有一定的局限性，它還取決于環(huán)境溫度、飲水、飲食情況及乳酸清除率和糖原含量等[10]。在對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行的疲勞研究中，血清乳酸含量會(huì)隨疲勞程度的上升而增加[2]。在對(duì)12 名健康受試者的進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，核心穩(wěn)定訓(xùn)練后血清乳酸含量會(huì)降低，表明在這種條件下乳酸清除率得到了改善[11]。所以，不同的運(yùn)動(dòng)方式會(huì)影響乳酸作為肌肉疲勞標(biāo)志物的準(zhǔn)確性。

1.1.2 氨

氨主要來自于5' -腺嘌呤核苷酸(AMP)轉(zhuǎn)化成次黃嘌呤核苷酸(IMP)及氨基酸的降解過程中，短期運(yùn)動(dòng)和長期運(yùn)動(dòng)后氨含量都會(huì)增加[3]。蛋白激酶(AMPK)是AMP 向IMP轉(zhuǎn)化的催化酶之一，心肌細(xì)胞中的AMPK 可以被運(yùn)動(dòng)激活，并隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間和強(qiáng)度的增加而增加。同時(shí)AMPK 在糖原的厭氧代謝轉(zhuǎn)變?yōu)檠呛椭舅岬难趸x過程中也起到重要作用。AMPK 還參與到長期的代謝適應(yīng)過程中，例如經(jīng)過長時(shí)間的訓(xùn)練會(huì)使線粒體數(shù)量提高[12]。雖然很多研究已經(jīng)報(bào)道了氨的相應(yīng)參考值，但是影響其參考值的因素有很多，比如血清氨含量不依賴年齡的增長而增加[12]，但是對(duì)性別和身體健康的依賴性研究不多，就性別而言，男性在短跑運(yùn)動(dòng)后氨的增加要明顯高于女性。對(duì)訓(xùn)練和未訓(xùn)練的健康受試者進(jìn)行測量，結(jié)果顯示在運(yùn)動(dòng)期間血清中的氨增加了約1/3[13]。這是因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)期間，AMP 降解增強(qiáng)使血清氨和細(xì)胞內(nèi)IMP 水平會(huì)同時(shí)增加。由于氨含量緊密地跟隨乳酸反應(yīng)而變化，故可作為監(jiān)測肌肉疲勞的標(biāo)志物。

1.1.3 次黃嘌呤和黃嘌呤

次黃嘌呤(IMP)是天然存在的嘌呤衍生物，是核酸的重要組成部分，主要存在于轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸(tRNA)中。黃嘌呤(XMP)是一種廣泛分布于人體器官及體液內(nèi)的一種嘌呤堿。IMP 和XMP 都屬于黃嘌呤。黃嘌呤會(huì)隨運(yùn)動(dòng)增加而增加且與ATP 消耗呈正相關(guān)[3]。在劇烈的體育運(yùn)動(dòng)期間，黃嘌呤是肌肉細(xì)胞能量耗盡的特殊而敏感的生物標(biāo)志物[14]。在對(duì)20 位健康男性的研究顯示次黃嘌呤的血漿濃度在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)增加明顯[15]。由于血清次黃嘌呤與細(xì)胞內(nèi)部消耗ATP 的量直接相關(guān)，所以它是肌肉疲勞的良好生物標(biāo)志物。

1.1.4 其它代謝相關(guān)的生物標(biāo)志物

運(yùn)動(dòng)過程實(shí)際是一個(gè)不斷消耗能量用來做功的過程，由于能量的消耗，代謝產(chǎn)物的堆積導(dǎo)致做功能力下降，與能量代謝相關(guān)的標(biāo)志物還包括某些催化酶，如血紅蛋白運(yùn)送氧氣，肌肉疲勞時(shí)導(dǎo)致血紅蛋白(HB)下降；血清肌酸激酶(CK)是ATP 恢復(fù)反應(yīng)的催化酶，肌肉疲勞時(shí)進(jìn)入血液導(dǎo)致其在血液中濃度升高；血清睪酮/皮質(zhì)醇比值(T/C)是指示體內(nèi)合成和代謝的激素類物質(zhì)，根據(jù)機(jī)體的合成和代謝比例反映機(jī)體疲勞程度；琥珀酸脫氫酶(SDH)是線粒體內(nèi)膜中參與三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵酶，肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)，大量的SDH 進(jìn)入血液導(dǎo)致肌肉疲勞。還有很多與代謝相關(guān)的標(biāo)志物，在前人研究中已經(jīng)描述得較為詳細(xì)[3]。

1.2 氧化應(yīng)激的生物標(biāo)志物

運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)活性氧(ROS)的過量產(chǎn)生，導(dǎo)致氧化應(yīng)激，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)疲勞和運(yùn)動(dòng)能力下降[15]。氧化應(yīng)激在運(yùn)動(dòng)剛結(jié)束后是最劇烈的[2]，其參數(shù)通常也在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后立即增加[22]。ROS 形成的氧化應(yīng)激涉及到各種大分子損傷，免疫功能障礙和肌肉損傷等[15]。并且ROS 的增加也會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)氧化或者核酸氧化的增加。其過程中涉及到的標(biāo)志物主要包括硫代巴比妥酸反應(yīng)性物質(zhì)(TBARS)、谷胱甘肽(GSH)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、過氧化氫酶、總抗氧化能力(TAC)[16]和蛋白質(zhì)氧化生物標(biāo)志物(蛋白質(zhì)羰基化合物)等。

1.2.1 硫巴比妥酸反應(yīng)物質(zhì)

硫巴比妥酸反應(yīng)物質(zhì)是脂質(zhì)過氧化的終產(chǎn)物，可以與硫代巴比妥酸反應(yīng)形成熒光紅色化合物[3]，是脂質(zhì)過氧化和氧化應(yīng)激的重要指標(biāo)[2]。由于低密度脂蛋白的過氧化和氧介導(dǎo)的肌細(xì)胞膜損傷而使TBARS 出現(xiàn)在血清中，并隨年齡增長，身體健康程度而增加。與男性相比，女性血清中的含量更低[3]。TBARS 在運(yùn)動(dòng)開始幾分鐘后開始增加，并且在運(yùn)動(dòng)完成后也會(huì)繼續(xù)增加。在健康男性中，經(jīng)過高強(qiáng)度訓(xùn)練一段時(shí)間后約有超過95%的人會(huì)產(chǎn)生TBARS。運(yùn)動(dòng)期間TBARS 的增加會(huì)伴隨著熱休克蛋白(HSP)產(chǎn)生的減少，這就表明了運(yùn)動(dòng)過程中的氧化應(yīng)激是由于HSP 的產(chǎn)生不足導(dǎo)致的[17]。

1.2.2 異前列素

異前列素是前列腺素樣化合物，在體內(nèi)來自于必需脂肪酸的過氧化作用。異前列烷酯化為細(xì)胞膜中的磷脂，并通過磷脂酶的作用以游離形式釋放以在體液中循環(huán)。異前列素是脂質(zhì)過氧化的精確標(biāo)記，并且它們的運(yùn)動(dòng)相關(guān)增加反映了肌肉活動(dòng)后對(duì)細(xì)胞膜的氧化損傷程度。異前列素通常在血清，尿液或其他體液和血細(xì)胞中檢測到。異前列素隨年齡增加而增加[18]，并且研究顯示女性產(chǎn)生的異前列腺素比男性略低。

1.2.3 蛋白質(zhì)羰基化

蛋白質(zhì)羰基化物主要來源于白蛋白或其他血清蛋白的氧化作用[19]。蛋白質(zhì)羰基被認(rèn)為是氧化性蛋白損傷的標(biāo)志物，通常在血清中測定[19]。運(yùn)動(dòng)后蛋白質(zhì)羰基化的升高歸因于吞噬細(xì)胞進(jìn)入肌肉組織后，產(chǎn)生ROS 并伴有隨炎癥和酸痛。有研究證實(shí)，在進(jìn)行70% ˙VO2max運(yùn)動(dòng)30 min，蛋白質(zhì)羰基在24 h 后增加了1.6～2.4 倍[20]。在超級(jí)馬拉松運(yùn)動(dòng)后，其含量在48 h 達(dá)到最高[20]。

1.2.4 谷胱甘肽

谷胱甘肽(GSH)幾乎存在于所有細(xì)胞中，是最重要的抗氧化劑[21]。作為抗氧化劑，GSH 可以取代鹵素、硫酸鹽、磺酸鹽、磷酸鹽或硝酸鹽等基團(tuán)。健康受試者在大負(fù)荷量訓(xùn)練期間，GSH 會(huì)降低，這可能與運(yùn)動(dòng)能力的下降有關(guān)。一般在運(yùn)動(dòng)開始后的約5 min 可以觀察到GSH 最大程度的減少[3]。除了ROS 清除之外，GSH 是抗壞血酸和α -生育酚再生所需的重要物質(zhì)。GSH 與氧化谷胱甘肽(GSSG)比值的降低與運(yùn)動(dòng)能力的下降和氧化水平的增加密切相關(guān)，表明了GSH 的含量與肌肉疲勞的高度相關(guān)性。

1.2.5 谷胱甘肽過氧化物酶

谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)是在低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)下可以清除過氧化氫(H2O2)的酶， H2O2是在IMP 降解為尿酸期間由黃嘌呤氧化酶形成的超氧化物。而在高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)下，H2O2的產(chǎn)生量卻超過了GPX 的催化能力。GPX 普遍存在機(jī)體的各個(gè)組織中，可以在大多數(shù)體液和細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。在健康受試者中，GPX 隨運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增加。為了補(bǔ)償GPX 對(duì)H2O2的清除不足，過氧化氫酶的產(chǎn)生在進(jìn)行更高水平的運(yùn)動(dòng)時(shí)明顯增加。但是H2O2的過量會(huì)引起肌肉收縮能力的下降，從而增加肌肉疲勞程度[22]。

1.2.6 過氧化氫酶

過氧化氫酶是一種普遍存在的催化H2O2分解成水和氧的酶。該酶具有較高的周轉(zhuǎn)率。一項(xiàng)研究表明:過氧化氫酶的含量值在女性中普遍較低，并隨年齡增長而下降，但在對(duì)健康體育學(xué)生的研究中卻沒有報(bào)告此性別差異。在后來的研究顯示:過氧化氫酶在短距離運(yùn)動(dòng)后明顯增加，并且增加水平與個(gè)體差異聯(lián)系較小。在健康男性中，血清過氧化氫酶水平僅在非常高強(qiáng)度訓(xùn)練后才會(huì)有所增加[23]。

1.2.7 丙二醛(MDA)

MDA 是機(jī)內(nèi)進(jìn)行的氧化反應(yīng)的代謝產(chǎn)物之一，在一定程度上MDA 可以反應(yīng)細(xì)胞受到氧化或者自由基攻擊的受損程度。高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA 含量明顯增高，MDA 的含量在一定程度上跟肌肉的疲勞程度成正相關(guān)。對(duì)超長馬拉松運(yùn)動(dòng)員完成比賽后血漿分析證實(shí)，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后體內(nèi)的MDA 含量明顯升高，同時(shí)超氧化物歧化酶(SOD)的活性也升高[23-24]。通過分析SOD/MDA 可以反映體內(nèi)自由基生成和清除速率，進(jìn)一步深入客觀分析自由基代謝的實(shí)際變化，進(jìn)而可以了解肌肉的疲勞程度。

1.2.8 總抗氧化能力(TAC)

TAC 包括細(xì)胞內(nèi)的特異和非特異性抗氧化物。特異性抗氧化物包括抗氧化酶(GPX)、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶(SOD)，非特異性抗氧化物包括谷胱甘肽(GSH)、抗壞血酸、白蛋白、尿酸、生育酚、類胡蘿卜素、輔酶Q、膽紅素、酸半胱氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸和金屬螯合物等。TAC 的非酶抗氧化的性質(zhì)通常通過鐵還原抗氧化劑(FRAP)試劑測定，通常在血清中檢測，并且此反應(yīng)與年齡和性別有關(guān)[24]。TAC隨著年齡增加而增加，這是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)羰基化合物和高級(jí)氧化蛋白質(zhì)產(chǎn)物(AOPP)隨年齡增加，這些產(chǎn)物都與TAC 密切相關(guān)。TAC 在早上的含量比下午更高[25]，在運(yùn)動(dòng)期間減少。在健康男性中，強(qiáng)化訓(xùn)練引起雙相TAC 反應(yīng)，在低強(qiáng)度和中高強(qiáng)度訓(xùn)練后顯著增加，在非常高強(qiáng)度訓(xùn)練后反而降低[25]。在所有訓(xùn)練結(jié)束后，尿酸增加，占TAC 增加的約1/3。此外，GSH 有助于TAC 的增加[25]。TAC 的增加表明身體的抗氧化防御系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)期間被激活[26]。

氧化應(yīng)激的其他潛在生物標(biāo)志物包括SOD、尿酸和總膽紅素。它們已在其他文獻(xiàn)中被詳細(xì)描述[3]。大多數(shù)氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物的缺點(diǎn)是晝夜波動(dòng)，在晚上比上午更低[25]。與晚上相比，早晨靜息時(shí)的抗氧化參數(shù)更高[16]。抗氧化效率隨著年齡增加而降低，氧化應(yīng)激的損傷隨年齡增加而增加。

1.3 免疫相關(guān)的生物標(biāo)志物

除了ATP 耗竭和ROS 產(chǎn)生之外，運(yùn)動(dòng)也會(huì)誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)。大量的數(shù)據(jù)表明，骨骼肌會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞因子，誘導(dǎo)全身處于抗炎癥的狀態(tài)[27]。Brandt 和Pedersen 為描述這種抗炎反應(yīng)，將骨骼肌視為內(nèi)分泌器官[27]。由骨骼肌產(chǎn)生的肌球蛋白包括白介素(IL)類(IL-6、IL-8、IL-15)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子、類卵泡抑制素-1 等。炎癥相關(guān)生物標(biāo)志物是分解代謝生物標(biāo)志物和包括參與細(xì)胞免疫應(yīng)答的促炎因子。免疫相關(guān)的標(biāo)志物主要包括IL 類，IL -受體拮抗劑(IL -RA)，TNF-α 和C-反應(yīng)蛋白[28-29]等。

1.3.1 白細(xì)胞

運(yùn)動(dòng)會(huì)引起T 淋巴細(xì)胞從外周淋巴進(jìn)入到血液中，運(yùn)動(dòng)后淋巴細(xì)胞會(huì)迅速減少。這種效應(yīng)在CD8 分化簇和自然殺傷細(xì)胞群體中最為明顯。在沒有實(shí)際損傷的情況下，T 淋巴細(xì)胞募集代表應(yīng)激組織在缺血的情況下發(fā)生了非特異性免疫應(yīng)答[15]。這是由于免疫細(xì)胞產(chǎn)生ROS，同時(shí)促進(jìn)運(yùn)動(dòng)后炎癥的愈合。T 淋巴細(xì)胞的參考范圍取決于年齡、性別和所應(yīng)用的方法。在健康受試者中，CD4+和CD8+淋巴細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)后動(dòng)員到外周血中。這些變化表明，與血液中的T 細(xì)胞相比，通過運(yùn)動(dòng)動(dòng)員的T 細(xì)胞增殖能力下降了。除了淋巴細(xì)胞之外，中性粒細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)后也會(huì)增加[7]。

1.3.2 白細(xì)胞介素-6(IL-6)

IL-6 由T 淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞分泌，組織創(chuàng)傷后引起免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致炎癥[3]。IL-6 會(huì)增加葡萄糖的攝取和運(yùn)動(dòng)期間的肝葡萄糖生成以及胰島素介導(dǎo)的葡萄糖降解，也參與脂肪分解和脂肪氧化[3]。IL -6 在運(yùn)動(dòng)開始后立即釋放進(jìn)入循環(huán)，并且在運(yùn)動(dòng)后立即達(dá)到頂峰。在發(fā)生后數(shù)小時(shí)內(nèi)恢復(fù)正常。IL -6 與運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、活動(dòng)肌肉數(shù)量和耐力相關(guān)，并且IL-6 含量在女性中高于男性[3]。

1.3.3 TNF-α

TNF-α 又稱為促炎細(xì)胞因子，其主要由巨噬細(xì)胞產(chǎn)生并且能夠誘導(dǎo)凋亡、炎癥、細(xì)胞增殖和分化、調(diào)節(jié)組織細(xì)胞的更新，并抑制腫瘤發(fā)生和病毒復(fù)制。TNF -α 通過增加脂肪組織中游離脂肪酸的釋放和增加脂肪細(xì)胞的脂解作用間接引起胰島素抵抗[27]。正常條件下TNF -α 的參考范圍在0.78 和3.12pg/ ml 之間，與年齡，性別和身體狀況無關(guān)。在身體狀況良好的情況下，TNF -α 水平基本不會(huì)改變。運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)表明，肌肉疲勞與血清中TNF -α 含量相關(guān)[30]。在對(duì)716 名社區(qū)居民受試者的研究中，握力的減少與TNF -α 水平的增加相關(guān)[6]。

1.3.4 C-末端集聚蛋白片段(CAF)

集聚蛋白是神經(jīng)肌肉接頭的蛋白質(zhì)。其活性受神經(jīng)胰蛋白酶調(diào)節(jié)。它可將集聚蛋白切割成C -末端集聚蛋白片段(CAF)。如果神經(jīng)肌肉接頭的神經(jīng)胰蛋白酶活性降低，則會(huì)降低能量輸出[31]。在22 名健康老年受試者的研究中，在男性中，CAF 和疲勞閾值之間存在負(fù)相關(guān)性[31]。此結(jié)論認(rèn)為CAF 濃度與肌肉疲勞的產(chǎn)生相關(guān)(僅在男性中)，卻與年齡無關(guān)[31]。

1.3.5 皮質(zhì)醇

皮質(zhì)醇是由腎上腺皮質(zhì)束狀帶合成分泌的一種糖皮質(zhì)類固醇激素。其主要功能是增加糖異生，對(duì)蛋白質(zhì)和脂肪代謝的影響亦非常顯著。各種運(yùn)動(dòng)過后，皮質(zhì)醇水平增加。唾液游離皮質(zhì)醇含量在比賽之后的中長跑運(yùn)動(dòng)員體內(nèi)呈增加趨勢[32]。

1.4 其他潛在的侵入式生物標(biāo)志物

一般情況下，血清中的維生素E 水平隨著疲勞的增加顯著降低。由氧化應(yīng)激引起的疲勞的其他潛在生物標(biāo)志物還包括HSP27 和HSP70，其保護(hù)細(xì)胞抵抗氧化應(yīng)激。氧化蛋白終末產(chǎn)物AOPP 代表在肌肉疲勞期間的氧化代謝的另一種潛在生物標(biāo)志物。AOPP 沒有氧化劑性質(zhì)，并且與松香和晚期糖基化終產(chǎn)物-戊糖苷相關(guān)，二者所代表的氧化劑介導(dǎo)蛋白質(zhì)損傷。另外，IL -1RA，IL -8，IL -10，IL -15，TNF -αR1 和血漿DNA 也是潛在的標(biāo)志物。其他潛在的監(jiān)測疲勞的生物標(biāo)志物包括睪酮，唾液免疫球蛋白A，天然殺傷細(xì)胞活性，嗜中性粒細(xì)胞吞噬活性，甲基組氨酸，葡萄糖-1 -磷酸，葡萄糖-6 -磷酸和?；撬?，其中一些可以很容易地通過色譜或者質(zhì)譜在唾液中測量。同時(shí)，在長期大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中，鉀從肌肉細(xì)胞不斷流失，降低膜電位，從而使肌肉膜去極化。緊接著，肌肉會(huì)變?nèi)鮗1，17]。此外，肌肉細(xì)胞中鉀的消耗會(huì)導(dǎo)致進(jìn)行性高鉀血癥[17]。所以，肌肉疲勞的發(fā)生還與很多離子濃度等有關(guān)(見表1)。

表1 肌肉疲勞的生物標(biāo)志物分類(侵入式)Table 1 Classification of biomarkers of muscle fatigue (invasive)

2 非侵入式生物標(biāo)志物

非侵入式生物標(biāo)志物主要借助一些輔助設(shè)備，對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)機(jī)能進(jìn)行評(píng)定，主要包括機(jī)體做功能力、肌肉的電生理指標(biāo)以及心肺功能等，由于其非創(chuàng)傷的特點(diǎn)，適宜大規(guī)模反復(fù)的進(jìn)行測量，具有良好的發(fā)展前景。表2 是目前主要應(yīng)用的指標(biāo)。

表2 肌肉疲勞的生物標(biāo)志物分類(非侵入式)Table 2 Classification of biomarkers of muscle fatigue (noninvasive)

2.1 功率輸出標(biāo)志物

2.1.1 步行和跑步

行走和跑步測試是常用的評(píng)估功率輸出的手段。步行測試有很多種方式，包括400 m 步行測試、定時(shí)起跑測試、12 min 步行測試和樓梯攀登測試等。評(píng)估功率輸出的另一種簡單方法是測量跑步速度或距離。跑步速度的降低是間接測量肌肉疲勞的簡單方法。在馬拉松運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)后觀察到跑步速度的下降[29]。在進(jìn)行University of Montreal track test(UMTT)的22 名耐力運(yùn)動(dòng)員的研究表明，在UMTT 后，最大跑步速度測試保持不變，這可能是由于運(yùn)動(dòng)激活后的強(qiáng)化現(xiàn)象(PAP)。其他跑步測試包括20 m 內(nèi)最大跑步速度(20 m沖刺測試，高強(qiáng)度跑步距離測試(THIR)和重復(fù)沖刺能力(RSA)運(yùn)動(dòng)，后兩者的不足之處是有可能加重肌肉疲勞[33]。

2.1.2 舌壓

評(píng)估延髓肌的功率輸出的方法是測量舌頭壓力。舌頭壓力與延髓相關(guān)的功能表呈正相關(guān)[34]。與下肢肌肉相比，舌頭壓力與咽部，頸部和上肢肌肉的肌肉力量的相關(guān)性更強(qiáng)。肌肉疲勞后也會(huì)造成舌壓的減少。研究發(fā)現(xiàn)，在延髓脊髓性肌萎縮患者中發(fā)現(xiàn)舌壓降低現(xiàn)象，即使在沒有吞咽困難患者中，這些患者的舌頭壓力也會(huì)減小，這是為了補(bǔ)償他們的舌肌無力[34]。雖然舌壓未被證實(shí)為肌肉疲勞的生物標(biāo)志物，但對(duì)于肌肉疲勞，是一個(gè)有前景的監(jiān)測指標(biāo)。

2.1.3 跳躍

評(píng)估功率輸出的另一種方式是跳躍測試。最常用的是縱跳(Counter Morement Jump，CMJ)測試，它會(huì)收集和分析諸如平均功率，峰值速度，峰值力(PF)，跳躍高度，飛行時(shí)間等參數(shù)[35]。該試驗(yàn)僅引起最小量的額外疲勞，因此是在運(yùn)動(dòng)前后進(jìn)行肌肉疲勞監(jiān)測常用的檢測之一。在等動(dòng)力運(yùn)動(dòng)后，同步運(yùn)動(dòng)峰值扭矩會(huì)在運(yùn)動(dòng)后24 h 降低。在運(yùn)動(dòng)后72 h內(nèi)，運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)似乎下降，然而在劇烈運(yùn)動(dòng)后力量保持不變[35]。用于測量功率輸出的其他跳躍測試包括靜態(tài)跳躍(SJ)測試[35]，垂直跳躍測試和跌落跳躍等。

2.1.4 自行車運(yùn)動(dòng)

評(píng)估功率輸出的另一種方式是通過功率自行車測試。最常用的是自行車測功儀沖刺測試，其特異性地量化疲勞引起的肌肉做功的減少，這可能被CMJ 彈跳測試忽略。自行車測力計(jì)沖刺測試是一種監(jiān)控耐力或團(tuán)隊(duì)成員的肌肉疲勞的方法[36]。

2.1.5 肌肉力量

運(yùn)動(dòng)后測量肌肉力是衡量肌肉疲勞的最常用的手段之一。運(yùn)動(dòng)期間輸出功率的損失可反映肌肉疲勞程度。有很多方法可以進(jìn)行測量，例如測量肌肉力可以用測力計(jì)、功率輸出測量裝置等進(jìn)行評(píng)估。運(yùn)動(dòng)后，特別是在馬拉松之后，腿和手臂的力量會(huì)減少[29]。最大等長收縮(MIFGC)在偏心收縮之后立即減小，在運(yùn)動(dòng)后48 h 保持抑制，壓腿運(yùn)動(dòng)后功率輸出也會(huì)減少。此方法的不足之處是峰值功率會(huì)有晝夜波動(dòng)，即與早上相比，晚上值較高[16]。

2.2 電生理生物標(biāo)志物

2.2.1 表面肌電(EMG)分析

應(yīng)用EMG，通過位于選定肌肉的端板區(qū)域上的雙極表面電極記錄干涉圖案。然后將信號(hào)傳遞到A/ D 轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行帶通濾波，并轉(zhuǎn)換成均方根(RMS)或EMG 振幅的平均整流電壓，其大致等于平均整流值(MRV)。此外，表面EMG干涉圖案可以通過快速傅立葉變換分析其中值頻率，平均功率輸出或明顯時(shí)期的平均頻率(MF)[7]。MRV 或RMS 通常在運(yùn)動(dòng)后增加。MF 和平均功率輸出通常在運(yùn)動(dòng)后降低[7]。因此，肌肉疲勞的特征是EMG 干擾模式振幅的增加(額外的運(yùn)動(dòng)單位的增加，發(fā)射頻率的增加，放電的同步)和頻譜向左移動(dòng)[37]。肌肉疲勞恢復(fù)的特征在于EMG 振幅的降低和向右的頻譜的移動(dòng)[37]。

2.2.2 肌力矩

為了評(píng)估肌力矩，在靜息肌肉上粘附表面電極，然后用恒定電流刺激，直到觀察到力矩峰，主要的參數(shù)包括最大等軸力矩，最大肌力矩(峰值扭矩)和半松弛時(shí)間。運(yùn)動(dòng)后，力矩峰值通常降低，與老年人相比，年輕人的最大肌力矩的減少更明顯[7]。

2.2.3 經(jīng)顱磁刺激(TMS)

在8 例伴隨2 min 最大肌力(MVC)的電傷害患者中，TMS 顯示了靜息期的延長和M 波反應(yīng)面積和振幅的增加[38]。在肌肉疲勞中，這些效應(yīng)可能會(huì)增加。該技術(shù)允許區(qū)分中心和外圍對(duì)肌肉疲勞的影響[39]。

2.2.4 肌萎縮肌動(dòng)圖(MMG)

MMG 會(huì)測量峰值扭矩，收縮時(shí)間，松弛時(shí)間，加速力的發(fā)展和松弛，力松弛的斜率和tau 以及平均功率頻率疲勞閾值[40]。峰值扭矩，力的加速度，松弛的加速度，力松弛的斜率和tau 力松弛會(huì)在肌肉疲勞期間降低。而收縮時(shí)間，松弛時(shí)間和力松弛的tau 都會(huì)增加[40]。

2.2.5 M-波持續(xù)時(shí)間

另一個(gè)監(jiān)測肌肉疲勞的電生理方法是在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)刺激后對(duì)M-wave 的檢測。首先觀察弱刺激電流產(chǎn)生的最大的反應(yīng)[7]，然后以10 mA 的差值增加刺激電流，直到達(dá)到清晰M 波幅度。此后，施加額外的25%的刺激電流，再去觀察。在一項(xiàng)12 名健康男性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)的研究中， M 波持續(xù)時(shí)間顯著增加，而相應(yīng)的面積和振幅則下降[7]。

2.2.6 神經(jīng)傳導(dǎo)速度

在一些研究中，無論是進(jìn)行偏心或同心運(yùn)動(dòng)，肌肉疲勞會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)傳導(dǎo)速度下降[3]。在力量型運(yùn)動(dòng)員以及耐力型運(yùn)動(dòng)員中，肌肉疲勞的程度與神經(jīng)傳導(dǎo)速度呈負(fù)相關(guān)[2]。與神經(jīng)傳導(dǎo)速度相反，至少在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)期間，由表面肌電EMG 評(píng)估的肌纖維傳導(dǎo)速度(MFCV)隨肌肉疲勞降低。在諸如疲勞等長收縮等靜態(tài)鍛煉中，MFCV 保持不變。

2.2.7 EMG 疲勞閾值

EMG 疲勞閾值被定義為個(gè)體可以無限維持的鍛煉強(qiáng)度，最近人們引入了一種新的實(shí)用可靠的方法來確定EMG疲勞閾值。在疲勞閾值(PWCFT)下的做工能力被定義為最高功率輸出的平均值，通過PWCFT 測量，可以區(qū)分不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。在這方面有參考意義的還有氣體交換閾值(PGET)、呼吸補(bǔ)償點(diǎn)(PRCP)和臨界功率[2，37]相關(guān)的功率輸出。PWCFT，PGET 和MPFFT 之間相關(guān)性的缺乏表明這3 個(gè)疲勞閾值有不同的生理機(jī)制[2，37]。

2.2.8 其他相關(guān)標(biāo)志物

還有其他可以用于肌肉疲勞檢測的標(biāo)志物。如超聲波、磷磁共振波譜法和疲勞腿壓測試等。

2.3 心肺相關(guān)的標(biāo)志物

2.3.1 心臟功能

肌肉疲勞取決于肌肉血流量，也取決于心臟功能。因此監(jiān)測和評(píng)估基本心臟參數(shù)可有助于評(píng)估肌肉疲勞。經(jīng)常應(yīng)用的心臟參數(shù)包括心率，運(yùn)動(dòng)后心率恢復(fù)和由長期心電圖計(jì)算得出的心率變異性(LnrMSSD)[3，10]。心率是評(píng)估運(yùn)動(dòng)時(shí)人體內(nèi)部負(fù)荷的最常見參數(shù)之一，這是因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)期間心率和氧消耗之間具有線性關(guān)系[10]。因?yàn)楦杏X疲勞評(píng)級(jí)和CMJ 之間存在正相關(guān)關(guān)系，HRR 和LnrMSSD 是疲勞狀態(tài)下非常有前景的生物標(biāo)志物[3]。

2.3.2 心臟壓力

心臟壓力是用心臟應(yīng)激指數(shù)(CSI)測量，使用了心率的非線性，去趨勢波動(dòng)分析(DFA)。因此，它與Borg 的主觀體力感覺評(píng)定(RPE)量表呈正相關(guān)，且表明心臟壓力會(huì)導(dǎo)致肌肉疲勞[41]。由于CSI 有效地量化了運(yùn)動(dòng)期間的心臟壓力程度，它可以用于監(jiān)測運(yùn)動(dòng)期間的心臟狀況[41]。此外，在大鼠中的研究顯示，心力衰竭加速了微血管氧分壓的平均反應(yīng)時(shí)間(血液 -肌肉氧氣驅(qū)動(dòng)梯度)。相反，在大鼠的比目魚肌中，較低的微血管氧分壓會(huì)降低血液-肌肉O2驅(qū)動(dòng)梯度[41]。

2.3.3 呼吸最大攝氧量

為了維持肌肉的耐力，將氧氣輸送到肌肉的能力和肌肉利用定量氧氣維持一段時(shí)間(呼吸交換率)的能力是重要的。通過氣體分析儀測量的最大攝氧量(˙VO2max)是用于評(píng)估肌肉性能的良好參數(shù)[45]。˙VO2最大值隨肌肉疲勞降低，但也隨年齡下降。˙VO2max 的定義是滿足以下3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的至少2 個(gè)時(shí)的最高˙VO2值:(1)心率的平臺(tái)或在年齡預(yù)測的最大心率的10%內(nèi)的心率；(2) ˙VO2的平臺(tái)(plateau)；(3)呼吸交換率﹥ 1[45]。通氣閾值定義為2 條回歸線(VE 和˙VO2)的交集[45]。最近，科學(xué)家已經(jīng)提出˙VO2動(dòng)力學(xué)應(yīng)該被認(rèn)為肌肉疲勞的生物標(biāo)志物。運(yùn)動(dòng)后的˙VO2慢動(dòng)力學(xué)與細(xì)胞質(zhì)中劇烈的PCr 減少有關(guān)。相反，較小的PCr 減少與快速˙VO2動(dòng)力學(xué)嚴(yán)格相關(guān)。除˙VO2以外的肌肉疲勞的揮發(fā)性生物標(biāo)志物可以是VCO2和呼吸交換比。

2.4 運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)及實(shí)時(shí)疲勞監(jiān)測系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)的參數(shù)與經(jīng)EMG 干涉圖案測量的肌肉疲勞狀態(tài)的變化相關(guān)[43]。膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)可以通過光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕獲記錄[44-45]。例如，一次CMJ 或跳深期間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)可以通過攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)和測力板進(jìn)行測量。動(dòng)力學(xué)的評(píng)估參數(shù)(跳躍高度，最大垂直地面反作用力，反應(yīng)強(qiáng)度指數(shù)等)可以作為肌肉疲勞的生物標(biāo)志物[35]。通過運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)測量的其他參數(shù)包括肩部，肘部和手腕的關(guān)節(jié)角度，關(guān)節(jié)扭矩和關(guān)節(jié)網(wǎng)運(yùn)動(dòng)的平均值和變異性[46]。疲勞期間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)適應(yīng)被認(rèn)為是減少生物力學(xué)負(fù)荷的措施之一[46]。

近來，人們引入了實(shí)時(shí)疲勞監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了實(shí)時(shí)疲勞測量，它可以同步記錄一條腿的外側(cè)股和腓腸肌肌肉的表面EMG 信號(hào)和實(shí)時(shí)的循環(huán)速度[44]。此外，采集循環(huán)速度、循環(huán)時(shí)間、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)、心率和自感疲勞評(píng)級(jí)(Borg RPE scale)也會(huì)每分鐘都被記錄一次。實(shí)時(shí)的疲勞程度可由這些數(shù)值計(jì)算得出，并用以測量肌肉疲勞的發(fā)生時(shí)間和進(jìn)展[44]。在線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)在健康受試者中是有效的并可以滿足預(yù)期目的。

3 總結(jié)

本文綜述了目前肌肉疲勞有關(guān)的生物標(biāo)志物，盡管肌肉疲勞的機(jī)制仍有待闡明，但是關(guān)于肌肉疲勞的有前景的生物標(biāo)志物有了快速進(jìn)展。為了用單個(gè)生物標(biāo)志物或生物標(biāo)志物的組合來監(jiān)測肌肉疲勞，必須在使用不同類型練習(xí)的條件下、健康和患病人群、訓(xùn)練和未訓(xùn)練的人群、老年人和年輕受試者中驗(yàn)證它們的可靠性和適用性。比起單個(gè)生物標(biāo)志物，生物標(biāo)志物的組合更充分的反映了在某一練習(xí)期間不同的疲勞程度。然而，針對(duì)特定運(yùn)動(dòng)的最適合的生物標(biāo)志物組合仍有待確定。到目前為止，最常被調(diào)查和最廣泛應(yīng)用的肌肉疲勞的生物標(biāo)志物是血清乳酸(LD)。今后肌肉疲勞的標(biāo)志物研究應(yīng)該更加關(guān)注新的標(biāo)志物的開發(fā)以及現(xiàn)用的肌肉疲勞生物標(biāo)志物的組合并且把不同運(yùn)動(dòng)類型因素也考慮進(jìn)去。

運(yùn)動(dòng)疲勞是一個(gè)廣義的概括，可以將運(yùn)動(dòng)疲勞分為四種狀態(tài)，分別為輕松、輕度疲勞、中度疲勞及重度疲勞[47]。對(duì)于輕松及輕度運(yùn)動(dòng)疲勞可以更多的利用非侵入式標(biāo)志物進(jìn)行檢測，對(duì)于中度運(yùn)動(dòng)疲勞提倡利用體液(包括尿液、汗液、唾液等)結(jié)合電生理測試等可靠程度相對(duì)較高，同時(shí)對(duì)人體幾乎沒有損傷，這類檢測指標(biāo)可以更好的衡量疲勞程度。對(duì)于重度疲勞運(yùn)動(dòng)員可以使用血清相關(guān)的標(biāo)志物，可以更加全面的進(jìn)行疲勞評(píng)價(jià)。同時(shí)應(yīng)該避免多次進(jìn)行檢測，最好做到一次侵入式抽血，檢測多個(gè)指標(biāo)，減少抽血帶來的影響。重度疲勞運(yùn)動(dòng)員應(yīng)該避免使用可能會(huì)加劇運(yùn)動(dòng)疲勞狀態(tài)的標(biāo)志物(如跑臺(tái)、自行車等)進(jìn)行檢測，避免造成運(yùn)動(dòng)損傷。據(jù)疲勞狀態(tài)的不同選擇不同的運(yùn)動(dòng)疲勞標(biāo)志物進(jìn)行檢測，可以更好的發(fā)揮不同運(yùn)動(dòng)疲勞標(biāo)志物的優(yōu)點(diǎn)，減少對(duì)運(yùn)動(dòng)員的影響。

綜合考慮，目前侵入式檢測肌肉疲勞的生物標(biāo)志物是相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)志物，非侵入式標(biāo)志物目前正在越來越多的被使用，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，非侵入式肌肉疲勞標(biāo)志物將會(huì)在將來被更廣泛的使用。合理使用侵入式、非侵入式標(biāo)志物對(duì)于防止過度疲勞、促進(jìn)疲勞恢復(fù)、避免運(yùn)動(dòng)損傷具有重要意義。