高強度間歇訓練對肥胖兒童內(nèi)臟脂肪和心肺適能的影響

李抒，曹甍，鄒昱，唐玉成

(1.深圳大學 體育學院，廣東 深圳 518061；2.浙江大學 教育學院，浙江 杭州 310058)

兒童肥胖是全球面臨的嚴重公共衛(wèi)生問題之一[1]。近幾十年，我國兒童青少年超重肥胖檢出率持續(xù)上升，預計到2030 年將達到28.0%[2]。肥胖兒童比體重正常同齡人的心肺適能更低，從而具有更高的全因死亡率和心血管疾病風險[3]。此外，肥胖引起內(nèi)臟脂肪組織(visceral adipose tissue，VAT)的異常堆積，導致異位脂肪沉積，腫瘤壞死因子(TNF-α)、白細胞介素6 和1 β(IL-6，IL-1β)等多種促炎癥因子的釋放增加，誘導與胰島素抵抗相關(guān)的慢性炎癥，最終增加心血管疾病的發(fā)生風險[4]。不僅如此，內(nèi)臟脂肪的過度堆積還會對兒童的大腦健康和認知功能造成嚴重危害[5]。

運動被認為是體重管理和促進健康的最佳手段，運動干預比單純的藥理治療或限制飲食在提高肥胖兒童心肺適能和內(nèi)臟脂肪的減少方面可能更具優(yōu)勢[6]。世界衛(wèi)生組織建議兒童青少年每天應(yīng)進行60 min以上的中高強度體力活動以保持心肺健康。有氧運動又稱為中等強度持續(xù)訓練(moderate-intensity continuous training，MICT)，是最常用的運動方式，其在促進脂肪氧化、管理肥胖、改善心血管和代謝健康方面的積極作用已得到廣泛證實[7]。然而，MICT 對外周脂肪(體脂率)的減少作用顯著，對內(nèi)臟脂肪的改善效果并不明顯[9]。研究表明，較高的運動強度可能對內(nèi)臟脂肪的減少具有更顯著的效果，而大規(guī)模流行病調(diào)查結(jié)果同樣表明，高強度運動似乎更有益于健康[9]。

高強度間歇訓練(high-intensity interval training，HIIT)是以較短的時間(6 s～4 min)和較高的強度(85%～95% HRmax)運動為主，中間間隔較低強度(40%～70% HRmax)的運動或安靜恢復的一種運動訓練形式，近年來因其高效的減脂作用被廣泛應(yīng)用于肥胖干預領(lǐng)域[6]。最近的一些研究證實了HIIT 對肥胖兒童身體成分、心肺適能和代謝健康指標的改善作用[10]。此外，系統(tǒng)綜述的結(jié)果表明，HIIT 能有效減少肥胖成年人的內(nèi)臟脂肪，且相比MICT 更省時高效[11]。盡管有關(guān)肥胖兒童青少年的HIIT 干預研究逐漸增多，但HIIT 對內(nèi)臟脂肪影響的研究較少，且結(jié)果存在爭議，梁晉裕等[12]的研究結(jié)果顯示12 周HIIT(強度為最大跑速)顯著減少了肥胖兒童內(nèi)臟脂肪面積(-6.2 cm2，P＜0.05)，而Dias 等[13]同樣采用12 周HIIT(強度為85%～95% HRmax)干預，并未發(fā)現(xiàn)內(nèi)臟脂肪發(fā)生改變。除此之外，鮮有關(guān)于HIIT 對肥胖兒童內(nèi)臟脂肪影響的研究報道。因此，本研究旨在觀察12 周運動干預對肥胖兒童內(nèi)臟脂肪和心肺適能的影響，并比較HIIT 和MICT 之間的差異，探索更適合兒童肥胖管理的運動干預形式。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究屬于隨機對照試驗(randomized controlled trail，RCT)，試驗注冊號為：ChiCTR2100048737。受試者及其法定監(jiān)護人在充分了解實驗詳情后均簽署知情同意書，并通過PAR-Q 健康問卷篩查。本研究得到了深圳大學醫(yī)學部醫(yī)學倫理委員會的批準(PN-2020-045)。由于體脂率是本研究關(guān)注的主要指標，基于先前研究中運動干預對體脂率影響的meta 分析[14]，通過G-power3.1 軟件(version 3.1 for windows，D üsseldorf，Germany)計算樣本量。檢驗效能(1-β)設(shè)為0.80，Ⅰ類錯誤α發(fā)生率設(shè)為0.05，干預前后的相關(guān)性為0.80，效應(yīng)量為0.32，計算得出每組所需樣本量應(yīng)為12 人?？紤]到20%的脫落率，則每組至少需要14 人。根據(jù)《中國學齡兒童青少年超重、肥胖篩查體重指數(shù)值分類標準》[15]，最終按照年齡和性別篩選出符合納入排除標準的肥胖兒童共60 人(男女生各30人，年齡為(11.0±0.8)歲，BMI 為(24.2±1.1)kg/m2)，參與本研究。由SPSS 22.0 軟件產(chǎn)生隨機數(shù)字后，根據(jù)“信封法”將60 名受試者按男女生1∶1 的比例隨機分配到HIIT 組、MICT 和CON 組。

納入標準：(1)根據(jù)年齡和性別標準，BMI 屬于肥胖者；(2)年齡為10～13 周歲的在校兒童；(3)實驗前3個月內(nèi)，除體育課外未進行任何規(guī)律的體育鍛煉；(4)自愿參與實驗且本人及監(jiān)護人均簽署知情同意書。排除標準：(1)有慢性疾病正在服用藥物治療者；(2)有心、腦、肺、腎及運動系統(tǒng)等嚴重器質(zhì)性病變者；(3)患有精神疾病或有病史者；(4)不能完成隨訪或順應(yīng)性差者；(5)不愿簽署知情同意書者。

1.2 測試指標與方法

1)身體成分。

受試者赤足，穿輕薄衣服完成站立身高和體質(zhì)量測量。身高和體質(zhì)量分別使用身高計量儀和Tanita WB-300 數(shù)字秤(Tanita，Tokyo，Japan)測量。體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)通過體質(zhì)量(kg)/身高(m)的平方計算。利用雙能X 線骨密度儀(dual energy X-ray absorptiometry，DXA，Lunar Prodigy，GE Healthcare，USA)測量全身和局部軟組織。為減少測量誤差，設(shè)備均由醫(yī)院同一醫(yī)師操作，受試者空腹，穿著輕薄貼身衣物，采取平臥姿勢，選擇DXA 標準模式進行測量，不可佩戴戒指、項鏈等金屬物品。使用DXA Hologic 4.0 軟件自動獲得全身脂肪百分比、上肢脂肪含量、下肢脂肪含量、軀干脂肪、VAT 面積。VAT 面積由自動算法估算，該算法模擬第 4 腰椎的皮下腹部脂肪組織(subcutaneous abdominal adipose tissue，SAAT)，并從局部腹部脂肪組織中減去SAAT。軀干脂肪百分比是從包括胸部和腹部區(qū)域的較大區(qū)域估計的。

2)心肺適能。

最大攝氧量(maximum oxygen uptake，VO2max)是反映心肺適能(cardiorespiratory fitness，CRF)的金指標，考慮到現(xiàn)實實驗條件和測試的便利性，本研究采用20 m往返跑測試(20-m multistage shuttle run test，20-mSRT)測量受試者的VO2max。20-mSRT 是測量兒童青少年VO2max的常用方法，其有效性和可靠性已得到國內(nèi)外研究的證實[16]。根據(jù)先前的研究[17]，受試者全程佩戴Polar心率帶(polar team pro，Polar，Kempele，F(xiàn)inland)，通過20-mSRT 測量受試者的VO2max和最大有氧速度(maximal aerobic speed，MAS)，具體計算公式如下：

MAS=8.5+0.5×20-mSRT 終止時達到的最高級別；

VO2max(mL·kg-1·min-1)[18]=41.76 799+(0.49 261×次數(shù))－(0.00 290×次數(shù)2)－(0.61 613×BMI)+(0.34 787×性別×年齡)；其中性別為：男生=1，女生=0。

3)血壓和心率。

使用歐姆龍電子血壓計(HBP-1300，Omron，Japan)測量血壓。受試者靜坐10 min，其間測量3 次，每次間隔1 min，取3 次測量結(jié)果的最低值。測量血壓的同時受試者佩戴Polar 心率帶測量安靜心率(resting heart rate，HRrest)，在VO2max測試時，20-mSRT 過程中達到的最高心率作為受試者的最大心率(maximal heart rate，HRmax)。

1.3 運動干預方案

正式運動干預前進行兩周適應(yīng)性訓練，除熱身與拉伸活動外，還進行沖刺跑和往返跑等訓練。運動干預均在室外田徑場進行，每周3 次，隔天進行(如周一、三、五)，周末休息。MICT 組運動強度為60%～80%MAS(約70%～80% HRmax，持續(xù)時間從20 min (1～4 周)逐漸增加至40 min(9～12 周)。HIIT 組參考Baquet 等[19]的運動方案制定，負荷時間和間歇時間都為15 s，負荷強度和間歇強度為100%～120% MAS(＞80% HRmax)、50%MAS，每次3 組，每組8 個回合，組間休息3 min (見表1)。為適應(yīng)受試者運動能力的提升，每4 周進行1次20-mSRT 以調(diào)整和更新MAS。受試者的完成率被定義為完成計劃總訓練課次數(shù)80%以上(即完成本研究的36 次訓練課中的29 次及以上)。

1.4 飲食控制

本研究并未對受試者進行嚴格控制飲食，整個實驗過程為自由飲食，采取在實驗前后利用膳食調(diào)查表統(tǒng)計分析受試者的能量攝入變化。在干預前、后對所有受試者均進行了4 d 的24 h 膳食調(diào)查回顧問卷(包括3 個上學日和1 個周末日)，來確定受試者的日常能量攝入和日常飲食構(gòu)成。同時，利用薄荷健康軟件(薄荷信息科技公司，上海，中國)對食物的分量和能量進行估算和記錄。由研究人員和家長進行圖片對照來幫助受試者估計食物的分量，并統(tǒng)一在學校教室、專業(yè)教師的指導下填寫24 h 膳食回顧詢問表。

1.5 數(shù)理統(tǒng)計分析

采用SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，結(jié)果采用均值±標準差(±s)的形式表示。所有數(shù)據(jù)通過K-S檢驗和Levene's 檢驗分別檢驗數(shù)據(jù)的正態(tài)性和方差同質(zhì)性，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較基礎(chǔ)值和干預前后的差值之間是否存在顯著差異，而后采用一般線性模型(general linear model，GLM)中的單變量分析對干預前后受試者的身體成分、內(nèi)臟脂肪和心肺適能等指標進行分析，并且比較組間因子(不同組別)和組內(nèi)因子(干預前、后)的差異，組別×時間的交互作用顯著(P＜0.05)再進行簡單效應(yīng)分析，采用Bonferroni 進行兩兩比較和事后檢驗。采用Pearson 相關(guān)檢驗指標變化之間的相關(guān)關(guān)系。顯著性水平設(shè)置為雙尾P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

符合納入標準的126 名肥胖兒童有60 名(47.6%)自愿加入本研究。66 名肥胖兒童不愿參加(n=46)或其他原因(n=20)被排除。運動干預期間未發(fā)生損傷，13名受試者因個人原因未完成實驗：HIIT 組4 人、MICT組5 人、CON 組4 人，其數(shù)據(jù)在統(tǒng)計分析時被剔除。最終共有47 名肥胖兒童完成了本研究。三組受試者干預前后日常能量攝入沒有發(fā)生具有統(tǒng)計學顯著意義的變化(12 624±1 038)kJ/d，(12 791±1 096)kJ/d，(12 599±594)kJ/d，P＞0.05。表2 展示了各組受試者的干預前后身體成分、各部分脂肪含量、心肺適能和血壓的變化。

表2 各組受試者干預前、后各指標及其變化(x±s)

2.1 HIIT 和MICT 對肥胖兒童身體成分的影響

BMI 和軀干脂肪含量的比較結(jié)果顯示，HIIT 和MICT 組受試者均低于干預前值，且差異具有統(tǒng)計學顯著意義(P＜0.01)；HIIT 組受試者的內(nèi)臟脂肪面積(-8.9 cm2)較干預前減少，減少幅度大于MICT 組(-4.5 cm2)，且差異具有統(tǒng)計學顯著意義(P＜0.05)；MICT 組受試者的體脂含量較干預前降低，減少幅度顯著大于HIIT組(-2.5 kg vs. -1.6 kg)，差異具有統(tǒng)計學顯著意義(P＜0.05)；運動組受試者的體脂百分比，瘦體重，腰圍和上、下肢脂肪含量等指標未發(fā)生具有統(tǒng)計學顯著意義的改變(P＞0.05)。

2.2 HIIT 和MICT 對肥胖兒童心肺適能的影響

與干預前值相比，HIIT 和MICT 組受試者的VO2max均發(fā)生了提高，且HIIT 組(5.0 mL·kg-1·min-1)的提高幅度大于MICT 組(3.8 mL·kg-1·min-1)，差異具有統(tǒng)計學非常顯著意義(P＜0.01)；與干預前值相比，HIIT 和MICT組受試者的收縮壓和舒張壓發(fā)生了不同程度下降，但差異無統(tǒng)計學顯著意義(P＞0.05)。

2.3 全身和內(nèi)臟脂肪變化與VO2max和血壓變化的關(guān)系

Pearson 相關(guān)分析結(jié)果顯示，全身脂肪含量以及內(nèi)臟脂肪面積的變化與VO2max呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.75 和r=-0.78，相關(guān)關(guān)系具有統(tǒng)計學非常顯著意義(P＜0.01)；此外，舒張壓的變化與內(nèi)臟脂肪面積呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r=0.45，相關(guān)關(guān)系具有統(tǒng)計學非常顯著意義(P＜0.01)，與全身脂肪含量的變化無統(tǒng)計學顯著意義的相關(guān)。

3 討論

現(xiàn)有的研究已證實，肥胖導致心肺適能降低和內(nèi)臟脂肪過度積累是心血管疾病的獨立危險因素，因此運動對心肺適能的增加，以及對內(nèi)臟脂肪的減少作用對于兒童肥胖管理具有重要意義[4-5]。目前，國內(nèi)外有關(guān)HIIT 干預成年人肥胖的相關(guān)研究較多，對肥胖兒童，特別是改善心肺適能和內(nèi)臟脂肪的研究鮮有報道[21-22]。因此，本研究以肥胖兒童為研究對象，通過兩種形式運動干預(HIIT 和MICT)，驗證并比較其對身體成分、心肺適能和內(nèi)臟脂肪的干預作用。

本研究中，兩運動組肥胖兒童的身體成分、心肺適能較對照組和干預前均發(fā)生了改善與提高，說明HIIT 和MICT 可以降低體脂、提高有氧能力，有效管理肥胖。從運動組的對比來看，HIIT 對內(nèi)臟脂肪面積的減少以及VO2max的提高優(yōu)于MICT，而MICT 在外周脂肪含量的減少方面優(yōu)于HIIT。目前，HIIT 方案對內(nèi)臟脂肪的干預研究較少且存在爭議，如Dias 等[13]的研究結(jié)果與本研究不同，他們采用4×4 設(shè)計的HIIT 方案并未觀察到肥胖兒童的內(nèi)臟脂肪顯著減少。而HIIT減少內(nèi)臟脂肪的主要機制可能是高強度運動后兒茶酚胺等激素的釋放增加，從而促進內(nèi)臟脂肪更高程度脂解[20]。從實際應(yīng)用角度來看，建議內(nèi)臟脂肪含量高的肥胖兒童選擇HIIT 作為鍛煉手段，外周脂肪高則更應(yīng)選擇MICT。近年來的研究表明，肥胖兒童內(nèi)臟脂肪的減少，不僅有利于心血管疾病風險的降低，更有助于兒童腦健康和認知能力的提高[5]，未來應(yīng)擴大樣本量深入探索HIIT 對肥胖兒童內(nèi)臟脂肪的干預作用及其分子機制，進一步明確HIIT 的最優(yōu)方案。

心肺適能以VO2max為主要評價指標，反映機體向肌肉運送氧氣和能量物質(zhì)的能力[23]。肥胖兒童心肺適能普遍低于正常體重同齡人，從而具有更高的心血管疾病、全因死亡和癌癥發(fā)生風險[24]。本研究發(fā)現(xiàn)12 周HIIT 能夠有效提高肥胖兒童的VO2max，目前對于HIIT提高心肺適能的機制主要有以下共識：一是HIIT 能大幅改善肱動脈血流介導的血管舒張(血管內(nèi)皮功能)從而更大程度的提高VO2max；二是HIIT 誘導的氧利用率增加(例如最大心輸出量，總血紅蛋白和血漿數(shù)量的增加)和(或)促進了工作肌氧氣輸送效率的提高等適應(yīng)性變化有效改善了機體利用和輸送氧的能力[25-26]。

雖然探討內(nèi)臟脂肪、全身脂肪、VO2max，以及血壓之間的關(guān)系不是本研究的主要目的，但相關(guān)性分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)臟脂肪和全身脂肪均與VO2max呈負相關(guān)關(guān)系，這和肥胖兒童比正常體重同齡人心肺適能更低相一致[27]。此外，肥胖兒童與高血壓的發(fā)生風險密切相關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)只有內(nèi)臟脂肪與舒張壓呈正相關(guān)關(guān)系，表明有效減少內(nèi)臟脂肪，進而降低心血管疾病的發(fā)生風險可能是兒童肥胖管理的重要目標[28-29]。

本研究充分考慮到可在學校執(zhí)行的運動方案，例如采用更適合在學校進行，適合大樣本量使用的20 m往返跑測量VO2max，采用無需額外器材的跑步作為HIIT 方案的形式，并采用最大有氧速度作為強度判斷依據(jù)等，提高了研究成果的實踐應(yīng)用價值。本研究探討兩種形式運動對肥胖兒童身體成分和心肺適能影響的同時，也探討了內(nèi)臟脂肪、全身脂肪、VO2max和血壓變化之間的相關(guān)關(guān)系，為今后兒童肥胖管理明確了參考指標。但本研究也存在不足，例如樣本量較小，未能涉及HIIT 減少內(nèi)臟脂肪和提高VO2max的機制問題。

綜上所述，本研究對于肥胖兒童的運動干預具有重要指導意義，每周3 次的高強度間歇訓練對肥胖兒童身體成分的改善、心肺適能的提高和內(nèi)臟脂肪的減少具有重要作用。結(jié)合高強度間歇訓練時間高效性，且更符合兒童短時、爆發(fā)式的運動模式，未來應(yīng)基于學校開展更大樣本量的干預研究，以尋找管理兒童肥胖的有效運動干預策略及其長效機制。