12周不同强度运动干预对大鼠心肺耐力的改善效果

许杰谢敏豪严翊林家仕曹友祥沈文清

1 成都大学（成都，610106）2北京体育大学 3国家体育总局运动医学研究所 4集美大学

12周不同强度运动干预对大鼠心肺耐力的改善效果

许杰1，2谢敏豪3严翊2林家仕4曹友祥2沈文清2

1 成都大学（成都，610106）2北京体育大学 3国家体育总局运动医学研究所 4集美大学

目的：探究12周不同强度的运动干预对心肺耐力的提升效果，为改善心肺耐力的有效运动负荷评价提供理论支持。方法：40只雄性Wistar大鼠随机分为安静组、小强度组（50%VO2max）、中强度组（65%VO2max）、大强度组（80%VO2max），每组10只。安静组不运动，运动组适应性训练3天后测试最大摄氧量，之后每隔两周测试1次。运动组大鼠每天训练1h，每周5天。12周运动干预后，进行超声心动测试，测试各组大鼠心脏形态学及功能学指标。结果：（1）经过12周训练后，小强度组和大强度组大鼠体重显著低于安静组（P＜0.05，P＜0.01）。（2）12周运动干预后，3个运动组大鼠VO2max都显著高于安静组（P＜0.01）。中强度组和大强度组VO2max提升效果较快，分别在第8周末和第6周末达到峰值。而小强度组在第10周末明显提升，并于12周末达到峰值。（3）大强度组左室收缩末内径显著低于小强度组（P＜0.05），而射血分数和左室短轴缩短率则显著高于小强度组（P＜0.05）。结论：（1）不同强度的运动都可以改善大鼠的心肺耐力，但相比中强度和大强度运动，小强度运动对心肺耐力的改善所需的运动干预时间更长。（2）只有大强度运动可以改善心脏泵血功能。

心肺耐力；运动干预；强度

心肺耐力（CRF）与心血管疾病死亡率和全因死亡率高度相关，是体质健康的核心要素[1]。心肺耐力综合反映机体摄取、转运和利用氧的能力，与心脏的泵血功能、肺通气与换气功能、血液循环系统运载氧气的能力和肌肉等外周组织对氧的利用能力相关。研究表明，心肺耐力的提高可以有效降低心血管疾病死亡风险[2]、糖尿病死亡风险[3]以及某些癌症的死亡风险[4，5]。

众多研究发现，较高的心肺耐力可以有效降低心血管疾病的风险[2，6，7]。目前的研究已经证实了运动可以提高心肺耐力，进而有效地降低这些风险，即心肺耐力的提高是改善心血管疾病风险的主要因素。但是体育锻炼的最佳模式仍然存在争议，比如运动类型、频率、强度和持续时间。对于什么样的运动强度能维持健康效应，什么样的强度容易引起心血管风险或者损伤，有待于研究论证。本研究采用不同强度的运动干预方式，通过定期测试大鼠的最大摄氧量来探讨大鼠心肺耐力的改善效果，探究不同强度的运动干预对心肺耐力的提升效果，为改善心肺耐力的有效运动负荷的评价提供理论支持。

1 对象与方法

1.1 实验对象与分组

4周龄SPF级雄性Wistar大鼠40只，购自北京维通利华实验动物中心，许可证编号：SCXK（京）2013-0001。动物实验经过北京体育大学动物福利伦理委员会批准，动物分笼饲养，室温20～24℃，相对湿度40%～60%，每日12小时光照/12小时熄灯，国家标准啮齿类动物常规词料喂养，大鼠自由饮水、饮食。将大鼠随机分为四组：安静组、小强度组、中强度组、大强度组，每组10只。安静组正常饲养无运动干预，其他三组分别进行12周不同强度负荷的运动。每周一上午对所有大鼠称重。

1.2 运动方案

小强度组、中强度组和大强度组大鼠先进行3天适应性训练，速度为10 m/min，每天15 min。适应性训练结束后进行最大摄氧量测试，根据测试结果拟定第1周和第2周的训练负荷。运动组大鼠每周训练5天，每天训练1 h。每两周进行一次最大摄氧量测试，根据测试结果调整下两周的训练负荷。自正式训练开始，训练方案分为四步：1、热身期（5 min）；2、中间期（20 min）；3、主负荷期（30 min）；4、恢复期（5 min）。跑速在热身期和恢复期均为8 m/min，中间期分为2个10 min，速度递增，最后在主负荷期的负荷强度为相应的最大摄氧量强度百分比负荷。小强度组主负荷期的运动强度为50%VO2max，中强度组为65%VO2max，大强度组为80%VO2max。运动干预共持续12周。具体方案见表1。

表1 大鼠12周训练主负荷期的跑速

1.3 最大摄氧量测试方案

最大摄氧量测试方案参照Leandro[8]关于Wistar大鼠最大摄氧量测试模型。采用逐级递增负荷进行测试，测试仪器为哥伦布气体代谢仪和跑台。坡度不变，10°倾斜角，起始速度5 m/min，最大速度50 m/min。第一级负荷持续时间为4 min，此后每一级负荷持续3 min。测试环境温度为20～22℃，相对湿度55%～60%。判断大鼠达到最大摄氧量的标准：1.大鼠在电刺激的情况下不能继续在跑台上持续运动；2.两级之间摄氧量增长率小于5%。具体测试方案见表2。

表2 大鼠最大摄氧量测试方案

1.4 大鼠超声心动测试

最后一次训练后12 h，每组大鼠取其中6只称重，腹腔注射2%戊巴比妥钠（83.3 mg/kg）。麻醉后用8%Na2S脱毛剂脱净胸毛，仰卧位将大鼠头部及四肢固定在木板上，使用Vevo2100超高分辨率小动物彩色多普勒超声实时影像系统进行大鼠超声心动检查。具体方法：将MS250探头置于已脱毛大鼠左前胸，探头顺时针旋转90°可显示左室短轴切面图像；探头轻度向左上方移动，即可显示肺动脉。测试的形态学指标包括：左室舒张末前壁厚度（LVAWd）、左室收缩末前壁厚度（LVAWs）、左室舒张末内径（LVIDd）、左室收缩末内径（LVIDs）、左室舒张末后壁厚度（LVPWd）、左室收缩末后壁厚度（LVPWs）。测试的功能学指标包括：射血分数（EF）、左室短轴缩短率（LVFS）、每搏输出量（SV）。

1.5 统计方法

所有实验数据用平均数±标准差表示。使用SPSS16.0软件对数据进行统计分析。各组之间的比较采用单因素方差分析。统计学显著性水平定义为P＜0.05，非常显著显著性水平定义为P＜0.01。

2 研究结果

2.1 12周不同强度运动对大鼠体重的影响

通过对4组大鼠体重进行对比发现（表3），3个运动组中间大强度运动组体重最低，经过12周训练后非常显著低于安静组，且该组大鼠从第6周开始后体重与安静组相比都具有显著性差异，即该强度运动下体重增长幅度最小。小强度和中强度组大鼠体重也比安静组低，小强度组在第2、3、12周的体重显著低于安静组，而中强度组在第11周时显著低于安静组。

表3 不同组别大鼠体重（g，n=10）

2.2 12周不同强度运动对大鼠最大摄氧量的影响

通过对4组大鼠的最大摄氧量进行对比分析发现（表4），3个运动组大鼠最大摄氧量在12周的运动干预后均非常显著地高于安静组（P＜0.01）。在运动干预开始后的第2周末，中强度组和大强度组大鼠最大摄氧量就开始显著性高于安静组（P＜0.05）。从第4周末开始，这两组的最大摄氧量都非常显著高于安静组（P＜0.01）。而小强度组的变化趋势略有不同，在第4周末测试时显著高于安静组（P＜0.05），此后的第6和第8周末一直略高于安静组，但没有显著性差异，而在第10和12周末又非常显著高于安静组（P＜0.01）。另外，在第8周末的测试中，中强度运动组的最大摄氧量达到峰值，为所有测试的最高值，并且显著高于该周末小强度运动组。

表4 不同组别大鼠最大摄氧量的比较（m l/kg/m in，n=10）

通过对四组大鼠12周训练各自前后变化的百分比进行统计后发现，安静组大鼠最大摄氧量明显降低，降低幅度平均为27.4%。而3个运动组的最大摄氧量升高幅度在10%左右，小强度组相对最高，但是3组间相比没有显著性差异。

表5 不同组别大鼠12周运动干预前后最大摄氧量变化百分比（n=10）

2.3 12周不同强度运动对大鼠心脏功能的影响

2.3.1 不同组别大鼠心脏形态学指标变化情况

通过对安静组和不同强度运动组12周运动干预后大鼠心脏形态学指标比较发现，仅有大强度组左室收缩末内径与安静组相比具有显著性差异（P＜0.05），其他指标在各组均无统计学差异。见表6。

2.3.2 不同组别大鼠左室短轴缩短率、射血分数及每搏输出量变化情况

通过对安静组和不同强度运动组12周运动干预后大鼠心脏功能学指标比较发现，大强度组射血分数和左室短轴缩短率显著高于小强度组（P＜0.05）。

表6 不同组别大鼠心脏形态学指标（mm，n=6）

表7 不同组别大鼠心脏功能学指标（n=6）

3 分析与讨论

3.1 不同组别大鼠体重变化趋势

从表3可以看出，经过12周的不同强度运动干预，大强度组体重降低幅度最大，从第6周开始，大强度组的体重都显著低于安静组。中强度组的体重与安静组相比变化不大，小强度组的体重在第2、3和12周相比安静组显著降低。以上数据表明，大强度运动组体重增长幅度最小。可能的原因主要有两个：一是大强度的运动能量消耗较大，机体在运动过程中动员了更多的能源物质供能，相比其他两个运动组，每天能量消耗更多，长期效应积累导致体重降低幅度更大；二是大强度运动可能造成大鼠食欲减退，或者消化功能降低，总体能量摄入减少，造成体重降低。从3个运动组体重变化整体趋势来看，运动组相比安静组都有降低，只是降低幅度不同。可见，无论是小强度、中强度还是大强度的运动，长期锻炼的结果都会使体重降低，只是效果不同。

有研究显示，经过6个月的运动干预，成年人体重降低幅度较低（2%～6%），主要原因是没有对膳食进行控制。虽然运动干预对降低体重作用不明显，但是运动干预后，受试者心血管风险显著降低[9]。还有研究表明，在饮食限制的情况下，无论是大强度还是中等强度的运动，都没有引起肥胖者体重显著降低[10]。还有研究采用的模型与本研究大强度组模型相似，以30 m/min的速度每天训练1 h，运动强度相当于70%～80%VO2max，持续训练12周后，大鼠体重显著性降低，心脏指数显著上升[11]。以上研究结果表明，运动强度是否会影响体重降低的幅度仍没有明确的定论。其他诸多因素的影响造成了这一结果，比如说运动量不同，膳食控制的有无或不一致等。

根据前人的结果，结合本研究所得数据，我们认为随着运动干预的进行，大强度组大鼠VO2max提升，其跑速相应提升，在后面几周的实验过程中，跑完1小时后部分大鼠接近力竭。因此，大强度运动导致能量消耗增加，能量摄入可能相对减少，从而导致该组体重降低幅度最大。

3.2 不同组别大鼠最大摄氧量变化情况

相比于初始测量值，12周后安静组大鼠的VO2max平均降低了27.4%。而运动组各组大鼠VO2max都有所增加。同时，虽然所有大鼠的体重都在增加，但安静组大鼠的体重升高幅度比各个运动组大。因此，可以说体重的增加是大鼠心肺耐力降低的重要原因。

运动组经过12周的运动干预后，不同组别大鼠VO2max均发生了明显的变化，3个强度组的VO2max均显著高于安静组，这表明无论是小强度的运动、中等强度还是大强度运动，在经过12周运动干预后都能提高大鼠的心肺耐力。从第2周末开始，中强度组和大强度组的VO2max就开始显著高于安静组，并且从第4周末开始，一直非常显著高于安静组。其中，中强度组的VO2max在第8周末达到最高峰，并且显著高于小强度组，这表明8周的运动干预对心肺耐力的改善效果是中强度最好。小强度组的变化趋势与中、大强度组并不一致。一开始运动干预后，小强度组的VO2max也升高，但是升高幅度缓慢，与安静组相比并没有显著性差异。但是随着干预周数的延长，从第10周末开始，小强度组VO2max水平上升到与中、大强度组相同的水平，也是非常显著高于安静组。这表明，小强度的运动干预对心肺耐力的提升需要一个过程，随着运动干预的时间延长，逐渐取得了与中、大强度相似的效应。

运动强度是运动干预引起生理应激的重要因素[12]。之前的研究由于没有控制运动量，所以运动强度和运动量的作用大小无法清楚区分。最近的一些研究支持大强度运动相比于中强度运动会给机体带来更多益处。有研究表明[13]，在运动量相同的情况下（300 kcal/d，4 d/wk），从事大强度运动（80%VO2max）的老年男性和女性，其葡萄糖利用率的改善明显好于中强度组（65%VO2max）。还有一些研究也支持大强度运动相比中等强度运动对机体的益处更多[14，15]。但这些研究多集中在不同运动方式对慢性病的改善效果。Helgerud的研究认为[16]，大强度的间歇性有氧锻炼（4分钟90%～95%HRmax，休息间歇3分钟70%HRmax，共4组）对VO2max的改善明显优于小强度组（70%HRmax），运动干预共持续8周。相比于本研究结果，运动方式的改变和总持续周数较少可能是造成结果差异的原因。本研究表明8周的低强度有氧运动干预，VO2max还处于持续上升阶段，再经过4周后逐渐达到中、大强度的水平。8周的持续时间不能反映低强度运动带来的效益。低强度运动需要更长的时间积累才能反映出其对心肺耐力的改善作用。根据本研究来看，若采用低强度运动干预的方式，持续时间至少要10～12周，每周5次，每次不少于1小时的方式。再有，小强度运动组每两周进行的VO2max测试可以算是一次较大负荷的刺激。这种刺激有可能导致了小强度运动组大鼠的摄氧量逐渐升高，达到了中强度和大强度组的水平。

从各组自身的变化情况看，安静组的VO2max逐渐降低，这表明不运动的生活方式肯定会导致心肺耐力下降。中强度组和大强度组在运动干预开始后即表现出VO2max显著升高，但是在第6到8周达到顶峰后，后两次测试出现了小的回落。可能的原因是随着这两组测试数据的提高，跑台的速度越来越快，大鼠跟不上跑台速度停止运动，此时没有刺激到受试大鼠出现其VO2max。另外，经过了12周的训练，随着跑速增加，中、大强度组进行的每天1小时运动干预可能负荷过大，大鼠出现疲劳积累，进一步导致VO2max测试结果较低。

本研究显示，中等强度和大强度的运动对心肺耐力的改善几乎一致，表明中等强度运动就可以获得理想的VO2max的提升。在实验过程中，我们也发现中强度组的大鼠依从性最好，完成运动负荷几乎不用驱赶。相比于大强度组部分大鼠训练后期出现了疲劳现象，我们认为，中等强度的运动对于改善心肺耐力是有效而且较为迅速的。

3.3 12周不同强度运动后大鼠心脏功能的变化

本研究结果显示，12周不同强度运动干预后，大鼠心脏形态学指标仅有大强度组左室收缩末内径发生了明显变化，显著低于安静组，其他指标在各组均无统计学差异。而运动干预后大鼠心脏功能性指标，小强度组大鼠射血分数与安静组比较有下降趋势，而随着运动强度的增加，射血分数也增加了，但仅大强度组射血分数显著高于小强度组，中强度组与安静对照组及小强度组相比都无显著性差异。左室短轴缩短率与射血分数类似，出现了相同的变化趋势，且仅有大强度组与小强度组相比具有显著性差异。而运动组每搏输出量虽与安静组比较有下降趋势，但均无显著性差异。

很多研究证实了耐力性运动对心脏的结构和功能有着直接的影响。Prasad等[17]通过对13名静坐少动的健康老年人、12名年龄相当的高水平老年运动员及12名健康青年人进行多普勒检查发现，老年高水平运动员组极少有伴随年龄出现的心肌衰竭及舒张功能障碍，而且该组的每搏输出量射血分数显著高于其他两组，表明长时间的运动训练可以改善心脏功能。Popo⁃vic等[18]等研究得出了相同的结果，即长时间耐力性运动相较于静坐少动的生活状态，心血管疾病的风险有所降低。Pavlik等研究发现长期进行耐力运动人群左心室充盈早期峰值流速与左心室晚期峰值流速的比率并没有降低，反而高于静坐少动人群[19]，且长期进行耐力运动人群随着年龄的增长心脏舒张功能自然下降的速度减缓。

射血分数与心肌的收缩能力有关，通常心肌收缩能力越强，则每搏输出量越多，射血分数也越大。左室短轴缩短率也是反映心脏功能的重要指标。本研究结果表明，经过12周的运动干预后，大强度组EF、LVFS均显著高于小强度组，表明大强度运动对心脏的刺激较大，产生了有益适应。另外中强度组的EF和FS也比安静组高，而小强度组还略低于安静组，说明中强度运动对心脏的刺激产生了一定效果，但小强度运动不足以引起心脏功能的适应性变化。本研究中，心脏的形态学指标基本没有变化，只有大强度组左室收缩末期内径显著低于安静组，提示大强度组的心肌收缩力更强。

3.4 不同组别大鼠心肺耐力的改善效果

本研究发现3种强度的运动都能使体重增长的程度降低，其中大强度组大鼠体重增长最少，而中等强度和大强度运动对VO2max的提升都很迅速而且有效。虽然以往的研究大多认为运动强度越大，心肺耐力的改善越多，但是本研究结果表明65%VO2max强度的运动干预就能达到而且还略高于80%VO2max强度干预的效果。另外，小强度运动组VO2max在训练后期才逐渐提升，这表明经过较长时间的干预后，小强度运动也能改善心肺耐力。

关于运动强度与健康效益之间的关系，学术界一直存在争议。Morris等研究发现，每周不少于2次的较大强度体力活动能有效地降低心血管风险，而中等强度或较低强度的运动几乎无效[20]。还有研究认为较大强度的间歇运动相比中强度运动更有利于改善心血管机能[21]。但也有一些研究认为中等强度的运动就可以获得健康效益。Tanasescu等研究发现，中等强度的运动就可以有效降低冠心病风险，而更大强度的运动并没有获得更多健康收益[22]。还有研究认为低量/中等强度的运动效果要好于低量/较大强度运动[23]。而美国运动医学会（ACSM）推荐的运动方案为：每周至少进行150 min的中等强度有氧运动，或者中等强度和较大强度相结合的运动[24]。本研究中只有大强度运动可以显著改善心脏功能，中强度运动产生了一定效果但不显著，而小强度运动对心脏刺激不大，心功能几乎没有改善。但是需要引起注意的是，小强度和中强度运动干预后心脏功能没有改善可能是因为干预时间较短。根据VO2max的变化规律，运动强度对心脏功能的改善可能也存在这种随时间增加而改善效果越明显的现象。另外，运动强度越大则运动风险越大，尤其是长时间进行大强度运动，突发性心脏病和运动猝死的风险就越大，而且大强度运动干预中受试者依从性相对较差。另外，本研究过程中每两周进行的最大摄氧量测试就是一次极量强度运动。也就是说在运动干预或者锻炼中，每隔1到2周进行一次大强度运动并没有害处，而且可能对心脏功能有更为积极的改善，应当值得鼓励。

综上所述，运动并非是强度越大越好，中等强度运动就可以较为迅速地获得理想的VO2max提升，达到并且略超过大强度运动所产生的效果。而且，长期坚持小强度运动也可以逐渐改善心肺耐力。同时，在长期坚持运动的情况下，适当进行大强度运动可能获得更大的健康收益。

4 结论

（1）不同强度的运动都可以改善大鼠的心肺耐力，但相比中强度和大强度运动，小强度运动对心肺耐力的改善所需的运动干预时间更长。（2）只有大强度运动可以改善心脏泵血功能。

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Effectsof 12-week Exercisew ith Different Intensity on Im p roving Cardiorespiratory Fitness in Rats

Xu Jie1，2，XieMinhao3，Yan Yi2，Lin Jiashi4，Cao Youxiang2，ShenWenqing2
1Chengdu University，Chengdu 610106，China 2 Beijing SportUniversity，Beijing 100084，China 3China InstituteofSportsMedicine，Beijing 100083，China 4 JimeiUniversity，Xiamen 361021，China

Yan Yi，Email：yanyi22@sina.com

Objective To explore the effectiveness of 12-week exercises with different intensities on cardiorespiratory fitness（CRF）of rats，so as to provide theoretical evidences for evaluating effective exer⁃cise loads.Methods Forty male Wistar rats were randomly divided into a low intensity group（50%VO2max），a moderate intensity group（65%VO2max），a high intensity group（80%VO2max）and a sedentary group，each of 10.All rats were measured the VO2maxafter three-day adaptive training，then they were repeat⁃ed the VO2maxtest every two weeks on the non-training days and the load of the next two weeks was adjusted according to the test result.The treadmill speed was controlled to maintain the specific exer⁃cise intensity of each group in the training period.The rats in the exercise groups were trained 5 days per week and 60 minutes per day.After 12 weeks of exercise intervention，the ultrasonic cardio⁃gram tests were conducted.Results After 12 weeks of exercise，compared with the sedentary group，the average weight of the low and high intensity groups decreased significantly（P＜0.05，P＜0.01）.After the 12-week exercise intervention，the average VO2maxof the three exercise groups were significantly higherthan the sedentary group（P＜0.01）.The average CRF of the moderate and high intensity group im⁃proved faster，with their peak value at the 6thand 8thweek respectively.However，in the low intensity group significant improvement in the average CRF was observed from the 10thweek，with the peak val⁃ue appearing at the 12thweek.The average left ventricular internal dimension systole of the high inten⁃sity group was lower than the low intensity group（P＜0.05），while the ejection fraction and left ventricu⁃lar shortening fraction increased significantly（P＜0.05）.Conclusions Exercises with different intensity can improve the CRF.However，compared with moderate and high intensity exercise，it requires longer time to improve CRF with low intensity exercise.Only exercise with 80%VO2maxcan significantly im⁃prove the cardiac pumping function.

cardiorespiratory fitness，exercise intervention，intensity

2016.11.16

国家“十二五”科技支撑计划课题（2012BAK21B02）；国家自然科学基金（31401017）；教育部优秀博士论文课题（V200801）

第1作者：许杰，Email：roby_xiao@sina.com；

严翊，Email：yanyi22@sina.com