肌细胞对低负荷血流限制性抗阻训练的适应
Kristian Vissing；Thomas Groennebaek；Mathias Wernbom；Per Aagaard；Truls Raastad
摘要
低负荷血流限制性抗阻运动(BFRRE)可以刺激全肌生长，改善肌肉功能。然而，对肌细胞水平的影响了解有限。我们假设BFRRE具有同时产生骨骼肌肌原纤维、线粒体和微血管适应的能力，因此提供了一种替代策略来抵消临床人群中骨骼肌健康和功能的衰退。
关键词：肌肉蛋白质合成、线粒体功能、肌肉干细胞、血管生成、肌细胞适应
关键点
l 低负荷血流限制阻力运动(BFRRE)提供了一种有效的方法，潜在刺激适应有益于骨骼肌健康。
l 根据训练方案，短期定期BFRRE训练可以刺激健康个体的累积肌肉肌原纤维蛋白合成、核糖体生物发生、肌肉纤维肥大和肌肉干细胞数量增加。
l 此外，最近的一些发现表明，短期BFRRE训练可以刺激健康个体的累积肌肉线粒体蛋白质合成、线粒体功能和毛细血管数量的增加。
l 总之，这些发现支持短期BFRRE训练可能具有增强健康个体肌纤维氧化代谢和肌纤维生长的双重能力。
l 新出现的数据表明，BFRRE训练也可以在临床环境中刺激这些肌细胞适应，以抵消肌肉健康的衰退，但需要进一步的研究。
引言
骨骼肌产生力量和参与氧化代谢的能力构成了骨骼肌特性的重要方面。因此，通过肌肉肌原纤维和线粒体蛋白质含量和功能的丧失，产生力量的结构和产生能量的系统的恶化可以介导骨骼肌健康的衰退。为了支持这一观点，在老年人中，骨骼肌质量的减少与全因死亡率相关，而骨骼肌代谢特性的恶化导致不活动、衰老和疾病的进行性和不良变化。因此，在这种情况下，确定有效的策略来对抗肌肉健康的衰退是至关重要的。
高负荷抗阻运动(HLRE)训练有效刺激肌肉质量增长，而耐力训练有效刺激氧化代谢。然而，这种典型训练方案的负荷/强度设置对于患有慢性临床疾病的个体，在肌肉骨骼损伤恢复期间，或在年老接近虚弱时可能是不可忍受的。此外，就时间消耗和个人动机而言，完成两种类型的训练方案以实现肌原纤维生长和肌肉氧化改善可能令人望而生畏。因此，需要确定低负荷/低强度的锻炼策略，既省时又能产生更大范围的骨骼肌适应。
低负荷血流限制性抗阻运动(低负荷BFRRE，以下简称BFRRE)被认为是一种减少力学负荷和工作量的策略，同时仍然可以增加肌肉量，相当于或有时超过传统的HLRE。BFRRE的原则和一些潜在的潜在机制已在之前的审查中讨论过。关于BFRRE原理，这些原理可以简单地总结为包括(I)利用设备(通常是可膨胀的袖带)和标准化来实现动脉血流的部分闭塞和静脉血流的接近完全/完全闭塞；(II)低载荷，通常在最大动态强度的20%-50%范围内；(III)典型地重复进行锻炼，直到接近或完全丧失意志的状态；和(IV)保持闭塞的非常短的间歇期恢复。关于解释低负荷BFRRE下肌肉生长的线索和机制，推测包括与收缩疲劳相关的因素(如高度运动单位募集和代谢物积累)，肌细胞液体潴留对机械转导途径的影响，以及肌肉干细胞的作用。
然而，尽管研究已经在很大程度上证实了BFRRE产生骨骼肌全肌生长的有效性，但是关于肌细胞适应BFRRE的信息很少。因此，关于BFRRE对肌肉蛋白质合成事件和肌肉干细胞的影响的知识很少。此外，到目前为止，很少有人关注BFRRE对肌肉线粒体和微血管适应的影响。BFRRE涉及肌细胞氧张力的显著降低(由于血管闭塞和运动的结合)，以及由于闭塞-再灌注和袖带释放时的反应性充血引起的血流动力学变化，这可能刺激线粒体和血管生成的适应。最后，关于BFRRE在临床人群中引起肌细胞适应的能力仅有有限的知识。
受一些新发现的启发，本综述假设BFRRE可以对涉及骨骼肌质量和氧化代谢的肌细胞变化产生双重影响，从而潜在地提供了一种可行和有效的策略来抵消健康和临床人群中骨骼肌健康的衰退(图1)。
范围和界限
为了追求我们提出的假设，本综述的范围仅限于肌细胞对BFRRE的适应，而很少关注全肌肉水平的适应。更具体地说，我们关注与肌肉肌原纤维蛋白增长和肌肉氧化代谢相关的肌细胞适应。
为了与BFRRE进行比较，以前的大多数研究使用了HLRE或无血流限制的低负荷抗阻运动(LLRE)。值得注意的是，没有运动的血流限制构成了另一个相关的控制模型，但是这迄今为止还没有受到太多关注。因此，在研究肌细胞对BFRRE的适应性时，没有研究比较所有这些类型的控制干预。此外，一些BFRRE研究选择将HLRE或LLRE与自愿性失败进行比较（意味着工作量在不同的干预措施之间会有所不同），而其他研究则选择将HLRE或LLRE的工作量与BFRRE的工作量相匹配（意味着疲劳发展在不同的干预措施之间会有所不同）。由于数据有限，目前的审查包括了使用不同类型的控制干预的研究。因此，建议注意研究设计的上述方面，因为这对理解限制和解释很重要。
我们还强调，大多数关于肌细胞适应性的可用证据都来自于短期(即大约3-6周)的BFRRE训练和相对抗阻运动方案。最后，对单次BFRRE急性反应的研究结果仅在合理解释BFRRE训练诱导的持续肌细胞适应的预期时才包括在内。
所包括的研究结果在下文中进行了阐述，并在表1和2以及图2中进行了可视化。
表1 用BFRRE研究与肌肉生长有关的肌细胞适应
BFRRE训练对肌肉生长相关的肌细胞适应性的影响
有人认为，肌肉肥大依赖于对肌肉纤维的最大招募，这需要用HLRE进行渐进式负荷（即在≥70%的最大动态力量下进行锻炼）。这一论点后来受到了研究的挑战，研究表明，单次LLRE进行到自愿失败的状态，具有与HLRE相同的刺激急性肌纤维蛋白合成率的能力，而且长时间的LLRE训练可以产生与HLRE相似的肌纤维肥大的程度。这可能是因为低阈值运动单位的募集相对较多，随着第一运动单位逐渐疲劳，逐渐转移到高阈值运动单位的募集。此外，糖原和磷酸肌酸耗竭研究有证据表明，耗尽BFRRE可以募集两种类型的纤维。总的来说，这些观察结果表明，与疲劳发展相关的因素可以构成肌原纤维蛋白增加的驱动因素。为了支持这一观点，我们先前发现6周的手臂屈肌LLRE和BFRRE(均在40%的动态力量下导致意志衰竭)产生了几乎相同的肌肉生长，其增长接近于更长时间的手臂屈肌HLRE后报道的增长。值得注意的是，对于BFRRE臂，仅完成了LLRE臂总工作量的大约三分之一。此外，表面肌电图(EMG)记录表明，两种训练方案都促进了运动单位的渐进恢复或放电率增加，因为力量能力下降到类似的最大EMG活动水平，只是在BFRRE中更早。此外，超声成像显示，响应于单次LLRE和BFFRE，肌肉厚度(即肿胀)有相当的短暂增加。短暂的肌肉肿胀表明发生了肌细胞内和间隙水潴留。这可能是由于力竭运动本身导致渗透活性代谢物增加的结果。此外，它可能与BFRRE期间血流受限引起的血液汇集有关。已经提出肌肉保水增加作用于肌膜和连接结构的侧向应变或压缩力，以通过机械感觉途径刺激肌原纤维蛋白合成。为了支持这一观点，我们最近使用离体方法证明了施加于骨骼肌的单一处理拉伸本身可以有效地激活合成代谢信号，并且已经报道了单次BFRRE中肌肉蛋白质合成的急剧增加。然而，尽管几项研究已经证明BFRRE可以显著增加骨骼肌大小，但只有少数最近关于BFRRE的研究对累积肌细胞生长背后的适应性进行了更详细的调查。这些为数不多的进行了更详细研究的研究在选择对比控制干预(即HLRE、LLRE或单独的血流限制)和训练频率方面有很大不同。从不同设计的研究中观察到的情况将在下面概述和讨论。
表2 BFRRE对线粒体和毛细血管适应性的研究
BFRRE与HLRE或LLRE对比研究的观察结果
在最近的一项研究中，我们调查了肌细胞对每周三次的BFRRE进行到力竭或传统的HLRE的6周适应性。用氧化氘来评估累积的肌肉纤维蛋白合成和核糖体生物生成，以前都观察到在HLRE后会增加。在这方面，核糖体生物生成最近被认为与肌肉肌纤维蛋白合成和肌肉肥大的提升有关。值得注意的是，我们观察到累积蛋白质和RNA的合成（核糖体生物生成的一种措施）在BFRRE和HLRE中增加到类似的程度，但在这两种训练方式中的任何一种之后都没有出现肌纤维肥厚。无法直接确定蛋白质和RNA合成的增加在多大程度上反映了重塑或早期生长事件，也没有评估整个肌肉的生长。此外，卫星细胞和肌核数量也没有观察到变化。纤维生长和肌核数量缺乏变化与以前的一项研究一致，即在未受过训练的妇女中，每周进行两次单侧BFRRE与对侧HLRE的12周研究，尽管在这项研究中，由于技术问题，无法准确评估纤维面积。无法直接确定蛋白质和RNA合成的增加在多大程度上反映了重塑或早期生长事件，也没有评估整个肌肉的生长。此外，卫星细胞和肌核数量也没有观察到变化。纤维生长和肌核数量缺乏变化与以前的一项研究一致，即在未受过训练的妇女中，每周进行两次单侧BFRRE与对侧HLRE的12周研究，尽管在这项研究中，由于技术问题，无法准确评估纤维面积。
至于与LLRE的比较，Pignanelli等人最近报道了为期6周的三周单侧BFRRE与对侧LLRE的效果，其中双腿暴露于相同的相对负荷，运动导致意志衰竭。肌肉厚度的增加表明整个肌肉尺寸的增加，I型纤维生长的总体趋势也很明显。缺乏明显的纤维生长可能部分是由于他们的实验对象习惯于阻力训练。对于我们自己的研究和Pignanelli等人的研究，6周训练期的运动刺激量和参与者的样本量可能抑制了在纤维水平跟踪面积变化的能力。另一方面，与只进行HLRE训练相比，在6.5周的HLRE训练方案中用两个1周的BFRRE块替代后，在高度训练的力量举重运动员中观察到了选择性I型肌纤维肥大。运动过程中所涉及的肌肉质量的大小、每次训练的工作量或训练期的持续时间可能构成纤维肥大在BFRRE中变得明显的重要因素。
来自高频BFRRE研究的观察
另一个需要考虑的因素是，与使用高频BFRRE方案(每天一次或每天两次)的研究相比，上述大多数研究中使用的低频BFRRE方案(每周两到三次)所允许的间歇期恢复持续时间。在Nielsen等人的一项此类研究中，健康的年轻未训练受试者在19天的过程中完成了23次疲劳BFRRE与工作匹配的LLRE的对比。这种高频方案仅在BFRRE训练的第8天就在I型和II型纤维区域产生了明显的增量(两种纤维类型中约38%)，而负荷相匹配的LLRE产生的增量不太明显，但仍然全面(I型纤维中约25%，II型纤维中约29%)。在停止BFRRE训练后10天，这些纤维面积的增加维持在基线水平以上约30%,而在LLRE组，它们恢复到基线值。值得注意的是，第一周的BFRRE训练(连续五天七次)也使I型和II型纤维中的肌源性干细胞(卫星细胞)数量增加了三到四倍，在停止训练后10天达到2.5倍。在BFRRE训练的第8天(约35%增加)以及训练结束后10天评估时，在I型和II型纤维中也观察到肌核数量的显著增加，尽管不太明显。相反，对于工作匹配的LLRE，没有观察到卫星细胞含量或肌核含量的增加。在一段时间的日常训练中观察到的纤维面积的最初增加反映了短暂的细胞肿胀，这似乎是合理的。然而，在停止训练后10天观察到的纤维面积的持续但较小的增加，其中肿胀预计会消失，这表明在BFRRE训练方案后有一定程度的肌肉肌原纤维增生。卫星细胞和肌核数量的同时增加可以解释为提供增加的翻译能力以支持大量的纤维生长所必需的，但也可能与运动诱导的肌肉重塑或再生事件有关。
在Bjørnsen等人最近的另一项研究中，我们修改了Nielsen等人的高频BFRRE方案，在两个5天的7次BFRRE会议之间引入了10天的恢复期。有趣的是，与Nielsen等人的报告相比，只有I型纤维的生长达到了统计学意义，而且幅度较小（增加19%）。此外，在卫星细胞和肌核数量方面观察到了不太明显和更渐进的增加，卫星细胞数量在两个区块后达到峰值，同时肌核数量增加。
使用高频方案的研究结果与低频方案(每周两到三次)形成鲜明对比，在Pignanelli等人、Sieljacks等人和Ellefsen等人的BFRRE训练研究中没有观察到卫星细胞或肌核数目的变化。这表明累积应力的程度决定了卫星细胞和肌核数目的增加。可以推测，疲劳的高频心率，特别是在不习惯的个体中，可以造成累积的肌肉微损伤，这需要肌源性干细胞辅助再生。在单次疲劳BFRRE后观察到肌肉损伤的迹象，这种迹象有所减弱，但在2周后重复BFRRE时仍然明显。在Nielsen等人的高频BFRRE方案中，在第一周BFRRE训练后观察到的膜水平的HSP27表达增加表明局灶性膜不稳定，而超微结构肌肉损伤的其他迹象不明显。在bjrn sen等人的研究中，在BFRRE训练的第一组中观察到肌酸激酶和肌红蛋白水平升高、暂时性肌纤维萎缩和神经细胞粘附阳性肌纤维，从而出现了更明显的肌肉损伤迹象。此外，在这两项研究中，观察到肌肉功能适应的延迟改善。因此，在超过一定的训练量和力量能力下降而又没有太多时间恢复的情况下，每次训练的总体压力甚至可能变得适得其反。Bjørnsen等人报告的更明显的肌肉损伤反应可能是由于与Nielsen等人的研究相比，更大的训练量和整体压力，特别是在第一周的训练中。关于进一步的讨论和可能的基本机制，请参见Bjørnsen等人的研究。
在临床中对BFRRE的观察
在骨科和老年人身上进行的BFRRE研究积累的证据表明，BFRRE可能在临床病人康复领域提供一个有用的工具。然而，关于BFRRE训练在临床环境中对肌细胞适应的影响的知识目前几乎不存在。为了研究这个问题，我们最近对慢性心力衰竭患者进行了短期BFRRE。共有36名老年慢性心力衰竭患者被随机安排接受6周的BFRRE训练，与我们以前对健康年轻受试者的研究相似，在休息时接受远程血流限制，或不进行干预（即既不运动也不限制血流）。为了量化累积的肌肉蛋白增殖，所有受试者都接受了氧化氘的注射。接触BFRRE的受试者表现出生活质量的改善和功能能力水平的提高，其程度与临床相关。然而，尽管BFRRE的累积RNA合成高于休息时的血流限制，但在累积的肌肉纤维合成、肌肉纤维生长或肌肉干细胞含量方面没有观察到变化。可以说，在这些病人中，刺激的程度或训练时间不足以克服一定程度的合成代谢阻力。然而，如下所述，在慢性心力衰竭患者的BFFRE训练中注意到骨骼肌适应的其他特征，这可能有利于肌肉健康。
BFRRE对肌肉氧化代谢相关的肌细胞适应性的影响
BFRRE训练已被证明，与容量匹配的LLRE训练和HLRE训练相比，BFRRE训练对肌肉耐力能力的刺激程度更高，与疲劳匹配的LLRE训练相比，BFRRE训练对肌肉耐力能力的刺激程度相似，这些都支持BFRRE训练可有效改善肌肉耐力表现。这种改善可能与阻力运动期间血流受限的组织脱氧有关，因为已知低氧水平会触发线粒体和微血管适应的肌细胞信号事件。例如，低氧被低氧诱导因子1a（HIF1a）感知，HIF1a是异源二聚体转录因子1的一个亚单位，调节与血管生成有关的基因的转录。此外，组织氧供应的降低与单磷酸腺苷（AMP）/三磷酸腺苷比率的增加有关，该比率由AMP激活的蛋白激酶感知，该激酶参与参与氧化代谢的代谢基因的转录调节。因此，有理由推测，BFRRE可能会增强对氧化代谢和抗疲劳的重要适应性，从而有助于增强外周耐力能力。目前，关于线粒体和微血管对BFRRE训练的适应性的信息有限，但数据已经开始出现。
线粒体对BFRRE的适应性
早期的工作表明，HLRE训练导致线粒体体积密度的稀释，表明这种类型的训练优先刺激肌原纤维蛋白的增长。然而，有趣的是，使用高分辨率呼吸测定法，最近证明了HLRE训练可以增加通透性肌纤维的线粒体呼吸功能。
BFRRE与HLRE或LLRE对比研究的观察结果
我们最近研究了年轻、健康、未经训练的受试者对每周三次BFRRE和HLRE治疗6周的线粒体适应性。通过利用氧化氘和高分辨率呼吸测定法，观察到BFRRE刺激线粒体蛋白质的累积合成和线粒体呼吸功能。值得注意的是，我们观察到HLRE引起了类似的适应。与我们的发现有些矛盾的是，Pignanelli等人报道了6周单侧BFRRE后线粒体呼吸功能轻微增加。奇怪的是，研究发现对侧LLRE导致意志衰竭增加了线粒体呼吸功能，尽管BFRRE和LLRE之间没有明显的统计学差异。在Petrick等人之前的研究中，据报道，与疲劳匹配的LLRE相比，BFRRE可减少运动后活性氧的释放。因为活性氧的产生可以启动线粒体适应的信号，这可能提供了一个联系。然而，应该指出的是，执行LLRE的分支机构比执行BFRRE的分支机构做了更多的工作。因此，Pignanelli等人的BFRRE相对较低的体积可能不足以强烈刺激线粒体呼吸的增加，而LLRE的较大体积就足够了。在Pignanelli等人的研究的锻炼方案中，与我们自己的研究方案相比，BFRRE腿包括更少的组数和重复次数(即，达到我们锻炼量的大约三分之二)。此外，与我们自己的调查中未经训练的参与者不同，Pignanelli等人的研究中的参与者更习惯于阻力锻炼。因此，较低的训练量和较高的训练状态的结合可能部分否定了线粒体功能的改善，以解释Pignanelli等人的研究和我们自己的研究之间的差异。
微血管对BFRRE的适应
微血管系统输送氧气和营养物质的能力对肌肉氧化能力很重要。因此，在肥大的情况下，为了维持穿过纤维膜的扩散能力，毛细血管内容物将会扩大。为了支持这一观点，已经观察到毛细血管与纤维的比率随着HLRE的增加而增加。另一方面，毛细血管网的扩张在阻力练习文献中并不是一致的发现。
BFRRE与HLRE或LLRE对比研究的观察结果
基于静脉闭塞体积描记法，以前的研究结果支持短期BFRRE训练可以引起局部微血管适应，如动脉功能改善和小腿过滤能力增强，这可能反映了毛细血管增加。最近，我们报道了在训练有素的举重运动员中，与单独使用HLRE相比，在6.5周的HLRE方案中插入两个1周的BFRRE模块导致每根纤维的毛细血管数增加。此外，Pignanelli等人最近观察到，在短期BFRRE和LLRE失败(即容量不匹配)后，I型纤维毛细血管化选择性增加。目前尚不清楚BFRRE训练与容量匹配的LLRE在促进肌细胞血管生成适应的能力上是否不同。一方面，已经发现与容量匹配的LLRE相比，单次BFRRE增加了与血管生成相关的基因的转录，利用近红外光谱研究股外侧肌氧输送和消耗的短期适应表明，与对侧工作匹配的LLRE训练相比，单侧BFRRE训练后，在伸膝耐力测试中氧合血红蛋白减少较少，总血红蛋白增加较多。另一方面，根据应变仪体积描记法对骨骼肌微血管的评估，在BFRRE与容量匹配的LLRE训练后观察到了相似的增加幅度。
临床环境中的BFRRE
在前面提到的对慢性心力衰竭患者的研究中，BFRRE训练导致线粒体呼吸功能改善。然而，与我们在健康个体中的观察不同，BFRRE并没有使这些患者的累积肌肉线粒体蛋白合成增加。线粒体功能的改善不依赖于线粒体的生物发生，这一发现表明BFRRE改善了线粒体的功效。有趣的是，一只手臂休息时的远程血流限制并没有改善下肢线粒体功能。被动局部缺血性处理本身是否提供了足够的代谢应激来刺激线粒体适应，还有待进一步研究。在同一项研究中，BFRRE训练方案似乎不足以改善毛细血管化。
摘要
根据BFRRE方案的持续时间和频率，有证据支持低负荷BFRRE提供了一种刺激骨骼肌纤维生长的时效策略，可能特别是在I型纤维中。此外，新的证据表明，BFRRE可能有能力在健康个体和部分特定患者群体中产生慢性线粒体和微血管适应。因此，有数据支持BFRRE具有产生肌肉适应的双重能力，这种能力与肌肉大小(因此肌肉力量的能力)和肌肉氧化能力(因此收缩耐力)有关。重要的是，目前的证据表明，HLRE和LLRE也可以促进这种双重的适应行动方案。然而，BFRRE可能证明在临床情况下特别相关，在这些情况下，肌肉-肌腱负荷不能被很好地耐受，或者需要低的总训练量。然而，需要强调的是，需要更多的调查来确定这样一个论点。
未来展望
关于肌细胞适应BFRRE训练的少数研究在设计上有很大差异。因此，尽管BFRRE在刺激肌细胞适应方面是有效的，这对肌肉健康是重要的，但是BFRRE训练与HLRE和LLRE训练方案相比的相对有效性仍有待进一步研究。一个具体的挑战是难以将肌肉疲劳引起的反应与肌肉损伤引起的反应区分开来。例如，除了正常的重塑或再生过程之外，肌肉干细胞在支持BFRRE诱导的肌纤维肥大中的作用仍然不清楚。还不清楚线粒体和微血管的适应在多大程度上与运动期间的能量消耗或运动后恢复期间的持续再生有关。为了解决这些问题，我们建议进一步研究肌细胞对BFRRE训练适应性的比较研究:1)肌细胞对分化的LLRE训练方案的代谢适应性；2)既往训练背景对BFRRE训练诱导的肌细胞适应性的影响；3)与容量对疲劳匹配的HLRE和LLRE方案相比，BFRRE训练方案的有效性；4)高频与低频BFRRE方案对有效性、可行性和潜在退化-再生事件的影响，以及5)肌细胞适应转化为临床相关功能适应的程度。