长期高强度运动训练可诱导心脏结构和功能的适应性改变，使心脏能够满足运动期间的血流动力学要求。这种生理重塑可增强心肌收缩力，即独立于运动负荷而缩短的固有能力，因此，是运动员心脏临床评估的目标。然而，心脏的即时性能受前负荷、后负荷和心率（HR）的显著影响。因此，大多数传统左心室（LV）收缩功能指标只能粗略估计收缩功能。尽管运动员的心脏收缩储备增加，静息时收缩功能指标[如射血分数（EF）]却经常低于正常范围。这种现象可能影响静息超声心动图的正确解读，以及正确区分LV的生理性重塑和病理状态。
斑点追踪超声心动图（STE）的整体长轴应变（GLS）已成为左室收缩功能的敏感指标。此前，本研究团队在运动诱导左室肥厚的大鼠模型中观察到GLS与通过压力-容积（P-V）分析得出的收缩功能指标之间存在显著相关性。然而，GLS同样受到负荷条件、心率和左室形状等多个因素的显著影响。为了减轻运动负荷对GLS的影响，提出了心脏做功（MW）的概念。由于MW比GLS受运动负荷影响更小，假设它能更可靠地反映心脏收缩。
此项研究目的是探讨运动员心脏大鼠模型的MW与有创心肌收缩力创测量指标之间的相关性。还旨在比较久坐志愿者与优秀运动员的MW，并探讨优秀运动员的MW与CPET测得有氧运动能力的关系。
一、方法
1.1 运动员心脏大鼠模型
所有动物均在标准条件下（22±2℃，光/暗周期为12:12-h）饲养，并在整个实验期间自由进食标准实验室大鼠饮食和水。此项研究应用运动员心脏年轻成年（57-61天）雄性（n=16）和雌性（n=16）Wistar大鼠模型（Charles River Laboratories，Sulzfeld，Germany）。驯化后，将大鼠分为四组：雄性对照组（MCo，n=8）、雄性运动组（MEx，n=8）、雌性对照组（FCo，n=8）和雌性运动组（FEx，n=8）。
运动组雄性和雌性大鼠运动内容：200分钟/天的游泳，5天/周，持续12周，以诱导生理性左室肥厚。为了让大鼠逐步适应运动，第一次游泳的持续时间限定为15分钟，并且每个第二次训练增加15分钟，直至达到200分钟/天（图1A）。在为期12周的训练中，每天将非训练的对照大鼠放入水中5分钟（图1A）。
二、检查
在完成12周的运动训练后，使用Vividi超声系统评估LV形态和功能指标，通过胸骨旁长轴切面获得斑点追踪超声心动图，并进行分析。随后进行左心室压力-容量分析（LVP-V），测量如下血流动力学指标，平均动脉压（MAP），左室收缩末期压力（LVESP），左室舒张末期压力（LVEDP），左室收缩期压力增长斜率（dP/dtmax），左室舒张期压力增长斜率（dP/dtmin），左室舒张末期容积（LVEDV），左室收缩末期容积（LVESV），每搏输出量（SV），EF，心输出量（CO），每搏做功（SW），左室收缩末压力-容积关系（ESPVR，独立于运动负荷，心肌收缩力的金标准指标），心室-心房耦连（VAC）用心房弹性（Ea）和ESPVR比率来表示。径向舒张末室壁应力（σED)，σED = 0.334×LVEDP×[LV舒张末期内径/(1＋舒张期后壁厚度/LV舒张末期内径)]。应用相关软件记录大鼠长轴应变曲线和有创LV压力，以计算MW。
2.1 人类研究
研究参与者：我们从综合运动心脏病学筛查项目筛选了20例优秀游泳运动员（10例女性和10例男性，国家队成员）。从数据库挑选20例健康、性别和年龄相匹配的健康久坐（先前无高强度运动训练，每周运动＜3小时）志愿者作为对照组。所有运动员在比赛阶段和比赛结束后≥24小时接受各项检查。
休息5分钟后，受试者左侧卧位，测量肱动脉袖带压力。之后进行超声心动图检查，所有运动员都进行了CPET，以量化峰值摄氧量（VO2和VO2/kg）。研究方案概要如图1B所示。
三、结果
3.1 运动员心脏大鼠模型
3.1.1 传统超声心动图指标
MEx和FEx组均显示出运动诱导心肌肥厚的超声心动图特征。与对照组相比，运动组动物的室壁厚度增加，左室质量更高（图2）。与雄性动物相比，雌性动物左室相对肥厚程度更明显（左室质量增加20%~25% vs. 10%~15%）。
3.1.2 有创血流动力学指标
对照组和运动组之间基本血流动力学指标（MAP、LVESP、LVEDP、dP/dtmax和dP/dtmin）没有差异。运动训练与较低的LVESV相关，这与未发生变化的LVEDV结合，导致SV增加。与对照组相比，运动组EF和ESPVR显著增加。这些适应性变化与性别无关。长期游泳训练与Ea值降低相关，（与收缩力的改善相结合）导致运动组雄性和雌性动物的VAC显著降低。
3.1.3 心肌做功分析
与对照组相比，运动组的GLS显著增加，雌性大鼠的应变值高于雄性大鼠（图2，表1）。此外，运动组动物GMWI和CMWI更高，性别相关差异与GLS的性别相关差异相似（图2，表1）。WMWI和MWE在实验组之间没有差异（表1）。
3.1.4 收缩力与心肌做功指数
运动组雄性和磁性动物GLS与ESPVR具有强相关性（r=-0.766 和r=-0.757，P均＜0.001），整体动物队列结果一致（r=-0.716，P<0.001，图3）。根据我们的实验数据，MW指数与左室收缩力密切相关：GMWI和CMWI均与ESPVR呈强正相关（r=0.764和r=0.729，P均<0.001，图3）。
3.1.5 整体长轴应变和心肌做功指数的决定因素
通过OLS分析来明确五个预定义因素的相对重要性[（i）前负荷（σED），（ii）后负荷（Ea），（iii）左室收缩力（ESPVR），（iv）运动训练和（v）性别]，假设上述指标会对GLS、GMWI和CMWI产生重大影响。分析显示，GLS主要由性别和后负荷决定，而GMWI和CMWI的主要决定因素是收缩力和运动训练（图3)。
3.2 人类研究
3.2.1 形态学和超声心动图指标
入组的优秀运动员参加游泳比赛年限为14±5年，目前平均训练时间为23±4小时/周。与对照组相比，运动员的静息收缩压明显较高，静息心率明显较低。运动员CPET测得峰值VO2高于对照组。在运动员中，可以通过超声心动图（心脏结构和功能指标）观察到运动诱导的适应性变化（图4）。
3.2.2 优秀运动员心肌做功分析
定期运动训练导致运动员GLS降低（PExercise=0.002），性别会对GLS产生轻微影响（PSex=0.046）（表2，图4）。相反，运动训练与GMWI（PExercise=0.025）和CMWI（PEExercise=0.004）值较高有关，性别对其值没有显著影响（PSex=0.460和PSex=0.297）（表2，图4）。运动员和对照组之间的WMWI和MWE没有差异（表2）。
3.2.3 左室功能性指标与峰值VO2的相关性
对于整体队列，LVEF和GLS与VO2/kg呈轻-中度相关（r=-0.341，P=0.032和r=0.494，P=0.001，图5）。GMWI和CMWI均与VO2/kg呈中度正相关（r=0.527和r=0.584，P均<0.001，图5）。当针对男性和女性分别进行亚组分析时，相关程度类似。
3.2.4 可重复性
观察者内和观察者间的变异性分析证实了，在大鼠和人类中，GLS、GMWI和CMWI的评估都具有高度可重复性。
四、讨论
此项研究全面探讨了STE测量的MW在运动员心脏功能评估中的作用（图形摘要）。首先，我们通过在运动诱导左室肥厚的啮齿动物模型中进行无创（STE）和有创（P-V分析）测量提供了实验数据。此外，通过先进超声心动图和功能测试（CPET）获得了来自优秀运动员的人体数据。发现运动大鼠的GLS、GMWI、CMWI和ESPVR值高于对照组。在优秀游泳运动员和对照组中，定期运动训练与GLS降低相关，但GMWI和CMWI增加。此外，MW指数和有创测量的大鼠左室收缩力和人类运动员的最大有氧运动能力相关。
受到最广泛关注的运动员心脏特征之一是收缩功能的增强。当前尚无非侵入性测量指标能够可靠、准确地描述运动诱导的静息时左心室系统功能增强。MW分析较少受运动负荷的影响，它可能更好地反映运动诱导左室肥厚时的内在心脏收缩力。
本研究是第一项探索MW指数与运动员心脏收缩力的运动负荷独立指标之间相关性的研究。动物模型能够应用有创和无创技术对心脏功能和血流动力学进行深入和标准化研究。发现在运动性肥厚的发展和消退过程中，LV应变指标可以准确监测收缩功能的变化，这些指标也与独立于运动负荷的LV收缩性指标具有较好的相关性。GLS和MW指数表明游泳训练大鼠的心脏收缩功能增强，且与有创测量的收缩功能具有强相关性（图3）。然而，重要的是要强调，与GLS相比，前后负荷指标对GMWI没有显著影响（图3）。换个角度讲，研究发现ESPVR是GMWI和CMWI的最强决定因素，而它对于确定GLS作用较小（图3）。这些发现表明，GMWI和CMWI在描述运动员心脏收缩功能方面优于常规功能性指标。
在优秀游泳运动员中，研究证明，尽管GLS略有降低，但GMWI和CMWI均显著高于对照组，这意味着即使在静息状态下，收缩功能也会增强。MW分析的这一特征可能对临床实践具有重要意义。由于运动员的LVEF和GLS可以降低，不能由此排除与运动员心脏具有类似特征的心脏疾病。重要的是，MW指数与CPET指标VO2/kg中度相关，证明在静息状态下测量的GMWI和CMWI的较高值意味着在运动中表现更好。我们的研究也对GMWI和CMWI（在实验环境中显示出与左室收缩性强相关的指标）进行了评估，发现运动员在休息时上述两个指标较高。因此，我们的实验和临床研究结果支持在评估运动员心脏时使用MW分析。
尽管MW指数表明了运动大鼠和人类运动员的超常收缩功能，但这两种情况下导致收缩功能增强的潜在因素存在明显差异。在运动员心脏的大鼠模型中，GLS比对照组动物高，而LV压力相似。因此，GMWI和CMWI的增强主要归因于心肌变形的增强。而对于人类优秀优秀运动员，运动诱导的心血管适应在两个关键方面是不同的。首先，与大鼠模型不同，游泳导致LV显著扩张。因此，GLS值的降低以及由此产生的心肌变形和收缩力之间的解耦联，部分归因于LV几何结构的改变，如在LV扩张的情况下，较小的心肌变形足以产生正常的每搏输出量。其次，由于血管重塑和交感-肾上腺素能调节的改变，优秀游泳运动员通常静息收缩压升高。因此，由于LV压力的增加可能抵消GLS的降低，因此GMWI和CMWI可能保留或升高。然而，通过解释LV瞬时压力下的LV变形来计算MW可以克服大鼠模型和人类运动员之间的这些差异；此种情况下，MW指数似乎是评价左室收缩功能的普遍而可靠的指标。
五、结论
MW在运动大鼠模型中准确反映了运动诱导的左室肥厚，能够发现人类运动员静息状态下超常的左室收缩功能。结果证实，MW对负荷条件和性别差异的依赖性较小，进一步证实了这种新型无创技术在运动员心脏评估中的广泛应用。
本文由北京大学第三医院心内科宋燕新翻译整理，转载请注明出处和作者。
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