古人很早就意识到运动对健康的重要性。战国末年商人、政治家吕不韦在《吕氏春秋》中曾留下千古名言：“流水不腐，户枢不蠹，动也。”我们需要合理的运动，才能预防和治疗相关疾病。正如我国唐代医药学家孙思邈的观点：“养生之道，常欲小劳，但莫大疲，及强所不能耳。”运动可以带来快乐，这是因为运动可以促进大脑分泌多巴胺等因子，这些因子被科学家认为是“快乐分子”。

运动不仅可以缓解压力，释放情绪，在生理性心肌肥大、病理性心肌肥大、心肌梗死、动脉粥样硬化、心衰等心脏疾病的改善，肥胖、糖尿病、脂肪肝等代谢疾病中也发挥着重要的调控作用。本文将就此介绍运动对心脏和代谢的改善作用。

根据运动时体内是否存在充足的氧气供应，运动主要分为有氧运动和无氧运动。同时，综合考虑强度、持续时间、频率、地点、活动类型等，运动又可以分为耐力运动、被动运动和阻力运动。耐力运动是锻炼耐力和心肺功能的运动，一般是指长时间的运动。被动运动是需要外力帮助的运动。阻力运动是对抗阻力进行的运动，例如举重，因此阻力运动依赖于器械。如何选择强度、频率、持续时间，如何评估效益和风险等对预防和治疗相关疾病是不可或缺的重要考虑因素。

有氧运动，顾名思义，是指人体在氧气充分供应的情况下进行的体育锻炼，即强度低且时间较长的运动，例如慢跑、慢游泳、慢骑自行车。当运动强度较低时，消耗的能量和氧气少，氧气有足够的时间被输送到组织细胞中，并帮助燃烧碳水化合物和脂肪。体内碳水化合物在氧气供应充足时氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量。由于碳水化合物能充分氧化分解，体内没有乳酸蓄积，随着运动时间的延长，身体会继续消耗体内脂肪。

美国运动医学院将有氧运动定义为任何使用大肌肉群、可以持续维持且具有节奏性的活动。是不是“有氧运动”，衡量的标准是心率。心率保持在150次/分钟以内的运动为有氧运动，因为此时血液可以供给心肌足够的氧气。因此，有氧运动的特点是强度低、有节奏、持续时间较长。有氧运动能充分燃烧(即氧化)体内的碳水化合物，还可消耗体内脂肪，增强和改善心肺功能，预防骨质疏松，调节心理和精神状态，是健身的主要运动方式。所以说，如果体重超标，建议选择有氧运动来达到减肥的目的。一项活动是有氧运动还是无氧运动，主要取决于它相对于人的强度。

无氧运动是指人体肌肉在无氧供能代谢状态下进行的运动。日常我们所认为的无氧运动是指肌肉在“缺氧”的状态下高速剧烈的运动。无氧运动大部分是负荷强度高、瞬间性强的运动，例如举重、百米冲刺等。此时身体内的碳水化合物会进行无氧代谢，产生大量的能量以满足身体运动的需求。由于速度过快，体内的碳水化合物来不及氧化分解，因此无氧运动产生许多乳酸蓄积，导致肌肉酸痛，对人体影响很大，不宜用来强身保健。

无氧运动不依赖于氧气，持续时间很短，典型例子是50 m游泳，以及100 m跨栏等奥运会上大多数短程田径项目。日常生活中常见的活动，如坐、站、跳、蹲以及把物体放在架子上等所有短时间的活动，也是无氧运动。无氧运动的另一个典型例子是阻力训练，例如等长运动。等长运动包括肌肉长度和关节角度不变的运动，同时肌肉保持对重力的抵抗力，比如在脸前保持举哑铃一定时间。无氧运动被美国运动医学院定义为持续时间很短的剧烈体力活动，由收缩肌肉内的能量来提供动力，不依赖于吸入的氧气作为能量来源。

有氧运动和无氧运动的区别见下表1。

表1：有氧运动和无氧运动的区别

运动训练正逐渐发展成为一种安全的、非药物的绿色干预手段。运动对神经系统、关节、外分泌腺、神精疾病等都有明显的保护作用。科学研究表明运动在慢性神经疾病，如多发性硬化症、帕金森病、神经肌肉疾病中具有改善疾病症状的潜力。运动对膝关节相关肌群、关节炎、膝关节退行性病变具有改善作用。运动训练已经是大多数囊性纤维化患者的定期门诊护理的一部分。慢性疲劳综合征患者在运动治疗后通常会受益，并且不会感到疲劳，睡眠状况、身体功能和自我感觉总体良好。

阻力运动对免疫相关疾病、骨质疏松具有良好的康复作用。Lohi及其同事对11名重症肌无力患者进行了为期10周的阻力训练，发现在没有不良事件的情况下，膝伸肌力量增加了22.9%。阻力训练可提高胰岛素敏感性，增加肌肉力量、瘦肌肉质量和骨密度，从而改善肌肉功能状态和血糖控制能力，并有助于预防肌肉减少和骨质疏松。

有氧运动对癌症、衰老、毒品成瘾、炎症具有抵抗作用。Ruddy及其同事发现普拉提、瑜伽、太极拳、气功和各种舞蹈等传统的有氧运动有促进癌症康复的功效。有氧运动训练改变s-Klotho这个因子的表达，有助于解释长期有氧运动的抗衰老作用。Semlitsch等发现有氧运动可使高血压患者收缩压和舒张压下降5～10mmHg。有氧运动能够促使与成瘾药物重叠区域的中枢神经系统释放单胺类神经递质，使运动锻炼者感受到积极的情绪状态，从而促使甲基苯丙胺类依赖者降低渴求度，减少毒品的使用，并表现出较少的抑郁和焦虑症状。长期有氧运动还能增加抗炎因子从而增强人体的免疫功能，促进健康。

运动在体内各个系统的生理健康和病理康复过程中发挥着重要的调控作用。探究运动的修复功能和机制也为疾病的发生发展提供重要的潜在生物标记物。以下我们将重点介绍运动在心脏和代谢相关疾病中的预防和改善作用及其机制。运动对健康的保护作用请见下图1。

图1：运动的作用

目前，心血管疾病已成为威胁人类生命和健康的主要慢性疾病类型之一。虽然越来越发达的医学技术可以缓解心血管疾病患者的症状，但仍无法阻止心血管疾病的进一步发展或逆转其病理过程。此外，人类不健康的生活习惯已逐渐成为心血管疾病的新危险因素。越来越多的证据表明，运动训练可以预防和治疗心脏疾病，改善心脏功能。

3.1 运动与生理性心肌肥大

心脏的主要功能是维持外周器官的灌注，使其在正常和应激状态下都符合要求。为了在负荷增加的情况下完成这项任务，心脏和单个心肌细胞经常发生肥大，这种情况称为心肌肥大。此外，左室壁厚度的增加会降低左室壁应力，从而维持心脏的效率。心肌肥大还伴随着质的变化，即基因表达的变化，这些变化会导致代谢、收缩力和心肌细胞存活率的变化。心肌肥大分为两类：生理性和病理性。这两种肥大最初都是作为对心脏应激的一种适应而发展的，但它们在潜在的分子机制、心脏表型和预后方面有很大的不同。生理性心肌肥大随着时间的推移来维持心脏功能，而病理性心肌肥大伴随着心血管疾病，包括心力衰竭、心律失常和死亡。

运动员在重复耐力运动中被观察到心脏的生理性肥大。运动员的生理性心肌肥大与运动引起的血清中IGF1水平升高有关。运动诱导PI3K-AKT通路激活，抑制C/EBPβ的表达，增强CITED4的表达，诱导心肌细胞增殖，从而引起生理性心肌肥大。我们通过分析两种不同运动模型中心肌microRNA的表达，发现microRNA222(miR-222)在两种运动模型中均上调。miR222在体内的抑制作用完全阻断了心肌和心肌细胞对运动的反应，同时降低了心肌细胞增殖的标志物。这些研究表明miR-222对运动诱导的成年哺乳动物心脏生理性肥大是必要的。

3.2 运动与病理性心肌肥大

病理性心肌肥大是各种心血管疾病常见的病理生理表现，如高血压、冠心病、瓣膜病等。病理性心肌肥大是心力衰竭的早期征象，是心力衰竭、中风、冠心病和猝死的危险因素。如果慢性刺激得不到缓解，肥大的心脏就会扩张，收缩功能下降，最终导致心力衰竭。

科学家通过组织学和超声心动图参数评估发现，因横向主动脉缩窄(TAC)引起的病理性心肌肥大的大鼠运动后，病理性心肌肥大明显减轻。运动通过降低miRNAs的表达进而增强心血管系统的功能来减轻病理性心肌肥大。通路分析显示，这些miRNAs主要参与钙信号通路和MAPK信号通路。另一项研究表明，运动在病理性心肌肥大情况下可能通过抑制IκB的降解和阻断NF-κB信号通路，有效地减轻TAC诱导的病理性心肌肥大反应。以往的研究表明一氧化氮在防止病理性心肌肥大中起着重要作用。N硝基-L-精氨酸甲酯，一种非选择性一氧化氮合酶抑制剂，阻止了运动对基因异常小鼠病理性肥大的抑制作用，暗示着一氧化氮合酶可能参与运动对病理性心肌肥大的抑制作用。

运动并非越多越强越好。科学家将雄性Sprague-Dawley大鼠随机分为对照组、中度运动组和高强度运动组。运动训练持续8周，每周休息2天。结果表明：高强度组伴有明显的心肌细胞异常和心肌缺血；中等强度运动组对病理性心肌肥大的保护作用显著高于高强度运动组。

3.3 运动与心肌梗死

心肌梗死是指心肌的缺血性坏死，冠状动脉血流急剧减少或中断，导致相应心肌严重而持久的急性缺血，周围心肌区缺乏氧气供应，最终导致心肌缺血性坏死。当心肌梗死发生时，梗死区的心壁变薄，心室腔扩张。由于心肌细胞丢失，射血容量减少，从而使心室壁应力增加。升高的心肌壁应力刺激了心肌细胞的肥大，导致心室肥大。越来越多的证据证实，心肌梗死后运动训练可以预防未来的并发症，提高梗死患者的生活质量和寿命。

诱导型心肌细胞miR-222过表达的小鼠对缺血损伤后的不良心脏重塑和功能障碍具有抵抗力，表明miR-222足以保护心脏免受不利的重塑。心肌梗死后运动对左室重构及心肺功能恢复有良好的作用。心肌梗死后患者容易出现肌肉脱氧。科学家将首次心肌梗死后21±8天的患者(n=16)分为12周有氧训练(TR，n=10)组和非训练(CON，n=6)组。有氧训练组患者进行坡道自行车运动直至筋疲力尽。用近红外光谱法测定运动时股外侧肌的脱氧活性。结果显示，有氧训练增强了骨骼肌的脱氧能力。

Barboza及其同事评估了心肌梗死前训练大鼠有氧和阻力运动对心脏功能的影响。训练结束后进行假手术和心肌梗死手术。有氧训练可预防心肌梗死引起的心室功能障碍、压力反射敏感性和自主神经紊乱。阻力训练能阻止心血管交感神经的增加，但不能阻止心室功能不全。此外，两种类型的抗阻训练均能降低左心室炎性细胞因子的浓度。

心肌在供血不足时重新供血称为心肌缺血再灌注损伤。短期(3～5天)和长期(几周)运动都能减少由心肌缺血再灌注损伤引起的梗死面积和心律失常。有氧运动通过诱导一氧化氮信号，增加热休克蛋白水平，增强ATP敏感性，从而保护心脏。

3.4 运动与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是指斑块的内膜下脂质沉积，发病机制是血管平滑肌细胞的迁移和增殖。斑块形成是动脉粥样硬化的病理基础，特点是血管狭窄。动脉粥样硬化是氧化应激、炎症、巨噬细胞功能障碍、内皮损伤、脂质沉积和遗传易感性的相互作用的结果。缺乏运动引起内脏脂肪的积累和促进代谢紊乱发展的炎症途径的激活，导致动脉粥样硬化。规律的体育锻炼有助于降低动脉粥样硬化发生的危险，其基本机制可归纳为：①降低促炎性细胞因子；②通过降低ROS生成对抗氧化应激；③改善内皮功能；④通过调节ICAM-1、VCAM-1、E-selectin、P-selectin和ET-1的表达降低内皮黏附性；⑤调节巨噬细胞功能和抑制泡沫细胞形成；⑥降低LDL和甘油三酯水平；⑦保持动脉粥样硬化斑块的稳定性。

仰卧自行车运动或中等强度和高强度运动训练有助于改善冠状动脉疾病患者的冠状动脉侧支循环。基因敲除ApoE-/-小鼠和老年野生型小鼠是动脉粥样硬化的动物模型。Jakic及其同事发现运动可减少年轻ApoE-/-和老年小鼠的主动脉损伤。心血管疾病是肾病患者发病和死亡的主要原因。科学家将小鼠随机分为肾切除术或对照组，然后进行自愿性的车轮运动或久坐，发现运动是治疗患肾脏疾病小鼠的心血管疾病的一种有效的非药理学方法。

3.5 运动与心衰

心力衰竭是大多数心血管疾病的最后阶段，也是全世界老年人死亡的主要原因之一。心脏收缩或舒张功能受损，导致心力衰竭的特征是由于疲劳或呼吸短促而导致运动不耐受。在20世纪上半叶，心衰患者被建议卧床休息。随后，对运动不耐受机制的研究支持运动训练对心衰患者的良好效果。今天，运动训练是综合性心脏康复计划的主要组成部分之一。根据左心室射血分数，心力衰竭分为射血分数保留心衰和射血分数降低心衰。大量的心脏康复研究已经证明了射血分数降低心衰患者通过运动训练，心脏功能和生活质量得到改善。

运动对心衰的作用可以分为三部分：预防心衰、改善心衰、预测心衰患者的未来。运动量为500 MET/周(MET，代谢当量)的受试者患心衰的风险比不运动的受试者低10%，而运动量为1 000 MET/周或2 000 MET/周的受试者患心衰的风险分别低19%和35%。一些国家的心脏中心为其心衰患者制定了运动训练方案，训练结果显示运动组与对照组相比心衰有所改善。

Pandey及其同事将276名射血分数保留心衰患者随机分组进行运动组合对照试验。在汇总数据分析后发现，接受运动训练的射血分数保留心衰患者与对照组相比，心肺功能和生活质量(加权平均差，-3.97；95%可信区间，-7.21～0.72)显著改善。体育活动和运动训练对于预防整个健康领域的疾病都非常重要。大量证据支持在年轻的心衰患者中采用锻炼计划。尽管运动训练在生理、功能和临床结果方面有诸多益处，老年心衰患者进行运动训练也有明确的科学依据，但老年心衰患者采用运动训练的比率似乎很低。应鼓励所有稳定的心衰患者，不论年龄大小，定期参加体育活动和有组织的运动训练计划。运动对心脏的作用见图2。

图2：运动对心脏的作用

随着我国快速的经济发展与人口的老龄化，不健康的营养膳食和生活方式导致的代谢性疾病高发，成为居民健康最重要的威胁之一。世界卫生组织《2014年非传染性疾病国家概况》指出非传染性疾病估计占我国所有死亡率的87%， 2010年《全国慢性病调查》报道我国代谢性疾病的患病率持续攀升。代谢性疾病包括肥胖、糖尿病、脂肪肝等。近年来，运动干预治疗代谢性疾病成为热点。

4.1 运动与肥胖

2016年《柳叶刀》杂志和2017年《新英格兰医学杂志》报道中国超重人口约3亿人，其中肥胖约9 000万。肥胖是指体内脂肪积聚过多、体重明显超重并且可能对健康产生有害作用的身体状态。肥胖是一种复杂的机体紊乱状态，是摄入能量大于消耗能量导致的能量不平衡的结果。肥胖会引起心血管疾病、Ⅱ型糖尿病、脂肪肝等并发性疾病。

科学研究者对加拿大渥太华和加蒂诺社区的14～18岁青少年随机干预。在为期4周的磨合期后，304名受试者被随机分为4组：有氧训练(n=75)、阻力训练(n=78)、有氧与阻力联合训练(n=75)、对照(n=76)。所有参与者每日摄入能量不超过250 kcal(1 kcal=4.186 8 kJ)。经过22周，有氧运动、阻力运动和联合训练减少了肥胖青少年的全身脂肪和腰围，而且联合训练比有氧训练或阻力训练引起更大的减少。成年人中，有氧运动和力量训练被证明是治疗病态肥胖的重要组成部分。2017年Villareal及其同事在《新英格兰医学杂志》上发表了研究成果，他们发现，有氧运动加阻力运动可以显著改善肥胖老年人的功能状态，体重下降了9%，力量增加18%，体能测试得分增加21%。肥胖患者中IκBα激酶/核因子-κB(IKK/NFκB)、内质网应激诱导的未折叠蛋白反应(UPR)和NOD样受体P3(NLRP3)炎症途径激活，而运动通过抑制炎症信号通路的激活进而缓解肥胖。

4.2 运动与糖尿病

2010年《新英格兰医学杂志》和2013年的《美国医学会杂志》报道，全球Ⅱ型糖尿病患者有3.66亿，其中中国Ⅱ型糖尿病发病率从2007年的9.7%攀升到2010年的11.6%。糖尿病分为Ⅰ型糖尿病、Ⅱ型糖尿病及妊娠期糖尿病。Ⅰ型糖尿病是由于胰岛β细胞分泌胰岛素不足；Ⅱ型糖尿病主要是机体对胰岛素不敏感，即胰岛素抵抗；妊娠期糖尿病是由于妊娠期妇女分泌的激素所导致的。全球90%糖尿病患者为Ⅱ型糖尿病。Ⅱ型糖尿病的核心病理特征和最大诱因是胰岛素抵抗。长期高血糖会导致许多并发症，如血管受损、脂肪肝等，因此，开发治疗糖尿病的药物及采取运动措施等对于改善糖尿病具有重要的意义。

体育锻炼被牢固地纳入Ⅰ型糖尿病的治疗中。Hung及其同事对28例Ⅱ型糖尿病患者进行了12周的太极拳运动，发现太极拳运动可明显改善糖尿病患者的空腹血糖和周围神经传导速度。将91名孕期体重指数为28 kg/m2、妊娠第12～18周的孕妇随机分为2组：运动训练(n=46)和对照组(n=45)。运动组每周进行3次监督训练，每次35 min的中等强度耐力训练和25 min的力量训练，运动至分娩。在接受随机运动训练的妇女中，妊娠晚期糖尿病的发生率低于对照组。科学研究发现，高脂饮食可以诱导小鼠的糖尿病，而且高脂饮食后的小鼠的子代血糖也显著高于正常饮食的小鼠子代血糖。给小鼠滚轮跑步3周，结果表明，运动不仅能够改善糖尿病小鼠的血糖，还能够通过表观遗传学改善糖尿病小鼠子代的血糖。阻力运动增加骨骼肌葡萄糖摄取，而有氧运动训练改善线粒体功能，增加线粒体生物合成，增加葡萄糖转运蛋白和AMPK的表达，从而提高胰岛素敏感性。

4.3 运动与脂肪肝

脂肪肝根据成因是否是过量饮酒分为酒精性脂肪肝和非酒精性脂肪肝。近年来，非酒精性脂肪肝(nonalcoholic fatty liver disease, NAFLD)已迅速跃身成为一种常见的肝脏疾病，并与很多代谢综合征(例如肥胖、Ⅱ型糖尿病)和肝癌密切相关。非酒精性脂肪肝包括单纯性脂肪肝、脂肪性肝炎、肝纤维化和肝硬化这四个从轻到重的病理阶段，最后甚至会发展为肝癌。非酒精性脂肪肝特征是肝细胞脂肪变性和脂质堆积，初期症状是甘油三酯在肝脏中过度累积。运动是治疗非酒精性脂肪肝的一种公认疗法。

Hashid及其同事提出有氧运动(40 min/疗程，3次/周，12周)和阻力运动(45 min/次，3次/周，12周)改善了肝硬变。对非酒精性脂肪肝患者伴心脏呼吸困难或那些不能耐受或参与有氧运动的人，阻力运动可能比有氧运动更为可行。阻力训练也可以改善非酒精性脂肪肝患者的自主神经功能障碍，从而逐渐使其他形式的更剧烈的运动得以进行。非酒精性脂肪肝患者的肝脏中甘油三酯的含量显著增加，而运动可以显著降低非酒精脂肪肝患者肝脏中的甘油三酯含量。科学家通过训练干预(持续时间为8～48周，频率为每周3～7天)后活检，发现运动对肝内甘油三酯的有益作用甚至在明显减轻体重的情况下也可见。

运动对心脏和代谢的改善作用见下表2。

表2：运动对心脏和代谢的改善

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从古至今，运动对健康的作用始终被密切关注着。日常生活中，我们都知道“饭后百步走，活到九十九”。科学研究中，运动对全身各个组织的保护作用一直是研究的热点。由于运动的易操作性和安全性，人们孜孜不倦地寻找着针对各种疾病的最佳运动方式。在运动对各种疾病发生发展的调控过程中，科学家们可以鉴定出关键的靶点基因，从而为疾病的预防和治疗提供夯实的理论基础和潜在的药物靶点。

本文参考文献：略

本文作者：孟丹妮[1]，郭梦莹[2] 等

作者单位：上海师范大学生命科学学院[1] 上海大学医学院[2]

本文来源：自然杂志, 2020, v.42;No.336(01):70-78.