运动性疲劳常用生化监测手段探究,运动生物化学论文

运动性疲劳常用生化监测手段探究,运动生物化学论文摘要：运发动训练水平的提高就是一个疲惫恢复再疲惫再恢复的变化经过。随着当代竞技水平的不断提高,运动负荷越来越大,适度的运动性疲惫施以合理的恢复手段能够促进人体机能水平的不断提高,而过度疲惫不仅对提高运动成绩不利,还会造成各种运动损伤,甚至损害运发动的身体健康。因而,准确判定运动性疲惫的出现和界定其疲惫程度,对制定科学的训练计划,提高训练效果,避免因过度疲惫引起运动损伤,具有重要的理论和实践意义。从唾液、血液、尿液、汗液、呼出气体等生物样品种类出发,对当前运动性疲惫的生化监测方式方法进行了总结及瞻望,讨论了呼出气体活体质谱分析方式方法在运动性疲惫监测和研究中的应用前景,该方式方法有望成为研究和监测运动性疲惫的一种有效手段。本文关键词语：运动性疲惫;生化监测;呼出气体;直接质谱分析;Abstract：Theimprovementofathletestraininglevelisaprocessoffatigue-recovery-re-fatigue-re-recovery.Withtheconstantimprovementofthelevelofmoderncompetition,theexerciseloadisgettingbiggerandbigger.Moderateexercisefatigueandreasonablerecoverymeanscanpromotetheconstantimprovementofhumanbodyfunctionlevel.Excessivefatiguenotonlyisunfavorabletoimprovesportsperformance,butalsocausesvarioussportsinjuriesandevendamagestheathletesphysicalhealth.Therefore,itisofgreattheoreticalandpracticalsignificancetoaccuratelydeterminetheoccurrenceofexercisefatigueanddefineitsdegreeoffatigue.Ithelpstoformulatescientifictrainingplans,improvetrainingeffects,andavoidsportsinjuriescausedbyexcessivefatigue.Basedonthebiologicalsamplessuchassaliva,blood,urine,sweatandexhaledbreath,thispapersummarizesandprospectsthecurrentbiochemicalmonitoringmethodsforexercisefatigue,anddiscussestheapplicationprospectsofexhaledgasinvivomassspectrometryinthemonitoringandresearchofexercisefatigue.Thismethodisexpectedtobeaneffectivemeanstostudyandmonitorexercisefatigue.Keyword：exercisefatigue;biochemicalmonitoring;exhaledgas;directmassspectrometry;运动性疲惫是指:机体的生理经过不能维持其机能在某一特定水平上或各器官不能维持预定的运动强度[1]。运发动竞技水平的提高是训练导致适度的疲惫,并等其恢复后,人体机能状态在新的水平上获得适应的结果。因而,疲惫和恢复是运发动比赛训练中必不可少的部分。但假如训练负荷过量,机体得不到及时恢复,疲惫会逐步积累,当超过机体耐受极限时,则对运发动健康造成很大伤害。因而,运动性疲惫的实时监测对科学布置训练计划,提高训练效果,获得优异成绩,同时避免因过度疲惫引起运动损伤,具有重要的理论和实践意义。根据检测指标的不同,当前运动性疲惫的监测方式方法主要分为主观评价法、生理监测法和生化监测法。主观评价方式方法是运发动根据自个的训练情况,填写运动科学领域的问卷调查表进行测评,如(主观疲惫评定表〕[2]、(视觉类比量表〕[3]等。主观评价法虽具有方便、无创等特点,但是其评价结果受被测试者主观影响较大,评价结果不够客观、准确。因而,主观评价法更多的是作为辅助监测手段。生理监测是一种常用的运动性疲惫监测方式方法。研究发现,运动性疲惫发生后,会产生一系列的生理变化,如脑区细胞产生同向电流[4]、心率跳动偏高、体重下降、血压升高、肌肉张力下降等。因而通过对运动前后脑电图、心电图、体重、血压、肌肉张力等生理指标的变化进行监测,可评定运发动运动状态。常用的生理监测方式方法有生物反应技术法[5]、循环测力计测试法[6]、心率变异性监测法(HRV)[6]等。采用生理监测方式方法固然能够提供较为客观的检测数据,但检测结果受多种因素干扰,个体差异大,准确度有待进一步提高。生化监测方式方法是近年来快速发展的一类运动性疲惫监测方式方法。由于机体运动与生物体的能量代谢和物质代谢息息相关,比方三磷酸腺苷代谢、磷酸腺苷代谢、糖代谢、蛋白质代谢、氨基酸代谢、乳酸代谢等,相应的代谢产物进入各循环系统并排出体外。与主观感受相比,这些代谢产物可直接反映运发动的生理状况。因而,可通过检测机体唾液、汗液、尿液、血液、呼出气体等生物样本中的相关代谢物,来监测机体器官的代谢状态,进而评价运发动的疲惫程度。生化分析监测法最大的优点为检测结果客观准确,并且随着分析技术的发展,在快速检测、无创检测、现场检测等方面均获得了较好的成果,表现出良好的应用前景。本文根据分析样本种类,对当前运动性疲惫的生化监测方式方法进行了总结评述,并对将来的发展趋势进行了瞻望分析。1、运动性疲惫监测的唾液分析方式方法唾液中含有大量的生化分子,携带有丰富的生理信息,机体进行大强度运动时,唾液腺-1和-2肾上腺素能受体下降,导致唾液免疫球蛋白水平下降,因而唾液中免疫球蛋白水平可作为运动性疲惫监测的一种生物标志物[7]。当前,唾液免疫球蛋白的监测方式方法主要有免疫比浊法、放射免疫法、酶联免疫吸附法等三种方式方法。免疫比浊法具有快速、准确度高、选择性好、操作简单等优点,缺点是灵敏度不高。放射免疫法利用放射性同位素标记抗原或抗体,与被检测样品的抗原或抗体结合,构成抗原抗体复合物来进行分析。该方式方法具有灵敏度高、特异性好、精到准确定量、操作简便等优点,但是核素有放射性和半衰期,对人体有危害,试剂盒存货期短。因而,在体育科学研究中应用较少。酶联免疫吸附测定法是利用酶标记的抗原抗体特异性反响,然后通过酶与底物发生颜色反响,根据颜色变化进行定量,具有灵敏度高、特异性强、操作简便、重复性高等优点,被广泛应用于体育科学研究。如Moreira等采用酶联免疫吸附法研究了赛事的重要性对男子排球运发动唾液中皮质醇和免疫球蛋白的影响[8],研究结果表示清楚,与常规比赛相比,冠军赛期间男子排球运发动唾液中的皮质醇浓度会升高,免疫球蛋白浓度会降低。睾酮是一种类固醇荷尔蒙,它能促进蛋白质合成,加强肌肉气力,促进红细胞生长,提高血红蛋白含量,与人的运动能力密切相关,且与疲惫消除也有密切联络。因而,睾酮在体育科学研究中应用广泛,是运发动机能监测的一个重要指标。唾液中睾酮可采用气相色谱质谱法分析法[9]、磁固相分离酶联免疫测定法[10]等方式方法监测。比方,气相色谱质谱法是通过对唾液样本的睾酮进行提纯、衍生化,最后进入质谱检测。该方式方法灵敏度高、特异性高,检出限可达20-50pg/L[9],但分析步骤较多,耗时较长。磁性微粒分离酶联免疫测定法是酶联免疫系统与磁性微粒分离技术相结合的一种测定方式方法,该方式方法具有稳定性好、特异性强、对实验室设备要求不高,检出限为200ng/L[10],在体育科研实践中有较好的应用。2、运动性疲惫监测的汗液分析方式方法排汗是人体运动经过中代谢的一种表现,汗液中携带了丰富的机体代谢信息。测量汗液的pH值,可间接揣测运发动的脱水程度,进而评价运动性疲惫程度[11]。传统汗液pH检测方式方法为显色法,通过化学试剂或者显色试纸来检测汗液pH值。这类方式方法所需汗液样本量大,检测速度慢,灵敏度和准确度均较低。基于显色反响机理,Curto等发展了一种pH敏感染料结合离子聚合物凝胶直接测试汗液pH值的方式方法(图1A),该方式方法可实时监测机体在不同状态下,汗液pH值(4.5-8.0)的变化,具有成本低,能耗低等特点[12]。但显色反响不可逆,且汗液进入芯片无法排出,芯片只能一次性使用。因而,Weber等用碳纳米管和石墨烯修饰的电化学传感器替代离子聚合物凝胶,增加了芯片的使用寿命[13]。汗液中乳酸是另一种重要的运动性疲惫监测指标。人体剧烈运动消耗大量ATP和CP,当体内两种物质含量缺乏时,短时间机体会利用乳酸系统介入供能,产生大量乳酸[14]。当前,汗液中乳酸的检测已实现实时在线监测。比方GowersSA等人发展了一种基于3D打印的微流控芯片监测汗液中乳酸的方式方法(图1B),该方式方法采用微透析探针刺穿皮肤进行微渗析采样,然后再通过电化学方式方法进行检测[15]。该方式方法能实时监测运动经过中乳酸的变化情况,但对皮肤有创伤。为了更好地贴合皮肤,实现实时无创监测,Imani等通过丝网印刷技术在高度柔软聚酯片材上制备了一种可穿戴的乳酸电化学无线传感器(图1C),以乳酸氧化酶(LOX)和改性的普鲁士蓝作为催化剂进行乳酸电化学检测[14]。图1汗液中pH和乳酸的典型分析方式方法A.基于微流控的比色法;B.基于电化学分析的可穿戴乳酸传感器;C.基于酶催化的可穿戴无线电化学乳酸传感器3、运动性疲惫监测的尿液分析方式方法运发动进行高强度运动时,会消耗体内大量的营养物质,其排尿量及尿液成分会发生明显变化。因而,通过监测运发动运动前后尿液成分的变化,可判定运发动的疲惫程度,其主要监测的指标有尿蛋白、尿隐血、尿胆原、胆红素、尿肌酐、皮质醇、酮体等。比方机体产生运动性疲惫时,肾上腺素、去甲肾上腺素等分泌会增加,出现尿蛋白。尿蛋白的常用监测方式方法主要有考马斯亮蓝法[16]、双缩脲法[17]、苄乙氯铵比浊法[18]等。考马斯亮蓝法是利用考马斯亮蓝阴离子与蛋白质分子的NH+3基团反响后的颜色变化进行尿蛋白含量测定。该方式方法具有样本用量少,灵敏度高、操作简便、快速、显色稳定等优点,缺点是尿液基体复杂,在用于不同蛋白质测定时,偏差较大。双缩脲原理是蛋白质肽键在碱性溶液中与Cu2+络合显蓝色,根据颜色的深度,计算尿蛋白的含量。该方式方法的缺乏之处是灵敏度低,检测需样量多。苄乙氯铵比浊法是利用苄乙氯铵在碱性条件下与蛋白构成沉淀物,对沉淀物体系进行比浊检测,该方式方法具有线性范围宽、灵敏度高、精到准确性高、重复性好,可以用于样品微量化监测,检出限为60mg/L[18]。常压质谱分析技术是无需样品预处理,可对样品进行快速分析的质谱技术[19]。电喷雾萃取电离技术[20]和内部萃取电喷雾电离质谱技术[21]是两种典型常压质谱技术,可实现液态、气态、黏稠态等多种复杂基体样品的直接质谱分析,具备灵敏度高、特异性好、分析速度快等优点,在尿液、血液分析中已有广泛应用[22],可检测华而不实的氨基酸、蛋白、脂质等多种生物分子。肌酐是肌肉中肌酸代谢产物,在体育科学研究中是反响机体肌肉疲惫的重要标志物,例如李雪等发展了一种结合同位素稀释技术和萃取电喷雾电离质谱技术分析尿液中尿肌酐的方式方法(图2),该方式方法具有灵敏度高(50g/L)、分析速度快(4分钟/样品)、准确度高等优点[23]。因而,这类直接质谱技术在运动性疲惫的监测中将具有重要的应用。图2萃取电喷雾电离质谱技术检测尿肌酐示意图4、运动性疲惫监测的血液分析方式方法血液成分的监测能够提供丰富的机体机能变化信息,作为生物样本已被广泛用于运动人体科学研究。血液中常见的标志物主要有血红蛋白、血清睾酮、皮质醇、血乳酸、血尿素等生化标志物。例如,机体产生疲惫时,红细胞毁坏,血红蛋白从红细胞中游离出,导致血液中血红蛋白下降。常见的血液中血红蛋白的检测方式方法有电化学检测法[24]、近红外光谱法[25]、质谱法[26]等。例如Xu等利用纳米银溶胶电极对血红蛋白良好的催化活性,发展了一种血红蛋白浓度检测方式方法[27],该方式方法具有灵敏度高、重现性好、选择性高等优点,线性范围2.010-7～1.010-5mol/L,检出限为7.410-8mol/L。近红外光谱法利用强散射介质对光吸收而进行血红蛋白定量检测[28],该方式方法的优点是无需采集血样、对人体无创伤、测量速度快、操作简便、可实时在线监测。缺点是精度不高、检测部位对检测结果影响较大。质谱技术由于具有高的检测灵敏度,是一种重要的血红蛋白分析技术。但传统质谱分析方式方法通常需要较多的样品预处理及较长的分析时间,难以知足快速分析要求。针对这些问题,宋丽丽等开发了一种内部萃取电喷雾电离质谱快速检测血红蛋白技术(图3)[27],首先利用功能化的氧化石墨烯选择性吸附血红蛋白,然后通过内部萃取电喷雾电离质谱技术对吸附了血红蛋白的石墨烯进行质谱分析。该方式方法具有特异性好、分析速度快(约4分钟/样品)、样品用量少(0.9L)等优点。图3内部萃取电喷雾电离质谱技术检测血红蛋白装置示意图5、运动性疲惫监测的呼出气体分析方式方法呼出气体与心肺严密相连,携带有大量的生物分子,通过检测人体呼出气体,能够获得机体丰富的生理/病理信息。在病理分析方面,如朱腾高等采用电喷雾萃取电离质谱技术(EESI)检测不同健康状态的志愿者接受中医推拿前后的呼出气体,结合化学计量学方式方法偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)区分了不同健康状态的志愿者,并揭示了志愿者接受中医推拿后,呼出气体中肾上腺素含量会显着变化,肾上腺素是机体产生运动性疲惫时与尿蛋白代谢相关的物质[29]。在生理分析方面,如陈焕文等初次采用其自主开发的电喷雾萃取电离飞行时间质谱(EESI-TOF-MS)对呼出气体进行了实时在线活体分析(图4A),检测到尿素、氨基酸、葡萄糖等与运动性疲惫相关物质,华而不实尿素是传统尿检方式方法监测运动性疲惫的常用标志物之一,从分子水平上证明了呼出气体与人体生理/病理状态之间存在密切联络(图4B)[20]。图4EESI-MS技术在呼出气体分析中的应用A.用于呼吸气体分析的EESI-MS典型装置示意图;B.采用EESI-MS检测呼出气体中的尿素和葡萄糖等生物分子6、总结及瞻望随着国家对体育事业的重视以及全民运动健身的兴起,实现运动性疲惫的监测,对科学合理开展运动具有重要的意义。生化监测法通过对血样、尿样、唾液、汗液等生物样本中的运动性疲惫标志物进行检测,可有效判定运动性疲惫状态,是一种重要的运动性疲惫监测方式方法。当前,基于光谱分析、质谱分析、色谱技术、电化学分析技术,已开发了一系列运动性疲惫的生化监测方式方法,并已有较好的应用。但这些方式方法仍存在一些问题,比方在准确度、灵敏度、分析速度、采样方式等方面存在一定的缺乏,评价指标不够明确。将来运动性疲惫监测方式方法将在进一步明确评价指标的前提下,朝无创、高灵敏、高准确、快速、实时、现场等方面发展。呼出气体与心肺严密相连,携带有大量能反映人体生理/病理状态的信息,且相对血液、尿液等生物样本分析,呼出气体分析具有原位、实时在线、无创、快速、高通量、便捷等优点。固然,当前呼出气体用于运动性疲惫的研究尚未有文献报道,但是已有文献表示清楚采用EESI-MS质谱技术在呼出气体中检测到了与运动性疲惫相关标志物。以呼出气体为生物样本,采用直接质谱技术实时在线检测运发动运动前后呼出气体成分,研究运发动从开场运动到力竭状态整个经过中呼出气体的变化,结合化学计量学方式方法如聚类分析(CA),多块偏最小二乘分析(MB-PLS)、主成分分析(PCA)对质谱数据进行分析,寻找运动性疲惫标志物,建立运发动运动性疲惫损伤预警模型,为指导运发动科学训练,避免过度损伤,引发运动性疲惫提供重要的理论根据,这可能将是运动性疲惫监测与研究的一个新的发展方向。以下为参考文献[1]WehbeG,GabettT,DwyerD,etal.NeuromuscularFatigueMonitoringinTeamSportAthletesUsingaCycleErgometerTest[J].IntJSportsPhysiolPerform,2021,10(3):292-297.[2]GatsevaP,VladevaS,ChardaclievaN.SubjectiveassessmentoffatigueandstressreactioninschoolchildrenfromthemathematicalhighschoolinPazardjik[J].ActaMedicaBulgarica,2004,31(1):68-72.[3]LeungAW,ChanCC,LeeAH,etal.Visualanaloguescalecorrelatesofmusculoskeletalfatigue[J].PerceptualMotorSkills,2004,99(1):235-246.[4]KacemA,FtaitiF,ChamariK,etal.EEG-RelatedChangestoFatigueduringIntenseExerciseintheHeatinSedentaryWomen[J].Health,2020,6(11):1277-1285.[5]WindthorstP,MazurakN,KuskeM,etal.Heartratevariabilitybiofeedbacktherapyandgradedexercisetraininginmanagementofchronicfatiguesyndrome:Anexploratorypilotstudy[J].JournalofPsychosomaticResearch,2021(93):6-13.[6]ThorpeRT,AtkinsonG,DrustB,etal.MonitoringFatigueStatusinEliteTeam-SportAthletes:ImplicationsforPractice[J].IntJSportsPhysiolPerform,2021,12(Suppl2):S2-27-S2-34.[7]MatsubaraY,ShimizuK,TanimuraY,etal.EffectofacupunctureonsalivaryimmunoglobulinAafteraboutofintenseexercise[J].AcupunctureinMedicine,2018,28(1):28-32.[8]MoreiraA,FreitasCG,NakamuraFY,etal.EffectofmatchimportanceonsalivarycortisolandimmunoglobulinAresponsesineliteyoungvolleyballplayers[J].JournalofStrengthConditioningResearch,2020,27(1):202-207.[9]GaskellSJ,PikeAW,GriffithsK.Analysisoftestosteroneanddehydroepiandrosteroneinsalivabygaschromatography-massspectrometry[J].Steroids,1980,36(2):219-228.[10]杨小英,陈刚毅,蒙子卿,等.唾液中睾酮的IEMA法测定[J].中国运动医学杂志,2001(4):395-396.[11]HamoutiN,CosoJD,OrtegaJF,etal.Sweatsodiumconcentrationduringexerciseintheheatinaerobicallytrainedanduntrainedhumans[J].EuropeanJournalofAppliedPhysiology,2018,111(11):2873-2881.[12]CurtoVF,FayC,CoyleS,etal.Real-timesweatpHmonitoringbasedonawearablechemicalbarcodemicro-fluidicplatformincorporatingionicliquids[J].SensorsActuatorsBChemical,2020,s171172(8):1327-1334.[13]WeberJ,KumarA,KumarA,etal.NovellactateandpHbiosensorforskinandsweatanalysisbasedonsinglewalledcarbonnanotubes[J].SensorsActuatorsBChemical,2006,117(1):308-313.[14]ImaniS,BandodkarAJ,MohanAM,etal.Awearablechemicalelectrophysiologicalhybridbiosensingsystemforreal-timehealthandfitnessmonitoring[J].NatureCommunications,2021,7:11650-11657.[15]GowersSA,CurtoVF,SeneciCA,etal.3DPrintedMicrofluidicDevicewithIntegratedBiosensorsforOnlineAnalysisofSubcutaneousHumanMicrodialysate[J].AnalyticalChemistry,2021,87(15):7763-7770.[16]LottJA,StephanVA,PritchardKA.EvaluationoftheCoomassieBrilliantBlueG-250methodforurinaryprotein[J].ClinicalChemistry,1983,29(11):1946-1950.[17]SavoryJ,PuPH,JrSF.Abiuretmethodfordeterminationofproteininnormalurine[J].ClinicalChemistry,1968,14(12):1160-1171.[18]彭铁汉.苄乙氯胺法用于微量蛋白测定的评价[J].医学检验与临床,2018,20(2):56-57.[19]WilliamsJP,ScrivensJH.Rapidaccuratemassdesorptionelectrosprayionisationtandemmassspectrometryofpharmaceuticalsamples[J].RapidCommunMassSpectrom,2018,19(24):3643-3650.[20]ChenH,WortmannA,ZhangW,etal.Rapidinvivofingerprintingofnonvolatilecompoundsinbreathbyextractiveelectrosprayionizationquadrupoletime-of-flightmassspectrometry[J].AngewandteChemie,2007,46(4):580-583.[21]ZhangH,ChinginK,ZhuL,etal.MolecularCharacterizationofOngoingEnzymaticReactionsinRawGarlicClovesUsingExtractiveElectrosprayIonizationMassS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