有氧运动的动物实验研究表明, 运动可以显着地影响心脏大小、重量、心室壁厚度、血管形成和组织纤维化等形态学指标。如表1所示, 在不同的实验研究中, 运动组动物的心脏重量增加。心肌细胞大小的测量发现, 运动组动物心肌细胞大小有不同程度的增大。运动组左室后壁舒张(LWPWd)和左室间隔舒张(LVSD)升高。此外, 有氧运动通过增强冠状动脉微循环包括增加小动脉的直径和/或密度来适应性提高冠状动脉运输能力, 且与冠状动脉侧枝循环生成增加有关, 而冠状动脉增量效益减少心脏疾病的风险。
Waring等分别对经过4周低强度(55%~60% 最大摄氧量)和高强度(85%~90%最大摄氧量)跑台运动大鼠的心肌细胞体积进行测量。结果表明, 两种强度有氧运动组大鼠的肥大心肌细胞(体积大于 40 000 mm3 )的细胞数量都多于安静对照组, 而且运动组新生心肌细胞(体积小于10 000 mm3 )的细胞数量也多于安静对照组, 说明运动不仅促进了心肌细胞的肥大, 而且诱导了心肌细胞的增殖。
以往在人体上的研究也表明, 有氧或者耐力型运动(如跑步和游泳等)引起左心室壁厚度增加和左心室显着扩张(主要是偏心性肥大, 心肌细胞长度的增加大于心肌细胞宽度的增加)。抗阻或者力量型运动(如举重和摔跤等)引起左心室容积减少, 室壁增厚, 轻度至中度离开心室扩张(多为向心性肥厚, 心肌细胞长度的增加小于心肌细胞宽度的增加)。而力量和耐力训练的“混合型”运动(如赛艇、皮划艇、自行车等)则引起了最大程度左室扩张和室壁增厚。
综上所述, 有氧运动可增加心脏重量, 增大心肌细胞直径和细胞体积, 增大左心室壁厚度和左心室内径。
2 有氧运动诱导心脏功能改善的研究
有氧运动不仅影响心脏的形态学指标, 在心脏功能学指标方面也有重要的改善作用。
如表1所示, 以心脏重量与体重比值计算心系数, 运动组动物心系数有不同程度的提高。左室短轴缩短率(fractional shortening, FS)是心脏功能的一个重要参数, 用超声心动图测量运动组动物的FS在各种实验研究中均有显着提高。运动组动物的左室收缩压(LVSP)显着升高, 心率(HR)和左室舒张末压 (LVEDP)均显着下降。因此, 有氧运动可以提高心系数和左室短轴缩短率等, 改善心脏的功能。
3 有氧运动诱导心肌细胞核密度变化的研究
心肌细胞的细胞核密度常常作为心肌细胞增殖的指标。小鼠的有氧运动实验发现, 运动组(132%)比对照组(100%)有一个小的核密度增加 (P=0.07), 但没有达到统计学意义。
双核细胞的变化也可以作为心肌细胞增殖的指标。人类出生时约25%的心肌细胞是双核, 一般来说这个比例在整个生命过程中保持不变。心肌细胞的形成有一个由小及大的发展过程, 新的心肌细胞需要4周以上的时间才能达到充分成熟的大小。 4周的有氧运动训练研究发现, 运动大鼠新形成的心肌细胞还是单核的, 这部分细胞群没有检测到双核心肌细胞。而田振军等利用激光共聚焦扫描显微镜观察, 8周有氧运动组动物的双核心肌细胞数量出现率显着多于对照组(P<0.05)。因此, 有氧运动可以增加心肌细胞的细胞核密度和双核心肌细胞的数量。
4 有氧运动诱导心肌肥大和细胞增殖的增殖标记物研究
心脏是由各种肌肉和非肌肉细胞谱系组成, 包括心房/心室心肌细胞、传导系统的细胞, 冠状动脉和静脉的平滑肌细胞/内皮细胞, 心内膜细胞, 心脏瓣膜成分和结缔组织等。为了明确增殖心肌细胞的类型, 很多实验研究了心脏混合物分离过程中的心肌细胞特异性标记物和非心肌细胞的特异性标记物, 以及增殖细胞的生物学标记。
增殖细胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen, PCNA)和Ki67都是细胞增殖的标记蛋白。有研究结果显示, 有氧运动小鼠和大鼠心肌的PCNA蛋白表达均显着升高, 表明有氧运动对心肌细胞周期产生影响。激光共聚焦显微镜观察心肌组织的心肌选择性蛋白α-辅肌动蛋白和增殖标记Ki67双染, 结果显示, 相比于对照组, 运动组小鼠心肌细胞 Ki67+ 染色显着增加, 频率为1%~5%。
溴脱氧尿苷(BrdU)可作为核苷类似物参入到增殖细胞的DNA合成中, 一般用于检测DNA的生物合成。对运动小鼠进行α-辅肌动蛋白和BrdU双重染色, 发现运动组小鼠BrdU+ 心肌细胞与对照组相比大幅增加, 频率为1%~6%。BrdU+标记的是在运动过程中动物体内新形成心肌细胞的累积, 而Ki67+ 标记的是静止的或者动物处死前刚刚进入细胞周期的新心肌细胞。这也说明, 新的心肌细胞形成后有一个逐渐长大的发展过程。此外, 更特异性的有丝分裂标记物, 磷酸组蛋白3(PH3)在运动组动物的表达也升高。细胞分裂标记物Aurora B激酶的染色也证明, 运动确实促进完全的心肌细胞分裂。
以上这些细胞增殖标记物都是在运动诱导的生理性心肌肥大中被检测到的, 而高血压等病理性心肌肥大的动物模型中并没有检测到任何增殖标记的变化。因此, 有氧运动等生理刺激引起成体心脏中心肌细胞增殖标记物的表达升高, 而病理性心肌肥大没有心肌细胞增殖标记物的变化。
