进行最大与次最大耐力运动测试以测量人体对急性运动的生理与生物学反应

摘要

为了评估运动强度对生理和生物学反应的影响，采用了两种不同的运动测试方案。本文描述了在功率自行车上进行递增性最大摄氧量测试以及耐力性稳态次最大耐力测试的运动测试方法。

摘要

规律的身体活动对人类健康具有积极影响，但调控这些效应的机制仍不明确。急性运动引起的生理和生物学反应主要受运动方案持续时间和强度的影响。随着运动 increasingly 被视为一种治疗手段和/或诊断工具，采用可标准化的方法来理解变异性并提高运动输出及反应测量结果的可重复性显得尤为重要。为此，我们描述了两种产生不同生理输出的自行车运动方案。在最大运动测试中，运动强度持续增加，负荷加大，导致心肺和代谢反应（如心率、每搏输出量、通气量、氧气消耗量和二氧化碳生成量）随之增强。相比之下，在耐力运动测试中，运动需求从静息状态开始增加，但上升至一个固定的亚最大强度，使心肺和代谢反应通常达到平台期。除实验方案外，我们还提供了若干生理输出指标的测量建议，包括但不限于心率、慢速和用力肺活量、气体交换参数以及血压，以促进不同研究间运动输出结果的比较。随后可采集生物样本，用于评估细胞、蛋白质和/或基因表达水平的反应。总体而言，该方法可灵活适用于研究两种不同运动方案的短期和长期效应。

引言

身体活动是指由骨骼肌收缩引起的、需要消耗能量的任何身体运动¹。运动是一种有计划的身体活动，通过重复性的身体动作来改善或维持一个或多个身体健康的组成部分²。曾几何时，人们并不建议重症患者进行身体活动。对于癌症患者、心力衰竭患者，甚至孕妇，临床实践中更倾向于卧床休息而非身体活动。然而，随着运动对整体健康益处的证据日益确凿，临床实践已发生根本性转变³。规律的运动已被证明有助于降低心血管疾病风险、全因死亡率、癌症风险和高血压，改善血糖控制，促进体重减轻或维持，并预防骨量和肌肉流失^4,5,6,7,8。

运动的广泛益处已促使许多人将运动作为一种"药物"，并将其作为多种疾病状况的替代或辅助治疗选择³。Shulman et al. 研究表明，跑步机训练与抗阻运动相结合可改善帕金森病患者的步态速度、有氧能力和肌肉力量，从而提升运动控制能力及整体生活质....

方案

该方案已获得梅奥机构审查委员会的批准，并符合《赫尔辛基宣言》的规定。所有参与者在参加所述检测前均签署了书面知情同意书。

1. 代谢车的校准与设置

1. 流量与容积（ pneumotach ）校准
   注意：具体材料和设备列于材料表中。
   1. 打开肺功能与气体交换软件，以进行测试前的校准。
   2. 点击“校准”按钮以打开校准窗口。在校准窗口底部，记录室温、大气压和湿度——使用气压计确保这些数值准确。
   3. 将脐带线和采样管插入 pneumotach，然后将 pneumotach 插入 3 L 注射器中。
   4. 开始校准前，点击“零流量”按钮，以确保注射器中无气流通过。
   5. 点击“开始”以启动校准。先抽气，再推气。重复 4 次（共 5 次），每次使用不同的流速。每次抽气/推气时保持恒定流速，下一次迭代时改变流速。
2. 气体校准
   1. 将呼吸质谱仪/气体分析仪/代谢车的采样管连接至系统上的校准/家用端口。
   2. 在肺功能软件中，于校准窗口选择 O₂/CO₂ 分析仪选项卡。打开参考气体（室内空气，21% O₂，0.04% CO₂）和校准气体（12% O₂ 和....

结果

进行最大强度或次最大强度耐力运动测试可提供一种刺激或应激，使机体产生反应以满足增加的生理需求。可采用多种运动方式，用于比较特定运动本身或联合药物/干预措施时的生理与生物学反应，或评估不同运动负荷之间反应的差异。最大强度与耐力运动负荷在持续时间（分别为短时和长时）和强度（分别为高和低）上有所不同，而运动模式（例如，骑行）保持恒定。在设计涉及运动测试的研究时，明确使用运动的目的以及期望获得何种类型的反应至关重要。表1列出了次最大强度耐力运动测试与最大强度运动测试之间的差异与相似之处，但研究人员还需充分认识到不同运动模式对所评估参数可能产生的影响。在最大强度运动测试中，随着负荷（自行车的阻力/功率或跑步机的速度和/或坡度）不断增加，运动需求或强度持续上升，心肺和代谢反应（心率、每搏输出量、通气量、耗氧量和二氧化碳生成量）也随之持续升高（图1A）。相比之下，在次最大强度耐力运动测试中，运动需求从静息状态开始增加，但达到一个固定的运动强度后保持不变。因此，心肺反应起初上升.......

讨论

将运动作为辅助或替代治疗手段具有巨大潜力。事实上，越来越多的证据强烈表明，身体活动有助于促进健康。若要将运动用作药物或诊断工具，则需要明确实现预期效果所需的适当运动量或"剂量"。应估算最佳运动剂量，因为过量运动可能不利于健康改善。因此，可能需要为每个人量身定制运动方案，以从运动中获得最佳益处。为此，必须理解并控制导致个体对运动产生不同反应的各种变量。因此，标准化的运动测试方法对于推动该领域的发展至关重要。

用于亚极量运动测试的运动强度标准化最佳方法仍存在争议。我们选择采用最大负荷量的60%作为标准，但也可使用VO₂峰值的百分比或其他基于心率或主观疲劳程度的指标进行强度校准。₂最大心率（HRmax）或最大心率储备（HRRmax）常用于制定运动训练强度区间¹⁹最近，有其他方法被认为在研究中对运动强度进行标准化更为有效。其中一种是百分比差值（percentage delta）概念，即将运动强度设定为气体交换阈值与VO₂之间的差值的某一特定百分比。₂最大值，并且已被证明在耐力次最大运.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
代谢车/便携式系统	MCG Diagnostics	Mobile Ultima CPX System	流量校准注射器和校准气体应随系统提供。存在多种可能的选择/替代方案。
肺功能软件（Breeze Suite）	MCG Diagnostics		所使用的软件取决于具体的代谢系统
直立式功率自行车	Lode ergoline	960900	存在多种可能的选择/替代方案
12导联心电图仪	GE Healthcare	CASE Exercise Testing System	用于采集12导联心电图并控制功率自行车。在最大运动试验中，完整的12导联心电图有利于监测心律失常，但若仅需监测心率，可使用无线胸带式心率监测器作为替代
脉搏血氧仪	Masimo	MAS-9500	通常有多种探头选择：手指、额头、耳垂。  通常避免使用手指探头，因为紧握车把可能导致测量不准确
pneumotach（preVent 流量传感器）	MCG Diagnostics	758100-003	其他系统可使用涡轮式传感器
鼻夹（一次性）	MCG Diagnostics	536007-001	存在多种可能的选择/替代方案
带唾液收集装置的口器	MCG Diagnostics	758301-001	建议在唾液收集装置中填充纸巾或纱布，并用胶带封住盖子以减少滴漏
头带	Cardinal Health	292866	用于固定前额脉搏血氧仪以及连接代谢车的管线
听诊器	3M Littman	3157SM	存在多种可能的选择/替代方案
血压袖带	HCS	HCS9005-7	袖带尺寸需根据拟测试人群确定
心电图电极片	Cardinal Health	M2570	仅在使用导联式心电图/心率监测时需要
K2EDTA 管 5 mL	Becton Dickinson	368661
*本表格列出了本实验方案中所使用的耗材和设备，并附有关于设备的说明。提供了品牌名称/公司信息，但使用其他品牌不会影响实验结果，关键是在同一项研究中保持设备的一致性。