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Medicine

进行最大和次极大耐力运动测试, 测量人类急性运动的生理和生物学反应

doi: 10.3791/58417 Published: October 17, 2018

Summary

为了评估运动强度对生理和生物反应的影响, 采用了两种不同的运动试验方案。方法概述了循环测力计的运动试验, 即增量式最大耗氧试验和耐力、稳态次极大耐力试验。

Abstract

正常的身体活动对人类健康有积极的影响, 但控制这些影响的机制仍然不清楚。急性运动的生理和生物反应主要受运动方案的持续时间和强度的影响。随着运动越来越被认为是治疗治疗和/或诊断工具, 重要的是要利用 standardizable 方法来了解变异性, 提高运动产出和测量的重现性。对这种方案的反应。为此, 我们描述了两种不同的循环运动方案, 它们产生不同的生理输出。在最大的运动测试中, 运动强度不断增加, 工作负荷增加, 导致心肺和代谢反应 (心率、中风体积、通气量、耗氧量和二氧化碳产量) 上升。与此相反, 在耐力运动测试中, 需求增加从在休息, 但被提高到一个固定的次极大运动强度, 导致心肺和新陈代谢的反应, 通常是高原。除了这些协议, 我们还提供了测量生理输出的建议, 包括但不限于心率、缓慢和强制的重要容量、气体交换指标和血压, 以使运动输出之间的比较研究。然后可以对 Biospecimens 进行取样, 以评估细胞、蛋白质和/或基因表达反应。总的来说, 这种方法可以很容易地适应两个不同的锻炼方案的短期和长期影响。

Introduction

身体活动被定义为骨骼肌肉产生的任何身体运动, 需要能量消耗1。运动是一种身体活动, 涉及重复的身体运动, 以改善或维持身体健康的一个或多个组成部分2。在同一时间, 不建议对那些严重生病的人进行体育活动。对于患有癌症、心力衰竭或甚至怀孕的人, 卧床休息比体力活动更可取。临床实践已经发生了翻天覆地的变化, 因为运动对整体健康的益处已成为不可否认的3。定期运动已被证明有助于减少心血管疾病风险, 全死因死亡率, 癌症风险和高血压, 改善血糖控制, 促进体重减轻或维护, 并防止骨和肌肉损失4,5 ,6,7,8

运动的广泛好处现在导致许多人利用运动作为一种类型的 "医学" 和替代或辅助治疗选项的各种条件3。舒尔曼。表明, 跑步机和抵抗运动的结合可以改善步态速度、有氧能力和肌肉力量, 从而提高帕金森病患者的运动控制和整体生活质量9.在心力衰竭患者中, 运动不耐受和药物干预不足导致生活质量低下10。在 HF 行动试验中进行运动训练的心力衰竭患者的初步结果表明, 生活质量提高, 住院和死亡率下降11。此外, 应用运动改变蒽环类化疗的心脏毒性效应 (阿霉素) 表明, 无论何时启动与患者化疗管理 (之前, 期间或之后), 运动可以提供有益的效果, 如减少有氧能力下降, 减轻左心室功能障碍和减少氧化损伤12

运动在健康和健康方面的好处不仅在其应用作为药物/治疗, 而且作为诊断工具。例如, 运动测试用于诊断运动不耐受, 心脏缺血, 或了解呼吸急促的原因13。也许更重要的是, 运动测试可以用来识别亚临床功能障碍。人体在大多数情况下 "过度建设", 这样的功能障碍或病理生理学通常可以保持隐藏和不明显的个人几个月或几年。这一观察可以解释为什么肺动脉高压或胰腺癌等病症在严重程度上会默默地增加, 这样, 由于时间症状被注意到, 这些条件往往是非常先进的, 极难治疗2.在某些情况下, 运动测试可以给身体带来压力刺激, 增加对日常生活的需求, 有时可以识别在休息时没有看到的功能障碍 (心脏、呼吸、新陈代谢), 帮助诊断疾病并及早开始治疗。

为了充分发挥运动的治疗和诊断潜能, 需要标准化的方法来量化对身体活动的反应, 以准确评估运动对整体免疫健康的贡献。工作量、倾角、持续时间、运动类型和样本收集时间的变化都可以影响生理反应的测量。在这里, 我们概述了最大和次极大耐力演习的方法收集生理数据, 同时收集样本的生物反应。该方法用于了解急性运动如何通过流式细胞仪测量运动前后不同时间点的免疫细胞种群对外周血14中白细胞的分布和频率的影响采用10色流量协议, 允许同时对所有主要白细胞亚群进行量化15。以下协议可作为两种不同运动方案的标准化方法, 用于测量生理和生物对运动的反应。

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Protocol

《议定书》得到了梅奥机构审查委员会的批准, 并符合《赫尔辛基宣言》的规定。在参加测试之前, 所有参与者都提供书面知情同意。

1. 代谢推车的校准与设置

  1. 流量和容积 (pneumotach) 校准
    注:材料表中列出了特定的材料和设备。
    1. 打开肺功能和气体交换软件进行测试校准。
    2. 单击 "校准" 按钮打开校准窗口。在校准窗口的底部, 记下室温、气压和湿度-确保使用气压计准确测量这些值。
    3. 将脐带和样品线插入 pneumotach, 然后将 pneumotach 插入 3 L 注射器中。
    4. 在开始校准之前, 单击 "零流量" 按钮, 以确保没有流经注射器的流量。
    5. 单击 "开始" 开始校准。先撤, 然后注射。重复4次 (5 共计), 每次不同流速时除外。为每个各自的提取/注入保持恒定流速, 然后改变下一次迭代的流速。
  2. 气体校准
    1. 将采样线从呼吸质谱仪/气体分析仪/代谢推车连接到系统上的校准/主端口。
    2. 在肺功能软件中, 在校准窗口中选择 O2/CO2分析仪选项卡。打开参考 (房间空气 21% O2, 0.04% CO2) 和校准 (12% O2和 5% CO2) 油箱。
    3. 选择 "校准" 按钮。
      注: 该软件将在代谢小车系统中操作电磁阀, 在校准端口取样的参考和校准气体之间切换。在此, 软件将评估任何偏移量, 采样的延迟由于采样线长度和2–90% 响应时间。校准完成后, 将显示绿色的 "校准成功" 消息。
  3. 最终设置
    1. 从气体校准端口取出采样线, 然后将其插入 pneumotach。然后将一个喉舌贴在 pneumotach 上。
    2. 等待该科目到达进行运动测试。
    3. 在该主题到达后, 通知他们有关研究和他们的参与将是, 审查与他们的同意书, 并有他/她签署, 并随着访问继续与他们讨论他将做什么 (s) 下一步, 并提供解释程序。
      注: 纳入和排除标准将根据运动测试的目的而有所不同, 对于这项研究, 那些被招募的人是健康的, 不吸烟者, 没有已知的心肺或免疫疾病, 不服用任何类固醇或免疫调节药物。

2. 肺功能测试 (PFT)

注: 所描述的肺功能测试方法是美国胸腔学会和欧洲呼吸系统协会发表的简要摘要, 详情请参阅其出版物16,17

  1. 慢速生命容量 (SVC) 机动
    1. 指示受让者坐在地板上的直背和脚平与腿非交叉。
    2. 指示主体把他/她的嘴周围的喉舌, 并咬下来;也适合使用鼻夹的主题, 以封闭鼻腔。
    3. 开始对软件的机动。当开始演习时, 指示主体继续正常呼吸。
    4. 观察主体的潮汐呼吸, 让他/她继续呼吸, 同时等待他/她达到稳定的呼吸模式。
    5. 指示主体吸气, 然后慢慢呼气。这个问题将继续排空他/她的肺部, 直到他们不能再呼气。这一点将在水流追踪的高原上显现出来。在这一点上, 指示主体采取最大的呼吸。
    6. 停止测量并指示主体松开喉舌, 并取下鼻夹, 如果需要, 请休息。
      注: 至少执行三个 svc。为了满足美国胸协会的标准, 他们必须在5% 或150毫升之间达成一致的最大 VC 和吸气容量 (IC) 值。多达4机动可以执行为了获得三同意16,17
  2. 强制生命容量 (FVC) 机动
    1. 指示主体抓住喉舌, 并在保持相同坐姿的情况下连接鼻夹。
    2. 启动软件上的机动操作, 并指示主体继续正常呼吸。确保主题建立了一个稳定的呼吸模式, 至少四的潮汐呼吸。
    3. 指示受让者完全和迅速吸气, 然后立即呼气 (暂停 < 1 秒) 尽可能快和有力。
    4. 告诉患者/病人继续尝试和爆炸/推动所有空气从他/她的肺部达到完全呼气, 而保持直立的姿势。这被看作是体积-时间曲线的一个高原。让他们继续尝试呼气, 只要他们能;6秒的理想之选。
    5. 一旦实现这一目标, 请指导主体采取最大的呼吸, 并停止对软件的机动。
      注意: 测试应重复至少两次-确保他们同意在5% 或150毫升之间的两个最大的 FVC 和 FEV1值。最多可以执行8次演习, 以获得两个同意。
  3. 最大自愿通气 (MVV) 机动
    注意: 这个动作的目标是让主题尽可能快地移动空气。他们将被训练, 尽量采取尽可能大的呼吸, 而仍然呼吸迅速。
    1. 在保持相同坐姿的同时, 指导主体抓住喉舌并附上鼻夹。
    2. 开始对软件的机动。
      注: 顶部的倒计时栏将显示数据收集/测量开始前所需的呼吸次数 (通常为三)。
    3. 在倒计时中一呼一口气, 引导病人从喉舌中迅速深呼吸。他们将在十二年代继续这一努力。
    4. 鼓励患者在整个过程中深呼吸和快速呼吸。如果主题无法继续, 请停止测试。
    5. 在十二年代底, 指示患者恢复正常呼吸。他们可能感到光的头, 所以鼓励他们坐下来, 采取缓慢的深呼吸。
      注: 重复性测试应至少执行两次, 建议的变异性应小于20%。

3. 运动测试

  1. 电极放置
    1. 如果存在电极放置部位, 将头发剃掉, 为电极准备皮肤。用酒精垫擦拭网站, 然后用研磨垫去除任何死皮细胞。
      注: 一旦完成, 电极可以放置, 但要确保电极有足够的凝胶, 并且不干燥。
    2. 使用以下电极放置将主体与12导心心电图电极结合。
      1. 位置肢体引线电极如下: RA: 右侧锁骨下窝;LA: 左侧锁骨下窝;右后上髂脊柱上方;LL: 左后上髂脊柱上方
      2. 位置胸导联引线如下: V1: 第四肋间空间胸骨的右侧;V2: 胸骨左侧第四肋间空间 (符合 V1);V3: 左侧直接介于 V2 和 V4 之间;V4: 在锁骨中线线的第五肋间空间的左侧 (通常在乳房/奶嘴下);V5: 水平与 V4 在前腋线 (从腋下的边缘 (上臂前腋折);V6: 将 V4 和 V5 水平放置在中间辅助线上。
  2. 增量最大循环试验-访问1
    注意: 执行最大运动测试有风险。美国运动医学学院概述如何识别在测试过程中发生不良事件的风险较高的个人13.那些被认为有重大风险的人有: 已知的心血管疾病、肺和/或代谢病;主要症状: 胸痛, 呼吸急促 (呜咽) 休息或轻度劳累, 头晕或晕厥, 端坐呼吸, 踝水肿, 心悸或心动过速, 间歇性跛行, 已知心脏杂音, 异常疲劳或呜咽与通常活动;或至少两个心血管疾病的风险因素: 家族史的心肌梗塞或猝死, 年龄 (男性≥ 45, 女性≥ 55), 当前吸烟者, 久坐的生活方式 (< 30 min of moderate intensity physical activity 3 days a week for at least 3 months), obesity (BMI ≥ 30 kg/m 30="" min="" of="" moderate="" intensity="" physical="" activity="" 3="" days="" a="" week="" for="" at="" least="" 3="" months),="" obesity="" (bmi="" ≥="" 30="">2), 高血压 (收缩压 (SBP) ≥140毫米汞柱或舒张压 (DBP) ≥90毫米汞柱), 血脂异常 (总胆固醇≥200毫克/分升;LDL ≥130毫克/分升;HDL < 40="" mg/dl,="" or="" on="" lipid="" lowering="" medication),="" prediabetes="" (fasting="" blood="" glucose=""> 100 毫克/分升)。所有的最大运动测试应在受临床运动测试培训的医护专业人员的监督下进行, 至少有两人在场, 一个用于监测心电图, 另一项是对患者进行血压监测。对于那些风险较高的人, 医生也应该在测试期间在场, 而在那些处于较低风险的患者中, 如果没有医生在场, 则可以进行测试;如果需要, 最好在附近有医生, 并立即提供。执行测试的人员应具有基本的生命支持与自动外部除颤器 (AED) 在房间和至少一个或多个执行人员应该有提前心脏生命支持培训。那些执行测试的人应该知道应对医疗紧急情况的计划, 并且有适当的联系号码。
    1. 将主体与自行车配合, 确保座椅和车把位置舒适。
      注: 对于座椅高度的一般建议是, 腿部在踏板冲程底部有轻微弯曲, 座椅应水平调整, 以便当曲柄臂与地面平行时, 膝盖应落在应为 o 的跖骨上。踏板主轴。车把应与座椅高度相同, 或稍高, 足够近, 以使主体在肘部有轻微弯曲。车把位置将取决于骑手的经验, 更有经验的骑车人会想更弯腰, 哪里是那些谁不经常骑自行车会更喜欢直立的位置。
    2. 将脉搏血氧仪放在主体的前额上。用酒精擦拭擦拭放置位置, 去除任何妆容或污垢, 并用头带将其固定到前额。
    3. 使用主题查看练习测试过程。通知的主题, 他们将需要保持呼吸通过喉舌在整个测试期间, 只有通过他/她的嘴呼吸, 鼻子将插入鼻子夹。
      注意: 使用喉舌和鼻夹不是唯一的选择;口罩可以覆盖鼻子和嘴巴, 允许参与者通过他们的嘴或鼻子呼吸18。气体交换指标通过肺功能软件持续测量和记录。心率 (HR) 和节奏将通过12导联心电图 (ECG) 持续监测。周围氧饱和度 (SpO2) 将持续监测与脉冲血血计。这些外部信号 (HR, SpO2) 可以链接到代谢推车, 以便所有的测量记录在一起。如果这是不可能的, HR 和 SpO2应记录在工作表每分钟。
    4. 从肘窝静脉中抽取5毫升血液样本 (基线运动血抽)。
    5. 休息2分钟后, 开始收集数据。然后, 启动练习协议并指示参与者开始踩踏。要求他们达到60到 80 rpm 之间的踏板速率。
      注意: 对于本研究, 使用的最大运动测试协议是 50 w 的初始工作负载, 每2分钟递增 30 w。所使用的协议可以根据总体和测试目标而有所不同。对于老年人或患者的人群, 第一阶段可以执行卸载, 以允许个人得到他们的腿移动之前的阻力增加。在年轻健康的人, 这通常是不必要的, 因为 50 W 是一个足够低的工作负荷热身。在保持所需踏板速度的同时踩踏 0 W 实际上比从一开始就开始阻力更具挑战性。
    6. 有一个辅助技术员测量血压 (BP) 1 分钟到每个阶段, 而第二技术员协助测试。然后询问受影响者对他/她的劳累水平上的博格评级的感知劳累 (RPE) 规模, 其中6表示, 劳累被认为是容易的 (像 (s) 他坐着/站立无所事事), 20 表示知觉消耗是在最难的工作, 他们可以想象做18。在每个阶段的最后30秒内采用12导联心电图打印输出。
    7. 继续测试, 直到用尽的主题, 这是指定的至少有以下两个发生: 当 60-80 rpm 的自行车不能再保持, 主题的 VO2高原和不增加的工作量增加, 他/她呼吸交换比 (RER) 等于或大于 1.1–1.2, 和/或知觉消耗 (RPE) 的受试者评分≥18。
    8. 如果发生以下任一情况, 停止测试13: 心绞痛或胸痛症状发作;减少10毫米汞柱的收缩, 增加工作;BP 的过度上升: 收缩 > 250 毫米汞柱和/或 DBP > 115 毫米汞柱;呼吸急促, 喘息, 腿部抽筋, 或跛行;灌注不良的迹象: 头晕、混淆、恶心、紫绀、冷或潮湿的皮肤;随着运动强度的增加, HR 的故障增加;心律变化与症状;要停止的主题请求;观察主体 vocalizes 或严重疲劳;测试设备无法正常工作。
    9. 在达到疲惫状态后, 进入恢复阶段: 降低对初始工作负荷的抵抗力, 并指示主体继续循环2分钟。
    10. 通过肘窝静脉穿刺, 从病人身上抽出5毫升的血 (运动后血抽)。
    11. 在测试完成后, 直接将主题返回3小时, 24 小时后再进行5毫升血液抽吸。在24小时的 3后运动血液绘制完成之前, 指示主体不要参加进一步的锻炼。
      注意: 这些是为评估免疫细胞变化的时间线而选择的时间点。问题和参数的兴趣将决定何时发生抽样。
  3. 耐力稳定状态次极大循环试验-访问2
    1. 完成步骤1校准, 3.1 为 ECG 准备, 3.2.1 为自行车配件和3.2.2 额头脉搏血氧仪安装。
    2. 使用主题查看练习测试过程。告知主题, 他们将骑自行车45分钟, 但不像最大的运动测试, 他们只会被要求呼吸通过喉舌与鼻子剪辑的测试部分, 而不是连续。
      注意: 随着最大运动测试, HR 和节奏将持续监测12导联心电图。SpO2将通过脉搏血氧仪持续监测。
    3. 在开始测试前, 从肘窝静脉 (基线耐力次极大运动血抽) 中抽取5毫升的静脉血标本。
    4. 指导受口者用嘴抓住喉舌, 并附上鼻夹。
    5. 开始数据收集, 然后启动练习协议。指示参与者开始踩踏, 并要求他们达到60到 80 rpm 之间的踏板速度。
      注意: 对于这项研究, 耐力稳态协议是45分钟, 在 50 W 时, 有一个最小的温度。预热后, 功率增加到从访问1确定的主体最大工作负载的60%。这与访问1不同, 因为工作负载是恒定的, 而回合设置为特定持续时间, 而不是增加工作负荷, 直到达到峰值 VO2
    6. 测量 BP (使用与以前相同的技术员), 并要求受测者在整个练习中间歇性地报告消耗水平 (每分钟)。
    7. 指示主体从10分钟至25秒内松开喉舌, 再从 25 分钟到30分钟, 最后5分钟 (45 分钟至40分钟)重新抓取喉舌.
      注: 只有当主体在喉舌上时, 气体交换指标才会间歇性地监测;间歇性监测是做的, 因为喉舌可以干燥和不舒服的主题, 当使用较长的时间。由于此类运动测试的目标是使主体达到指定的运动强度, 然后将其视为稳态, 因此, 除非是主要的结果度量, 否则不需要持续监测主体的气体交换。在这项研究的情况下, 这是刺激, 而不是利益的结果。
    8. 通过监视以下指标, 确保测试保持稳定状态:
      1. 检查 VO2没有显著增加 (+/-5 毫升/分钟/千克), 当主体回到喉舌。
      2. 检查主题的 HR 不会增加超过 5 bpm。
      3. 观察出现疲劳的对象或其 RPE 等级正在上升。
    9. 如果发生上述任何情况, 请将工作负荷减少到5–10% 以确保完成45分钟的循环。
    10. 后45分钟, 指示参与者完成2分钟的轻松踩踏恢复期, 然后绘制5毫升的静脉血 (后运动血抽)。
    11. 给予相同的岗位锻炼指示, 如在访问 1,, 不从事运动, 直到24小时的时间点, 并返回到实验室血液绘制3小时和 24 h 后锻炼。

4. 血液分析

  1. 处理血液样本进行分析。
    注: 可能的方法包括但不限于循环白细胞流式细胞仪、血浆样本的细胞因子分析和/或白细胞基因表达分析。此外, 最佳时间点可能需要在经验上确定。

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Representative Results

最大或次极大耐力运动测试的应用提供了一个刺激或压力源, 其中身体响应, 以满足增加的生理需求。各种运动模式可以用来比较生理和生物反应对特定的锻炼本身或当药物/干预使用, 或评估不同的运动负荷之间的反应差异。最大和耐力运动负荷在持续时间 (短/长分别) 和强度 (分别为高/低), 而模式 (循环) 保持不变。在设计与运动测试的研究时, 重要的是要确定使用运动的目标是什么以及需要什么样的响应类型。表 1突出了次极大耐力和最大运动测试之间的差异和相似性, 但研究人员还需要认识到不同的运动方式对评价参数的影响。在最大的运动测试中, 随着工作量的增加 (自行车上的阻力/瓦数或跑步机上的速度和/或等级), 需求或运动强度不断增加, 心肺和代谢反应 (心率、中风体积、通风、耗氧和二氧化碳的生产) 也不断增加 (图 1A)。相比之下, 在次极大耐力运动测试中, 需求是从静止的, 但被提高到固定运动强度。因此, 心肺反应有初始增加, 但随后的高原作为身体适应满足一致的需求 (图 1B)。在审查知觉消耗 (RPE) 和呼吸交换比 (RER) 在各自的运动回合的变化时, 最大和次极大耐力运动测试的强度和需求之间的差异也很明显。估计用于供给身体能量的燃料。在最大的运动测试中, RPE 和 RER 将稳步增加, 直到测试结束 (图 2A), 在次极大耐力运动测试这些参数将高原 (图 2B)。

虽然不是必需的, 在执行运动测试之前, 执行肺功能测试是有益的。运动诱发心脏和肺反应, 运动测试中的表现可以通过代谢功能和心脏、肺部或两者反应的能力来限制。当评估是否有肺部限制时, 了解静止肺功能是有帮助的, 通过缓慢的生命容量 (SVC) 和强制的生命容量 (FVC) 演习, 可以识别阻塞或限制性限制。执行最大自愿通气 (MVV) 机动, 以确定通气能力是有用的, 因为这可以用来确定有多少通气储备是存在的或如果个人侵犯他们的通气量限制。但是, 也可以从 FEV1估计此值。在执行肺功能测试之前, 你应该回顾美国胸腔学会和欧洲呼吸学会提供的肺活量测定方法16,17

Figure 1
图 1: 气体交换和心率数据, 用于最大和次极大耐力运动试验.在最大测试 (A) 和耐力测试中观察到的变化 (在一段时间内) (B) 中对增加的工作量 (瓦特电阻) 的响应的生理变化。面板显示了在右 y 轴上的氧气消耗量 (VO2, 向下三角形), 二氧化碳产生 (VCO2, 黑色三角形) 在左 y 轴和通风 (VE, 黑色圆圈) 和心率 (HR, 灰色圆圈) 的变化。峰值氧气消耗量 (VO2峰值) 和测试持续时间或耐力次极大工作负荷列在每个面板图上。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 2
图 2: 最大耐力运动试验的运动强度参数
两个面板显示在右侧 y 轴上的感知消耗 (RPE、星号) 和呼吸交换比 (RER、黑色向下三角形) 对最大运动测试 (瓦特) 的响应增加 (瓦) 和时间的变化(min) 用于 x 轴上的次极大耐力测试 (B)。请点击这里查看这个数字的更大版本.

最大运动试验 相似 之 处 耐力次极大运动试验
–目标持续时间10–20分钟 – HR 持续监控 –持续时间 30 + 分钟
–强度增加: 坡向或阶跃 – BP 定期测量 –稳定状态、所需强度选择和保持
–气体交换持续监测 – RPE 测量 –间歇式气体交换监测
– HR、VO2、VCO2和 VE 随着工作量的增加稳步增加 –脉搏血氧饱和持续监测 – HR, VO2, VCO2和 VE 高原和工作负载减少, 如果开始上升作为目标是保持这些稳定
– RER 为≥1。1 – RER 停留在 < 1.0 以下
–最终测量值将是个人身体能产生的最大量 (HR、VO2、VCO2、VE、工作负载等) –最终测量值将是个人身体能产生的最大值的百分比 (HR、VO2、VCO2、VE、工作负载)。百分比由次极大运动强度和/或持续时间决定
–要知道什么百分比最大的运动测试将需要执行通常在早期访问
VO2: 耗氧量;VCO2: 二氧化碳生产;通风;HR: 心率;RER: 呼吸交换比

表 1: 最大和次极大耐力运动试验的比较.该表总结了所描述的两个练习测试之间的差异和相似之处。

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Discussion

作为辅助/替代治疗工具, 运动有很大的潜力。事实上, 一个新兴的证据机构强烈建议体育活动促进身体健康。使用运动作为一种药物或诊断工具将需要了解适量或 "剂量" 的运动, 以达到预期的效果。最好的锻炼剂量应该估计, 因为过多的运动可能有害于改善健康。因此, 锻炼方案可能需要为每个个体量身定做, 以达到最佳的锻炼效果。为此目的, 需要理解和控制有助于各种行动反应性质的变数。因此, 对运动测试的标准化方法对于推动这一领域的发展至关重要。

次极大运动测试的运动强度正常化的最佳方法仍然是辩论的主题。我们选择使用达到的最大工作负载的 60%, 但 VO2最大/峰值、最大心率或 HRRmax 的百分比通常用于处方运动训练强度区19。最近, 其他方法被认为是更有效地规范运动强度的研究。其中一个是百分比增量概念, 其中强度设置为气体交换阈值和 VO2max 之间的指定百分比, 并已显示为耐力次极大提供更一致的主题响应。运动测试比使用 VO2max20的百分比。循环消费测试的第二种方法是临界功率 (CP), 它描述与疲劳阈值对应的功率输出。此时, 心肺和代谢反应是最同步或统一的。当运动在这个阈值以下执行时, 周围疲劳不会限制锻炼的持续时间, 运动强度可以稳定。另一方面, 在 CP 以上, 可以确定的工作量或 w ' 可以被识别和持续时间, 直到 W ' 是用尽可以预测21。如何确定次极大运动强度的最佳选择仍有待确定, 但在运动生理学领域中的许多人正在远离旧方法, 并向所描述的较新方法之一移动。选择的协议取决于研究和评估的主要结果。此外, 在这项研究中选择了间歇性的气体交换监测, 以使测试更舒适的参与者, 因为长时间呼吸的喉舌是不舒服由于口腔干燥。唾液可以积聚和持有嘴在口中可能是累人的颌骨。由于主要的结果是外周血白细胞的变化, 而不是对次极大耐力运动的心肺反应的变化, 间歇性监测气体交换, 以确保运动测试保持稳定状态是足够的。

我们已经概述了标准化的练习规程, 但在运动测试之前可以采取额外的步骤来进一步提高运动测试结果的一致性和重现性。例如, 有相同的技术人员对特定的研究执行所有血压测量, 或者至少有相同的技术人员在多次重复测试中测量一个主题。其次, 对所有测试设备, 特别是代谢分析仪进行适当的校准, 应在每次实验之前进行。最后, 主题人口的变异性以及这将如何改变个人的反应和个人之间的比较应该被考虑和最小化。通过限制兴奋剂 (咖啡因) 的使用, 以及在测试前控制食物摄入量和运动, 并确保受试者充分休息, 可以通过几种方式减轻这种情况。如果要重复测试, 则应保持一致的测试条件 (设备、室温、时间)。在某些情况下, 女性参与者在月经周期的特定阶段 (例如,早期卵泡期) 完成测试也是一个重要的控制。此外, 研究人员将需要决定是否允许服用补充剂和药物, 因为这些可以改变对运动的反应。虽然在特定研究中可能需要控制其他变量, 但我们强烈建议将这些步骤纳入任何涉及运动测试的研究设计中。

这里描述的运动疗法可以用来研究急性运动的生理反应。我们以前使用这种方法来了解健康个体的免疫学变化在两个不同的锻炼方案14。我们在运动测试前采集血样, 在运动后的不同时间点收集三个血样。虽然最大和耐力运动方案导致几个白细胞种群的快速积累, 最大的方案导致在测试后立即增加大多数白细胞亚群。我们还发现, CD56+CD16+自然杀伤细胞在运动后立即增加, 但 CD15+粒粒有一个延迟的反应, 峰值在三小时后锻炼。众所周知, 外周血白细胞在运动后迅速积累到循环中 (由 Freidenreich 和 Volek22), 我们的研究表明, 动员动力学是完全不同的和细胞类型的具体。自然杀伤 (NK) 细胞和 CD8+细胞毒性 T 淋巴细胞似乎是最受影响的运动23, 但其他人口包括髓细胞和 B 细胞也增加了某种程度上。虽然许多研究侧重于单个运动事件的急性影响, 但可能需要基于纵向训练的运动方案, 以进一步了解运动如何影响长期免疫性能。

此处所述的协议提供了一种标准化的方法, 将运动方案纳入生物和生理反应。这些协议可以很容易地修改为单运动测试和长期纵向多测试。生理测量可能包括但不限于心率、血压、耗氧量和身体质量指数 (BMI)。生物反应可以从包括外周血、唾液、尿液和汗水在内的各种标本中进行测量。从这些样本中, 可以通过细胞组成的流式细胞仪、蛋白质组学分析、基因表达阵列或其他类型的生化和分子方法进行多种并发分析。除了了解外周血白细胞组成的变化之外, 其他人还观察了炎症24、细胞因子25的血浆标记, 以及如何使用训练方案来改变运动诱发的变化26.在一起, 标准化的协议允许测量不同的持续时间和强度的物理活动与相关的生理参数在一个定义的方式。

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Disclosures

作者声明他们没有竞争的经济利益。

Acknowledgments

这项研究由梅奥诊所的实验室医学和病理学和其他各种内部来源资助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Metabolic cart/portable system MCG Diagnostics Mobile Ultima CPX System The flow calibration syringe, and calibration gases should come with system. There are numerous possible options/alternatives.
Pulmonary function software (Breeze Suite) MCG Diagnostics Software used will depend on the metabolic system
Upright cycle ergometer Lode ergoline 960900 Numerous possible options/alternatives
12-Lead ECG GE Healthcare CASE Exercise Testing System Used for 12 lead ECG capture, control bike. Having a full 12-lead is ideal for maximal exercise test so can monitor for arhythmias, but alternative for just HR would be a wireless chest strap heart rate monitor
Pulse oximeter Masimo MAS-9500 Usually multiple probe options: finger, forehead, ear lobe.  Usually avoid finger as tight handlebar grip can cause measurement inaccuracies
Pneumotach (preVent Flow Sensor) MCG Diagnostics 758100-003 Alternative systems can use a turbine
Nose piece (disposable) MCG Diagnostics 536007-001  Numerous possible options/alternatives
Mouthpeice with saliva trap MCG Diagnostics 758301-001 Suggest filling the saliva trap with paper towel/gauze and tape cap to limit dripping
Headband Cardinal Health 292866 Used to secure the forehead pulse oximeter and the lines for the cart
Stethescope  3M Littman 3157SM Numerous possible options/alternatives
Blood pressure cuff HCS HCS9005-7 Cuff size will depend on the population planning to test
ECG Electrodes Cardinal Health M2570 only needed with lead based ECG/HR monitoring
K2EDTA tube 5 mL Becton Dickinson 368661
*The table provides a list of the supplies and equipment utilized in this protocol and comments related to the equipment. Brand name/company is provided, but the use of other brands will not affect the results, key is to keep it consistent throughout testing in a particular study.

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References

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进行最大和次极大耐力运动测试, 测量人类急性运动的生理和生物学反应
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Wheatley, C. M., Kannan, T., Bornschlegl, S., Kim, C. h., Gastineau, D. A., Dietz, A. B., Johnson, B. D., Gustafson, M. P. Conducting Maximal and Submaximal Endurance Exercise Testing to Measure Physiological and Biological Responses to Acute Exercise in Humans. J. Vis. Exp. (140), e58417, doi:10.3791/58417 (2018).More

Wheatley, C. M., Kannan, T., Bornschlegl, S., Kim, C. h., Gastineau, D. A., Dietz, A. B., Johnson, B. D., Gustafson, M. P. Conducting Maximal and Submaximal Endurance Exercise Testing to Measure Physiological and Biological Responses to Acute Exercise in Humans. J. Vis. Exp. (140), e58417, doi:10.3791/58417 (2018).

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