一次力竭运动后大鼠心电异常变化与能量代谢障碍

许思毛，周 勇，王 军

一次力竭运动后大鼠心电异常变化与能量代谢障碍

许思毛1，周 勇2，王 军1

目的：探讨一次力竭性运动诱发的大鼠运动后可逆性缺血损伤样心电变化与能量代谢障碍的关联性。方法：健康雄性SD大鼠30只，随机分为对照组（A组）与运动组（B组），B组又随机分为运动后2 h组（B1组）和运动后24 h组（B2组）。B组大鼠进行一次力竭性跑台运动，并记录运动前、0 min（运动后即刻）、10 min、20 min、30 min、1 h、1.5 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h时心电图。高效液相色谱仪法观察大鼠心肌ATP含量变化，观察细胞膜Na+-K+-ATPase与Ca2+-ATPase活性变化，观察各组大鼠左室前壁心肌细胞超微结构变化。结果：运动结束一段时间后，大鼠心电图出现J点上抬或下移，T波高耸或低平，ST-T段弓背上抬及病理性Q波、J点、T波值变化幅度在运动后30 min～3 h内显著加大，但均为可逆性。运动后2 h时，心肌ATP含量及细胞膜Na+-K+-ATPase、Ca2+-ATPase活性明显下降，心肌细胞超微结构主要表现为线粒体大面积损伤；运动后24 h时，上述异常变化均有不同程度恢复。结论：一次力竭性运动可诱发大鼠运动后出现可逆性缺血损伤样心电变化，可能与能量代谢障碍有关。

力竭性运动；心电图；能量代谢

在运动训练中，运动员为了挑战运动极限并提高运动成绩，时常要完成长时间剧烈运动。大量研究表明，当机体完成剧烈运动时，体内代谢需求增加会引起心肌需氧量明显增加，心肌相对缺血缺氧，如果运动持续时间过长，则可引发心肌结构与功能变化。无论是动物实验还是人体实验均发现，长时间剧烈运动可引起机体心肌损伤[1-2]，引起心肌功能障碍及心电异常[3-4]。甚至有动物实验发现，连续1周的反复力竭性运动后，动物心电图可出现不可逆性异常改变直至动物死亡[3]。

心电图是反映心肌缺血及缺血损伤的常用手段。目前，关于剧烈运动引起机体心电异常变化的文献报道并不少见，但缺乏探讨运动性心电异常变化机制的研究报道。因此，本研究试图以运动性心肌缺血缺氧为切入点，期望通过心电图探索一次力竭性运动后心肌损伤变化规律，再结合通过心肌超微结构及三磷酸腺苷（ATP）与心肌细胞膜钠钾泵（Na+-K+-ATPase）、钙泵（Ca2+-ATPase）指标的检测，探讨一次力竭性运动后心电异常与能量代谢的关联性。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

成年健康雄性SD大鼠30只，体重（205±14）g，在标准啮齿目动物饲养笼内分笼喂养，通风条件良好，自由饮食，室温控制在26～29℃。

1.2 研究方法

1.2.1 动物分组及运动方式 大鼠随机分为对照组（A组，n=10）和运动组（B组，n=20）。B组又随机分为B1组（运动后2 h组，n=10）与B2组（运动后24 h组，n=10）。B组大鼠以坡度为+10°、速度为21 m/min的强度进行一次性力竭跑台运动。运动至力竭的标准：大鼠经电、机械等刺激方法驱赶后，不能坚持跑动，下跑台后四肢趴伏，暂无逃避反应。

1.2.2 大鼠心电图的记录 采用成都泰盟BL-420E生物机能实验系统记录B组大鼠运动前、0min（运动后即刻）、10min、20min、30 min、1 h、1.5 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h时标准Ⅱ导联心电图，但B1组在运动后2 h时终止记录，处死取样。

1.2.3 测试样品的制备 大鼠取材前禁食12 h，但不限制饮水，后行乌拉坦腹腔麻醉（1.2 g/kg）处死取心脏，其中B1组与B2组分别在运动后2 h、运动后24 h进行。

每组随机取8只大鼠的心室肌，用于制备细胞膜和提取ATP。心肌细胞膜按南京建成提供的方法分级离心制备，于0℃中保存，48 h内完成ATP酶活性检测。部分心室肌组织在沸水浴中煮20 min，冷却后匀浆，离心，取上清，即为提取ATP测试样本[5]，冰箱中-70℃保存待测。每组另2只取心脏左室前壁肌，逐级固定，脱水，包埋，半薄切片光学定位，然后制成超薄切片，醋酸铀及枸橼酸铅双重染色，用于超微结构观察。

1.2.4 心肌细胞膜指标及超微结构指标检测方法 定磷法测定心肌细胞膜Na+-K+-ATPase与Ca2+-ATPase活性，双缩脲法测定总蛋白含量，所用试剂均由南京建成生物公司提供；心肌细胞超微结构采用日立H-600IV型透视电镜观察拍照。

1.2.5 心肌ATP指标检测方法 取心肌ATP样本100 uL，加入浓度为1.6 mol/L高氯酸200 μL，0℃静置5 min后，以20 000×g（0℃）离心10 min。取上清液200 μL，加入浓度为1 mol/L高氯酸100 μL，调节其PH值至6.5，20 000×g（0 ℃）离心10 min，取上清液，用于心肌ATP含量测定，外标法定量[6]。ATP测定方法为高效液相色谱仪法，所选仪器为美国Agilent1100高效液相色谱仪（High Performance Liquid Chromatography，简称HPLC）。

1.2.6 统计学分析 实验数据均用“均数±标准差”（Mean±SD）表示，用SPSS17.0软件进行分析。B1与B2组大鼠运动持续时间采用相关样本T检验，B1与B2组大鼠运动后不同时项心电图指标水平分别与运动前水平两两进行独立样本T检验。其余数据均采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）检验。显著性水平为P＜0.05，非常显著性水平为P＜0.01。

2 结果

2.1 大鼠运动至力竭的持续时间

B1与B2组大鼠运动至力竭的持续时间分别为（185±31）min和（190±30）min，差异不具有统计学意义。

2.2 大鼠运动后心电图变化情况

2.2.1 大鼠运动后心电图总体变化情况 大鼠运动后，心电图异常阳性率为100%，运动后恢复一段时间后出现J点上抬或下移，T波低平或高耸，ST-T段弓背上抬，甚至一过性病理性Q波，上述异常变化独立或联合出现，而在运动后24 h时均已恢复正常（见图1、图2）。B2组中，1只大鼠心电图在运动后30 min时开始出现T波高耸，运动后1 h开始出现J点上抬、伴T波高耸，运动后3 h时开始出现J点下移与T波低平，运动后24 h时心电图波形已恢复正常（见图3、图4）。

图1 运动大鼠发生的病理性Q波心电图Figure1 Pathological Q wave of electrocardiogram in rat

图2 运动大鼠发生的ST-T段弓背上抬心电图Figure2 Arched ST-T segment elevation of electrocardiogram in rat

图3 运动大鼠发生的J点抬高、T波高耸心电图Figure3 J point shifted upward and T waves shifted up of electrocardiogram in rat

2.2.2 大鼠运动后不同时相心电图J点、T波变化幅度比较 本研究中，不同个体大鼠运动后同时项J点或上抬，或下移；T波或低平，或高耸。因此，将运动前及运动后各时相J点、T波值分别减去运动前的J点值、T波值，使其标准化，分别记为△J、△T；再取其绝对值，则可反映它们的变化幅度，记为|△J|、|△T|。B2组大鼠运动后30 min、1 h、1.5 h、2 h、3 h，|△J|、|△T|水平显著高于运动前，但在运动后24 h时已恢复至运动前水平（见表1、图5、图6）。B1组|△J|、|△T|只能测量到运动后2 h，其变化特征与 B2组相同，B1与 B2组运动前|△J|、|△T|水平及运动后同时项|△J|、|△T|水平两两比较均无统计学意义（见表1）。

图4 运动大鼠发生的J点下移、T波低平心电图msFigure4 J point shifted downward and T waves inversion partially of electrocardiogram in rat

表1 大鼠运动后心电图J点、T波值变化幅度（Mean±SD，n＝10）Table1 List of Changes about Electrocardiograms|△J|and|△T|in Rats after Exercise（Mean±SD，n＝10）

图5 大鼠运动后J点值变化幅度变化曲线图Figure5 Curve of changes about|△J|after exercise in rrats

图6 大鼠运动后T波值变化幅度变化曲线图Figure6 Curve of changes about|△T|after exercise in rats

2.3 各组大鼠心肌组织ATP含量比较结果

ATP是机体的能量来源，在细胞的代谢活动中占有重要地位。与对照组相比，2 h组（B1组）大鼠心肌ATP含量明显降低，差异有统计学意义，在运动后24 h（B2组）已基本恢复（见图7、图8）。

图7 ATP标准品色谱图（RT=12.521 min）Figure7 Chromatogram of ATP standard sample

图8 大鼠心肌ATP样品色谱图（RT=12.488min）Figure8 Chromatogram of myocardial ATP in rat

表2 各组大鼠心肌ATP含量比较一览表（Mean±SD，n=8）Table2 Li st of compari son of cardiac ATP index in each group（Mean±SD，n=8）

2.4 各组大鼠心肌细胞膜ATP酶活性比较结果

与A组相比，B1组大鼠心室肌细胞膜Na+-K+-ATPase活性与Ca2+-ATPase活性明显下降，均具有统计学意义；B2组大鼠心肌细胞膜Na+-K+-ATPase活性与A组相比，差异无统计学意义。与B1组相比，B2组明显升高，差异具有统计学意义。与A组相比，B2组大鼠心室肌细胞膜Ca2+-ATPase活性尚未恢复正常，具有统计学意义；但B2组与B1组相比，活性明显升高，具有统计学意义（见表3）。

表3 各组大鼠心肌细胞膜指标比较一览表（Mean±SD，n=8，umolPi／mgprot/h）Table3 List of comparison of myocardial plasmalemmal indexs in each group（Mean±SD，n=8）

注：与A组相比，▲▲表示P＜0.01；与B1相比，★表示P＜0.05，★★表示P＜0.01。

2.5 各组大鼠心肌组织电镜观察结果

A组，超微结构均正常（见图10）；B1组，主要表现为肌原纤维排列较整齐，线粒体肿胀，嵴断裂或消失，出现空泡变性（见图11）；B2组，主要表现为肌细胞肿胀，肌原纤维排列较整齐，但Z线、M线模糊不清，少数出现溶解，胞核内染色质积聚，呈团快状，线粒体结构基本正常（见图12）。

图10 A组大鼠心肌超微结构电镜图（×8 000）Figure10 Myocardial cell ultrastructure of group A（×8 000）

图11 B1组大鼠心肌超微结构电镜图（×8 000）Figure11 Myocardial cell ultrastructure of group B1（×8 000）

图12 B2组大鼠心肌超微结构电镜图（×8 000）Figure12 Myocardial cell ultrastructure of group B2（×8 000）

3 讨 论

本研究中，依据BEDFORD等[7]标准推算，大鼠正式运动强度为大强度运动（约为80%最大摄氧量强度）致力竭。由于大强度运动下，机体代谢水平明显增加，致使受试鼠心肌耗氧量增加而发生相对缺血及缺血损伤。心电图J点变化（抬高或降低）对判断心肌缺血具有重要意义[8]，T波高耸、低平（或倒置）也是缺血指针之一；而ST-T段改变及病理行Q波表明缺血性损伤。急性力竭运动后，心电图可有J点、T波及ST-T段异常，甚至一过性病理性Q波[9]。本研究中，受试鼠心电图出现上述多样性异常变化，阳性率100%。本研究中，为避免J点、T波变化的“假阴性”结果，而比较其变化幅度，结果显示运动后30 min～3 h内J点、T波显著变化，但在运动后24 h时恢复正常；运动后受试鼠心电图出现ST-T段弓背上抬，一过性病理性Q波及结构微损伤，上述异常变化均为可逆性。提示，一次力竭运动后恢复期心肌发生了可逆性缺血及缺血损伤。

细胞膜Na+-K+-ATPase、Ca2+-ATPase对维护细胞内离子代谢平衡及膜电位正常起到重要作用，其功能正常发挥依赖ATP。ATP是主要在线粒体中合成的高能磷酸化合物，是能量的直接来源。因此，本研究以ATP及细胞膜Na+-K+-ATPase、Ca2+-ATPase来反映运动后心肌能量代谢的变化，并探讨其与心电变化之间的关联性。本研究中，当运动后大鼠心电图出现缺血损伤样变化时，心肌线粒体大面积损伤，ATP量及细胞膜Na+-K+-ATPase、Ca2+-ATPase活性明显下降。分析认为，由于机体剧烈运动后仍处于高代谢水平，引起所谓的运动后过量氧耗，心肌发生相对缺血及缺血性损伤，其中线粒体损伤致ATP量减少而细胞膜Na+-K+-ATPase与Ca2+-ATPase活性下降，其活性下降可致离子代谢紊乱及膜电位异常，外部心电出现异常[10]。本研究中，当心电恢复正常时，除对缺血相对不敏感的肌原纤维、细胞核仍处于恢复中外，心肌线粒体结构损伤已基本得到修复，ATP量及细胞膜Na+-K+-ATPase与Ca2+-ATPase活性恢复。上述结果表明，一次力竭运动后心电图缺血损伤样变化与能量代谢障碍有关，然而其确切机制还需大量深入研究。

4 结论

一次力竭性运动后大鼠出现可逆性缺血损伤样心电变化。当心电异常时，心肌线粒体大面积缺血性损伤，导致ATP量及细胞膜Na+-K+-ATPase、Ca2+-ATPase活性下降，反映出能量代谢障碍，而能量代谢障碍得到恢复时，心电也随之恢复正常。表明，一次力竭运动后可逆性缺血损伤样心电变化与能量代谢障碍有关。

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AbnormalECGChangesandEnergyMetabolicDisturbanceafteranExhaustiveExerciseinRats

XU Simao1，ZHOU Yong2，WANG Jun1
（1.Dept.of PE，Guangxi Normal University，Guilin 541004，China；2.Institute of Information Technology，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

Objective：To explore the relationship between abnormal ECG of ischemic and hypoxia injury and energy metabolism after once exhaustive exer⁃cise on treadmill.Methods：30 grown male SD rats，stochastic divides into group A（blank contrapositive group）and group B（exercise group）.Stochastic di⁃vides group B into group B1（group of 2 hours after exercise）and group B2（group of 24 hours after exercise）.Records the ECG changes in the before exercise and 0 min，10 min，20 min，30 min，1 h，1.5 h，2 h，3 h，6 h，12 h，24 h after exercise in rats.Comparison myocardial ATP quantitative，the cell mem⁃brane Na+-K+-ATPase and Ca2+-ATPase activity in each group.Electron microscope to observe the changes of left ventricular antetheca cardiac muscle cell ultrastructure in some rats of group A，B1 and B2.Results：Rats cardiogram is obvious abnormal after a period of time after ending exercise，and the abnor⁃mal ECG did not at the same changes in each rats.These changes included that J points had upward shift or downward shift，T waves appeared shifted up or in⁃version partially，and arched ST-T segment elevation of electrocardiogram and pathological Q waves of Electrocardiogram were showed in Rats.The changes of J point，T waves varied amplitude were appeared increased during 30 min-3h in convalescence after exercise.But，these changes of ECG have returned to normal at 24 hours after exercise.At two hours after exercise，the ATP quantitative of cardiac muscle reduced obviously，the activity of cardiac muscle cell membrane Na+-K+-ATPase and Ca2+-ATPase were obvious lower，and mitochondria large acreage injures.At 24 hours after exercise，these abnormal changes had different degree recoverysd.Conclusions：Once exhaustive exercise causes rats abnormal ECG of ischemic and hypoxia injury after a period of time after ending exercise，but it was diversity and reversible.It hints that there might be some certain relationship between abnormal ECG of ischemic and hypoxia inju⁃ry and energy metabolism obstacle after heavy load training.

exhaustive exercise；electrocardiogram；energy metabolism

G 804.2

A

1005-0000（2014）02-132-04

2013-12-15；

2014-03-09；录用日期：2014-03-10

广西自然科学基金项目（项目编号：2013GXNSFBA019146）；广西师范大学第一批青年骨干教师成长支持计划项目

许思毛（1978-），男，安徽芜湖人，副教授，研究方向为运动医学。

1.广西师范大学体育学院，广西桂林541004；2.桂林电子科技大学信息科技学院，广西桂林541004。