心肺适应能力——预测身体健康程度的关键指标

黄强年，王 哲，常健康，贾 卫，王 巍

1 前言

毫无疑问，积极的生活方式对人类的机体有积极的影响，但缺乏运动可能被视为一种异常状态。定期的运动训练增加了多种生理参数，包括心脏输出量增加、血容量增加、骨骼肌血管生成、骨骼肌线粒体体积密度增加以及功能增加，以及骨骼肌纤维分布向更具氧化性的纤维转移[1]，这些参数都可能有助于训练诱导的最大摄氧量(Maximal oxygen uptake，VO2max)的增加，这是系统向活动肌肉输送氧气能力的指标，也是促进健康的生物标志物。心肺适能(Cardiorespiratory fitness，CRF)，用VO2max测量，与功能能力和人类表现有关，已被证明是一个强有力的、独立的预测指标，可以预测各种原因和疾病的死亡率，而不用考虑性别和种族。

最近的研究强调了终生有计划的锻炼对增强或维持CRF的重要性，尤其是在成年早期，因为年轻时的CRF越高，益处就越大。此外，大量的流行病学和临床证据表明，在传统的风险因素中加入CRF可显著提高了风险预测，因此美国心脏协会建议在常规临床期间对CRF进行评估，以改善患者的健康状况[2]。为了了解运动如何促进整体健康，并可能进一步延长预期寿命，综述简要地强调了在定期的运动训练中与年龄相关的生理适应，特别参考VO2max作为健康和长寿的生物标志物。此外，肌肉力量是身体健康的重要组成部分，在预防疾病和残疾方面发挥独立作用，对于老年人至关重要[3]。

2 最大摄氧量和工作肌肉的供氧量

VO2max被定义为在最大程度上激活大型骨骼肌群时(例如在跑步或骑自行车时)的吸氧量。根据Hill等人的研究[4]，尽管运动负荷持续增加，但吸氧上限值不能进一步增加，可能主要受到最大供氧量的限制。骨骼肌依赖于足够的氧气供应(有氧能量供应)，它能准确地适应新陈代谢的需要。当这些需求不能在有氧条件下得到满足时，无氧能量的供给将暂时补偿缺氧并产生乳酸，导致乳酸酸中毒。有一系列步骤将氧气从环境运送到工作的骨骼肌的线粒体中[5]：首先，呼吸系统确保氧气从外部环境中进入肺泡和血液，并使血液中的二氧化碳进入肺泡和环境(气体交换)。第二，充氧的动脉血液由心脏泵入骨骼肌的线粒体。肺泡与肺毛细血管、毛细血管和骨骼肌线粒体之间的气体交换是由气体(氧和二氧化碳)压力差(扩散)驱动的。由于氧主要由血红蛋白携带，血红蛋白浓度(Hb)是除了心脏输出量(Q)外另一个重要的供氧因素(DO2)。DO2由Q、Hb和氧饱和量(SaO2)决定。DO2= Q ×Hb ×SaO2×K(血红蛋白-氧结合能力系数，为1.3.3 ml/g)。根据Fick原理，VO2max等于Qmax乘以动静脉氧差，表示收缩肌细胞线粒体的氧提取。因此，最大摄氧量取决于肺、心脏和骨骼肌在最大强度下的综合功能，范围从超过90ml/kg/min精英耐力运动员到低于20 ml/kg/min老年人[5]。年龄的增长会逐渐影响到所有与输送和使用氧气有关的器官的功能。

3 年龄增长人体的生理效应

3.1 呼吸系统衰老

随着年龄的增长，呼吸系统的结构和功能发生变化，如失去血管弹性回缩、胸壁硬度增加、呼吸道肌肉强度下降、肺泡表面积下降、毛细血管经肺灌注均可能影响充分的通气和肺气体交换，导致VO2max限制。然而，现有文献并不普遍支持这一观点，因为与运动相关的最大代谢需求在健康的老年人中出现的速率等于或大于随着年龄增长呼吸系统的结构和功能的变化[6]。VO2max每十年减少10%左右，而最大呼吸量只减少6%左右，肺的扩散能力每十年减少5%左右[5]。然而，运动引起的动脉低氧血症可能在某些情况下发生，在训练有素的老年人中更为普遍，类似于年轻运动员。此外，与不太健康的老年人或较年轻的同龄人相比，年龄较大的受试者更有可能经历呼气流速受限[6]。总的来说，老化的呼吸系统不会限制健康老年人的最大摄氧量，但有时会影响特别健康的老年人或患有肺病的人。

3.2 心血管系统衰老

目前，普遍认为最大心脏输出量(Qmax)是限制健康人最大摄氧量的主要因素，约占最大摄氧量的80%，在30岁之后，VO2max会随着年龄的增长而逐渐减少，大约每十年减少10%。与年龄相关的心脏结构和功能变化可能影响最大卒中量，而最大心率(HRmax)的下降在很大程度上解释了Qmax和相关VO2max的减少。心率变化的一个重要作用主要是年龄增加引起的HRmax的下降，但减少对β肾上腺能刺激变时性反应可能会增加这种下降趋势。除了HRmax的降低，β-肾上腺素受体脱敏也可能导致心脏的收缩性变弱，随着年龄的增长，可能对Qmax和VO2max的损害有很大的影响[7]。

此外，与中央弹性动脉硬化和周围内皮功能障碍有关的大血管和微血管功能障碍是老化的典型后果，对工作的骨骼肌的血液流动和氧气输送造成负面影响。随着年龄的增长，一氧化氮的生物利用度降低，从而导致内皮功能障碍[5]。最后，女性的血氧承载力通常低于男性，随着年龄的增长，血液中的氧承载力略有下降(从30岁到80岁大约下降10%)，也可能导致VO2max随年龄的增长而下降[7]。

3.3 骨骼肌衰老

骨骼肌约占人体总体重的40%，从25岁开始每十年减少3%-10%。因此，肌肉质量和力量的下降(肌肉萎缩)是代表人类衰老过程的一个标志。骨骼肌常见的结构和功能改变可能与肌线粒体功能障碍有关。这些变化的程度在很大程度上取决于人们的生活方式，如有规律的身体活动和营养。研究表明，线粒体呼吸能力和线粒体动力学(融合和裂变)与体重指数呈负相关，与CRF呈正相关，但与实际年龄本身无关[8]。总的来说，老年人骨骼肌中血管生成适应性和线粒体的有氧能力得到了很好的维持。此外，小肌肉群的氧化能力至少是整个身体运动的两倍。动脉-静脉氧的差异，作为肌肉使用氧气能力的标志，在老年人中只有轻微的减少，但在训练人群中比未训练人群更明显[9]。总的来说，虽然骨骼肌受衰老的影响很大，但它对VO2max的限制作用很小。

4 训练的效果

4.1 训练和最大摄氧量

尽管VO2max具有重要的遗传成分，并且受到衰老过程的影响，但通过定期的耐力训练，它可以在任何年龄显著提高15-20%或0.5l/min，提高程度取决于运动强度。受过训练的70岁老人可能会根据VO2max，显示出未经训练的50岁老人的生理年龄，约25岁开始每十年下降约7%(女性)到10%(男性)，但耐力训练者可以从一个更高的水平开始衰减[10](图1)。25岁的健康未接受过训练的男性，其VO2max约为42 ml/kg/min，相当于12个代谢当量(METs)。在健康的未经训练的妇女中，相应的值减少了20%，约为36 ml/kg/min，10.5 METs。50年后，在75岁的时候，VO2max大约是21 ml/kg/min(6METs)，没有明显的性别差异。因此，与女性相比，男性在VO2max中表现出更大的绝对衰退。同样，耐力训练的成年人随着年龄的增长，VO2max的绝对下降率(ml/kg/min/年)比健康的久坐的成年人更高，相对下降率(%)没有差异。与未受过训练的同龄人相比，终身耐力运动员的寿命可以延长到70岁以上[11]，但存在争议。

图1 不同人群年龄与最大摄氧量下降的关系

最近， 一项针对579名中年男性的人口随访研究表明，在11年后复查时，发现VO2max增加1 ml/kg/min与全因死亡率相对降低9%有关，强调了在过去几十年里保持良好的CRF的重要性[12]。如Myers等[13]所述，VO2max为17.5ml/kg/min (5 METs)是独立的生活方式和更高的生存率所必需的。如果VO2max小于3METs，那么基础代谢需要超过VO2max的30%。这种情况很快导致循环系统和呼吸系统的衰竭和失代偿，从而导致自然死亡。年龄的增长加上身体的缺乏运动，形成恶性循环，极大地影响氧气的输送和利用系统，从而影响最大摄氧量[5]。而在健康的老年人中，恶性循环从不活跃的运动肌开始，心脏和/或肺是患有心肺疾病的患者的起源。适当的运动训练计划无疑是预防或打破这一恶性循环的最重要和有效的干预措施[10]。

4.2 训练和骨骼肌

耐力和抗阻训练计划都能在数周内引起快速和显著的力量和肌肉质量、有氧和无氧能力的增加，对健康成年人的心血管和呼吸系统的也具有有益影响。耐力训练是提高心肺功能一个非常有效的方式[11,14-17]，可诱导心血管系统结构调整和代谢产生适应[18,19]；力量练习是提高肌肉质量和力量常用的手段[3,20]，离心练习效果可能更佳[21]，但尚缺少老年群体方面的应用研究。即使是一个为期6周的抗阻训练计划(每周2-3次)也会使久坐不动的健康老年人的力量增加50%[22]。此外，抗阻训练可激活负责肌纤维的更新和修复的卫星细胞和肌原性祖细胞[23]。

此外，抗阻训练也能促进线粒体的合成，从而改善工作肌肉内的氧提取，提高VO2max[24]，但潜在运动效应可能不是太高[25]。抗阻训练是维持或改善骨骼肌质量和力量的选择方法，而耐力训练是改善CRF的首选干预手段[11,14-17]。老年人的30% VO2max改善是通过增加心输出量(70%)和工作肌肉中氧提取(30%)的增加来实现的。在运动肌水平上的耐力训练所产生的适应性包括提高毛细血管供给和提高线粒体关键酶活性[5]。因此，训练后的肌肉在同样的运动强度下以更高的脂肪氧化速率工作，释放出较少乳酸积累的肌糖原，最终提高运动耐受性。高运动耐受性是日常体育活动、休闲活动或训练中进行长期练习的重要前提。VO2max只能维持几分钟，但是这种长时间的练习通常会持续更长时间(最多几个小时)[10]。显然，单个的VO2max值并不决定持续锻炼的能力，而是代表一个上限。VO2max的能力是由于长期运动训练导致人体适应的典型结果[26]。

4.3 训练和心肺系统

骨骼肌的适应性在持续训练中尤为重要，而心血管系统则是年轻人和老年人最大摄氧量的主要限制。年龄增长对VO2max产生负面影响，但训练可以显著提高久坐的老年人的VO2max值[27]。而HRmax则不可避免地随着年龄的增长而下降，并且不会随着训练而发生显著的变化，而每博输出量的增加是对耐力训练的主要适应，是Qmax和相关VO2max增加的原因[28]。即使经过短期(6天)耐力训练，左心室功能、Qmax和VO2max也会得到改善[29]。这些短期效应是由于运动诱导的血浆容积快速膨胀，与心室充盈改善和卒中量增加继发的弗兰克-斯塔林效应有关。在随后持续的训练刺激中，这些短期效应可能导致心脏结构的适应[30]。

此外，耐力训练可以增加一氧化氮的生物利用度，这被认为是血管老化最重要的调节因子[31]。和其他骨骼肌一样，呼吸肌力量和耐力也受到年龄增长的负面影响[32]。通常的耐力训练，特别是结合呼吸肌的特殊训练，已被证明可以预防或改善呼吸肌肉功能障碍，从而支持保持或改善运动耐力，最终提高VO2max[33]。

4.4 训练的量、强度和方式

考虑到训练对提高功能和能力的益处，那么需要多少量和强度才能带来这些益处?每周75分钟的高强度锻炼相当于150分钟的中等强度锻炼，达到500 METs/min/week的总能量消耗，即使少于目前建议的时间量似乎也有效。Wen等人[34]的一项研究发现，5分钟的跑步和15分钟的走路有同样的好处，在降低死亡率方面，25分钟的跑步相当于105分钟的步行。同样，Lee等人[35]的研究显示，每天5-10分钟跑步减少了全因(30%)和心血管疾病(45%)的死亡率。因此，与传统的高运动量的耐力训练(3-6METs)不同，高强度运动(≥6 METs)是提高健康和延长寿命的更有时间效率的策略。通常认为大强度间歇练习可获得更多地运动上的益处[11,14-17]。

另外，越来越多的证据也表明，即使在排除了CRF和其他辅助因素(如年龄、体脂、吸烟和高血压)后，肌肉力量仍然与全因和心血管死亡率成反比且独立相关[36]。尤其是在年龄最大的老年人群中，握力差与过早死亡有关，而这种关联在女性中更明显[37]。定期抗阻训练不仅增加肌肉力量和功能灵活性，也有可能增加骨骼肌线粒体的固有功能，可以提供另一种方法来改善线粒体氧化能力[24]。一项抗阻训练计划应在每周至少进行2天(不连续)。促进肌肉肥大的负荷强度应该接近60 - 80%1RM，每个肌群每周练习3 - 6组，每组10 - 15次[38]。此外，各种组合训练可能会获得更大的益处[39-41]，但其潜在机制尚不清楚，此外也缺少老年人群中实际应用研究。

5 CRF临床应用

5.1 CRF测量

CRF可以直接测量，表示为VO2max，理想情况下通过心肺运动测试(CPX)至力竭。其耗氧量(VO2)和二氧化碳排放量(VCO2)通过气体分析仪测量。如果满足以下标准，一般会达到VO2max：呼吸交换比(RER = VCO2/VO2)大于1.1.0，呼吸当量(VE/VO2)大于35。相反，呼吸等效二氧化碳(VE/VCO2)具有很高的临床应用价值，因为它在心血管或肺部疾病患者中异常升高[10]。CRF也可以根据Wasserman等人[42]提出的公式：VO2(ml) = body mass (kg) × 6.3. + 10.2. × maximal power (W)，在功率自行车上获得的最大工作速率估算，测试方案通常包含5分钟的热身时间，之后将负荷设置为50W，每2分钟增加25W，直到力竭为止。

大量研究报道，CRF对肺癌和/或心血管疾病和癌症患者的生存率有显著影响。此外, CRF是心血管和非心血管手术患者术后并发症的重要预测指标[5]。接下来的章节为读者提供了临床相关研究的观点，具体参考了与供氧和利用有关的主要器官(肺、心脏、骨骼肌)，以及运动训练对于提高临床转诊人群的预期寿命的重要性[10]。

5.2 慢性阻塞性肺病

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种进行性的疾病，其以渐进式气流限制为特征，导致较高的发病率和死亡率。一般会出现肌肉萎缩和功能障碍，并与运动能力受限和疾病预后差有关。尽管患病的呼吸系统代表了慢性阻塞性肺病患者的起源，但骨骼肌和心血管功能的迅速退化进一步导致了运动不耐受，使得身体的缺乏活动，从而对心肺健康产生了负面影响。运动被认为是肺康复的基石，以提高运动耐受力和肌肉功能[10]。例如，对于主要呼吸受限的患者来说，VO2max的训练适应性只有很小的变化，而对于单纯心血管受限的患者来说，这种改善要高出三倍[5]。

对于慢性阻塞性肺病患者来说，预防和治疗肌肉无力和功能障碍是最重要的，因为下肢肌肉力量的增强可提高训练强度，从而使心血管适应能力增强，使VO2max显著增加。渐进式抗阻训练不仅提高了慢性阻塞性肺病患者的肌肉力量和生活质量，而且提高了他们的运动能力。此外，对随机临床试验进行荟萃分析发现，抗阻训练确实可以改善慢性阻塞性肺病患者的呼吸功能，因为在运动期间呼吸需求下降，并且通过增加每分最大通气来提高通气能力[43]。NUTRAIN试验的目的是研究针对肌肉紊乱的营养补充是否能提高慢性阻塞性肺病患者运动训练的效果[44]，结果发现营养干预对下肢肌肉力量的影响并不是主要的衡量结果，因此，训练部分本身对于改善慢性阻塞性肺疾病患者的肌肉力量和运动表现至关重要。此外，最近一项使用2003年NHANES数据的研究发现，参与增强肌肉的活动与降低慢性阻塞性肺病的全因死亡率是独立相关的[45]。特定的运动训练计划，如小肌肉群的训练 (例如,单腿的膝盖外展)以及高强度间歇训练是提高运动耐量的最大摄氧量，打破恶性循环，从而促进老年COPD患者的预期寿命有效的干预措施[5]。

5.3 心力衰竭

慢性心力衰竭(HF)随着年龄的增长而增加，由于缺乏运动耐受性和呼吸短促，其死亡率高，生活质量差。低CRF和肥胖通常是心衰的危险因素，心肌梗死是心衰发展的主要原因，其特征是心室扩张和功能低下。在运动过程中，心衰患者会出现心排血量减少和肌肉血流量减少，从而导致骨骼肌的退化[5]。另一方面,目前的证据为心衰患者的运动训练提供了有前景的结果, 与减少射血分数的人相比，保留射血分数的老年人的最大摄氧量明显提高，而年轻群体在恒定负荷或递增负荷时，可调整心脏收缩和舒张功能，以满足运动上的需求[46,47]。

局部骨骼肌训练(例如，孤立的四头肌训练)是治疗心力衰竭时锻炼不耐受的有效方法。小肌肉群训练刺激肌内适应，促进氧运输和氧化代谢(例如，增加毛细血管密度和线粒体密度)，显著提高骨骼肌氧的传递和电导散布，在不改变心输出量的情况下，使VO2max显著增加[10]。肌肉训练导致的生理适应，可能使受过训练的老年心衰患者能够更好地承受日常功能活动中遇到的亚最大负荷。例如，一个典型的年龄较大的心力衰竭患者，其最大摄氧量为15 ml/kg/min，在持续的一段时间内，他可能难以以超过3km/h的速度行走，并且通常不能超过10步/min，。然而，高强度的训练(例如，以最高心率的85-95%为间隔4分钟，间隔3分钟的主动暂停，每周进行3天)可以促进全身和骨骼肌的适应[48]。最近一项荟萃分析的发现表明，随着训练强度的增加，CRF的增加幅度更大，同时，参与训练患者的研究退出率和住院率也更低[49]。因此，运动强度可能是逆转左心室重构、提高有氧能力和生活质量的一个重要因素。

5.4 癌症

流行病学研究报告表明，高水平的CRF与罹患某些癌症(包括乳腺癌和肺癌)的风险较低有关。根据最近的荟萃分析，CRF的增加是癌症总死亡率降低的一个强有力的预测因素，与肥胖无关[50]。此外，随机对照试验显示，运动对癌症幸存者的CRF、身体成分和生活质量都有有益的影响[50]。一般来说，癌症患者在化疗期间和化疗后心肺功能明显受损[65]。因此，化疗似乎通过影响氧气输送系统而损害CRF。此外，肌肉萎缩是许多消耗性疾病的不良后果，可能损害身体功能和损害重要的代谢过程。肌肉萎缩的后果是严重的，导致虚弱、残疾、生活质量受损、住院次数增加、发病率和死亡率增加。因此，早期干预提高癌症患者的有氧和肌肉健康是至关重要的[10]。

在辅助化疗有效性研究(PACE)中进行的运动表明，有监督的、中等强度到高强度的、综合抗阻和有氧运动计划对患者是最有效的，可尽量减少CRF和肌肉强度的下降，限制疲劳和症状负担，并促进重返工作[10]。化疗后抗阻运动和耐力运动的结果(REACT)研究发现，12周以上的高强度和低至中强度抗阻运动和耐力运动都能有效缓解全身和身体疲劳, 但在提高VO2max方面，倾向于高强度训练(在高强度训练后平均VO2max提高4.4ml/kg/min，而在低至中等强度训练后平均VO2max提高3.3ml/kg/min)。与目前结肠直肠癌治疗后幸存者的身体活动指南相比，即使是4周以上的短期高强度耐力训练，似乎也能在VO2max(+ 3.5 ml/kg/min)方面提供更好的临床意义上的改善[51]。

存在这样一个问题：短期的术前运动训练是否能在癌症手术前提高CRF，从而降低术后并发症的风险？术前期可提供增加术前生理储备(功能能力)的机会，以改善预后和加速恢复。术前高强度间隔训练使VO2max显著提高，而常规护理组的有氧能力下降。此外，在训练中，肺部并发症的发生率明显低于常规护理组 (23%比44%)[52]。虽然术前运动治疗可能对计划手术的癌症患者的各种身体健康变量和术后并发症产生有益的影响，但未来的研究必须集中于开发基于CRF和肌肉功能客观评估基础上量身定制的训练计划，并调查并存病(如蛋白质-能量营养不良)对结果测量的影响。

6 结论

到目前为止，通过定期的运动训练不能延长基因上固定的寿命，但可以开展有针对性的预防工作。对于普通人群而言，周期性基础运动技能练习可能会带来更多的潜在的运动效益[53]。当前，CRF (VO2max)是预测健康和心血管疾病患者未来预期寿命最强有力的独立预测指标。此外，肌肉刺激对于防止肌肉萎缩、残疾和老年住院率的增加必不可少，可促进老年人和疾病人群的生活质量。