李婷婷,張慧,張銘宸,王宏英,張萍萍,王孝文,孫忠廣

(濰坊醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)院,山東濰坊 261053)

生酮飲食(ketogenic diet,KD)是一種高脂肪、極低碳水化合物和適量蛋白質(zhì)的飲食方案,常作為補(bǔ)充血酮的重要策略,為大腦、骨骼肌和心臟等高能量需求組織提供能量底物[1]。 在碳水化合物攝入減少時,機(jī)體葡萄糖的分解代謝受到抑制,不能提供充足的底物和酶,不足以進(jìn)行三羧酸循環(huán)并產(chǎn)生能量。 同時胰島素分泌減少、肝脂肪動員加快,使脂肪酸氧化產(chǎn)生酮體,在線粒體內(nèi)釋放更多能量,進(jìn)而降低運(yùn)動時的糖酵解,保存肌糖原,此時飲食中的高脂肪可得到充分利用,造成營養(yǎng)酮癥[2]。骨骼肌對酮體有高親和力,但一般狀態(tài)下能量供應(yīng)貢獻(xiàn)率低于5%,習(xí)慣性高脂肪的消耗可提升酮體對能量供應(yīng)貢獻(xiàn)度,在營養(yǎng)酮癥狀態(tài)最高可升至72%[2-3]。 運(yùn)動時酮體的利用率增加了5 倍,肝生成酮體也隨之增加造成運(yùn)動酮癥,KD 干預(yù)能為運(yùn)動狀態(tài)提供更充足的酮體,滿足運(yùn)動對酮體的需求[3]。

KD 最早用來控制難治性癲癇,在治療神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的疾病中也卓有成效。 近年來逐漸被健身塑形、競技能力調(diào)節(jié)等領(lǐng)域關(guān)注,并在運(yùn)動表現(xiàn)與運(yùn)動疲勞恢復(fù)中也發(fā)揮一定調(diào)節(jié)作用[4-6]。 本文通過綜述當(dāng)前KD 在運(yùn)動表現(xiàn)與運(yùn)動疲勞恢復(fù)中的動物與人類研究,分析KD 的應(yīng)用和作用機(jī)制,探討其使用的安全性及現(xiàn)狀,旨在為競技運(yùn)動與康復(fù)訓(xùn)練提供思路與方案。

1 運(yùn)動表現(xiàn)

1.1 增強(qiáng)骨骼肌表現(xiàn)的動物實(shí)驗(yàn)及機(jī)制

KD 在機(jī)體中通過肌纖維類型的改變影響骨骼肌質(zhì)量與力量,腓腸肌主要由Ⅱb 型纖維組成,與常規(guī)飲食相比,長期KD 使骨骼肌質(zhì)量顯著下降,由Ⅱa 纖維組成的足底肌與比目魚肌的質(zhì)量卻得到增加[7-8]。 骨骼肌的肌性部分主要由Ⅰ型慢縮纖維(慢肌)和Ⅱ型快縮纖維(快肌)兩種肌纖維構(gòu)成,Ⅱ型快縮纖維主要分為Ⅱa 氧化型與Ⅱb 酵解型兩種[9]。 隨著年齡的增長,骨骼肌纖維數(shù)量和纖維橫截面積的減小,導(dǎo)致骨骼肌質(zhì)量下降,肌力降低[7,10]。 老年小鼠在14 個月的長期喂養(yǎng)期間,常規(guī)飲食未引起纖維類型的轉(zhuǎn)變,而KD 可使Ⅱb 型肌纖維下降,Ⅰ型、Ⅱa 型肌纖維顯著增加,且長期KD的Ⅰ型、Ⅱa 型平均纖維橫截面積更高于短期,可見長期干預(yù)對骨骼肌質(zhì)量與力量提高優(yōu)于短期[11]。KD 增加軸突發(fā)芽和神經(jīng)再支配,使氧化型纖維保留,通過分析< 750 μm2的小纖維中的去神經(jīng)支配分子標(biāo)志物與乙酰膽堿受體亞基,發(fā)現(xiàn)年齡會增加去神經(jīng)支配分子標(biāo)志物和乙酰膽堿受體亞基的表達(dá),也隨KD 的干預(yù)而增加,且長期KD 明顯優(yōu)于短期。 這表明神經(jīng)元重塑會隨增齡而增加,也因KD增加,Ⅱa 型肌纖維的神經(jīng)再支配與骨骼肌質(zhì)量的增加有關(guān)[11]。 Sonjak 等[12]認(rèn)為軸突發(fā)芽可以改善骨骼肌減少癥的骨骼肌質(zhì)量與功能,且增齡所致的骨骼肌功能的差異與神經(jīng)再支配反應(yīng)的穩(wěn)健性有關(guān)[13]。

短期KD 改善快肌線粒體質(zhì)量與功能,4 個月相對短期KD 誘導(dǎo)腓腸肌中線粒體生物發(fā)生標(biāo)志物線粒體轉(zhuǎn)錄因子A 的表達(dá)及線粒體合成蛋白沉默信息調(diào)節(jié)蛋白1(sirtuin 1,Sirt1)、Sirt3、過氧化物酶體增殖物激活受體γ 共激活劑1α(peroxisome proliferators-activated receptor γ coactivator 1 alpha,PGC-1α)增加。 PGC-1α 是KD 干預(yù)下提升骨骼肌質(zhì)量與力量的關(guān)鍵基因,PGC-1α 基因敲除小鼠出現(xiàn)明顯的骨骼肌萎縮與運(yùn)動受損[11,14]。 檸檬酸合酶(citrate synthase,CS)與骨骼肌力量相關(guān),催化三羧酸循環(huán)第一步限速反應(yīng),是營養(yǎng)物質(zhì)徹底氧化供能的關(guān)鍵酶,其活性通常代表線粒體功能[15]。 長期KD 降低線粒體的基因表達(dá)與蛋白質(zhì)合成速率,但并未影響CS 的活性[11]。 不同時期KD 均可上調(diào)CS的活性,電子傳遞鏈中氧化磷酸化相關(guān)蛋白質(zhì)輔酶Q1β 復(fù)合體8、泛素-細(xì)胞色素C 還原酶核心蛋白Ⅱ、細(xì)胞色素C 氧化酶1 和腺嘌呤核苷三磷酸5A(分別來自復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ)的水平升高,氧化代謝能力增強(qiáng),KD 也提高了雄性大鼠腓腸肌中CS的活性和線粒體的功能[11,16-17]。 Zhou 等[18]研究認(rèn)為KD 能上調(diào)老年小鼠后肢骨骼肌中標(biāo)記線粒體酶CS、復(fù)合物Ⅰ和復(fù)合物Ⅳ的活性,防止了增齡相關(guān)的線粒體功能下降。 Hyatt 等[19]發(fā)現(xiàn)復(fù)合物Ⅱ底物的腓腸肌線粒體耦合,對保持阻力訓(xùn)練的KD 大鼠的呼吸控制更顯著。

通過測量腓腸肌的蛋白質(zhì)合成和水解標(biāo)志物,發(fā)現(xiàn)即使短期KD 中線粒體生物發(fā)生標(biāo)志物水平增加,老年小鼠肌原纖維,線粒體和細(xì)胞質(zhì)部分的蛋白質(zhì)合成率也會降低,且總蛋白含量的增加并不顯著[11,20]。 KD 增加胰島素受體底物1 水平,激活作為細(xì)胞生長調(diào)節(jié)因子的雷帕霉素靶蛋白C1 信號通路,減弱蛋白質(zhì)合成代謝。 蛋白酶體的3 個蛋白水解亞基(β1、β2 和β5)的腺嘌呤核苷三磷酸依賴性(20S 和26S)活性隨增齡而增加,長期KD 使蛋白酶體降解略有減弱。 自噬相關(guān)標(biāo)志物微管相關(guān)蛋白1輕鏈3B-Ⅱ(microtubule-associated protein 1 light chain 3B-Ⅱ,LC3B-Ⅱ)、LC3B-Ⅱ/LC3B-Ⅰ值隨增齡降低,萎縮相關(guān)蛋白叉頭轉(zhuǎn)錄因子O1(forkhead box O1,FOXO1)和FOXO3A 隨增齡升高,因短期KD 影響微弱,難以使骨骼肌質(zhì)量增加。 Li 等[21]發(fā)現(xiàn)生酮氨基酸通過自噬信號通路,恢復(fù)高脂肪損害的線粒體功能,增強(qiáng)運(yùn)動表現(xiàn)。

研究發(fā)現(xiàn)14 個月KD 干預(yù)的老年小鼠前肢抓力高于常規(guī)組,有更強(qiáng)的骨骼肌力量,而1 個月的短期干預(yù)卻未能引起骨骼肌力量的增強(qiáng),結(jié)果表明長期KD 干預(yù)使蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300 的乙酰化升高,因此長期KD 通過增加組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶以增強(qiáng)骨骼肌力量[22]。 小鼠骨骼肌特異性敲除p300 對平均纖維橫截面積影響較小,卻降低骨骼肌收縮能力,導(dǎo)致握力迅速下降,甚至死亡[23-24]。 2 個月KD 使中年雌性小鼠腓腸肌中PGC-1α 總蛋白與核蛋白升高,但未引起表達(dá)的差異,表明翻譯后的乙?；揎椘鹬匾饔?分析顯示乙?；嚢彼?、β-羥基丁酸賴氨酸和乙酰轉(zhuǎn)移酶p300 顯著增加[25]。

酮體是KD 在耐力運(yùn)動中提供的主要能源物質(zhì),在運(yùn)動中被利用后顯著降低。 3 周KD 喂養(yǎng)的小鼠每天經(jīng)60 min 運(yùn)動后,血清β-羥基丁酸(βhydroxybutyrate,β-OHB)顯著降低,但經(jīng)負(fù)重游泳時間和在體腓腸肌收縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),短期KD僅起到保留運(yùn)動耐力的作用[26]。 常規(guī)飲食組的血酮在負(fù)重游泳后升高,而KD 小鼠游泳前后血酮變化不大,可認(rèn)為KD 干預(yù)下的耐力運(yùn)動主要以酮體供能[20]。 對小鼠實(shí)施8 周KD 干預(yù),使血清β-OHB上升,但力竭運(yùn)動后顯著下降,且達(dá)到力竭的時間長于常規(guī)組,證實(shí)KD 造成小鼠酮癥適應(yīng),利于耐力性運(yùn)動中利用酮體供能[27]。 小鼠經(jīng)12 周KD 結(jié)合運(yùn)動干預(yù)后的血清β-OHB 僅高于KD 組,表明長期KD 干預(yù)時的日常耐力訓(xùn)練也消耗酮體供能[28]。

KD 使糖酵解關(guān)鍵酶轉(zhuǎn)錄表達(dá)下降,主要通過提升慢肌中脂肪酸氧化相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)能力,造成酮癥適應(yīng),有更強(qiáng)的脂肪運(yùn)輸、代謝與利用能力,進(jìn)而促進(jìn)運(yùn)動耐力的增強(qiáng)[29]。 短期KD 攝入碳水化合物比例低,率先引起糖酵解的下降,4 周KD 僅使小鼠骨骼肌中糖酵解關(guān)鍵酶己糖激酶2(hexokinase 2,Hk2)、丙酮酸激酶(pyruvate kinase,Pk)與琥珀酰輔酶A 轉(zhuǎn)移酶(succinyl-CoA,Scot)表達(dá)降低,未引起脂肪酸攝取與氧化的相關(guān)酶改變[28]。 隨著干預(yù)時間延長,逐步增強(qiáng)了脂肪酸氧化,并在慢肌中表現(xiàn)顯著,8 周KD 組游離脂肪酸與甘油三酯水平高于常規(guī)飲食組,經(jīng)耐力運(yùn)動后濃度降低,運(yùn)動增加了脂肪利用,延長小鼠達(dá)到力竭時間,9 周KD 增加了比目魚肌中脂肪酸氧化基因肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1A、羥基?；o酶A 脫氫酶(hydroxyacyl-CoA dehydrogenase,HADH)表達(dá),但腓腸肌中變化不顯著[27,30]。 長期KD 使脂肪酸氧化升高更顯著,有更強(qiáng)的運(yùn)動耐力,12 周干預(yù)使Pk 與Scot 表達(dá)下降,脂肪酸攝取的分化簇36(cluster of differentiation 36,Cd36)和Hadh 升高,14 個月KD 干預(yù)使老年小鼠游離脂肪酸水平較常規(guī)飲食高,懸掛實(shí)驗(yàn)總時間延長,運(yùn)動耐力增強(qiáng)[22,28]。

比目魚肌屬于慢肌,Ⅰ型肌纖維占60%以上,以其顯著抗疲勞特性在耐力性運(yùn)動中發(fā)揮作用[31]。在KD 的干預(yù)下,比目魚肌中促進(jìn)酮體分解的限速酶羥基丁酸脫氫酶的轉(zhuǎn)錄升高,而在腓腸肌中降低,慢肌中的羥基丁酸脫氫酶表達(dá)增強(qiáng),有助于促進(jìn)酮體的分解和運(yùn)動耐力的提升。 KD 使脂肪酸氧化的關(guān)鍵酶甘油三酯脂肪酶在腓腸肌與比目魚肌中表達(dá)上調(diào),比目魚肌中激素敏感脂肪酶的表達(dá)上調(diào),表明增強(qiáng)慢肌內(nèi)脂肪的動員是提高運(yùn)動耐力的主要因素[32]。 Huang 等[26]增加KD 中蛋白質(zhì)的比例后,測試股四頭肌中的脂肪酸氧化基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)發(fā)現(xiàn),脂肪酸利用關(guān)鍵酶丙酮酸脫氫酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinases,PDKs)與肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1b(carnitine palmitoyl transterase-1b,CPT-1b)表達(dá)升高,脂質(zhì)貯存乙酰輔酶A 羧化酶1 轉(zhuǎn)錄能力降低,脂肪酸氧化增強(qiáng)。

1.2 不影響或降低運(yùn)動表現(xiàn)的動物實(shí)驗(yàn)及機(jī)制

短期KD 可能與不同性別的激素水平控制相關(guān),對雌性動物運(yùn)動表現(xiàn)的增強(qiáng)無效,睪酮對骨骼肌合成與分解代謝的作用最強(qiáng),而雌激素相關(guān)受體在骨骼肌中僅可維持骨骼肌質(zhì)量[33-35]。 7 d KD 干預(yù)使編碼骨骼肌萎縮相關(guān)泛素連接酶的基因表達(dá)、自噬基因LC3B 表達(dá)均上調(diào)數(shù)倍,血漿胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)含量減少,骨骼肌合成代謝下降,骨骼肌合成代謝相關(guān)基因IGF-1 和Ⅰ型膠原α2 基因(collagen type Ⅰalpha 2,COL1A2)的轉(zhuǎn)錄減少。 真核翻譯起始因子4E 的轉(zhuǎn)錄下降,抑制了骨骼肌中的蛋白質(zhì)合成,造成雌性小鼠腓腸肌、脛骨前肌和比目魚肌的質(zhì)量分別降低了23%、11%和16%,肌纖維大小分別減小了20%、28%和16%,骨骼肌力量下降了22%,且2 周KD 也降低了雌性小鼠有氧能力[36]。 基于短期KD對雌性小鼠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,Nakao 等[37]提出可以依據(jù)此建立骨骼肌減少癥動物模型,但此觀點(diǎn)尚存在爭議,需重復(fù)驗(yàn)證。

隨著KD 作用時間的增長,改善了雌性小鼠在干預(yù)初期的骨骼肌萎縮,維持了骨骼肌質(zhì)量與力量,但尚無研究對更長期的干預(yù)進(jìn)行討論。 5 周KD升高了雌性小鼠血清酮體,并未增強(qiáng)運(yùn)動耐力[38]。2 個月KD 在腓腸肌中增強(qiáng)了乙?；?增加了Sirt3、PGC-1α 蛋白,真核翻譯起始因子2A 的磷酸化升高了2 倍,使中年雌性小鼠股四頭肌、腓腸肌與比目魚肌的骨骼肌質(zhì)量保留,脛骨前肌質(zhì)量升高,骨骼肌力量和運(yùn)動耐力維持[25]。 根據(jù)長期KD 使老年雄性小鼠骨骼肌力量增強(qiáng)[22],Pathak 等[25]推斷在老年雌性小鼠也會有相同表現(xiàn),但當(dāng)前缺乏證據(jù)證實(shí)。

KD 不利于慢性缺血灌注損傷的恢復(fù),存在肢體缺血的患者也應(yīng)避免KD。 Shalamu 等[39]對雄性小鼠進(jìn)行2 周KD 喂養(yǎng)后進(jìn)行后肢缺血灌注損傷手術(shù),再持續(xù)2 周喂養(yǎng)觀察,第4 周時發(fā)現(xiàn)缺血后肢骨骼肌中的糖酵解相關(guān)基因葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(glucose transporter type 1,GLUT1)、GLUT4 和Hk2轉(zhuǎn)錄與表達(dá)進(jìn)一步降低,脂肪酸利用基因Cd36 和CPT1 轉(zhuǎn)錄與表達(dá)由術(shù)前的升高轉(zhuǎn)而降低,纖維化基因α-平滑肌肌動蛋白的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)增加,骨骼肌萎縮基因FOXO3 和LC3 轉(zhuǎn)錄增加,進(jìn)一步降低了糖酵解,逆轉(zhuǎn)了脂肪酸利用率,引起了骨骼肌的萎縮與纖維化,骨骼肌的恢復(fù)與再生情況差。

KD 降低過低體重小鼠的運(yùn)動耐力,分析發(fā)現(xiàn)KD 干預(yù)下小鼠體重低于常規(guī)飼料組,體重與運(yùn)動耐力呈線性正相關(guān),過低體重小鼠表現(xiàn)低脂肪適應(yīng)能力,運(yùn)動耐力差,但并未觀察到與酮體的利用存在相關(guān)性[27]。 不能排除因KD 食物外形與口感區(qū)別于常規(guī)飼料,引起小鼠食欲下降造成的體重降低,進(jìn)而影響運(yùn)動耐力[33]。

1.3 維持與增強(qiáng)運(yùn)動表現(xiàn)的人類實(shí)驗(yàn)

KD 更好地改善了運(yùn)動員的身體成分,但對提升骨骼肌力量的效用有限,甚至可能損害經(jīng)過訓(xùn)練增強(qiáng)的骨骼肌力量,最終呈現(xiàn)為骨骼肌力量的維持[40-41]。 KD 可以造成運(yùn)動員體重顯著降低,但是30 d KD 未改變足球運(yùn)動員的股四頭肌面積與最大骨骼肌力量,8 周KD 對職業(yè)運(yùn)動員的上下肢骨骼肌力量的提升與西方飲食組的差異也不顯著[42-44]。在保持日常運(yùn)動訓(xùn)練的基礎(chǔ)上,常規(guī)飲食比KD 更體現(xiàn)出增強(qiáng)骨骼肌力量的優(yōu)越性,8 周KD 只保留了運(yùn)動員背肌與下肢肌的骨骼肌力量,9 周KD 也未引起運(yùn)動員骨骼肌力量的增加[45-46]。

KD 在運(yùn)動員中維持與增強(qiáng)運(yùn)動耐力的需求多于骨骼肌力量。 短期KD 只改善了運(yùn)動員的身體成分,僅有提升運(yùn)動耐力的趨勢,2 周KD 提升了男性運(yùn)動員體內(nèi)的游離脂肪酸、血酮與血糖水平,25 d KD 只提升了競走運(yùn)動員的脂肪酸氧化,10 000 m性能測試增加不顯著[47-48]。 1 個月的KD 目前認(rèn)為是適宜時長,穩(wěn)定提升運(yùn)動員的運(yùn)動能力與成績,但缺乏循證依據(jù),30 d KD 使足球運(yùn)動員的呼吸交換比降低、高強(qiáng)度有氧運(yùn)動的能力升高,認(rèn)為對KD有較好的適應(yīng)并增強(qiáng)了運(yùn)動耐力,31 d KD 增加8名耐力運(yùn)動員血酮與尿酮水平,降低總體最大攝氧量,未引起B(yǎng)anister 訓(xùn)練脈沖、總運(yùn)動距離和次最大運(yùn)動能力(包括力竭時間與距離)的改變,但在速度為12 km/h 與13.5 km/h 時運(yùn)動效率高,最大攝氧量顯著增加[42,49]。 超過1 個月的飲食干預(yù)對運(yùn)動員的運(yùn)動表現(xiàn)產(chǎn)生了負(fù)面影響,男性運(yùn)動員6 周KD相對于高碳水飲食,會延長5 km 跑步實(shí)驗(yàn)時間,降低成績,而8 周常規(guī)飲食限制引起了運(yùn)動最大攝氧量的增加,KD 僅能維持運(yùn)動耐力[45,50]。 長期KD使人體產(chǎn)生了適應(yīng),在供能方式上以脂肪酸氧化為主,不影響運(yùn)動表現(xiàn),12 周KD 提高了男性運(yùn)動員血酮水平,增加了6 s 沖刺測試和臨界功率測試的峰值功率,增強(qiáng)了100 km 計時賽測試中的脂肪酸氧化,但不能顯著提升成績[51]。 6 個月的長期只KD造成了葡萄糖代謝的下降,并未影響運(yùn)動表現(xiàn)[52]。

目前常對運(yùn)動員采用“低訓(xùn)高賽”的方式,即訓(xùn)練時的中高強(qiáng)度運(yùn)動攝入高脂低碳水飲食進(jìn)行生酮,減低體重并維持或增強(qiáng)運(yùn)動表現(xiàn),在高強(qiáng)度的比賽中攝入高碳水快速提供能量,提高成績[53]。Burke 等[54]發(fā)現(xiàn),通過對男性競走運(yùn)動員進(jìn)行5 d KD 干預(yù)適應(yīng)和1 d 高碳水飲食,比6 d 高碳水飲食組200 km 測試的脂肪酸氧化升高了25%,增加了最大攝氧量,8 km 與5 km 速度測試也分別提升了50%和20%。 通過綜合的Meta 分析顯示,KD 只對改善呼吸交換率有效,難以通過影響耐力運(yùn)動員最大攝氧量、最大心率、力竭時間和自感勞累等級,達(dá)到增強(qiáng)運(yùn)動耐力的目的,但并未對時間進(jìn)行區(qū)分,后續(xù)可考慮將時間亞組分析以證實(shí)不同時長KD 對運(yùn)動員運(yùn)動表現(xiàn)的影響[55]。

KD 對不同性別人類的影響也存在差異,在女性的運(yùn)動表現(xiàn)中提升效果差,還加重年輕女性的運(yùn)動后的骨骼肌疲勞[56-58]。 8 周KD 讓女性運(yùn)動員深蹲與臥推力量低于常規(guī)飲食組,3 個月KD 只降低了體重,呈現(xiàn)維持了女性舉重運(yùn)動員的競賽成績[46,59]。

KD 在非職業(yè)運(yùn)動員群體中穩(wěn)定提升了運(yùn)動表現(xiàn),單獨(dú)KD 作用的運(yùn)動表現(xiàn)提升高于配合日常運(yùn)動訓(xùn)練,主要增強(qiáng)中低強(qiáng)度運(yùn)動表現(xiàn),難以改變高強(qiáng)度運(yùn)動,KD 對運(yùn)動表現(xiàn)的改變在高強(qiáng)度運(yùn)動員群體中尚未發(fā)揮最佳效果[30]。 50 ~ 70 歲人群中骨骼肌減少性肥胖患者經(jīng)6 周干預(yù)后,顯著增加了骨骼肌力量,肥胖女性經(jīng)45 d KD 干預(yù)后握力增加,與脂肪量呈負(fù)相關(guān)、無脂肪量呈正相關(guān),同體重的減輕無關(guān)[60-61]。 52 周KD 使男性健康成人最大攝氧量增加3.14%,保持了骨骼肌力量與運(yùn)動耐力[62]。

2 運(yùn)動保護(hù)與疲勞恢復(fù)

2.1 運(yùn)動保護(hù)與疲勞恢復(fù)的動物實(shí)驗(yàn)及機(jī)制

近年研究顯示,KD 可以通過減輕骨骼肌的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng),營造運(yùn)動狀態(tài)下健康的細(xì)胞環(huán)境,保護(hù)機(jī)體免受損傷[63]。 KD 使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵蛋白水平下降,短期下調(diào)C/EBP 同源蛋白水平,長期下調(diào)免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白、肌醇依賴酶1α 和蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶水平[11]。 機(jī)體活性氧隨增齡與機(jī)體的病理變化增加,抗氧化蛋白超氧化物歧化酶2 和過氧化氫酶的水平逐漸降低,可隨長期KD 顯著增加,減少氧化應(yīng)激,維持氧化-還原平衡[11]。 KD 也降低因劇烈運(yùn)動產(chǎn)生的過量白介素-6(interleukin-6,IL-6),減輕炎癥反應(yīng)對機(jī)體造成的損害,增強(qiáng)脂肪酸氧化[32]。 肌酸激酶與乳酸脫氫酶是骨骼肌損傷的標(biāo)志物,劇烈運(yùn)動后升高而誘發(fā)急性骨骼肌損傷,經(jīng)KD 干預(yù)降低,保護(hù)機(jī)體在耐力運(yùn)動中免受損傷[27]。 血漿成纖維細(xì)胞生長因子21 存在抗炎作用,9 周KD 使其表達(dá)增加,也有助于能量穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)[30,64]。

Huang 等[65]認(rèn)為KD 增強(qiáng)“代謝靈活性”,減少糖酵解并增強(qiáng)脂肪酸氧化,加快耐力運(yùn)動后的恢復(fù)。 開放場測試將小鼠放于固定空間,經(jīng)測試運(yùn)動軌跡發(fā)現(xiàn)力竭運(yùn)動經(jīng)24 h 休息后KD 組活動軌跡更頻繁。 運(yùn)動中代謝產(chǎn)生的乳酸和血氨誘發(fā)運(yùn)動后疲勞,而KD 小鼠足底肌中乳酸積累少,血氨水平低,證實(shí)KD 加快了小鼠運(yùn)動后功能恢復(fù)。 當(dāng)前KD對骨骼肌中運(yùn)動保護(hù)與疲勞恢復(fù)機(jī)制的動物實(shí)驗(yàn)仍有所欠缺,后續(xù)可通過測定不同類型骨骼肌中代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平,進(jìn)一步解釋影響機(jī)制。

2.2 運(yùn)動保護(hù)與疲勞恢復(fù)的人類實(shí)驗(yàn)

酮體在骨骼肌中發(fā)揮抗氧化與抗炎作用,減輕劇烈運(yùn)動對機(jī)體的損害[66]。 KD 降低了運(yùn)動員體內(nèi)炎癥反應(yīng),8 周KD 干預(yù)使職業(yè)健美運(yùn)動IL-6 降低13.35%,西方飲食增加6.52%,且血清腫瘤壞死因子(tumour necrosis factor-α,TNF-α)也低于西方飲食,IL-6 和TNF-α 與胰島素水平有關(guān),在胰島素抵抗的發(fā)病機(jī)制中起作用,降低葡萄糖分解促進(jìn)酮體生成[43]。 但Shaw 等[67]認(rèn)為31 d KD 未改變男性耐力運(yùn)動員唾液與血液粘膜的免疫標(biāo)記物,需要更多嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計證實(shí)KD 在運(yùn)動中的保護(hù)狀況。

肌糖原消耗與乳酸積累是運(yùn)動產(chǎn)生疲勞的主要原因,KD 造成的脂肪適應(yīng)增加了肌糖原的儲備,進(jìn)而減輕了運(yùn)動后疲勞的產(chǎn)生[63,68]。 競走運(yùn)動員經(jīng)3 周KD 干預(yù),降低了運(yùn)動時4 min 和6 min 的血清乳酸濃度,增加機(jī)體高強(qiáng)度運(yùn)動的緩沖能力[69]。31 d KD 使耐力運(yùn)動員血乳酸呈現(xiàn)降低趨勢,在最大耗氧量時沉積最多[49]。 運(yùn)動前KD 攝入使男性運(yùn)動員血清乳酸平均濃度顯著低于低碳飲食,在運(yùn)動期間KD 攝入發(fā)現(xiàn)上肢骨骼肌的過碘酸雪夫染色強(qiáng)度下降,比低碳飲食的肌糖原沉積更多,利于肌糖原的保留[70]。

3 生酮飲食的安全性與應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)食物中脂質(zhì)的占比不同,可將KD 分為經(jīng)典KD、中鏈甘油三酯KD、改良阿特金斯飲食和低血糖指數(shù)治療[71]。 其中中鏈甘油脂肪酸能更快穿過線粒體膜進(jìn)行β-氧化,生酮效率最高,酮體快速提供能量,改善運(yùn)動耐力,但人體攝入超過30 g 中鏈甘油脂肪酸時,造成了胃腸道的不良反應(yīng),損害運(yùn)動表現(xiàn)[72-74]。 目前認(rèn)為減輕KD 負(fù)面影響的飲食策略是聯(lián)合補(bǔ)充肌酸,可進(jìn)一步降低體重,改善身體成分,增強(qiáng)骨骼肌力量與運(yùn)動耐力,促進(jìn)運(yùn)動后骨骼肌的疲勞恢復(fù)[75]。

不同于KD 引起的內(nèi)源性酮體的生成,急性酮癥優(yōu)先考慮外源性酮體的直接補(bǔ)充,包括酮鹽、酮酯或1,3-丁二醇以及酮酸,但對運(yùn)動表現(xiàn)貢獻(xiàn)小,主要引起血清酮體的快速升高,存在消化系統(tǒng)與心血管系統(tǒng)副作用[76-78]。 KD 通過生成酮體發(fā)揮作用,比外源性酮體反應(yīng)穩(wěn)定,Kephart 等[79]發(fā)現(xiàn)1 周的短期KD 比酮鹽補(bǔ)充引起雄性大鼠的生理性酮癥更強(qiáng)。 外源性酮癥造成急性酮癥,并抑制機(jī)體內(nèi)源性生酮,不利于長期作用[72]。

4 結(jié)論和未來研究方向

本文對KD 改變運(yùn)動表現(xiàn)與疲勞恢復(fù)的動物研究與人類研究進(jìn)行概述,發(fā)現(xiàn)KD 對骨骼肌的作用效果與干預(yù)時長有關(guān),在動物研究中的改善效果更明顯。 認(rèn)為在動物研究中,KD 可以通過軸突發(fā)芽和神經(jīng)再支配引起肌纖維類型由Ⅱb 向Ⅱa 轉(zhuǎn)變,使PGC-1α 和CS 表達(dá)增加,改善快肌的線粒體質(zhì)量與功能,影響骨骼肌蛋白質(zhì)合成與水解標(biāo)志物,增加組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300 以增強(qiáng)骨骼肌力量,而短期KD 主要引起標(biāo)志物表達(dá)的改變,提升骨骼肌力量的效果最好,長期干預(yù)才能轉(zhuǎn)變肌纖維的類型;在耐力運(yùn)動中KD 提供酮體為機(jī)體供能,降低慢肌中的糖酵解關(guān)鍵酶Hk2、Pk 和Scot 的表達(dá),提升脂肪酸氧化相關(guān)酶PDKs 和CPT-1b 的表達(dá),起到增強(qiáng)運(yùn)動耐力的效果,且隨KD 干預(yù)時間的延長效果更好;KD 也降低了運(yùn)動時骨骼肌的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng)的標(biāo)志物表達(dá)水平,營造運(yùn)動狀態(tài)下健康的細(xì)胞環(huán)境,保護(hù)機(jī)體免受損傷,并減少肌糖原的消耗與乳酸的積累,減輕運(yùn)動后疲勞促進(jìn)疲勞恢復(fù)。 在KD 對人類的作用上,主要以改善競技運(yùn)動員身體成分為主,未引起骨骼肌力量的變化,可因不同周期的KD 干預(yù)對運(yùn)動耐力產(chǎn)生不同影響,1 個月的連續(xù)KD 能顯著增加最大攝氧量,增強(qiáng)運(yùn)動耐力,是用于提升耐力型競技運(yùn)動成績的最佳周期。

KD 對不同性別的動物與人類產(chǎn)生了不同的影響,目前研究主要以雄性動物與男性為主,在雌性動物中出現(xiàn)提升運(yùn)動表現(xiàn)的情況略晚于雄性,后續(xù)需更長時間的KD 干預(yù)與性別對比研究。 在運(yùn)動保護(hù)與疲勞恢復(fù)方面,當(dāng)前的研究內(nèi)容有限,難以觀察到不同時長的KD 干預(yù)下的不同表現(xiàn),后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)在該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究。