Sarcopenia, exercise and muscle reconstruction

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.33.021

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Sarcopenia is the muscle loss in the elderly with aging, and it is closely related to the degradation of muscle function in the elderly. The research on the mechanism of sarcopenia as well as effect of movement intervention is developed.
OBJECTIVE: To summary the mechanisms of sarcopenia cell level as well as the effect of movement intervention.
METHODS: A computer-based retrieval was conducted on CNKI database and PubMed database for literatures on sarcopenia and elderly resistance training from January 2000 to December 2012. The key words were “sarcopenia, muscle, resistance training, aging, protein metabolism”. The literatures on sarcopenia, protein metabolism and resistance training were included, and the obsolete and repetitive literatures and the literatures lack of credibility were excluded. Finally, 58 literatures were included for analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: Resistance training can inhibit sarcopenia to a certain extent, so that to increase muscle mass in the elderly and promote the recombinant of motor units. But the recombinant is limited to the mutual conversion between the type Ⅱa and Ⅱb fibers. Resistance training combined with protein supplement can effectively promote elderly muscle reconstruction; the elderly muscle anabolic response confrontation reaction after resistance training is slower than young people, but the inflammatory response after training is stronger than younger people. However, Omega-3 has a good effect on the elimination of such inflammatory response.

Key words: tissue construction, tissue construction review, sarcopenia, resistance training, type of muscle fibers, muscle protein metabolism, aging, exercise intervention, nerve-muscle function, motor unit remodeling

CLC Number:

R318

Zhu Zhi-feng. Sarcopenia, exercise and muscle reconstruction[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.33.021.

Figures/Tables 1

2.1 肌肉丢失与肌肉功能退化肌肉丢失是专指由于衰老而产生的肌肉质量和肌纤维数量同时减少的现象。它不同于单纯的肌肉萎缩，很多情况下失用性肌肉萎缩属于单纯性肌肉萎缩。单纯性肌肉萎缩不存在肌纤维数量的减少，而只是肌纤维横断面积的减小，所以单纯性肌肉萎缩比较容易逆转，经过力量训练之后，肌肉质量与肌肉功能会很快恢复。肌肉丢失的情况则相对复杂，它不仅是肌纤维横断面积的较小，而且伴有肌纤维数量的减少和肌纤维类型的改变，尽管肌肉丢失可以通过抗阻训练和抗阻训练结合蛋白补充得到抑制和部分的恢复，但老年人肌肉丢失带来的一系列肌肉功能与结构的变化在一定程度上是不可逆的。病理性肌肉萎缩是肌肉质量和肌纤维数量同时减少，但与衰老性肌肉丢失相比，病理性肌肉萎缩的机制更复杂，目前在临床医学方面，病例性肌肉萎缩仍属于疑难病症，可治疗性差。尽管有许多报道称老年人肌肉力量可以通过训练得到提高[1]，但老年人肌肉功能的综合提高或改善却并非易事，原因在于伴随着肌肉丢失而发生的肌肉蛋白质的某些变化是十分复杂和深层次的，这些蛋白质的减少涉及到了老年人肌肉功能的多个方面。肌肉丢失与肌肉功能的变化：人的一生中在25-30岁时肌肉力量达到最高峰值，而从40岁左右开始逐渐下降，到80岁时肌肉力量可能消退35%-45%[2]。尽管许多研究发现，老年人肌肉力量的消退跟他们体力活动减少、蛋白摄入不足以及机体某些激素的变化等有较高的相关[3-5]，但这些因素综合作用的结果就是肌肉丢失，因此最直接影响力量减弱的因素还是肌肉丢失。事实上，老年人肌肉力量减退与单纯性肌肉萎缩的情形有所不同，比如肌肉丢失表现为肌肉力量的变化特点是：主动肌与拮抗肌之间的协调能力降低、快速肌力减低较慢速肌力减低明显、速度力量较肌肉耐力降低明显等[6]。而老年人动作迟缓，精细动作能力差等是这些特点的具体表现。另外，肌肉丢失的进程在不同性别之间存在较大的差异，有研究表明，人的一生中肌肉丢失能够达到1/3以上，与之相应地，肌肉绝对力量值下降了30%-50%[7]。在这方面，老年男性和女性情况略有不同，有研究报道，1组75-80岁的老年男性被试的肌肉力量仅相当于25岁男性力量的50%，而一组同年龄组的老年女性肌肉力量则相当于25岁女性力量的70%[8]。造成这种结果的原因可能有二：一方面，年轻女性肌肉力量峰值较年轻男性低，因此肌肉力量可消退的幅度小；另一方面可能是由于男性肌肉丢失和肌肉消退确实比女性快。事实上，这个结果引发了一个新的思考：睾酮被认为是促肌肉蛋白合成的重要激素，而男性体内的睾酮水平远比女性高，即便是老年男性与老年女性相比也是如此，那么为什么老年男性肌肉丢失速度比老年女性快呢？可能老年人肌肉蛋白质代谢存在另外的机制。这个问题有待于专门化的研究。衰老骨骼肌收缩的时相特征与年轻人相比也发生了较大的变化，表现为老年人肌肉收缩速度减慢，舒张期延长[9]。研究发现，老年人肌肉收缩速度减慢主要是由于在肌肉收缩过程中，肌纤维募集中受大的运动神经元支配的快肌纤维参与程度降低，募集速度下降[10]。而肌纤维舒张速度随增龄变慢的机制目前还不清楚。衰老骨骼肌收缩的时相特征对老年人肌肉收缩的最大力量影响并不十分明显，而对老年人动作速度和动作频率却会产生较大的影响。在运动医学界，骨骼肌收缩的时相特征被用来评价运动员肌肉功能的好坏，肌肉功能良好的运动员不仅肌肉收缩速度快，肌肉舒张速度也快，这是保证运动员动作频率的重要前提。老年人肌肉的维持功能也在肌肉丢失过程中表现出明显下降的趋势[11]，所谓维持功能就是肌肉保持一定紧张度收缩的时间长度，它是保持身体的某种姿势或某个关节角度的前提。这是老年人行走或日常生活活动必要的能力，这种能力的降低会直接导致老年人摔倒或生活自理能力降低。因此，肌肉的维持功能的降低被认为是老年人肌肉丢失最可怕的负面反应。研究表明，老年人下肢肌肉维持功能较上肢差[12]；同年龄的老年男性和女性相比，男性在维持某个屈膝站立的稳定性和时间方面也不如老年女性的表现[13]。动物实验发现，老龄大鼠肌肉中运动神经元数量减少，使得肌肉牵张反射能力降低[14]，这个结论被推倒到老年人身上，那就是老年神经-肌肉功能的退化使其肌肉本体感觉能力降低，从而在获取关节角度和身体姿势的信号的时间明显延长，结果表现为肌肉维持功能明显降低。人体肌肉的功能不仅仅在于运动和维持身体姿势和关节角度，其保持机体新陈代谢水平方面的功能也十分重要[15]。生理学研究表明，生物体的基础代谢率同机体整个肌肉质量呈正相关关系，也就是说，一个人的肌肉量越多，其基础代谢率越高。随着肌肉丢失的发展，老年人基础代谢率降低，这就增加了罹患慢性代谢综合征的风险。其实，肌肉的代谢功能表现为两个方面，一是肌肉对整体机体新陈代谢水平的影响；二是肌肉本身的新陈代谢。近年来关于衰老过程中肌肉蛋白质代谢的影响的研究有很多，这将在本文后面予以综述。肌肉丢失与神经-肌肉功能的变化：一个运动神经元和它所支配的所有肌纤维组成了运动单位，这也就是神经-肌肉功能的基本单位。肌肉丢失不仅有肌纤维数量的减少，而且伴随着肌纤维类型的改变，即Ⅰ型、Ⅱa型、Ⅱb型纤维比例的变化，这种变化始于运动单位的重组[16]。有研究发现，老年人骨骼肌中运动单位数量比年轻人减少了75%，这说明在肌肉丢失过程中，人体肌纤维和支配肌肉的运动神经元在同时减少。进一步的研究发现，将老龄和年轻大鼠骨骼肌纤维同时移植到年轻大鼠身上后，老龄纤维和年轻纤维都能得到很好的生长[17]；而当把这2种纤维同时移植到老龄鼠身上后，2种纤维都不能正常生长。这说明神经-肌肉功能衰退是导致运动单位减少的主要原因。在运动训练、衰老以及某些病理状态下，骨骼肌中都会出现运动单位重组的现象[18]。如前所述，Ⅱ型肌纤维失神经控制后被支配Ⅰ型纤维的神经接管的现象就是一种运动单位重组。研究发现，老年人日常活动中神经-肌肉发放的神经冲动的频率较年轻人低很多[19]，这使得支配Ⅱ型肌纤维的大α运动神经元因不能得到足够的刺激而凋亡，从而发生运动单位重组。这是目前为止解释肌肉丢失机制的最有力证据。重组后的运动单位的功能退化了许多，表现为老年人总体肌肉收缩与舒张速度减慢，从而进一步影响大α运动神经元的营养，形成恶性循环。肌肉丢失与肌纤维类型的变化：如前所述，肌肉丢失不同于单纯的肌肉萎缩，肌肉萎缩只是肌细胞和肌肉横断面积的减小，肌纤维数量并没有明显变化。肌肉丢失则是由于肌纤维数量的减少和肌细胞的减小2个因素同时发生而导致的肌肉质量减小。在肌肉丢失过程中，肌纤维类型也会发生明显的变化[20]。生理学研究中，根据肌肉收缩特征和能量代谢特征把肌纤维类型被分为3个亚型，即Ⅰ型、Ⅱa型、Ⅱb型。Ⅰ型纤维是有氧氧化型纤维，属于慢肌纤维，其收缩速度慢，但力量耐力好；Ⅱb型纤维则是无氧酵解型纤维，收缩速度快，但耐力差；Ⅱa型纤维则是介于以上两者之间的中间型纤维，功能上也介于两者之间。研究发现老年人肌肉丢失过程中首先丢失的是Ⅱb型纤维，在衰老过程中，肌肉中的Ⅱb型纤维首先失神经控制，从而导致该类纤维失去营养和功能，最终凋亡[21]。也有研究证明，部分失去神经控制的Ⅱb型纤维会被支配Ⅰ型纤维的神经接管，从而转化为Ⅰ型纤维[22]，因而总体上，在肌肉丢失过程中会出现Ⅰ型纤维增多的现象。正常情况下，人体骨骼肌Ⅱ型肌纤维中总体的横截面积要比Ⅰ型肌纤维总体横截面积要大，但在衰老过程中，Ⅱ型肌纤维逐渐失神经控制并向Ⅰ型肌纤维转化，最终使得老年人骨骼肌中Ⅰ型纤维无论是数量还是横截面积都超过Ⅱ型纤维。有1项追踪研究推测，人的一生中，Ⅱ型肌纤维横截面积会下降20%左右，而Ⅱ型纤维百分比则下降40%左右[23]。 2.2 肌肉丢失与肌肉蛋白质变化肌球蛋白与肌动蛋白的变化：肌动蛋白是骨骼肌中重要的收缩蛋白，它是单一多肽链的球状蛋白，由375个氨基酸组成，生物体中有7个肌动蛋白基因分别编码不同的肌动蛋白，而许多收缩蛋白又由多基因家族编码，在心肌、平滑肌以及不同类型的肌纤维中表现出差异性表达，从而形成不同的蛋白表型，其中同工型肌动蛋白有6种，包括2种横纹肌型肌动蛋白，2种平滑肌型肌动蛋白，还有2种非肌肉型肌动蛋白。人的一生中变化最大的就是横纹肌型肌动蛋白，也就导致了骨骼肌肌肉丢失最为明显。在许多动物实验和人体限制运动的实验中都发现，失用性肌萎缩与α-actin mRNA表达量下降有着直接的关系[24-25]。在老年人肌肉丢失的追踪研究中也发现了同样的规律[26]。但肌肉丢失与失用性肌萎缩中α-actin mRNA表达量下降的机制有何不同，目前还没有具有说服力的研究报道。肌球蛋白是骨骼肌中另一种收缩蛋白, 主要由肌球蛋白重链和肌球蛋白重链异形体构成，而肌球蛋白异形体分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅱ型又分为Ⅱa和Ⅱb 2个亚型，可见肌球蛋白重链异形体是反映肌纤维类型的标志性蛋白。研究表明，神经-肌肉活动是肌球蛋白重链异形体不同表达的重要调节因素[27]，也就是神经-肌肉活动的特点在一定程度上决定着肌球蛋白重链异形体趋向于某个亚型的表达。随着年龄的增长，肌球蛋白的变化主要表现在肌球蛋白重链异形体方面的转变，即Ⅱb型向Ⅱa型转变，进而向Ⅰ型转变[28]。在肌肉丢失的快速发展阶段，Ⅱa型纤维被称为是肌纤维类型改变的中间状态，因为Ⅱ型纤维最终要变为Ⅰ型纤维。总体来讲，在增龄过程中，肌球蛋白重链的mRNA表达量逐渐下降，导致肌球蛋白合成速率显著降低[29]，这不仅影响了肌肉功能，更直接影响了肌肉丢失的快速发展。肌肉丢失与肌肉中某些特殊蛋白的变化：近年来有许多关于MG29蛋白的研究报道，其中重要的发现在于随着年龄的增长，动物和人体肌肉中MG29蛋白的基因表达量会逐渐降低[30-31]。MG29蛋白是位于肌细胞肌质网膜上的一种膜蛋白，它在肌细胞神经信号传导过程中起到类似“开关”的作用，因此它决定着肌细胞的兴奋性和神经传导的强度。在衰老研究中发现，肌细胞MG29蛋白的基因表达下降与肌肉丢失同步发生，因此被认为MG29蛋白不仅影响到神经-肌肉功能，而且与肌肉丢失存在密切关系[32]。同时，在肌肉丢失的可控性研究中证实，抗阻训练和蛋白补充都可以有效地提高老龄大鼠肌细胞MG29蛋白的基因表达，并同时伴有肌肉质量的增加和运动单位重组的可逆性变化[33-34]。其实，肌肉丢失的最直观解释就是肌肉蛋白合成与蛋白分解的失衡，即合成减少而分解增加或者相对增加。研究发现，某些细胞因子，如肿瘤坏死因子α对肌肉蛋白合成产生着重要的影响[35]，它可能会通过钝化蛋白磷酸化在哺乳动物雷帕霉素靶蛋白的细胞内信号转导通路来损害肌肉蛋白合成。有研究通过免疫组化实验发现，衰老大鼠肌细胞内雷帕霉素靶蛋白表达的减少与肌细胞合成代谢对氨基酸刺激的敏感敏感性降低密切相关[36]。这说明肌细胞中某些功能蛋白的变化会对肌肉蛋白质代谢产生重要影响。 2.3 骨骼肌相关激素及调节因子的变化在增龄过程中，人体血液中多种促肌细胞生长激素和细胞因子都会呈现出下降趋势，其中睾酮、生长激素、胰岛素样生长因子等下降最为明显。睾酮是刺激肌组织摄取氨基酸而合成蛋白质的重要激素，因此它对肌肉质量和力量的保持都十分重要。研究表明，男性从40岁到80岁的阶段，血液睾酮水平下降了40%以上，而采用睾酮激素替代疗法则有效地保持了老年人肌肉力量并抑制了肌肉丢失的进程[37]。相反的研究也有许多，即老年人长期从事肌肉抗阻练习使得其睾酮激素水平较无训练人群显著升高[38-40]。与此同时，也有许多研究显示，抗阻训练并不能有效地影响老年男性血液睾酮水平。而对于女性被试的研究发现，给绝经期后的女性被试服用DHEA(一种易分解的雄性激素，在体内很容易转化成具有生物活性的睾酮)12个月，使其睾酮水平恢复到绝经前水平，结果发现她们的肌肉质量和力量与服药前相比都没有明显变化[41]。生长激素与胰岛素样生长因子1是关系较密切的2种物质，他们都是促进肌细胞合成代谢的重要激素和调节因子。增龄过程中首先是生长激素分泌减少，进而导致肝脏合成胰岛素样生长因子1的水平降低，从而使得肌肉合成代谢水平降低[42]。因为胰岛素样生长因子1是刺激骨骼肌卫星细胞增殖与分化的最重要因素[43]。此外，由于胰岛素样生长因子1能够增强神经-肌肉的营养效果，同时，生长激素对肌肉生长的影响效果又是由胰岛素样生长因子1来介导的，因此它的减少对于肌肉丢失的影响是十分明显的[44]。许多运动医学的研究已经证明，肌肉抗阻训练引起的肌肉肥大与生长激素-胰岛素样生长因子1轴的功能密切相关[45-46]。李文慧等[19]的研究表明，抗阻训练在使大鼠肌肉质量提高的同时，胰岛素样生长因子1的表达也明显增强。Toth等[47]发现，胰岛素样生长因子1的功能除了将生长信号传送给骨骼肌细胞外，还可能抑制诱导肌肉丢失的基因，从而推测，骨骼肌细胞生长与凋亡可能是由同一个调节系统调控的。 2.4 运动训练对肌肉丢失的影响人体骨骼肌中的3种肌纤维有其各自的功能特性，不仅在机体不同部位的肌肉中3种类型的肌纤维比例不同，而且在从事不同特性的训练或运动活动中，3种肌纤维的增长也不同，运动训练中的运动单位重组取决于运动的特性和抗阻力的大小[48]。Balage等[49]认为大负荷抗阻训练可以促进Ⅱa型肌纤维向Ⅱb型转化，对老年人和年轻人具有同样的趋势，但老年人训练效果远低于年轻人。而小负荷抗阻训练则促进Ⅱa型纤维向Ⅱb型肌纤维转化[50]。无论老年人还是年轻人，Ⅰ型肌纤维的可训练性最强，一般中等负荷的抗阻训练或有氧训练都可以使Ⅰ型肌纤维横断面积增大[51]。但未有Ⅰ型肌纤维向Ⅱ型纤维转化的报道。在抗阻训练中，不同负荷强度对不同肌纤维类型的作用方向不同，大负荷强度的作用方向偏向于Ⅱ型肌纤维，而小负荷则影响Ⅰ型纤维较多。动物实验表明，中等负荷对老龄大鼠肌肉逆转的效果最为有效[52]，而相似的结果老年人抗阻训练实验中也得到了证实[53]。近年来许多研究证实，抗阻训练结合蛋白补充可以有效地提高老年人肌肉质量[54-55]。Yong等[56]的研究发现，6个月的抗阻训练+乳清蛋白(最少10 g，其中 5 g 必需氨基酸)摄入可以有效促进老年人肌肉蛋白合成代谢水平，使老年人肌肉质量得到明显提高。很多研究发现，老年人肌肉可训练性并不比年轻人差，而差别在于老年人训练后肌肉蛋白合成代谢反应比年轻人差。 Drummond等[57]发现，老年被试在抗阻训练之后，蛋白合成水平的提高比年轻人延误了3-6 h，而这种合成代谢信号反应的减弱是短暂的，一定时间之后，他们肌肉合成代谢率的提高幅度可以达到年轻人的水平。有研究在老年被试进行抗阻训练的同时给他们补充多不饱和脂肪酸Omega-3，结果发现肌肉蛋白合成的磷酸化过程得到明显加强，合成代谢抵抗明显得到抑制。人体在从事剧烈运动之后，肌肉会产生炎性反应，老年人运动后的炎性反应远较年轻人剧烈，这被认为是老年人合成代谢反应迟缓的重要原因，进一步的研究发现，Omega-3的主要作用就在于它的抗炎性反应[58]。总之，抗阻训练结合蛋白补充是抑制老年人肌肉丢失和促进肌肉重建的可行之路。"

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