性别差异视角下射击与射箭运动员焦虑应激的肠道菌群响应机制及其对脑-肠-微生物轴调控的启示

本研究通过一项横断面调查，深入探讨了射击与射箭运动员中焦虑状态的性别差异及其与肠道微生物组（Gut Microbiota）的关联。研究发现，焦虑运动员群体在饮酒、吸烟及膳食纤维摄入等生活方式指标上存在显著差异，且肠道菌群结构呈现性别特异性改变，例如焦虑男性组（AM）中厚壁菌门（Firmicutes）相对丰度升高，而放线菌门（Actinobacteria）降低。功能预测分析进一步提示内质网蛋白加工及碱基切除修复（BER）等通路可能参与焦虑状态的调控。该研究为通过调节脑-肠-微生物轴（MGBA）改善运动员心理健康和竞技表现提供了新的理论依据。

　　

1 引言

射击与射箭运动不仅要求运动员具备高精度的技术能力，还需应对压力与焦虑的调控，因为注意力的细微干扰可能导致比赛中的重大失误。适度的压力有助于运动员发挥真实水平，但过度的压力与焦虑常引发肌肉紧张、心率加快等不良反应，直接影响其专注力与执行能力，进而影响竞技表现。性别间的焦虑差异一直是心理学与社会科学关注的重点，例如女性抑郁与焦虑障碍的患病率是男性的两倍。这种差异涉及多因素交互作用，深入了解其机制有助于制定针对不同性别群体的心理健康干预策略。

肠道微生物组不仅在消化系统中发挥关键作用，还与人类神经系统密切相关。近年来的证据表明，肠道菌群与焦虑和抑郁存在紧密联系，焦虑或抑郁患者与健康人群在菌群多样性和丰度上存在差异。微生物-肠-脑轴（MGBA）作为肠与脑之间的双向通讯系统，菌群紊乱可通过代谢产物影响中枢神经系统（CNS），改变5-羟色胺等神经递质水平，最终促成抑郁的发生。动物模型也发现，肠道来源的代谢物可跨越血脑屏障，在肠与脑之间传递，为菌群变化与复杂情绪行为之间的联系提供了分子层面的证据。

本研究通过比较不同性别和焦虑状态的射击与射箭运动员的一般状况、24小时膳食营养素摄入、人体测量数据以及粪便微生物组，探讨了焦虑与肠道菌群的相关性。

2 材料与方法

2.1 参与者

研究选取了上海市现役射击与射箭运动员作为参与者，所有参与者均签署书面知情同意书。纳入标准包括：射击与射箭运动员；年龄12–35岁；汉族；同意参与本研究。排除标准包括：年龄＜12或＞35岁；近3个月内参与过其他临床试验或6个月内服用过抗生素；患有肠易激综合征；不愿参与者。最终共纳入110名运动员，其中男性66人，女性44人。

2.2 焦虑症状评估

采用7项广泛性焦虑障碍量表（GAD-7）评估焦虑，总分范围0–21分，中文版GAD-7具有较高的信度和效度，以GAD-7得分≥7作为临床焦虑症状的截断点。同时使用状态-特质焦虑量表-特质版本（STAI-T）和竞赛状态焦虑量表-2（CSAI-2）进行辅助评估。

2.3 其他变量评估

通过问卷调查收集一般信息，同日由工作人员统一测量人体数据。采用3天24小时膳食回顾法估算每日宏量营养素和纤维摄入量，并使用膳食分析软件进行计算。粪便样本在未解冻状态下转移至生物科技有限公司进行微生物组测序。

2.4 16S rRNA基因测序

使用E.Z.N.A. Soil DNA Kit提取总DNA，通过NanoDrop2000检测DNA浓度和纯度，1%琼脂糖凝胶电泳评估DNA提取质量。利用引物338F和806R对V3-V4可变区进行PCR扩增，扩增产物通过2%琼脂糖凝胶回收，使用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit纯化，并在Illumina Miseq平台上进行PE300测序。

2.5 统计分析

采用SPSS 29.0软件进行数据录入和统计分析。连续变量以均值±标准差表示，分类变量以数字和百分比表示。使用单因素方差分析（ANOVA）进行参数统计比较，事后分析采用最小显著差异法（LSD）。效应大小通过Cohen's d估计。分类变量采用Pearson相关分析评估变量间关系。使用Prism和R Studio分析并绘制肠道菌群数据，比较不同性别和焦虑状态运动员的差异，并探讨焦虑水平与菌群组成之间的相关性。Alpha多样性通过Chao1、ACE和Shannon指数评估，采用主成分分析（PCA）和PERMANOVA检验组间差异，非参数秩和检验用于检测组间微生物群落差异，物种特异性相关通过Spearman相关分析。p < 0.05视为具有统计学意义。

3 结果

3.1 运动员基本信息与特征比较

共110名运动员（66名男性，44名女性）纳入研究，根据GAD评分截断值和性别分为正常男性组（NM）50人、焦虑男性组（AM）16人、正常女性组（NF）28人和焦虑女性组（AF）16人。比较四组运动员的基本信息发现，焦虑组在文化程度、饮酒和吸烟方面存在显著差异。焦虑男性和焦虑女性组中高中及以下学历的比例分别为31.3%和12.5%，显著低于正常男性组的44%和正常女性组的75%（p = 0.001）。焦虑男性组饮酒率为18.8%，显著高于焦虑女性组的0%（p = 0.020）。焦虑男性组吸烟率为43.8%，显著高于正常男性组的32%；焦虑女性组吸烟率为12.5%，显著高于正常女性组的0%（p < 0.001）。其余指标在四组间无显著差异（p > 0.05）。

3.2 运动员每日膳食营养素摄入的测量数据与分析

人体测量分析结果显示，正常男性组的身高、体重、腰围、臀围、收缩压和舒张压均显著高于正常女性组（p < 0.05），这些变量的Cohen's d效应大小均高于0.6，表明具有中等至大效应量（p < 0.05）。此外，焦虑男性组的身高、体重、腰围和臀围也显著高于焦虑女性组（p < 0.05），且Cohen's d效应大小超过0.8，表明效应量较大（p < 0.05）。

每日膳食营养素摄入分析结果显示，正常男性组的平均每日蛋白质摄入量为108.3 g，显著高于正常女性组的83.5 g（p < 0.05，Cohen's d = 0.645）；焦虑女性组的平均每日膳食纤维摄入量为12.2 g，显著高于正常女性组的7.8 g（p < 0.05，Cohen's d = 0.873）；焦虑女性组的每千卡膳食纤维摄入量为0.7 g，显著高于正常女性组的0.5 g和焦虑男性组的0.4 g（p < 0.05，Cohen's d > 0.6）。各组在平均每日膳食热量、碳水化合物和脂肪摄入方面无显著差异（p > 0.05）。

3.3 焦虑评分与膳食营养素摄入及人体测量的相关性分析

为探讨焦虑与其影响因素之间的关系，分析了焦虑评分与每日膳食营养素摄入及人体测量数据之间的相关性。结果显示，总GAD评分与热量、蛋白质、脂肪、碳水化合物及人体测量数据无显著相关，但与膳食纤维及膳食纤维/热量比呈正相关（p < 0.01）。总STAI评分与膳食纤维及膳食纤维/热量比呈正相关（p < 0.01），与身高呈负相关（p < 0.01），与其他九项指标无显著相关。总CASI评分仅与碳水化合物呈负相关（p < 0.05），CASI评分的躯体性和认知性得分均与碳水化合物呈负相关（p < 0.05），躯体性得分与膳食纤维和热量比呈正相关（p < 0.05），而自信性得分与膳食纤维和热量比呈负相关（p < 0.05）。

3.4 肠道菌群特征的差异分析

为探究不同焦虑状态和性别运动员的肠道菌群结构与组成，进行了16S rRNA肠道菌群测序和生物信息学分析。基于Chao1、ACE和Shannon指数的Alpha多样性分析发现，NF组的Alpha多样性显著高于NM组，其余组间比较无显著差异。采用最大方差旋转的主成分分析（PCA）显示，PCA1和PCA2分别解释了样本群落组成的57.78%和42.22%的方差（p < 0.05），表明基于这些主成分可有效区分各组，提示不同性别和心理状态运动员的细菌群体Beta多样性存在显著差异。

在门水平上，菌群主要由厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）组成，其中厚壁菌门比例最大，且焦虑组的厚壁菌门相对丰度显著高于正常组，而放线菌门的相对丰度显示焦虑组显著低于正常组。在属水平上，丰度较高的菌种包括Blautia、Faecalibacterium、Gemmiger和Bifidobacterium。

通过线性判别分析（LDA）LefSe识别组间菌种分类单元的差异，并以LDA ≥ 3作为阈值识别受差异影响较大的肠道菌种。在相同心理状态的不同性别运动员中，正常运动员中女性组的23种差异菌群相对丰度较高，主要包括拟杆菌纲（Bacteroidia）、拟杆菌目（Bacteroidales）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、拟杆菌属（Bacteroides）、 ruminococcaceae和Faecalibacterium；正常男性组中Enterobacter、Faecalibacterium、Mediterraneibacter、Klebsiella和lachnospiraceae的相对丰度较高。在焦虑运动员中，女性焦虑组显示Faecalibacterium、拟杆菌门、拟杆菌纲、拟杆菌目、拟杆菌科、Phocaeicola等14种差异菌更富集；男性焦虑组则显示Coriobacteriia、Coriobacteriales、Coriobacteriaceae、Collinsella、Gammaproteobacteria等17种差异菌更富集。

在相同性别的不同焦虑水平运动员中，女性运动员中焦虑女性组以梭菌纲（Clostridia）、梭菌目（Clostridiales）、Faecalibacterium、Phocaeicola、Veillonellales和Veillonellaceae等8种差异菌为主；正常女性组主要包括乳杆菌纲（Bacilli）、乳杆菌目（Lactobacillales）、Coriobacteriia、Coriobacteriales和Coriobacteriaceae等15种差异菌。男性运动员中：正常男性组主要以Ruminococcaceae、Gemmiger和Dorea为主，焦虑男性组则以Intestinimonas、乳杆菌科（Lactobacillaceae）、Agathobacter为主。

3.5 相关性分析

Pearson相关分析显示了门水平和丰度前30的属水平菌群与焦虑水平、每日膳食营养素摄入及人体测量数据之间的相关性。该分析显示，弯曲菌门（Campylobacterota）与STAI、GAD和躯体性焦虑状态呈显著正相关，与身高呈显著负相关。梭杆菌门（Fusobacteria）与认知状态焦虑和STAI呈显著正相关，而拟杆菌门与STAI和GAD呈显著负相关，放线菌门与认知状态焦虑呈显著负相关。Synergistetes与身高和体重呈显著正相关。其余门水平菌群均无显著相关。

在属水平上，Dialister与碳水化合物、收缩压、舒张压、身高和体重呈显著正相关。Roseburia与热量、碳水化合物、身高、体重、腰围和臀围呈显著正相关。拟杆菌属与GAD和STAI呈显著负相关。Alistipes与CASI、自信性、碳水化合物和脂肪摄入呈显著正相关，但与STAI呈显著负相关。Fusicatenibacter与CASI和认知状态焦虑呈显著负相关。Clostridium_IV和Ruminococcus与GAD和STAI呈显著负相关，但与自信性呈正相关，而Ruminococcus还与认知状态焦虑和躯体状态焦虑呈显著负相关。Streptococcus与躯体状态焦虑呈显著正相关，但与膳食纤维、热量和碳水化合物呈显著负相关；Faecalibacterium与STAI、GAD、CASI、躯体状态焦虑、认知状态焦虑和膳食纤维/热量比呈显著负相关，与碳水化合物呈显著正相关。Collinsella与身高、体重和臀围呈显著正相关，Romboutsia与自信性呈显著负相关。Adlercreutzia与身高呈正相关，Gemmiger与腰围、体重和臀围呈负相关。Ruminococcus2与碳水化合物呈显著正相关，Blautia与碳水化合物呈显著负相关。

3.6 肠道菌群的差异功能预测

为解不同性别和焦虑水平运动员肠道菌群的功能差异，进行了组间肠道菌群的功能预测分析。在男性运动员中，焦虑组肠道菌群的内质网蛋白加工和青霉素与头孢菌素生物合成基因的功能丰度显著高于正常组，而肌醇磷酸代谢和甲苯降解功能基因的相对丰度显著低于正常组。在女性运动员中，焦虑组肠道菌群的金黄色葡萄球菌感染和碱基切除修复（BER）功能丰度显著低于正常组。

还比较了性别间的功能差异。在焦虑运动员中，女性肠道菌群的其他糖降解功能丰度显著高于男性，而磷酸戊糖途径、糖酵解/糖异生、光合生物中的碳固定和D-丙氨酸代谢的功能丰度显著低于男性。在正常运动员中，男性和女性在玉米素生物合成、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、双组分系统、甘油脂代谢、核糖体、磷酸转移酶系统、同源重组、原核生物碳固定途径等方面存在显著差异。

4 讨论

本研究调查了110名现役精英运动员的基本信息、人体测量数据和24小时膳食营养素摄入，并收集粪便样本进行肠道菌群16S rRNA测序。通过根据焦虑量表得分和性别对运动员分组，比较了基本概况、人体测量、膳食摄入以及肠道菌群多样性和相对丰度，以探讨焦虑与肠道菌群以及性别等因素之间的相互关系。

在基本人口学信息的比较分析中，发现较高的教育程度、饮酒和吸烟可能是影响焦虑的因素。高度受教育者可能因对自身要求高、工作压力大和社会期望而增加焦虑和抑郁风险。不良生活方式、吸烟和饮酒也会影响心理健康，慢性尼古丁摄入和酒精滥用会导致焦虑样行为增加。

先前研究表明，肠道微生物组成与饮食模式以及抑郁和焦虑之间存在潜在联系。食物与肠道菌群密切相关，微生物影响宿主免疫和代谢，并对心理健康产生广泛影响。不健康的饮食习惯与焦虑等心理状态有关，例如经常食用油炸食品和奶茶的人患焦虑和抑郁的风险更高。膳食纤维消耗与焦虑之间也存在相关性。Chen等人进行的一项随机对照试验显示，高纤维饮食干预可降低系统性炎症，增加有益细菌数量，减少有害细菌数量。此外，接受高纤维饮食干预的患者情绪状态更好，抑郁和焦虑症状减轻。另一项研究表明，高膳食纤维摄入增加了短链脂肪酸（SCFA）的产生，同时改善了产后应激小鼠的认知表现和焦虑样行为。然而，也有研究发现素食与中国学生焦虑和抑郁增加有关。本研究揭示了膳食纤维摄入与焦虑之间存在显著正相关关系，但这一结果可能受样本量以及本研究中膳食纤维消费类型和品种的影响，因此仍需进一步研究和调查。此外，发现碳水化合物与焦虑呈显著负相关，这与其他人的发现一致。这意味着碳水化合物和膳食纤维等营养素与焦虑之间存在相关性，通过改善饮食模式和膳食摄入进一步缓解焦虑值得未来更多研究证实。

肠道菌群是一种微生物群落，在维持肠道健康和正常功能运作中发挥关键作用。作为构成人类肠道菌群的主要优势菌，厚壁菌门和拟杆菌门（F/B）通过营养、免疫调节和系统性炎症途径有助于维持个体内环境稳态。此外，F/B比率和Prevotella与肥胖有关，但关于F/B对焦虑的影响存在 conflicting 结论。我们的研究显示，焦虑运动员中厚壁菌门更丰富，而正常运动员中放线菌门更丰富。此外，女性运动员中拟杆菌门比男性更丰富。在相关分析中，得出结论拟杆菌门与焦虑呈正相关，而 Fusobacteria 与焦虑呈负相关。有研究表明，增加肠道中乳酸杆菌和厚壁菌门等有益菌的丰度，同时减少变形菌门、拟杆菌属和放线菌门等有害菌的丰度，可有效缓解小鼠的抑郁和焦虑样行为。文献也表明，抑郁患者通常观察到放线菌门丰度增加和厚壁菌门丰度减少。尽管与本研究结果相反，但也有文献表明，焦虑和抑郁患者的肠道微生物组中含有比健康人群更少的厚壁菌门和更多的放线菌门。拟杆菌属合成的表面多糖参与宿主淋巴细胞调节和细胞因子表达，在预防肿瘤、结肠炎和动脉粥样硬化中发挥重要作用。然而，与传统意义上的益生菌不同，拟杆菌属对人类健康的影响受多方面影响，某些拟杆菌属在不同环境下也可导致多种疾病，严重威胁人类健康。厚壁菌门具有降解膳食纤维的系统，但与拟杆菌门不同，厚壁菌门更喜欢将膳食纤维运输到细胞内进行降解，而厚壁菌门的有益菌在治疗代谢性和炎症性疾病、控制系统免疫系统功能方面具有巨大潜力。

在属水平上，焦虑运动员的肠道菌群中含有更多的Dialister、Acetobacter和Dorea，而正常运动员含有更多的Bifidobacterium和Streptococcus。在相关分析中，得出结论拟杆菌属、放线菌属、Clostridium、Ruminococcus、Faecalibacterium、Fusicatenibacter与焦虑呈正相关，而弯曲菌门、Streptococcus和Romboutsia与焦虑呈负相关。有研究表明，Coprococcus和Dialister在抑郁人群肠道中更为稀少，而个别Ruminococcus丰度降低与抑郁症状增加相关，这与本研究结果不同，可能由于样本量小。此外，一些研究发现Bacteroides thetaiotaomicron和Clostridium difficile在抑郁女性患者中更普遍。食用富含Bifidobacterium的益生菌与减轻压力和改善记忆以及减少焦虑和抑郁等负面情绪有关。

肠道中的微生物及其代谢物还能产生多种神经递质，如血清素、5-羟色胺（5-HT），影响情绪和行为。两种益生菌Bifidobacterium和Lactobacillus已被发现可增加血清素前体色氨酸的可用性，进而提升血清素水平。研究表明，γ-氨基丁酸（GABA）代谢失衡可能在抑郁发病机制中起作用。GABA是一种CNS抑制性神经递质，大量存在于哺乳动物中，与ENS功能和CNS障碍密切相关。此外，肠道菌群发酵产生的短链脂肪酸（SCFA）（丁酸、乙酸和丙酸等）直接影响宿主焦虑等情绪症状。丁酸是肠道微生物与宿主代谢之间的桥梁，促进肠道调节性T细胞分化和抗炎细胞因子产生。有研究表明，随着抑郁的发生，产丁酸的粪便球菌和粪便杆菌的丰度减少，而肠道厌氧菌丰度低的个体抑郁患病率更高，此外小鼠焦虑和焦虑-抑郁样行为的改变与SCFA水平的改变显著相关。这表明肠道菌群及其代谢物在减轻焦虑和增强运动员表现方面具有重要作用。运动员血清中相关激素指标和神经递质水平的动态变化，以及如何通过膳食摄入或安全级功能性健康食品的改善来实现这一效果，是我们未来探索性研究和应用的方向。

性别差异在MGBA中扮演着关键但常被忽视的角色，在多个层次影响其结构和功能。性激素塑造肠道微生物组的组成，而微生物组又调节生物活性性激素水平，从而在调节心理健康和整体功能中发挥关键作用。先前研究表明，微生物Alpha多样性的性别差异在整个生命周期中演变，从青春期到中年达到峰值，女性通常表现出更高的多样性。一致地，我们的研究发现女性运动员的肠道微生物组多样性显著高于男性，表明性别可能通过激素或生活方式因素影响微生物丰富度。研究表明，硫酸软骨素及其寡糖促进女性小鼠中拟杆菌属对多糖代谢的依赖。类似地，本研究发现女性运动员拟杆菌属丰度更高，这可能与她们更高的膳食纤维/热量摄入有关。先前研究已确定Lachnospiraceae作为酒精诱导肠道微生物组失调的潜在生物标志物。本研究中这些类群在男性运动员中的较高丰度可能与他们更频繁的饮酒有关。研究表明，早期肠道炎症可诱导微生物组成改变，与SCFA和雄激素水平的调节密切相关。此外，研究表明高脂饮食在雄性小鼠中促进某些未培养的Collinsella aerofaciens相关细菌的增加，表现出性别特异性效应和潜在的促炎作用。在我们的研究中，我们观察到Collinsella在男性焦虑患者中显著升高，表明其可能参与炎症反应和焦虑症状的发展。这些发现突出了性别相关的肠道微生物组变化和炎症在焦虑和神经精神障碍调节中的关键作用，对临床干预具有重要意义。

在肠道菌群功能预测中，我们得出结论，在男性焦虑运动员中，肠道菌群内质网蛋白加工的功能丰度显著高于正常组，而磷脂酰肌醇代谢的丰度显著低于正常组。在女性运动员中，焦虑组肠道菌群的金黄色葡萄球菌感染和BER功能丰度显著低于正常组。内质网蛋白加工最显著的是糖基化，过量糖摄入导致高级糖基化终末产物（AGEs）的产生，影响大脑功能，诱导并加剧精神症状的发展，是慢性炎症的元凶之一。同时，Fan等人揭示前额皮质内质网中的星形胶质细胞参与抑郁样行为的调节，降低糖基化修饰水平可减少应激诱导的谷氨酸代谢紊乱，进而保护神经元突触结构和功能，产生抗抑郁作用。肌醇磷酸作为肠道菌群的代谢物，可激活我们体内的组蛋白去乙酰化酶（HDAC）以促进肠上皮修复，有利于机体健康状态的维持，因此肌醇已被用于治疗抑郁和焦虑症状。以往研究的证据描述，双相情感障碍患者表现出CNS中肌醇水平低的抑郁状态，最常用的情绪稳定剂可能通过诱导肌醇耗竭作用于肌醇代谢，从而抑制过度活跃的信号传导。BER是一线修复途径，维持机体的遗传稳定性，可有效修复多种DNA损伤类型。DNA对健康衰老和应对压力非常重要。有研究表明，大脑中未修复DNA损伤的积累改变GABA神经传递，并以性别依赖性方式导致先天性和获得性焦虑相关行为缺陷。上述发现与本研究结果一致。

4.1 局限性

本研究也存在一些局限性，除了其作为横断面研究固有无法确定因果关系外，未能深入探讨焦虑与肠道菌群之间的机制关系。幸运的是，其他相关文献可能提供更多关于这种机制关系的细节，从而弥补这方面的不足。未来，我们还将增加样本量并收集血清激素指标等深度数据，以进一步完善研究。

5 结论

本研究发现，精英射击与射箭运动员的焦虑水平与性别和肠道中特定的微生物群落结构密切相关。调节脑-肠-微生物轴可能是运动医学领域促进运动员心理健康和增强竞技表现的新途径。