《Comprehensive Physiology》：The Impact of High-Intensity Exercise in Normobaric Hypoxia on Right Ventricular Function in Trained and Untrained Men—An Echocardiographic Study
引言
在运动科学领域，无论是低压低氧还是常压低氧（通过氮气稀释氧气）训练，已成为多种运动项目的标准训练方法。这些方法旨在提升运动员在平原的运动能力，或为在高海拔地区比赛或攀登进行习服准备。近年来，常压低氧在治疗方面的应用也日益受到关注，特别是在慢性非传染性疾病的预防、管理以及改善患者和老年人生活质量方面。暴露于低氧环境，无论是在静息还是运动状态下，都会激活体内的多种适应机制，以恢复内环境稳定。这些生理反应可以增强传统训练和治疗方法的效果。
急性低氧暴露对心血管系统是一个显著的应激源，其最明显的影响主要体现在肺循环。急性低氧暴露会导致静息状态下肺动脉阻力增加，进而引起肺血管阻力（PVR）和肺动脉压（PAP）升高。肺动脉血压在低氧暴露后立即上升，并在暴露后约5分钟达到峰值。例如，吸入含11%氧气的气体混合物已被证明可使PAP增加56%。
众所周知，在常氧条件下进行体力运动本身就会对肺循环产生额外压力，因为心搏出量的增加与肺血管的充分扩张不匹配，导致PAP升高。当在低氧条件下进行运动时，这种效应可能进一步加剧，导致PAP更高，右心室（RV）的壁应力增加。这些条件增加了运动诱发心脏疲劳的风险。在低氧条件下，心输出量的增加和RV负荷加重的共同作用，显著增加了心肌的氧需求。这进而使RV易于出现功能紊乱性损伤。几个相互关联的因素共同导致了这种风险，包括血容量不足、血液粘度增加、交感神经系统激活和热应激。这些因素要求RV进行功能和几何形态上的适应，以维持心脏功能和组织的氧输送。
大多数现有数据（主要来自人群和流行病学研究）表明，长期的低压低氧对心肌具有保护作用。然而，也有一些研究报告了在此类条件下的不良影响。此外，先前的研究表明，暴露于低氧或在低氧条件下进行体力运动，可能降低心血管疾病风险并支持心脏康复。但需要区分的是，心脏康复在运动负荷（例如强度、量度和训练方法）方面与运动训练有很大不同。更重要的是，关于在低氧条件下进行高强度运动对受过训练和未受过训练的健康男性心肌生理状态的影响，目前知之甚少。在运动员的临床检查中，力竭测试常被用于测试心血管系统对最大体力运动的反应。
先前的研究表明，在常氧下进行急性长时间耐力运动和高强度运动后，心肌损伤生物标志物会增加。有研究报告称在常氧高强度运动后心脏生物标志物升高，而健康活跃男性的心肌功能超声心动图指标显示心脏功能正常。最近一项研究发现，在常压低氧（FiO2= 15.5%）环境下进行单次高强度间歇运动和为期4周的高强度训练后，心脏标志物（包括肌钙蛋白I和T、心型脂肪酸结合蛋白（H-FABP）、肌酸激酶-MB同工酶（CK-MB）和肌红蛋白（Mb））的活性没有变化。
目前探讨在急性低氧暴露期间进行单次高强度运动对右心室（RV）和右心房（RA）维度及功能影响的文献很少。因此，心肌对低氧的反应研究尚不充分，现有数据也未有定论。重要的是，该领域的研究具有明确的实际意义：在中等低氧（FiO2= 16.5%–14.4%，约2000–3000米海拔）环境下进行的高强度训练单元目前是许多运动项目的标准做法。因此，若能发现可能对心脏产生的不利变化，将具有临床重要性。
因此，本研究旨在确定在常氧和常压低氧条件下，受过训练和未受过训练的男性进行单次力竭运动后，RV和RA维度以及RV功能的变化。基于我们先前的研究，我们假设：（1）在急性常压低氧（FiO2= 14.4%，约3000米海拔）环境下进行力竭性高强度运动，不会导致未训练或训练男性出现比常氧环境下更大的RV和RA维度及RV功能变化；（2）由于心血管系统的适应差异，未训练男性和耐力训练运动员对低氧和运动的RV反应会有所不同。
材料与方法
研究参与者
研究纳入了24名健康男性参与者，分为两组：12名未训练男性（UT组；年龄31.7 ± 8.3岁；身高181.1 ± 6.5厘米；体重85.7 ± 11.5公斤；体脂百分比17.3% ± 6.3%；最大摄氧量（VO2max）44.1 ± 7.4 mL·kg?1·min?1）以及12名受过训练的男性自行车运动员（T组；年龄26.5 ± 7.7岁；身高180.8 ± 3.6厘米；体重71.4 ± 5.3公斤；体脂百分比12.3% ± 2.6%；VO2max64.2 ± 2.9 mL·kg?1·min?1）。两组的纳入标准如下：（1）年龄20-40岁；（2）无慢性疾病；（3）收缩压100-140 mmHg，舒张压60-90 mmHg。排除标准则为（1）使用药物、饮酒或吸烟；（2）高血压；（3）提前终止运动测试。
在实验前，进行了初步测试，所有参与者在常氧条件下在自行车测功计上进行了递增负荷测试。该测试用于确定VO2max并让参与者熟悉测试方案。所有受试者均提供了当前健康证明，确认其健康状况良好且能够进行高强度体力运动。此外，所有受试者均被告知研究目的并签署了参与同意书。研究遵循《赫尔辛基宣言》中概述的原则，并获得了波兰绿山大学生物伦理委员会的批准（第21/2022号决议，2022年11月9日）。
研究设计
实验包括两个不同条件的测试系列：S1（常氧）和S2（常压低氧）。两个系列的吸入氧浓度（FiO2）不同：S1（常氧）为FiO2= 20.9%，而S2（3000米海拔）为FiO2= 14.4%。每个参与者的系列顺序是随机的。所有测试均在常压低氧舱（AirZone, AirSport, Poland）中进行，但参与者并不知道舱内的实际条件（常氧或低氧）。每个系列在一天内完成，包括两次连续的自行车测功计测试，中间间隔10分钟的主动恢复期。两个系列的方法学一致，所有测试 sessions 均在一天中的同一时间进行，以尽量减少昼夜变异。两个系列之间有一周的主动恢复期；在此期间，参与者避免低氧暴露并 refrain 进行高强度运动。
测试方案
在S1系列中，身体质量和身体成分在上午7:00至7:30之间、早餐前测量。身高使用精度为0.5厘米的人体测量仪测量，身体成分使用生物电阻抗分析（InBody 220, Biospace）估算。
在两个测试系列（S1, S2）中，在食用清淡混合餐（5 kcal/1 kg体重；50%碳水化合物，30%脂肪，20%蛋白质）2小时后，并在被动暴露于选定条件（常氧或低氧）20分钟后，参与者进行两次连续的自行车测功计测试，中间间隔10分钟的主动恢复期。所有测试均在根据每位参与者个体情况调整的自行车测功计（Excalibur Sport, Lode BV）上进行。
在每个系列中，第一次测试是递增负荷力竭测试（GXT）。运动从90 W的负荷开始，每3分钟增加30 W，直到参与者无法继续。在每个负荷结束时（最后15秒），从指尖采集毛细血管血样，以测定血乳酸水平（LA; LABTREND, BST Bio Sensor Technology GmbH, Germany）。这些数据用于分析血液中LA浓度的动力学，并使用Dmax方法评估个体乳酸阈。
第一次测试后，进行10分钟的主动恢复，维持达到力竭时最大负荷（WRmax）的30%。接着，参与者在个体乳酸阈负荷（WRLT）下进行恒定负荷力竭测试（CXT），持续至力竭。在CXT期间，参与者可以随意喝水。在CXT开始前和结束后立即从指尖采集毛细血管血，以测定LA浓度和酸碱平衡。此外，在静息状态以及整个GXT和CXT期间，连续监测心率和血氧饱和度（SpO2）（WristOx2脉搏血氧仪，Nonin Medical Inc.）。
经胸超声心动图
在两个系列（S1, S2）中，参与者在被动暴露于指定条件（常氧或低氧）20分钟后以及两次连续的自行车测功计测试结束后立即接受两次完整的经胸超声心动图（TTE）检查。所有超声心动图评估均使用EPIQ系统（Philips Medical Systems, Andover, MA, USA）和X5-1相控阵探头进行，参与者取左侧卧位。心脏测量由一位经验丰富的超声心动图医师（K.E.）按照美国超声心动图学会的右心评估指南进行。
RV维度在舒张末期评估，使用胸骨旁切面测量右心室流出道（RVOT），使用RV聚焦心尖四腔心切面测量RV基底维度（RVD1）。从后一切面描记RV舒张末期和收缩末期面积，并计算RV面积变化分数（FAC）。通过常规M型方法在侧壁三尖瓣环处获取三尖瓣环平面收缩期位移（TAPSE）。将脉冲组织多普勒的取样容积置于侧壁三尖瓣环处评估其速度（S′波）。右心房面积（RAA）在收缩末期从心尖四腔心切面测量。
统计分析
数据使用Statistica软件（StatSoft）收集和处理。在进行统计分析之前，使用Shapiro-Wilk检验检验变量的正态分布，使用Levene检验检验方差齐性。如果满足参数检验的条件，则进行双向重复测量方差分析。为了确定特定均值组合之间差异的显著性（相同条件下UT vs. T；每组内相同条件下静息 vs. 运动后；每组内常氧 vs. 低氧），采用了对比分析。所有比较的统计显著性设定为p < 0.05。
结果
运动至力竭期间机械功、心率和血红蛋白饱和度的变化
在低氧条件下，两组的总机械功（GXT + CXT, Wmech）均显著降低（p < 0.01）——UT组降低31.5%，T组降低18%。在常氧和低氧条件下，T组的Wmech均显著高于（p < 0.001）UT组（常氧高36%，低氧高43%）。在两组中，低氧均导致力竭运动结束时记录的心率（HRend）显著降低（p < 0.001），降低约4.5%。此外，在两种条件下，T组的HRend值均显著高于（p < 0.05）UT组，但当这些值转换为给定条件下的最大心率百分比（%HRmaxcon）时，组间和条件间未观察到显著差异。在低氧下，两组UT组（12%）和T组（10%）的运动结束时血红蛋白饱和度（SpO2end）也显著降低（p < 0.001）。在运动至力竭的反应中，LA（?LA）或pH（?pH）的增量值在条件或组间未观察到显著变化。
RV和RA维度及RV功能的超声心动图参数
在UT组，静息时的右心室流出道（RVOT）直径在低氧下比常氧下大6.4%（p < 0.05）。此外，UT组在低氧下的静息RVOT直径值也显著大于（p < 0.05）T组。在UT组的静息面积变化分数（FAC）值中也观察到类似变化，其在低氧下比常氧下显著增加了9.7%。在常氧条件下，UT组的静息FAC值显著低于（p < 0.05）T组，低24.8%。在低氧下，该变量的静息值无显著差异。
在两组（UT和T）中，力竭运动均导致FAC、三尖瓣环平面收缩期位移（TAPSE）、收缩速度（RV S′波）和右心房面积（RAA）值发生显著变化，如方差分析结果所示。在常氧下，仅T组运动后FAC立即显著下降（p < 0.05）14.2%（p < 0.05）。此外，仅在常氧下，T组的FAC增量值（?FAC）显著低于（p < 0.01）UT组。在T组的低氧条件下或UT组的任一条件下，未观察到FAC或?FAC的统计学显著变化。
在UT组，运动后TAPSE显著下降（p < 0.05），常氧下下降17.1%，低氧下下降19%。T组也发生了类似变化，运动后TAPSE下降（p < 0.001），常氧下下降24.5%，低氧下下降24.4%。S′波在运动后两组均显著下降（p < 0.05）。在常氧下，UT组的S′波显著下降（p < 0.05）13.6%，T组下降22.9%（p < 0.001）。在低氧下运动后，两组的S′波均下降约18%（p < 0.01）。然而，S′波的增量值（?S′）在T组显著低于（p < 0.01）UT组，但仅在常氧条件下。
在两组中，力竭运动均显著降低了RAA值（p < 0.05），常氧下约降低7.5%。在低氧下，运动后RAA在UT组下降（p < 0.05）11.5%，在T组下降8.5%。值得注意的是，尽管RVOT值在任一组的运动反应中均无显著变化，但T组在常氧下运动后的RVOT增量值显著较低。
讨论
我们的研究旨在探讨在常压低氧下进行的剧烈、长时间力竭运动是否对未训练和训练男性右心室（RV）和右心房（RA）结构及RV功能的影响与常氧下的相同运动不同。未发现证据表明在低氧下进行力竭运动比在常氧下对任一组产生显著更大的RV负荷，因此没有证据表明中等低氧条件（FiO2= 14.4%）对健康未训练和训练男性的RV心肌有急性负面影响。
急性低氧诱导肺血管收缩并增加肺动脉压，这可能对RV结构和功能产生影响。我们的结果显示，即使仅被动暴露于中等常压低氧20分钟，在未训练组中也观察到了RV流出道（RVOT）的可测量扩大。这一发现与先前的研究结果一致，该研究证明了在低氧条件下（11% O2，相当于约4500米海拔）RVOT直径进行性增加。
我们还观察到在未训练组中，对低氧的反应是RV收缩功能增强，反映为面积变化分数（FAC）增加了4.2%。先前涉及健康受试者暴露于低氧的研究报告了RV FAC的类似趋势，尽管这些变化并非总是达到统计学显著性。相反，其他研究发现RV FAC没有显著变化。这些差异可能归因于研究设计、暴露持续时间以及在高海拔或低氧条件下进行超声心动图评估的时间点的差异。此外，一些研究同时纳入了女性和男性，这限制了与我们研究结果直接比较的可能性。
急性常压低氧仅诱导未训练个体的RVOT直径和FAC增加。在训练运动员中，未观察到静息RV和RA维度或RV功能对低氧暴露的反应有变化。训练和未训练参与者之间的这种不同反应可能反映了心血管系统适应的差异。本研究应用的FiO2为14.4%的低氧可能不足以构成足够强的刺激，从而在训练个体中诱发右心腔维度或RV收缩功能的变化。
尽管急性低氧暴露增加了RV血流动力学负荷，但需要注意的是，仅1分钟的再氧合就能将低氧对RV收缩压的影响减少近一半。此外，在健康个体中，血管系统能够快速补偿低氧性肺血管收缩，有效逆转RV扩张。
我们的研究发现，耐力运动员在常氧条件下的静息RV FAC值显著高于未训练个体（53.4% vs. 42.8%）。类似发现也在针对大量顶级白人男性运动员的研究中报告过。在他们的研究中，耐力运动员的静息FAC平均为50.4%，而未训练对照组为42.7%。其他研究也报告了耐力训练运动员的RV FAC值超过50%。需要指出的是，尽管这些值较高，但FAC仍保持在正常参考范围内。较高的FAC值反映了训练个体右心室整体收缩力的增强。系统性训练诱导心肌的生理、结构和功能适应。由于长期耐力训练相关的血流动力学超负荷，与非运动员相比，通常在左右心腔大小、左心室壁厚度以及静息和运动状态下的收缩和舒张功能指标上观察到增加。
不仅是长期训练，单次运动也被发现会诱导心肌结构和功能的变化。在剧烈体育活动中，肺循环内压力的相对增加超过了体循环。当与心输出量增加相结合时，这会导致更大的右心室（RV）应力。RV对运动的反应取决于体力活动的类型、强度和持续时间。耐力运动已被证明会引起RV收缩功能的急性降低，表现为超声心动图指标的变化，如右心室射血分数（RVEF）、RV面积变化分数（FAC）和三尖瓣环平面收缩期位移（TAPSE）的下降。在我们的研究中，我们观察到力竭运动导致RV纵向收缩功能降低，表现为TAPSE和RV S′波的减少，以及右心房面积（RAA）的减小。这些变化的发生与训练状态和环境条件（常氧 vs. 低氧）无关。几项先前的研究也报告了在常氧和低氧条件下耐力运动后TAPSE、RV S′波和RAA的显著下降。我们还发现，训练运动员在常氧条件下运动后RV FAC降低，这一变化在未训练个体中未观察到。这一发现与早期研究一致，表明训练状态与RV FAC显著相关，每周训练时间更长的运动员在耐力运动后表现出更大幅度的RV FAC急性降低。
人们普遍认为，急性RV功能障碍是由耐力运动期间的RV后负荷引起的，这是肺动脉收缩压急剧升高的结果。RV后负荷增加导致RV壁应力增大，进而导致心室收缩力的急性降低。据观察，运动持续时间越长，运动后RV功能受损越明显。基于此，有人提出心脏在长时间体育活动中维持升高负荷的能力是有限的。然而，最近的研究对心脏疲劳主要取决于运动持续时间的观点提出了挑战。相反，他们提出运动强度可能是影响心肌功能变化的一个更关键因素。我们的发现为这一讨论增添了新的维度。我们证明了在常氧条件下，UT组和T组对运动的RV反应存在显著差异，运动员表现出更明显的RV功能降低。这种差异很可能是由于T组在运动期间执行的机械功几乎是UT组的两倍（13.08 vs. 6.28 kJ/kg）。这些结果表明，总负荷量——定义为运动持续时间和强度的组合——可能是运动后RV功能障碍的关键决定因素。
我们研究的一个重要发现是证明了中等常压低氧（约3000米海拔）不会改变对运动的RV反应，并且不会对右心室施加额外的负担。最近一项研究也得出了类似结论，该研究基于对右心室和肺动脉的直接血流动力学测量，发现尽管肺动脉压升高，但在急性低氧（FiO2= 12%）期间运动时RV功能得以保留。然而，由于样本量小且同时纳入了女性和男性而未考虑RV功能潜在的性别相关差异，这些研究结果的解释和比较需谨慎。早些时候，有研究报告称常压低氧（FiO214.5%，约3000米）对健康个体进行45分钟高强度跑步（85% HRmax）所引起的RV疲劳程度没有影响。我们的发现补充了这一证据，表明低氧对于在低氧条件下执行比未训练个体高得多的负荷量的训练运动员也是安全的。在T组，低氧运动期间执行的机械功是UT组的两倍。尽管如此，低氧下的运动并未对运动员的RV造成比常氧下更大的负担。我们推测，在训练个体中，低氧下进行力竭运动会导致明显的局部肌肉疲劳，这最终导致运动终止，从而保护心脏免受过度运动诱发的RV功能障碍。有趣的是，在运动员中，低氧运动后RV收缩功能的降低小于常氧运动后——与未训练个体的模式相反。
局限性
我们的研究有几个局限性。首先，相对较小的样本量限制了研究结果的普适性。由于研究人群仅包括20-40岁的健康男性，结果不能直接推广到女性、其他年龄组或已有疾病的个体。其次，由于大多数参与者缺乏完整的三尖瓣反流多普勒频谱，我们无法可靠地估计RV收缩压。因此，我们没有分析右心室或肺循环的血流动力学。不同运动持续时间对我们研究中超声心动图参数的影响也不能排除。最后，虽然RV心肌收缩功能可能存在区域性差异，但由于该测量变异性高且需要额外的专用软件，我们未评估RV心肌形变（纵向应变）。
结论
本研究的结果具有重要的实际意义，特别是考虑到低氧训练在许多运动项目中的广泛应用。我们发现，在急性中等常压低氧（约3000米海拔；FiO2= 14.4%）环境下进行单次力竭性高强度运动，不会对训练或未训练健康男性的右心室（RV）或右心房（RA）维度或RV收缩功能产生比常氧环境下更大的改变。此外，在训练运动员中，运动后RV收缩指标的降低在低氧下小于在常氧下。
