低强度脉冲超声（LIPUS）通过醛缩酶/AMPK/PDH信号轴优化葡萄糖氧化来缓解运动诱导的心肌疲劳

《Ultrasound in Medicine & Biology》：Low-Intensity Pulsed Ultrasound (LIPUS) Mitigates Exercise-Induced Myocardial Fatigue by Optimizing Glucose Oxidation Via the Aldolase/AMPK/PDH Signaling Axis

　　

摘要

背景：心肌能量不足是限制运动耐力的关键瓶颈。低强度脉冲超声（LIPUS）已成为一种非侵入性代谢调节手段。本研究探讨LIPUS能否激活以葡萄糖为核心的代谢通路来缓解运动诱导的心肌疲劳。

方法：采用Sprague-Dawley大鼠进行为期4周的力竭游泳方案。LIPUS（1 MHz，30 mW/cm2，20%占空比）经前胸壁施加，每天30分钟。评估运动耐受力、心肌损伤标志物（cTnI、NT-proBNP）、线粒体超微结构及代谢通量。通过Western blot和qPCR评估醛缩酶/AMPK/PDH轴的激活情况。

结果：LIPUS处理显著延长了力竭游泳时间并降低了血清损伤标志物。超微结构分析显示，LIPUS处理组心肌线粒体嵴和肌纤维排列得到保护。机制上，LIPUS通过上调醛缩酶和p-AMPK并减少抑制性PDH磷酸化，促进代谢从厌氧糖酵解向高效的葡萄糖有氧氧化转变。线粒体三羧酸循环和呼吸链活性（复合体I–IV）得到系统性恢复。

结论：LIPUS通过激活醛缩酶/AMPK/PDH信号轴提高心肌葡萄糖氧化效率和运动耐力。这些发现突显了LIPUS作为运动诱导心脏保护的非药物策略具有广阔前景。

引言

运动耐受力是评估身体素质的基本指标，也是预防运动损伤的关键决定因素。流行病学调查表明，休闲跑者的年损伤发生率在37%至56%之间，其中约四分之一的病例直接归因于运动诱导的疲劳[1,2]。在军事训练领域，训练相关损伤的年发生率可达15%–20%，其中有氧耐力不足被广泛认为是最重要的可修改风险因素[3,4]。大量证据表明，耐力水平与运动损伤风险之间存在显著的负相关关系[5]，这使得耐力提升成为运动医学和军事健康学科中的核心关注点。从主动预防损伤的角度来看，识别克服耐力生理瓶颈的策略对于降低高强度训练中的高损耗率至关重要。

运动耐受的生理上限根本上受最大摄氧量的限制[6]。在体力活动中，心脏作为维持全身循环的中心器官，占总耗氧量的约10%–15%[7]。这一生理特征意味着存在一种"氧预算矛盾"：心肌用于维持心输出量的氧气无法用于骨骼肌收缩，从而构成限制整体耐力表现的关键代谢瓶颈[8]。因此，减少单位工作量下的心肌氧耗——即改善心肌经济性——理论上可释放额外的氧气供运动肌肉分配使用，这构成了提升耐力的有力生理策略[9]。

从能量学角度来看，心肌通过氧化各种底物合成ATP。与脂肪酸氧化相比，葡萄糖有氧氧化具有更高的磷氧比（P/O），每消耗单位氧气可产生更多的ATP[10,11]。研究证实，将心肌能量底物偏好从脂肪酸转向葡萄糖，在相同负荷条件下可降低氧耗约12%–15%[12]。因此，重塑心肌代谢通量以偏向葡萄糖有氧氧化，构成了改善心脏能量代谢和降低氧需求的有前途的分子靶点。

葡萄糖有氧氧化的限速步骤涉及丙酮酸进入线粒体并被转化为乙酰辅酶A，这一过程由丙酮酸脱氢酶复合体催化[13]。PDH活性受可逆磷酸化的精密调控：PDH激酶磷酸化使其失活，而PDH磷酸酶去磷酸化则恢复其活性[14]。AMP激活的蛋白激酶（AMPK）作为细胞能量传感器，不仅能感知能量状态波动，还通过多种下游效应因子调控PDH活性[15]。近期研究揭示，醛缩酶（Aldolase）传统上被认为是糖酵解酶，同时还作为力代谢信号的平台蛋白，参与AMPK激活的调控[16,17]。因此，醛缩酶/AMPK/PDH信号轴成为调节机械刺激与葡萄糖氧化效率耦合的潜在分子靶点。

鉴于醛缩酶/AMPK/PDH轴在调控心肌葡萄糖氧化中的关键作用，识别安全有效的策略激活该通路对于提升运动表现具有重要意义。低强度脉冲超声（LIPUS）是一种非侵入性物理模态，具有独特的声-力学效应，能够穿透深层组织发挥生物调控能力。LIPUS已被广泛应用于骨折愈合和软组织修复，越来越多的证据表明其能够调控细胞能量代谢。值得注意的是，LIPUS最近已被证明能够通过改善线粒体功能，在心肌缺血再灌注损伤模型中发挥心脏保护作用[18,19]。在治疗方案方面，载波频率为1.0 MHz的超声配置提供了最佳的声学穿透深度（约3–5 cm），能够通过胸廓有效靶向啮齿动物心肌组织，同时将焦点反射降至最低。同时，30 mW/cm2的空间峰值时间平均强度（ISATA）结合20%脉冲占空比严格处于非热、非破坏性生物声学窗口内（产生的温度升高可忽略不计，<0.1°C）[20,21]。这一声学模式可可靠地产生非空化机械声辐射力和声微流，能够触发力敏信号级联，而不会引起心肌热损伤或机械损伤。然而，LIPUS是否能作为外源性机械刺激，通过醛缩酶/AMPK/PDH信号轴协调代谢向心肌葡萄糖利用的过渡，仍有待探索。

基于上述考虑，我们提出以下假说：LIPUS作为一种机械信号，被醛缩酶转导，随后激活心肌醛缩酶/AMPK/PDH信号通路，从而优化葡萄糖有氧氧化的生物能量效率。该机制预计能够缓解力竭运动诱导的心肌能量危机和心脏损伤，最终提高运动耐受力。本研究在力竭运动大鼠模型中验证这一假说，旨在建立一种增强运动表现的新型非药物代谢干预手段，并为LIPUS作为潜在的代谢型运动增强剂提供理论依据。

实验片段

动物与实验分组：健康雄性Sprague-Dawley大鼠（8周龄，体重220–250 g）购自广东省实验动物中心。动物在SPF条件下饲养，温度控制在22 ± 2°C，湿度50% ± 10%，12小时光暗周期，自由进食饮水。所有实验程序均按照南部战区总医院实验动物管理与使用委员会的指南进行。

LIPUS提高有氧耐力和终点表现：为评估LIPUS对运动耐受力的影响，我们在4周方案期间监测了每日力竭游泳的持续时间（图2A）。纵向分析显示，EE组的力竭游泳时间一直维持在较低水平，在18至22分钟之间波动。相比之下，EE+LIPUS组在第2天的游泳时间出现初始下降（可能是由于急性运动适应所致），随后表现出稳健且持续的提升。

讨论：本研究首次提供了低强度脉冲超声（LIPUS）通过激活力敏醛缩酶/AMPK/PDH信号轴系统性提高葡萄糖有氧氧化效率的证据。核心发现是LIPUS干预重塑了心肌底物偏好，优先利用葡萄糖，从而改善力竭运动诱导的生物能量危机和心脏损伤。这种协调反应有效克服了……

结论：总之，我们的发现表明，低强度脉冲超声可能激活心脏醛缩酶/AMPK/PDH信号轴，系统性提高葡萄糖有氧氧化效率。这种协调的力代谢调控得到了Pdk4和Cpt1a转录下调以及线粒体呼吸链复合体I、II、III、IV同步增强的支持。通过可能促进代谢向高效葡萄糖利用的转变……

缩写

本文使用的缩写如下：LIPUS，低强度脉冲超声；AMPK，AMP激活的蛋白激酶；PDH，丙酮酸脱氢酶；ATP，三磷酸腺苷；ADP，二磷酸腺苷；AMP，一磷酸腺苷；cTnI，心肌肌钙蛋白I；NT-proBNP，N端脑钠肽前体；TCA，三羧酸循环；LDH，乳酸脱氢酶；HPLC，高效液相色谱法；HE，苏木精-伊红染色；ELISA，酶联免疫吸附测定法；BCA……

作者贡献

每位作者都对本文的工作做出了重要、直接和智力上的贡献。概念设计，L.X.和M.L.；方法论，X.L.、Y.L.和Y.G.；调查研究，X.L.、Y.L.、Y.G.、Z.Y.、N.Z.和H.C.；资源，H.C.和M.L.；数据整理，X.L.、Y.L.和Y.G.；撰写——初稿，X.L.；撰写——审阅与编辑，L.X.；可视化，X.L.和Z.Y.；监督，L.X.和M.L.；经费获取，L.X.和M.L.。所有作者均已阅读并同意……

资助

本研究由国家自然科学基金（项目编号No. U25A20543）和广州市科技项目（项目编号NO. 2023A03J0170）资助。

机构审查委员会声明

动物研究方案已获得南部战区总医院实验动物管理与使用委员会批准（方案编号NBZQZYY2025065，批准日期：2024年12月17日）。

数据可用性声明

本研究期间生成和/或分析的数据集可根据合理要求从通讯作者处获取。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

致谢

作者衷心感谢实验室所有成员在本研究过程中提供的无价帮助和支持。特别感谢技术团队在动物实验和分子分析方面的协助，以及同事们在撰写本文期间的建设性讨论和鼓励。他们的共同努力为本研究的完成做出了重要贡献。

刘鑫东 | 刘玉婷 | 高玉硕 | 易梓怡 | 赵楠楠 | 蔡华 | 李敏 | 徐琳

广东药科大学第一临床医学院，中国广东广州