运动适应中的乳酸-线粒体细胞因子轴：连接糖酵解与线粒体应激信号转导

《International Journal of Molecular Sciences》：The Lactate–Mitokine Axis in Exercise Adaptation: Linking Glycolytic and Mitochondrial Stress Signaling

　　

运动诱发协调的代谢和线粒体应激反应，这些反应超越三磷酸腺苷（ATP, adenosine triphosphate）生成，调节细胞与系统适应。乳酸传统上被视为糖酵解产物，现已被认可为氧化底物、器官间碳穿梭及信号代谢物；而线粒体应激则促进适应性信号转导，并诱导线粒体细胞因子（mitokines）及线粒体来源肽（mitochondrial-derived peptides）释放。本叙述性综述提出乳酸-线粒体细胞因子轴（lactate–mitokine axis）作为概念框架，整合这两个运动反应系统，同时区分已实验确立的机制与仍需功能验证的潜在相互作用。重复运动促进线粒体重塑并提升氧化能力，进而重塑后续运动的乳酸应答，表现为训练后血乳酸浓度降低及训练后乳酸清除增强。反之，乳酸通量增加可能通过代谢、氧化还原及受体依赖性信号影响线粒体适应，支持乳酸代谢处理与线粒体重塑之间潜在的双向关系。这些相互关联应答的相对贡献似乎取决于运动方式，高强度运动、长时间耐力运动及抗阻运动可产生糖酵解与线粒体应激的不同组合。尽管乳酸代谢与线粒体应激信号共享若干调节通路，但运动期间乳酸信号与线粒体细胞因子表达或分泌之间的直接因果相互作用仍未充分确立。因此，所提出的乳酸-线粒体细胞因子轴应被视为一个有待进一步实验验证的假设生成框架。

1. Introduction

运动不再被视为简单的肌肉收缩耗能与能量底动员、氧运输及线粒体激活的过程。训练期间发生的瞬时变化会触发一系列涉及代谢、转录、炎症、血管和通路的分子级联反应。近期多组学研究如MoTrPAC（Molecular Transducers of Physical Activity Consortium）表明，急性心肺运动可在代谢组、脂质组、蛋白质组、转录组和免疫组中产生数千个时间协调变化，涉及能量代谢、氧化应激、炎症、组织修复和生长因子信号等通路。这些变化实际上是一种生物活性运动因子（exerkines）的来源，促进肌肉、脂肪组织和其他器官间的通讯。乳酸曾被视为代谢终产物，现已被认可为氧化底物、细胞及器官间碳穿梭、能够激活受体依赖性通路并影响细胞适应的信号代谢物。此外，线粒体在产生ATP之外，还触发具有内分泌效应的应激反应信号，如FGF21（fibroblast growth factor 21）、GDF15（growth differentiation factor 15）及MOTS-c（mitochondrial ORF of the 12S rRNA type-c）等线粒体来源肽，这些因子在调节代谢和肌肉表现中发挥作用。

近期研究极大地改变了人们对运动诱导代谢和线粒体信号的理解。蛋白质乳酸化（lactylation）作为通过组蛋白表观遗传修饰和非组蛋白蛋白翻译后修饰调节运动适应的潜在机制受到关注，但运动诱导的蛋白质乳酸化在若干动物模型中的报告尚未在人类骨骼肌中得到一致证实。线粒体应激诱导的适应性反应统称为mitohormesis，涉及ISR（integrated stress response）和UPR^mt（mitochondrial unfolded protein response）的激活，以及FGF21、GDF15和MOTS-c等应激反应因子的产生。然而，一个重要机制问题仍未解答：运动诱导的乳酸信号是否直接影响线粒体应激触发的内分泌通路，抑或乳酸和线粒体细胞因子在运动期间并行且独立运作。尽管这些信号通路汇聚于AMPK（AMP-activated protein kinase）、redox稳态和PGC-1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha）等共同调节机制，但这并不一定证明存在直接调节相互作用。

2. Literature Search Methodology

研究人员采用叙述性文献检索方法，使用PubMed/MEDLINE、Scopus和Web of Science数据库，检索地址乳酸代谢、线粒体应激信号和运动适应相关文献。检索词包括"lactate"、"lactate signaling"、"lactate shuttle"、"lactylation"、"mitochondrial stress"、"mitohormesis"、"mitokines"、"mitochondrial-derived peptides"、"FGF21"、"GDF15"、"MOTS-c"、"Humanin"、"exercise"和"exercise adaptation"。优先纳入近五年（2021–2026年）发表文献，必要时纳入早期经典研究以建立基本生化机制或提供历史背景。文献选择重点关注涉及人类参与者、动物模型和细胞系统的原始实验研究，尤其关注直接机制相互作用研究，包括对乳酸可用性、转运或受体介导信号传导的实验操控。所选文献按实验相关性、研究设计和机制强度进行严格评估，区分直接实验证据与关联性发现和提出的调节相互作用。由于本文为叙述性而非系统性综述，未进行正式荟萃分析或定量综合。

3. The Lactate Paradox: From Metabolic End Product to Exercise Signal

3.1. Lactate Production During Exercise: Revisiting the Classical Paradigm

乳酸在需氧和厌氧运动期间随糖酵解通量增加而生成。丙酮酸可经线粒体氧化或通过乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, LDH）可逆转化为乳酸，取决于细胞代谢需求。丙酮酸向乳酸的转化将NADH氧化为NAD⁺，从而维持糖酵解反应所需的NAD⁺可用性。糖酵解产生的NADH可通过两条主要代谢途径：将还原当量转移至线粒体经苹果酸-天冬氨酸和甘油-3-磷酸穿梭进入电子传递链，或经LDH介导的再氧化。可逆LDH反应将乳酸-丙酮酸相互转化与细胞NADH/NAD⁺平衡相联系。循环乳酸是一个动态参数，是一定时间内生成量与用于能量利用的心肌量及肝肾糖异生之间的平衡。耐力训练增加线粒体氧化能力并改变参与乳酸交换的单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporters, MCT）表达，从而改善乳酸再分配和利用效率。乳酸G蛋白偶联受体81（GPR81）/羟基羧酸受体1（HCAR1）在II型糖酵解纤维中的丰度是I型氧化纤维的2.5倍。骨骼肌活检显示，女性腿部伸张运动后GPR81表达显著高25%，整体蛋白激酶A（PKA）增加，cAMP反应元件结合蛋白（CREB-S133）磷酸化降低，以及血管内皮生长因子（VEGF）和PGC-1α表达增加。每日两次高强度间歇运动（HIIE）在运动和运动后3小时即刻增加骨骼肌MCT1基因表达，而MCT4水平无变化；训练3周后，MCT1的急性增加未转化为差异性的慢性血乳酸反应。此外，对久坐动物进行4周外源性乳酸给药诱导了代谢变化，如通过激活柠檬酸合酶和苹果酸脱氢酶2增加线粒体碳水化合物代谢。这些发现使乳酸成为多功能分子，能够将糖酵解活性与更广泛的细胞适应性反应联系起来。

3.2. Lactate Threshold and Exercise Intensity

血乳酸浓度随运动强度非线性增加。低至中等强度时，乳酸生成与其摄取利用平衡；更高强度增加糖酵解通量和II型肌纤维募集，最终超过乳酸清除，导致血乳酸急剧上升，称为乳酸阈值（lactate threshold, LT）。LT并不界定有氧到无氧代谢的切换，更准确地预测运动期间生成乳酸量与心脏利用及糖异生清除量之间的平衡浓度变化。LT值存在个体间差异，在LT附近乳酸稳态高度敏感；例如，LT附近游泳速度增加0.01 m·s^-1导致乳酸积累，而减少0.010–0.015 m·s^-1则 substantially 减少这种积累。LT与最大乳酸稳态（maximal lactate steady state, MLSS）密切相关，但代表不同的生理概念。MLSS代表血乳酸浓度随时间保持近似稳定时的最高恒定运动强度。在30分钟恒速跑步测试中确定MLSS显示 substantial 个体差异，血乳酸浓度范围从2.9到6.5 mmol·L^-1，而休闲自行车运动员在30分钟恒定负荷运动期间为5.43 ± 1.57 mmol·L^-1。LT以上强度运动如HIIT导致血乳酸浓度 substantially 上升；这不意味着代谢停滞，而是糖酵解通量加速。在MLSS以上0.5 km·h^-1强度运动导致血乳酸渐进性积累，而肺VO₂保持稳定。因此，血乳酸动力学和全身氧化稳态可以解耦，血乳酸水平 alone 不反映整个代谢通量。总之，LT是动态值，个体间存在差异。超过MLSS强度运动时，乳酸出现渐进性超过消失，导致血乳酸持续积累且无法维持乳酸稳态。

3.3. From Lactate Exposure to Adaptive Signaling

乳酸是运动期间代谢通量和适应的标志物。在慢性运动适应的背景下，通过重复口服给药，乳酸调节线粒体适应，在小鼠氧化soleus肌肉和心肌中增加细胞色素c氧化酶（COX）活性。然而，乳酸未影响AMPK、ACC（acetyl-CoA carboxylase）、p38 MAPK（p38 mitogen-activated protein kinase）或CaMKII（calcium/calmodulin-dependent protein kinase I）信号。此外，它未能以与体力运动类似的方式诱导MCT重塑；这表明它是运动适应中涉及的特定通路的选择性调节剂，而非运动本身的替代物。乳酸signaling effects 不限于线粒体代谢。对卡路里限制小鼠进行为期两周的乳酸（1 g/kg）腹腔给药增加了线粒体酶柠檬酸合酶和琥珀酸脱氢酶活性以及若干氧化磷酸化（OXPHOS）蛋白的表达。同时观察到肌纤维横截面积减少的衰减和握力保持的结果。然而，外源性乳酸给药未进一步增加急性电刺激高强度收缩或两周机械过载小鼠中mTORC1（mechanistic target of rapamycin complex 1）相关信号或肌肉蛋白合成。向人类受试者单腿抗阻运动期间静脉注射乳酸钠虽将循环乳酸从约3增加到7 mmol·L^-1，但未进一步改变运动诱导的mTOR（mechanistic target of rapamycin）、S6K1（ribosomal protein S6 kinase 1）和ERK（extracellular signal-regulated kinase）信号激活。实验性乳酸给药为了解乳酸对线粒体代谢潜在调节作用提供了 valuable 机制洞察，但未独立确立其对运动诱导线粒体细胞因子表达或分泌的因果贡献。此外，运动诱导的蛋白质乳酸化在急性抗阻运动、十周抗阻训练或60分钟耐力骑行期间未改变骨骼肌整体蛋白质乳酸化。未来研究需要阐明乳酸作为信号分子发挥作用的机制，因为其 effects 受乳酸暴露浓度、持续时间和细胞位置、肌肉表型、代谢状态和伴随收缩压力影响。

3.4. The Lactate Shuttle Concept in Modern Exercise Physiology

乳酸穿梭在运动期间 particularly 相关，因为II型糖酵解纤维产生大量乳酸并表达MCT4，后者参与将乳酸从细胞输出。氧化肌纤维和其他组织如心、脑、肝和肾表达MCT1，后者在乳酸摄取中发挥作用。耐力训练使乳酸穿梭朝向更快的氧化清除，如使用[3-¹³C]乳酸和[6,6-²H₂]葡萄糖示踪剂在 trained 或 untrained 个体中 demonstrated。通过乳酸 clamp 实验性增加血乳酸可用性使乳酸氧化增加约75%，并显著降低估计的肌肉糖原利用，节省内源性碳水化合物储备。乳酸穿梭 also 为心脏提供 significant 能量，Cori循环可能允许抗阻训练后最初两小时约1.9 mmol/kg/h的糖原再合成速率。乳酸穿梭在运动和有氧条件下以双相方式运作，通过HCAR1/GPR81和redox signaling 发挥细胞信号作用。

3.5. MCT1 and MCT4 in Skeletal Muscle: Regulation of Lactate Flux and Exercise Adaptation

乳酸连同H⁺跨骨骼肌肌浆膜的转运通过MCT1/SLC16A1和MCT4/SLC16A3发生，由质子和浓度梯度驱动。尽管两种转运蛋白均可双向功能，MCT1优先与氧化肌纤维相关并促进乳酸摄取，而MCT4在糖酵解纤维中更丰富并支持乳酸外流。因此，MCT1对训练 particularly 反应，而MCT4表现出更 variable 且 generally 不太一致的适应反应。运动类型影响骨骼肌MCT表达。对HIIT式运动8周的大鼠显示氧化soleus和糖酵解 extensor digitorum longus 肌肉中MCT4、PGC-1α和HIF-1α（hypoxia-inducible factor 1-alpha）mRNA表达增加，而MCT1 mRNA表达无变化。急性HIIT型努力后骨骼肌活检显示MCT1 mRNA即刻增加并在3小时保持升高，而MCT4 mRNA保持不变。因此，MCT1和MCT4调节是同工酶特异性和 context 依赖的，取决于运动方式、训练持续时间、代谢状态和评估转运蛋白表达的时间等因素。

3.6. HCAR1/GPR81 as a Lactate-Sensing Receptor

细胞乳酸受体HCAR1（也称为GPR81）是Gi蛋白偶联膜受体，通过抑制腺苷酸环化酶降低cAMP活性，已在骨骼肌、脑和其他组织中 identified。HCAR1在骨骼肌中的分布具有肌纤维类型特异性。对八名健康男性和八名女性腿部伸张运动伴随静脉乳酸钠给药的肌肉组织活检分析显示，HCAR1蛋白丰度在II型糖酵解纤维中比I型氧化纤维高约2.5倍，女性比男性高25%。乳酸HCAR1 signaling also 存在于骨骼肌外组织。五周跑台运动增加野生型（WT）小鼠海马IV型胶原表达、PI3K（phosphoinositide 3-kinase）/Akt和ERK1/2 signaling以及微血管密度，而这些运动诱导反应在HCAR1缺陷动物中 largely absent。在饮食诱导肥胖、胰岛素抵抗小鼠中，HCAR1 signaling在运动中的脂肪组织中得到 demonstration。所有这些研究表明乳酸作用机制具有组织依赖性。氧化组织可从循环中清除乳酸并将碳用于能量产生，而HCAR1表达细胞可能潜在地将细胞外乳酸可用性解释为代谢信号。这两个过程可同时发生：乳酸摄取不一定意味着HCAR1激活，HCAR1激活也不需要乳酸氧化。

3.7. Lactylation as a Potential Metabolic–Epigenetic Link in Exercise Adaptation

组蛋白和其他类型蛋白质中赖氨酸残基的翻译后乳酸化是影响糖酵解的潜在机制之一， either 通过直接修饰酶功能或通过转录过程间接。文献数据矛盾。一些研究报告，C2C12 myoblasts 和年轻小鼠中暴露于15 mM乳酸3-5天诱导的组蛋白H3赖氨酸9乳酸化（H3K9la）激活下游Neu2启动子并促进肌源性分化。然而，其他试图复制运动生理情境的研究表明乳酸暴露不足以产生生物学显著的乳酸化水平。急性抗阻运动、十周抗阻训练或60分钟耐力骑行未 alter 骨骼肌 during 8小时恢复期间的整体蛋白质乳酸化。七周跑台运动或日常乳酸钠给药增加乳酸可用性并蛋白质乳酸化 in ovariectomized mice，减少整体骨丢失。这归因于H3K18乳酸化（H3K18la），后者抑制破骨细胞分化并下调破骨细胞生成基因包括Ctsk、Mmp9和Mmp12，alanyl-tRNA synthetase 1（AARS1）和sirtuin 6（SIRT6）作为调节乳酸化/脱乳酸化的组分。来自细胞和动物模型的证据表明乳酸化可能 contribute 转录调节和更持久的代谢适应。重要的是，人类骨骼肌研究未显示在急性抗阻运动、长期抗阻训练或耐力骑行后整体蛋白质乳酸化的显著变化。尽管乳酸化代表连接代谢活动与表观遗传调节的 plausible 机制，其对人类骨骼肌持久运动诱导适应的贡献仍有待确立。

4. Exercise-Induced Mitochondrial Stress: From Bioenergetic Challenge to Signaling

4.1. ATP Turnover and Mitochondrial Energetic Stress

骨骼肌收缩 dramatically 增加对ATP的需求，这些需求由肌球蛋白ATP酶、参与兴奋-收缩耦联的Ca²⁺-ATP酶和恢复跨膜离子梯度所需的Na⁺/K⁺-ATP酶消耗。细胞ATP含量无法 sustain 这种消耗；因此，快速替代来源如磷酸肌酸（PCr）、高能化合物和糖酵解被利用。因此，收缩产生的能量应激 better 通过PCr、ADP、Pi和磷酸电位的变化反映，而非ATP浓度 alone。收缩期间PCr浓度下降和ADP及Pi升高建立了一个反馈系统，通过该体系ATP需求被 signal 至线粒体。能量消耗增加ADP浓度，通过腺苷酸激酶反应（2 ADP ? ATP + AMP）导致少量ATP再生，同时产生AMP，后者激活AMPK。尽管AMP是AMPK的强效变构调节剂，ADP alone 也可通过运动期间升高的浓度调节AMPK。AMPKα2激活取决于个人训练状态。在未训练肌肉中，计算游离AMP增加约17倍，这种未训练个体的更大能量应激伴随AMPKα2活性增加370%，以及AMPKα Thr172和ACCβ Ser222磷酸化约两倍增加。相比之下，这些AMPK signaling 反应 none 在未训练个体中显著增加。因此，耐力训练似乎 attenuate 给定相对运动强度产生的能量扰动，并可 largely 废除长时间中等强度运动期间的AMPK激活。重复HIIT rapidly 重塑骨骼肌线粒体功能，增加每单位线粒体蛋白线粒体呼吸23%，使用 lipid-derived 底物，18–22%通过complex I，14–19%通过complexes I + II，24%通过complex II， without 全肌呼吸链蛋白丰度增加。线粒体重塑是非化学计量学的；TCA循环和脂肪酸氧化涉及的酶 initially 优先，而OXPHOS量不与线粒体质量成比例增加。运动诱导的线粒体应激 generally 是暂时且调节的，而线粒体 dysfunction 可能涉及持续生物能量损伤和受损细胞稳态。运动促进线粒体裂变， evidenced by DRP1^Ser616磷酸化增加和 subsarcolemmal cleft内线粒体自噬样结构内的 cristae 异常，甚至细胞外线粒体的存在。

4.2. Integration of Redox, Ca2+, and AMPK–SIRT1–PGC-1α Signaling in Mitochondrial Adaptation

线粒体对运动的适应涉及多条 signaling 通路整合。ATP消耗增加和重复兴奋-收缩循环改变胞质Ca²⁺水平，而氧化反应和氧化磷酸化速率增加提高活性氧（reactive oxygen species, ROS）产生。所有这些机制导致AMPK、CaMKII、p38 MAPK、NAD⁺-dependent SIRT1 signaling 和转录辅激活因子PGC-1α的激活。ROS是运动诱导信号的重要组成部分；然而，并非全部来自线粒体（mitochondrial ROS, mtROS）。HIIE consisting of four 4分钟 cycling bouts at 90–95% HR_max， separated by 3分钟 active recovery at 70% HR_max，增加核和线粒体DNA损伤，并伴随脂质氢过氧化物形成，表明 substantial 运动诱导redox扰动。急性MitoQ给药未 prevent 这些反应，而21天MitoQ补充 attenuate 运动诱导核和线粒体DNA损伤。mtROS似乎不是PGC-1α的唯一上游触发因素。HIIE增加骨骼肌PPARGC1A mRNA，MitoQ compared to placebo following 的响应更大，尽管 mtDNA损伤、4-HNE或全身氧化应激标志物无显著变化。Ca²⁺ signaling 是另一种将运动期间兴奋-收缩耦联转化为线粒体适应的机制。CaMKII作为Ca²⁺/calmodulin-dependent signaling 和redox signaling 的 convergence 点，因为氧化调节性Met281/282残基可维持CaMKII活性。AMPK是 various 代谢通路 convergence 的另一个节点。重复训练改变对固定绝对工作量的急性 signaling 反应幅度。训练前，单次HIIE会议使核PGC-1α蛋白增加3.1倍，PGC-1α mRNA在3小时后增加3.6倍。然而，在40次HIIT会议后，相同绝对运动不再显著增加核PGC-1α蛋白或PGC-1α mRNA。训练使乳酸阈值功率增加9%和VO_2peak增加11.7%，使相同工作量成为较低的代谢挑战。近期实验数据显示AMPK → SIRT1 → PGC-1α关系不是简单的线性激活级联。烟酰胺核糖给药改变了骨骼肌NAD⁺代谢组的若干组分，未增加肌肉NAD⁺含量，未增强运动诱导的SIRT1或SIRT3 signaling 或运动后PGC-1α mRNA增加。重要的是，乳酸可能在这个适应性网络的多个层面 intersection，包括MCT1-dependent 转运和氧化、NAD⁺-SIRT1-PGC-1α signaling、redox-sensitive 通路、HCAR1-mediated signaling 和乳酸化。

4.3. Mitohormesis: When Mitochondrial Stress Becomes Beneficial

Mitohormesis发生在暂时性线粒体应激作为适应性而非破坏性通路时。它由快速ATP消耗、Ca²⁺ flux 和氧化应激的组合触发。如果这些过程的持续时间和强度变得 significant，代偿机制被激活以恢复线粒体稳态并逐渐增加对代谢挑战的抵抗力。然而，持续超过细胞修复能力的线粒体应激 contribute 于线粒体 dysfunction。ROS是mitohormetic signaling 的重要组分。单次有氧运动 in 小鼠激活c-Jun N-terminal kinase（JNK）信号并增加骨骼肌UPR^mt相关基因和蛋白质，包括HSP60、ClpP、Lonp1、Yme1L1和ATF5。药理学JNK抑制 attenuate UPR^mt标志物诱导并 remove 运动诱导的若干OXPHOS蛋白增加。相反，四周有氧训练增加OXPHOS蛋白丰度、线粒体呼吸能力和有氧运动表现。运动期间激活线粒体质量控制机制。单次单侧抗阻运动 rapidly alter 骨骼肌线粒体 dynamics，在1小时内增加DRP1^Ser616磷酸化并产生线粒体 cristae 超微结构异常以及向线粒体裂变的 shift。尽管线粒体定位的线粒体自噬相关蛋白PARKIN和BNIP3L/NIX减少，电子显微镜 revealed 线粒体自噬样结构和肌肉纤维挤出的线粒体。因此，有益mitohormesis和适应不良线粒体应激之间的区别似乎取决于挑战的幅度、持续时间和相对于细胞修复能力的可逆性。重要的是，遗传模型涉及线粒体功能持续改变，但不一定复制体力运动的暂时性和可逆性线粒体扰动。因此，遗传诱导线粒体应激的发现应解释为细胞适应性潜力的机制证据，而非运动中 equivalent 反应的直接确认。

4.4. Myokines, Exerkines, and Mitokines

线粒体可通过线粒体细胞因子与 distant 细胞和器官通讯。术语"mitokines"、"myokines"和"exerkines"描述运动期间重叠形式的器官间通讯。Myokines由骨骼肌释放，而exerkines在运动期间从各种组织释放；mitokines在 regardless 其组织起源产生 in response to 线粒体应激。线粒体细胞因子包括核编码应激反应蛋白如FGF21和GDF15，以及线粒体DNA编码肽如MOTS-c和Humanin。

4.4.1. FGF21: Linking Mitochondrial Stress to Systemic Metabolic Adaptation

FGF21是主要由肝脏产生的核编码内分泌因子，代表循环FGF21浓度的主要 contributor。骨骼肌也可在特定线粒体应激或 dysfunction 条件下表达和产生FGF21。然而，运动后循环FGF21浓度增加不应解释为骨骼肌分泌的直接证据， since 循环测量 alone 无法确定其组织来源。评估循环FGF21浓度 alone 的研究无法确定其组织来源，而组织特异性表达分析提供肝脏或肌肉贡献的更直接证据。线粒体应激激活ISR，其中eIF2α-dependent signaling 促进ATF4活性和包括FGF21的应激反应基因转录。线粒体应激-ISR-ATF4-FGF21轴提供了一种将细胞内线粒体扰动转化为内分泌信号的机制。FGF21在线粒体应激适应中功能 involvement 的证据主要来自遗传修饰小鼠模型。在双敲除小鼠中，肝脏Crif1和Fgf21的删除导致OXPHOS/ISR^mt dysfunction。FGF21的丢失 impair 葡萄糖清除并 attenuate 白色脂肪组织中的胰岛素信号、产热基因表达和能量消耗。在UCP1-transgenic/Fgf21-knockout（TG/Fgf21^-/-）小鼠中，FGF21的消除 reduce 线粒体应激诱导的白色脂肪组织 browning，而肥胖抵抗和血糖控制改善在缺乏时 largely preserved，表明FGF21介导全身线粒体应激反应的特定分支。尽管运动相关代谢和线粒体应激可能 engage 重叠 signaling 机制，骨骼肌来源FGF21对运动适应的贡献仍未完全确立。重要的是，上述研究 demonstrate 线粒体应激依赖性FGF21 signaling，但未 establish 乳酸作为其上游调节因子。因此，线粒体应激-FGF21 signaling 代表全身代谢适应中得到充分支持的组分，但其与运动诱导乳酸 signaling 的直接耦联是一个 separate 机制问题。

4.4.2. GDF15: From Mitochondrial Stress to Systemic Energy Balance

GDF15是核编码、应激反应内分泌因子，在多种组织中表达，包括肝脏、心脏和骨骼肌。尽管线粒体 dysfunction 可诱导GDF15表达并 contribute 全身代谢信号，其产生 not restricted to 线粒体应激。因此，运动诱导的循环GDF15增加应解释为全身应激反应，而非线粒体应激或收缩骨骼肌分泌的直接证据。使用UCP1-transgenic小鼠与全身Gdf15-knockout小鼠杂交 demonstrate，Gdf15的遗传丢失 abolish 应激诱导的白色脂肪组织 browning，增强全身胰岛素敏感性和代谢灵活性，而不改变局部肌肉线粒体应激反应或肌肉 wasting。GDF15的一个重要特征是偶联细胞应激与食欲的能力。Gdf15-competent小鼠表现出白天厌食，这在Gdf15删除小鼠中未显现。有趣的是，厌食作用在夜间进食期间 largely absent，表明内源性GDF15的代谢效应取决于生理情境和昼夜节律 timing。GDF15分泌对 both 抗阻和耐力运动有反应。在小鼠 exhaustive 跑台运动中，肝脏、心脏和骨骼肌中GDF15和Gdf15均增加。然而，both wild-type 和GFRAL-knockout小鼠在 exhaustive 运动后表现出类似的自愿运动和食物摄入减少，表明这些急性运动后反应不依赖内源性GDF15-GFRAL signaling。人研究表明运动诱导的GDF15分泌 strongly 受全身内分泌-代谢环境 influence。健康男性的动脉和肝静脉血液采样显示运动期间 significant 肝脾区GDF15释放。在休息时实验性增加glucagon/insulin比率导致循环GDF15增加三倍，而通过胰腺 clamp prevent 运动诱导的比率变化 abolish 运动诱导的GDF15反应。因此，GDF15释放与运动产生内分泌-代谢环境相关，而非直接与骨骼肌收缩相关。GDF15被认为是急性运动反应应激信号。在超重或不活跃成人中，单次中等强度 cycling 运动后循环GDF15立即增加18%，60分钟恢复后增加32%。在 chronic effort 中，六个月中等或剧烈强度运动未改变空腹GDF15浓度。GDF15是一种情境依赖性线粒体细胞因子/运动因子， both 作为线粒体应激信号和运动反应因子。尽管乳酸积累和GDF15分泌可能在 increased 代谢需求下发生，其同时反应未 establish 直接调节耦联。此外，glucagon-to-insulin 比率的实验 demonstrated 提供了运动诱导GDF15释放的 alternative 机制。因此，生理乳酸可用性变化是否直接 influence 运动期间GDF15表达或分泌仍未解决。

4.4.3. MOTS-c: A Mitochondrial-Derived Peptide Linking Metabolic Stress to Exercise Adaptation

MOTS-c是调节葡萄糖和脂质代谢、细胞应激抵抗和代谢稳态的线粒体DNA编码肽，其若干生物学效应与AMPK signaling 相关。与FGF21和GDF15等核编码应激反应因子不同，MOTS-c起源于线粒体基因组， may contribute to 线粒体代谢状态与核适应性反应之间的通讯。MOTS-c可在代谢应激下转位至细胞核并调节核基因表达。在暴露于葡萄糖限制和血清剥夺的C2C12 myoblasts 中，荧光标记的外源性MOTS-c showed time-dependent 核转位。同时，MOTS-c对人的运动有反应。在久坐健康青年男性中，急性 cycling 运动使骨骼肌内源性MOTS-c增加约11.9倍。动物实验显示外源性MOTS-c增强青年、中年和老年小鼠的运动表现。MOTS-c修饰糖酵解和氨基酸代谢。MOTS-c的运动反应性似乎根据实验方案和生物学 compartment 而变化。在30名休闲活跃成人随机分配到耐力运动、抗阻运动或对照组的比较中，70%估计 VO_2max 下45分钟 cycling 运动增加循环Humanin并产生循环MOTS-c增加趋势，尽管后者反应表现出 substantial 个体间变异。相反，骨骼肌MOTS-c在 either 运动模式后保持不变。MOTS-c与AMPK-PGC-1α signaling 的关系复杂且双向。在高脂饮食（HFD）肥胖小鼠中，骨骼肌和循环MOTS-c水平降低，而八周跑台训练增加肌肉和血浆MOTS-c，伴随PGC-1α和GLUT4以及AMPK磷酸化增强。C2C12 myotubes 中Compound C的AMPK抑制减少 both PGC-1α和MOTS-c表达，而AICAR的AMPK激活增加其表达。外源性MOTS-c增加AMPK和ACC磷酸化以及PGC-1α表达，支持MOTS-c与AMPK-PGC-1α轴之间的 feed-forward 相互作用。然而，AMPK由 multiple 运动相关刺激激活， even indirectly 通过修改NAD⁺/NADH比率由乳酸调节。循环MOTS-c反应的解释受到若干方法学限制约束。在 larger 使用经验证分析方法的研究可用之前，循环MOTS-c反应应谨慎解释。除对葡萄糖代谢的影响外，MOTS-c may contribute to 固定化诱导应激条件下骨骼肌稳态的维持。对后肢固定8天的雄性C57BL/6J小鼠给予MOTS-c attenuate 骨骼肌质量损失 by limiting disuse 期间的脂质浸润并恢复AKT-FOXO1/FOXO3a signaling。Humanin（另一种线粒体来源肽）的限制 similar apply。因此，目前 proposed 的乳酸-MOTS-c相互作用主要 supported by convergence to 代谢 signaling 通路而非直接实验证据。运动诱导的乳酸可用性是否影响内源性MOTS-c表达、核转位或循环浓度仍未解决。

5. The Lactate–Mitokine Axis: Convergence of Glycolytic and Mitochondrial Stress Signaling

5.1. From Parallel Signals to an Integrated Lactate–Mitokine Network

体力运动期间，糖酵解速率增加、乳酸产生和线粒体激活同时发生，导致内分泌变化。提出的乳酸-线粒体细胞因子轴整合了各种机制强度的发现。在暴露于中等、剧烈和高强度间歇 cycling 的青年男性中，HIIE产生最高量的乳酸和循环FGF21；这些运动诱导的乳酸变化与FGF21变化正相关，支持糖酵解应激和FGF21释放之间的关联，未 establish 因果关系。向大鼠脑室内给予乳酸增加下丘脑FGF21 mRNA和脑脊液（CSF）FGF21水平，而GPR81或p38-MAPK的药理学抑制 abolish 这种反应。急性耐力运动使脑脊液FGF21浓度增加约95%，并选择性增加下丘脑FGF21 mRNA和蛋白质表达。p38-MAPK和ERK1/2 signaling 激活增加循环儿茶酚胺并增强脂肪组织cAMP signaling 和HSL磷酸化。在60分钟运动 bout 前通过α-cyano-4-hydroxycinnamate阻断脑乳酸转运 attenuate 运动诱导的下丘脑FGF21表达、交感激活和脂肪分解。此外，静息时脑室内乳酸给药 reproduce 下丘脑FGF21增加，而GPR81或p38-MAPK的 either 药理学抑制 abolish 乳酸诱导的FGF21反应。尽管这些发现 provide 大鼠中乳酸依赖性下丘脑FGF21调节的机制证据，脑室内乳酸给药绕过生理乳酸转运和分布，且下丘脑FGF21表达无法直接与生理条件下主要肝脏来源的外周FGF21分泌等同。因此，这些发现支持组织特异性中枢调节机制，但未 establish 运动来源乳酸 directly 控制人类循环FGF21浓度。

5.2. Lactate Availability and Mitochondrial Metabolic Remodeling

实验操控乳酸可用性表明乳酸暴露可直接重塑线粒体功能。四周乳酸钠给药在 transiently 提高血乳酸水平至 approximately 20 mM 的剂量下，选择性地增加骨骼肌中 Complex I 驱动的 state 3 线粒体呼吸， supported by 丙酮酸加苹果酸或谷氨酸加苹果酸；这伴随 Complex I + III 和 IV 活性增加，特别是 Complex I 亚基 NDUFS4 显示出 particularly significant 增加。相反，Complex II 依赖性呼吸减少，而脂肪酸 fueled 呼吸保持不变。乳酸给药可在无运动情况下重塑骨骼肌氧化代谢。在喂 HFD 的 C57BL/6J 小鼠中，每周五天持续八周的乳酸给药增加棕榈酸氧化，通过增强β-氧化酶活性（LCAD和SCAD）、柠檬酸合酶和丙酮酸羧激酶水平以及苹果酸和天冬氨酸水平， findings consistent with malate-aspartate shuttle。文献 indicates 乳酸影响线粒体功能的三种可能相互关联机制：乳酸氧化为丙酮酸燃料并增加TCA循环速率；乳酸/丙酮酸转化改变NADH/NAD⁺ redox 环境；以及MCT-dependent 控制细胞内乳酸可用性影响线粒体重塑。然而，线粒体氧化能力的变化反映代谢重塑，不一定 indicate 线粒体应激反应 signaling 的激活。特别是，可用的乳酸给药研究未 establish 这些代谢适应是否涉及 mtISR 的激活。因此，尽管乳酸可用性可调节线粒体功能，其触发应激反应线粒体细胞因子产生的能力仍有待 demonstrate。建立因果关系将需要评估 proposed 通路每一步的实验方法。体外研究可 combine controlled 乳酸暴露 with 乳酸转运和HCAR1 signaling 的遗传或药理学操控，同时监测线粒体呼吸、redox 平衡和应激反应通路激活，特别是涉及 eIF2α-ATF4 signaling 的ISR。这些测量应伴随 FGF21 和 GDF15 表达和分泌的 quantification。运动研究结合乳酸操控、组织特异性测量和循环线粒体细胞因子谱可评估这些相互作用的生理相关性。

5.3. Shared Molecular Nodes Connecting Lactate and Mitokine Signaling

AMPK代表最强的候选汇聚点。在骨骼肌PGC-1α过表达小鼠中，乳酸产生在模拟血乳酸浓度4 mM 的相同相对运动强度下约为野生型小鼠的两倍。PGC-1α过表达 also 增加乳酸摄取/清除能力， effect 与骨骼肌MCT1水平升高、柠檬酸合酶活性和氧化能力相关。在同一研究中，进行渐进增加强度跑台运动的 C57BL/6J 小鼠在测试的最高强度下表现出 calculated 乳酸产生和骨骼肌中 p-AMPK/total AMPK 比率的 concomitant 增加。重要的是，这种关联未证明乳酸是AMPK激活的直接原因， since both 反应可能 reflect 高强度运动诱导的更显著能量和代谢应激。AMPK激活和PGC-1α相关转录反应 not specific to 乳酸 signaling， since 它们也可受能量应激、肌肉收缩、钙依赖性 signaling 和细胞 redox 状态变化影响。因此，其 involvement 应解释为分子汇聚的证据，而非这些系统之间的直接通讯。尽管实验干预支持 specific 关系， such as AMPK 在 MOTS-c 介导的线粒体效应中的 involvement， direct 乳酸依赖性线粒体细胞因子产生通过这些共同通路仍是一个机制假设。在骨骼肌特异性 AMPKα1/α2 敲除小鼠中重复MOTS-c给药显示，对照肌肉中观察到的若干MOTS-c诱导的OXPHOS能力增加和H₂O₂释放减少在AMPK-deficient肌肉中减弱或缺失。尽管这些研究 identify AMPK as both 运动诱导代谢应激反应和MOTS-c介导线粒体调节中涉及的分子节点，它们未 demonstrate 直接的乳酸-AMPK-MOTS-c signaling 通路。第二个汇聚点是 NADH/NAD⁺ redox 耦联； since LDH催化的反应是可逆的，乳酸通量变化可将还原当量转移至线粒体。使用MCT1敲除小鼠和C2C12 myotubes 中AZD3965的体外药理学MCT1抑制的体内研究表明，改变乳酸转运增加 NAD⁺/NADH 比率和SIRT1活性，同时减少PGC-1α乙酰化。redox signaling 提供了第三个 interface。乳酸在C2C12 myotubes 中以剂量依赖性方式增加细胞内ROS，而N-acetylcysteine的ROS清除 attenuate 乳酸诱导的ERK1/2和p38-MAPK激活。最后，PGC-1α可能代表下游汇聚和反馈节点。单次高强度运动增加小鼠海马PGC-1α mRNA和mtDNA拷贝数，而UK5099的MCT药理学抑制 attenuate both 反应，而不改变运动表现或循环乳酸水平。因此， proposed 的乳酸-线粒体细胞因子轴应视为 conceptual framework 而非 fully established 因果 signaling pathway。乳酸-线粒体轴也可反向 operate。在MCT4敲除小鼠中减少肌肉乳酸外排能力导致肌内乳酸浓度增加，但也导致了 enhanced 的高强度运动能力。因此，AMPK、NADH/NAD⁺平衡、redox signaling 和PGC-1α不应被视为线性乳酸到线粒体细胞因子级联的组分，而应视为 interconnected 代谢节点。

6. Exercise Modality and Training Status as Modulators of the Lactate–Mitokine Axis

运动时产生的代谢信号取决于每个个体的强度、持续时间、方式 and 训练程度。所有这些 factor 塑造乳酸-线粒体细胞因子轴。比较运动方式时需要考虑的一个重要方面是乳酸动态和内分泌应激反应之间的时间分离。血乳酸浓度在运动和恢复期间快速变化，而循环线粒体细胞因子可能表现出延迟或更持久的反应。循环线粒体细胞因子浓度的变化 not necessarily coincide with 组织表达或分泌变化。因此，不应假设乳酸和线粒体细胞因子反应之间的时间重叠，解释 proposed 乳酸-线粒体细胞因子轴内潜在相互作用时必须考虑其动力学差异。营养状态、肌肉糖原可用性、训练历史和参与者特征 may independently 影响代谢和内分泌反应。

6.1. Low- and Moderate-Intensity Continuous Exercise: Sustained Oxidative Metabolism with Limited Lactate Accumulation

低强度和中等强度持续运动 generally characterized by predominantly oxidative ATP产生和相对有限的血乳酸积累。在9名完成三种运动方案的青年男性的随机交叉设计中，55%心率储备（HRR）下30分钟中等强度持续 cycling 显示与85% HRR的剧烈持续运动和HIIE 相比最小的血乳酸反应。血乳酸以 intensity-dependent 方式增加，在HIIE后立即达到最高浓度，并在恢复30和90分钟保持升高。单次60分钟 bout at 65% VO_2peak 的 cycling 足以 induce 骨骼肌线粒体功能的 measurable 变化。从 vastus lateralis 活检获得的高分辨率 respirometry 显示，使用棕榈酰肉碱和苹果酸支持的lipid/F-linked 呼吸增加13%，N-linked 呼吸增加17%，S-linked 呼吸增加14%。重复中等强度持续运动可产生骨骼肌线粒体重塑。在10名健康青年成人中，四周单腿 cycling 训练 comprising 12 sessions，使用参与者内部设计。尽管在绝对和平均运动强度、总训练时间和训练 volume 之间匹配， only continuous training 后增加柠檬酸合酶最大活性、线粒体呼吸链蛋白丰度和 subsarcolemmal 线粒体 volume。

6.2. HIIT and Sprint Exercise: A Window for Lactate–Mitokine Convergence

HIIT和冲刺 characterized by rapid ATP周转和II型糖酵解纤维的募集。在未训练男性中，八周HIIT减少标准化高强度跑步测试中的峰值血乳酸并加速运动后乳酸清除。HIIT运动 also 触发线粒体来源肽的分泌。在 VO_2peak 对应功率输出下60秒 cycling intervals 后的肌肉活检显示humanin增加和SHLP2的 transient 上升，而SHLP6水平保持不变。这些发现表明高强度运动可 elicit pronounced 乳酸反应伴随线粒体应激相关 signaling。然而， whether 这些反应在机制上耦联 or represent 重复运动的并行适应仍有待 establish。

6.3. Prolonged Endurance Exercise: Cumulative Metabolic Stress and Mitokine Responses

在长时间亚最大运动期间，乳酸浓度的变化很小。精英铁人三项运动员进行4小时 cycling 导致循环GDF15增加5.3倍，而完成马拉松产生 approximately 4.5倍增加。因此，GDF15反应似乎 closely related to 努力持续时间。在马拉松跑步者中，循环FGF21 immediately after race 增加约20倍，而GDF15增加4.2倍。这些发现表明长时间耐力运动可产生 substantial FGF21和GDF15反应， despite 相对适度的乳酸积累。

6.4. Resistance Exercise: Local Glycolytic Stress Within a Mechanically Dominated Signal

抗阻运动提供了一个 distinct 环境， since 局部乳酸积累 occurs alongside 机械加载和收缩依赖性 signaling。与 leg press 和 knee extension 四个 sets at 7RM 相比，耐力运动在30分钟时增加循环Humanin约39%。抗阻运动显著增加c-Myc和45S pre-rRNA， consistent with 核糖体生物生成。然而，抗阻运动期间增加的乳酸可用性 appear not sufficient to amplify 合成代谢反应。在单腿抗阻运动期间静脉注射乳酸钠将循环乳酸从约3增加到7 mmol·L^-1，但未进一步改变运动诱导的mTOR/S6K1和ERK信号激活。在这种 context 中，乳酸作为抗阻运动的组分之一，而非独立驱动适应反应。

6.5. Training Status: Is the Lactate–Mitokine Axis Trainable?

重复训练增加线粒体呼吸能力并改变底物利用，导致乳酸水平和线粒体应激模式与未训练个体观察到的不同。最近的纵向证据表明乳酸处理本身是可训练的。八周HIIT或MICT显著减少对标准化1分钟高强度跑步测试的血乳酸反应，HIIT组的减少 much more pronounced。重要的是，耐力训练后血乳酸浓度降低不应直接解释为增强乳酸清除的直接证据。重复运动 also 重塑骨骼肌氧化机制。六周有氧 cycling 结合 continuous and interval sessions 分别增加柠檬酸合酶活性和线粒体呼吸链complex I–IV活性45%和31%。尽管纵向研究表明训练诱导的循环乳酸反应和骨骼肌线粒体功能适应，但乳酸代谢和线粒体细胞因子产生之间协调适应的证据仍然 limited。需要纵向研究 combine 乳酸动力学测量 with FGF21、GDF15、MOTS-c和Humanin的重复评估，以确定这些反应是否经历协调适应或代表重复运动的独立后果。

7. Translational Perspectives and Potential Applications of the Lactate–Mitokine Axis

乳酸-线粒体细胞因子轴的潜在转化价值在于整合代谢和线粒体应激反应以更好地 characterize 运动适应。尽管血乳酸 routinely 用于评估运动强度，其浓度反映产生、转运、氧化和清除之间的平衡，而非 signaling alone。combine 乳酸动力学与循环FGF21、GDF15、MOTS-c和Humanin测量可提供 additional 信息。然而，将这些分子解释为运动诱导线粒体应激的生物标志物受到若干生物学和分析学限制约束。FGF21和GDF15 not specific to 运动诱导的线粒体 dysfunction， may originate from various tissues。此外， assay 特异性、敏感性、校准和可重复性 may limit 跨研究可比性。因此，标准化的采样条件和分析验证的方法至关重要。除运动监测外，该框架 may have implications for 与受损线粒体功能和代谢灵活性相关的 conditions，包括aging、肥胖、胰岛素抵抗和肌肉减少症。然而， available 证据未 establish 改变的乳酸-线粒体细胞因子相互作用在这些 conditions 中 contribute 因果。未来调查应优先进行 controlled 人类研究 combine 标准化运动干预、乳酸动力学测量和循环及组织特异性线粒体细胞因子的 serial 评估。应 incorporate 乳酸可用性或 signaling 的实验操控以区分直接调节效应和运动诱导代谢应激的并行反应。目前，乳酸动力学和循环线粒体细胞因子的 combined 评估 remain a research-oriented 方法 rather than validated 生物标志物策略。

8. Conclusions

身体努力产生的适应通过 various 代谢机制的整合实现。乳酸和线粒体应激 both 源于增加的能量需求，并具有旁分泌 signaling potential。乳酸 playing multiple roles： serving as 氧化底物 and facilitating inter-organ carbon shuttling， while also acting as potential HCAR1 signaling molecule 或介导乳酸化。运动诱导的线粒体应激激活能量和redox通路，但也 trigger FGF21、GDF15、MOTS-c和Humanin等线粒体细胞因子的释放。糖酵解/乳酸 signaling 和线粒体应激反应汇聚于关键调节节点， most notably AMPK、p38 MAPK、NAD⁺/NADH、SIRT1和PGC-1α。因此，提出的乳酸-线粒体细胞因子轴应视为连接糖酵解代谢和线粒体应激 signaling 的概念框架， rather than established 的双向调节通路。尽管这些过程汇聚于 shared 代谢和 signaling 机制， such 汇聚 not necessarily imply 直接调节耦联。涉及乳酸依赖性FGF21调节的实验发现提供了特定组织和实验背景中潜在相互作用的证据，但其对人类运动期间全身内分泌反应的相关性仍 uncertain。Moreover， direct 乳酸依赖性GDF15、MOTS-c和Humanin的调节未 sufficiently demonstrated。若干 fundamental 问题仍未解决：生理乳酸可用性变化是否直接调节运动期间线粒体细胞因子表达或分泌；线粒体细胞因子 signaling 是否 reciprocally influence 乳酸产生、转运或氧化； and 这些相互作用是否经历重复训练后的协调适应。在 such 证据 available 之前，乳酸-线粒体细胞因子轴 represents 调查运动期间代谢和线粒体通讯的假设生成模型， rather than 生理 validated 的调节系统。