超越全身心肺阈值：神经肌肉电刺激通过加速糖酵解通量诱导SPARC反应

《European Journal of Applied Physiology》：Bypassing the systemic cardiorespiratory threshold: neuromuscular electrical stimulation elicits a SPARC response through accelerated glycolytic flux

　　

分泌蛋白酸性且富含半胱氨酸（Secreted Protein Acidic and Rich in Cysteine, SPARC）是一种具有潜在肿瘤抑制特性的肌因子（myokine）。SPARC的分泌通常需要高强度运动。神经肌肉电刺激（Neuromuscular Electrical Stimulation, NMES）非选择性地募集糖酵解型II类肌纤维（Type II muscle fibers），尽管全身心肺需求较低，但仍可能诱导强烈的局部代谢应激。本研究旨在探讨单次NMES运动（强度对应于第一通气阈，Ventilatory Threshold 1, VT1）对健康年轻受试者循环SPARC水平的急性影响。13名健康男性（21.0 ± 0.7岁）参与了一项随机交叉研究：对照组（休息）和30分钟NMES（最大可耐受强度，心率上限为VT1的120%）。在每个阶段前后测量血清SPARC、乳酸和葡萄糖水平。结果显示，NMES显著增加血清SPARC（616.0 ± 200.9至739.2 ± 279.8 ng/mL，p = 0.0078，d = 0.61）和血乳酸（1.4 ± 0.4至4.8 ± 1.5 mmol/L，p < 0.0001，d = 8.42）水平，同时降低葡萄糖水平（p = 0.0377，d = ?0.92）。ΔSPARC与Δ乳酸之间的相关性（r = 0.37，p = 0.21）显示出与前一项高强度运动研究中观察到的效应量一致的正趋势。结论表明，VT1强度的NMES通过加速糖酵解通量和随后的乳酸积累，绕过全身心肺阈值，增加循环SPARC水平。该研究为NMES作为一种潜在策略，在无法承受剧烈主动运动的群体中诱导SPARC反应提供了生理学框架。

**研究背景与问题提出**

流行病学证据表明，运动和规律的体力活动（Physical Activity, PA），包括低强度PA，能显著降低结肠癌风险。这种保护作用通过多种生理机制介导，包括减少肥胖、改善胰岛素敏感性、抑制全身性炎症以及调节免疫功能。尽管这些全身性变化已被充分记录，但运动诱导肿瘤抑制的直接分子机制仍 largely elusive（很大程度上仍不清楚）。近年来，"肌肉作为内分泌器官"的范式受到关注，即收缩骨骼肌分泌的肌因子介导与远处器官（包括结肠）的串扰。

在多种肌因子中，SPARC被确定为潜在抑制癌症进展的候选因子之一。小鼠模型的机制性证据表明，SPARC通过激活caspase-3和caspase-8通路触发恶性细胞凋亡，从而抑制异常隐窝病灶（结肠癌腺癌前体）的发展。值得注意的是，运动诱导的SPARC表达上调主要发生在骨骼肌，其他组织（包括结肠）未观察到显著变化。运动后血液中SPARC水平的伴随升高表明，这些循环SPARC可能来源于骨骼肌，支持其作为内分泌因子到达结肠环境并对结肠发挥潜在抗肿瘤作用的假设。

运动诱导的循环SPARC动力学在人类中表现出短暂的全身性释放，但这种反应似乎强烈依赖于强度。之前的研究表明，仅在第二通气阈（Ventilatory Threshold 2, VT2，心率177.1 ± 10.6 bpm）运动时血清SPARC水平升高（伴随大量乳酸积累，约7.0 mmol/L），而在第一通气阈（VT1，心率138.9 ± 14.3 bpm）时则不升高（仅引起适度乳酸升高2.1–2.4 mmol/L）。这种强度依赖性反应与血乳酸浓度呈正相关（r = 0.411），血乳酸作为加速糖酵解代谢的替代指标。这些发现提示，达到以加速糖酵解为特征的特定代谢阈值可能是运动诱导SPARC分泌的先决条件。然而，VT2强度运动的要求对虚弱群体或功能障碍个体构成重大临床挑战，对他们而言，这种高强度方案通常不可行。

神经肌肉电刺激（NMES）作为传统主动运动的可行替代方案受到关注。NMES已在临床和运动人群中广泛应用，并显示出显著改善骨骼肌力量、有氧能力和葡萄糖代谢的效果。与主动运动遵循的Henneman大小法则（size principle）不同，NMES的主要生理优势在于其能够随机或非选择性地募集II型肌纤维。值得注意的是，这种独特的募集模式即使在相对较低强度（如最大主动收缩的20%）下也可发生。由于II型纤维主要依赖糖酵解代谢，这种独特的募集模式使NMES即使在相对较低的全身摄氧量（oxygen uptake, ^VO₂）水平下也能诱导大量糖原利用和血乳酸积累。事实上，NMES已被证明比相同^VO₂下的主动蹬车运动引起更大的血乳酸水平升高。这种局部代谢应激与全身心肺需求的解偶联提示，NMES可能绕过主动运动通常需要达到的强度阈值，从而创造SPARC分泌所需的特定代谢环境。

然而，NMES诱导的独特高局部代谢应激是否足以在没有高全身代谢应激的情况下提高循环SPARC浓度，仍有待阐明。本研究旨在通过建立VT1阈值时的SPARC动力学（在此强度下，由于全身需求低，主动运动无法引起SPARC反应），在健康成人模型中提供关键的概念验证。

**主要技术方法**

本研究采用随机交叉试验设计，13名健康年轻男性（21.0 ± 0.7岁）参与对照（30分钟被动仰卧休息）和NMES（30分钟NMES，最大可耐受强度，心率上限为VT1的120%）两个阶段，间隔至少48小时。首次访问时进行递增运动试验（cycle ergometer）测定个体峰值^VO₂和VT1。NMES使用六电极硅胶橡胶带设备（Homer Ion），频率4 Hz，强度在最初10分钟逐渐增至最大可耐受强度，随后20分钟维持恒定。血清SPARC采用酶联免疫吸附测定（Enzyme-Linked Immunoassay, ELISA）测量；血乳酸和葡萄糖采用自动分析仪测量。统计分析采用线性混合模型（Restricted Maximum Likelihood, REML）和Tukey's Honestly Significant Difference（HSD）事后检验，并进行Pearson相关分析。

**研究结果**

**参与者特征与运动能力**：最初19名志愿者入选，最终13名完成者纳入分析（3名因无法达到生理依从性阈值[VT1心率的80%]被排除为次阈值组）。完成者平均峰值^VO₂为35.7 ± 5.1 mL/kg/min，VT1为21.7 ± 4.4 mL/kg/min。

**NMES强度与生理需求**：NMES平均输出脉冲电流为117.0–129.4 mA。完成者NMES期间心率为131.0 ± 13.3 bpm（vs. 对照组：70.2 ± 8.9 bpm；p < 0.001），达到VT1心率的95.4 ± 13.3%。个体和平均心率时间变化显示，10分钟强度调整期后总体趋于稳定。

**血清SPARC与代谢反应**：NMES引起SPARC和代谢参数的显著改变，而对照组无此变化。

- **血清SPARC浓度**：NMES后血清SPARC从616.0 ± 200.9显著升高至739.2 ± 279.8 ng/mL（MD = 123.2，95% CI [26.7, 219.6]，p = 0.0078，d = 0.61），对照组无显著变化（MD = 7.0，p = 0.997，d = 0.07）。统计分析确认显著的session-by-time交互作用（F(1, 36) = 5.26，p = 0.0277，η_p² = 0.128）和时间主效应（F(1, 36) = 6.61，p = 0.0144，η_p² = 0.155）。

- **血乳酸**：NMES期间乳酸从1.4 ± 0.4大幅积累至4.8 ± 1.5 mmol/L（MD = 3.4，95% CI [2.6, 4.2]，p < 0.0001，d = 8.42），对照组保持基线水平（1.3 ± 0.3至1.6 ± 0.5 mmol/L，p = 0.7799）。session-by-time交互作用高度显著（F(1, 36) = 55.91，p < 0.0001，η_p² = 0.608）。

- **血糖**：NMES后葡萄糖从86.9 ± 7.7降至79.8 ± 9.9 mg/dL（MD = ?7.1，95% CI [?gsl?13.8, ?0.3]，p = 0.0377，d = ?0.92），对照组无此降低。session和 NMES的交互作用未达统计学显著（F(1, 36) = 2.92，p = 0.0960），但session和时间主效应显著。

**相关性分析**：Δ乳酸与ΔSPARC的相关性未达显著（r = 0.37，p = 0.21）。Δ葡萄糖与ΔSPARC之间亦无明确生理耦合（r = 0.21，p = 0.50）。

**讨论总结**

本研究的主要发现是，NMES在对应于VT1心率的强度下诱导了循环SPARC水平的显著变化。这一全身需求（95.4 ± 13.3%的VT1心率）与之前研究中主动运动未能引起SPARC反应的强度（96.0 ± 11.6%的VT1心率）几乎相同。这些结果表明，NMES能够将局部代谢应激（以加速糖酵解和乳酸积累为特征）与全身心肺负荷解偶联。这一现象与NMES领域数十年的共识基本一致。虽然这种独特的代谢-全身解偶联已被广泛用于优化肌肉强化和血糖控制，但本研究进一步提示其在运动肿瘤学领域的潜在相关性。该研究首次在人类受试者中证明，NMES诱导的代谢绕过能有效刺激SPARC（一种独特的肿瘤抑制性肌因子）的分泌。

观察到的SPARC分泌的独特模式可能归因于I型和II型肌纤维的非选择性同时募集。在主动运动中，募集高阈值II型纤维和乳酸积累需要高强度运动。虽然理论上孤立的最大主动收缩可在低全身^VO₂下实现高阈值纤维募集，但这种高强度主动运动对虚弱群体往往不可行。然而，NMES绕过这些主动限制，强力激活II型纤维，加速大量糖原利用和乳酸积累。这种独特特性使NMES能够在不需要高强度全身需求的情况下提供必要的局部代谢应激。本研究中，尽管NMES期间心率处于VT1水平，但NMES后乳酸浓度达到5.0 ± 1.3 mmol/L。先前研究表明，主动运动VT1时的血乳酸浓度通常约为2.0 mmol/L，而VT2工作量特征为乳酸水平进一步升高，具体为4.0 mmol/L。因此，本研究中观察到的乳酸水平（5.0 mmol/L）表明，尽管心率保持在VT1，NMES诱导的代谢应激达到了相当于或超过VT2强度的水平。这一结果提供了概念验证：NMES有效绕过了主动运动通常需要达到与SPARC释放相关代谢条件的全身心肺阈值。

NMES诱导的代谢应激似乎是SPARC释放的主要驱动因素，可能通过腺苷单磷酸激活蛋白激酶（Adenosine Monophosphate-Activated Protein Kinase, AMPK）信号通路介导。由于AMPK具有糖原结合域，预期糖原耗竭运动能通过AMPK激活显著升高血液SPARC水平。此外，乳酸已被牵涉与AMPK激活相关的分子信号通路。本研究中观察到的乳酸和SPARC水平的显著增加，以及血糖水平的降低，支持NMES诱导的糖酵解反应作为SPARC分泌关键触发因素的假设。然而，Songsorn等报道单次20秒超最大骑行冲刺未能增加SPARC释放，提示短暂运动可能不足以触发必要的代谢反应。因此，高心肺需求（以^VO₂和心率等指标反映）似乎并非循环SPARC水平的唯一决定因素；这些发现提示，高局部代谢应激的积累是必要触发因素。

尽管Δ乳酸与ΔSPARC的相关性未达统计显著（r = 0.37，p = 0.21），但应在研究统计效力的背景下解释这一发现。本研究的事先功效分析专门针对检测主要session-by-time交互效应优化（1?β = 0.80，n = 12），因此可能对确认次要相关系数效力不足。然而，观察到的效应量（r = 0.37）与之前主动运动研究中报告的r = 0.411（p < 0.05）非常一致。这种近乎相同的效应量大小和方向强烈提示，加速糖酵解应激与SPARC分泌之间的潜在生理耦联在不同收缩模式下保持完整，尽管当前样本量妨碍了这一次要参数的统计显著性。

本研究排除了三名参与者（次阈值组），因NMES引起的疼痛/不适阻止他们达到预定义的生理阈值（VT1心率的80%）。解决这种不耐受性仍是NMES未来临床应用的关键挑战。尽管通常认为较高水平的脂肪组织增加电阻和感觉不适，次阈值组却 paradoxically 表现出比完成者更低的平均体脂百分比（14.0 ± 3.1% vs. 15.8 ± 6.1%）。这一发现表明，本研究中总体脂量并非NMES不耐受的主要决定因素。相反，其他因素如脂肪相对于电极的区域分布或个体疼痛敏感性变异可能发挥了更重要作用。此外，参与者缺乏NMES经验可能放大了其感知疼痛/不适，潜在限制了可达到的刺激强度和随后的代谢反应。因此，实施结构化适应方案可能是该人群应用足够代谢应激的必要条件。

从临床角度，结果表明NMES可作为诱导强度依赖性SPARC反应的辅助方式，前提是针对传统运动指南难以实现的人群进行进一步验证。虽然当前指南强调中高强度运动，但这种活动对虚弱老年人往往不现实。NMES可能通过诱导与SPARC分泌所需的局部代谢环境，为绕过这一障碍提供生理途径，即使个体保持久坐或仰卧位。虽然SPARC的抗肿瘤潜力已在小鼠模型中报道，但健康人群中观察到的SPARC升高幅度是否足以在人类和临床环境中引发类似的保护效果仍不清楚。此外，对于经常经历严重疲劳的化疗患者，在床边获得运动模拟SPARC反应的理论可能性具有临床吸引力，值得未来研究。

**研究结论**

本研究表明，VT1心率对应强度的NMES通过加速糖酵解通量和随后的乳酸积累，增加健康年轻男性的循环SPARC水平。通过在低全身需求下达到与VT2水平主动运动相当的代谢环境，NMES可能有效绕过SPARC释放通常需要的传统心肺阈值。最终，研究结果为NMES作为一种策略性运动模拟干预提供基础生理学框架，用于在剧烈主动运动禁忌的个体中诱导循环SPARC水平的增加。该论文发表于《European Journal of Applied Physiology》。