缺血預適應在運動科學之應用

缺血預適應流程
▲缺血預適應流程
圖2 非運動員經IPC介入探討肌肉組織血流量及肌肉功能研究流程
▲圖2 非運動員經IPC介入探討肌肉組織血流量及肌肉功能研究流程
圖3 非運動員經IPC或SHAM介入之近紅外線光譜儀血氧數值變化
▲圖3 非運動員經IPC或SHAM介入之近紅外線光譜儀血氧數值變化

(中央社訊息服務20210505 14:51:35)運動增能術 (ergogenic aids)

運動員以突破成績、超越自我為目標,而運動科學在這過程中可能扮演重要角色。為強化運動表現,可採用所謂的運動增能術 (ergogenic aids),最常見的方法就是營養增補,包含:高蛋白、肌酸、丙胺酸、碳酸氫鈉和咖啡因等營養品,以上皆是經多數研究證實具提升運動能力的有效物質。然而,競技選手並非所有物質都可任意使用,負責掌管全球運動禁藥事務的世界反運動禁藥機構 (World Anti-Doping Agency, WADA) 會定期公告最新的禁用物質清單,例如:同化性類固醇、荷爾蒙、紅血球生成素,以及最近被熱烈討論的瘦肉精等。另有一些則是在比賽期間內禁用,但允許賽外期間使用的,例如:興奮劑、腎上腺皮質素等。除了吃的營養品外,某些方法或手段以改變生理狀況,也可被歸類成運動增能術,像是吸高氧、低氧訓練或甚至特殊的熱身課表等,但像血液輸送 (blood doping) 等方式 (除了緊急醫療用途) 則被WADA歸類為禁止使用的方法。

除了上述提及的運動增能術外,還有沒有其他可立即增加運動能力的手段呢?缺血預適應 (ischemic preconditioning, IPC) 絕對是選項之一。

缺血預適應 (ischemic preconditioning) 的緣起

IPC的源起,可回朔到1986年,當時已知缺血會對心臟造成傷害。Murry等學者便假設在長時間的缺血前,先進行短暫、反覆數回合的缺血再灌流,會產生更嚴重的累積性傷害。他們以犬為實驗對象,在實驗犬的心臟缺血前先短暫阻斷冠狀動脈,反覆共4次,之後再讓犬的心臟缺血40分鐘。數天後分析這些犬的心臟,結果有驚人的發現。實驗組的心肌不但沒有看到累積性傷害,相較於直接進行缺血40分鐘的控制組,反而還減少了心肌梗塞的面積,因此提出了IPC的概念。現今對IPC的定義可簡單解釋為細胞或組織先接受適度的刺激,隨後可產生或提高自我保護力,以對抗後續更大的傷害。

缺血預適應在運動科學的應用

儘管當時對IPC的詳細機轉仍不明確,但學者認為的可能機制包含:血管舒張、血流再分配和增加粒線體功能等,而這些生理現象恰巧就是提升運動表現的關鍵因素,因此運動生理學家便嘗試將IPC套用到運動科學領域。2010年de Groot等學者於< European Journal of Applied Physiology> (歐洲應用生理學期刊) 發表了一篇名為 (IPC可增進人體最大運動表現) 的論文,可說是IPC應用於人體運動表現的首例。他們找了一群自行車選手,在選手進行最大有氧能力檢測前,先進行IPC處理,而另一次試驗則是直接進行最大有氧能力檢測,實驗採交叉平衡設計。IPC的執行方式是以類似壓脈帶的工具綑在選手的雙腳大腿,左、右兩腳輪流充氣加壓5分鐘、放氣洩壓5分鐘,反覆3回合。當進行加壓時,壓脈帶的壓力會高於選手的收縮壓,以達到阻斷血流之效。結果發現,在進行IPC的試驗中,選手的最大耗氧量 (maximal oxygen consumption) 與最大輸出功率 (maximal power output) 都顯著高於沒有進行IPC之試驗,充分驗證了IPC對於增近運動表現的效果。基於IPC可改善周邊肌肉功能及中心血管的適應而提升運動表現的特性,從2010年至今已有超過50篇的研究在探討IPC與運動表現,種類包含:自行車、游泳、跑步、划船和肌力等,而從近期的回顧性論文 (review paper) 來看,IPC對運動表現有正向作用的文獻有25篇,無顯著效果的則有15篇。

缺血預適應可提升非運動員肌肉組織的血流量但無法改善短時間的肌肉功能

由於初期的IPC研究大多是針對有氧運動,較少人探討IPC對肌力或局部肌耐力的影響,因此筆者招募了一群健康但非運動員的男性,參考了de Groot et al. (2010) 的方式同樣以雙腳交替阻斷血流的方式模擬IPC (處理流程如圖1),隨後以等速肌力儀 (isokinetic dynamometer) 分析實驗對象的最大等速肌力與連踢30下的肌耐力表現,同時還使用近紅外線光譜儀 (near-infrared spectroscopy) 收集實驗對象的血流資料 (實驗流程如圖2);我們的研究假設是IPC介入能提升肌入組織的含氧量進而提升等速肌力與肌耐力表現。但結果不如預期,我們發現與控制組 (SHAM) 相比,IPC處理後之總血紅素 (total hemoglobin) 濃度顯著提升,但氧血紅素 (oxygen hemoglobin)、去含氧血紅素 (deoxygen hemoglobin) 和氧氣飽和度 (oxygen saturation) 則無顯著變化 (圖3),此外,等速肌力與肌耐力並變化;意即我們的IPC介入方式僅稍微改變了血流與血氧飽和度。比對其他研究的結果,IPC視乎對有氧性的運動效果較佳。儘管有學者聲稱IPC如同合法的運動禁藥,但有關IPC的詳細機制,如:最佳的使用時機,甚至最佳化的操作方法 (血流阻斷時間、回合數、壓力等),這些仍是未解之謎,有待更多資料解惑。

本文改寫自「Effects of ischemic preconditioning on local hemodynamics and isokinetic muscular function」,詳盡研究內容請參閱Isokinetics and Exercise Science期刊,第28期 (2020年3月),73-81頁。

訊息來源:國家運動訓練中心運動科學處陸康豪、澳洲雪梨大學公共衛生學系黃博暉、國立體育大學競技與教練科學研究所張政鈺、慈濟科技大學通識教育中心王錠堯、國立體育大學競技與教練科學研究所詹貴惠

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