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运动性疲劳是指机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上或不能维持预定的运动强度[1].以前劳动疲劳是其最常见叫法,直到1982年,在美国波士顿召开的第5届国际运动生物化学学术会议上,才正式将运动性疲劳作为专题进行讨论,该会议专门将运动、劳动、疲劳、力竭的概念作了区分与解释,从而正式对运动性疲劳这一概念做出了上述定义.
随着抗疲劳药物需求的增多,中药补气类药物凭借其效果显著、天然且副作用低的优势引起了国内外学者的大量关注,红景天、人参、黄芪这些我国的地道中药都已被证实具有明显的抗运动性疲劳作用[3].如于亮等[4]连续灌喂昆明小鼠28 d红景天苷(Salidroside,SAL)后,昆明小鼠运动耐力比灌药前明显增加了75%.还有徐云凤等[5]发现人参蛋白能显著增加小鼠负重力竭游泳时间,降低血乳酸含量,增加肝糖原含量,对运动耐力有显著提高.有研究发现抗疲劳药物通过调节PGC-1α(α subunitof peroxisome proliferators-activated receptor-γ coactivator-1)的表达起到抗疲劳的作用,赵婷婷[6]的研究得出了耐力运动能通过Akt-NRF-1-mtTFA途径、Akt-NOS途径、p38MAPK-PGC1-α-NRF1-mtTFA途径诱发线粒体的生物产生,保持线粒体功能,而黄芪丹参复合物亦是经过这些途径.还有熊斌等[7]通过设计昆明鼠运动耐力实验得出紫色甘薯醇提物能通过提升PGC-1α蛋白表达以此加快昆明鼠体内能量代谢,产生抗疲劳的效果.
党参是我国传统名贵的补益类药材,其功效接近人参,包含植物党参以及中药材党参. 2010版《中国药典》规定,党参为桔梗科植物党参[Codonopsis pilosula (Franch.) Nannf]、素华党参[Codonopsis pilosula Nannf.var. modesta (Nannf) L. T. Shen]或川党参[Codonopsis tangshen Oliv]的干燥根[2].党参与红景天、人参、黄芪等同属补气类药物,有特殊香气,带有少许甜味,能够补气、健脾、益肺,但关于其抗疲劳方面的研究却鲜有报道.
中华人民共和国卫生部于2003年公布的《保健食品功能学评价程序和检验方法》[8]中规定,凡是达到1项及1项以上运动实验指标和2项以上生化指标呈阳性条件的,就可判断所测药物具有抗疲劳作用.本研究欲通过测定党参提取物对昆明小鼠负重力竭游泳时间的影响以及血清尿素氮、血乳酸、肝糖原3个生化指标的变化,并用Western Blot检测PGC-1α蛋白的表达,开展党参抗运动性疲劳研究,为我国地道中药党参的相关研究积累文献资料,增进人们对党参的了解,为开发党参运动食品、饮品等提供帮助,有效利用我国党参丰富的天然资源,提高党参产业的经济效益.
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本实验党参来源为重庆市石柱县中药材生产基地,采集时间为2016年10月,经西南大学药学院李学刚教授鉴定,并确认为川党参.我们将所采集到的川党参的根部放在烘箱中干燥,温度设置50 ℃,然后粉碎,过40目筛,将其密封保存于容器中.
取备用党参粉末30 g左右放入锥形瓶内,加入20 mL的95%乙醇,在超声波清洗器中处理30 min,过滤,并重复上述方式对滤渣进行处理,将滤液合并,在水浴锅上用蒸发皿将提取物浓缩[8].
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4周龄健康雄性昆明小鼠,体质量范围在18~22 g,由西南大学药学院提供.
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乳酸(Lactic Acid LD)测试盒(货号:A019-2测血清、组织等),血清尿素氮(BUN)测试盒(货号:C013-1二乙酰肟法),糖原测试盒(货号:A043测肝脏、肌肉组织等),均购于南京建成生物工程研究所,PGC-1α蛋白抗体,购于武汉三鹰生物技术有限公司.
JA2003-精密电子天平、恒温水浴锅、KQ-700DV型数控超声清洗器、LD4-2A离心机、全自动生化分析仪、721分光光度计、电泳仪、游泳箱(60 cm×60 cm×50 cm)等.
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选40只昆明种小鼠,适应性喂养3 d,按体质量随机分组,设空白对照组,党参提取物低剂量组(100 mg/(kg·d)),中剂量组(300 mg/(kg·d)),高剂量组(600 mg/(kg·d))四组,每组10只,每隔2 d对小白鼠进行称质量,根据体质量的变化来调整喂药的剂量.空白组喂同低剂量组体积的生理盐水,连续灌喂20 d.末次给药30 min后,将小鼠放入准备好的游泳箱中进行负重力竭游泳,水温控制在32 ℃±2 ℃,水深30 cm.每只实验鼠尾部负重体质量10%的铅皮,然后记载小鼠游泳到力竭的时间.当小鼠头部没入水中时间达到10 s且不再向上,放在平面上不能够自主进行翻正动作即可判断其达到力竭.
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实验前期操作同1.4.1,在末次灌喂小鼠30 min后,将小鼠放于水温30 ℃的游泳箱,10 min后取出,于眼眶中取血,在3 500 r/min转速下10 min,取其上清液,严格按照试剂盒说明书所写步骤进行血乳酸含量的测定.
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实验分组、灌喂同1.4.1,在末次给药30 min后,小鼠在水温为25 ℃的游泳箱中游泳60 min,于眼眶中取血,分离血清,严格按照试剂盒说明书步骤进行血清尿素氮的测定.
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实验条件同1.4.1,末次给药30 min后,解剖,取肝脏,生理盐水洗净,滤纸吸干,精确称取肝脏组织,按标本质量(mg):碱液体积(μL)=1:3,一起加入试管中,沸水浴煮20 min,流水冷却,将糖原水解液进一步制备成糖原检测液.
混匀后置沸水中煮5 min,冷却后于波长620 nm,光径1 cm,空白管调零,测各管OD值.
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同实验1.4.3,取其腓肠肌,提取PGC-1α蛋白,用Western Blot测定[9]PGC-1α表达,将昆明小鼠腓肠肌组织碾碎,PBS缓冲液漂洗3次,加入组织裂解液,用匀浆器对组织进行匀浆,BCA法定量卵白,SDS-PAGE,半干转膜仪转模,PVDF膜封闭2h,PGC-1α一抗(1:1 000浓度稀释)4 ℃过夜,加入HRP标记的二抗放在37 ℃实验室1h,用Luminate crescendo Western HRP Substrate显影液对膜进行预染,Bio-Rad显影,最后利用Image Lab 3.0软件分析.
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运用SPSS 13.0对所得的数据进行单因素方差分析,实验结果用M±SE来表示,并使用origin v8.0软件作图.
1.1. 党参提取物
1.2. 实验动物
1.3. 主要试剂与仪器
1.4. 实验方法
1.4.1. 负重游泳实验
1.4.2. 血乳酸的测量
1.4.3. 血清尿素氮的测量
1.4.4. 肝糖原的测定
1.4.5. PGC-1α蛋白表达的测定
1.4.6. 数据分析
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图 1给出了末次给药30 min后昆明小鼠的力竭游泳时间,我们可以看出低剂量组较空白对照组没有显著差异,但其负重游泳时间有增加的趋势,中剂量组小鼠较空白对照组有明显差异(p<0.05),高剂量组更加显著(p<0.01).低剂量组力竭时间提高了19%,中剂量组提高了41%,高剂量组提高了161.5%.
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由表 1可以看出低剂量能显著降低血乳酸含量(p<0.05),中、高剂量组降低更加明显(p<0.01).低、中、高剂量组血乳酸含量分别降低11.33%,18.82%,34.78%.
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由表 2可以看出,低剂量组对血清尿素氮含量并没有显著降低,但有下降趋势,中剂量组有显著降低(p<0.05),高剂量组效果更加明显(p<0.01),其中低剂量组血清尿素氮含量降低6%,中剂量组降低18.34%,高剂量组降低28.64%.
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由表 3可以看出低剂量组对肝糖原含量没明显增加,但有增加趋势,中剂量组对肝糖原含量增加明显(p<0.05),高剂量组效果更加明显(p<0.01),其中低剂量组增加4.83%,中、高组分别增加14.16%,30.30%.
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图 2为Western Blot检测党参提取物对昆明小鼠PGC-1α蛋白表达的结果图,条带清晰有效.从图 2(b)可以看出党参提取物低、中、高剂量组对昆明小鼠PGC-1α蛋白表达分别提高了4.36%,29.23%,41.24%.
2.1. 对力竭游泳时间的影响
2.2. 血乳酸含量
2.3. 血清尿素氮含量
2.4. 肝糖原含量
2.5. 对PGC-1α蛋白表达的影响
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当机体持续在一定的运动强度下运动时,会导致其体力和运动耐力下降,使其不能维持预期的运动负荷,造成工作能力和效率的降低,产生这一复杂的生理过程的主要原因是由于体内能量的消耗和乳酸等代谢产物的累积导致[10].运动时间延长正是抗运动性疲劳的直观外表体现,因此用力竭游泳时间的长短来作为本实验的一个指标.糖原是糖类的一种主要储藏形式,当剧烈运动时,机体中大量葡萄糖被消耗用以补充能量,这个时候糖原就成了补充葡萄糖来源的主要途径,因此糖原储备的多少直接影响到机体的运动时间的长短[11].乳酸是机体供能体系中的产物之一,为体内糖无氧产能时的副产物,当机体剧烈运动时,有氧供能会变为无氧供能,从而产生乳酸,如果机体内产生过量的乳酸,会使肌肉中H+浓度升高,pH值降低,进一步引发一系列生化变化,进而导致疲劳的发生[12].蛋白质为人体生命活动提供能量,血清尿素氮作为人体蛋白质代谢的主要产物,其含量比可表明体内含氮物质的分解状态,随着运动增强,机体内蛋白质和氨基酸的分解增强,经代谢转化生成尿素进入血液中,使血尿素增加,因此随着运动负荷的加大,血尿素氮的产生也随及增加,致使身体难以适应相应的负荷强度,最终导致疲劳的发生[13].实验测得党参提取物可明显延长昆明小鼠力竭游泳时间,使血乳酸以及血尿素氮含量下降,增加肝糖原储备,具备1项运动试验指标和3项生化指标呈阳性的条件,说明党参提取物有抗疲劳作用,在我们设计的力竭运动实验中,党参提取物明显延长了昆明小鼠在一定强度下持续运动的时间,进而得出结论:党参提取物能够抗运动性疲劳.
PGC-1α是过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子1(PGC-1)的成员之一[14].较多分布在心脏、骨骼肌等富含线粒体的组织内,作为一个转录辅助活化因子而存在,对线粒体的合成、骨骼肌纤维类型的转换、调节适应性产热这些过程都有着至关重要的影响,与能量代谢密切相关,能够与多种核受体和非核受体结合,调节基因表达[15-16]. PGC-1α亦被称为各种代谢通路的“分子开关”,已有大量的文献证明其在慢肌纤维生成、糖脂代谢调节、线粒体生成以及电子传递链、氧自由基消除等过程中扮演重要角色[17].马莉等[18]实验证实红景天苷能够经过对PGC-1α,PPARα,mtTFA蛋白产生作用来促进肌细胞的氧化代谢和增进肌肉耐疲劳的程度. Tadaishi M等[19]证实转FL-PGC-1α-b基因鼠GLUT-4 mRNA表达下调,并且与糖原至丙酮酸代谢相关的酶,特别是包括参与糖原分解的糖原磷酸化酶(PYGM)以及与糖酵解相关的磷酸果糖激酶(PFKM)、丙酮酸激酶(PKM)这些重要调节酶基因转录均下调,且转基因鼠在运动时能够减少对糖原的消耗,节约糖原,在运动过后出现乳酸值低的情形.崔安芳[20]发现KLF9能够作用在PGC-1α基因的启动子,进一步通过染色质免疫沉淀试验验证了KLF9能够连接PGC-1α的启动子,从而引发糖异生活动发生,提高原代肝细胞的葡萄糖利用率.另有一项关于全身组织过表达人类PGC-la的转基因鼠研究,PGC-la的过表达在骨骼肌表现为提高胰岛素的敏感度以及增添糖原储备[21-22].
本次实验发现,党参提取物能明显提高PGC-1α蛋白的表达,并伴随着血乳酸、血清尿素氮的减少以及肝糖原储备的增加,并使昆明小鼠耐运动性疲劳能力得到提高.因此我们可以得到,党参提取物很可能是通过提高PGC-1α蛋白的表达来减少代谢产物的堆积,增加糖原含量,从而达到抗运动性疲劳的作用.