面向21世纪的运动医学研究

运动医学是1门研究运动及缺乏运动对机体生理、病理影响的综合性科学，属新兴的医学学科。从学科的目标与任务界定，运动医学通常可分为基础与临床2个方面。临床工作主要涉及到医务监督、运动创伤、运动员营养卫生、医疗体育以及兴奋剂检测几个学科领域。而基础性研究工作主要涉及到机体器官组织形态、结构、成份、功能及代谢对运动训练适应性或称生物学效应的研究；运动性伤病的组织、细胞及分子病理学研究；运动性疲劳与过度疲劳的发生机制、病生理改变以及消除疲劳手段的研究以及运动员科学选材等方面的研究，涉及的领域较广。这里，仅就运动医学应用基础性研究现状，新技术对运动医学研究的推动及运动医学研究领域的热点与前沿问题的研究与思考几个方面，综述运动医学的研究领域的现状与进展。 　　 1 运动医学研究现状 　　运动医学研究是随着体育运动对人体运动能力需求的不断增加而发展进步的。同时，也与生物医学理论与技术的发展与进步，各学科间的相互渗透，新理论、新技术的不断应用息息相关。随着生物医学理论与技术的发展，运动医学研究领域不断扩展，研究水平不断提高。目前，有关基础性研究已从整体、器官与系统水平拓展到组织与细胞水平，尤其电子显微镜、荧光显微镜、流式细胞仪的问世，使运动医学研究深化至亚细胞与分子水平，诸学者在各器官系统对于运动训练的适应性方面展开了广泛的研究，为运动员身体器官系统适应性改变的形态结构与功能代谢基础、运动肌肉纤维类型分类及运动性伤病的组织病理学特征方面的探索提供了重要的实验依据[1)[2][3][4][5]。20世纪80年代以来，随着细胞学研究方法的进展，计算机显微图像分析仪、显微分光光度仪、流式细胞仪的开发与应用，运动性组织细胞形态学研究从传统的定性研究跨入了定量研究阶段，尤其在运动性心肌与骨骼肌肥大及有氧运动的组织细胞学基础等领域的研究取得了可喜的进展，揭示了运动性心肌与骨骼肌肥大和有氧运动的定量组织细胞形态学基础[6][7][8][9][10][11]。20世纪90年代初，自动化激光扫描共聚焦显微镜，即“细胞工作站”的问世，使运动医学研究进一步深化，实现了运动性组织细胞形态学研究从死细胞到活细胞研究的飞跃，客观真实地反映了活细胞内亚结构、DNA、RNA、酶类、受体分子及离子研究的定量定位定时及动态变化。为运动性心肌与骨骼肌收缩功能增强的重要耦联因子及肌纤维收缩速率及输出功率的关键环节的揭示以及运动性心肌与骨胳肌肥大发生机制的探讨提供了可贵的实验依据[12][13][14][15]。 　　近年，随着基因重组与克隆等分子生物学理论与技术的发展，运动医学研究又从细胞、亚细胞研究扩展到分子与基因水平的研究，使运动医学研究取得了长足的进展，对于运动性心脏与肌肉肥大的发生、发展与转归有了新的认识，为揭示运动器官系统适应性的形态结构与功能代谢基础、运动器官系统适应性的发生机制、运动性伤病的组织病理与分子病理学特征以及运动员身体结构的机械运动规律及其体育运动技术关系作出了重要贡献，也为运动医学学科发展奠定了理论基础[16]。最近，在运动性微损伤的病因与病变的研究方面又提出了新的概念，认为运动性微损伤、运动性疲劳及过度疲劳的发生可能与细胞凋亡有关[17][18][19][20][21][22][23][24]，为运动性微损伤、运动性疲劳及过度疲劳的进一步研究开拓了1条新思路，展示了广泛的研究前景。 　　运动员科学选材作为运动医学研究的重要部分已成为体育科学研究的热点。由于制约运动员成材的因素很多，因而选材研究的内容必然涉及到方方面面众多领域。目前，运动员选材已从单一方面研究深入到全面展示不同项目运动员身体形态、生理机能、生物力学及心理学方面的综合特征，尤其深入到运动员不同运动能力的遗传特征和家族聚集性等方面的研究，并已着手探讨体质与运动能力相关基因的分布特征、基因表达、变异状况等问题[24][25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40]。 　　相信不久的将来，经过科学选材及运动员身体形态结构与机能代谢诸方面的综合研究，必将把竞技体育运动向更高、更快、更强的方向推进。同时，随着社会体育的发展，运动医学研究亦将为大众健康的实现及全民身体素质的提高发挥重要作用。 　　 2 新技术对运动医学学科发展的推动 　　1个世纪以来，运动医学研究颈域之所以取得了长足的进展，无不得益于现代细胞与分子生物学技术与方法的建立与发展。 　　 2.1 从定性到定量研究的飞跃 　　自17世纪显微镜用于医学诊断与研究以来，传统的显微形态学研究多采用定性观察与描述，少数显微形态计量分析也仅限于二维结构水平，很难客观反映细胞本来的三维结构。20世纪80年代以来，随着数学与计算机科学的进展，数学家与形态学家共同合作把显微镜直接观察的平面（二维）形态图像，通过数学方法推导衍化为三维空间结构，并建立了生物体视学(bio-sterology)，用以进行细胞显微形态计量分析[41][42]。这是3个世纪以来细胞生物学研究技术的1项重大革命。 　　就形态特征而言，人体基本结构——细胞的有形成分主要分为3类：1)膜结构，包括质膜、核膜、线粒体膜、内质网膜、高尔基复合体膜、毛细血管内皮细胞膜等；2)颗粒结构，包括线粒体、溶酶体、微体、分泌颗粒等，3)纤维结构，包括微管、微丝。无论是膜、颗粒，还是纤维，任何1种结构在空间均占一定体积，均呈三维结构。因此，细胞形态计量学的内容就是将显微镜下所观察到不同形态（点、线、面）进行三维重现并数字化，定量反映出细胞结构特征[7]。20世纪80年代以来，随着生物体视学的建立，显微形态计量技术的发展及自动显微图像分析系统的建立与应用，使各器官系统的运动适应性的显微形态学研究进入了一个精确、客观，并以量的概念反映形态结构变化的阶段，避免了以往定性观察难免的主观臆测和视觉误差。这也是运动医学学科创建近1个世纪以来运动医学研究领域的重大进展，揭示了机体运动的动力器官——心脏和直接运动器官——骨骼肌对运动训练适应性的定量形态结构基础，也为运动性心脏和骨骼肌问题的深入探讨与研究提供了理论依据[9][10][11]。2.2 从死细胞到活细胞的飞跃 　　活细胞研究，尤其是成年活细胞的研究，一直是运动医学研究领域的夙愿。多少年来，由于活细胞分离、培养技术，特别是活细胞观察手段的限制，使其难以实现。20世纪90年代初，激光共聚焦显微镜及其新型探针的问世，使我们能在不影响细胞活性的基础上观察与研究活细胞的形态、结构及成分[43][44][45]。 　　激光共聚焦显微镜(laser confocal microsopy)是继计算机图像分析技术后现代细胞与分子生物学研究技术的又一项重大进展，它在光学显徽镜的基础上结合激光与计算机图像分析处理技术将光学成像的分辨率提高了30～40%。激光共聚焦显微镜集图像分析仪、流式细胞仪及显微分光光度计之功能为一身，通过特异性荧光染色不仅可对细胞内线粒体、溶酶体、内质网、细胞骨架、结构蛋白、酶类、受体、DNA、RNA含量及分布进行定量与定性分析，还可对细胞内离子含量、分布及动态变化进行分析。因此，激光共聚焦显微镜又被称为“细胞工作站”[46][47]。 　　我们知道，细胞内游离钙作为第2信使广泛参与细胞生理活动的调节过程。一方面，尤其在心肌和骨骼肌的细胞增殖过程中，胞内游离钙介导神经内分泌激素刺激细胞增殖基因的表达，诱发心肌细胞增殖肥大的发生；另一方面，在心肌收缩过程中，胞内游离钙作为耦联因子诱发心肌和骨骼肌细胞兴奋与收缩的耦联过程进而产生肌收缩。因此，肌细胞内游离钙的变化直接涉及到运动性心脏与骨骼肌结构与功能的重塑的发生过程。长期以来，由于方法学限制，很难直接分析测定细胞内游离钙浓度的改变。近年，随着激光扫描共聚焦显微镜的问世，尤其新一代钙指示剂Fluo-3/AM的开发，在不影响细胞活性基础上对胞内游离钙进行动态分析，解决了多年来胞内游离钙研究的方法学问题，使活细胞内游离钙的研究得以实施。在激光共聚焦显微镜下通过图像扫描方式分析处理出静息与收缩状态下心肌和骨骼肌细胞内钙的荧光共聚焦图像，为运动心脏和肌肉肥大发生机制的研究提供了有效的手段，也使运动性心脏和肌肉肥大发生机制的探讨进一步深入[13][14][48][49][50][51]。 　　 2.3 从形态到功能的飞跃 　　多少年来，运动医学领域的组织细胞研究多以形态观察为主，通过细胞内结构的形态与数目的变化间接反映各功能结构的功能状态。然而，免疫组织细胞化学与原位杂交技术的发展，使人们能在组织细胞原位直接了解细胞结构的功能变化及特异性功能活性物质的活性与分布。 　　免疫组织细胞化学与原位杂交技术是利用特异性抗原抗体反应与基因重组过程在组织细胞原位上显示和研究某特定物质的化学性质与功能特征的方法，其技术特点决定了它具有灵敏度高、特异性强、定位准确的优点。因此，该技术在20世纪80年代以来广泛应用于运动医学研究领域的组织细胞中蛋白质、多肽类、多糖类及核酸类活性物质的定位、定性与定量研究。近年，应用胶体金免疫组织细胞化学技术，对运动心肌中心房利钠多肽功能活性进行了定量研究，展示了心源性激素的储存形式、功能结构及功能活性，为运动心脏内分泌功能的研究提供了实验依据[10][11]。在运动性伤病研究中，通过特异性胶元免疫组织细胞化学技术的应用，揭示了运动性关节末端病的病因与发病机制。此外，在运动性骨骼肌疲劳与损伤研究方面，应用DNA缺口末端标记(TUNEL)和酶联免疫分析技术，观察到在运动性骨骼肌微损伤时，有肌细胞凋亡复合物的存在，并有肌细胞染色体D