如何提升运动表现？这家公司打出三大“招”
这是《肠道产业》第 658 篇文章
编者按
龙沙公司（Lonza）是一家全球领先的综合营养食品解决方案供应商，该公司致力于发展营养科学，提高运动表现，并且通过提供营养补充剂来增强人类的身体素质，推动人类在健康和运动领域的发展。
今天，我们特别编译发表在 Nature Portfolio 上关于龙沙公司三种有助于运动表现的新成分的文章。希望本文能够为相关的产业人士和读者带来一些启发和帮助。
不断提升的运动表现
在过去的几十年里，各种各样的人以前所未有的速度将人类的运动表现推向了极限。这就像一场革命，几乎瞬间就发生了，它重新定义了人类运动极限的可能性。
尽管这些进步就发生在数百万人的面前，但仍然令人费解。人类现在除了可以跑得更快、跳得更高之外，还能在 100 英尺高的海浪上披荆斩棘，从 100 英尺高的悬崖上一跃而下，就像是在表演令人难以置信的特技。
应用科学与运动表现研究所（Applied Science and Performance Institute）是佛罗里达州坦帕市（Tampa）的一所运动科学机构。
该公司的席执行官 Jacob M. Wilson 表示：“这些极限运动看起来是违背现实的，但实际上是循序渐进的，在看似不可能的运动背后，是一系列高效体育训练、营养搭配、科学技术、创新、勇气和毅力所产生的结果。”
泡菜、微生物和人类运动表现
人体肠道微生物组也许是近年来运动表现方向发展最快的研究领域。从我们的消化道到皮肤，人体里充满了微生物。研究表明，微生物细胞的数量比人类细胞多出 9 万亿（微生物 39 万亿个细胞，人类 30 万亿个细胞），并且含有高达 2000 万个基因的微生物组，大大超过了人类的 20000 个基因1。
这些复杂的微生物生态系统产生数以万亿的代谢产物，称为代谢组。总的来说，微生物组和代谢组与人类形成了复杂的共生关系。科学家们才刚刚开始解开这种相互作用的谜团，这些发现对人类运动表现的作用还处于起步阶段。
不过，几个独立研究小组已经提出了肠道菌群在提高全身瘦肉质量、骨骼肌质量和生理功能（定义为肠-肌轴）上的作用2。
实验表明，与对照组小鼠相比，无菌小鼠的肌肉质量与体重的比例更低，握力和耐力降低，抗疲劳能力受损。此外，把来自对照小鼠的细菌移植到无菌小鼠体内，或在无菌小鼠的饲料中添加短链脂肪酸丁酸盐均有助于恢复无菌小鼠中的缺陷2。这些结果都表明了代谢产物、微生物和身体功能之间存在着联系。
肠道菌群能够帮助宿主消化膳食中的营养素，提高运动过程中的能量产生，这对于运动机能表现优秀的个体来说，更有利于他们的新陈代谢。探索性研究表明，与久坐不动的对照组相比，运动员体内的肠道菌群中控制碳水化合物、脂肪和蛋白质的代谢途径更丰富3。
对大量志愿者（从儿童到老年人）的研究发现，运动频率与厚壁菌门（Firmicutes）有关2。厚壁菌门的主要代谢终产物是丁酸盐，它对人体的能量代谢和运动表现有多种影响。在耐力优秀的运动员和职业橄榄球运动员身上也发现了相似的结果，他们体内的厚壁菌门与拟杆菌门的比例都更高3。研究还表明，随着运动强度的增加，这些细菌（厚壁菌门）的数量也会增加2。
生合生物科技公司（Synbio Tech Inc.）是一家总部位于台湾的益生菌和微生物研究公司，该公司的研究人员进行了广泛的研究，确定了潜在的益生菌，这些益生菌可以改变运动对肠道健康的影响，同时改善耐力和机体成分。
研究人员比较感兴趣的领域是发酵食品。发酵食品和饮料是人类消费的第一批加工食品。越来越清楚的是，发酵食品可以提高营养和功能特性。许多发酵食品含有活的微生物，其中一些微生物在基因上与健康和运动人群中鉴定的菌株相似4。
泡菜是一种以卷心菜为原料发酵而成的食品，作为被广泛研究的发酵食品，它被认为具有抗氧化、抗菌和免疫刺激作用4。泡菜富含乳酸菌属（属于厚壁菌门）。大量研究已经发现，与人们所认为的泡菜的益处类似，产生丁酸盐的乳酸菌也具有有益的生物学效应，这些发现促使研究人员从发酵的台湾泡菜中分离出一株名为 TWK10 的植物乳杆菌，并对其进行了大量的研究。
TWK10与运动表现
研究团队对 TWK10 进行了探索性试验，连续 6 周每天给予小鼠零、中等浓度（2.05×108个菌落形成单位；CFU/kg/day）、高浓度（1.03×109个菌落形成单位；CFU/kg/day）的植物乳杆菌 TWK10 5。
结果表明，植物乳杆菌 TWK10 能够增加机体的肌肉质量，并且发现随着 TWK10 浓度的增加，握力和耐力也随之增加，同时能够减少肌肉损伤的血清标志物。
这些结果与较低的血清乳酸水平有关，血清乳酸是厌氧代谢产物的一个标志。而厌氧代谢产物的变化是一个与运动状态紧密相关的重要衡量标准：在相对较高的强度下，乳酸减少和脂肪代谢高是优秀运动员的标志，包括超级马拉松运动员和环法自行车赛选手。
如前所述，与非运动员相比，运动员体内产生丁酸盐的细菌更多，脂肪代谢也更强。鉴于此，一项在小鼠上进行的研究，探讨了植物乳杆菌 TWK10 是否会影响产生丁酸盐的微生物以及调节脂肪氧化的 β 氧化基因6。
研究结果表明，TWK10 可以上调 β 氧化过程中的关键酶，包括长链脂肪酸酰基辅酶 A 合成酶，从而促进脂肪氧化。
此外，添加植物乳杆菌 TWK10 还能够上调与脂肪酸转运有关的两种蛋白质——微粒体甘油三酯转运蛋白的大亚基和蛋白质二硫化物异构酶 A4。蛋白质组数据显示，肝脏中的脂肪酸氧化为其他器官提供了能量来源，而非为肝脏本身提供能量。
最后研究还发现，植物乳杆菌 TWK10 能够诱导结肠菌群向产生丁酸的细菌门改变。在这些初步结果的基础之上，龙沙和生合生技的研究人员进一步研究了植物乳杆菌 TWK10 发挥其有益作用的确切机制。
在小鼠模型的基础上，研究人员在年轻的健康参与者中，进行了为期 6 周的双盲安慰剂对照的临床试验，对参与者分别补充低剂量（3×1010 CFU /day，等同于 100 mg）和高剂量（9×1010 CFU /day）的植物乳杆菌 TWK10 7。
结果与小鼠试验相似，与安慰剂相比，植物乳杆菌 TWK10 以剂量依赖性的方式提高了运动表现。另外，在运动过程中，补充 TWK10 的参与者的血糖浓度更高，这表明 TWK10 能提高运动过程中的能量摄取。除此之外，补充 TWK10 之后，血清乳酸和血氨水平显著降低，表明 TWK10 可以减轻运动性疲劳，增加肌肉含量，减少脂肪含量。
综上所述，从图 1 可以看出，补充植物乳杆菌 TWK10 是一种有效的、有针对性的益生菌，可以改善多种运动指标，提高脂肪代谢，改善机体成分。
海洋浮游植物与肌肉恢复
浮游植物（Phytoplankton）一词来源于希腊语中的植物（phyton）和浮游生物（plankton）。人们常常错误地认为浮游植物是一种水生植物或海草，而不包括各种各样的真核生物，其实浮游植物主要是单细胞微生物，也被称为微藻或海藻。海洋浮游植物由于太小或太弱，无法逆流而行，所以通常漂浮在水面上。
海洋浮游植物通过光合作用获得生长和生存所需要的能量，因此必须留在光照充足的水生环境中。虽然海洋浮游植物占地球上光合作用生物量的不到 1%，但却占地球光合作用净初级生产量的 45%以上8。
目前海洋微藻有 5 万多种，但已被充分研究的种类却很少。海藻这类微生物含有许多重要的生物活性化合物，如抗氧化剂、维生素、脂肪酸、甾醇、氨基酸和类胡萝卜素。这些成分表明，微藻可以作为一种功能性食品，甚至可能有益于健康，但在如何充分利用微藻营养成分的工业进展甚微10。
西班牙加的斯（Cadiz）一家开发微藻产品和营养成分的公司——Fitoplancton Marino，开发了一种冻干微藻制剂——Tetraselmis chuii strain CCFM 03，它在可控条件下生长，以确保得到较高的超氧化物歧化酶（SOD）活性（>30000 U/g）。
龙沙公司的研究人员已经将这种成分开发用于运动营养。在一项急性运动试验中，对耐力训练的人补充微量（25mg）的 T. chuii。结果显示，在完成了一系列高强度交叉训练方案后，这些人依然能够维持肌肉性能，并且产生较少的肌肉损伤。这些交叉训练方案包括一系列力量训练（例如，深蹲推进、反向划船和后弓步）和爆炸性力量训练（例如，壶铃摆动、抱球旋转和深蹲跳）。
此外，结果还表明，一种肌肉损伤的生物标志物——肌酸激酶，在补充 T. chuii 的实验组中显著低于安慰剂组（-14%）。与安慰剂组相比，T. chuii 组的肌肉力量（+15%）和绝对肌力（+12%）更高11。
除了上述研究外，龙沙公司的研究人员还进行了一项跟踪研究，调查了在一种运动模型中补充 T. chuii 的长期影响。这项研究为期五周，该试验计划在第 2 周和第 5 周进行非功能性过度伸展实验。
非功能性过度伸展是由于过度运动训练和恢复不足引起的一种情况，会导致机体运动表现下降，通常需要几天到几周才能完全恢复12。在这项研究中，过度伸展明显发生，因为在两个过度伸展周结束时，T. chuii 组和安慰剂组的爆发力显著下降。
在试验期间，参与者每周锻炼五天，完成 124 组阻力训练，也就是说，平均每天要做 25 组训练。在完成最后一次训练的 7 天后，T. chuii 组的爆发力已恢复到基线水平，而安慰剂组的爆发力仍低于基线水平。另外，T. chuii 组参与者的感知恢复水平（通过感知恢复量表来衡量）也高于安慰剂组13。
急性和长期的研究结果均表明，补充 T. chuii 有助于运动恢复，并可减少压力训练产生的肌肉损伤。
如何调节肌肉恢复
值得深入探索的是，这种独特的 T. chuii 制剂是如何产生这样的结果的。
要回答这个问题，首先要了解活性氧（ROS）对运动性肌肉损伤的影响。在剧烈运动期间，氧气摄入量是休息水平的 20 倍。由于需要大量的氧气，会导致线粒体释放活性氧，如果不加以调控，活性氧浓度的增加将超过系统的抗氧化能力，并将生理环境转变为促氧化状态（图 2），这是导致氧化应激的根本机制。
如果过度暴露在氧化应激下，细胞的完整性和功能就会改变，导致肌肉损伤、运动表现下降。
龙沙公司研究中使用的 T. chuii 具有很强的抗氧化性，研究人员发现，给大鼠补充 T. chuii，并且每周进行 5 天的跑步运动，6 周后发现大鼠肌肉中产生了大量的抗氧化酶，包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶11，这些酶能够加速促氧化分子转化为中性分子，从而减少氧化应激。
从分子学的角度来看，肌肉恢复的调节，是由一系列驱动卫星细胞行为的复杂的肌源性调节因子决定的。卫星细胞对受损肌肉组织的恢复至关重要，如果抑制卫星细胞的激活，最终将无法抵消剧烈运动所产生的应激。
目前已知能够正向调控促进肌肉恢复的卫星细胞过程的因子，包括成肌分化因子（MyoD）和神经细胞粘附分子（NCAM）。相反，肌肉抑制素、肌肉萎缩 F-box（MAFbx）和肌肉环指蛋白 1（MuRF1）通过抑制卫星细胞进程和增加蛋白质分解，来阻碍肌肉恢复。
龙沙公司对运动大鼠的研究发现，T.chuii 提高了肌分化因子和神经细胞粘附分子的表达，同时降低了肌生成抑制素、肌肉萎缩 F-box 和肌肉环指蛋白 1 的表达（图 3）12。这一结果进一步强调了营养对生理恢复机制的重要性。
在最近的一项体外研究中，补充 T. chuii 能增加人骨骼肌成肌细胞核因子 E2 相关因子 2（NRF2）和血红素加氧酶 1 的基因表达14，这是一个重要的发现，因为 NRF2 能够调节约 200 个细胞保护基因的表达，是抗氧化机制的主要调节因子。
研究表明，NRF2 通过抵消氧化应激的损伤效应，介导氧化还原反应5。如前所述，T. chuii 能够减少肌肉中的氧化应激，为卫星细胞周期的发展提供更有利的环境。
此外，必需脂肪酸已被证明对骨骼肌干细胞的成肌因子有调节作用，有可能促进运动恢复。T. chuii 富含大量的必需脂肪酸和抗氧化剂，能够提供有利的营养成分，加速修复受损的肌肉组织。
总的来说，结合急性和慢性运动模型试验，似乎已经能够证明 T. chuii 能够减少肌肉损伤，提高感知恢复，并且防止肌力、力量和快速力量的下降。这些有益的结果，得益于运动期间添加的微量 T.chuii，其可能是通过增加氧化能力，并调节某些肌源性细胞周期调节因子来产生这些益处的。
图4. 左旋肉碱对健康和运动表象的影响
对左旋肉碱的新认识
龙沙消费者健康公司广泛研究的最后一个领域是外源性左旋肉碱（L-Carnitine）补充剂，这种补充剂在减肥、衰老、抗炎、心血管健康、运动表现和恢复等领域有超过 30 年的临床支持（图 4）。
左旋肉碱是一种化合物，在能量产生中起着关键作用。左旋肉碱的主要代谢功能是将长链脂肪酸运输到线粒体基质中进行 β-氧化，它对于线粒体功能是至关重要的。左旋肉碱在机体内可以由赖氨酸和蛋氨酸合成，但这一过程仅占左旋肉碱每天需要量的 25%左右，人体需要的大部分左旋肉碱必须通过饮食来获取。
除了杂食性饮食外，直接在膳食中补充左旋肉碱已经被证明能够增强组织对它的摄取。龙沙公司已经生产出了左旋肉碱酒石酸盐，这是一种稳定的结晶盐补充剂，是目前市场上浓度最高的非吸湿性盐。
左旋肉碱主要储存在骨骼肌和心肌中，因为这些组织具有很高的线粒体密度和能量需求。由于它在线粒体健康中的作用，左旋肉碱可能在体能、身体组成、炎症和运动后的恢复中发挥关键作用。
在训练中补充左旋肉碱已被证明可以提高最大耗氧量、耐力、力量、训练量，并在各种活动中减少血液中的乳酸16。此外，参加团体项目的运动员在补充左旋肉碱后，能够提高运动效率，主要表现为提高运动速度和减少生理损伤17，而且每天补充 1 到 2 克左旋肉碱就能够达到以上提到的效果。
长时间或高强度的运动，如跑步或阻力训练，会损害肌肉收缩蛋白，增加肌肉酸痛和炎症，损害肌肉功能数天或数周。补充左旋肉碱已经被证明能够有效地改善运动后的恢复，比如减少肌肉损伤、氧化应激以及肌肉酸痛/压痛，还可以抑制各种运动后机体体能的下降18。
越来越多的证据表明，左旋肉碱可以通过增加抗氧化状态和抑制血管内皮细胞中左旋肉碱的消耗，来促进运动后的恢复。这些结果改善了能量代谢和血液流动，从而降低了新陈代谢、氧化应激和肌肉收缩组织的结构损伤18。
在过去的四十年里，人们对运动生理反应的性别差异进行了广泛的研究。然而，性别特异性膳食补充对运动后恢复效果的研究直到最近才成为焦点。研究已经揭示了女性对运动的生理反应的某些特异性，并确定了性别是一个需要控制的重要变量，以便设计强有力的研究方案。
研究表明，男性和女性在无氧运动和力量方面产生的差异是由肌肉、脂肪含量、合成代谢激素状况和营养的不同造成的19。尽管有这些因素的影响，但在很多情况下，受过训练的女性的运动表现也可以远超过未受过训练的男性。
在这种背景下，越来越多的研究将焦点转向营养补充剂对运动中性别特异性恢复的影响，从而有助于更好地理解男性和女性之间的相似点和差异。
龙沙消费者健康公司正在通过一项针对男性和女性的试验来解决这个问题，主要目的是研究在高强度运动后，左旋肉碱如何影响肌肉损伤指数的恢复。
已经有研究发现，左旋肉碱对体能恢复的生化指标有良好的影响，并且与性别无关18。研究表明，无论男女，每天补充左旋肉碱均可以帮助普通和精英运动员强身健体，提高运动表现，促进运动后的恢复。
展望
运动员们承受着沉重的生理压力，比赛、训练和运动后的恢复都会影响他们的表现。为了解决运动后恢复不足的问题，运动员通常通过运动营养和补充剂来提高恢复和表现。植物乳杆菌 TWK10、T.chuii 和左旋肉碱提供了有吸引力的营养策略，这对运动员来说可能是非常有益的。
参考文献：
（滑动下文查看）
1.Sender, R., Fuchs, S. & Milo, R. Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biol. 14, e1002533 (2016).
2.Pane, M. et al. Gut Microbiota, Probiotics, and Sport: From Clinical Evidence to Agonistic Performance. J. Clin. Gastroenterol. 52 Suppl 1, Proceedings from the 9th Probiotics, Prebiotics and New Foods, Nutraceuticals and Botanicals for Nutrition&Human and Microbiota Health Meeting, held in Rome, Italy from September 10 to 12, 2017, S46– S49 (2018).
3.Hughes, R. L. A Review of the Role of the Gut Microbiome in Personalized Sports Nutrition. Front. Nutr. 6, (2020).
4.Lee, H. et al. Functional properties of Lactobacillus strains isolated from kimchi. Int. J. Food Microbiol. 145, 155–161 (2011).
5.Chen, Y.-M. et al. Lactobacillus plantarum TWK10 Supplementation Improves Exercise Performance and Increases Muscle Mass in Mice. Nutrients 8, (2016).
6.Chen, Y.-M. et al. Proteome and microbiota analysis highlight Lactobacillus plantarum TWK10 supplementation improves energy metabolism and exercise performance in mice. Food Sci. Nutr. 8, 3525–3534 (2020).
7.Huang, W.-C. et al. Effect of Lactobacillus plantarum TWK10 on Exercise Physiological Adaptation, Performance, and Body Composition in Healthy Humans. Nutrients 11, 2836 (2019).
8.Field, C. B., Behrenfeld, M. J., Randerson, J. T. & Falkowski, P. Primary Production of the Biosphere: Integrating Terrestrial and Oceanic Components. Science 281, 237–240 (1998).
9.Lordan, S., Ross, R. P. & Stanton, C. Marine Bioactives as Functional Food Ingredients: Potential to Reduce the Incidence of Chronic Diseases. Mar. Drugs 9, 1056–1100 (2011).
10.Rasmussen, R. S. & Morrissey, M. T. Marine biotechnology for production of food ingredients. Adv. Food Nutr. Res. 52, 237–292 (2007).
11.Sharp, M. et al. Phytoplankton Supplementation Lowers Muscle Damage and Sustains Performance across Repeated Exercise Bouts in Humans and Improves Antioxidant Capacity in a Mechanistic Animal. Nutrients 12, (2020).
12.Myrick, K. M. Overtraining and Overreaching Syndrome in Athletes. J. Nurse Pract. 11, 1018–1022 (2015).
13.Sharp, M. H. et al. Marine Phytoplankton Improves Exercise Recovery in Humans and Activates Repair Mechanisms in Rats. Int. J. Sports Med. (2020) doi:10.1055/a-1320-1061.
14.Ramirez, P. et al. TetraSOD activates the antioxidant response pathway in human cells: An in vitro approach. Afr. J. Biotechnol. 19, 367–373 (2020).
15.Done, A. J. & Traustadóttir, T. Nrf2 mediates redox adaptations to exercise. Redox Biol. 10, 191–199 (2016).
16.Drăgan, I. G., Vasiliu, A., Georgescu, E. & Eremia, N. Studies concerning chronic and acute effects of L-carnitina in elite athletes. Physiol. Bucar. 26, 111–129 (1989).
17.Orer, G. E. & Guzel, N. A. The effects of acute L-carnitine supplementation on endurance performance of athletes. J. Strength Cond. Res. 28, 514–519 (2014).
18.Ho, J.-Y. et al. l-Carnitine l-tartrate supplementation favorably affects biochemical markers of recovery from physical exertion in middle-aged men and women. Metabolism. 59, 1190–1199 (2010).
19. Handelsman, D. J., Hirschberg, A. L. & Bermon, S. Circulating T estosterone as the Hormonal Basis of Sex Differences in Athletic Performance. Endocr. Rev. 39, 803–829 (2018).
原文链接：
https://www.nature.com/articles/d42473-021-00084-9
作者｜Shane E. Durkee, Zainulabedin M. Saiyed
编译｜書7464
审校｜617
编辑｜笑咲