作者：Anirban Mahanty，Lei Xi（美国弗吉尼亚联邦大学医学院 内科系 Pauley心脏中心）
翻译：左鲁玉 / 校对：王宇，李新
基于循证的共识表明，身体活动和定期运动训练能降低诸如心血管疾病、糖尿病、肥胖和癌症等慢性疾病患者的可变的危险因子以及死亡率和发病率。相反而言，长期的运动训练和急剧增加的高强度的身体活动也可能导致急性心血管事件（例如急性心肌梗死）和有害的心脏重塑，特别是当不健康或易感的个体进行运动时，这种现象更易发生。运动的持续时间和强度与心血管疾病风险之间存在一个倒置的J形毒物兴奋效应(Hormesis)样曲线。因此，在职业和业余运动员中及早发现心脏损伤是非常重要的。在此背景下，本文着重介绍了生物标志物的检测，这是目前临床医学实践中不可缺少的一部分，特别是在心脏病学和肿瘤学临床诊疗中。本文试图证明在运动医学的日常实践中使用循环生物标志物对运动后心血管问题做出客观评估的重要性。我们特别关注于心肌组织缺氧/缺血、肌肉应激和伴随的细胞坏死损伤中现有的或新兴的3个心脏生物标志物：心脏肌钙蛋白、钠尿肽、次黄嘌呤。基于这些分析，我们建议在实验室和临床环境下使用循环生物标志物检测，并且建议队医、训练员、教练员、基层保健医生以及受过教育的运动员参与其中。这个诊断方法可以提高医务监督质量，预防与运动相关的心血管疾病风险/结局。一种基于循证的共识表明，体力活动和定期运动训练能减少主要慢性病患者的可变的危险因素以及死亡率和发病率，例如心血管疾病（CVD）、糖尿病、肥胖和癌症。就CVD而言，最近公布的两项大型前瞻性队列研究有说服力地显示了休闲和非休闲身体活动对减少未来4~7年间心血管疾病的发生率和死亡率方面具有保健益处。这些研究包括来自17个国家的不同城市和农村地区(年龄35-70岁)或仅包含来自中国(年龄30-79岁，平均年龄51岁)的参与者。第一项多国研究通过分析130843名没有心血管疾病的参与者，发现在高、中、低收入的国家，较高水平的身体活动量与较低的心血管疾病风险和死亡率普遍相关。与低水平体力活动（<600MET.min/week）相比，中等水平（600~3000MET.min/week）和高水平身体活动（>3000 MET.min/week）与主要心血管疾病的发生率和死亡率显著降低有关。同样如此，对中国5个城市和5个农村地区的487334名无心血管病的成年人（59%为女性）进行的另一项大样本的前瞻性队列研究表明，体力活动总量与重大血管问题风险成负相关。体力活动最活跃的前五分之一和最不活跃的后五分之一之间相比，调整后的风险比降为0.77。无论是男性还是女性中，较高的职业或非职业体力活动总量均可降低6%的血管问题风险以及分别降低9%的主要冠状动脉问题、5%的缺血性中风、6%的脑出血和12%的心血管疾病死亡风险。除了有预防CVD的益处之外，中等强度的运动锻炼在急性心肌梗死(MI)后的心脏康复计划中也发挥了重要作用，这一点得到了来自人体临床试验和使用MI动物模型的实验室研究的证据支持。图1. Illustrativedescription of a seemingly reversed J-shaped hormesis-like curve.另一方面，美国心脏协会(AHA)最近发表的一份急性运动相关的心血管事件和长期运动训练后潜在的有害适应的科学声明指出，剧烈的身体活动可以显著增加体弱和易感人群的心源性猝死和急性心肌梗死的风险。如图1所示，AHA的科学声明强调，大运动量和高运动强度都与潜在的心脏不良适应相关，呈反向的J形毒物兴奋效应(Hormesis)样曲线，包括加速冠状动脉钙化、运动诱导的心脏生物标志物释放、心肌纤维化和心房纤颤。生物标志物的使用已日益成为当前基础和临床研究以及主要医学专科的病人诊疗实践中不可或缺的组成部分。“生物标志物”泛指一类医学征象，是患者健康状态的客观指标。20年前，美国国立卫生研究院生物标志物定义工作组将生物标志物定义为“一种能客观地衡量和评估正常生物过程、致病过程或对治疗干预的药理学反应的特定指标。” 一般来说，生物标志物测试是以现代实验室科学为基础的、客观的、可量化的工具，对医疗实践具有重大作用。循环生物标志物检测已成为现代循证临床医学的主要诊断工具。在几个广泛使用的生物标志物中，心肌肌钙蛋白（cTn）自1991年以来一直被作为诊断急性心肌梗死的高灵敏度和高特异性的生物标志物。自1986年以来，前列腺特异性抗原（PSA）也一直作为前列腺癌早期筛查的特定生物标志物。与上述如心脏科和肿瘤科等主要医学专科中广泛使用生物标志物检测的情况相反，生物标志物在运动医学实践中的应用仍然有限。高强度运动对心脏损伤的血液生物标志物的评估已成为运动心脏学领域的一个主要问题。虽然运动提供了种种的益处，它也可能给心血管系统带来有害的影响。特别是从事长时间和高强度运动的运动员产生心脏适应，并诱发心脏骤停和心肌损伤。在此背景下，此篇综述的目的是概述使用生物标志物对运动训练和竞技体育活动的参与者的健康状况或疾病征兆的客观评估的潜在重要性。我们特别聚焦在几种现有或新兴的心脏生物标志物的效用，包括这些生物标志物在业余运动员和专业运动员在从事运动训练或比赛期间的健康管理中具有较高的临床意义和预测/预后评估价值。二、心脏肌钙蛋白作为一种有效检测剧烈运动后心肌组织损伤的生物标志物心脏肌钙蛋白（cTn）是诊断急性冠状动脉综合征的高效和可靠的生物标志物，具有高特异性和高敏感性。这主要是由于cTn 是心肌细肌丝的组成成分，只有在心肌梗死后才能从坏死或受损的心肌细胞释放到循环的血液中。cTn有三种类型，分别是心脏肌钙蛋白I (cTnI)、肌钙蛋白T (cTnT)和肌钙蛋白C (cTnC)，它们共同形成一种调节心肌收缩的蛋白复合物。近年来荧光技术的进步已经促生一系列高灵敏度cTn (hs-cTn)检测方法，能够更早检测出血浆cTn。因此cTn和hs-cTn已成为诊断急性冠脉综合征和急性心肌梗死的有效的生物标志物。大约25年前（即cTnT被确认为心肌梗死生物标志物的5年之后），两个独立的研究小组（Siegel等， 1995；Laslett等，1996）首次报道了运动后血液中cTnT水平升高的现象。这些发现引起了特别关注，人们试图确定在高强度运动期间和之后cTnT升高的临床原因，但该问题在目前的运动心脏学领域仍然存在争议。业余运动员在马拉松跑后普遍存在超声心动图的改变，血液cTnT或cTnI水平升高。这些改变通常与心室舒张功能障碍、肺动脉压升高和右心室功能障碍相关。剧烈运动后循环cTn水平升高的机制及其与临床的关系尚不明确。科勒在2003年的一篇全面的综述里建议，对没有冠状动脉疾病的临床表现但cTn呈阳性的运动员应谨慎对待和慎用统一化的诊断。而剧烈运动后出现的不可逆的心脏损伤也可能并不释放cTn。与冠状动脉内血栓导致冠状动脉全部或部分阻塞的cTn阳性患者相比，健康运动员剧烈运动后并没有明确证据表明血液动力学的失衡可能引发严重的急性心脏缺血事件。因此目前建议对在平原或高原地区运动后呈cTn阳性的耐力运动员进行药物干预(例如低分子量肝素)可能为时过早，甚至是危险的。如表1（见原文）所示，健康运动员剧烈运动后与冠心病患者心脏病发作时在病因学和cTn释放的严重程度上存在明显差异。毫无疑问，更好的描述cTn升高与运动员心脏长期健康之间的关系是很有必要的。例如，Peretti等人最近发表的一项有趣的研究，调查了21名健康男性青春期前期运动员（9.2岁±1.7岁）高强度自行车运动持续到肌肉力竭时的心脏生物标志物与长期心脏健康之间的相关性。该报告指出，在这21名男孩中，有6名(约29%)在力竭运动结束时，cTn中度升高，但是并未伴随心律失常或其他心肌损伤的症状。cTn升高的水平与心率、年龄或运动时间无相关性，同时也没有出现心脏损伤的迹象。这表明运动诱导的cTn释放是心脏暂时耗氧和供氧失衡的一种生理现象。尽管如此，这一结果还需要在更广泛的年龄组和更多的研究对象中做进一步验证。同样如此，最近的另一项研究调查了22名受过训练的男性青少年(14-16岁)足球运动员的心脏生物标志物对一场足球比赛的反应。结果表明，cTnI和NT-proBNP (氨基末端脑钠素前体，心肌劳损的标志物)在足球比赛结束即刻和结束后2小时内升高(P<0.001)。24小时后，cTnI下降，但仍显著高于赛前基线水平(P<0.01)，而NT-proBNP已恢复到基线水平。但是，在任何时间点上这两个生物标志物都没有超过MI的上限参考值。这些作者认为，赛后心脏生物标志物的升高和快速恢复表明这是一种生理反应，而不是病理反应。研究人员最近还评估了12名采用高强度间歇训练(HIIT)的耐力跑者的潜在的心肌损伤，并将其与运动负荷匹配的持续训练模式进行比较。他们的报告指出，运动负荷大时，HIIT模式下的cTnI和cTnT的增长高于持续运动模式，而这种差异在已检测的其他心脏生物标志物中并不显著。结果表明，在平均跑速和心率增加幅度相同的情况下，耐力跑步者进行长时间HIIT训练对心肌的损害似乎比持续锻炼更严重。最近的另一项meta荟萃分析也证实了这一点，运动强度是cTn释放的一个重要决定因素，甚至单次高强度的运动也可以导致cTn的快速释放入血。另一种应用成熟的心脏生物标志物是钠尿肽（又名利钠肽）。钠尿肽也是反映心血管应激的重要指标。据推测，运动相关的血压升高可能影响心壁，进而导致心房和心室分别释放心钠素(ANP)和脑钠素(BNP)。它们的基线水平会随心肌的病理状况或老龄等因素而变化很大。最近的一项研究报道，在训练有素的中年长跑运动员中，半程马拉松赛后的血液BNP浓度随着cTnT的增加而增加。24小时后，他们的cTnT水平赛后24小时恢复正常，48小时后BNP浓度也恢复到基线水平。这种钠尿肽释放时间的延长可能提示，强度耐力运动能够引起机体对外周血压波动产生持续反应。另一项来自西班牙的研究对参加2016年巴塞罗那马拉松赛的79名中年休闲运动员进行了评估。在基线、比赛后1-2小时、比赛后48小时采集血样用于检测氨基末端脑钠肽前体(NT-proBNP; 心肌张力的标志物)和hs-cTnT作为循环生物标志物。在比赛后1-2小时，血液中NT-proBNP升高1.3倍，hs-cTnT升高16倍。他们还发现马拉松比赛的持续时间和hs-cTnT水平的增值之间存在直接而显著的关系，这表明马拉松比赛可能对心血管系统有明显影响。此外，比赛后运动员的心室舒张功能障碍和肺动脉压升高也很明显，这与Cocking等报道的相似。因此推测，高强度的运动训练和长时间的比赛如马拉松跑可以引发多种心脏生物标志物释放入血循环，如BNP。左心室肥厚是运动员中偶见的并发症，有时会导致非常罕见的心脏骤停危象。左心室肥厚的发生是由于心血管系统长期亚健康状况所带来的高需氧量或反复多次的极限运动所需要的高心输出量。虽然心肌通常可以适应这种工作需求的增加而代偿性改变成为左心室的“生理性”肥大，但持续或过度的压力最终会导致失代偿的“病理性”肥大，使心脏泵血效率降低。这可能是心脏骤停发生的相关因素之一。虽然急性冠状动脉综合征和心源性猝死在运动员中的发生率仅1/50000，但这种特别罕见的事件并不能从必要的调查中忽略。这反而表明人们对该病的发病机制缺乏了解，从而导致对该病的严重危害仍知之甚少。BNP被认为是一种可靠的诊断性生物标志物，通常与可溶性ST2和Gal-3联合使用，可以改善运动员的预后评估。另外和肽素、ANP和中部肾上腺髓质素也因其预测价值被应用并证明能显著提高心血管问题早期诊断的可能性。cTn常与心脏损伤程度相关，但不一定反映不可逆的心肌细胞损伤或心肌坏死。相反，心肌细胞膜可逆性损伤被认为是cTn释放这一生理现象的驱动因素。然而，反复的高强度运动会导致心肌纤维化，恶性心律失常，甚至引起心源性猝死。总之，运动后cTn和BNP的表达多显示心肌应激而没有长期损伤，但那些缺乏训练的运动参与者在心肌生物标志物释放水平较高的情况时应该寻求进一步的医学专科检查，以确定是否存在潜在的心血管疾病。此外，这些相关的生理学通路会根据运动的程度和强度而改变，从而改变对高强度运动的代谢反应。经过长期训练后，心脏肌钙蛋白和钠尿肽可降低对高强度运动的严重反应的倾向。proBNP增高的受试者平均心率和最大心率低于钠尿肽水平正常的儿童。四、次黄嘌呤作为心肌缺血和运动训练状态的生物标志物作为运动过程中增强血液循环需求的重要引擎，心肌利用ATP作为主要燃料，进行收缩舒张来泵血。心肌细胞内具有丰富的线粒体(约占心脏细胞质量的40%-50%)。作为一个类似能量工厂大量合成ATP的细胞器，线粒体通过电子传递链中的氧化磷酸化合成ATP，以支持心脏功能。由于这一关键代谢过程密切依赖氧，因此在剧烈运动中，冠状动脉和四肢肌肉的血循环中的任何环节的中断或减少都会导致氧的供需失衡，从而严重影响心肌细胞的能量代谢。如前所述，在心脏缺血/缺氧开始时，高能量磷酸盐(磷酸肌酸和ATP)迅速耗尽，心脏组织在全部缺血15分钟内就失去ATP总量的65%。这些缺血性事件可以启动ATP的级联分解，导致ATP分解代谢副产物在细胞中积累,如二磷酸腺苷(ADP)、腺苷酸(AMP),进而激活正常情况下无活性的几个酶,包括5-核苷酸酶、腺苷脱氨酶,嘌呤核苷磷酸化酶和黄嘌呤氧化酶。这些酶又依次将AMP分解为腺苷、肌苷、次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸(图2)。在这些代谢产物中，次黄嘌呤是一种分子量为136Da的极性小分子，可以瞬间通过被动扩散的方式从受影响的心脏和骨骼肌组织转运到血流中，这一过程还可以借助平衡核苷转运体(ENT)和/或集中核苷转运体(CNT)来完成。1Sahlin等人在1991年首次报道了运动后血浆中次黄嘌呤水平升高，8名男子分别以44%最大耗氧量（VO2max）的强度骑自行车6分钟、继以72%VO2max强度骑自行车6分钟、然后骑车至力竭（100%VO2max）。在安静状态、运动中或运动后采集的血液样本显示次黄嘌呤在疲劳时明显升高，并且在运动结束后10分钟升高了3倍。在高强度运动中，血浆中显著增加的次黄嘌呤可能主要源于工作状态下的骨骼肌。另一项研究通过测量12名举重运动员的尿液和血清中黄嘌呤和次黄嘌呤的浓度评估了单次高强度力量训练对嘌呤核苷酸降解的影响。这些运动员进行了共6组、每组6次的举重训练，研究发现血液次黄嘌呤含量在运动后即刻明显高于基线水平。恢复2小时后，次黄嘌呤水平下降。研究人员因此认为，次黄嘌呤可作为与举重运动相关的细胞损伤和/或缺血性应激相关的生物标志物。另一项来自澳大利亚的研究测试了8名健康男性受试者，发现高强度间歇性自行车运动比同等工作量的持续中等强度自行车运动导致更多的嘌呤损失，并且运动后的血乳酸和次黄嘌呤浓度增加的得更多。这些结果可能间接地反映了运动肌肉中的ATP净损失或分解。作者推测肌肉内ATP含量的更大损失和随后的恢复可能是高强度间歇运动所观察到的较高能量消耗和加速体脂减少的原因。最近Siopi等人指出，在HIIT训练期间，AMP在骨骼肌中快速代谢，产生肌苷、肌苷和次黄嘌呤。此外，在过去的10年里，Zieliński等进行了多项人体研究，并提出了一个有趣的新概念，即在竞技运动中，可以使用血浆中次黄嘌呤的浓度作为反映运动员训练状态的通用代谢指标。他们建议通过次黄嘌呤来反映机体对运动的反应和肌肉适应，可能比传统的心肺和生化运动指标更实用。这组波兰研究人员在不同类型的受试者和运动项目中提供了更多的数据来支持他们首创的血液中次黄嘌呤水平与运动训练状况密切相关的理论。肌苷和次黄嘌呤作为心肌缺血的生物标志物具有一些独特之处，因为它们是人体血浆中通常以低浓度(肌苷0.75-1.49μM，次黄嘌呤1.47-2.94μM)稳定存在的小分子有机物，是嘌呤代谢的中间产物。1994年Kock等研究了心肌缺血患者中黄嘌呤氧化酶在嘌呤代谢中的作用。他们测试了次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸，发现健康男性受试者的次黄嘌呤血浓度与急性心肌梗死和缺血性心脏病患者的结果不同。Harmsen等人也报道了与健康志愿者相比，接受心房起搏应激试验的缺血性心脏病患者血液中的次黄嘌呤浓度升高，而腺苷、肌苷和黄嘌呤的水平没有显著差异。此前，我们的研究组分析了非创伤性胸痛患者的血样，发现所有胸痛患者的血浆肌苷和/或次黄嘌呤浓度都升高了。然而，在使用次黄嘌呤作为心脏和骨骼肌代谢状态或缺血事件的循环生物标志物时，有几个潜在的干扰因素。这些干扰因素包括:1)有遗传性酶缺陷(例如腺苷脱氨酶或嘌呤核苷磷酸化酶)的个体可能会产生假阴性或假阳性的结果;2)黄嘌呤氧化酶缺乏或服用黄嘌呤氧化酶抑制剂(例如治疗痛风的别嘌呤醇)的患者中，可能会有血液中次黄嘌呤水平升高;3)肾脏疾病或肾功能衰竭可能影响次黄嘌呤的清除，导致假阳性血检结果;4)如果大量食用含嘌呤的食物，如内脏、菠菜、啤酒，或使用肌苷膳食补充剂来提高运动成绩。值得注意的是，运动可引起骨骼肌和心肌循环中次黄嘌呤水平的升高，运动方式也可能影响次黄嘌呤释放的水平和动力学。例如，Siopi等人最近显示了抗阻运动引起的次黄嘌呤变化最大，其次是HIIT，而持续的中等强度耐力运动对次黄嘌呤浓度的影响最小。此外根据Kistner等的报道，业余运动员在10天的HIIT训练后，尿液里的次黄嘌呤的基础水平下降，表明运动训练能够诱导嘌呤代谢的适应。此外，尿液代谢组学中只有次黄嘌呤的浓度受到影响，说明次黄嘌呤因其独特的效能可能被用作监测运动训练的生物标记物。有趣的是，次黄嘌呤浓度的变化仅与训练情况相关(即抗阻运动与HIIT或有氧耐力运动比较)，而与骨骼肌质量、血脂状况和其他心血管基础指标无关。这些数据证实了次黄嘌呤在尿液和血清分析中的特殊能力。作为生物标志物，次黄嘌呤能够与其他经典的健康指标，如骨骼肌质量、静息血压和心率等一起用于评估运动员的训练状态。Włodarczyk等人近期报道,业余跑步者在运动停止后即刻出现次黄嘌呤的血浓度升高，并在2小时内恢复到正常水平。图2. Illustrativesummary of major metabolic pathways of ATP degradation during myocardialischemia and excessive exercise综上所述，次黄嘌呤增加较多可能表明身体素质较低，嘌呤代谢的代偿性较差，而运动训练可以降低次黄嘌呤的基线浓度并改善嘌呤代谢。还应强调的是，在高强度运动中，骨骼肌和心肌都可能释放出次黄嘌呤，由于骨骼肌自身质量大，次黄嘌呤的主要来源更可能是骨骼肌。因此要区分次黄嘌呤到底是来源于心脏还是来源于骨骼肌是很难的，甚至是不可能。作为心脏损伤的生物标志物，次黄嘌呤是非特异性的。因此，与其他更具特异性的心脏损伤的生物标志物(例如cTn和BNP)相比，次黄嘌呤需要谨慎地结合运动员的病史和体征（例如胸痛和心律失常）做出判断(见图2)，方能充分利用次黄嘌呤早期预警心肌缺血性事件的优势。图3. Illustrativedescription of the potential utility of cardiac biomarker testing基于上述的分析，我们建议在实验室和临床现场救治的环境下检测循环生物标志物，并且建议队医、训练员、教练员、基层保健医生以及受过教育的运动员群体更多地参与其中（见图3）。这种先进而客观的诊断方法可以提高医务监督的质量，预防与运动相关的心血管疾病的风险和后果。正如此篇综述中所强调的，cTn、BNP和次黄嘌呤以及其它的新兴候选生物标志物(例如microRNA、galectin-3和tumorigenicity2)可能有助于评估在运动训练和比赛期间和之后的心血管应激反应、健康状况以及病理事件。值得注意的是，循环心脏生物标志物的诊断价值和效能在准确性和可信度方面有所不同。这三种生物标志物的联合使用将更好地确保检测的敏感性(通过次黄嘌呤)和特异性(通过cTn和BNP)，用于早期发现由剧烈运动及心血管病理所引发的心脏缺血事件。这些标志物在运动后释放到血液中的精确的病理生理学机制和血清动力学尚未充分明确，需要在不同的身体活动和运动的参与群体中进一步研究，以确定更准确的检测指标临界值以及了解其他干扰因素（例如，预先存在的CVD状况、年龄、性别、药物/膳食补充剂摄入史等），并推广心脏生物标志物测试在运动医学领域里的应用。
Anirban Mahanty, Lei Xi. Utility of cardiac biomarkers in sports medicine: Focusing on troponin, natriuretic peptides , and hypoxanthine [J]. Sports Medicine and Health Science, 2020, 2(2) : 65-71.