精准运动医学：提升青少年健康和运动表现的未来

摘要：精准医学是一个强调个体化的预防、诊断和治疗疾病的新兴领域。从一个人的遗传信息，环境和生活方式，表观遗传学及其在其他精准医学领域中的表现，医生可以最大化利用分子水平上的病理学靶向治疗疾病。因此，本文的目的是介绍精准医学的基本概念，以突出它们在运动医学和提高性能方面的潜在应用。本文提供了目前在体育届一些精准医学概念实施的建议。

前言

在 2015 年 1 月的国情演说中，奥巴马总统宣布了精确医学倡议（PMI）的启动。PMI 的目标是“让我们更接近于治愈癌症和糖尿病等疾病，并让我们所有人都接触到以保持我们自己和我们的家人更健康的个性化信息”。 精准医学是一种个体化的预防、诊断和治疗疾病的方法。这种个性化的方法侧重于每个人的基因、生活方式和环境的独特变异。人类基因组测序及其后续开发分析大数据集的方法和工具为临床实践创新和个性化的疗法创造了机会。

人类基因组计划，包括绘制和解析所有人类基因，于 2003 年完成。这一发现为精准医学的扩散奠定了基础。全基因组关联研究（GWAS）完成，或研究分析全基因组发现的遗传变异与特定疾病有关，使人们有可能从遗传角度识别疾病发展。虽然精准医学的当务之急是与癌症的预防和治疗有关，但长期重点是在健康和疾病的各个领域推进个性化医学知识。这篇系统回顾的目的是向医生介绍精准医学的基本组成部分。这些组成部分包括遗传学和基因组学、表观遗传学和生物标记、环境和生活方式等。不仅可以根据分子特征调整一些医疗干预措施，而且还可以在某些人身上调整训练方案，以最大限度地提高运动成绩。运动医学和力量训练专家都应该意识到精确医学的进步，利用这些概念最终影响到临床、运动训练室以及最终在游戏领域的决策。

遗传学和基因组学

遗传学是研究个体基因及其在遗传中的作用。基因是遗传的基本单位，由 DNA 碱基对组成。DNA 为基因提供指令，基因为蛋白质的生产提供指令，蛋白质为整个细胞和机体的功能做出贡献。人类基因组中大约有 20 000 到 25 000 个基因。不同个体（头发颜色、眼睛颜色等）的差异是由等位基因或同一基因的不同版本引起的。

对所有基因（基因组）及其相互作用和环境的相互作用的研究被称为基因组学。分析基因和基因组是通过生物信息学的一个分支，结合生物学、计算机科学、统计科学和数学分析大型遗传数据集。生物信息学使单核苷酸多态性（SNP）的识别成为可能。单核苷酸多态性是由一个核苷酸被另一个核苷酸替换而引起的常见遗传变异（图一）。比如,在人口中的大多数人可能是一个胸腺嘧啶，一小部分人中，可能在基因组上的相同位置是一个胞嘧啶。SNP 的影响取决于它的位置。如果 SNP 位于基因编码区或调控基因的区域，那么个体对疾病的易感性或对刺激的伤害或反应，如训练，可能会被改变。

图1 描述一个单核苷酸多态性(SNP)的例子及其最终产物在蛋白质合成中的结果。a）在基因型和合成蛋白上给定位置的正常核苷酸碱基对。b）同一SNP改变蛋白质的位置。

至少部分归因于单核苷酸多态性的疾病包括亨廷顿氏病和不同类型的癌症。识别与这些疾病相关的基因中的单核苷酸多态性（导致 Huntington 的亨廷顿基因突变）疾病和导致乳腺癌和卵巢癌的 BRCA1 和 BRCA2 基因突变分别存在通过基因检测导致疾病的早期发现。

具体到运动医学，导致软组织损伤位点已经确定。胶原蛋白，包含身体内的韧带和其他软组织的蛋白质，对于各种胶原基因编码。各种胶原编码基因中的单核苷酸多态性与人类骨骼肌损伤相关。这些遗传变异的个体在前交叉韧带（ACL）断裂、跟腱断裂、与肩关节脱位的风险增加。遗传损伤的贡献还在双胞胎身上得到进一步支持。研究表明异卵双胞胎表现出类似的 ACL 损伤高危着地力学和模式。随后经历 ACL 损伤的女性双胞胎在着地时膝关节屈曲峰值降低，关节松弛增加，股四头肌力矩减少，并相对于对照组降低髁间切迹宽度。结合双胞胎和家族研究引发识别出以前不知道的 ACL 损伤相关的 SNPs，进一步强调韧带损伤的遗传易感性。此外，研究表明，有 ACL 损伤的人比没有 ACL 损伤的人更容易有 ACL 损伤的亲属。

这些发现表明，损伤是一种强烈的遗传易感性，它是损伤的一个被动危险因素。目前,被动的危险因素无法改变。与此相反，活动危险因素，如膝盖落地伸展和/或依赖于在着地过程中的正面平面控制策略，可以通过适当的神经肌肉训练在更大程度上改变被动危险因素。为了优化神经肌肉训练的效果，特别是对有被动和积极危险因素的年轻人，ACL 损伤预防方案应在年轻时开始，以适应与生长和成熟有关的变化。应向教练员提供额外的训练，以帮助减轻青春期发育的影响，而不需要用力量和神经肌肉控制相匹配的适应性反应。此外，从业人员应考虑实施筛查工具来识别这些潜在的危险在遗传易感性运动员中实施减轻伤害风险的策略的因素。这些策略包括收集与肌肉骨骼损伤有关的详细家族史，评估关节松弛和强度以及神经肌肉不对称性，并实施运动筛选。

关于性能，精确医学可用于个性化培训。已发现几个与运动引起的肌肉损伤相关的单核苷酸多态性。这些 SNPs 包括 ACTN3，TNF 和 IGF2，但在这里以 ACTN3 为例讨论。ACTN3 基因 SNP 是胞嘧啶取代一个硫胺核苷酸核苷酸。这个 SNP 的个体不在一种无法表达的精氨酸的氨基酸，结果表达 a-辅肌动蛋白-3 蛋白。在这种蛋白质的缺乏与肌肉体积、力量、功率减少，（即，快肌纤维的改变）相对于没有缺陷的人，剧烈运动的易感性增加。除了肌肉损伤，SNPs 也与动力性能有关。CNTFR SNP 的 TT 基因型比对照组明显更频繁的出现在精英力量的运动员中。鉴于运动员的这些信息，从业者可能是能够更好地决定如何训练运动员没有多态性，最大限度地发挥力量。从业人员从中获得运动员从艰苦训练中恢复的能力及他们对训练的反应，可能最大限度地训练处方并减少受伤的危险。在这些运动员相关的 SNPs 识别可用于个体化训练方案。目前，运动员按计划一起训练，但也许提高成绩的一个更有效的方法是按照基因型个性化训练与恢复。

虽然在 SNP 相关疾病的预防和治疗方面的进展仍然落后于我们识别它们的能力，但识别这些单核苷酸多态性为开发新的个性化干预提供了机会。例如，已经申请了多项专利以进行基因测试。确定可能受到肌腱和韧带损伤的个人。专门从事运动员基因测试的公司分析了已知基因变异的基因组，包括性能和伤害风险。也有一些公司为特定的 SNP 提供固定比率的测试。虽然基因测试无法预测腱或韧带损伤，这是一个不可改变的危险因素是预防损伤和性能增强的战略考虑。没有进行基因检测的从业人员应该知道遗传对受伤风险、训练和恢复的反应的贡献。通过简单地掌握信息，从业者可以努力减轻遗传对伤害的贡献。认识到运动员对训练有独特的反应。表1列出了将遗传学和基因组学整合到训练中的实际应用。科学的进步可能最终导致采用基因干预的新方法。

表1  遗传学和基因组学的实际应用

1. 利用基因检测服务识别运动员易患肌肉骨骼损伤（COL1A1，COL12A1，等），包括 ACL 和跟腱肌腱断裂、肩关节脱位、目标资源的预防策略。

2. 利用基因检测服务识别运动员容易从激烈的运动恢复差（ACTN3）最大限度地提高训练效果和了解其他基因单核苷酸多态性与运动成绩的相关。

3. 了解其他的单核苷酸多态性影响运动表现，包括肌肉生长抑制素（肥大），ADRB1（耐力），EPAS1，andcntfr（功率），以及许多其他的人。

4. 深入了解家族史（父母和兄弟姐妹）对肌肉骨骼损伤和对训练的反应，以便了解预防策略和训练处方的决定。

5. 评估关节松弛，并进行运动筛选，以减少损伤的遗传易感性为目标的预防策略。

环境和生活方式

尽管基因是遗传的基本单元，越来越多的证据表明基因对患病的影响只占患病风险的一小部分。基因组是预先确定而具体的，没有遗传易感性就能导致疾病。特殊疾病的高患病风险或者同一暴露环境的不同表现可能是基因-环境的交互作用（GEI）。

GEI 是个人基因和环境因素组合的患病结果。这些环境因素可分为物理、化学、生物、行为等，其中包括接触污染、服用药物和不同类型的食物等。从本质上讲，GEI 决定遗传差异会导致个人以不同的方式对环境作出反应。在医学的支持给的证据表明，出生人数与 LSP1 基因变异与 CASP8 基因变异的女性饮酒的女性患乳腺癌的风险增加有关。这些数据表明环境暴露的差异。（出生人数、饮酒）改变结局（乳腺癌风险）在相同基因型的妇女（LSP1，CASP8）。除了 GEI，无论基因型，可能是环境因素导致的变化。在研究双胞胎（同卵和不同卵）一个患帕金森一个不患病问题中，两者暴露于一种从植物中提取的常用于发动机脱脂剂的化学物质三氯乙烯下，该物质与发展中国家的疾病的风险增加相关。这个研究显示在环境暴露存在的情况下，共享相同或相似基因组的个体不会共享疾病风险。

关于运动医学，人们越来越关注 ACL 损伤与骨关节炎的后续发展之间的关系。研究表明，经历了单侧前交叉韧带重建（ACLR）与健膝相比，患膝骨关节炎的患病率增加了 3 倍。这一结果表明，环境暴露（要么损伤或 ACLR），通过一定的机制增加疾病（骨关节炎）的风险。这一发现突出了力量和条件训练者的作用的重要性。首先，应采取措施来防止 ACL 损伤和滑膜关节的初始损伤，以减少生命中的负面结局。其次，应选择合适的恢复-训练协议保证运动员确实可以训练起到降低并发症风险。从业者有多种工具可供选择，包括识别损伤的遗传易感性、运动屏障和预防性锻炼计划的实施。环境和生活方式的实际应用列在表2。

表2  环境和生活方式的实际应用

1. 实施伤害预防计划，特别注重保护关节关节，以减少运动员持续受伤的风险，从而导致晚期骨关节炎的发生。

2. 检查和调整回打协议来减少再损伤的风险，尤其是对运动员从伤病恢复滑膜关节。

3. 深入了解环境暴露，可能会对工作表现产生负面影响，如压力水平、饮食、营养、睡眠量、家庭环境等。

4. 教育运动员如何做出良好的食物选择，以促进恢复和最大限度地发挥作用。

与运动成绩相关的，通常研究的是营养。由于基因表达的变化，个体将根据营养状况对运动做出不同的反应，下一节将对此进行进一步的探讨。白细胞介素-6（IL-6）是一种炎性细胞因子是运动性肌肉损伤指标。在低糖原条件下，IL-6 浓度为显著高于高糖原和控制条件下。IL - 6 浓度的增加与运动成绩下降有关。这些发现强调了适当营养和适当恢复运动的重要性。在降低运动成绩的情况下，从业者应该意识到营养扮演的角色。运动员，尤其是青年运动员，可能不知道营养对成绩和恢复的影响。因此，从业人员应向运动员提供改善食物选择的策略，以提高培训和业绩。

通过对环境暴露的了解，包括可能增加疾病风险的行为或事件，它可以减轻或消除风险的干预策略（例如，酒精消费教育计划与 CASP8 基因变异的妇女减少患乳腺癌的风险；接触三氯乙烯工人减少帕金森病风险的新安全指南；ACL 损伤预防计划。它也可能为病理学的新的预防和治疗提供机会。虽然一些导致疾病的环境因素可能是显而易见的，但未来的研究应该集中于确定新的风险，例如终生接触身体活动对伤害风险或运动潜能的影响。此外，传统暴露，如饮食，睡眠量和家庭环境，应该更具体地调查。确定它们对基因表达的影响，以及对伤害风险和运动成绩的影响。

表观遗传及基因表达

前面关于环境和生活方式的章节引出了表观遗传学的概念。表观遗传学被定义为“遗传功能变化的研究，它是遗传的，不需要改变 DNA 序列”。如前所述，基因组是遗传的和稳定的。然而，有基因的表达导致变化的过程中发生了变化基因的功能。基因表达的改变可能与环境和生活方式有关，例如污染物暴露和缺乏锻炼。

对基因表达的理解需要理解基本概念。基因，更具体地说是个体继承的等位基因，被称为基因型。这种基因型的外向表达称为表型，基因表达依赖于核糖核酸（RNA）的转录和翻译（图2）。转录是在 RNA 从 DNA 片段中产生时发生的。在转录过程中，通过转录产生的 RNA 被用来制造氨基酸。表观遗传修饰，包括 DNA 甲基化，组蛋白修饰和 microRNA（miRNA）的表达，导致基因表达的改变。基因表达是指转录和翻译的连续过程所产生的表型或外在表现，受表观遗传修饰的调节。先前讨论过的环境因素可能导致表观遗传修饰，导致基因被激活（表达）或失活（被抑制）。

图2 脱氧核糖核酸（DNA）转录和翻译过程的图解。在转录过程中，DNA被用来制造RNA。在翻译过程中，RNA被用来在蛋白质合成过程中生成氨基酸。

在医学上，由内源性和环境压力引起的炎症是导致某些癌症发展的一个已知因素。炎症引起的受感染、吸烟、肥胖等。可能导致 DNA 甲基化（表观遗传修饰），进而导致基因表达的改变。细胞的信号物质，如细胞因子，包括白介素家族，干扰素，转化生长因子 β 家族（TNF- b）其中，促进炎症反应。它们介导炎症引起的表观遗传修饰，改变基因表达并最终导致癌症的发展。研究发现，细胞因子可以诱导 DNA 甲基化、组蛋白修饰和 miRNA 表达的表观遗传变化。这些变化将改变多个基因的表达诱导甲基化 DNA 的酶，诱导或抑制 miRNA 的几种形式，并改变合成蛋白特异的基因。这导致细胞转化并导致癌症的发生和发展。因此，细胞因子可用于确定起始，癌症的诊断、预后和发展治疗。

在运动员中，暴露于创伤性膝关节损伤（如 ACL 损伤、重建）和异常加载模式会导致骨关节炎的发展。在 GDF5 基因 SNP 已与 GWAS 骨关节炎易感性相关。该基因的部分家庭的其他成员扮演的角色维护和修复滑膜关节。而不是在一个特定的基因定位的硫胺胞嘧啶核苷酸的表达与骨关节炎易感性相关；因此，在软骨和关节中，胞嘧啶核苷酸的表达是最好的。在 SNP 的等位基因 GDF5 基因胞嘧啶表达上调的结果。研究表明，基因上调与 DNA 去甲基化有关，这是一种表观遗传修饰。这一发现有助于开发新的预防疾病的途径。预防疾病的新途径。在这种情况下，干预（生活或其他）可以上调 GDF5 基因降低易患骨关节炎。这些干预措施对于那些没有经历过伤害后遗症的年轻运动员尤为重要。早期干预可能导致寿命延长，降低生活费用。然而，需要更多的研究来确定当前干预/暴露条件对表观遗传修饰的影响。例如，ACL 手术类型的影响（自体移植或异体移植）、康复时间等等，在 GDF5 表达应确定做出临床决策，降低在以后的生活中的发生风险。关于训练，已发现与肌肉发育相关的表观遗传修饰。通过组蛋白修饰抑制大鼠的基因导致的慢肌纤维形成减少。对人类来说，这将提高输出功率。此外，组蛋白修饰的 MHC 基因在大鼠改变肌纤维类型的表达。组蛋白修饰决定肌纤维类型会是快收缩还是慢收缩。尽管在大鼠中，这些发现表明肌肉的功能可以改变，以最适合这项运动的要求。然而，由于人类表现的表观遗传是一个新生的话题，实践者们将其应用的能力还处于探索阶段。类似的 GDF5 基因表达上调，未来的研究应集中在如何改变基因表达来优化运动能力。在 MEF2 / MHC 基因的情况下，未来的研究应确定什么样的环境和生活方式因素可以改变，以达到最佳的肌肉纤维型配置为一个特定的运动员。

精准医疗的其他课题

药物基因组学

药物基因组学是药理学和基因组学结合的一门学科。药物基因组学是研究基因是如何影响个体对药物的反应的。遗传因素对药代动力学和药效学的影响可能是不良事件和临床结局的重要决定因素。在房颤患者中，2 种基因型（CYP2C9 和 VKORC1）被确定为与药物华法林早期出血和相关的响应更安全的药物 exoban。有证据支持这一观点，即结果可能是考虑到个人的基因构成而改进。

在运动医学中的药物基因组学应用延伸主要为抗炎药物的个体反应。布洛芬和体药代动力学被发现是由 CYP2C9 基因多态性与性别的影响。遗传药理学和药物基因组学的个性化疼痛管理是高度相关的多个基因，因为含能影响疼痛的感知和反应的镇痛。哮喘治疗反应和不良反应的异质性对运动医学也有重要意义。未来的研究应采用 GWAS 研究遗传学对常用药物的作用，尤其是在疾病是难以治疗的情况下（例如，膝关节积液，跟腱炎等）。

宏基因组学

人类微生物组是指在人体和基因发现微生物的不同类型。微生物疾病是人类抵抗作用的敏感性，尤其是炎症性疾病。宏基因组学是一个环境样品中所有的基因组的遗传分析。对人类来说，这意味着分析基因组和微生物。研究表明，肠道菌群的变化可能有助于 1 型糖尿病、2 型糖尿病与肥胖的发生。这些知识有助于预防疾病提供新的途径。

人类微生物组和哮喘之间的联系是运动医学相关。健康和哮喘患者的肺部微生物被发现不同，与下呼吸道菌群是哮喘的严重程度相关。哮喘患者比非哮喘患者有更明显的致病菌。肠道菌群的影响介导的免疫反应，过敏和哮喘。这些发现表明，一些人固有的有害细菌的存在会对运动成绩产生负面影响。研究需要确定肺和肠道微生物的调控可能对运动成绩有积极影响。

微生物是在皮肤状况特别关注。体育馆运动器材中的微生物群落与人类皮肤相互作用而形成的。健身房里的垫子和地板被发现的细菌浓度最高，很可能通过人类皮肤、人的汗液和足部接触传播细菌。这些发现特别适用于体操（摔跤、体操）和在草地上运动的运动员。未来运动医学的研究应该发现可能导致皮肤菌群传播减少的行为，消毒表面的新技术，以及 MRSA 的新干预措施，以减少皮肤疾病的获得和传播的风险。

结论

精准医学结合了各种新兴学科的内容达到想要提高的结果。遗传学和基因组学用来识别基因变异导致的疾病。这些信息可以用来及早发现运动员易受伤害的情况，并决定运动员是否会对特定类型的干预作出反应。培训，并通过确定治疗的药物基因组学。个体的环境和生活方式影响基因和基因组功能。应考虑到环境暴露问题。减少生活中受伤带来的消极后果，并提高目前的表现。表观遗传变化源于个体基因与其环境之间的相互作用，决定了这些基因的外显表达。这个领域在人类研究方面还不够先进，无法为实践提出建议。

由于精准医学的概念对运动医学和力量和调节来说是如此的新，所以很难对具体的策略提出更具体的建议。为了使精准医学增长，因为它涉及到这些对于实验室科学家和研究人员来说，促进转化研究是非常重要的。目前，遗传学已经被用来识别可能受到伤害的人和那些可能对训练反应最好的人。有机会在药理学的分支识别预防或治疗干预可能是特定的基因型。这可能会导致运动损伤后的愈合增强，并通过个性化训练处方改善运动成绩。与环境和环境有关的非传统因素应该调查生活方式，以确定他们对运动损伤和运动成绩的贡献。此外，还应研究这些暴露对基因表达的影响及其机制。用于量化受伤风险并确定对运动成绩的影响。这可能允许创建新的干预措施来减少。伤害风险与提高运动成绩。

精准医学和癌症研究的进展正在为跨学科研究创造一个新的框架。正如肿瘤学家和基础科学研究人员必须工作一样。在治疗癌症的目标上，从业者和基础科学研究人员必须共同努力，在预防损伤和提高性能方面做出创造性的发现。遵循精准医学的原则，医生可以找到新的和个性化的方法来预防损伤和提高性能。通过对青年运动员预防和训练中精准医学的努力，有可能改善长期结果，以确保这一群体在其一生中保持健康和体力活动。

翻译：时旺然

投稿：stoneyangzi（w）

来源：中国体育科学学会体能训练分会

原文文献：

Montalvo, Alicia M.; Tse-Dinh, Yuk-Ching; Liu, Yuan; Swartzon, Michael; Hechtman, Keith S.; Myer, Gregory D.. Precision Sports Medicine: The Future of Advancing Health and Performance in Youth and Beyond, Strength and Conditioning Journal: April 2017 , Volume 39 - Issue 2 : 48-58.

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