人类对高海拔的适应

研究目的 A：红细胞量和缺氧：

各种形式的高原训练已被用于提高精英运动员的耐力表现。 最常用的方法是在高海拔地区生活和训练（Live high - train high; LHTH）或在高海拔地区生活同时在海平面训练（Live high - train low; LHTL）。 虽然人们普遍认为 LHTH 和 LHTL 的潜在性能增强作用是通过红细胞质量的缺氧依赖性增加介导的 (1)，但这从未在实验中得到证实。 2010 年，研究人员进行了第一项安慰剂对照双盲 LHTL 研究（由 BASPO 资助），其明确目标是确定导致 LHTL 后表现魅力的机制。 简而言之，出于这个原因，16 名精英运动员（平均 VO2max ≈ 70 ml.kg.min）每天在含氧量正常或 3000 米的刺激海拔下停留 16 小时，持续四个星期。 该协议是根据该领域专家最近的审查而选择的 (2)。 尽管有这种假定的最佳设置，但研究人员并未发现 LHTL 引起的任何积极变化。 令我们大吃一惊的是，尽管以比之前任何其他 LHTL 研究更高的频率测量了 VO2max、计时赛表现、红细胞质量、红细胞生成标志物，但它们都没有受到 LHTL 的影响。 根据我们在高海拔生理学和包括人类促红细胞生成素注射在内的研究方面的经验，研究人员已经开始推测即使连续 3 周的高海拔暴露是否足以刺激增加红细胞质量，这是 LHTL 的基石假设 (1, 3)。 如果不是这种情况，那么执行 LHTL 的科学依据就会消失。

红细胞质量的初步测定可追溯到 100 年前，当时 Douglas (4) 报告说，在大加那利群岛 2300 米的海拔高度暴露 6 周后，红细胞质量并未增加，而 htc 却有所增加。 大约 50 年后，劳伦斯 (5) 得出结论，红细胞质量的真正增加需要数周 (8) 的高海拔暴露 (3800 米)，而血浆体积的减少在到达时就开始了。 这里应该指出的是，他们使用了一种极好的方法来确定红细胞质量：用放射性磷标记的自体红细胞，这在今天是不可能的。 1964 年，Hannon (6) 进行了他现在的经典研究，他将 8 名女性和 8 名男性暴露在海拔 4300 米处整整 9 周。 在第一个月内，红细胞量没有增加，在接下来的 5 周内，尽管继续补铁，红细胞量仅增加了 5%。 本研究中使用的方法是自体 51 铬标记红细胞，即金标准。 即使在 5450 米的极高海拔（与精英运动无关），Reynafarje (7) 报告说红细胞体积增加需要 6 周。 在这里跟进所有以前的海拔研究是不可能的，但在最近的一篇评论中，Grover 和 Bärtsch (8) 总结了这些研究，指出“当居住在高海拔 (3800-4500m) 持续数月至数年时，就会出现真正的红细胞增多症”。 因此，与过去在红细胞质量方面所做的海拔高度研究相比，这些研究大多是使用远优于今天使用的技术进行的，并且在比 LHTL 协议中应用的更高纬度的情况下，LHTL 应该增加红细胞的建议细胞质量似乎不一致。 然而，应该记住，在大多数海拔高度研究中，很难将影响与缺氧隔离开来，而且温度、营养摄入和身体活动水平的变化通常是一个混杂因素。

Levine 和 Stray-Gundersen (3) 是第一个报告 LHTL 后红细胞质量增加的人。 在 2500 米处进行 3 周 LHTL 后，他们根据 Evens Blue 得出的血浆体积变化计算出 RCV 增加了 8%。 Evens blue 不能很好地衡量 RCV 的变化，因为它会迅速从循环中泄漏，因此在获取数据时应谨慎。 同样有趣的是，仅在 50% 的 LHTL 受试者中观察到 RCV 增加。 这并不排除观察到的变化不仅仅是生物变异的结果 (9)。 在第一个 LHTL 阳性结果出现后的 10 年里，数据无法复制。 特别是克里斯·戈尔领导的澳大利亚研究小组在此期间做出了巨大努力，但无法证实 3 周的 LHTH 或常压 LHTL 会导致 RCV 增加 (10-16)。 从 2006 年起，LHTL 对 RCV 的积极影响已被报道，但数据远不能令人信服。 J.P. Richalet 的研究小组在 Premanon 进行了一系列实验，发现在一项研究中红细胞数量增加 (17)，但在另外两项研究中没有变化 (18, 19)。 Bundesamt für Sport 的 J Wehrlin 发现三周的 LHTL 可以增加 RCV (20)，但研究设计并不干净，因为来自不同学科的受试者充当了对照和治疗受试者。 这是一个问题，因为他们在训练赛季处于不同阶段，不能排除这不会影响 RCV。 由于受试者是参加国际比赛的精英运动员，因此很遗憾没有在该受试者的人群中收集反兴奋剂样本。 Chris Gore 在过去几年中应用了一种不寻常的统计方法，从而报告了他们所谓的 LHTL 后 RCV 的“边际”增加 (21)。 但是，如果使用标准的公认统计方法，则无法得出此结论。 因此，虽然人们普遍认为 LHTL 可能会增加 RCV，但情况并不像预期的那样清晰，研究人员认为，与上述慢性高原暴露研究相比，这种情况不太可能发生。

本研究的主要目的是在大型研究人群 (n=16) 中确定持续暴露在 3450 米海拔高度 4 周是否会增加红细胞质量。 调查人员之所以选择这个海拔高度，是因为 1) 在长期居住在这个海拔高度的人群中，与生活在海平面附近的同胞相比，红细胞体积有所增加，2) 如果调查人员选择较低的海拔高度，并且调查人员没有观察到红细胞量增加，调查人员无法确定这是海拔太低还是暴露时间太短的结果，3) 暴露在高得多的海拔可能不适合运动员。

研究目标 A 的研究方案：红细胞质量和缺氧 在高原暴露前一个月，受试者将每周进行一次 RCV（通过 CO2 再呼吸）和其他血液学参数在两个不同的日子量化，间隔不超过一天（即 星期一和星期二，或星期二和星期三等）。 这可以很好地估计它们的基础血液学值。 轻铁补充剂（40 毫克/天将在第 1 天开始并在整个研究期间保持）。 此外，所有受试者将在本月每隔一天以 1.0 W/kg 体重进行 30 分钟的轻型自行车运动。 已知这种光活动不会影响红细胞质量 (22)。 在 Jungfraujoch（见下文）的高海拔暴露期间，活动将继续进行，以限制高海拔/禁闭引起的身体不活动的任何潜在影响，这种影响可能会导致血浆容量减少，但据报道，即使非常光 (23)。 在 Jungfraujoch 期间，每周两次，所有受试者将被护送到 Mönchhütte（相同高度）并返回（步行总计 60 分钟），以保持一些身体活动。 在海拔高度时，所有受试者将执行与在海平面相同的测试，即每周两次测定血液学参数。

研究目标 B：高海拔的心血管调整：

Grollman在美国派克峰（4300m）的经典研究表明，在上升到高海拔的最初几天内，静息心输出量（心率×每搏输出量）大约增加40%（Grollman 1930）。 在实验室中更严格控制的条件下进行了类似的观察，具有同等程度的缺氧 (24, 25)。 每搏输出量的变化在海拔高度引起的心输出量增加中起次要作用，大部分反应 (90-95%) 似乎是心率增加的结果 (24, 25)。 然而，在高海拔地区暴露几天后，尽管低氧血症仍然存在，但心输出量恢复到海平面值或什至更低的值 (26)。 心输出量的减少是令人惊讶的，并且尽管心率持续增加但仍会发生，并且是每搏输出量减少的结果 (26, 27)。 运动也有类似的数据，即次最大和最大运动时每搏输出量减少 (28)。 导致静息和持续暴露在高海拔地区的运动期间每搏量减少的生理机制仍然未知，研究 B 的主要目的是解决这个问题。 由于心输出量在很大程度上取决于血容量（Frank-Starling 机制）和左心室充盈，因此很容易推测血浆容量的海拔依赖性降低以及总血容量导致右心室充盈和随后的每搏输出量减少。 为了检验这一假设，将进行以下干预：

1. 为了促进静脉回流，从而促进右心室充盈，受试者将每周在常用的倾斜台上进行测试。 倾斜台允许在各种头向下倾斜的仰卧位置调查受试者。 研究人员希望在 5 分钟的头部向下倾斜（每次倾斜）-15、-30 和 -45° 期间研究我们的志愿者，这是正常程序。 头部向下倾斜有利于静脉回流，因此有利于每搏输出量。 最大的影响通常出现在 -70° 左右。 在每次倾斜的最后一分钟，将通过惰性再呼吸技术（研究人员已在之前的申请中获得 ETH 伦理委员会批准的此程序）和超声多普勒评估心输出量。 心率和血压将以无创方式持续监测。
2. 在少女峰研究的最后一天，血浆体积将通过输注葡聚糖恢复到海平面值。 通过将红细胞体积（在项目 A 中评估）与血细胞比容相乘来计算要输注的葡聚糖的确切体积。 在输注葡聚糖之前和之后立即在仰卧位和坐位评估心输出量。
3. 每搏量和心率将在次最大和最大运动期间通过在适应期间每周重新呼吸惰性气体来确定。 研究人员假设每搏输出量的预期变化与海拔引起的血浆和血容量变化密切相关。

研究C：高海拔自主神经控制：

暴露于缺氧会导致人类交感神经兴奋。 这是通过测量缺氧引起的去甲肾上腺素增加间接确定的（Cunningham 等人，1965 年），并通过肌肉交感神经活动的增加直接确定（Saito 等人，1988 年）。 主要的潜在机制是激活颈动脉体 (Marshall, 1994) 和脑干 (Solomon, 2000) 中的化学感受器。 因此，在急性缺氧期间，当血氧饱和度降至约 85% 时，心率和交感神经活动会发生显着变化（Smith 等人，1996 年）。 在人类中，这种饱和水平是由于呼吸 FIO2 为 0.11-0.13 的低氧气体混合物造成的 有一些个体差异 (Lundby et al., 2004)。 最近证明，海平面居民在海拔 5260 米的高度适应环境 4 周后，表现出惊人的高水平肌肉交感神经活动（Hansen & Sander，2003）。 平均肌肉交感神经爆发频率增加到高于海平面值 300%，这大大高于急性暴露于相应低氧气体混合物 (FIO2 0.105) 期间预期的 50-100%。 第一项研究的一个局限性是在海拔高度适应过程中只包含一个时间点。 因此，尚不清楚在海平面居民进一步适应环境的过程中，通过显微神经造影术测量的高海拔交感神经兴奋是否会消退。

这种明显的高海拔交感神经兴奋的具体机制尚不清楚。 在高海拔地区同时呼吸纯氧和静脉输注生理盐水以恢复血液稳态仅导致肌肉交感神经活动轻微下降 (Hansen & Sander, 2003)，这表明传统的外周化学反射或心肺压力反射的激活没有考虑用于交感神经兴奋。 相反，长期暴露于缺氧可能会导致参与交感神经兴奋反射的中枢神经通路重置。 越来越多的证据支持药理学诱导的脑干一氧化氮信号抑制会导致交感神经兴奋反射的放大或重置，并且有人提出，一氧化氮内源性抑制剂的积累可能类似地参与人类交感神经兴奋状态。

高海拔交感神经兴奋的潜在机制（下文第 1-5 点）

目前尚不清楚慢性缺氧是如何引起交感神经兴奋的，但一些潜在的潜在机制如下所述：

1. 动脉压力反射激活。 在以前的高海拔 MSNA 研究中，海平面居民的动脉血压轻微但显着升高约 8-12 毫米汞柱 (29, 30)，这排除了动脉压力反射卸载。 动脉压力反射的重置并未被排除为一个促成因素，但它不太可能成为主要机制。
2. 心肺压力反射激活。 在一项慢性高海拔研究 (29) 中，静脉输注生理盐水（15 分钟内 800-1000 毫升）仅导致交感神经流量略有下降，这提供了心肺压力感受器的卸载不是主要原因的证据。

3. Chemoreflex 敏化。高海拔适应的通气和交感神经兴奋反应有几个共同特征。 这两种反应在几天内逐渐发展，一旦建立正常化，在重新暴露于常氧环境后几天内就会缓慢 (29, 31, 32)。 通气和交感神经化学反射共享来自外周化学感受器的传入输入，负责膈神经传出激活和交感神经流出的中枢神经元回路是平行的。 研究人员假设，对慢性低氧暴露的过度通气和交感神经兴奋反应具有共同的潜在机制。 高海拔的通气适应被认为主要取决于化学反射敏化，即尽管在适应的前 2 周内动脉氧分压稳定甚至略有改善，但缺氧化学反射通气反应 (HVR) 缓慢增强。 在过去的几十年里，人们对这种独特的反射敏化的基础进行了相当广泛的研究。 在人类中，很可能涉及外周和中枢机制。

   在外周，颈动脉和主动脉体内的化学感受器中的信号事件很复杂，涉及多种兴奋性和抑制性递质。 兴奋信号包括腺苷、ATP、乙酰胆碱和内皮素。 主要的抑制性信号分子是多巴胺（作用于 D2 受体，D2R）(33)、去甲肾上腺素和 NO。 在人类中，静脉注射低剂量多巴胺和 D2R 拮抗剂多潘立酮（现在只能口服）能够分别降低和增加海平面 HVR (34, 35)，但不能降低最大缺氧通气量 (36)。 低剂量多巴胺或多潘立酮都不能穿过血脑屏障。 尽管在缺氧暴露的最初几天，颈动脉体内多巴胺的产生和作用可能会减少 (37, 38)，但参与多巴胺产生的酶、多巴胺受体和多巴胺浓度（和去甲肾上腺素）在慢性缺氧期间会上调 (38) . 人类通气反应的功能性后果研究很少，但一项研究表明，多巴胺和多普利酮对 HVR 的影响在暴露于缺氧 8 小时的受试者中没有改变或略大 (35)。 NO 在外周化学感受中的作用尚未在人类中进行研究，但最近的动物研究表明 NO 的外周抑制作用被 NO 介导的多巴胺效应的去抑制所混淆。 因此，硝普钠实际上可能通过阻断内源性多巴胺抑制来增加猫的外周化学感受器放电 (39)。

   在中央，化学感受器传入激活导致孤束核 (NTS) 内 L-谷氨酸和多巴胺的释放。 这些事件导致 NTS 神经元兴奋，而 NTS 神经元又通过 L-谷氨酸兴奋延髓头端腹外侧 (RVLM) 内的脑干神经元。 收集到的 RVLM 神经元输入控制脑干的中枢交感神经流出。 动物研究表明，在缺氧暴露期间，多巴胺（兴奋性）(40) 一氧化氮 (NO)（兴奋性）(41) 对 NTS 内化学反射通路的调节变得更加显着。 因此，将硝普钠和 NO 合酶抑制剂 L-NMMA 显微注射到清醒大鼠的 NTS 中会导致缺氧暴露期间通气量的增加和减少 (41)。 通过比较多潘立酮（外周 D2R 阻断剂）后的 HVR 与多潘立酮 + 氟哌啶醇（一种外周和中枢作用的 D2R 阻断剂）后的 HVR，已在大鼠中研究了中枢 D2R 在缺氧中的作用 (42)。 单独使用氟哌啶醇对人体对等碳酸缺氧的通气反应的总体影响是降低 HVR (43)。

   虽然许多外周和中枢神经元通路和递质可能在与海拔高度适应相关的化学反射敏化中发挥生理作用，但最近对 D2R 基因敲除小鼠的研究提供了令人信服的证据，表明 D2R 是先决条件 (44)。 出于这个原因，本研究将测试化学感受器的敏感性是否是高海拔交感神经兴奋的潜在原因，如果是，是否涉及多巴胺或 NO 相关机制。 在这方面，应该注意的是，急性高氧或什至三天的含氧量正常呼吸都未能使适应高海拔 4 周的健康受试者的交感神经交通正常化 (29)。 然而，在通气方面也有类似的发现。 因此，慢性缺氧可能导致化学反射如此显着的敏感化，以至于即使是高氧也可能无法抑制来自颈动脉和主动脉体的初级外周化学传入，并且据推测，高氧实际上可能导致通气和交感神经输出的中枢兴奋适应海拔高度。

4. 脑干血管运动中心的 NO 生成减少。 在发现 NO 是一种重要的内皮衍生血管扩张剂后不久，NO 也作为神经调节剂出现，增强谷氨酸能神经传递 (45)。 从那以后，在动物模型中已经很好地确定，脑干中枢内 NO 缺乏的总体功能意义是交感神经兴奋和交感神经兴奋反射增强 (46)。 这种形式的交感神经兴奋已在人类中发现 (47)。 因此，虽然一些研究表明 NTS 内的 NO 产生增加，但在缺氧暴露期间整体 NO 产生可能会减少。 事实上，最近的一项人体研究表明，在低氧暴露期间，至少存在相对的 NO 缺乏和较低的血液 cGMP 水平 (48)。 在一项高海拔研究中，静脉输注 NO 底物 L-精氨酸对交感神经交通没有影响（Lundby 等人，2002 年摘要）。 这一发现并不排除慢性缺氧期间的 NO 缺乏，而只是表明这种推定的缺乏与 NO 合成底物的相对缺乏无关。 本研究以两种独立的方式解决了这个未解决的问题。 首先，全身 NO 的产生将通过一种新的稳定同位素技术来确定。 其次，L-NAME 将用于产生 NO 合酶抑制。 在环境空气条件下，这将揭示内源性 NO 产生的功能意义是否在慢性缺氧中降低。 在 HVR 测试期间，由于外周化学感受器水平的去抑制和脑干 NTS 内的间接抑制作用，L-NAME 可能对化学反射产生复杂的影响。
5. 高海拔交感神经兴奋的神经生理学特征高海拔交感神经兴奋尚未使用单单元记录进行表征。 单个单元的特征，例如一个心脏周期内的发射概率和双重和多个单个单元发射的概率，将允许对低地居民和高海拔原住民之间的交感神经交通进行横截面比较。 此外，最近针对心力衰竭、睡眠呼吸暂停和高血压的交感神经兴奋状态发表了交感神经单单位特征 (49)。 因此，可以与其他交感神经兴奋状态进行重要比较。 放电特性可能对去甲肾上腺素释放有重要影响。

交感神经活动和血管舒缩张力的外周解耦 尽管交感神经活动和去甲肾上腺素释放显着增加，但在高海拔地区血管阻力和血压的增加有限（尽管具有统计学意义）。 这在逻辑上与缺氧引起的交感神经血管收缩的外周抵消有关。 解偶联可能至少部分是由 α 受体下调引起的，尽管在低压缺氧中生活 21 天的大鼠心脏 α 1 受体没有显着减少 (50)。 此外，急性严重缺氧暴露也会导致交感神经活动和血管舒缩张力的解偶联。 因此，在使用 0.08 的 FiO2 的人类中，交感神经流量非常高，但血管阻力和血压降低 (51)。 这种急性缺氧效应不太可能通过受体下调来解释。

使用建议的应用测试高海拔交感神经兴奋的假设：

1. 高海拔交感神经兴奋的特征是交感神经单单位放电的可能性增加，类似于心力衰竭中交感神经兴奋的特征。
2. 慢性低氧暴露导致化学反射显着敏感，这至少部分解释了高海拔地区的交感神经兴奋。

3a) 中枢神经 D2R 介导的多巴胺效应重要地参与了高海拔交感神经兴奋的化学反射敏化。

3b) 改变的 NO 信号在高海拔交感神经兴奋的化学反射敏化中起重要作用。

外周交感神经反应解偶联的假设 4) 慢性低氧暴露导致局部和全身一氧化氮生成减少。

每名志愿者将接受 4 次研究（苏黎世的 2 项对照研究，使用和不使用 L-NAME，以及第 3 周在少女峰进行的 2 项研究），使用和不使用 L-NAME。

每个学习日将包括以下内容：

测量：血压、心率、体积描记法肢体血流量、通气（包括摄氧量）、脉搏血氧仪和 MSNA 单机，以及用于完整化学反射研究的 MSNA 多机。 血样：包括：儿茶酚胺、RBC 通道、cGMP。

健康）状况：

• 休息
• Chemoreflex（动脉血中 6 种不同的氧含量）（Mou 等人建议的方案，1995 年）。

NB-1：通过在化学反射测试期间添加少量 CO2，CO2 将保持在环境呼吸水平（即每个人的静息值）。

NB-2：在一个研究日，静脉输注多巴胺 (3 µg kg -1 min-1)（Dahan 等人，1996 年）、多潘立酮片剂 (0.75 mg kg-1)（Pedersen 等人，1999 年， Lundby 等人 2001 年）和静脉注射甲氧氯普胺（10 毫克）（Takeuchi 等人 1993 年）将在海平面和少女峰的这一序列中使用，以抑制和解除抑制外周化学传入放电，并随后抑制中枢 D2R 相关化学反射兴奋. 多巴胺效应在停止输注后几分钟内消失（Dahan et al. 1996, Jarnberg et al. 1981）。 服用片剂后约 30 分钟，多潘立酮的作用将达到最大值，并在接下来的 30 分钟内保持相当稳定。 在这些剂量下，多巴胺和多潘立酮不会穿过血脑屏障，因此中枢缺氧感受器的贡献没有改变。 据报道，甲氧氯普胺会导致海平面交感神经活动增加。 如果研究人员在海平面多潘立酮治疗后证实了这一点，那么高海拔交感神经流量的任何减少都将强烈表明中枢 D2R 相关化学反射兴奋的缺氧相关变化。

研究目的D：骨骼肌和脂肪组织代谢对高海拔的调整：

长期以来，人们对线粒体功能的缺氧依赖性控制感兴趣，但令人惊讶的是，人类或动物对这一主题知之甚少。 先前对海拔高度（尤其是高海拔和极端海拔）适应后线粒体修饰的观察结果不一致。 初步报告 (52-55) 表明间接标记物的更高表达表明高海拔动物和人类的氧化潜能增强，导致研究人员假设适应环境可以改善呼吸能力和线粒体功能以应对日益缺氧的环境 (55 ). 当对寄居到高/极端海拔的低地居民的进一步研究报告称，在适应高/极端海拔后，骨骼肌线粒体 (56, 57) 显着减少或线粒体分布变化可忽略不计 (58-62)，甚至尽管骨骼肌质量显着减少 (60, 61)。 然而，文献中的一个一致性是假设线粒体功能（即 呼吸能力、呼吸底物控制和效率或偶联控制）仅通过静态测量来表示，例如线粒体特异性蛋白质浓度/活性或分别代表线粒体含量或体积的形态分析。 虽然不应忽视此类静态测量，因为它们对研究和我们对线粒体生理学的理解至关重要，但依靠这些测量来表征线粒体功能和氧化电位是不完整的。 线粒体功能的检查需要对线粒体呼吸进行直接的特定操作，因此可以识别氧化磷酸化和电子传输的潜在变化。 全身蛋白质周转率 (63) 的改变和缺氧促进了蛋白质浓度的变化，包括来自本研究的几种线粒体蛋白质 (64) 已经被报道。 为了阐明适应高海拔后缺氧引起的骨骼肌线粒体功能变化，研究人员希望评估透化骨骼肌纤维和脂肪组织在海平面和暴露于高海拔约 20-24 天后的线粒体功能。