运动量对2型糖尿病大鼠模型的心脏保护作用具有调节作用：高强度与低强度中等强度耐力训练对糖尿病性心肌病的不同影响

《Cardiovascular Diabetology – Endocrinology Reports》：Exercise volume modulates cardiac protection in a type 2 diabetic rat model: differential effects of high- and low-volume moderate-intensity endurance exercise training on diabetic cardiomyopathy

　　摘要
背景
心肌病是2型糖尿病的主要并发症，其全球发病率持续上升。尽管主要的心脏病学和内分泌学协会推荐运动训练以降低心血管风险，但最佳的运动训练方式，特别是运动量在预防糖尿病性心肌病中的作用仍不清楚。

方法
雄性Sprague Dawley大鼠被喂食高糖饮食以诱发2型糖尿病。在饮食开始时，将动物分为高量（HVE，N=7）或低量（LVE，N=8）的中等强度跑步机训练组，每周进行五天，持续18周。久坐不动的大鼠作为对照组（N=6）。使用常规超声心动图、应变成像和侵入性血流动力学评估心脏功能。血浆分析用于确定全身代谢状态，体外技术用于量化左心室心肌纤维化、氧化应激、肥大、炎症和代谢。

结果
经过18周的饮食后，久坐不动的大鼠出现了早期糖尿病性心肌病的特征性表现，伴有收缩功能受损和间质心肌纤维化增加。相反，高量中等强度运动训练通过改善心脏代谢调节、减少氧化应激以及增强心脏应激反应和全身代谢控制，部分预防了病理性的心脏重塑。低量运动训练主要影响氧化应激和炎症途径，产生适度的保护心脏的效果并保持心脏功能。相比之下，高量运动训练产生了更显著的保护心脏的效果，表现为射血分数、心输出量和每搏输出量指数显著高于久坐对照组。

结论
糖尿病性心肌病的进展似乎受到运动训练量的调节。尽管两种训练量都能保持心脏功能，但在2型糖尿病大鼠中，高量运动训练比低量运动训练产生了更显著的保护心脏的效果。这些发现强调了在为2型糖尿病患者制定基于证据的运动处方时，进一步考虑运动量作为关键变量的重要性。

背景
糖尿病性心肌病是2型糖尿病的主要并发症，其全球发病率持续上升。尽管主要的心脏病学和内分泌学协会推荐运动训练以降低心血管风险，但最佳的运动训练方式，特别是运动量在预防糖尿病性心肌病中的作用仍不清楚。

方法
雄性Sprague Dawley大鼠被喂食高糖饮食以诱发2型糖尿病。在饮食开始时，将动物分为高量（HVE，N=7）或低量（LVE，N=8）的中等强度跑步机训练组，每周进行五天，持续18周。久坐不动的大鼠作为对照组（N=6）。使用常规超声心动图、应变成像和侵入性血流动力学评估心脏功能。血浆分析用于确定全身代谢状态，体外技术用于量化左心室心肌纤维化、氧化应激、肥大、炎症和代谢。

结果
经过18周的饮食后，久坐不动的大鼠出现了早期糖尿病性心肌病的特征性表现，伴有收缩功能受损和间质心肌纤维化增加。相反，高量中等强度运动训练通过改善心脏代谢调节、减少氧化应激以及增强心脏应激反应和全身代谢控制，部分预防了病理性的心脏重塑。低量运动训练主要影响氧化应激和炎症途径，产生适度的保护心脏的效果并保持心脏功能。相比之下，高量运动训练产生了更显著的保护心脏的效果，表现为射血分数、心输出量和每搏输出量指数显著高于久坐对照组。

结论
糖尿病性心肌病的进展似乎受到运动训练量的调节。尽管两种训练量都能保持心脏功能，但在2型糖尿病大鼠中，高量运动训练比低量运动训练产生了更显著的保护心脏的效果。这些发现强调了在为2型糖尿病患者制定基于证据的运动处方时，进一步考虑运动量作为关键变量的重要性。

背景
糖尿病是一种日益严重的全球健康问题，2021年约有5.366亿人受到影响[1]。尽管已采取广泛措施来降低其发病率，但这种代谢紊乱的发病率仍在以惊人的速度上升[1]。2型糖尿病患者（T2DM）发生心力衰竭的风险显著增加，包括射血分数保留型（HFpEF；23%的患者）和射血分数降低型（HFrEF；13%的患者）[2, 3]。因此，糖尿病性心肌病（DCM）是T2DM的主要并发症，其特征是心肌结构和功能的变化，与冠状动脉疾病、其他心脏病理（如瓣膜功能障碍）或高血压无关[4,5,6]。

目前DCM的管理主要依赖于药物干预，旨在控制全身代谢紊乱（如血脂异常、血糖异常）和心血管功能（如高血压）。然而，这些治疗方法并未解决DCM中的潜在代谢功能障碍。此外，临床护理仍不理想，这突显了需要新的非药物策略来改善T2DM患者的代谢控制和心脏功能[7,8,9]。为此，欧洲心脏病学会和美国心脏协会提倡结构化的生活方式干预，强调定期体育活动、饮食改善和体重管理作为减轻代谢紊乱和降低心血管风险的主要策略[10, 11]。然而，预防DCM的最佳运动方式（即强度、量、类型）仍不清楚。我们研究小组之前的研究表明，在T2DM啮齿动物模型中，中等强度运动训练（40–69%的VO2max）和高强度间歇训练（70–95%的VO2max）具有保护心脏的效果[10]。新兴证据表明，优先考虑总运动量（定义为每次训练的强度和持续时间的乘积）可能比仅关注运动强度更有效[12, 13]。本研究旨在提供更多关于运动训练量在预防T2DM大鼠DCM中的保护心脏效果的见解。这种新方法代表了一种有前景且成本效益高的策略，有助于降低T2DM的心血管风险，并可能对制定基于证据的T2DM运动处方指南具有潜在意义。

方法
六周大的雄性Sprague Dawley大鼠（Janvier Labs，法国）被安置在温度控制的环境中（21°C），具有12小时的光/暗周期。食物和水可以自由获取。为了诱发T2DM和DCM，大鼠被喂食高糖西方饮食（21%淀粉、48%糖、16%脂肪、15%蛋白质）持续18周[14]。大鼠被随机分配到久坐不动（SED，N=6）、低量运动（LVE，N=8）或高量运动（HVE，N=7）组。每周五天进行跑步机训练，持续18周。久坐不动的大鼠作为对照组（N=6）。使用常规超声心动图、应变成像和侵入性血流动力学评估心脏功能。血浆分析用于确定全身代谢状态，体外技术用于量化左心室心肌纤维化、氧化应激、肥大、炎症和代谢。

结果
经过18周的饮食后，久坐不动的大鼠出现了早期糖尿病性心肌病的特征性表现，伴有收缩功能受损和间质心肌纤维化增加。相反，高量中等强度运动训练通过改善心脏代谢调节、减少氧化应激以及增强心脏应激反应和全身代谢控制，部分预防了病理性的心脏重塑。低量运动训练主要影响氧化应激和炎症途径，产生适度的保护心脏的效果并保持心脏功能。相比之下，高量运动训练产生了更显著的保护心脏的效果，表现为射血分数、心输出量和每搏输出量指数显著高于久坐对照组。

结论
糖尿病性心肌病的进展似乎受到运动训练量的调节。尽管两种训练量都能保持心脏功能，但在2型糖尿病大鼠中，高量运动训练比低量运动训练产生了更显著的保护心脏的效果。这些发现强调了在为2型糖尿病患者制定基于证据的运动处方时，进一步考虑运动量作为关键变量的重要性。

背景
糖尿病是一种日益严重的全球健康问题，2021年约有5.366亿人受到影响[1]。尽管已采取广泛措施来降低其发病率，但这种代谢紊乱的发病率仍在以惊人的速度上升[1]。2型糖尿病患者（T2DM）发生心力衰竭的风险显著增加，包括射血分数保留型（HFpEF；23%的患者）和射血分数降低型（HFrEF；13%的患者）[2, 3]。因此，糖尿病性心肌病（DCM）是T2DM的主要并发症，其特征是心肌结构和功能的变化，与冠状动脉疾病、其他心脏病理（如瓣膜功能障碍）或高血压无关[4,5,6]。

目前DCM的管理主要依赖于药物干预，旨在控制全身代谢紊乱（如血脂异常、血糖异常）和心血管功能（如高血压）。然而，这些治疗方法并未解决DCM中的潜在代谢功能障碍。此外，临床护理仍不理想，这突显了需要新的预防性、非药物策略来改善T2DM患者的代谢控制和心脏功能[7,8,9]。为此，欧洲心脏病学会和美国心脏协会提倡结构化的生活方式干预，强调定期体育活动、饮食改善和体重管理作为减轻代谢紊乱和降低心血管风险的主要策略[10, 11]。然而，预防DCM的最佳运动方式（即强度、量、类型）仍不清楚。我们研究小组之前的研究表明，在T2DM啮齿动物模型中，中等强度运动训练（40–69%的VO2max）和高强度间歇训练（70–95%的VO2max）具有保护心脏的效果[10]。新兴证据表明，优先考虑总运动量（定义为每次训练的强度和持续时间的乘积）可能比仅关注运动强度更有效[12, 13]。本研究旨在提供更多关于运动训练量在预防T2DM大鼠DCM中的保护心脏效果的见解。这种新方法代表了一种有前景且成本效益高的策略，有助于降低T2DM的心血管风险，并可能对制定基于证据的T2DM运动处方指南具有潜在意义。

方法
动物实验
六周大的雄性Sprague Dawley大鼠（Janvier Labs，法国）被安置在温度控制的环境中（21°C），具有12小时的光/暗周期。食物和水可以自由获取。为了诱发T2DM和DCM，大鼠被喂食高糖西方饮食（21%淀粉、48%糖、16%脂肪、15%蛋白质）持续18周[14]。大鼠被随机分配到久坐不动（SED，N=6）、低量运动（LVE，N=8）或高量运动（HVE，N=7）组。每周监测食物摄入量和体重。在基线和第6、12、18周进行口服葡萄糖耐量测试（OGTT）、超声心动图和血液采样，详见补充图S1。通过颈动脉插管（Millar Inc., 海牙，荷兰）在牺牲前评估侵入性左心室（LV）血流动力学。大鼠用2%异氟烷麻醉，并用戊巴比妥钠（200 mg/kg IP）和肝素（1000 U/kg IP）安乐死。器官称重并标准化为胫骨长度。将左心室横截面固定在4%甲醛中用于石蜡包埋，并制备8 μm切片进行组织学分析。对于透射电子显微镜（TEM），将超薄左心室切片安装在Formvar涂层网格上，并在0.05 M cacodylate缓冲液中固定[15]。剩余的左心室组织在液氮中粉碎用于基因表达分析。所有程序均遵循2010/63/EU指令，并获得哈瑟尔特大学（Diepenbeek，比利时；矩阵ID 202102A1）的当地伦理委员会批准。

运动训练方案
大鼠在跑步机上进行了两周的适应期（IITC Life Science，Woodland Hills，CA，美国），逐渐增加跑步速度和持续时间（5°倾斜度，每周3天）。从饮食开始时，进行18周的运动训练。LVE组每天进行20分钟的中等强度连续跑步（18 m/min，5°倾斜度，每周5天），HVE组每天进行60分钟跑步。运动持续时间基于美国心脏协会的指南和D’Haese S等人的研究结果[10, 16]。SED组的大鼠没有接受结构化运动。总机械工作量作为性能指标计算，考虑体重，公式如下：总工作量 = 平均体重（g）× 跑步距离（km/min）× 频率。

超声心动图测量
使用21 MHz MX250换能器和Vevo? 3100成像系统（v5.6.1；FUJIFILM VisualSonics，Inc., 多伦多，加拿大）对所有大鼠进行胸腔左心室超声心动图检查，具体方法如Haesen S等人所述[17]。扫描过程中连续非侵入性地监测心率和ECG信号。从M-mode胸骨短轴视图测量左心室壁厚度，并取三个心跳的平均值。从B-mode胸骨长轴视图获取舒张末期容积、收缩末期容积和射血分数。使用B-mode心尖四腔视图评估二尖瓣血流轮廓，通过脉冲波多普勒确定E/A比值，并使用组织多普勒测量早期充盈期间的二尖瓣环峰值速度（E’）。多普勒测量值取三个心动周期的平均值。使用Vevo? LAB软件（v5.6.1；FUJIFILM VisualSonics，Inc., 多伦多，加拿大）分析超声心动图图像。使用Vevo? Strain软件（v5.6.1；FUJIFILM VisualSonics，Inc., 多伦多，加拿大）在导入的左心室胸骨短轴和长轴B-mode电影循环上评估左心室应变。选择最佳心动周期从短轴视图测量全局周向应变，并从长轴视图测量峰值径向应变和全局纵向应变。手动追踪心内膜边界，软件生成心外膜边界以定义48个等距采样点，将左心室分为六个段进行峰值应变量化。

OGTT和生化检测
如先前所述[16]，使用一小时OGTT测量葡萄糖耐量。在基线和第18周，使用Mouse/Rat Insulin Kit（K152BZC；Museo Scale，Gaithersburg，MD，美国）电化学发光测定法测量血浆胰岛素浓度。使用稳态模型评估胰岛素抵抗（HOMA-IR）比率，公式如下：HOMA-IR = （空腹胰岛素 [μIU/mL] × 空腹葡萄糖 [mmol/L]）/ 22.5。

组织学和透射电子显微镜
将石蜡包埋的左心室横截面在乙醇中脱蜡，并用苏木精和伊红染色。使用Zeiss Axioscan Z.1（Zeiss，耶拿，德国）捕获图像，并使用Fiji v1.53c软件对每只动物的12个心肌细胞的椭圆形截面进行心肌细胞截面积（CSA）评估。此外，根据制造商的协议，使用Sirius Red/Fast Green Collagen Staining kit（9046，Chondrex Inc., Woodville，TX，美国）对左心室心脏切片进行染色。使用3’-nitrotyrosine（3-NT）免疫组化检测硝基酪氨酸残留物[18]。使用Leica MC170相机连接到Leica DM2000 LED显微镜（Leica Microsystems，Diegem，比利时）捕获图像。使用Fiji v1.53c软件中的颜色反卷积插件，在每个切片的八个随机选定的区域量化左心室胶原沉积和3-NT衍生物。胶原或3-NT沉积的面积归一化为总心脏面积，并以百分比表示。对于TEM分析，使用JEM-1400Flash透射电子显微镜（JEOL Ltd，东京，日本）和Xarosa相机（EMSIS GmbH，Münster，德国）在1000x和4000x放大倍数下拍摄每只大鼠的五个随机心肌细胞图片。使用Fiji Software中的细胞计数工具计算线粒体密度，即线粒体数量与总细胞面积的比值。

基因表达
使用RNeasy Fibrous Tissue Kit（Qiagen Benelux B.V., 安特卫普，比利时）按照制造商的协议进行总RNA分离。使用NanoDrop 2000分光光度计（Isogen Life Science B.V., 乌得勒支，荷兰）评估RNA浓度和纯度。使用qScript cDNA SuperMix（QuantaBio，Leuven，比利时）进行cDNA合成。根据目标基因和参考基因的mRNA编码序列设计引物。使用MicroAmp? Fast Optical 96孔反应板（Thermo Fisher Scientific，Geel，比利时）和QuantStudio 3 PCR系统（Thermo Fisher Scientific，Geel，比利时）进行RT-qPCR。使用delta CT方法进行基因表达分析。GeNorm分析确定核糖体蛋白L13a（Rpl13a）和cyclin A（Ccna）为最稳定的参考基因。此外，将纯mRNA样本发送到Novogene Co., Ltd.（北京，中国）进行全转录组分析。简要地说，按照标准程序进行样本质量控制。通过poly-T寡核苷酸磁珠从总RNA中纯化信使RNA。使用随机六聚体引物合成第一链和第二链cDNA。使用Qubit荧光计和Illumina NovaSeq X Plus仪器对非链cDNA文库进行定量，并生成配对端150 bp读段。原始FASTQ文件使用nf-core/rnaseq管道（版本3.14.0）进行了处理，该处理在Linux高性能计算环境（Flemish Supercomputer Centre (VSC)）中执行，使用了Nextflow版本23.04.2。Rattus norvegicus参考基因组GRCr8和参考转录组来自Ensembl版本114。通过从管道获得的MultiQC报告评估了样本质量，并排除了低质量样本以进行进一步分析。使用Salmon进行的基因水平计数用于在RStudio（版本4.2.2）中使用DESeq2包进行差异表达分析。差异表达基因被定义为调整后的p值<0.05的基因。使用R包MSigDBR和fgsea进行了MSigDB标志性基因集的富集分析。将前20个显著的标志性基因集绘制在双侧条形图中，以可视化富集或减少的通路。

统计分析使用GraphPad Prism（GraphPad Software，v10.1.1，美国加利福尼亚州圣地亚哥）进行。使用稳健回归和异常值去除（ROUT）方法识别异常值，假发现率设置为1%。超声心动图测量的Bland–Altman分析显示测量具有良好的重复性，组内（-0.04%；[-2.67; 2.59%）和组间（-2.41%；[-12.05; 7.23%）变异性较小。由于样本量有限，未进行数据正态性的正式评估。因此，所有统计分析，包括组间比较和相关性评估，都使用非参数分析进行，以避免对数据分布的假设。多组比较使用Kruskal–Wallis检验进行，随后使用Dunn的事后检验（未校正）。Wilcoxon符号秩检验用于与理论平均值进行比较。在不同时间点测量的不同组的数据使用混合效应模型分析进行评估。使用Spearman等级相关性评估心脏功能参数与代谢变量以及运动负荷之间的关联。进行多项线性回归分析，以评估每个独立变量对心脏结果的相对贡献，同时控制潜在的混杂因素。使用相应的诊断图评估模型假设，包括线性、残差独立性、同方差性和残差的正态性。为了评估样本量的充分性，使用G*Power（版本3.1，德国）进行了事后统计功效分析，通过单因素ANOVA进行。假设效应大小为f=1.06，基于主要结果——心脏输出指数与体表面积，总样本量为N=21，获得了0.93的统计功效。结果以中位数和四分位数范围表示。统计显著性定义为p<0.05（双尾）。样本量表示为‘n’。

**结果**

**运动量训练改变2型糖尿病（T2DM）的代谢功能障碍**
我们的结果显示，SED大鼠的体重逐渐增加，在18周后显著高于HVE和LVE组（图1a和b）。这些差异发生在各组食物摄入量没有显著变化的情况下（图1c）。令人惊讶的是，运动训练组与SED对照组之间没有观察到心脏或肺重量的差异（图1d-f）。然而，HVE显著降低了肝脏重量，而LVE训练显示出与SED大鼠相比肝脏重量减少的趋势，表明两种运动训练量可能对肝脏代谢有影响（图1g）。进一步的血浆分析显示，18周的HVE训练显著降低了空腹胰岛素水平（图1h）。有趣的是，HVE保持了血浆胰岛素水平，而SED组从基线开始显著增加了大约五倍（图1i）。LVE训练的大鼠空腹血浆胰岛素水平相对于基线值增加了十倍（图1i）。随后对血糖控制的分析显示，HVE训练的空腹血糖水平呈下降趋势（图1h）。然而，所有组的空腹血糖都增加了两倍，因此没有观察到显著的葡萄糖耐受性改善（图1j）。尽管如此，HVE训练的动物相对于SED对照组具有较低的HOMA-IR指数，表明胰岛素敏感性显著改善（图1k）。LVE组观察到胰岛素抵抗呈下降趋势；然而，这种变化没有达到统计显著性（图1k）。总体而言，HVE训练以及在较小程度上的LVE训练与T2DM大鼠胰岛素敏感性相关指标的改善有关，尽管这些干预措施仅在血糖控制方面提供了部分改善。

**图1**
此图像的替代文本可能是使用AI生成的。

**运动量训练在T2DM大鼠中引起的代谢改变**
(a) 18周内的平均体重。
(b) 18周后每组的平均体重增加量。
(c) 每个笼子的平均24小时食物摄入量。每个数据点（笼子）代表同一组的两只大鼠，每组n=3–4。
(d) 第18周时按胫骨长度校正的心脏重量。
(e) 第18周时按胫骨长度校正的肺重量。
(f) 第18周时肺重量湿重与干重比，作为肺水肿的指标。
(g) 第18周时按胫骨长度校正的肝脏重量。
(h) 第18周的空腹胰岛素和葡萄糖水平。
(i) 空腹胰岛素相对于基线的倍数变化（值=1）。
(j) 空腹葡萄糖相对于基线的倍数变化（值=1）。
(k) HOMA-IR比率。每组n=6–8。数据以中位数[Q1, Q3]表示。*表示p<0.05；**表示p<0.01；***表示p<0.001；SED vs. HVE；#表示p<0.05；SED vs. LVE。HOMA-IR，胰岛素抵抗的稳态模型评估。

**HVE训练表现出部分心脏保护作用并保持收缩力**
常规超声心动图显示，与SED大鼠相比，HVE（70% vs. 58%；p=0.0033）和LVE训练的大鼠（66% vs. 58%；p=0.0402）在18周后的射血分数（EF）显著更高（表1）。因此，接受HVE训练的大鼠显示出显著更高的心脏输出量（0.27 mL/min/cm2 vs. 0.19 mL/min/cm2；p=0.0009）和每搏输出量指数（SV；0.83 μl/cm2 vs. 0.57 μl/cm2；p=0.0029；表1）。同样，LVE训练也导致心脏输出量（0.24 mL/min/cm2 vs. 0.19 mL/min/cm2；p=0.0367）和每搏输出量指数（SV；0.74 μl/cm2 vs. 0.57 μl/cm2；p=0.0440）相对于SED对照组增加（表1）。总体而言，SED大鼠的EF和心脏输出量略有下降，而HVE训练的大鼠与基线相比SV指数显著增加（图2a-c）。

**表1** 第18周时的常规左心室（LV）超声心动图参数

**为了评估是否存在心脏肥大，在收缩期和舒张期评估了LV前壁和后壁的厚度。**
出乎意料的是，与SED动物相比，LVE和HVE暴露的大鼠之间没有观察到显著差异（表1）。然而，SED和LVE组在收缩期和舒张期的后壁厚度与基线相比显著增加（>10%），表明LV心脏重塑（补充图S2）。相比之下，HVE训练的动物仅显示收缩期前壁厚度随时间显著增加（补充图S2）。

**图2**
此图像的替代文本可能是使用AI生成的。

**HVE训练改变LV心脏功能。**
LV超声心动图分析显示了（a）EF、（b）心脏指数和（c）SV指数从基线（值=0）到第18周的相对变化。使用非传统超声心动图进行的左心室（LV）应变分析显示了（d）GLS（e）GRS和（f）GCS在18周时的变化。（g）GLS、（h）GRS和（i）GCS从基线（值=0）到第18周的相对变化。（每组n=6–8）。数据以中位数[Q1, Q3]表示。LV，左心室；EF，射血分数；SV，每搏输出量；GLS，全局纵向应变；GRS，全局径向应变；GCS，全局周向应变

**非传统超声心动图进行的应变分析显示，**HVE组的LV全局纵向应变（GLS）几乎是SED大鼠的两倍，达到了统计学上的显著差异（图2d）。此外，高和低量训练导致全局径向应变（GRS）上升趋势，但周向应变（GCS）没有（图2e和f）。此外，SED大鼠显示出GLS显著下降，GRS和GCS从基线开始呈下降趋势，表明可能存在进行性的功能损伤（图2g和i）。在两个运动训练组中观察到GLS、GRS和GCS的稳定趋势，表明LV收缩功能随时间保持（图2g-i）。

**进一步的血流动力学评估没有发现实验组之间LV收缩期或舒张期功能的显著差异（表2）。**然而，LVE训练的大鼠相对于SED组显示出Tau的延长趋势，表明心室松弛较慢。同样，LVE或HVE与SED对照组相比，等容收缩没有显著改变，包括内在收缩功能和收缩期间的最大压力增益率（dP/dtmax）。再次，HVE训练的大鼠显示出收缩期末压力的上升趋势，伴随着收缩期和舒张期dP/dtmax的上升趋势，表明前负荷和收缩功能增加（表2）。

**表2** 第18周时的血流动力学参数

**为了研究心脏功能的变化是否与系统代谢状态或运动刺激有关，**使用心脏输出量与体表面积（CO/BSA）作为心脏性能的全球标志物进行了相关性分析。空腹葡萄糖水平与CO/BSA呈轻微负相关（r=-0.463，p=0.035），而空腹胰岛素和HOMA-IR指数在18周后与心脏功能没有显著关联（补充图S3a-c）。平均体重和体重增加与CO/BSA呈边缘显著负相关，表明体重对功能差异有部分贡献（补充图S3d和3e）。相比之下，机械运动负荷与CO/BSA呈强正相关（r=0.743，p=0.0001，图S3f）。包括机械负荷和HOMA-IR指数在内的多项线性回归分析，将葡萄糖和胰岛素水平作为独立变量，表明机械负荷（p=0.0019）与CO/BSA显著相关，而HOMA-IR（p=0.6268）则不相关（表S1）。然而，当从分析中排除SED动物以减少组间效应时，负荷与CO/BSA之间的关联不再具有统计学意义（表S1）。

**这些发现共同表明，**运动暴露是心脏性能的主要决定因素，SED和运动动物之间的差异最大，而不是反映低和高运动负荷之间的明确剂量-反应关系。

**DCM病理预防中的分子改变依赖于运动量**
对LV心脏组织的组织学分析显示，与SED对照组相比，接受HVE训练的大鼠心脏间质纤维化显著减少（图3a和b）。尽管不显著，LVE组的大鼠也显示出LV间质纤维化的下降趋势。对于HVE和LVE组的IHC染色LV切片中的3-NT衍生物（ROS的间接标志物）也观察到了类似的趋势，表明运动量可能影响心脏组织中的氧化应激处理（图3c和d）。

**令人惊讶的是，**18周的低量训练与SED大鼠相比没有导致CSA的显著差异，但接受HVE训练的动物显示出下降趋势（图3e和f）。此外，对心肌细胞的深入分析显示，尽管有系统代谢改变和DCM的改善，运动训练量对线粒体密度没有影响（图4a和b）。

**图3**
此图像的替代文本可能是使用AI生成的。

**HVE训练改变DCM的进展。**
(a) Sirius Red/Fast Green染色显示SED、LVE和HVE动物心脏组织中的间质纤维化（紫色/红色）的代表性图像。
(b) 硝基酪氨酸-IHC染色的LV心脏切片的代表性图像，显示3’-硝基酪氨酸衍生物（深棕色）。
(c) H&E染色的LV心脏组织，显示心肌细胞（粉红色）。
(d) 间质纤维化占总面积的百分比。
(e) DAB阳性区域与总面积的量化。
(f) 截面面积的量化。
(n=每组5–8）。图像在40倍放大下捕获。数据以中位数[Q1, Q3]表示。LV，左心室；H&E，苏木精和伊红；IHC，免疫组化；DAB，3,3’-二氨基苯二胺。

**LV基因表达分析显示，**尽管在选定的基因中观察到轻微的非显著下降趋势，但在LVE或HVE训练后，纤维化、氧化还原或炎症标志物没有显著变化（图5a-f）。然而，与SED大鼠相比，运动训练的动物中氧化酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氢（NADPH）氧化酶2（Nox2）的表达显著减少（图5c）。

**图4**
此图像的替代文本可能是使用AI生成的。

**运动训练量不影响心肌细胞中的线粒体密度。**
(a) 心肌细胞的代表性TEM图像，显示线粒体。图像在1000倍（左）和4000倍（右）放大下捕获。刻度条分别为10 μm（左）和2 μm（右）。
(b) 线粒体密度的量化（n=每组6–8）。数据以中位数[Q1, Q3]表示。透射电子显微镜（TEM）基因集富集分析（GSEA）被用于标志基因集的研究。与SED对照组相比，LVE和HVE训练组在凝血、脂肪酸代谢、补体和异生物质代谢方面的基因集显著增强（见图5g和h）。此外，HVE训练的大鼠在缺氧、雌激素反应晚期和氧化磷酸化基因集的表达显著升高（见图5g）。相比之下，LVE训练的大鼠在炎症反应、干扰素α和γ反应、胆汁酸代谢、G2M检查点和E2F靶基因集的标准化富集评分显著下降（见图5h）。有趣的是，与LVE组相比，HVE训练的大鼠在代谢、炎症和细胞应激相关基因组（包括氧化磷酸化、脂肪酸代谢、脂肪生成、胆固醇稳态、干扰素α和γ反应、TNF α和IL6–JAK–STAT3信号通路、p53通路、MYC靶基因V1和V2、细胞凋亡、DNA修复、移植物排斥、异生物质代谢、紫外线反应以及缺氧方面表现出显著更高的基因富集评分。相反，接受LVE训练的动物在细胞周期相关信号通路和组织维持方面的基因富集评分有所增强，包括刺猬信号通路、有丝分裂纺锤体以及紫外线反应的下降（见图5i）。总体而言，LVE和HVE训练似乎都涉及重叠的以及不同的分子通路，这些通路可能有助于减轻病理性心脏重塑。

图5
该图像的替代文本可能是使用AI生成的。
全尺寸图像
运动训练量对左心室（LV）心脏基因表达的影响。进行了RT-qPCR分析，研究对象包括（a, b）纤维化相关基因，（c, d）氧化还原基因，以及（e, f）炎症相关基因。数据以中位数[Q1, Q3]的形式呈现。*表示p < 0.05 vs. SED。与SED对照组相比，HVE（g）和LVE（h）训练的大鼠的标志基因集的标准化基因富集评分有显著变化；以及（i）HVE训练的动物与LVE组相比的变化。（每组n = 5–8）。COL，胶原蛋白；NOX，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氢（NADPH）氧化酶；Nf-κB，核因子κB；TGF-β，转化生长因子-β

讨论
本研究表明，运动量在调节早期糖尿病性心肌病（DCM）的进展中可能起着重要作用。因此，设计了不同的运动量来模拟两种临床相关的暴露水平：一种低量干预，接近于心血管疾病高风险个体的最低推荐体力活动量；另一种高量干预，反映了通常需要持续有氧训练以引发强烈心脏重塑的情况。最显著的发现是，高量中等强度耐力训练（HVE）比低量耐力训练（LVE）更有效地保持心脏收缩功能，减少间质纤维化，降低氧化应激标志物，并诱导更强的全身代谢重编程。虽然LVE训练在转录水平上部分保持了心脏功能并减轻了心脏炎症和细胞应激通路，但HVE在心脏代谢通路中引起了更明显的变化，并显著改善了心脏收缩性能。这些结果表明，在这种T2DM模型中，运动量是心脏保护的重要决定因素。

运动量决定了喂食西方饮食的大鼠的全身代谢控制
一个值得注意的发现是，运动量显著影响T2DM大鼠模型中循环胰岛素的调节。我们的结果表明，HVE训练，以及在较小程度上的LVE训练，改善了与胰岛素敏感性相关的参数，并降低了高胰岛素血症。尽管本研究没有直接评估潜在机制，但先前的研究表明，长时间的中等强度运动训练可能会增加骨骼肌中AMP激活的蛋白激酶（AMPK）、Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）和Rho鸟苷三磷酸水解酶（Rho-GTPases）的活性，这可能是通过提高细胞内AMP水平、增加钙流入和肌肉收缩实现的[19, 20]。这些信号通路的激活增强了外周胰岛素敏感性，并促进了含葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）的囊泡向肌膜的转运，从而在运动期间和之后以胰岛素独立的方式增强了骨骼肌的葡萄糖摄取[21]。
因此，与HVE训练的动物相比，HVE和LVE训练的动物在第18周时表现出空腹血糖水平的下降趋势。尽管有这些改善，但在18周后所有组的空腹血糖水平都有所增加，表明运动量对血糖控制的影响有限。尽管如此，LVE和HVE中等强度训练组都显示出总体重量和肝脏重量的显著减少，表明中等强度运动训练改善了代谢控制[22, 23]。这些发现与Chan等人的观察结果一致，他们报告称，喂食蔗糖的大鼠进行低量有氧运动可以减轻体重并暂时改善胰岛素抵抗，但不会持续降低空腹血糖水平[24]。因此，虽然中等强度运动训练以剂量依赖的方式改善了胰岛素敏感性，但其对血糖的影响在T2DM大鼠模型中仍然有限。

运动训练保持心脏功能，高运动量时改善更为显著
本研究的一个核心观察结果是，HVE比LVE更有效地保持心脏功能。HVE动物表现出更高的射血分数、心输出量、SV指数和更好的GLS（左心室收缩力），表明需要足够的运动量来对抗糖尿病心肌的早期收缩功能障碍。尽管如此，LVE也显示出轻微但显著的改善，表明最小的训练刺激就可以引起心肌性能的可测量增强。这种剂量依赖性的反应与人类耐力运动员中的适应现象一致，其中更高的累积负荷是心脏功能适应的主要决定因素[25,26,27]。在人类耐力运动员中，更高的训练量促进了前负荷的增加、SV的增强和心肌效率的提高。尽管糖尿病大鼠的心脏在结构上没有像健康运动员那样发生重塑，但这里观察到的功能模式表明，即使在没有肥大的情况下，HVE也可能部分再现耐力训练的性能相关益处。值得注意的是，心脏适应不仅由累积的工作负荷本身驱动，还受到随时间累积的代谢和机械应激的综合作用。我们的数据表明，估计的机械工作负荷与心脏性能呈正相关，而空腹血糖水平与心输出量指数呈轻微负相关，这表明血糖状态可能是一种轻微的应激因素。重要的是，这种与心脏性能的相关性对于运动负荷来说比对于代谢参数来说更为显著，突显了运动暴露的主要贡献。

然而，进一步的分析表明，工作负荷与心脏性能之间的观察到的关系主要是由SED和运动动物之间的差异驱动的，而不是反映了明确的剂量-反应关系。这一发现表明，在该模型中，持续的运动刺激而不是训练负荷的逐步增加是心脏适应的主要决定因素。从生理学的角度来看，这两种运动训练方案都可能施加足够的血流动力学负荷，增加代谢通量，并维持心肌应激，从而直接驱动心脏适应[28]，并且可能达到一个阈值，超过这个阈值后，更大的工作负荷增量预计会提供额外的功能益处。重要的是，这种模型中功能适应和结构适应之间的差异为体积负荷与代谢疾病之间的相互作用提供了见解。在健康运动员中，结构性离心性肥大是因为心肌对生理生长通路有反应，并在非病理条件下经历重复的体积超载[29]。相比之下，糖尿病心肌暴露于氧化应激、炎症和线粒体能量代谢受损，所有这些都可能抑制生理性肥大信号[4, 5]。这可以解释为什么HVE和LVE在不引起心室扩大或壁增厚的情况下保持了收缩力和应变参数。心脏在功能上变得更加高效，但在结构上受到不利代谢环境的限制。

然而，尽管没有运动员那样的肥大，HVE组中GLS的显著改善特别值得注意。GLS是心肌病亚临床收缩功能障碍的最早标志物之一[30]，其在HVE动物中的保持表明，更高的训练量可能防止或延缓从代谢功能障碍到明显的收缩功能障碍的转变。观察到的SV指数增加进一步表明，在HVE期间前负荷、收缩力和心肌能量处理之间的相互作用更为有利。

运动量调节T2DM大鼠模型中的纤维化和氧化应激
我们的数据进一步表明，训练量是心脏重塑的重要决定因素。只有HVE组表现出左心室间质纤维化的统计学显著减少，而LVE组则显示出非显著的下降趋势。运动训练组与对照组之间心脏重量、血流动力学参数和心肌细胞CSA（细胞面积）没有显著差异，这表明这些效应发生在心脏重塑的早期阶段，与D’Haese等人的研究结果一致[31]。尽管转化生长因子β（TGF-β）和胶原蛋白基因表达的减少幅度较小，但心脏纤维化还受到细胞外基质更新和转录后调节的影响[32]。运动诱导的氧化应激改变可能减弱成纤维细胞的激活和基质重塑系统，从而限制了胶原沉积，尽管纤维化基因表达的变化很小[33]。3-NT衍生物的减少、Nox2的显著下调以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氢（NADPH）氧化酶4（Nox4）表达的下降趋势表明，LVE和HVE都减轻了糖尿病心肌中的ROS（活性氧）驱动的信号传导。由于NOX酶是促进成纤维细胞激活和不良重塑的关键ROS生成者[34]，它们的抑制可能有助于观察到的心脏保护效应。与先前的临床前运动训练研究一致，Nox2和Nox4的下调可能与减少的病理重塑相关[35,36,37]。这些发现共同表明，氧化应激是两种运动训练量在T2DM大鼠模型中提供内在心脏保护的重要机制。

体积依赖性的心脏线粒体和代谢适应
尽管氧化应激和纤维化有所减少，但运动训练量诱导的心脏线粒体适应性变化的程度仍然存在差异。运动诱导了线粒体功能和密度的变化；然而，这些适应的程度取决于运动刺激的具体特征，包括其类型、强度和量[38]。可能无论是低量还是高量中等强度训练都没有达到影响T2DM大鼠心脏线粒体密度所需的强度和持续时间阈值。或者，这些观察可能反映了线粒体功能的适应性变化，这可能得到了现有线粒体内在储备能力和适应增加的能量需求的能力的支持。B?kkerud FH等人报告称，尽管心脏线粒体氧化磷酸化能力明显改善，但高强度运动训练仍保持了雄性T2DM小鼠的心脏线粒体密度[39]。同样，Granata C等人揭示了人类骨骼肌在运动训练后线粒体转录组、蛋白质组和脂质组的复杂和及时的重塑，这与整体线粒体含量的变化无关[40]。

来自左心室心脏组织的转录组数据显示，与SED和LVE训练的大鼠相比，HVE训练的动物在氧化磷酸化基因集的富集评分显著增加。这些结果指向与线粒体氧化代谢和线粒体功能相关的体积依赖性适应[41]。协同地，高量和低量训练的大鼠都显示出脂肪酸（FA）代谢基因集的基因富集增强，表明可能存在心脏保护性的代谢适应[42,43,44]。尽管如此，HVE训练的大鼠在FA代谢、脂肪生成和胆固醇稳态方面的基因富集评分显著高于LVE组，突出了与FA代谢相关通路在转录水平上的体积依赖性变化。FA代谢通路的变化通常伴随着FA运输和线粒体氧化能力的增强，从而防止了过量脂肪和脂质毒性的中间产物的积累[45]。同样，HVE训练（以及在较小程度上的LVE训练）显著上调了异生物质代谢基因集，表明心脏解毒通路的协调激活可能调节了循环脂质和内源性代谢物的变化[46]。因此，中等强度训练似乎通过改变氧化磷酸化和FA代谢相关通路的表达来促进心脏代谢功能的有益变化，这些适应被认为是心脏保护性的，并且在很大程度上依赖于运动训练量。

尽管心脏线粒体密度没有变化，但这些发现强化了运动诱导的心脏功能改善可能受到现有线粒体内在储备能力支持的概念，并且受到运动量的调节。因此，线粒体生物能量可能受到上游控制点的调节，如底物可用性、三羧酸通量和下游能量需求的调节，独立于心脏线粒体内容的变化。

运动量塑造心脏炎症和应激反应基因特征
对标准化基因集富集分数的分析进一步揭示了不同的体积依赖性机制。经过HVE训练的大鼠在与SED和LVE训练的大鼠相比时，显示出与缺氧相关的基因集的标准化富集分数升高，这表明可能存在涉及血管生成和细胞存活的心脏保护性适应[47, 48]。此外，HVE训练还上调了与晚期雌激素信号传导相关的基因集。雌激素的晚期反应涉及热休克因子（HSFs）的调节，而这些因子又转录热休克蛋白（HSPs）的目标基因[49]。HSPs的上调被认为通过调节炎症信号传导、减轻氧化应激以及通过MMPs限制纤维化重塑来发挥心脏保护作用[50, 51]。尽管其潜在机制尚未得到评估，但较高量的中等强度运动似乎与这些途径中的转录变化有关，可能反映了反复的生理应激刺激[51]。解释炎症反应仍然具有挑战性，因为与SED对照组相比，LVE和HVE训练的大鼠表现出核因子κ-light-chain-enhancer of activated B细胞（Nf-κB）表达的下降趋势，而这取决于多种刺激的复杂相互作用[52]。然而，我们的数据显示，接受LVE训练的大鼠的心脏组织中与炎症相关的基因集的标准化富集分数降低，暗示了炎症反应的减弱。相比之下，HVE训练的动物表现出显著上调的促炎基因谱；然而，这些转录适应对心脏功能的具体影响仍不清楚。例如，急性IL-6 - JAK - STAT3信号传导与较高的运动负荷相关，并具有心脏保护作用，而慢性激活则与不良重塑的发展有关[53]。在这种情况下，我们的结果表明，与先天性和适应性炎症途径相关的基因表达的适应受到运动训练量的影响，并可能改变DCM的进展。我们的数据还显示，LVE组中与细胞周期相关的途径的基因集富集分数显著降低，同时hedgehog信号传导上调，这可能反映了通过非心肌细胞（如内皮细胞）对心脏组织的适应性重塑。最近的研究表明，这些机制有助于心血管保护[54,55,56,57,58]。另一方面，SED组中与细胞周期相关的途径的基因集富集分数较高，可能反映了成纤维细胞或免疫细胞的转录变化，而不是内皮细胞本身。此外，HVE和LVE训练都显示出DNA损伤反应途径的基因集富集分数改变，表明基因组对ROS和由代谢及运动引起的应激信号具有稳定性。总体而言，我们的发现表明，运动训练会在心脏中诱导出依赖于训练量的转录适应，包括血管生成、应激反应、炎症和重塑途径。LVE和HVE训练似乎在适应性非心肌细胞重塑、心脏保护信号传导和炎症调节方面有所不同，而久坐或高训练量组中过度的促炎和细胞周期相关信号传导可能反映了应激相关的反应。

**研究局限性**
虽然我们的发现为耐力运动训练对T2DM大鼠心脏重塑的体积依赖性效应提供了新的见解，但这项研究也存在局限性。尽管相对较小的样本量是研究的限制之一，并可能增加生物间变异性的影响，但事后功效分析表明该研究的统计功效足够。然而，有限的样本量可能限制了多变量分析，从而影响观察到的关联的稳健性和普遍性。该研究的另一个局限性是缺乏全面的蛋白质组学分析。虽然转录组学变化提供了重要的机制见解，并在当前研究中得到了功能和表型水平的持续验证，但人们认识到转录后调控和翻译修饰可能会进一步调节蛋白质的丰度和活性。尽管未来结合蛋白质组学方法的研究将增强机制解析能力，但目前的发现仍然具有稳健性，并为早期糖尿病性心肌病期间运动训练的体积依赖性心脏保护效应提供了有意义的见解。此外，由于缺乏对氧化应激和心脏纤维化的时间分辨率评估，限制了对心肌应变参数观察到的变化的机制解释。此外，尽管这些结果表明低和高运动训练量对T2DM大鼠模型中的DCM发展具有保护作用，但其对人类群体的转化相关性仍有待确认。最后，由于仅使用雄性大鼠以消除混淆性的激素影响，我们的工作无法直接应用于女性个体。因此，未来的研究应纳入女性群体和激素调节因素，以提高这项工作的转化相关性。

**结论**
无论是低量还是高量的运动训练都能预防早期糖尿病性心肌病，但它们涉及的机制不同。HVE更有效地保持收缩功能，减少纤维化并改善心脏代谢状况，而LVE主要参与炎症和应激信号传导途径。这些发现表明，适度的运动干预具有心脏保护作用，而足够的运动量对于最大化功能和分子益处至关重要，为糖尿病性心肌病高风险人群提供了基于体积依赖性训练建议的机制支持。