在禁食后的有氧运动恢复期间，碳水化合物的供应不足会对男性骨骼代谢的指标产生负面影响

《Performance Nutrition》：Low carbohydrate availability in recovery from fasted aerobic exercise negatively effects markers of bone turnover in males

　　摘要 在空腹状态下进行长时间的有氧运动可能会导致碳水化合物和能量的急性减少，这种生理状况与骨骼重塑的紊乱以及骨应力性骨折的风险增加有关。虽然一些策略（如在运动前保持最佳的碳水化合物供应）可以减轻骨吸收的标志物，但在空腹有氧运动后的最初24小时内碳水化合物供应的影响仍不清楚。本研究旨在确定低（LOW）与充足（AD）碳水化合物供应对空腹状态下进行有氧运动后24小时恢复期间骨转换标志物的影响。

方法 十二名男性（平均年龄21±3岁，身高1.8±0.1米，体重81±13公斤，体质指数26±3公斤/平方米）参与了这项随机交叉研究。参与者完成了两次糖原耗尽试验，随后是3小时的恢复期，在此期间他们分别摄入了含碳水化合物的饮料（1克/公斤/小时）或无营养素的对照饮料。之后，参与者在剩余的时间内分别摄入了充足（AD，6.0克/公斤碳水化合物，1.0克/公斤脂肪）或低（LOW，1.5克/公斤碳水化合物，3.0克/公斤脂肪）的热量相等碳水化合物饮食。在运动前经过10小时的禁食后，以及运动后0小时、3小时和24小时收集了血液样本，以评估骨转换标志物的变化。

结果 与LOW组相比，AD组在运动后3小时和24小时的CTX-1浓度显著降低（p<0.001）。AD组在运动后24小时的P1NP浓度显著升高（p=0.029）。BAP、总OC或TRAcP5b在各组之间没有差异（p>0.05）。

结论 与低碳水化合物摄入相比，空腹有氧运动恢复期间充足的碳水化合物摄入可以减轻骨吸收标志物并促进骨形成标志物。这些结果强调了在高体力需求人群（如军事人员和耐力运动员）中碳水化合物供应对骨骼保护的重要性。

引言 作为活跃的组织，骨骼通过形成和吸收的耦合过程不断进行重塑[1, 2]。尽管重塑对于维持骨骼完整性至关重要，但长时间或反复的剧烈运动已被证明会增加循环中的骨吸收标志物并抑制骨形成标志物[3]。随着时间的推移，这种不平衡会增加骨应力损伤（如应力性骨折）的风险，从而导致训练时间损失和表现下降，尤其是在没有适当营养支持的情况下[4,5,6,7]。最近的研究发现，经常进行空腹训练的精英耐力运动员表现出更高的骨应力损伤发生率[8]，这突显了在精英体育和军事行动等高体力需求环境中需要针对性的营养策略来支持骨骼健康。营养摄入在调节运动引起的骨骼重塑变化中起着关键作用[5, 9,10,11]。急性运动引起的骨骼代谢变化通常通过循环中的骨转换生化标志物来评估，这些标志物可以提供短期内无法通过成像检测到的变化信息[12,13,14,15]。因此，骨吸收通常使用I型胶原C端肽（CTX-1）和抗酒石酸酸性磷酸酶5b（TRAcP-5b）来评估，分别反映破骨细胞介导的胶原分解和破骨细胞活性[16, 17]。I型前胶原N端肽（P1NP）和骨特异性碱性磷酸酶（BAP）被用作骨形成的标志物，反映成骨细胞活性和胶原合成[18,19,20]。总骨钙素（total OC）也被纳入作为对代谢和运动相关压力敏感的骨转换标志物[16]。总体而言，这些标志物提供了关于运动后急性骨重塑反应的互补信息。研究表明，在运动前、运动中或运动后摄入混合宏量营养素餐可以减弱骨吸收标志物的上升，表明有针对性的营养有助于在恢复期间保护骨骼健康[15, 21]。最近，碳水化合物供应被认为是一个特别重要的因素。与总热量摄入不同，充足的碳水化合物摄入似乎更直接地影响骨转换，较高的摄入量与较低的骨吸收标志物（CTX-1）相关，在某些情况下还与增强的骨形成标志物（P1NP、总OC）相关[5, 8,9,10,11, 22, 23]。这些发现表明，碳水化合物可能是优化运动员和军事人员在高体力需求期间骨骼健康的关键因素。尽管有这些新的证据，但一些关键问题仍未得到解答。之前的研究都是在多日干预和急性喂养协议的背景下研究碳水化合物摄入的，这使得难以单独评估其对骨骼代谢的具体影响。迄今为止，还没有研究评估在空腹状态下进行有氧运动后碳水化合物摄入对骨转换的单独影响；这对于经常在清晨进行训练的军事和运动员群体来说是一个生理上相关的场景。此外，在少数测量恢复期间骨转换标志物的研究中，数据收集的时间窗口差异很大，可能导致CTX-1和P1NP的变化解释结果不一致[5, 9, 11, 23]。这种不一致性突显了需要澄清单独的碳水化合物摄入如何影响空腹有氧运动后的吸收和形成标志物。

本研究的目标是评估在空腹有氧运动后最初24小时恢复期间低（LOW）与充足（AD）碳水化合物摄入对骨转换反应的影响。我们假设在LOW和AD条件下，骨转换标志物会有所不同，其中AD组在整个恢复期间会减轻吸收并促进形成。

方法 参与者包括在之前发表的一项更大规模研究中的一部分，该研究评估了糖原可用性对外源性碳水化合物氧化的影响[24]。招募了12名年龄在18-39岁之间的健康、业余活动的男性（平均年龄±标准差：21±3岁；身高±0.1米；体重±13公斤；体质指数±3公斤/平方米；脂肪质量±12公斤；无脂质量±10公斤；VO2peak±2毫升/分钟/公斤）。排除标准包括任何代谢、胃肠道或心血管疾病，无法戒除酒精、尼古丁和膳食补充剂的使用，无法运动，研究开始前八周内献血，或怀孕。所有数据收集都在美国陆军环境医学研究所（USARIEM，马萨诸塞州纳蒂克）进行，程序符合赫尔辛基宣言。该研究获得了美国陆军医学研究和物资司令部（IRB编号M-10674，MRDC，马里兰州德特里克堡）的机构审查委员会的批准。

研究设计 本研究采用了之前描述的随机交叉设计[24]。本分析特别关注在空腹有氧运动及其随后24小时恢复期间预定义时间点收集的血清样本（图1）。简而言之，在每个治疗组之前48小时，参与者完成了一个循环测力计糖原耗尽（GD）方案，直到自愿失败，然后是两天的控制喂养，期间参与者摄入了标准化正常饮食，包括每天6克/公斤的碳水化合物、1.2克/公斤的蛋白质和1.0克/公斤的脂肪，以维持体重并在治疗之间正常化糖原。经过10小时的禁食后，参与者返回实验室，在完成第二次GD之前获取了空腹基线血液样本（PRE）。运动后0小时、3小时和24小时立即收集了额外的血液样本，以评估循环中的骨转换标志物的变化。运动后，参与者在恢复的前三小时内被提供了含碳水化合物的饮料（CHO：1克/公斤/小时）或无营养素的对照饮料（CON）。这种饮料干预在两种饮食条件下是相同的，旨在操纵运动后的早期碳水化合物供应。在剩余的24小时恢复期间，参与者分别摄入了低碳水化合物饮食（LOW，1.5克/公斤/天）或充足碳水化合物饮食（AD，6.0克/公斤/天）。所有条件的总每日能量摄入量是匹配的，早期恢复期间的碳水化合物供应差异通过恢复后调整的摄入量来抵消；详细的能量和宏量营养素摄入量见表1。参与者在GD完成后24小时返回实验室进行最后一次血液抽取。经过至少7天的清洗期后，参与者返回完成另一个治疗组。

图1 该图像的替代文本可能是使用AI生成的。

研究设计 表1 饮食摄入

糖原耗尽方案 运动强度根据每个参与者的峰值氧摄取量（VO2peak）来规定，这是通过在循环测力计（Lode，BV，荷兰）上使用开放式循环间接测热系统（True Max 2400，Parvomedics，犹他州桑迪）进行的分级运动测试确定的。为了耗尽肌肉糖原储备，参与者完成了2分钟的高强度骑行（工作阶段），然后是2分钟的50% VO2peak的主动恢复[25]。这种1:1的工作-恢复比率一直保持到参与者无法再维持2分钟的90% VO2peak。此时，工作间隔强度依次降低到80%、70%和60% VO2peak。当参与者无法完成60% VO2peak的2分钟间隔时，方案终止。在整个方案中，恢复间隔始终保持在50% VO2peak。在测试之前，参与者完成了两次熟悉会议，以确保理解和遵守运动方案。在PRE和0小时以及24小时收集了肌肉活检。肌肉糖原的变化在原始论文中得到了确认[24]。如先前报道的，PRE时的肌肉糖原浓度没有差异，并且在0小时时两种组的糖原浓度相似地下降（P<0.05）。在24小时时，AD组的肌肉糖原浓度更高（P<0.05）。

研究饮食 在测试开始前48小时内控制了饮食摄入，以确保两组参与者具有相似的糖原储备。在正常化阶段，参与者平均每天摄入5.7±0.6克/公斤的碳水化合物、1.2±0.1克/公斤的蛋白质和1.0±0.1克/公斤的脂肪。在糖原耗尽方案的日子里，参与者分别摄入了低碳水化合物饮食或充足碳水化合物饮食，以引发LOW或AD糖原储备。研究营养师准备了所有餐食，并进行了管理。参与者在研究期间禁用了尼古丁和酒精。

骨标志物分析 在运动前（PRE）经过10小时的禁食后，以及在运动后0小时、3小时和24小时收集了血液样本，以评估血清中的骨转换标志物浓度。使用ImmunoDiagnostic Systems iSYS（马里兰州盖瑟斯堡）检测了骨特异性碱性磷酸酶（BAP；商品编号：IS-2800US）、I型胶原C端肽（CTX-1；商品编号：IS-3000）、I型前胶原N端肽（P1NP；商品编号：IS-4000R）和抗酒石酸酸性磷酸酶5b（TRAcP5b；商品编号：IS-4100R）。使用酶联免疫吸附测定法（ELISA；Takara Bio，加利福尼亚州圣何塞）检测了总骨钙素（total OC；商品编号：MK111和MK118）。所有样本在同一分析运行中进行了重复分析。BAP的 intra-assay 变异系数为1.7%，CTX-1为5.5%，TRAcP5b为6.6%，P1NP为3.2%。总骨钙（Total OC）的检测内变异性数据不可用。

**统计分析：**
配对t检验用于评估不同处理组（LOW与AD）在能量和宏量营养素摄入以及用于消耗糖原的运动强度方面的差异。线性混合模型方差分析（ANOVA）用于研究处理组（LOW与AD）、时间（运动前、运动后0小时、3小时和24小时）及其交互作用对骨转换标志物（BAP、CTX-1、P1NP、TRAcP5b和总骨钙）的影响。如果观察到显著的交互作用，则对多重比较进行Bonferroni校正。使用合并标准差（SD）来确定处理效应的大小（Cohen’s d）。有一名志愿者因其数值超过LOW和AD组平均值2个标准差而被排除在外。所有数据均以平均值±标准差的形式呈现。显著性水平设定为P<0.05。本研究为二次分析，样本量是根据先前发表的母研究的初步结果确定的，而非专门为骨转换标志物结果设计的。数据分析使用的是IBM SPSS Statistics for Windows 28.0版本（IBM公司，美国阿蒙克）。图表生成使用的是GraphPad Prism for Windows 10.0版本（GraphPad Software公司，美国圣地亚哥）。

**结果：**
- **糖原消耗运动和饮食摄入：**
两种处理组在总运动时间（LOW：84±25分钟，AD：88±24分钟）、平均功率（LOW：164±26瓦特，AD：161±25瓦特）和心率（LOW：159±14次/分钟，AD：159±13次/分钟）方面没有差异。LOW和AD组之间的能量摄入也没有差异（P=0.77）（表1）。相对碳水化合物摄入量在AD组中较高（P<0.01），而相对脂肪和蛋白质摄入量在AD组中较低（P<0.01）（表1）。

- **骨代谢物：**
CTX-1和P1NP在时间与处理组的交互作用中表现出差异（图2A、B）。运动后3小时，AD组的CTX-1水平较低（0.23±0.10 ng/mL，LOW组为0.62±0.26 ng/mL），效应量为-1.26（95%置信区间：-1.8, -0.72；图2A）。运动后24小时恢复期，AD组的CTX-1水平仍低于LOW组（0.85±0.40 ng/mL vs 1.09±0.49 ng/mL），效应量为-0.46（95%置信区间：-0.67, -0.25）。无论处理组如何，运动后3小时的CTX-1水平都低于运动前及运动后0小时和24小时的水平（P<0.001）。运动后24小时，AD组的P1NP浓度高于LOW组（113.65±36.35 ng/mL vs 111.54±36.52 ng/mL），效应量为0.19（95%置信区间：0.01, 0.37；图2B）。P1NP没有表现出时间效应。

- **总骨钙（Total OC）、TRAcP5b和BAP：**
无论处理组如何，时间对总骨钙（Total OC）、TRAcP5b和BAP均有主要影响（图3A-C）。运动后3小时和24小时的总骨钙浓度低于运动前（图3A）。运动前与运动后3小时或24小时的总骨钙浓度没有差异。运动后24小时的TRAcP5b浓度高于运动后3小时（图3B）。运动前与运动后0小时或3小时的TRAcP5b浓度没有差异。运动后3小时和24小时的BAP浓度均低于运动前（P<0.05）。运动前与运动后0小时或3小时的BAP浓度也没有差异。

**讨论：**
本次二次分析探讨了禁食状态下有氧运动后碳水化合物供应对骨转换标志物的影响。主要发现表明，在24小时恢复期内充足的碳水化合物供应可以减弱骨吸收标志物，并促进更有利于骨形成的骨转换过程。具体而言，每天6克/公斤的碳水化合物供应在禁食有氧运动后的24小时恢复期内降低了CTX-1水平并提高了P1NP水平。这些发现支持了这样的假设：恢复期内充足的碳水化合物供应有利于急性骨转换反应，表现为吸收减少而形成增加。

先前的多项急性研究[15, 22, 26]已经研究了碳水化合物供应对骨转换的影响，结果一致显示碳水化合物供应会减弱吸收标志物，但对形成标志物的影响则有所不同。与本研究一致，60-120分钟的跑步机实验表明，在运动前或运动期间补充碳水化合物可以降低CTX-1水平。例如，在摄入约1克/公斤碳水化合物的早餐后进行60分钟、65%最大摄氧量（VO2max）的跑步，可以减少运动期间CTX-1的增加，但对P1NP或骨钙素没有影响[15]。在更剧烈的实验中，每小时摄入0.7克/公斤碳水化合物、持续120分钟、70% VO2max的跑步机运动可以在恢复的前2小时内降低CTX-1和P1NP的上升，但这些差异在随后的72小时内不再明显[22]。

长期调整碳水化合物供应通常会延续这些吸收趋势，而对骨形成标志物的影响则更依赖于具体情境。在一项为期8天的研究中，精英男运动员在13次训练期间在运动前、运动中和运动后补充碳水化合物，与安慰剂组相比，早期恢复期CTX-1水平降低，但对P1NP或骨钙素没有影响[9]。同样，在进行3.5周的生酮饮食（<50克/天）后，精英竞走者在75% VO2max下运动2小时后，CTX-1水平短暂降低，而P1NP和骨钙素水平保持不变；然而，曲线下面积（AUC）分析显示，与高碳水化合物对照组相比，恢复期的CTX-1累积增加，而P1NP和骨钙素降低[11]。在随后的一项6天交叉研究中，低碳水化合物高脂肪（LCHF）和低能量供应（LEA）饮食在早期恢复期增加了CTX-1水平，但只有LCHF饮食显著降低了P1NP[5]。这些结果表明，在碳水化合物供应受限的情况下，只有这两项研究显示了骨形成标志物的抑制。

总的来说，先前的研究表明碳水化合物供应对骨吸收标志物有持续的影响，而对骨形成标志物的影响似乎更依赖于饮食调整的严重程度和持续时间。短期或适度的碳水化合物供应减少通常会减弱吸收标志物，而骨形成的抑制主要发生在更显著的饮食调整情况下，例如严重的碳水化合物限制和/或在多次训练中持续的低碳水化合物暴露。这些模式表明，骨吸收标志物对短期底物供应非常敏感，而骨形成标志物可能在碳水化合物限制足够严重或持续时间较长时才会受到影响。此外，许多先前的研究通过单独的饮食干预或在运动前、运动中或运动后特定时间点提供碳水化合物来调整碳水化合物供应，这使得难以区分恢复期间总碳水化合物供应与总体能量摄入的影响。相比之下，本研究在整个运动后恢复期间调整了碳水化合物供应，从运动后立即开始，持续到随后的24小时，同时保持两组之间的总能量摄入相同。这种方法使得可以将碳水化合物供应作为运动后骨转换反应的主要驱动因素，独立于热量摄入。这些一致的发现强调了碳水化合物供应在调节运动后骨转换中的关键作用，超出了总能量摄入的影响。

碳水化合物供应的独立重要性可能是因为成骨细胞在胶原合成和基质生成过程中严重依赖糖酵解，因此对碳水化合物供应和胰岛素信号非常敏感[1, 2, 19]。胰岛素对成骨细胞功能有直接的促进作用，促进胶原合成和矿化，同时抑制破骨细胞介导的吸收；相反，长时间或禁食运动后皮质醇水平的升高会刺激骨吸收并抑制成骨细胞活性[1, 2, 27]。因此，恢复期间的碳水化合物摄入通过刺激胰岛素释放和减弱皮质醇反应，可能创造了一个更一致地抑制骨吸收的内分泌环境，这反映在CTX-1水平的降低上。

相比之下，破骨细胞表现出更大的代谢灵活性，可以通过脂肪酸氧化维持吸收活性，这可能解释了吸收标志物对碳水化合物供应的敏感性，而不受总能量摄入的影响[1, 2, 19]。除了胰岛素和皮质醇外，由碳水化合物摄入刺激的肠道来源的肠促胰岛素激素（如GLP-1和GIP）也被证明对骨转换标志物有直接和间接的影响，进一步将餐后碳水化合物供应与吸收抑制和形成调节联系起来[28, 29, 30]。总的来说，这些激素和代谢途径可能有助于解释为什么碳水化合物摄入会一致地降低CTX-1水平，而在不同的碳水化合物供应条件下P1NP的反应却有所不同。

尽管我们的研究和以往的研究都报告了较高碳水化合物供应对骨转换标志物的有益影响，但需要注意的是，相关文献并不完全一致。因此，我们包括了BAP、TRAcP5b和总骨钙（Total OC）这些指标，以全面反映骨重塑的各个方面。在本研究中，这些指标受时间的影响大于处理组的影响，表明它们主要反映了急性运动的普遍生理反应，而不是早期恢复期间特定的营养调节。运动后BAP和总骨钙的短暂抑制可能反映了急性应激对成骨细胞活性的抑制，而TRAcP5b在24小时的延迟增加可能表明运动诱导的重塑刺激后破骨细胞的招募存在时间滞后[31, 32, 33]。这些反应与长时间运动相关的即时生理应激反应一致，包括全身酸中毒、交感神经系统激活和细胞因子信号传导[1, 21, 34, 35, 36, 37, 38]。这些急性应激因素可能导致骨代谢环境暂时偏向于更多的吸收和更少的形成，无论宏量营养素的摄入如何。不同研究中P1NP反应的不一致性也可能反映了骨重塑的方法学过程，特别是初始抑制和骨形成反弹之间的时间滞后，因为骨重塑是一个多阶段过程，其中成骨细胞激活和胶原合成发生在吸收之后[1, 2, 19]。P1NP是1型胶原合成的标志物，反映了成骨细胞活性，因此可能在急性代谢和机械应力后需要更多时间来恢复。在我们的研究中，恢复期间的碳水化合物摄入并未立即显著提高P1NP水平，但在24小时后的延迟增加表明，一旦分解代谢压力减轻且底物供应改善，成骨细胞功能有所恢复。

这些不一致的发现可能反映了参与者训练状态、采样时间、年龄相关的发展阶段、干预长度或碳水化合物限制的程度和持续时间的不同。还需要注意的是，像CTX-1和P1NP这样的循环标志物并非骨特异性指标，它们分别反映了全身性的胶原降解和合成。虽然这些指标被广泛用作骨转换的指标，但它们并不能直接量化骨基质或微结构的局部变化[39, 40]。此外，在剧烈运动后，全身蛋白质周转和非骨骼组织的胶原重塑也可能导致循环标志物浓度的增加[41, 42]。因此，目前的发现应被解释为反映与骨转换动态改变一致的系统性重塑信号，而不是局部骨形成或吸收的直接证据。据我们所知，这是第一项在没有先前喂养的情况下专门研究恢复期间碳水化合物供应的研究，从而填补了骨转换文献中的一个关键空白。

尽管本研究提供了新的信息，但它也有局限性。重要的是，当前研究的结果可能不适用于女性。未来的研究应评估性别特定的反应，因为骨转换可能受到女性生理特征的激素波动的影响[43]。此外，干预时间较短（24小时）仅捕捉了骨转换标志物的急性变化，而没有捕捉长期的骨骼适应和骨形成。最后，这是对最初为研究底物代谢而收集的数据的二次分析。因此，这项研究并非专门设计用来检测骨骼结果的差异，也没有纳入骨骼微结构或激素介质（如PTH、胰岛素、皮质醇）等变量。尽管喂养方案得到了严格控制，但在那些以评估骨骼代谢为主要结果的研究中重复获得相同结果之前，应对这些发现持谨慎态度。总之，这些发现表明，在进行空腹有氧运动后的恢复期间摄入碳水化合物可以积极影响骨骼更新的急性指标。这些效应可能是通过响应碳水化合物可用性的内分泌和细胞内信号通路来实现的。因此，以碳水化合物为中心的恢复策略对于运动员和军事人员来说非常重要，有助于防止骨骼承受累积性压力。