高鏑 王馨塘 許春艷 陳曉可 龔麗景1，

1 運動與體質(zhì)健康教育部重點實驗室（北京 100084）

2 北京體育大學(xué)中國足球運動學(xué)院（北京 100084）

3 北京體育大學(xué)中國運動與健康研究院（北京 100084）

4 北京體育大學(xué)運動人體科學(xué)學(xué)院（北京 100084）

5 清華大學(xué)體育部（北京 100084）

在機體糖原供應(yīng)受限期間（如饑餓狀態(tài)、生酮飲食、長時間持續(xù)運動等），血液中酮體水平會顯著升高，為大腦、心肌及骨骼肌提供能量[1-2]。酮體具有節(jié)約肌糖原的作用，補充酮體逐漸成為運動中降低糖原消耗的營養(yǎng)策略[3-4]。酮體在肝臟內(nèi)生成，包括乙酰乙酸（AcAc）、丙 酮 和β-羥 基 丁 酸（β-hydroxybutyrate，βHB），是一類脂肪酸分解代謝的中間產(chǎn)物。哺乳動物體內(nèi)乙酰乙酸、丙酮較少，βHB含量最高[5]，血漿βHB被作為體內(nèi)酮體含量的測試指標。

急性補充外源性酮體可快速提高血酮水平，且對健康成年人無害[6]。此外，相對丙酮酸而言，酮體碳氫比（1.3∶2）更低，每摩爾碳所需氧氣會更少，進而釋放更大的自由能來產(chǎn)生ATP，可更高效地提高肌肉工作效率[7]。Cox 等[8]發(fā)現(xiàn)補充酮體后，30 min 自行車計時賽運動員全程距離顯著增加。酮體與競技運動的關(guān)系成為運動科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點，但結(jié)果存在較大爭議[9]，如何將外源性酮體補劑安全有效地應(yīng)用于競技運動中，有待進一步研究。目前國內(nèi)關(guān)于補充酮體對運動影響的相關(guān)探索較少。本研究利用文獻資料法，以ketone bodies、acetoacetate、acetone、β-hydroxybutyrate、βHB、ketone salt、ketone ester 等關(guān)鍵詞相互組合，在Pub Med、Web of Science、EB-SCO、Embase 外文數(shù)據(jù)庫進行文獻檢索及引用文獻的追蹤，總結(jié)外源性酮體與競技運動（運動表現(xiàn)、血液生化指標、認知能力、運動后恢復(fù)能力）的研究概況及其作用機制，分析該補劑在競技運動中應(yīng)用存在的安全性及最優(yōu)化問題，旨在為今后的研究提供方向與思路。

1 外源性酮體概述

1.1 定義及相關(guān)參數(shù)

外源性酮體（酮鹽或酮酯）是一類經(jīng)過特殊加工而成的酮體補劑，可高效、準確、快速地提升血酮。不同類型的酮體造成血酮水平升高程度不同[10-12]（表1）。補充酮單酯20 min后，血漿βHB上升至3.0 mmol/L；補充酮二酯或者酮鹽只能使血漿βHB 保持在0.3～0.6 mmol/L 范圍內(nèi)[10，12-13]，這一范圍可構(gòu)成急性營養(yǎng)酮癥，產(chǎn)生對運動有關(guān)的代謝反應(yīng)[10，14]，但對運動表現(xiàn)沒有影響。只有血漿βHB超過1 mmol/L 后，運動表現(xiàn)才會產(chǎn)生變化[15]。以573 mg/kg 的劑量補充（R）-3-羥基丁酯（R）-3-羥基丁酸酯[（R）-3-hydroxybutyl（R）-3-hydroxybutyrat]，10 min 后血漿βHB 上升至3 mmol/L，30 min 后上升至6 mmol/L，可造成短期（0.5～6.0 h）營養(yǎng)性酮癥[15]。各外源性酮體補充后不影響機體胰島素和血糖水平。

表1 內(nèi)源性和外源性酮體來源及參數(shù)

1.2 作用機制

βHB不僅能作為能源物質(zhì)，維持大腦能量平衡；還可作為重要的信號分子，調(diào)節(jié)多種信號通路，發(fā)揮調(diào)控作用。

1.2.1 能量代謝方面

禁食狀態(tài)或長時間持續(xù)運動中，腦細胞底物從葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)棣翲B，βHB 依賴血管內(nèi)皮細胞膜和神經(jīng)細胞膜上的中鏈脂肪酸甘油三酯（medium-chain triglycerides，MCT），穿過血腦屏障進入大腦，最終被神經(jīng)元吸收[16]。βHB 可增強線粒體電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）蛋白表達，增加神經(jīng)元耗氧量和ATP 產(chǎn)量，并通過提高線粒體呼吸鏈NADH 脫氫酶輔助亞基（NADH: ubiquinone oxidoreductase subunit B8，NDUFB8）的水平，提高NAD+/ NADH 比值[17]。另外，βHB 在腎臟中降低解偶聯(lián)蛋白1（uncoupling protein 1，UCP1）的表達并降低脂肪細胞中β腎上腺素受體的親和力，減少兒茶酚胺誘導(dǎo)的產(chǎn)熱，最終降低代謝率[24]。

一方面，βHB可特異性激活并結(jié)合羥基羧酸受體2（hydroxycarboxylic acid receptor 2，HCAR2），促進脂聯(lián)素（adiponectin）分泌，增加脂肪細胞分解[18-19]；通過HCAR2，抑制炎癥中間體，如前列腺素D2（prostaglandin D2，PGD2）和核因子2 相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2），從而防止免疫系統(tǒng)過度激活[20-21]，最終降低能量代謝。另一方面，βHB 是G 蛋白偶聯(lián)受體41（g-protein coupled receptor 41，GPR41）的配體，βHB 借助GPR41 介導(dǎo)的Gβγ-PLCβ-MAPK 信號通路，抑制短鏈脂肪酸正向信號，抑制交感神經(jīng)元上的磷脂酶C β（phospholipase C β，PLCβ），降低交感神經(jīng)系統(tǒng)活性和去甲腎上腺素釋放，從而降低代謝率，發(fā)揮節(jié)約糖原的生物學(xué)作用[22-23]。

1.2.2 認知表現(xiàn)方面

βHB 可激活腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）基因啟動子Ⅳ，提升認知表現(xiàn)（BDNF對提高認知表現(xiàn)具有重要意義）。第一，βHB通過cAMP 信號通路介導(dǎo)環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（S133） [cAMP- response element binding protein（S133），CREB（S133）]磷酸化以及在BDNF 基因啟動子Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅵ處上調(diào)組蛋白H3 賴氨酸27（histone H3 lysine 27，H3K27）乙酰化，促進BDNF 基因轉(zhuǎn)錄，增加海馬體中BDNF 蛋白的表達[17]。第二，βHB刺激誘導(dǎo)的BDNF啟動子Ⅱ和Ⅵ處H3K27的三甲基化下降以及H3K27me3 特異性去甲基化酶JMJD3 升高，也有助于BDNF 的激活轉(zhuǎn)錄。故βHB可通過一種新的信號功能促進神經(jīng)元中BDNF 的表達。第三，βHB 還具有廣泛的表觀遺傳調(diào)控活性，影響H3K27 的乙?；腿ゼ谆痆25]。βHB 還通過增加H3K4me3 和降低H2AK119ub在海馬神經(jīng)元中BDNF啟動子Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅵ的占有率，增強BDNF的表達。

綜上，βHB 可調(diào)控細胞信號和多種組蛋白修飾共同調(diào)節(jié)BDNF，表明βHB 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中具有廣泛的調(diào)節(jié)作用[26]。

1.2.3 運動后恢復(fù)能力方面

βHB可能通過抗氧化及抗炎等作用潛在提升運動后恢復(fù)能力。第一，βHB通過促進組蛋白乙酰化，增強氧化應(yīng)激抵抗因子FoxO3a 和金屬硫蛋白2（recombinant metallothionein 2，MT2）的活性，調(diào)節(jié)Nrf2 信號通路，發(fā)揮抗氧化應(yīng)激的作用[27]；第二，βHB/HCAR2信號軸可以調(diào)節(jié)炎癥介質(zhì)，通過NF-κB信號通路，抑制促炎因子：腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白細胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）和白細胞介素6（interleukin-6，IL-6）的釋放，預(yù)防神經(jīng)性炎癥[28]；第三，βHB 還可通過阻斷NLR 家族Pyrin 域蛋白3（recombinant NLR family，pyrin domain containing protein 3，NLRP3）炎性小體的表達以降低炎癥[29]。

2 補充外源性酮體對競技運動表現(xiàn)的影響

運動表現(xiàn)包括身體類表現(xiàn)（如運動學(xué)、動力學(xué)、生理學(xué)表現(xiàn)等）和非身體類表現(xiàn)（如心理表現(xiàn)），最佳運動表現(xiàn)體現(xiàn)為人體在運動過程中能量消耗最少、動作模式最優(yōu)及完成動作的時間最短等特點。目前補充酮體對競技運動表現(xiàn)的影響主要從耐力運動表現(xiàn)、認知能力和運動后恢復(fù)能力等3個方面來分析。

2.1 補充外源性酮體對耐力運動表現(xiàn)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，補充酮體對耐力運動表現(xiàn)有益（表2），如補充酮酯后，自行車計時測試全程距離顯著增加約2%（411 ± 162 m）[8]；在15 min 計時測試中平均輸出功率顯著增加[30]；或過度訓(xùn)練癥狀更輕，且在計時測試中的平均輸出功率顯著增加[31]。部分研究指出，補充酮體不利于提升耐力運動表現(xiàn)：11 名自行車國際健將在急性補充酮酯（250 mg/kg）后，其31公里自行車計時測試的騎行完成時間、呼吸交換率（respiratory exchange rate，RER）和能量消耗速率顯著上升[12]；10名健康男子急性補充酮鹽（300 mg/kg）后，150 kJ自行車計時測試的騎行完成時間及RER 顯著上升，平均功率顯著下降[14]。部分研究表明，急性補充酮體對耐力運動表現(xiàn)沒有影響[10，13，32-42]。酮體補劑的類型和劑量對補充效果的影響還有待明確，目前僅有少量研究顯示不同劑量的酮酯和酮鹽（如330 mg/kg和750 mg/kg）對耐力運動表現(xiàn)無顯著影響。關(guān)于酮體補劑的最佳類型和劑量仍需深入研究，建議長期監(jiān)控運動員尤其是耐力運動員訓(xùn)練中酮體水平，并對運動員進行外源性酮體補充干預(yù)研究，進而評估最佳酮體類型與劑量。

酮體補充的效果受運動表現(xiàn)測試方法的影響。當前研究多為耐力測試方案（表2），包括功率自行車計時試驗（持續(xù)40～50 min），運動表現(xiàn)的測試方法是固定時間內(nèi)最大騎行距離[8]、固定距離的總時間（或平均輸出功率）[12-14，34，39-40]、遞增負荷功率自行車測試[32]或往返跑至力竭的測試[33]。少數(shù)研究使用無氧測試方案，如15 m沖刺跑[33]或Wingate無氧測試[42]。于自行車計時試驗方案而言，Cox 等[8]發(fā)現(xiàn)，在歷經(jīng)1 h 高強度運動后，補充酮體的運動員30 min 內(nèi)多騎行411±162 m，運動成績提升2%；但Leckey[12]及O’malley[14]的研究發(fā)現(xiàn)，31 km 的騎行時間增加，平均輸出功率降低3.7%～7%，其他研究未發(fā)現(xiàn)影響?？梢?，不同測試方法的效度高低尚未得到驗證，如何選取準確有效的運動表現(xiàn)相關(guān)指標和測試方案是今后研究迫切需要解決的問題。

運動參數(shù)是影響酮體補充效果的原因之一。在一定的運動強度/持續(xù)時間閾值范圍內(nèi)補充酮體可能有效，其機制可能是補充酮體有利于節(jié)省肌糖原，進而提高耐力運動表現(xiàn)。當前研究多選取持續(xù)時間小于60 min 的測試評價運動表現(xiàn)（表2）。長期生酮飲食有助于提高肌肉脂肪氧化率和輸出功率，提高中等強度的運動表現(xiàn)[43]。血酮濃度與馬拉松比賽平均跑步速度呈正相關(guān)，這表明生酮可能會提高長時間中/低強度耐力運動能力[44]。也有研究指出，生酮飲食降低10000 m的耐力運動表現(xiàn)[45]，原因是酮體會降低機體碳水化合物代謝，導(dǎo)致高強度耐力運動成績下降（高強度耐力運動主要通過糖酵解供能）[46]，降低運動經(jīng)濟性及高強度運動比賽中的表現(xiàn)[47]。此外，在15 min 的計時試驗和間歇蹬車3 h 后的全力沖刺試驗中，急性補充酮酯對運動成績無影響[38]。由此可見，現(xiàn)存研究結(jié)論存在爭議，仍需要進一步研究以明確酮體補充對長期耐力運動表現(xiàn)的影響和發(fā)揮效果的運動強度/持續(xù)時間閾值。

表2 補充酮體對競技運動表現(xiàn)的影響研究

（續(xù)表2）

酮酯會使血液pH值和碳酸氫鹽濃度下降，從而導(dǎo)致酮酯補充的效果下降[38]。研究證實，混合補充碳酸氫鈉和酮酯可以防止血液pH值下降，進而提高計時試驗中的運動表現(xiàn)[30]。碳酸氫鹽對酮酯所起的“助力效應(yīng)”，以及在這種效應(yīng)內(nèi)進行相應(yīng)的體育訓(xùn)練能否獲得更為理想的效益，尚待進一步研究。

值得注意的是，為了使所補充的能量相當，部分研究中酮體組加入的碳水化合物總量會少于對照組（60 g 和110 g）[39]，雖符合推薦標準（≥60 g/h）[48]，然而碳水化合物補充劑量的差異可能會造成運動表現(xiàn)不同。不過也有研究顯示，即使補充等量碳水化合物也尚未發(fā)現(xiàn)酮體對運動表現(xiàn)產(chǎn)生更佳影響[12，33-34，38]。

綜上，影響酮體補充效果的因素包括酮體補劑的類型和劑量、運動表現(xiàn)測試方法、運動時間、酸堿平衡紊亂等。因此，需要進行更為嚴謹?shù)脑O(shè)計及深層次的研究，探索出最佳補充類型和劑量以及相應(yīng)運動參數(shù)，進而應(yīng)用外源性酮體提高耐力運動表現(xiàn)。

2.2 補充外源性酮體對認知表現(xiàn)的影響

認知表現(xiàn)貫穿于運動訓(xùn)練與比賽中，包括感知覺、決策、記憶、語言、問題解決等心理活動。學(xué)界通過抑制控制、反應(yīng)時、預(yù)判決策、執(zhí)行功能等任務(wù)對運動員的認知表現(xiàn)進行測評。隨著運動進行，體能不斷下降，認知能力也隨之降低，并直接影響到運動表現(xiàn)，對于需要快速決策能力的運動項目更是如此（團隊運動與隔網(wǎng)運動等）。因此，認知表現(xiàn)對于運動員的運動表現(xiàn)具有重要意義。

研究顯示，酮體對認知表現(xiàn)具有積極作用，因此進一步了解其作用機制，有利于理解二者之間的關(guān)系。目前認為，酮體可能通過調(diào)控基因表達對認知表現(xiàn)發(fā)揮作用。

血糖是大腦主要能量來源，大強度運動導(dǎo)致血糖下降，進而產(chǎn)生“中樞疲勞”[50]。在長時間禁食狀態(tài)下，酮體可以替代血糖作為大腦的主要能源，進而提高認知表現(xiàn)[51]。研究發(fā)現(xiàn)，酮體可以減少大腦對血糖的依賴，穿過血腦屏障，激活BDNF 基因啟動子Ⅳ，誘導(dǎo)BDNF 基因的表達，提高BDNF 蛋白水平，并誘導(dǎo)海馬BDNF蛋白的產(chǎn)生，進而可能提升大強度運動中及運動后的認知表現(xiàn)[52-54]。

酮體可將BDNF 與認知表現(xiàn)聯(lián)系得愈加緊密，但目前酮體補充對認知表現(xiàn)影響的有關(guān)證據(jù)較少且差異較大。此外，BDNF與認知表現(xiàn)之間的關(guān)系還存在一定爭議[55-56]。一方面，營養(yǎng)性酮癥（生酮飲食）可顯著提高大鼠完成迷宮測試的速度以及正確決策次數(shù)，進而提升認知表現(xiàn)[51，57]，還可為大腦提供能量，改善認知障礙（如阿爾茨海默病）患者的認知表現(xiàn)[58]。此外，研究指出，生酮飲食可通過提高完成迷宮測試的速度并使低頻（0.01～0.1 Hz）波動的全腦信號幅度趨于平穩(wěn)，提高健康青少年的腦酮利用率和大腦網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，補充外源性酮酯（βHB）同樣可以達到類似效果[59]。另一方面，補充酮體可能會減緩大強度運動后的認知表現(xiàn)下降。如在力竭運動中補充酮酯能顯著降低多任務(wù)測試中的錯誤反應(yīng)次數(shù)[33]。也有研究發(fā)現(xiàn)，補充酮酯對10 公里跑步前后的認知測試（多任務(wù)測試中的反應(yīng)時及正確率）均未產(chǎn)生顯著影響[34]。補充酮鹽對高強度間歇運動后的認知表現(xiàn)無影響[42]。

綜上，酮體對調(diào)節(jié)BDNF 基因表達有積極作用，但酮體與BDNF 的內(nèi)在聯(lián)系以及BDNF 在認知表現(xiàn)中調(diào)控作用的精確機制有待進一步闡明。

2.3 補充外源性酮體對運動后恢復(fù)能力的影響

酮體補充可能會加速機體運動后的恢復(fù)，但現(xiàn)有研究結(jié)論存在較大差異。研究發(fā)現(xiàn)，運動后混合補充酮體和碳水化合物可以提高葡萄糖轉(zhuǎn)化為糖原的效率，從而促進肌糖原的恢復(fù)[15，60]。此外，酮體可能會抑制蛋白質(zhì)的氧化[15]。在不同濃度酮體的培養(yǎng)基內(nèi)培養(yǎng)運動1 h 后的小鼠離體骨骼肌，發(fā)現(xiàn)骨骼肌的蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）激活，從而抑制AMP 激活的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）通路，并使運動后2 h內(nèi)糖原合成增加[61]。高強度間歇運動后，混合補充酮酯和葡萄糖可增加人體血液中胰島素濃度、促進葡萄糖攝取及肌糖原合成[36]。研究還發(fā)現(xiàn)，補充酮體使人體肌細胞中合成代謝（如亮氨酸介導(dǎo)的mTORC-1）水平較高，且抑制運動后AMPK 磷酸化，從而增加肌細胞中蛋白質(zhì)合成[62]，但不足以證明補充酮酯為運動后人體合成肌糖原帶來理想效益。長期補充酮酯（每天在運動后和睡前補充，連續(xù)補充3 周）可緩解耐力訓(xùn)練過度時的不良癥狀，表現(xiàn)為夜晚血漿腎上腺素和去甲腎上腺素濃度比空白對照組低，并在運動中達到高心率值的能力更強[31]。由于方法學(xué)和統(tǒng)計學(xué)等因素的影響（試驗未登記、選擇性報告、沒有關(guān)于個人反應(yīng)的信息等），學(xué)界也對這些研究結(jié)論提出質(zhì)疑[63-64]。

研究指出，碳酸氫鈉可幫助機體在運動后恢復(fù)期間迅速達到最佳pH值，減緩運動員由酮單酯引發(fā)的酸堿平衡紊亂，為酶和激素的恢復(fù)過程提供最佳環(huán)境，從而促進酮單酯補充，為運動表現(xiàn)帶來理想效益，且未引起胃腸道不適[30]。需要進一步研究酮體結(jié)合其他補劑（如碳酸氫鈉、肉堿或肌酸等）對運動后恢復(fù)的影響。

此外，生酮飲食可使血漿βHB上升至1～2 mmol/L，并促進運動后恢復(fù)。補充酮單酯使血漿βHB 上升至2.5～5 mmol/L，卻未促進運動后的恢復(fù)。推測存在βHB恢復(fù)閾值，并假定閾值在1～3 mmol/L 范圍內(nèi)。亟需進一步的研究來確定促進運動后恢復(fù)所需的血漿βHB閾值以及不同類型的外源性酮體對運動后恢復(fù)的影響。

綜上，酮體補充促進運動后恢復(fù)的機制尚不明確，還需更多深入的研究。今后的干預(yù)研究應(yīng)注意監(jiān)測蛋白質(zhì)合成代謝和分解代謝水平，確定酮體與mTORC-1及AMPK通路之間的相互作用是否對運動后恢復(fù)有影響。

3 小結(jié)

在運動過程中，補充酮體可以對運動人體帶來一定積極效益。補充酮體可以降低能量消耗和代謝率，改善耐力運動表現(xiàn)；增加海馬體中BDNF 蛋白的表達，改善認知表現(xiàn)；抗氧化及抗炎，提高運動后恢復(fù)能力。

目前研究存在不足之處：1）研究對象不夠細化（目前受試者多為男性中青年），以運動員作為研究對象的實證研究較少，需探索不同人群（女性、老年人、青少年及兒童），尤其探究大樣本量的運動員酮體補充的效益。2）現(xiàn)有研究缺乏貼合真實比賽情景的運動方案，需在真實比賽情景下（比賽時心理、比賽時環(huán)境）探索最佳運動參數(shù)范圍（運動量、運動強度、運動時間），提升研究的生態(tài)學(xué)效度。3）酮體補劑如何聯(lián)合其他補劑（碳酸氫鹽、碳水化合物及蛋白質(zhì)等）產(chǎn)生理想的復(fù)合效益，以及最優(yōu)化補充劑量（補充時間點、補充持續(xù)時長、補充量）尚未明確，仍需確定改善運動表現(xiàn)的濃度/劑量（閾值范圍）。