运动因子：介导运动效果的分子信使
运动如何有益于健康？
运动因子部分调节其效果，并提供模仿运动益处的治疗靶点。Sneha Khedkar 是《科学家》杂志的一位助理编辑。她拥有生物化学硕士学位，曾为《科学美国人》、《新科学家》和《可理解杂志》等撰稿。
2009年3月的一个下午，在安大略省，冬季正逐渐转为春季，麦克马斯特大学的马克·塔诺波尔斯基和他的团队围坐在桌旁参加每周的实验室会议。讨论的主题是他们小组的研究重点：运动生理学。
“我对运动感兴趣，因为我是一名运动员，”塔诺波尔斯基说，他曾参加过国际冒险赛、滑雪定向越野和冬季三项等运动。“作为一名治疗患有肌营养不良或线粒体疾病的儿童和成人的神经科医生，我一直非常关注运动如何带来益处。”
在会议中，当塔诺波尔斯基和他的团队讨论来自不同组织分泌的各种分子——肌肉分泌的肌因子和脂肪组织分泌的脂联素——部分帮助介导运动效果时，他有了一个想法。
“我当时想，我们其实并不清楚它们来自哪里。有时候来自肌肉，有时候来自肝脏，有时候来自脂肪，”塔诺波尔斯基回忆道。“为什么我们不把它们统称为‘运动因子’来广泛描述那些因运动而变化的蛋白质、代谢物和微小RNA，这些物质带来了全身性的益处呢？”
如今，研究人员认识到运动因子是一类广泛的信号分子，包括肽和蛋白质、激素、代谢物、脂质和核酸，这些分子在运动时释放出来。这些化合物作用于目标细胞，驱动运动的全身性效果。
塔诺波尔斯基和其他专家认为，揭示运动因子的全球动态可以帮助他们理解运动的生理效应，如预防或延缓疾病和改善患者的临床结果。事实上，通过使用临床前模型和少数人类志愿者的研究，塔诺波尔斯基等人已经表明，运动因子有助于延缓衰老、管理糖尿病和肥胖等代谢疾病、降低心血管疾病的风险并改善认知功能。
尽管该团队在2009年创造了“运动因子”一词，并于2016年首次发表，但科学家们早就认识到循环体液因素至少部分介导了运动的好处。
“第一个被发现的运动因子被认为是乳酸，”明尼苏达大学研究运动对代谢障碍影响的内分泌学家丽莎·周说。
骨骼肌作为运动因子分泌组织
一个多世纪前，科学家们发现，包括哺乳动物、鸟类和两栖动物在内的疲惫动物的肌肉会分泌乳酸。虽然最初被认为是一种代谢废物，但研究人员已经证明，运动诱导的乳酸可以带来全身性益处。
由于肌肉在运动中起着重要作用，科学家假设肌肉分泌的因素——肌因子——构成了运动引起的分子基础。2000年，研究人员测量了运动志愿者的血浆细胞因子水平，发现收缩肌肉分泌了白细胞介素-6（IL-6），从而确定它是第一个肌因子。“从那时起，运动因子的数量急剧增加，”周指出。
随着对该领域兴趣的增长，科学家们开始调查运动效果背后的分子。他们使用小鼠模型和少量人类参与者来识别运动因子、分泌这些因子的组织以及它们作用的目标细胞。通过这些方法，几个研究小组独立表明，运动触发组织内的分子和细胞变化，如钙水平改变、pH值变化和缺氧，最终导致组织释放运动因子，这些因子作用于不同的目标细胞。
运动因子作用于起源细胞、邻近细胞和远端细胞
一些运动因子以自分泌方式作用于分泌它们的组织。例如，当研究人员使用小鼠模型研究一些由肌肉衍生的运动因子如IL-6和阿片素的作用时，他们发现这些分子可以改善代谢、促进线粒体生物发生或作用于干细胞以增强肌肉功能。
在确定IL-6为肌因子之后不久，该研究小组将其注射到人体内以确定其作用模式。他们的研究表明，它具有旁分泌效应——作用于起源组织周围的细胞——因为它增加了脂肪组织中的脂质分解。与此同时，其他研究小组也表明，许多其他运动因子对邻近组织有旁分泌效应。
除了自分泌和旁分泌功能外，研究人员还发现运动因子也可以作用于远端器官。在研究中，塔诺波尔斯基和他的团队观察到，经常锻炼的人比久坐不动的人皮肤更好。他们从志愿者身上获取活检样本以调查这一现象的分子机制。“当你用活检针在运动员身上取样时，感觉像苹果一样脆，”塔诺波尔斯基回忆道。“而在久坐不动的人群中，活检针会扭曲和旋转，因为真皮层不够完好。”
为了研究运动员皮肤健康的分子机制，研究团队从两组人群中提取血液。他们发现，运动诱导肌肉分泌IL-15。当他们用这种运动因子处理皮肤成纤维细胞时，观察到线粒体生物发生增加，这改善了整体组织健康。
皮肤并不是唯一受到肌肉衍生运动因子作用的远端组织。最近的动物实验表明，运动因子如鸢尾素通过作用于神经系统中的细胞驱动运动的认知益处。
肝脏、骨骼和脂肪组织也分泌运动因子
随着该领域兴趣的增长，来自人类、小鼠模型和培养细胞的研究提供了关于这些分子的重要见解：除了肌肉外，其他组织也分泌运动因子。
独立研究表明，肝脏、脂肪组织、骨骼和大脑等组织在运动时分泌分子。深入研究这些分子的影响，研究人员发现运动因子作用于多种组织，包括肝脏、肠道、心脏以及神经系统、内分泌系统和免疫系统。
这些发现表明，多个器官系统产生运动因子并受其影响，这可能解释了对运动反应的高度变异性。运动因子至少部分介导了这种复杂的跨器官对话，最终导致运动的全身性效应。
运动因子在临床和人类健康中的应用
了解运动因子的作用可以澄清是什么驱动了运动的整体健康益处。除此之外，周认为，对人们运动因子谱型的分析可以为个性化运动提供方法。“我们知道人们对运动的反应不同，”她说。虽然某些形式的运动对某些人有益，但对其他人可能没有效果。了解哪些运动因子对个人有益可以帮助医生量身定制训练计划，或预测特定运动形式的效果。
随着研究人员越来越多地强调运动因子及其生物学效应，人们开始思考是否可以利用这些分子模仿个体运动的益处。然而，塔诺波尔斯基并不认为这是可行的。
与药物疗法不同，运动的效果不限于特定目标，因此找到一种潜在有益的分子是不现实的。他认为，“要模仿运动，单靠一种分子是不够的。不是IL-15，不是IL-6，不是阿片素，不是鸢尾素，而是所有这些分子共同作用在运动的背景下。”
尽管这对于运动能力有限或患有疾病的人来说可能是有价值的，但塔诺波尔斯基认为“运动药丸”是一个神话。自然选择使得运动能带来生物学优势，试图用单一分子捕捉运动的益处是违背数百万年进化的结果，他说。“我认为你很难超越它。”
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