单位文秘网 2021-07-08 08:19:17 点击: 次
摘要:现代生物技术是在分子生物学基础上建立的创建新的生物类型或新生理机能的实用技术,是现代生物科学和工程技术相结合的产物。在查阅大量文献资料的基础上,该文对现代生物技术在竞技体育领域中的应用前景进行了综述和分析,旨在促进现代生物技术与体育生物学进一步结合,推动我国竞技体育的快速发展。
关键词:现代生物技术;竞技体育;应用;展望
中图分类号:G80-05文章编号:1009-783X(2007)02-0035-04文献标识码:A
收稿日期:2006-07-10
作者简介:张词侠(1980-),女,河南人,在读硕士研究生,研究方向为运动营养与保健;吴纪饶(1947-),男,湖南人,教授,研究方向为运动性疲劳与恢复过程;王志峰(1981-),男,河南人,在读硕士研究生,研究方向为运动生物化学与营养学。
作者单位:1.江西师范大学体育学院,江西南昌330027;2.陕西师范大学体育学院,陕西西安710062
现代生物技术是以生命科学为基础,利用生物体的特性和功能,设计构建具有预期性状的新物种或新品系,并与工程技术相结合,利用这样新物种(新品系)进行加工生产,为社会提供商品和服务的一个综合性的技术体系[1]。随着人类基因谱的解密和基因重组等分子生物学技术的不断发展,现代生物技术涉及的内容越来越多,它在各个领域的应用越来越广泛。
1现代生物技术
现代科学证实:人类所有疾病都能在基因水平上找到原因,遗传诊断、遗传修饰和基因治疗已成为现实。一些以现代生物技术为核心的新产品不断出现,如基因工程疫苗、细胞因子、EPO、干扰素等。由细胞工程和基因工程的应用而产生的细胞移植和基因治疗技术在临床上已获得推广,如细胞移植技术用于骨髓移植治疗白血病、淋巴病、免疫缺陷、再生障碍性贫血及放疗化疗后的肿瘤病人等,基因治疗已由治疗单基因缺陷的遗传病,扩展到治疗非单基因遗传病,如艾滋病、心脏病、癌症、心血管病、糖尿病、肥胖症、血液替代品的开发、器官移植等。荧火抗体法、化学发光免疫检测技术,DNA探针、PCR技术等先进分子生物学检测技术的建立,也大大提高了诊断方法的敏感性和特异性,促进了诊断技术的发展等。
在体育科学领域,现代生物技术应用已初见端倪,并显示其深远的应用前景。学者们曾经应用生物科学中的神经-内分泌-免疫网络、氧化应激、自由基、细胞凋亡等理论,取得大量的指导运动实践的研究成果。随着现代生物技术的应用与推广,体育科学研究的思路和方法出现了新的突破。如微创技术、基因治疗、CT、超声和核素扫描等技术开始在运动创伤治疗及诊断中发挥作用;血尿常规快速检测、同位素技术、生物芯片、分子生物学技术等被广泛用于科学选材、机能评定、运动性疲劳诊断和消除;利用基因芯片技术研究中药,加速了中药有效成分的筛选和多靶点作用机制的阐明;数字化人体技术与体育保健针灸学结合,促进了中医中药走向世界;蛋白质组技术在运动人体科学中的应用,使现代生物技术在竞技体育的应用发挥越来越大的作用。本文通过文献的研究与分析,拟阐明现代生物技术在竞技体育领域中的应用及其前景。
2现代生物技术在竞技体育领域中的应用及其前景
2.1现代生物技术与运动员的科学选材
现代生物技术研究认为人类许多基因存在着多态性,这就为基因选材提供了理论基础。例如,ACE(血管紧张素转化酶基因)是基因多态性研究最多的基因。研究提示[4],ACEⅠ型基因与杰出有氧耐力可能有关。另外,ADRA2A基因(肾上腺素能受体基因)是另一个与有氧耐力可能相关的基因,有研究表明训练引起的脂肪水解的变化主要由相关基因决定,脂肪水解供能是耐力运动的重要能量来源,而肾上腺素能受体基因可能通过调控ADRA2A与儿茶酚胺的结合位点发挥作用,因此ADRA2A有望成为杰出耐力的速传标记[5]。常芸[6]、于长隆[7]研究指出,mtDNA高变区Ⅰ序列多态性在运动能力遗传标记的筛选上具有良好的应用前景。他们在研究中发现mtDNA高变区ISNPs位点16362,16085和16297决定了个体有氧耐力水平及其对训练的高敏感性,可能成为人类运动能力的遗传标记,它们对运动员的运动耐力选材以及培养有十分重要的意义。研究[8]还发现PGC-1α基因的Gly482Ser(外显子G156A)多态性与体育活动的能量消耗和VO2max之间存在关联,检测该基因可能是影响杰出耐力表型的侯选基因之一。此外,PPARα基因的多态性可能与个体的耐力有关,有希望成为耐力运动员选材的基因标记。Yalda(2001)研究了144名英国新兵训练前后左心室增生与PPARα基因的多态性关系,证实PPARα调节了运动训练导致左心室肥大的作用。有研究还证明PPARа基因第7内含子G/C多态,PPARδ基因第4外显子(169803处)C/T多态与个体的脂代谢特点有关。美国和韩国的研究人员通过基因技术将PPARδ基因植入大鼠体内,将普通实验鼠改造成了耐力大增的“马拉松鼠”,其运动持续时间是普通实验鼠的3倍[9]。有研究发现[10],游泳项目中具有II基因型或I等位基因型的运动员,赛艇项目中具有ID基因型或I等位基因的运动员,可能属于运动训练敏感的高反应群体,经过多年系统科学的训练,是成为优秀运动员的可能,ACE基因I/D多态性可作为运动训练和选材中的高敏感的非常重要的遗传标记之一。
对与速度相关的基因多态性研究表明,ACTN是肌动蛋白的结合蛋白,在骨骼肌中主要分布于Z线,类似致密体,帮助定位肌原纤维肌动蛋白微丝。Yang(2003)研究发现[11]577R可以作为短跑运动员基因选材指标。
与力量相关的基因多态性研究发现,ACTN3基因型与女性力量训练的敏感性相关。在对澳大利亚优秀运动员的研究中证实,ACTN3基因R557X基因型与运动能力有关。速度型表现与577R等位基因相关,耐力性表现与577X等位基因相关。ACTN3基因R557X多态性是否与力量训练的敏感性相关?针对这一问题,Clarkson等人让247名男性和355名女性进行了为期12周的非优秀选手肘关节屈伸抗阻训练。研究发现,男性的ACTN3基因R557X多态性与肌肉力量大小不相关。女性在按体重和年龄分组后,ACTN3基因R557X为纯合型XX的人群在训练前的最大等长力量显著低于杂合型RX(P<0.05)。但在力量训练后,纯合型XX的女性表现出比RR型有更大的绝对和相对力量的增长(P<0.05)。基因效应的变异分析显示,大约2%的训练前的最大等长力量以及训练后的最大力量增长可归因于ACTN3基因,提示ACTN3基因可作为影响肌肉表现和训练敏感性的众多基因之一[12]。有研究发现,与力量相关的基因多态性研究中,主要有GEUSENS(1997)对VDR基因(2912-914)多态与肋力的关系进行了研究。结果显示,在体重指数(BMI)〈30KG/平方米的人群中,bb型个体握力要比BB型高7%,bb型股四头肌力量比BB型高23%。SEIBERT(2001)对GDF8的K153R多态与肌肉力量的维持进行了研究,研究发现骨骼肌纤维中存在大量的CNTF受体,表明CNTF对神经纤维、骨骼肌纤维的生长发育及功能起到了营养调节作用。实验证明CNTF可以通过增加神经肌肉接点处末梢神经纤维和运动神经元数量,肌纤维蛋白质合成,以及肌纤维数量和面积来促进骨骼肌的生长发育,提高骨骼肌的机能。CNTF基因多态性与骨骼肌和爆发力明显大于多态为G/G和A/A的人,提示可以用CNTF基因多态性标记预测骨骼肌的运动潜能。
上述研究结果表明,人类基因组中有某些与人类运动能力密切相关的基因,其多态性的差异是造成运动能力和训练效果巨大个体差异的原因。基因领域的研究,有可能为人类进行有效的基因选材提供了理论基础,也为提高运动成绩提供了事半功倍的方法。通过对每一项目优秀运动员的基因资料的分析,找出该项目的优秀运动员的特征基因,在选材时就可以选出好的苗子,以提高运动员成绩的效率。还可以通过与世界优秀运动员的基因组资料的比较,找出我国的优势项目,针对性地进行训练,最大限度地提高训练效果。田振军[13]指出通过收集世界优秀运动员的基因组资料,对这些资料进行建库,并输入数字化虚拟人体数据库,利用计算机图像技术与临床解剖学相结合,实现人体从微观到客观的结构和机能的数字化可视化,完整地描绘基因、蛋白质、细胞、组织、器官与整体的形态与功能,最终达到人体信息的整体精确模拟。当数字化人体具有一般生理人的蛋白质、细胞、组织、器官的形态与功能及基因的表达特征,也许我们可以利用数字化模拟人体了解人类运动究竟有没有极限。在数字化模拟人体上建立体育选材数据库,根据不同年龄阶段,把青少年运动员的身体形态学特征与运动能力的数量性状指标,如HB含量,肺活量,最大吸氧量,肌肉的横截面积,肌纤维的数量,基因的表达及调控特性等输入计算机,便能显出该运动员所能取得成绩的最大极限和适合的运动项目,选拔具有潜在运动才能的运动员。
2.2现代生物技术与个性化运动训练计划的制定
个性化运动训练计划就是根据各个特定对象的个体解剖和生理特点确定运动负荷量与强度及动作方式,以使运动发挥最理想,运动成绩最佳,运动损伤的风险最小化的计划方法。目前,随着分子生物学和生物信息学的快速发展,怎样基于个体的遗传背景选择合理的强度与量,用现代生物技术制定用于提高运动员成绩个性化训练计划成为运动训练科学化的一个重要内容。科技发展表明:运动训练效果存在着极大的个体差异,而这是由遗传因素造成的,与基因多态性相关。基因多态性研究有助于我们了解个体对运动训练和锻炼的适应能力,制定个性化运动处方,使其更具科学性。Montgomery(1999)比较了78名士兵进行10周体能训练后ACE基因多态性与训练效果的关系,结果显示,ACE为Ⅱ型的人训练效果最明显,对训练的敏感度比DD型高11位。张培珍[14]研究了载脂蛋白基因-apoB100基因的多态性对运动治疗血脂异常的效果。研究发现,体育锻炼对HDL-C的改善可能与不同的基因型有关:XbaI位点X2X1基因型和EcoRI位点E2E2基因型血脂异常患者对走和跑锻炼敏感,而X1X1基因型和E2E1基因型(包括E1E1基因型)血脂异常患者对走和跑锻炼不敏感[12]。当不敏感的X1X1基因型和敏感的E2E2基因型同时存在时,走和跑锻炼仍能够引起血清HDL-C的改善,并以低强度长时间走和跑锻炼的效果最为明显,而当不敏感X1X1基因型和E2E1基因型同时存在时,走和跑锻炼不能引起血脂患者HDL-C的显著改善。表明载脂蛋白基因-apoB100基因的XbaⅠ和EcoRI多态性对走和跑锻炼调节血脂异常的效果有影响。因此,在日常锻炼时可考虑人群的基因多态性,制定出个性化的运动处方。同时,运动员在训练中,技术形成与运动能力提高都有制定的最佳运动感应阈,还需要安排和分布在不同的训练状态与过程中,同时应建立不造成运动员机体损伤,所能承受的载荷极限指标系。而这些也需要运动生理学,运动生物力学技术与生物芯片技术相结合加以分析与解决,为运动员创造优异成绩而奠定基础。
2.3现代生物技术与运动员身体技能和运动状态的评价
随着分子生物学的发展,现代生物技术的不断完善,各种先进检测技术的建立,使人类基因组计划已经提前完成,人类从基因定位和测序的研究进入了基因组时代和后基因组时代研究。人类将会全面认识运动引起机体产生适应性变化的基因调节机制,就可以通过现代生物技术方法对运动员疲劳,运动训练的适应性及其免疫功能进行基因转录水平上的诊断,可以较早地了解运动员在运动过程中的技能变化。生物芯片技术将迅速成为研究运动生命科学强有力的工具,我们可以通过cDNA技术从分子水平上了解运动性疲劳产生的规律,制作成用于预测运动员过度疲劳的基因芯片,对运动训练具有较好的应用价值。同时,随着功能基因研究的深入,人体内有可能发现“疲劳基因”,笔者提出疲劳基因控制论假设,“疲劳基因”调控人体的机能状态,我们可以对疲劳基因的调控,来延缓和消除运动性疲劳,提高运动员的竞技运动能力。美国学者TuomoR等人在MedicineandScienceSportsandExercise杂志上“2004年特别报告”中撰文与运动能力和体质相关的人类基因图谱最新研究进展,对2004年以前与运动能力和体质相关的人类基因研究进行了综述。TuomoR对染色体相关基因研究进行了总结,结果表明,与2002年运动能力和体质相关的人类基因图谱上又新添了19个相关位点。他还对线粒体DNA相关研究进行了总结,研究证实在线粒体DNA上确定有一些与运动能力相关的基因位点。同时列举了与运动能力相关的基因名,基因定位及常用的综合符号,为研究遗传在健康和运动能力中的作用及影响人类基因变异的学者们提供参考[15]。陈佩杰(2006)[16]研究中指出,应用实时定量PCR方法检测25名健康运动员生理状态下外周血白细胞IFN-r、IL-2、IL-4和IL-10mRNA的表达,生理状态下外周血白细胞IFN-r、IL-2、IL-4和IL-10基因表达进行绝对定量的荧光PCR技术方法,从分子水平为检测运动过程中细胞因子的改变,评估运动员免疫机能状态提供了简易和准确的检测手段。在运动员的身体评定和训练监控的研究中,生物芯片技术的应用将使血红蛋白、睾酮和CK等指标的检测更加快速简便和准确。
2.4现代生物技术与运动营养补剂的研究开发
运动营养补剂的研发一直是竞技体育研究的一个热点。而运动员使用国际奥委会非禁用的营养素和特殊保健品作为提高运动强度和体力恢复的手段已十分普遍。随着基因工程和生物芯片技术的发展,在营养补剂的研究中,利用人类基因组的研究成果,可以设计出更加有效的补剂配方,更好地发挥营养补剂的生物活性,提高运动能力,促进运动疲劳的恢复以及保证运动员的身体健康。对蛋白质的研究有助于了解到运动对蛋白质三维结构和功能的影响,采用人工手段干预蛋白质的结构和功能达到提高运动能力的目的。而转基因技术可以改造营养物质,使之更符合运动项目特点,实现运动营养药物的创新[17]。研究表明通过纳米技术与组织芯片技术的结合,成功地研制了纳米硒[18]。还有在美国日本欧洲深入的开展了从基因水平上对天然药材的研究,利用细胞工程、基因工程、组织芯片技术来开发稀缺的生物活性强的保健品和营养素,用于消除运动性疲劳,提高机体的免疫能力,改善运动能力。朱梅菊[19]等研究结果显示:螺旋藻复方有效部位配方对慢性运动性疲劳SD大鼠的脑组织基因表达具有多方面的调控作用,从分子水平上解释了它的抗中枢疲劳的药理机制。反映中药对机体的整体功能状态的调节,为阐述中药作用机制提供了新思路,同时说明利用基因芯片技术研究中药将会大大加速中药有效成分的筛选并阐明其多靶点作用机制,促进中药走向世界。同时我们也可以利用蛋白质组研究成果,开发更为有效的补剂配方,抑制容易引起运动性疲劳发生的蛋白(或酶)合成,促进具有消除运动性疲劳功能的蛋白(或酶)合成。并根据不同个体的具体情况,设计适合于不同运动项目、不同个体的运动营养补剂,从分子水平上为高水平运动员设计“营养金字塔”方案,进而达到提高运动能力的目的[20]。
2.5现代生物技术与运动性疲劳的诊断与预防
对运动性疲劳的基因诊断上,目前已分离出了三种基因:14号染色体的β-MHC基因,15号染色体的α-原肌凝蛋白基因,1号染色体的心肌钙蛋白T基因等,与肥大性心肌病造成的运动性猝死相关[21]。当β-MHC发生突变时,如Arg403Glu、Arg453Cys、Arg719Trp,常伴有高发病率的突然死亡。因为大多数肥大性心肌病在青春期或之后表达出型,因此通过基因多态性分析可以做出早期诊断,从遗传学角度建议易感个体避免参加对抗性运动,以防运动性猝死的发生[4]。
在运动训练和比赛中,尤其是竞技体操杂技项目中,运动员因保护或者应急措施不当及意外事故事件而造成的骨髓损伤、肌肉损伤、心肌损伤、皮肤损伤、骨及软骨、肌腱与韧带损伤等给国家和运动员自己造成了很大的损失和损害。除了加强预防意识和预防设备外,还有要对运动员进行有效及时的治疗。自20世纪90年代以来,随着体外分离、培养干细胞技术的不断完善,掀起了干细胞生物学的研究热潮,干细胞是人体内最原始的细胞,具有自我更新高度繁殖多向分化的潜能,可以定向诱导分化为几乎所有的细胞[21]。干细胞的这种细胞分化潜能,引起了生命科学家的极大关注,在国际运动医学界也引起了专家学者的重视。基因治疗技术将应用于运动损伤的治疗,加快运动员伤后的康复,减少运动损伤的旧病发病率。而基因工程和组织工程深入了解了干细胞的生物学特性及其与新型生物材料的相互作用,探讨成体干细胞的分离、纯化技术以及体外三维立体培养和定向诱导分化条件,在体外诱导培养出功能组织和器官,用于临床组织器官损伤、遗传缺陷性或退行性疾病的治疗。所以干细胞技术的研究对治疗运动员的损伤无疑具有重大意义。
随着干细胞研究的深入,不远的将来,人们可以在体外培养出某种干细胞,定向诱导分化为我们所需要的各种组织细胞,经过进一步修饰加工及与细胞外基质材料完美结合以供临床应用。同时也会有相应的法规和伦理学准则的制定和完善,使干细胞广泛地用于从皮肤、骨骼、神经、肌肉、肌腱、韧带的损伤修复到角膜、脊髓、肝、心脏的再生医学,从遗传性疾病的感染、肿瘤等疾病治疗各个领域,使更多的运动员患者从中受益。Strauer等(2001)称,他们应用自体干细胞移植方法,治疗了一名心肌梗死患者获得成功。他们用一种经由皮肤的跨腔导管来撑开引起梗死的动脉,然后从患者的骨髓中取出单个核细胞,在低压下将细胞注入心脏功能也得到明显改善,经证实,植入的干细胞成功地再塑了被破坏的心肌组织和血管组织。目前,用神经干细胞治疗脑损伤也取得初步成功。据报道:骨髓MSC在骨和软骨损伤的治疗中也显示出较好的效果。另外,许多药物和蛋白因子难以通过血脑屏障,如以骨髓来源的MSC作为基因载体,输入脑后分化为胶质细胞,将有治疗作用的蛋白产物释放到中枢神经系统,则可长期发挥治疗作用,转化速度较快(3d),因而有可能用于急性脑病的治疗(EglitisandMezey1997)。骨髓MSC和神经干细胞均能分化为肌肉细胞,这为治疗肌肉萎缩,肌肉营养不良等疾病提供了新途径。张晓玲,于长隆[22]等在逆转录病毒载体PLXRN介导的人IL-1Ra在关节滑膜细胞中表达一文中,应用DNA重组技术,将人IL-1RaCDNA片段重组到逆转录质粒PLXRN中,经PT67细胞包装后,产生的重组逆转录病毒感染的原代关节滑膜细胞,用ELISA检测IL-1Ra表达。建立逆转录病毒介导的人IL-1Ra体外表达体系。结果:重组PLXRN-IL-1Ra质粒,经酶切签定正确。重组逆转录病毒PLXRN-IL-1Ra滴度可达5.5*104CFU/ml,感染原代关节滑膜细胞后能稳定表达。结论:逆转录病毒能介导人IL-1Ra在关于滑膜细胞中的稳定表达,为下一步开展基因治疗运动创伤性骨关节炎奠定了基础。而用基因治疗方法解决IL-1Ra治疗创伤性骨关节炎的给药途径问题,是目前最有希望的方案。膝关节是全身各关节中发生运动创伤最多的关节,目前对骨关节炎的发生还没有很满意的预防及治疗方法。膝关节是药物治疗较难达到的靶器官,传统给药不能在特定病变部位持续保持有效的治疗浓度,针对关节疾患的反复用药,会使全身正常的组织器官成为药物的作用对象[23]。基因治疗是通过载体转导基因,而基因产物可治愈或缓解某种疾病进程,围绕这一中心有许多目标,包括对运动医学领域关节疾病的治疗[24]。目前正将IL-1Ra基因修饰的滑膜细胞移植于关节内,对OA等运动医学领域中关节疾病进行实验治疗。怎样实现运动损伤的无创伤诊断一直是运动医学工作者研究的热点,而数字化人体将为这一领域带来机遇。国内外许多学者在此方面作了大胆的尝试。在竞技体育中,致伤机制、骨折特点、防护措施的研究将由虚拟人加以模拟,利用数字化人体的内科成像和内科模拟真实技术来回顾观察和定性分析人体的受损组织,甚至是任何部分将成为可能[25]。运用蛋白质组研究手段,比较正常和病理状态下的细胞或组织中蛋白质在数量、表达位置和修饰状态的差异,可发现与病理改变有关的蛋白质和疾病特异性蛋白质,为疾病发生提供线索,这些蛋白质可作为疾病诊断的分子标记。
2.6现代生物技术与运动员的品格判定
研究表明,人的品格受到基因的调控。不同基因型的人群所表现出的品格是不一样的,而世界级优秀运动员不仅要有好的运动体能和技能,更要有优秀的品格才能成为冠军。王择青对1306名军人进行了16人格因素问卷和ACE基因型的相关性研究。ACE基因多态性与女军人人格因素中的恃强性、敢为性、独立性、自律性的人格因素有较高的相关性;与男军人人格因素中的恃强性、敢为性、独立性、稳定性、实验性有较高的相关关系[4]。所以我们可以用分子生物学的方法来研究有关心理问题,也可制定有效的运动员干预措施来为运动训练和比赛服务。
2.7现代生物技术与兴奋剂的检测
干细胞技术给人类带来无限益处的同时,也存在一些隐患。例如利用干细胞技术把具有优良功能的干细胞移植到运动员身上,进行兴奋剂的制造等。王玉[26]指出基因兴奋剂是非治疗目的应用能提高运动能力的基因,遗传元件或细胞。它包括增强心肌收缩力的基因兴奋剂(心肌β-肾上腺素能受体,β-肾上腺素能受体激酶等);增强氧的运输功能的基因兴奋剂(EPOs);增强肌肉收缩能力的基因兴奋剂(胰岛素生长因子-1,筒箭毒碱等);降体重的基因兴奋剂(Leption)。通过基因技术改造人体生理结构来提高人体运动能力。但可以因为增强某一性状,就会同时增强或减弱某一行状,会对人体造成意想不到的严重后果[27]。生物芯片技术已经逐步引入到兴奋剂检测,并有了一些发展基础,将各类芯片集成形成“芯片实验室”将是生物芯片的发展目标[28]。所以在兴奋剂检验手段方法上,更需要采用更先进的科技手段,来对运动员进行全面检查和经常性的监督检查,最大程度体现体育比赛中“公平竞争”的原则。
3总结
21世纪,现代生物技术定将会得到蓬勃发展,推动全球许多问题的解决。而且它在运动医学领域中为运动员的科学选材,个性化训练计划的制定,运动心理过程中身体机能和状态的评价,运动性疲劳的诊断,运动员营养补剂,运动性疾病的诊断与防治,运动员的心理品格测定及干预等带来革命性的突破。它将会对解决体育中的众多难题提供更科学的方法途径。
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-180-61610-1.html
下一篇:如何科学地开设生化实验
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用