高强度间歇训练对肥胖儿童身体成分、心肺适能和血液指标的影响

曹甍 唐玉成 李抒 邹昱

1 深圳大学师范学院（深圳518061）

2 深圳大学运动心理教育协同创新研究院（深圳518061）

3 浙江大学教育学院（杭州310058）

肥胖是当前人类面临的重大挑战[1]。儿童和成人肥胖在世界范围内日益流行，主要原因是不健康饮食和体力活动的缺乏[2]。儿童和青少年肥胖的患病率在世界不同地区为5%～30%不等。过去三十年，我国儿童青少年超重和肥胖发生率持续上升[3]，学龄儿童的肥胖率由0.5%增至7.3%，肥胖人数亦从615 万人增至3496万人[4]。肥胖是一种复杂的疾病，脂肪的过度积累不仅改变身形，还可导致许多代谢和心血管病并发症[5]。而儿童期肥胖多数会延续至成年，增加成年后心血管疾病的发病率和死亡率[6]。

运动，尤其是有氧运动，被认为是改善肥胖和降低心血管疾病风险的基石[7]。研究发现，对全因死亡率影响更大的是运动强度而不是运动持续时间[8]。对年轻人进行的研究发现，只有高强度的体力活动才始终与腰围、体重指数、收缩压的降低，以及心肺适能水平的升高相关[9]。大规模的回顾调查表明，剧烈运动更有益于健康[10]。因此，除了体力活动量外，运动强度也是促进健康的关键变量。在这个问题上，高强度间歇训练（high-intensity interval training，HIIT）被认为是一种有效的替代传统中等强度持续训练（moderate-intensity continuous training，MICT）的方法。已有的许多证据支持HIIT 能有效改善成人身体成分和代谢健康等[11]。一些运动改善青少年代谢健康和心血管危险因素的研究报道，与MICT 相比，HIIT 能引起身体成分更快的变化，提高有氧能力，降低血压、胰岛素抵抗、甘油三酯，以及增加高密度脂蛋白胆固醇等[12，13]。

尽管HIIT 对健康有诸多积极影响，目前支持HIIT在儿童和青少年中有效性的证据较少[14-16]。尽管如此，最近的两项系统评价强调HIIT可能改善儿童青少年的健康相关指标。鉴于HIIT 似乎是一种有效的运动方案，且这种短时、爆发式的特征更符合儿童习惯的运动模式[17]，从而导致更高的锻炼依从性，对儿童肥胖的干预很有意义。因此，本研究通过观察12周HIIT对肥胖儿童身体成分、心肺适能和血液指标的影响，进一步探讨其在儿童肥胖干预中的作用。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本项研究属于随机对照试验（randomized controlled trail，RCT）。本试验注册号为：ChiCTR-IOR-17013992。受试者及其法定监护人在充分了解实验详情后均签署知情同意书，并通过PAR-Q问卷筛查。本研究得到了深圳大学医学部医学伦理委员会的批准（PN-2020-045）。由于体脂率是本研究关注的主要指标，基于先前研究中运动干预对体脂率影响的meta 分析[18]，通过G-power3.1 软件（version 3.1 for windows，Düsseldorf，Germany）计算样本量。检验效能（1 - β）设为0.80，Ⅰ类错误α发生率设为0.05，干预前后的相关性为0.80，效应量为0.32，计算得出每组所需样本量应为12人。脱落率按20%则为每组14人。根据《中国学龄儿童青少年超重、肥胖筛查体重指数值分类标准》[19]，最终按照年龄和性别筛选出符合纳入、排除标准的肥胖儿童60 人（年龄11.0 ± 0.8 岁，体重指数24.2 ±1.1 kg/m2，男女生各30 人）参与本研究，具体信息见表1。由SPSS22.0软件产生随机数字后，根据“信封法”将60名受试者按男女生1∶1的比例随机分配到HIIT组、MICT 和对照组（CON 组）。本研究样本纳入流程见图1。

图1 本研究样本纳入流程

纳入标准：（1）根据年龄和性别标准，BMI 属于肥胖者；（2）年龄为10～13 周岁的在校儿童；（3）实验前3个月内，除体育课外未进行任何规律的体育锻炼；（4）自愿参与实验且本人及监护人均签署知情同意书。

排除标准：（1）有慢性疾病正在服用药物治疗者；（2）有心、脑、肺、肾及运动系统等严重器质性病变者；（3）患有精神疾病或有病史者；（4）不能完成随访或顺应性差者；（5）不愿签署知情同意书者。纳入的受试者基本情况见表1。

表1 受试者基本情况（n=60）

1.2 研究方法

1.2.1 测试指标与方法

1.2.1.1 身体成分

身体成分指标除身高、体重和体重指数（body mass index，BMI）外，还通过双能X 线骨密度仪（dual energy X-ray absorptiometry，DXA，Lunar Prodigy，GE Healthcare，USA）测量身体脂肪、体脂百分比、去脂体重和内脏脂肪等。设备由医院医生操作。测试前要求测试对象空腹，穿着轻薄贴身衣物，不可佩戴戒指、项链等金属物品。测试时采取平卧姿势，应用DXA 标准模式测试。

1.2.1.2 心肺适能

根据先前的研究[20，21]，通过20 米往返跑测量并计算受试者最大有氧速度（maximal aerobic speed，MAS）和最大摄氧量（maximum oxygen uptake，VO2max）。根据以下公式分别计算MAS 和VO2max：MAS[21]=8.5+0.5×运动终止时达到的最高级别；VO2max（mL/kg/min）[22]= 41.76799 +（0.49261×次数）－（0.00290×次数2）－（0.61613×BMI）+（0.34787×性别×年龄）；其中性别为：男生=1，女生=0。

1.2.1.3 血液指标

受试者在空腹10小时后，统一组织前往指定医院进行血液指标的采集和检测，包括：总胆固醇（total cholesterol，TC）、甘油三酯（triglyceride，TG）、高密度脂蛋白胆固醇（high density liptein cholesterol，HDLC）、低密度脂蛋白胆固醇（low density lipoprotein，LDL-C）、空腹血糖和胰岛素，并计算胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）。血糖采用葡萄糖氧化酶法，胰岛素采用放射免疫分析法，采用HOMA-IR 评价胰岛素敏感性。HOMA-IR=空腹血糖×空腹胰岛素/22.5。

1.2.1.4 血压和心率

使用rbp-9000型脉搏波医用血压计测量血压。受试者静坐10分钟，其间测量3次，每次间隔1分钟，取3次测量结果的平均值。测量血压的同时受试者佩戴Polar心率带（Polar team，Polar，Kempele，Finland）测量安静心率（resting heart rate，HRrest），最大心率（maximal heart rate，HRmax）的测定过程和仪器同VO2max。

1.2.2 训练方案

HIIT 组和MICT 组受试者均在室外田径场进行跑步运动干预。正式训练开始前需进行2周的适应性训练。正式训练为每周3天（隔日进行，如周一、三、五），周末休息。MICT 组运动时间从20 min 增加至40 min，运动强度为60%～80%MAS（约70%～80%HRmax）[13]。HIIT组训练方案参考Baquet等[23]的方案制定：间歇时间为15 s∶15 s（强度分别为100%～120%MAS∶50%MAS），每次训练课进行3 组，每组8 个回合，组间休息3 min（表2）。受试者随着训练进展，其运动能力会逐渐提升，为调整和修正跑速，在第4 周和第8 周再次进行20米往返跑以更新MAS。

表2 HIIT组和MICT组训练方案及完成情况

1.2.3 饮食控制

本研究未对受试者进行严格饮食控制，整个实验过程为自由饮食，但参考之前的研究[24]，采取了在实验前后利用膳食调查表统计分析受试者的能量摄入变化。在干预前、后对所有受试者均进行了4 天的24 小时膳食调查回顾问卷（包括3个上学日和1个周末日），来确定受试者的日常能量摄入和日常饮食构成。同时，利用薄荷健康软件（薄荷信息科技公司，上海，中国）对食物的重量和能量进行估算和记录。由研究人员和家长进行图片对照来帮助受试者估计食物的重量，并统一在学校教室，由专业教师指导，填写24小时膳食回顾询问表。受试者保持之前的饮食习惯，未接受健康饮食教育和指导。

1.3 统计学分析

采用SPSS20.0 对数据进行统计学分析，结果采用均值± 标准差（±s）表示。首先利用K-S 检验和Levene’s检验分别检验数据分布的正态性和方差的同质性，呈正态分布的结果用单因素方差分析（one-way ANOVA）比较基础值之间是否存在显著差异，采用配对样本t检验比较组内同一指标干预前、后的变化。采用双因素重复测量方差分析（two-way repeated measures ANOVA）对干预前后受试者的身体成分、心肺适能和血液指标进行分析，并且比较组间因子（不同组别）和组内因子（干预前、后）的影响，组别×时间的交互作用显著（P＜0.05）再进行简单效应分析，采用Bonferroni 进行两两比较和事后检验。显著性水平设置为P＜0.05，非常显著性水平为P＜0.01。

2 结果

运动干预前后各组受试者身体成分、心肺适能和血液指标的变化见表3。干预前，三组受试者的日常能量摄入没有显著性差异，干预后也未发生显著改变（P＞0.05）。

表3 受试者干预前后身体成分、心肺适能和血液指标的变化（±s）

表3 受试者干预前后身体成分、心肺适能和血液指标的变化（±s）

* P＜0.05，**P＜0.01，与同组别干预前相比；# P＜0.05，与MICT组相比；£ P＜0.05，与CON组相比。

别× 组间时后0.490别组0.128间时0.267 MICT（n=16）干3105 ± 177后预预前干3129 ± 253干3061 ± 163 HIIT（n=17）干2937 ± 271预预前干3052 ± 176 CON（n=18）后预干2989 ± 183前预（kcal/day）入摄量量变能标指分成体身0.000 0.029 0.003 23.2 ± 0.7**24.4 ± 0.9 22.7 ± 1.0**£24.3 ± 2.2 24.8 ± 1.0*23.8 ± 0.8数（kg/m2）指重体0.022 0.001 0.450 0.054 0.063 0.119 0.085 0.335 0.041 0.003 0.033 0.107 0.327 0.026 0.425 35.4 ± 3.3 **£18.3 ± 3.4 **£29.4 ± 4.3 78.5 ± 7.5 296 ± 81£39.2 ± 2.7 22.0 ± 4.6 30.2 ± 5.4 79.2 ± 5.6 318 ± 89 36.2 ± 3.9£19.3 ± 1.7 *£32.1 ± 4.5 78.8 ± 6.1*290 ± 46 *£38.4 ± 4.0 21.7 ± 2.2 30.2 ± 3.6 83.8 ± 7.4 348 ± 55 39.5 ± 2.1 23.3 ± 2.6 *30.5 ± 3.0 84.9 ± 7.2 394 ± 71 38.3 ± 1.6 20.5 ± 2.0 28.7 ± 2.5 82.5 ± 7.1 355 ± 68比（%）（kg）（g）分量重（kg）肪百含体（cm）脂脂肪脂围脏体脂去腰内0.000 0.014 0.000 45.1 ± 3.7 **£42.1 ± 2.6 47.9 ± 2.6 **#£41.8 ± 1.7 42.6 ± 2.9 42.8 ± 1.3适VO2max（mL/kg/min）标指能肺心0.090 0.342 0.058 0.022 0.029 0.087 114 ± 7 *68 ± 4£119 ± 6 71 ± 4 110 ± 5 *£67 ± 3£115 ± 7 69 ± 5 116 ± 4 71 ± 3.7 115 ± 5 71 ± 4（mmHg）压压（mmHg）缩张收舒0.146 0.049 0.012 0.378 0.347 0.606 0.107 0.000 0.007 0.001 0.825 0.520 0.034 0.954 0.709 0.142 0.164 0.943 0.974 0.112 0.034 4.9 ± 0.4£6.8 ± 3.0£1.5 ± 0.6 *£3.9 ± 0.5 1.3 ± 0.5 1.4 ± 0.2 2.0 ± 0.2 5.0 ± 0.3 9.6 ± 4.3 2.1 ± 1.0 4.2 ± 0.8 1.4 ± 0.7 1.4 ± 0.3 2.3 ± 0.4 4.7 ± 0.3£7.5 ± 2.8£1.6 ± 0.6 *£4.0 ± 0.5 1.4 ± 0.3 1.5 ± 0.2£1.9 ± 0.3 *4.9 ± 0.3 10.2 ± 4.9 2.2 ± 1.1 4.0 ± 0.6 1.6 ± 0.4 1.3 ± 0.3 2.3 ± 0.2 5.4 ± 0.4 12.3 ± 2.4 2.9 ± 0.6 4.2 ± 0.6 1.5 ± 0.6 1.3 ± 0.2 2.2 ± 0.5 5.2 ± 0.4 10.6 ± 3.3 2.4 ± 0.7 4.0 ± 0.5 1.3 ± 0.5 1.2 ± 0.2 2.1 ± 0.5（mmol/L）（mmol/L）数低胆胆固（μU/mL）醇（mmol/L）指固（mmol/L）（mmol/L）醇白白抗蛋蛋抵醇酯脂脂素素固三度度标糖岛岛胆油密密指血胰胰总甘高液血

2.1 HIIT和MICT对肥胖儿童身体成分的影响

12周运动干预后，HIIT组和MICT组肥胖受试者的体重指数（P＜0.01）和脂肪含量（P＜0.05，P＜0.01）均较干预前发生了显著下降，两组之间没有显著差异。CON组的体重指数和脂肪含量较干预前显著增加（P＜0.05）。此外，与干预前值相比，HIIT 组受试者的腰围和内脏脂肪含量显著降低（P＜0.05）。与CON 组相比，两种运动均显著降低了受试者的体脂百分比、脂肪含量和内脏脂肪含量（P＜0.05）。

2.2 HIIT和MICT对肥胖儿童心肺适能（VO2max）的影响

12周运动干预后，HIIT组和MICT组肥胖受试者的VO2max均较干预前显著提高（P＜0.01），组间比较显示，HIIT 组受试者干预后VO2max显著高于MICT 组（P＜0.05）。此外，与干预前相比，运动干预组的收缩压均显著降低（P＜0.05）。与CON 组相比，干预后HIIT 组和MICT 组受试者的VO2max均显著提高（P＜0.05），血压均显著降低（P＜0.05）。

2.3 HIIT和MICT对肥胖儿童血液指标的影响

12周运动干预后，HIIT组和MICT组受试者的血糖和胰岛素水平较干预前未发生显著改变（P＞0.05），但两组的胰岛素抵抗指数均较干预前显著降低（P＜0.05），但干预后两组之间没有显著差异；此外，只有HIIT组受试者的低密度脂蛋白胆固醇水平在干预后较干预前显著下降（P＜0.05）；MICT组和CON组的血脂指标较干预前无显著改变。与CON 组相比，HIIT 组和MICT组受试者的血糖、胰岛素和高密度脂蛋白胆固醇水平在干预后均得到了显著改善（P＜0.05）。

3 讨论

3.1 HIIT降低肥胖儿童脂肪含量

身体成分主要包括去脂体重、体脂百分比、身体和内脏脂肪含量等[25]，肥胖的主要特征就是身体成分的不良改变，不仅会引起代谢紊乱，还会负面影响心血管结构和功能。长时间有氧运动（如MICT）能降低体脂，改善身体成分已成为共识，而本研究结果表明，短时间的HIIT 同样能有效改善肥胖儿童的身体成分，降低BMI 和体脂含量。不仅如此，HIIT 在减少腹部脂肪的效果上还优于MICT，这主要体现在腰围和内脏脂肪的减少上。祖秀明[26]的研究结果与本研究相似，12 周强度为90%～95%HRmax的HIIT使8～12岁肥胖儿童的体重和BMI 显著下降，另一个超重儿童的HIIT 干预研究结果发现HIIT 使内脏脂肪面积显著减少[27]，这与本研究一致。Chuensiri 等[28]采用自行车HIIT 方案（负荷强度为90%最大输出功率）同样有效改善了肥胖儿童的身体成分（体脂百分比下降，去脂体重增加）。

HIIT 增加脂肪消耗，减少内脏脂肪的潜在机制可能主要包括运动后过量氧耗（excess post-exercise oxygen consumption，EPOC）增加、锻炼后食欲降低和最大脂肪氧化水平增加等。Laforgia 等[29]的研究认为，运动强度与EPOC值之间存在指数关系，而儿茶酚胺效应和糖原再合成的增加可能是高强度运动后恢复期EPOC 累积增加的重要诱因[30]。此外，HIIT 还会增加脂肪组织中β-肾上腺素能受体的敏感性，进而有效减少身体脂肪[31]。另有观点认为，高强度训练（如HIIT）可通过AMP 激活蛋白酶途径提高线粒体的氧化能力，继而提高脂肪氧化的潜力，达到减脂的效果。Alkahtani 等[32]验证了这一观点，Venables等[33]的研究进一步支持了该结论，他们发现中等强度间歇训练没有这种效果。然而，与本研究不同的是，Dias 等[16]采用负荷强度为90%～95%HRmax、负荷时间更长（4 min）的HIIT方案，其结果显示肥胖儿童的体脂百分比并未降低，内脏脂肪含量也没有减少。因此，未来仍然需要开展更多的相关研究以明确有效改善肥胖儿童身体成分的HIIT 方案。

3.2 HIIT提高肥胖儿童心肺适能

心肺适能[34]又称有氧耐力，是机体在持续的身体活动中为骨骼肌提供氧气的能力，是健康体适能的重要组成部分。大量证据表明，较低的心肺适能与心血管疾病、全因死亡和多种癌症的发生率升高密切相关[35-37]，而VO2max是反映心肺适能的主要指标[38]。本研究结果显示，HIIT 能有效提高肥胖儿童的VO2max，且效果大于MICT。这与Dias等[16]的研究结果一致，他们对99名肥胖儿童青少年进行12 周、每周3 次的HIIT（强度85%～95% HRmax）和MICT（强度60%～70% HRmax）干预，结果证实HIIT 组的VO2max相比MICT 组提高了3.6 mL/kg/min（95%CI:1.1～6.0;P=0.004），另外两个研究[39，40]也支持这一结果。但国内学者胡国鹏等以通气无氧阈（ventilatory anaerobic threshold，VAT）为强度设置运动方案，对36 名青年男性进行6 周干预后认为，HIIT 和MICT 均能显著提高受试者的VO2max，且两种训练方式之间无差异[41]，这与国外的几项研究结果一致[42，43]。以上结果提示，HIIT 是有效改善心肺适能的干预手段，但对于HIIT 的组成要素，如强度、负荷时间、间歇强度、间歇时间和负荷次数等仍需进一步深入研究[44]。

VO2max的显著提高可能得益于HIIT 对血管功能的改善，Wisløff 等[45]的研究发现，HIIT能大幅改善肱动脉血流介导的血管舒张（血管内皮功能），而MICT组则没有。此外，HIIT引起机体中枢适应性变化，如氧利用率增加（包括最大心输出量、总血红蛋白和血浆量的增加和/或促进了工作肌氧气输送效率的提高等[46，47]）和外周适应性改善，如肌肉氧化能力增加、线粒体数量增加，以及过氧化物酶体增殖物激活受体γ协同刺激因子1α（PGC-1α）mRNA 表达增加等[48，49]，可能是HIIT 对心肺适能具有较强改善作用的潜在机制。

3.3 HIIT改善肥胖儿童糖、脂代谢

糖、脂代谢异常是肥胖人群的标志性代谢改变，血脂异常如血浆LDL-C 和TG 浓度升高与冠心病的发生率呈正比[50]，而HDL-C 浓度降低则是冠状动脉粥样硬化的危险因素[51]；此外，糖代谢异常如高血糖和胰岛素抵抗又会加剧血脂异常[52]。一些研究发现，HIIT 能显著改善肥胖人群的糖、脂代谢指标，如降低TC、TG、血糖、胰岛素，升高HDL-C 等[40，53]，但本研究中HIIT 仅降低了LDL-C 浓度，对其他糖、脂代谢指标并无显著影响。与此一致的是，Ouerghi等[54]发现8周（负荷强度为100～110%MAS，负荷时间为30 s）HIIT 使超重/肥胖青年（BMI 为30.8 ± 4.6 kg/m2）的LDL-C 显著下降，Racil等[24]的研究也有相同发现。上述两个研究还发现肥胖受试者的血浆TC和TG显著下降。也有一些不同的结果，如Sawyer等[55]发现8周HIIT（负荷强度为90%～95% HRmax，负荷时间为60 s）后肥胖成人TC、TG、LDL-C 和HDL-C 均无显著改变；同样的，Khammassi[56]和Smith 等[57]对超重/肥胖成人的研究结果亦是如此。与先前研究相一致的是，HIIT 降低了肥胖儿童的HOMA-IR[58]，不同的是血糖和胰岛素水平并无显著下降。Meta分析结果显示，HIIT（包括有氧间歇训练和冲刺间歇训练）能有效改善超重/肥胖青年、健康年轻女性和代谢综合征的成年男性的胰岛素敏感性，但不同HIIT方案对血糖的改善作用具有差异，如短期（≤4周）冲刺间歇训练对空腹血糖无显著改善作用，而长期（≥12周）HIIT干预则可能具有较好的效果[15，18，39]。这些差异可能与训练方案的多样性（负荷强度、持续时间、运动形式等）、使用的测量技术、性别（男性或女性）、年龄类别（儿童、青少年、成人或老年人）或肥胖程度（中等、严重或病态）等因素有关。

HIIT改善糖、脂代谢的机制尚不完全清楚，一些研究提出了HIIT引发机体适应性改变的可能机制，例如，HIIT被证实能诱导转录因子、氧化表型的主调控因子，PGC-1α增加，促进葡萄糖转运体的适应性变化，使葡萄糖耐量增加[59，60]。另外，HIIT还能通过葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）和骨骼肌线粒体含量增加，促进骨骼肌对葡萄糖的摄取，提高脂肪氧化能力而改善糖、脂代谢[61，62]。研究表明，高强度运动加速葡萄糖分解代谢，使葡萄糖代谢逆转，以恢复肌糖原储备[63]；另外，在运动后恢复期，机体会消耗脂质以再合成肌糖原。因而，高强度运动后的肌肉代谢与恢复会进一步促进糖、脂代谢改善[64]。

4 结论与建议

HIIT 能有效改善肥胖儿童的身体成分与心肺适能，特别是内脏脂肪，并在一定程度上改善糖、脂代谢，提高健康水平。此外，使用更少的时间就能达到与MICT相似或更好的健康促进效果是HIIT的主要优势，这为HIIT干预儿童肥胖提供了重要参考。建议未来对负荷强度、持续时间、负荷间歇时间等HIIT方案的组成要素开展进一步的研究，以优化对肥胖儿童健康相关指标的改善效果。