《现代生物技术在竞技体育领域中的应用与展望.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代生物技术在竞技体育领域中的应用与展望.docx（16页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、现代生物技术在竞技体育领域中的应用与展望 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好用技术，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：1019-783X(2022)02-0035-04文献标识码：A 收稿日期：2022-07-10 作者简介：张词侠，女，河南人，在读硕士探讨生，探讨方向为运动养分与保健；吴纪饶(1947-),男
2、,湖南人,教授,探讨方向为运动性疲惫与复原过程；王志峰，男，河南人，在读硕士探讨生，探讨方向为运动生物化学与养分学。 作者单位：1.江西师范高校体育学院，江西南昌330027；2.陕西师范高校体育学院，陕西西安730162 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，利用这样新物种进行加工生产，为社会供应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 现代科学证明：人类全部疾病都能在基因水平上找到缘由
3、，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
4、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探讨成果。随着现代生物技术的应用与推广，体育科学探讨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起先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、运动性疲惫诊断和消退；利用基因芯片技术探讨中药，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
5、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。本文通过文献的探讨与分析，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 现代生物技术探讨认为人类很多基因存在着多态性，这就为基因选材供应了理论基础。例如，ACE(血管惊慌素转化酶基因)是基因多态性探讨最多的基因。探讨提示4，ACE型基因与杰出有氧耐力可能有关。另外，ADRA2A基因是另一个与有氧耐力可能相关的基因，有探讨表明训练引起的脂肪水解的改变主要由相关基因确定，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ADRA
6、2A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探讨指出，mtDNA高变区序列多态性在运动实力遗传标记的筛选上具有良好的应用前景。他们在探讨中发觉mtDNA高变区ISNPs位点16362,16085和162101确定了个体有氧耐力水平及其对训练的高敏感性，可能成为人类运动实力的遗传标记，它们对运动员的运动耐力选材以及培育有非常重要的意义。探讨8还发觉PGC-1基因的Gly482Ser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，PPAR基因的多态性可能与个体的耐力有关，有希望成为耐力运
7、动员选材的基因标记。Yalda(2001)探讨了144名英国新兵训练前后左心室增生与PPAR基因的多态性关系，证明PPAR调整了运动训练导致左心室肥大的作用。有探讨还证明PPAR基因第7内含子G/C多态，PPAR基因第4外显子C/T多态与个体的脂代谢特点有关。美国和韩国的探讨人员通过基因技术将PPAR基因植入大鼠体内，将一般试验鼠改造成了耐力大增的“马拉松鼠”，其运动持续时间是一般试验鼠的3倍9。有探讨发觉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
8、因I/D多态性可作为运动训练和选材中的高敏感的特别重要的遗传标记之一。 对与速度相关的基因多态性探讨表明，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探讨发觉11577R可以作为短跑运动员基因选材指标。 与力气相关的基因多态性探讨发觉，ACTN3基因型与女性力气训练的敏感性相关。在对澳大利亚优秀运动员的探讨中证明，ACTN3基因R557X基因型与运动实力有关。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多态性是否与力气训练的敏感性相关？针对这一问题，Clarkson等人让247名男性和
9、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。探讨发觉，男性的ACTN3基因R557X多态性与肌肉力气大小不相关。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气显著低于杂合型RX。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。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。有探讨发觉，与力气相关的基因多态性探讨中，主要有GEUSENS对VDR基因多态与肋力的关系进行了探讨。结果显示，在体
10、重指数30KG/平方米的人群中，bb型个体握力要比BB型高7%，bb型股四头肌力气比BB型高23%。SEIBERT对GDF8的K153R多态与肌肉力气的维持进行了探讨，探讨发觉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养分调整作用。试验证明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基因多态性标记预料骨骼肌的运动潜能。 上述探讨结果表明，人类基因组中有某些与人类
11、运动实力亲密相关的基因，其多态性的差异是造成运动实力和训练效果巨大个体差异的缘由。基因领域的探讨，有可能为人类进行有效的基因选材供应了理论基础，也为提高运动成果供应了事半功倍的方法。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，以提高运动员成果的效率。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
12、，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，或许我们可以利用数字化模拟人体了解人类运动原委有没有极限。在数字化模拟人体上建立体育选材数据库，依据不同年龄阶段，把青少年运动员的身体形态学特征与运动实力的数量性状指标，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果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现代生物技术与特性化运动训练安排的制定 特性化运动训练安排就是依
13、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，以使运动发挥最志向，运动成果最佳，运动损伤的风险最小化的安排方法。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果特性化训练安排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。基因多态性探讨有助于我们了解个体对运动训练和熬炼的适应实力，制定特性化运动处方，使其更具科学性。Montgomery(11019)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
14、，ACE为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探讨了载脂蛋白基因-apoB101基因的多态性对运动治疗血脂异样的效果。探讨发觉，体育熬炼对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基因型血脂异样患者对走和跑熬炼敏感，而X1X1基因型和E2E1基因型血脂异样患者对走和跑熬炼不敏感12。当不敏感的X1X1基因型和敏感的E2E2基因型同时存在时，走和跑熬炼仍能够引起血清HDL-C的改善，并以低强度长时间走和跑熬炼的效果最为明显，而当不敏感X1X1基因型和E2E1基因型同时存在时，走和跑熬炼不能引起血脂患者HDL-C的显著改善
15、。表明载脂蛋白基因-apoB101基因的Xba和EcoRI多态性对走和跑熬炼调整血脂异样的效果有影响。因此，在日常熬炼时可考虑人群的基因多态性，制定出特性化的运动处方。同时，运动员在训练中，技术形成与运动实力提高都有制定的最佳运动感应阈，还须要支配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。而这些也须要运动生理学，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，为运动员创建优异成果而奠定基础。 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，使人类基因组安排已经提前完成，
16、人类从基因定位和测序的探讨进入了基因组时代和后基因组时代探讨。人类将会全面相识运动引起机体产生适应性改变的基因调整机制，就可以通过现代生物技术方法对运动员疲惫，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改变。生物芯片技术将快速成为探讨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惫产生的规律，制作成用于预料运动员过度疲惫的基因芯片，对运动训练具有较好的应用价值。同时，随着功能基因探讨的深化，人体内有可能发觉“疲惫基因”，笔者提出疲惫基因限制论假设，“疲惫基因”调控人体的机能状态，我们可以对疲惫基因的调控，来延缓和消退
17、运动性疲惫，提高运动员的竞技运动实力。美国学者TuomoR等人在MedicineandScienceSportsandExercise杂志上“2004年特殊报告”中撰文与运动实力和体质相关的人类基因图谱最新探讨进展，对2004年以前与运动实力和体质相关的人类基因探讨进行了综述。TuomoR对染色体相关基因探讨进行了总结，结果表明，与2002年运动实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相关探讨进行了总结，探讨证明在线粒体DNA上确定有一些与运动实力相关的基因位点。同时列举了与运动实力相关的基因名，基因定位及常用的综合符号，为探讨遗传在健康和运动实力中的作用及影响
18、人类基因变异的学者们供应参考15。陈佩杰16探讨中指出，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基因表达进行肯定定量的荧光PCR技术方法，从分子水平为检测运动过程中细胞因子的变更，评估运动员免疫机能状态供应了简易和精确的检测手段。在运动员的身体评定和训练监控的探讨中，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精确。 2.4现代生物技术与运动养分补剂的探讨开发 运动养分补剂的研发始终是竞技体育探讨的一个热点。而运动员运用国际奥
19、委会非禁用的养分素和特别保健品作为提高运动强度和体力复原的手段已非常普遍。随着基因工程和生物芯片技术的发展，在养分补剂的探讨中，利用人类基因组的探讨成果，可以设计出更加有效的补剂配方，更好地发挥养分补剂的生物活性，提高运动实力，促进运动疲惫的复原以及保证运动员的身体健康。对蛋白质的探讨有助于了解到运动对蛋白质三维结构和功能的影响，采纳人工手段干预蛋白质的结构和功能达到提高运动实力的目的。而转基因技术可以改造养分物质，使之更符合运动项目特点，实现运动养分药物的创新17。探讨表明通过纳米技术与组织芯片技术的结合，胜利地研制了纳米硒18。还有在美国日本欧洲深化的开展了从基因水平上对自然药材的探讨，利
20、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养分素，用于消退运动性疲惫，提高机体的免疫实力，改善运动实力。朱梅菊19等探讨结果显示：螺旋藻复方有效部位配方对慢性运动性疲惫SD大鼠的脑组织基因表达具有多方面的调控作用，从分子水平上说明了它的抗中枢疲惫的药理机制。反映中药对机体的整体功能状态的调整，为阐述中药作用机制供应了新思路，同时说明利用基因芯片技术探讨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探讨成果，开发更为有效的补剂配方，抑制简单引起运动性疲惫发生的蛋白合成，促进具有消退运动性疲惫功能的蛋白合成。并依据不同
21、个体的详细状况，设计适合于不同运动项目、不同个体的运动养分补剂，从分子水平上为高水平运动员设计“养分金字塔”方案，进而达到提高运动实力的目的20。 2.5现代生物技术与运动性疲惫的诊断与预防 对运动性疲惫的基因诊断上，目前已分别出了三种基因：14号染色体的-MHC基因，15号染色体的-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-MHC发生突变时，如Arg403Glu、Arg453Cys、Arg739Trp,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开参
22、与对抗性运动，以防运动性猝死的发生4。 在运动训练和竞赛中，尤其是竞技体操杂技项目中，运动员因爱护或者应急措施不当及意外事故事务而造成的骨髓损伤、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刚好的治疗。自20世纪90年头以来，随着体外分别、培育干细胞技术的不断完善，掀起了干细胞生物学的探讨热潮，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全部的细胞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
23、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，削减运动损伤的旧病发病率。而基因工程和组织工程深化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别、纯化技术以及体外三维立体培育和定向诱导分化条件，在体外诱导培育出功能组织和器官，用于临床组织器官损伤、遗传缺陷性或退行性疾病的治疗。所以干细胞技术的探讨对治疗运动员的损伤无疑具有重大意义。 随着干细胞探讨的深化，不远的将来，人们可以在体外培育出某种干细胞，定向诱导分化为我们所须要的各种组织细胞，经过进一步修饰加工及与细胞外基质材料完备结合以供临床应用。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
24、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胜利。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，经证明，植入的干细胞胜利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胜利。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，很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
25、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，因而有可能用于急性脑病的治疗。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，肌肉养分不良等疾病供应了新途径。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
26、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足的预防及治疗方法。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
27、或缓解某种疾病进程，围绕这一中心有很多目标，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试验治疗。怎样实现运动损伤的无创伤诊断始终是运动医学工作者探讨的热点，而数字化人体将为这一领域带来机遇。国内外很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、防护措施的探讨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视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。运用蛋白质组探讨手段，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，可发觉与病理变更有
28、关的蛋白质和疾病特异性蛋白质，为疾病发生供应线索，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行判定 探讨表明，人的品行受到基因的调控。不同基因型的人群所表现出的品行是不一样的，而世界级优秀运动员不仅要有好的运动体能和技能，更要有优秀的品行才能成为冠军。王择青对1306名军人进行了16人格因素问卷和ACE基因型的相关性探讨。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、试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探讨有关切理问题，也可制定有效的运动员干预措施来
29、为运动训练和竞赛服务。 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好处的同时，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实力的基因，遗传元件或细胞。它包括增加心肌收缩力的基因兴奋剂；增加氧的运输功能的基因兴奋剂(EPOs)；增加肌肉收缩实力的基因兴奋剂(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实力。但可以因为增加某一性状，就会同时增加或减弱某一行状，会对人体造成意想不到的严峻后果27。生物芯片技术已经逐步引
30、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“芯片试验室”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，更须要采纳更先进的科技手段，来对运动员进行全面检查和常常性的监督检查，最大程度体现体育竞赛中“公允竞争”的原则。 3总结 21世纪，现代生物技术定将会得到蓬勃发展，推动全球很多问题的解决。而且它在运动医学领域中为运动员的科学选材，特性化训练安排的制定，运动心理过程中身体机能和状态的评价，运动性疲惫的诊断，运动员养分补剂，运动性疾病的诊断与防治，运动员的心理品行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供应更科学的方法途径。 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。 第16页 共16页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页第 16 页 共 16 页