碳水化合物增補對耐力運動時肌肉激素－irisin及能量代謝指標之效應

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(1)國立臺灣師範大學運動與休閒學院體育學系碩士學位論文. 碳水化合物增補對耐力運動時肌肉激素－irisin 及能量代謝指標之效應. 研究生：蔡易珊指導教授：王鶴森. 中華民國 105 年 1 月中華民國臺北市.

(2) 碳水化合物增補對耐力運動時肌肉激素－irisin 及能量代謝指標之效應 2016 年 1 月研究生：蔡易珊指導教授：王鶴森摘要背景：Irisin 為骨骼肌所分泌之激素，運動能刺激 irisin 分泌，促使脂肪產生棕化 (browning) 現象，除了運動本身所造成的能量負平衡外，還可能透過 irisin 之作用得到整體能量代謝上的益處。目的：本研究旨在探討單次長時間耐力運動與碳水化合物增補對 irisin 的效應，及其與能量代謝指標間之關係。方法：招募 12 名有運動習慣的男性， ‧ ‧ 以重複量數、平衡次序之設計，進行跑步運動（70% VO2 max 90 分鐘＋90% VO2 max 漸增至衰竭）搭配增補碳水化合物或安慰劑兩種實驗處理，且於運動前分別增補高、低碳水化合物比例之飲食。每次實驗於基準值及隔日（24 小時）安靜值時分別進行口服葡萄糖耐受度測驗 (OGTT)；運動第 20、40、60、80 分鐘各增補一次，每次增補每公斤體重 2.5 毫升、濃度 10 % 之碳水化合物溶液，或相同甜度之等量安慰劑溶液。每次實驗共採血六次，分別為基準值、運動前、運動中（第 80 分鐘）、運動後立即、運動後 1 小時，及隔日（24 小時）安靜值，檢驗血液 irisin、葡萄糖、乳酸、胰島素之濃度。另外，實驗過程亦收集呼吸、心跳、自覺量表等數據。結果：碳水化合物增補與安慰劑處理間及各時間點間之 irisin 濃度無顯著差異 (p > .05)；碳水化合物增補與安慰劑處理間及各時間點間之 OGTT 數值無顯著差異 (p > .05)；碳水化合物增補處理之高強度運動至衰竭的時間顯著大於安慰劑處理 (318.58 ± 92.67 秒 vs. 256.42 ± 116.32 秒) (p < .05)；碳水化合物增補處理在運動過程中的血糖濃度顯著高於安慰劑處理 (104.17 ± 9.20 mg/dL vs. 83.92 ± 9.54 mg/dL) (p < .05)。結論：單次長時間耐力運動前增補不同碳水化合物比例飲食及運動過程中搭配碳水化合物增補，皆不會改變血液 irisin 濃度。. 關鍵詞：代謝症候群、非顫抖性產熱、運動營養、能量受質 i.

(3) Effects of Carbohydrate Supplementation on the Myokine Irisin and Indicators of Energy Metabolism during Endurance Exercise January, 2016 Author: Tsai, Yi-Shan Advisor: Wang, Ho-Seng. Abstract Background：Irisin is a novel exercise-induced hormone secreted by skeletal muscle and possibly mediating the positive effects of exercise on metabolism via inducing “browning” of adipose tissue or facilitating glucose metabolism in muscle. Purpose: It aimed to investigate the effects of acute endurance exercise and CHO supplementation on irisin levels. Method: 12 young physically active men were recruited and completed two trials in a randomized, ‧ double-blinded and crossover design. Each trial consists of a treadmill run at 70% VO2 max for ‧ 90 mins and then increasing speed from 90% VO2 max until exhaustion. Every 20 mins during the run, participants consumed CHO solutions (10%, 2.5ml/kg) or PLA solutions of same amount and sweetness. OGTT tests were conducted with over-night fasting at baseline (and 24 hr later) and followed by a standard meal with high/low CHO%, and then the run 1 hr after meals. Irisin, blood glucose, lactate and insulin levels were measured at baseline, pre-exercise, during exercise (the 80th min of run), immediately after exercise and 24 hrs after baseline. Results：There were no significant differences in irisin levels or OGTT between trials and time points (p > .05)；time to exhaustion is higher in CHO trial (318.58 ± 92.67 secs vs. 256.42 ± 116.32 secs) (p < .05)；glucose during exercise is higher in CHO trial (104.17 ± 9.20 mg/dL vs. 83.92 ± 9.54 mg/dL) (p < .05)。Conclusion: Meals with high/low CHO% before and CHO ingestion during acute endurance exercise might not affect irisin levels.. Key words: Metabolic Syndrome, non-shivering thermogenesis, sports nutrition, energy substrates ii.

(4) 目. 次. 中文摘要……………………………………………………………………………….. i. 英文摘要…………..…………………………………………………………………….…. ii. 目. 次…………………………………………………………………………….….. iii. 表. 次……………………………………………………………………………….. vi. 圖. 次……………………………………………………………………………….. vi. 第壹章. 緒論……………………………………………………………... 1. 第一節. 研究背景……………………………………………………………….... 1. 第二節. 研究目的……………………………………………………………….... 3. 第三節. 研究假設……………………………………………………………….... 3. 第四節. 名詞操作性定義……………………………………………………….... 3. 第五節. 研究限制……………………………………………………………….... 4. 第六節. 研究重要性…………………………………………………………….... 4. 文獻探討…………………………………………………….…... 5. 第貳章. 第一節. 肌肉激素－irisin 之生成與作用機制...……………………………….... 5. 第二節. 耐力運動對 irisin 之效應..…………………………………………….... 9. 第三節. irisin、能量代謝與碳水化合物增補……………………………............. 14. 第四節. 本章總結………………………………………………………….……..... 17. iii.

(5) 第參章. 研究方法……………………………………………………….. 18. 第一節. 受試對象...………………………………..…………….……………... 18. 第二節. 實驗時間與地點..……………………………………….…………...... 18. 第三節. 實驗流程…………………………….………………….…………....... 18. 第四節. 實驗方法與步驟……………………………………………………….. 20. 第五節. 資料處理……………………………………………………….………. 26. 結果………………………………………………………………. 27. 第肆章. 第一節受試者基本資料 ………..……................................................................ 27. 第二節. 血液 irisin 濃度 …………………….………………………………….... 28. 第三節. 血液胰島素濃度 ……………………………….………………….…..... 29. 第四節. 血液葡萄糖濃度及葡萄糖耐受度測驗 (OGTT) ……………….…….... 30. 第五節. 血液乳酸濃度……………………………………………………………. 32. 第六節. 其他生理指標 …………………………………………………………… 33. 第七節 Irisin 與各指標之相關 …………………………………………………… 37. 第伍章. 討論與建議…………………………………………………...…... 38. 第一節. 運動中之主觀指標、衰竭時間、呼吸交換率、心跳率….................. 38. 第二節. 血液胰島素、血糖、血乳酸濃度 ..……………………………………... 39. 第三節血液 irisin 濃度……………………………………………………………. 40 第四節. 血液 irisin 與能量代謝指標 ……………….…........................................ 第五節. 結論與建議 ………………………….…………………………………….. 44. iv. 43.

(6) 參考文獻 …………………………………………………………………..... 45 附錄………………………………………………………………………….. 57 附錄一. 身體活動問卷調查表 ……………………………………………………. 57. 附錄二受試者須知 ………………………………………………………………. 58 附錄三受試者同意書 …………………………………………………………… 59. v.

(7) 表. 次. 表 2-1 耐力運動訓練對 irisin 的效應 …………………………………....................... 10 表 2-2 單次耐力運動對 irisin 的效應…………………………………......................... 12 表 4-1 受試者基本資料……………………………………………………………….. 27 表 4-2 碳水化合物或安慰劑處理對運動過程各階段能量消耗之影響 …………… 36 表 4-3 irisin 與胰島素之相關…………………………………………………………. 37. 表 4-4 irisin 與乳酸之相關……………………………………………………………. 37. 圖. 次. 圖 2-1 irisin 生成與作用機制 ……………………………………………………….... 8. 圖 3-1 實驗程序與流程……………………………………………………………...... 19. 圖 3-2 運動自覺努力量表…………………………………………………………...... 26. 圖 3-3 甜度自覺量表 …………………………………………………………............ 26. 圖 4-1 irisin 在不同增補處理和不同時間點之變化 ………………………………... 28. 圖 4-2 胰島素在不同增補處理和不同時間點之變化 ……………………………... 30. 圖 4-3 血糖在不同增補處理和不同時間點之變化 ……………………………….... 31. 圖 4-4 OGTT 在不同增補處理和不同時間點之變化 ……………………………… 32 圖 4-5 乳酸在不同增補處理和不同時間點之變化 ……………………………….... 33. 圖 4-6 RPE 在不同增補處理和不同時間點之變化 ………………………………... 34. 圖 4-7 心跳率在不同增補處理和不同時間點之變化 …………………………….... 35. vi.

(8) 第壹章. 緒論. 第一節研究背景過去數十年來，隨著科技文明開發的程度提高，人們的身體活動量逐漸下降，進而導致各種代謝疾病的產生。透過運動，能有效地預防，甚至改善某些慢性疾病，例如肥胖、第二型糖尿病，及心血管相關疾病等，但其中是透過什麼樣的機制，仍有極大的探索空間 (Carroll & Dudfield, 2004; Chen, Fredericson, Matheson, & Phillips, 2013; Colberg et al., 2010)。運動對整體能量代謝的好處，除了形成直接的能量負平衡之外，運動過程引發的激素調節作用亦可能透過不同的路徑形成益處，其中，運動時大量活動的骨骼肌，便被視為有分泌作用的器官之一，會釋出具有不同功能的肌肉激素 (myokine)，除了能作用在肌肉本身，也能和其他的器官之間，構築起溝通的橋梁，幫助代謝調節 (Pedersen & Febbraio, 2012)。 Boström等 (2012) 於 Nature 發表了一項研究結果，定義出一個受到運動刺激而產生的肌肉激素－irisin，並指出其能促發脂肪「棕化」 (browning)，增加產熱，進而得到健康促進上之效益。在運動過程中，骨骼肌的反覆收縮會提升過氧小體增生活化受體γ 輔啟動因子1 (peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 alpha, PGC1α) 的表現，其在整體能量代謝中扮演重要角色 (Handschin & Spiegelman, 2008)。骨骼肌中 PGC1α的表現上升，會增加穿膜蛋白FNDC5 (fibronectin type III domain-containing protein 5) 形成，FNDC5於胞外被修剪釋放的片段便是irisin。Irisin自骨骼肌分泌後進入循環中，與脂肪組織的未知受器結合而作用，使粒線體中的UCP1 (uncoupling protein 1) 表現增加，呈現棕色脂肪細胞之特性，此即脂肪棕化之過程。透過UCP1的非偶合作用，氧化磷酸化途徑減少ATP的產生，轉而以非顫抖性產熱的方式釋放能量，此一產熱過程提高體內能量消耗，進而達到對抗能量過剩導致的代謝疾病之效。透過運動的刺激，骨骼肌釋放的肌肉激素－irisin達到使脂肪細胞棕化的效果，建立起肌肉與脂肪組織之間的橋樑 (Pedersen, 2012)。於Boström等 (2012) 的研究中，在囓齒類動物及人類身上都得到運動 1.

(9) 介入後血液中irisin濃度提升的結果。此後，關於irisin的研究紛紛出現，其中，運動介入對irisin的效應為何，便是被探討的重要環節之一；在耐力運動方面，長期耐力運動訓練所造成的效果較不顯著，而急性單次運動則較能得到使irisin濃度上升之結果，此現象可能是訓練的代謝適應所致。但在目前可能因受試者族群、運動型態、運動強度、運動時間等各因素不一致而造成的分歧研究結果之下，關於運動介入對irisin之效應尚有許多待探討之處 (Hofmann, Elbelt, & Stengel, 2014)。除了使脂肪棕化的作用之外，近年研究 (Huh et al., 2014b; Vaughan et al., 2014) 也於骨骼肌細胞實驗中發現irisin對於肌肉細胞的代謝作用具有調節功能，會透過腺苷單磷酸活化蛋白激酶 (adenosine monophosphate-activated protein kinase, AMP-activated protein kinase, AMPK) 路徑影響骨骼肌細胞對於血液葡萄糖及脂肪酸的吸收 (uptake)，而Boström等 (2012) 亦指出，irisin濃度上升會使嚙齒類動物的葡萄糖耐受度改善。故除了形成和脂肪組織之間的作用關係外，irisin還可能參與骨骼肌本身的醣類能量代謝調節，但目前尚未有人體實驗的直接結果驗證。一般而言，高脂的飲食型態容易造成葡萄糖不耐的現象，而耐力運動能使全身的葡萄糖吸收率上升 (Wojtaszewski, Nielsen, & Richter, 2002)，故餐食的營養組成及運動介入都可能是調節葡萄糖耐受度的因子之一。從過去許多研究中可以得知，從事長時間耐力運動時進行碳水化合物增補，可能會透過醣類能源調節上的益處，達到延緩疲勞、促進運動表現的效果 (Cermak & van Loon, 2013)；運動時的碳水化合物增補可能會對醣類代謝相關指標造成影響 (Cluberton, McGee, Murphy, & Hargreaves, 2005; Febbraio, Chiu, Angus, Arkinstall, & Hawley, 2000)，同時，亦可能會影響肌肉激素的分泌 (Nieman et al., 2003)。Irisin作為可能具有改善葡萄糖耐受度之效的肌肉激素，會受到運動刺激而分泌，運動對醣類調節的正面效益可能與其作用路徑有關；此外，食物攝取對葡萄糖耐受度及代謝指標間的關係，是否亦會受到耐力運動所刺激產生的肌肉激素影響，亦有待進一步探討。故本研究旨在探討單次長時間耐力運動造成高度能量與醣類消耗的狀況下，碳水化合物增補對於肌肉激素－irisin之分泌是否會造成影響，同時，此影響是否和葡萄糖耐受度、胰島素、血糖、乳酸等能量代謝相關指標之變化有同步關係，以進一步釐清irisin在人體能量調節與醣類代謝上的作用。 2.

(10) 第二節研究目的一、探討單次長時間耐力運動前增補不同碳水化合物比例飲食及運動過程中搭配碳水化合物增補對 irisin 之效應。二、探討單次長時間耐力運動前增補不同碳水化合物比例飲食及運動過程中搭配碳水化合物增補時 irisin 與能量代謝相關指標之關係。. 第三節研究假設一、單次長時間耐力運動前增補不同碳水化合物比例飲食對 irisin 濃度會造成顯著差異。二、單次長時間耐力運動過程中搭配碳水化合物增補會造成 irisin 濃度顯著改變。三、單次長時間耐力運動前增補不同碳水化合物比例飲食及運動過程中搭配碳水化合物增補時，irisin 濃度變化與能量代謝相關指標之變化間有顯著相關。. 第四節名詞操作性定義一、碳水化合物增補本研究所稱之碳水化合物增補，指在運動中進行溶液攝取；進行碳水化合物增補處理時，每次飲用溶液每公斤體重 2.5 毫升，溶質為純葡萄糖，溶液濃度為百分之十；安慰劑處理時，以甜味劑為溶質，依相對甜度調配與碳水化合物增補時相同甜度的溶液；於運動中每 20 分鐘增補一次，共增補四次。此外，本研究所稱之不同碳水化合物比例飲食增補，指食用其中所含碳水化合物比例分別約為 60% 和 30% 的高、低碳水化合物比例飲食。二、耐力運動 ‧ 本研究所稱之耐力運動為在跑步機進行 90 分鐘，強度為 70% VO2 max (maximal oxygen consumption，最大攝氧量) 的中強度持續性跑步，隨後接續強度起點為 90% ‧ VO2 max 的高強度漸增強度跑步，直到依衰竭 (all out) 條件判定達力竭時停止。 3.

(11) 三、能量代謝指標本研究所稱之能量代謝指標，係指血糖、血乳酸、血液胰島素等之濃度，與口服葡萄糖耐受度測驗 (OGTT) 數值，以及分析氣體採集的結果計算之能量消耗、呼吸交換率 (RER)。. 第五節研究限制一、本研究主要觀察醣類代謝的相關指標變化，無法判斷與其他營養素（如脂質、蛋白質）之間的關聯或是相關機轉。二、本研究採用之運動介入方式對體能要求較高，受試者均為有接受運動訓練者，故與一般民眾平時進行運動之情形可能不完全相符。. 第六節研究重要性一、關於 irisin 在醣類能量代謝調節上的可能性，目前僅有離體細胞實驗的驗證，尚未有相關人體實驗探討其作用。二、釐清因運動刺激而分泌的肌肉激素－irisin 是否和長時間耐力運動時的醣類恆定調節有關，且其與其他能量代謝指標之間是否存在同步關係。三、瞭解飲食的碳水化合物比例或運動過程中的碳水化合物增補是否會影響 irisin 濃度，進而可能有醣類代謝調節上的效益。. 4.

(12) 第貳章. 文獻探討. 本章分為以下幾部份說明：第一節，肌肉激素－irisin 之生成與作用機制；第二節，耐力運動對 irisin 之效應；第三節，irisin、能量代謝與碳水化合物增補；第四節，本章總結。. 第一節肌肉激素－irisin 之生成與作用機制肌肉激素－irisin是Boström等 (2012) 於 Nature 發表的論文中所定義的一個新激素，為112個胺基酸所組成的胜肽 (peptide)。Irisin由骨骼肌分泌，作用於脂肪組織，扮演了兩者之間訊息傳遞者的角色，也因此以希臘神話中的訊息女神 ” Iris “ 來命名。運動時，骨骼肌的收縮會刺激PGC1α (PPARγ coactivator 1 alpha) 的表現，其為 PPARγ (peroxisome proliferator-activated receptor gamma) 的輔啟動因子，於能量代謝和粒線體新生方面有重要調節作用。在骨骼肌處，PGC1α的表現會造成肌纖維型態轉換、血管新生、粒線體新生，並增加細胞氧化代謝；在脂肪組織中，則能調控棕色脂肪 (brown adipose tissue, BAT) 的適應性產熱反應 (Hood, Irrcher, Ljubicic, & Joseph, 2006; Lin, Handschin, & Spiegelman, 2005)。單次運動或是運動訓練可以刺激不同程度的PGC1α增加，並且帶來在肌肉方面的益處；在急性單次運動中，PGC1α表現增加的主要機制，可能是為了調節骨骼肌的能量代謝，以因應降低的ATP含量及能量來源的轉換 (Handschin & Spiegelman, 2008; Hood et al., 2006)。PGC1α能刺激許多肌肉基因的表現，其中包含穿膜蛋白FNDC5 (fibronectin type III domain-containing protein 5)；骨骼肌中PGC1α的表現上升會增加FNDC5形成，而FNDC5於胞外被修剪釋放的片段便是肌肉激素－irisin (Boström et al., 2012)，如圖2-1所示。 Irisin自骨骼肌分泌進入循環中，於脂肪組織處與未知受器 (receptor) 結合，能促使米色脂肪細胞 (beige fat)，或稱「brite fat」 (brown-in-white fat)，產生「棕化 (browning)」的現象，使其具有棕色脂肪的特性 (Boström et al., 2012)。一般而言，相對於白色脂肪 5.

(13) 組織 (white adipose tissue, WAT) 具有以三酸甘油酯型式儲存多餘能量的功能，棕色脂肪組織的重要特色之一便是會經由非偶合蛋白第一型 (uncoupling protein 1, UCP1) 的作用消耗能量 (Cannon & Nedergaard, 2004)。棕色脂肪含有較多的粒線體，及大量位於粒線體內膜的UCP1，UCP1形成質子間隙，導致氧化磷酸化過程所產生的質子濃度梯度降低，使ATP製造量下降，因此氧化作用持續進行，但部分能量轉而以產熱的方式釋出，此即細胞呼吸的非偶合作用，也是非顫抖性產熱之來源 (Enerbäck, 2010; Wu, Cohen, & Spiegelman, 2013)。在典型棕色脂肪 (classical BAT) 之外，尚有一種「可被誘發」 (inducible) 的產熱脂肪，被稱作米色脂肪細胞；米色脂肪和白色脂肪在細胞系上有相近的前驅細胞 (precursor)，在受到刺激的情況下，白色脂肪組織中的米色脂肪會被活化，可能可以減少白色脂肪的負面作用而幫助改善代謝健康狀況 (Bartelt & Heeren, 2013; Giralt & Villarroya, 2013; Harms & Seale, 2013)。不同於典型棕色脂肪在未受刺激時便有大量的 UCP1，米色脂肪在一般狀況下的UCP1表現極低，甚至近似於白色脂肪；不過一旦受到刺激源的作用，UCP1便會大量活化，達到跟棕色脂肪相近的程度，此轉變便是脂肪棕化的主要過程 (Wu et al., 2013) 。 Irisin 由骨骼肌分泌後，透過 p38 MAPK (p38 mitogen-activated protein kinase) 和ERK (extracellular signal-regulated kinase) 訊號路徑的磷酸化，使皮下脂肪組織的UCP1表現增加 (Zhang et al., 2013)，產生棕化現象，顯著增加整體能量消耗。只要相對小幅度地增加血液中irisin濃度，便能使脂肪組織產生棕化的效果；同時，相對短時間的irisin處理，也能改善肥胖以及飲食引起的胰島素阻抗等代謝失衡之情形 (Boström et al., 2012)。因此，除了運動本身所能帶來的能量負平衡之外，還可能透過irisin的作用，進一步地得到更多健康上的益處。於是在Boström等 (2012) 發表此研究結果之後，紛紛有世界各地的研究團隊進行irisin的研究，除了進行橫斷式研究探討irisin在人體測量學、各疾病因子上的關係之外，也著重於運動對其所造成的影響。不過，雖然irisin被認為是一個會透過運動使其分泌的「運動荷爾蒙」，但關於人體運動時分泌 irisin 的相關生理機制仍還有許多未明之處 (Huh, Dincer, Mesfum, & Mantzoros, 2014a; Huh et al., 2014b)。首先，運動時，不論從維持生命或是運動表現的層 6.

(14) 面來看，因為對ATP的需求增加而保存能量來源，皆應是極為重要的，則運動刺激irisin 分泌而將能量以產熱的方式利用，看來則有些許矛盾。其中一項可能的解釋為此機制是源於對冷環境的反應；在寒冷環境中，irisin被顫抖的肌肉所釋放，使脂肪棕化而產生更多熱能，幫助提供抵抗低溫的能力，避免體溫過低；而運動時的肌肉收縮，其實和顫抖時的肌肉作用是相似的 (Boström et al., 2012; Lee et al., 2014; Scaplehorn, 2012)。其次，單次運動所造成的irisin濃度短暫上升，可能對於脂肪棕化這樣需要較長作用時間的長期變化不一定有效，因此，在數分鐘至數小時的較短作用時間內，irisin可能另有其作用目標 (Arias-Loste, Ranchal, Romero-Gomez, & Crespo, 2014; Huh et al., 2014b)。關於此點，以下研究結果亦提出可能的解釋。 Vaughan等 (2014) 提出了irisin可能參與調節肌肉代謝的假設。該研究使用老鼠 CSC12骨骼肌細胞，分別給予不同濃度和不同時間長度的irisin處理，透過檢測細胞外環境的酸化程度(酸化的結果不顯著？)和氧氣消耗，分別檢驗糖解作用和氧化代謝的程度。結果顯示，經過irisin處理的細胞顯著地增加了氧化代謝，在不同濃度和時間的處理下也增加了個別細胞中的粒線體數量、粒線體非偶合作用，以及葡萄糖轉運蛋白第四型 (glucose transporter 4, GLUT4) 的數量。此外，利用寡黴素 (oligomycin) 抑制氧化磷酸化途徑的ATP合成，在此能量需求提高的狀態下，irisin亦會增加肌細胞的有氧代謝，並且促進許多和細胞能量代謝調節有關的基因表現。因此，irisin可能也有近似於自分泌 (autocrine) 的作用，自骨骼肌分泌釋出後，作用於骨骼肌本身的代謝調節。Huh等 (2012) 曾推測irisin會因人體處於有能量需求的狀態下而被分泌，而AMPK (AMP-activated protein kinase) 是肌肉代謝中關鍵性的一個代謝感受器 (sensor)，有許多其他的肌肉激素，例如介白素6 (interleukin-6, IL6) 等，會透過AMPK路徑調節肌肉代謝 (Pedersen & Hojman, 2012)，故Huh等 (2014b) 使用人體骨骼肌初代細胞 (primary human skeletal muscle cells, HSMCs) 來驗證irisin是否會調節AMPK，進而改變HSMCs的葡萄糖和脂質代謝。研究結果顯示，經過一小時的irisin處理，HSMCs的葡萄糖和脂肪酸吸收 (uptake) 增加，其反應程度和胰島素所導致的效果相近，且所需量較少，僅胰島素一半的含量就能增加葡萄糖吸收。在基因表現方面，六小時的irisin處理後，和葡萄糖代謝相關的基因 7.

(15) 表現有所變化，包括GLUT4和六碳糖激酶2 (hexokinase 2, HK2) 的向上調節，及乳酸脫氫酶激酶4 (pyruvate dehydrogenase kinase 4, PDK4) 的向下調節。此外，在一小時的irisin 處理後，HSMCs的ATP含量顯著下降，同時，AMPK的磷酸化增加，最大活化程度維持長達三小時。以上結果，皆指向irisin促進使用葡萄糖作為能量來源的可能性。另外，肝醣磷酸化酶 (glycogen phosphorylase) 的減少和肝醣合成酶 (glycogen synthase) 的增加，亦表示irisin或許具有肝醣節省 (sparing) 的作用，可能是作為運動後肝醣含量下降的一種補償 (Huh et al, 2014b)。由此看來，irisin處理造成許多一般認為運動所會造成的骨骼肌代謝變化，故其亦可視為運動所發出的一項訊號，能促進肌肉代謝作用，而不一定造成人體脂肪棕化的結果 (Norheim et al., 2013)。Irisin直接調節肌肉能量代謝的可能性，為irisin在代謝器官的局部效應 (local effect) 開啟了一個新的探索方向。. 圖 2-1 irisin 生成與作用機制註：PGC1α，PPARγ coactivator 1 alpha；FNDC5，fibronectin type III domain-containing protein 5；AMPK， AMP-activated protein kinase；WAT，white adipose tissue；ERK，extracellular signal-regulated kinase；MAPK， mitogen-activated protein kinase；UCP1，uncoupling protein 1；↑，向上調節；↓，減少或降低；﹍，尚未證實之作用；？，目前仍未知 8.

(16) 第二節耐力運動對 irisin 之效應在 Boström 等 (2012) 的原始研究中，同時進行了老鼠及人體的實驗；在老鼠實驗中，進行 3 週的滾輪跑步訓練，而人體實驗的部分，則招募了 8 名年長（60 歲以上）、肥胖、無糖尿病的男性進行 10 週的耐力運動訓練，內容為一週 4 至 5 次，每次 20 到 35 ‧ 分鐘，強度為 65% VO2max 之原地腳踏車運動。研究結果發現，血漿 irisin 濃度在老鼠及人體實驗中分別有 1.65 倍和 2 倍的提升，同時，肌肉穿刺所得到的肌肉中 PGC1α mRNA、 FNDC5 mRNA 表現變化，和 irisin 濃度變化程度相似。由該研究的結果可知，耐力運動能提升 irisin 濃度，帶來後續在代謝疾病方面的益處。於此之後，關於運動介入對於 irisin 之效應的研究紛紛出現；在耐力運動方面，包含運動訓練與單次運動兩類，茲分述如下。. 一、耐力運動訓練對 irisin 之效應數週的耐力運動訓練，對提升 irisin 的效果並不顯著（表 2-1），僅在 Boström 等 (2012) 的原始研究和 Blüher 等 (2014) 長達一年的運動訓練介入中，可以看見 irisin 濃度提升的結果，其餘不論是何種訓練頻率、期間長短，或是運動型態，皆無顯著提升 irisin 濃度之效。推測造成此結果之可能原因為規律運動訓練的介入，使個體產生適應性，故 irisin 濃度基準值及運動訓練後的單次介入皆無顯著變化。此外，irisin 與其前趨物 PGC1α、 FNDC5 之間的向上調節情形並不一致，顯示 irisin 生成路徑中可能還有其他調控因子存在 (Arias-Loste et al., 2014; Huh et al., 2012)。Irisin 基準值和肌肉質量、肌肉直徑、最大自主收縮力量等數值呈正相關，也另有研究指出不同肌纖維型態中，慢縮－有氧肌纖維的 FNDC5 基因表現及其所分泌的 irisin 含量高於快縮－糖解肌纖維。此外，目前尚未找到 irisin 之受器，而對激素的作用機制及濃度調控來說，受器扮演著重要角色 (Huh et al., 2012; Kurdiova et al., 2014; Roca-Rivada et al., 2013; Wrann et al., 2013)。. 9.

(17) 表 2-1 耐力運動訓練對 irisin 的效應作者（年代）. 對象. 運動介入方式. Boström 等. 老鼠：12w-old mice. 老鼠：3 週的滾輪和游泳運動. 老鼠：血漿 irisin↑65%. （2012）. 人類：8 名肥胖、. 人類：10 週，每週 4-5 次。. 人類：血漿 irisin↑100%. 無糖尿病男性. 結果. 每次 20-35 分鐘 ‧ 65% VO2max. 年齡：60 歲以上 Timmons 等. 24 名男性. （2012）. 年輕，坐式生活. 有氧訓練：6 週，每週 4 次。 ‧ 70% VO2peak. 肌肉 FNDC5 無差異. Besse-Patin. 11 名男性，肥胖. 8 週，每週 5 次，每次 60 分鐘。肌肉 FNDC5 mRNA 無差. 等（2013）. 無糖尿病. 異. BMI : 32.6 ± 2.3. 原地腳踏車或是跑步機 ‧ 漸增至 85% VO2max. Hecksteden 等. 控制組：39 名. 26 週，每週 3 次。. 血清 irisin 無差異. （2013）. AET 組：23 名. 控制組維持原本的生活型態. (運動前後/組間皆無差異). 年齡：30 - 60 歲. AET：45 分鐘跑走，60% HRR. BMI <30 Norheim 等. 對照組：13 名. 12 週，每週共 4 次。. 血漿 irisin 無差異. （2013）. 糖尿病前期：13 名. 2 次耐力運動：60 分鐘腳踏車. 肌肉 PGC1α mRNA↑. 皆為坐式生活者. 2 次阻力運動：60 分鐘全身性. 肌肉 FNDC5 mRNA↑. 年齡：40 - 65 歲. 阻力訓練. Pekkala 等. 9 名男性. 21 週。. 血清 irisin 無差異. （2013）. 健康、無受訓練. 一週兩次漸增式高強度腳踏車. 肌肉 PGC1α 無差異. 年齡：50 - 67 歲. 運動，每次 30-90 分鐘. Raschke 等. 6 名男性. 10 週，每週 3 次。. （2013）. 年齡：40.8±2.1 歲. 4×4 分鐘間歇跑步機. BMI : 26.1±1.8. 90% 最大心跳率. Blüher 等. 65 名肥胖青少年. 一年。每週 90 分鐘體能訓練指. 血液 irisin 基準值↑. （2014）. 年齡:：7 - 18 歲. 導以及 60 分鐘耐力加阻力自. 與性別、成長階段、年齡、. 男女性各半. 主訓練(腳踏車/跑步機+孩童. 其他代謝疾病指標無相關. 肌肉 FNDC5 無差異. 用阻力訓練機) Kurdiova 等. 16 名肥胖者. ‧ 12 週，每週 3 次，每次 1 小時， VO2max↑25%. （2014）. 男／女：10／6. 阻力加耐力綜合訓練. 血液 irisin 無差異. 年齡：36.5 ± 1.1 歲. 阻力：50-60% 1RM，每週漸增. 肌肉 FNDC5 無差異. BMI：31.8 ± 0.6 耐力：70-87%最大心跳 ‧ ‧ 註：VO2max，最大攝氧量；VO2peak，攝氧峰值；BMI，body mass index；AET，aerobic endurance training； HRR，heart rate reserve；↑，顯著上升；RM，repetition maximum；PGC1α，PPARγ coactivator 1 alpha；FNDC5， fibronectin type III domain-containing protein 5. 10.

(18) 二、單次耐力運動對 irisin 之效應相較於耐力運動訓練介入，單次耐力運動介入較可見到提升血液中 irisin 濃度的效應（表 2-2）。其中，大部分的單次耐力運動皆介於 30 分鐘至 1 小時間，但運動後 irisin 恢復至安靜值的時間並不一致。此外，亦有研究者提出溫度對 irisin 可能造成的影響； Aydin 等 (2013) 的研究結果顯示，單次耐力運動或是環境高溫（土耳其浴）皆會使核心體溫升高，同時 irisin 含量有顯著提升；但 Lee 等 (2014) 的研究發現，冷環境暴露會刺激 irisin 分泌，且分泌量和肌肉顫抖強度呈正相關。上述關於 irisin 之作用時程，或是溫度因素對 irisin 之影響，都有待進一步釐清；而透過唾液或是尿液的非侵入性檢測方式，若於日後得出較有效、穩定的檢測結果，將替 irisin 的研究及應用帶來新的可能性 (Aydin et al., 2013; Daskalopoulou et al., 2014)。相較於中低強度運動，單次的高強度運動較能提升 irisin 分泌，可能與運動過程中肌纖維招募數量和代謝需求有關 (Huh, Mougios, Skraparlis, Kabasakalis, & Mantzoros, 2014c; Tsuchiya et al., 2014)。過去研究 (Huh et al., 2012) 曾指出，短距離衝刺運動後骨骼肌中 ATP 含量下降，伴隨著 irisin 濃度上升，而經過八週訓練，單次衝刺後骨骼肌中 ATP 含量並無顯著降低情形，而 irisin 濃度亦無顯著上升，故可能是由於能量的不平衡造成 irisin 濃度增加；Daskalopoulou 等 (2014) 亦於其研究中發現，在高功率負荷衰竭運動中，體能水準較高者達衰竭時間較長，能量消耗較多，血中乳酸及 irisin 上升量也較多，故推測單次運動時 irisin 之分泌可能與能量需求增加有關。. 11.

(19) 表 2-2 單次耐力運動對 irisin 的效應作者（年代）. 對象. 運動介入方式. 結果. Aydin 等. 坐式生活男性. 45 分鐘. （2013）. 肥胖組：7 名. 中強度跑步（速度：7.3 km/h）唾液 irisin↑. BMI：35.67 ± 4.5. 戶外（氣溫 25-27 ℃，濕度. 正常體重組：7 名. 血清 irisin 有上升趨勢. 65%）. BMI：26.62 ± 6.3 Kurdiova 等. 16 名肥胖者. 60 分鐘. 血液 irisin 無差異. （2013）. 年齡：36.5 ± 1.1 歲. 跑步機. 肌肉 PGC1α ↑ (6 倍). BMI：31.8 ± 0.6. 75% 最大運動能力. 肌肉 FNDC5 無差異. Norheim 等. 對照組：13 名. 45 分鐘. 對照組：血漿 irisin↑ (短暫). （2013）. 糖尿病前期：13 名. 固定式腳踏車 ‧ 70% VO2max. 糖尿病前期組：血漿 irisin↑. 皆為坐式生活者. 肌肉 PGC1α mRNA↑. 年齡：40 – 65 歲 Pekkala 等. 17 名. （2013）. 健康、無受訓練者. 肌肉 FNDC5mRNA 無差異 60 分鐘固定式腳踏車 ‧ 50% VO2max. 年齡：49 - 57 歲. 血清 irisin 無差異肌肉 PGC1α 無差異肌肉 FNDC5 無差異. Anastasilakis. 20 名中度活動者. 30 分鐘. 運動後立即，血清 irisin↑. 等（2014）. 男／女：10／10. 持續跑步（室外）. 無性別差異. 年齡：20.0 ± 0.1 歲. （無提供強度）. 日夜節律（早上六點最低，晚上九點最高）. BMI：23.4 ± 0.2 Daskalopoulou. 35 名健康年輕人. 等（2014）. 男／女：20／15. ‧ 最大功率：100% VO2max ‧ 相對功率：10 分鐘，70% VO2max. 年齡：23.0 ± 3.3 歲. 絕對功率：10 分鐘，75 Watt. 運動後 3 分鐘時，三種處理血液 irisin 皆↑ 最大功率時改變量最大. BMI：22.4 ± 2.5. 和乳酸改變量正相關. 中高活動度. 尿液中可測得 irisin. Huh 等. Study 1. Study1 跑步機 ‧ 70%~75%VO2max 45 分鐘，接 ‧ 續 90%VO2max 至衰竭. Study 1. （2014b）. 78 名健康男性. Study 2. Study2 游泳. Study 2. 30 名少年游泳選手. CME: 自由式連續 2000 公尺. CME：血漿 irisin 無差異. 男／女：15／15. HIIE: 自由式 50 公尺衝刺 6 趟. HIIE：運動後立即 irisin↑. 年齡：47.8 ± 4.5 歲. 運動後血漿 irisin↑. BMI：25.3 ± 1.0. 年齡：15.4 ± 0.2 歲. 運動後 1 小時血漿 irisin↑. BMI：21.7 ± 0.4. 運動後 24 小時回復和乳酸改變量正相關. 12.

(20) 表 2-2 單次耐力運動對 irisin 的效應（續）作者（年代）. 對象. 運動介入方式. 結果血清 irisin↑. Huh 等. 14 名女性. 全身性振動訓練(含 7 個動作). （2014c）. 健康、無受訓練. 振頻：16Hz. 年齡：24.3 ± 2.6 歲. 振幅：2.5mm. BMI：20.4 ± 1.8. 時間：共 11 分鐘. Huh 等. 男性共 20 名. 36 分鐘，跑步機. 運動後立即，血漿 irisin↑. （2014d）. 健康組 14 名. 65 % 最大心跳率. 運動後 1 小時恢復基準值. 代謝症候群組 6 名年齡：42.8 ± 7.6 歲 BMI：29.1 ± 3.9 Kraemer 等. 7 名年輕男性. 90 分鐘. 運動第 54 分鐘 irisin↑. （2014）. 年齡：22 ± 1 歲. 跑步機 ‧ 60% VO2max. 運動第 90 分鐘、運動後. 5 名年輕女性. 20 分鐘 irisin 無差異. 年齡：23 ± 4 歲性別、月經週期無影響. (分別於濾泡早期、黃體中期進行) Lee 等. 10 名健康成人. （2014）. 男／女：6／4 年齡：27 ± 5 歲 BMI：22 ± 2. Tsuchiya 等. 6 名健康男性. （2014）. 坐式生活者年齡：22.5 ± 1.1. 最大運動：原地腳踏車. 血清 irisin 有上升趨勢. 漸增強度至衰竭非最大運動：60 分鐘 ‧ 40% VO2max. 血清 irisin↑. HIE：20 分鐘，跑步機 ‧ 80% VO2max. 運動後立即 irisin↓ in LIE. LIE：40 分鐘，跑步機 ‧ 40% VO2max. 運動後 6 小時 irisin↑ H>L. 運動後 3 小時 irisin 無差異. 運動後 19 小時 irisin↑ H>L BMI: 22.1 ± 1.1 ‧ ‧ 註：VO2max，最大攝氧量；VO2peak，攝氧峰值；BMI，body mass index；HIE，high-intensity exercise trial； LIE，low-intensity exercise trial；CME，continuous moderate exercise；HIIE，high-intensity interval exercise； ↑，顯著上升；↓，顯著下降. 13.

(21) 第三節. irisin、能量代謝與碳水化合物增補. 如本章第一節所述，irisin 被認為能透過作用於脂肪組織或是骨骼肌細胞而具有調節能量代謝的功能；許多以健康、無代謝症候群相關疾病者為對象的研究 (Al-Daghri et al., 2014; Anastasilakis et al., 2014; Choi et al., 2013; Huh et al., 2012; Kurdiova et al., 2014; Lee et al., 2014; Liu et al., 2013; Pardo et al., 2014) 皆從其結果推測，血液中的 irisin 濃度和血糖的恆定與代謝之間存在某種關聯；另一些研究則提出，irisin 可能和安靜時 (Kuloglu et al., 2014; Swick, Orena, & O'Connor, 2013; Tsuchiya et al., 2014) 或運動時 (Daskalopoulou et al., 2014; Huh et al., 2012) 人體能量恆定狀況有關，會因整體能量消耗程度不同而影響其濃度，或在局部組織中扮演 ATP 感受器的角色；此外，也有部分研究 (Anastasilakis et al., 2014; Lopez-Legarrea et al., 2014; Park et al., 2013; Sharma, Castorena, & Cartee, 2012) 針對不同質、量或是成份的飲食攝取和 irisin 間之關係進行探討。雖然 irisin 被認為可能扮演能量代謝中的調節角色，但上述各研究結果間尚存在許多分歧之處。 Boström 等 (2012) 的研究指出，在高脂飲食 (high-fat-diet, HFD) 導致肥胖和糖尿病的老鼠體內注入帶有 FNDC5 的腺病毒後，其血液 irisin 濃度提升，體重降低、葡萄糖不耐的現象顯著改善、空腹胰島素濃度下降，改善因飲食引起的胰島素阻抗，且能量消耗顯著提升。Yang, Chen, Chen, 與 Zhao (2015) 的肌細胞實驗中，於模仿糖尿病的狀態環境下，胰島素的作用被抑制，但 FNDC5/irisin 表現不受影響，並且，若加入外源性 irisin，受抑制的胰島素作用可以被恢復。故 irisin 可能可以促進肌細胞的胰島素型功能，而改善胰島素阻抗的情形。而 Liu 等 (2015) 則於近期研究中提及，在胰島素阻抗的肝細胞及第二型糖尿病大鼠的研究裡，irisin 能透過減少糖質新生路徑的作用、增加肝醣合成路徑的活化，改善葡萄糖恆定狀況。運動的狀態對人體能量代謝恆定來說是一項挑戰，在醣類調節方面，運動時，胰臟分泌胰島素的量減少，肝醣合成減少而分解增加，使得更多的葡萄糖得以被釋出利用；但另一方面，胰島素被抑制將不利於骨骼肌的葡萄糖吸收，故運動時的葡萄糖吸收，有 14.

(22) 85% 透過非胰島素依賴的路徑來達成 (Wojtaszewski et al., 2002) 。運動時引發的 AMPK 活化和醣類代謝調節有極大關聯，包括葡萄糖運輸和肝醣合成的過程；運動能透過非胰島素依賴的路徑調控葡萄糖吸收，其機制便包含了 AMPK 的活化，並且可能和急性及長期運動對胰島素敏感度的效果有關 (Friedrichsen, Mortensen, Pehmøller, Birk, & Wojtaszewski, 2013; O’Neill, 2013; Richter & Hargreaves, 2013)。長期運動訓練可以增加肌肉質量和肌肉能力，而急性的單次運動則能促進葡萄糖和脂質的動員，作為肌肉的能量來源；運動時，人體經由碳水化合物代謝所取得之能源，有將近一半會被骨骼肌利用，從事有氧運動時，碳水化合物也是極有效率的重要供能來源 (Egan & Zierath, 2013)。進行長時間的耐力性運動，會相當程度地耗損體內的醣類含量，故如過去研究 (Kohara, Morishima, Uchida, Ito, & Goto, 2014; Temesi, Johnson, Raymond, Burdon, & O’Connor, 2011) 所顯示，運動前或運動中的碳水化合物增補對於運動時的能量調節，及運動表現或疲勞程度有所影響；一般認為，運動中的碳水化合物增補能節省肝醣使用，進而提升耐力運動表現，尤其在會導致肝醣耗竭的長時間耐力運動中，更能明顯看到此效果。運動中的碳水化合物增補會顯著增加骨骼肌的胰島素濃度及葡萄糖吸收作用 (Cluberton et al., 2005; Febbraio et al., 2000; McConell, Canny, Daddo, Nance, & Snow, 2000)，此外，耐力運動前及運動中的碳水化合物增補，也可能影響肌肉及血液中的肌肉激素濃度 (Nieman et al., 2003)。 Irisin 被定義為一個肌肉激素，骨骼肌被認為是分泌 irisin 的主要器官；近年研究 (Huh et al., 2014b；Vaughan et al., 2014) 於細胞實驗中發現 irisin 對於肌肉細胞本身的代謝作用有調節功能，會增加骨骼肌葡萄糖吸收，但此可能的反饋作用 (feedback loop) 及其對於肌肉細胞代謝上的影響，在人體上尚未被釐清。血糖值的立即升高會影響某些肌肉激素的分泌，例如 IL6 和 FGF21 (Esposito et al., 2002; Manning et al., 2008)，則 irisin 濃度是否同樣會因外源性碳水化合物的供給而有所變化，而此可能的變化在同時進行會刺激 irisin 分泌的運動介入時將有何種效應出現，尚待進一步釐清。在坐式生活婦女族群中，隨葡萄糖不耐程度越高，irisin 濃度下降，這樣的現象更是強調了 irisin 在葡萄糖代謝上有補足或支持的角色，直到代謝失衡達到某種程度 15.

(23) (Duran et al., 2015)。過去文獻顯示，單次中強度 45 分鐘耐力運動可能會改善胰島素敏感度，降低隔日口服葡萄糖耐受度測驗 (oral glucose tolerance test, OGTT) 數值 (Brestoff et al., 2009; King et al., 1995)。Huerta 等 (2015) 的研究則提及，安靜值的血漿 irisin 和血糖值呈正相關，但是在 OGTT 的測驗過程中，irisin 的濃度並不隨著血糖和胰島素的上升而增加。而以妊娠糖尿病和血糖正常的孕婦進行 OGTT 測驗，irisin 濃度和 OGTT 2 小時血糖值呈負相關，意指葡萄糖耐受度越佳者，irisin 濃度越高。另有研究指出，妊娠婦女的血液 irisin 含量較生產後高，但有妊娠糖尿病的婦女產前的高出值較低。此外，肥胖和正常體重的孩童進行為期一年的綜合性介入，包括運動、飲食改變等行為改變技術療法，其 irisin 的改變量和 OGTT 測驗結果的改變量（一年前、後）有顯著相關，但和 BMI 值的改變或是其他指標的改變之間則無顯著相關 (Ebert et al., 2014; Kuzmicki et al., 2014; Reinehr, Elfers, Lass, & Roth, 2015)。根據上述文獻，在細胞實驗中，irisin 會增加骨骼肌葡萄糖吸收，因而可能具有調節醣類恆定的功能，但此類調節功能於人體的實際作用仍有許多未明之處。在單次長時間耐力運動中，醣類是重要的能量來源，若 irisin 具有調節能量代謝的功能，則在運動過程中，其分泌是否會受到醣類恆定狀況改變的影響，有待進一步探討。因此，消耗大量能量，且改變醣類恆定的長時間耐力性運動對於 irisin 之效應為何，及此變化與能量代謝指標、運動後葡萄糖耐受度的改善之間是否存在同步關係，為本研究希望探討與釐清的部分。. 16.

(24) 第四節本章總結一、骨骼肌分泌之肌肉激素－irisin 能使脂肪組織產生棕化的效果，透過粒線體 UCP1 表現的增加，經產熱作用增加能量消耗，進而達到對抗代謝疾病之效益；除了此內分泌作用外，irisin 亦能透過 AMPK 路徑增加骨骼肌葡萄糖及脂肪酸的吸收，可能具有調節骨骼肌本身能量代謝的自分泌功能。二、耐力運動訓練對提升 irisin 濃度之效應並不顯著；一小時左右的單次耐力運動較能提高血液 irisin 濃度。Irisin 分泌的增加，可能和能量恆定狀態或運動強度有關。三、Irisin 在能量代謝的調節中所扮演的角色仍有許多尚待釐清之處；碳水化合物增補對單次長時間耐力運動時的醣類代謝有調節作用，而此調節作用及運動對葡萄糖耐受度的正面效益，是否與 irisin 的分泌或作用有所關聯，且與其他能量代謝指標間的關係，皆需進一步瞭解。. 17.

(25) 第參章. 研究方法. 本章分為以下幾部份說明：第一節，受試對象；第二節，實驗時間與地點；第三節，實驗流程；第四節，實驗方法與步驟；第五節，資料處理。. 第一節受試對象本研究受試者為 12 名自願參加之健康年輕男性，參與研究之受試者皆需符合以下條件：（一）無抽菸、酗酒之習慣、（二）無心血管相關疾病或家庭病史、（三）無糖尿病及其他代謝症候群相關疾病、（四）無運動傷害或被醫師告知不可進行激烈運動、（五）有長時間（兩小時）跑步之能力、（六）無苯酮尿症。參與實驗前，每位受試者皆需填寫「身體活動問卷調查表」（附錄一），並在詳細瞭解「受試者須知」（附錄二）及實驗流程後，於「受試者同意書」（附錄三）上簽名，即正式成為本研究之受試對象。. 第二節實驗時間與地點一、實驗時間：民國 104 年 4 月至 7 月二、實驗地點：國立臺灣師範大學公館校區運動生理學實驗室. 第三節實驗流程於本研究中，每位受試者將參與共三次的測驗與實驗，每次之間至少相隔七日。第一次為實驗前測（預備實驗），將熟悉實驗流程和器材、測量身高體重，及進行跑步機的最大攝氧量測驗；後為兩次實驗處理，包括碳水化合物增補與安慰劑兩種不同處理；兩種處理以重複量數、平衡次序分派方法及雙盲設計進行。為排除 irisin 之日夜節律影響 (Anastasilakis et al., 2014)，實驗處理皆在一天中的同樣時間進行。實驗流程及程序如圖 3-1。 18.

(26) 招募受試者 (N=12) 實驗流程及注意事項說明填寫身體活動問卷調查表及受試者同意書. 受試者基本資料建立實驗前測（身高體重、最大攝氧量）. 重複量數平衡次序分派. 安慰劑 + 耐力運動. 間隔七天以上. 資料處理與分析. 圖 3-1 實驗程序與流程. 19. 碳水化合物增補 + 耐力運動.

(27) 第四節實驗方法與步驟關於本研究各階段之實驗方法與步驟，分為以下各部份敘述之。. 一、實驗前測（預備實驗） 1. 最大攝氧量測驗每位受試者皆需進行一次跑步機 (h/p cosmos mercury 4.0; h/p cosmos sports & medical, Nussdorf-Traunstein, Germany) 漸增強度最大攝氧量檢測。全程以 Vmax 29 氣體分析儀進行氣體採集，並監控心跳率及運動自覺努力程度。達以下判定標準兩項以上，且經口頭鼓勵亦無法繼續運動時，即達個人最大攝氧量，立即停止測驗。 ‧ (1) 攝氧量 (VO2) 達高原繼續增加運動負荷但攝氧量之增加少於 2 ml/kg/min。 (2) 心跳率達到預估最大心跳率的正負十下心跳率預估公式：207 － (0.7 × 年齡) (Tanaka, Monahan, & Seals, 2001) (3) 呼吸交換率 (RER) 超過 1.15 (4) 運動自覺努力程度 (RPE) 達 19 2. 身高體重測量受試者於進行最大攝氧量測驗前，需著輕便、跑步服裝測量身高體重，作為個人增補量的計算依據；另在正式實驗的跑步運動結束後，也需在採血完畢、飲水前，將身上汗水擦乾、汗濕衣服脫去後以同一儀器測量身高體重，初步判斷運動後脫水的情形。. 20.

(28) 二、實驗前準備 1. 儀器校正與檢驗每次實驗前，依儀器操作手冊進行 Vmax 29 校正，包括氣瓶氣壓確認、流量校正，以及流速校正，校正值需達通過標準。並檢驗心率儀收集、傳輸數據是否正常。 2. 抽血器材準備確認採血器材及所需耗材是否乾淨、足夠；於各採血管上事先標明受試者編號；確認支援之採血人員依時抵達。 3. 環境監控以液晶顯示溫濕度計（JG-TH01，晶冠，台灣）監控實驗過程中之環境溫度是否保持穩定，盡量避免環境溫度可能造成的影響 (Aydin et al., 2013; Lee et al., 2014) 。 4. 受試者準備受試者於兩次正式實驗處理之間，應維持平時的身體活動量和運動型態。實驗前 24 小時應避免攝取酒精、咖啡因，及其他刺激性飲食或營養增補劑，也要避免激烈運動；實驗前一晚需充足睡眠，且禁食至少 8 小時，實驗當天空腹至實驗室報到。受試者於實驗當天早上抵達實驗室後，先量測身高體重，後靜坐休息十分鐘，待後續實驗流程開始；運動完成後，再量測一次身高體重。受試者進行第一次正式實驗時，需填寫簡單的飲食紀錄，記錄實驗前一天三餐飲食及三餐之外所食用的點心；第二次正式實驗前，提供受試者前次實驗的紀錄，以在第二次正式實驗前一天盡量重現飲食狀況。 5. 增補劑準備本研究所使用之增補劑及安慰劑，將於實驗前事先準備，置於冰箱冷藏待用，實驗當天於準備期時取出。本研究採雙盲設計方式進行增補，每位受試者依平衡次序分派進行碳水化 21.

(29) 合物及安慰劑處理。兩種處理每次皆增補每公斤體重 2.5 毫升之溶液；碳水化合物增補處理時，溶質為精純葡萄糖（聯興生技股份有限公司，桃園，臺灣），溶液濃度為百分之十；安慰劑增補處理時，溶質為甜味劑 erythritol (Zerose® , Cargill Inc., Minnetonka, MN, USA)，依製造公司提供之甜度標準，調製與碳水化合物增補處理時之葡萄糖溶液甜度相同的安慰劑溶液。碳水化合物增補處理中，總碳水化合物攝取量介於每小時 30 至 60 克之間 (Temesi et al., 2011; Jeukendrup, 2014)。由於實驗過程中需配戴氣體分析相關儀器，故增補時皆以吸管攝取杯中溶液。進行增補時會移除氣體連通管，受試者透過面罩前的洞口以吸管攝取增補溶液，攝取完畢之後再將氣體連通管接回面罩上。每次增補時，盡量於一分鐘內完成；進行運動中增補時，暫時降低跑步速度，待增補完成後再調回至原本設定之運動強度。增補時間不列入 90 分鐘跑步時間內。除進行 OGTT、餐後一小時及運動過程外，受試者得自由飲水。 6. 飲食控制受試者於收取基準值血液樣本後，發予統一配製之早餐，於十分鐘左右食用完畢。根據該次實驗增補碳水化合物溶液或安慰劑溶液，分別搭配高碳水化合物比例飲食與低碳水化合物比例飲食。食品內容及成分如下： (1) 高碳水化合物比例飲食 a. 自然の顏紫菜蘇打餅乾半包：7.4 克每份 40 大卡；碳水化合物 4 克，脂肪 2.25 克，蛋白質 0.75 克。 b. 麥維它消化餅一片：14 克每片 63 大卡；碳水化合物 10.2 克，脂肪 2.1 克，蛋白質 1.5 克。 c. 桂格堅果王一瓶：280 毫升每瓶 118 大卡；碳水化合物 19.9 克，脂肪 2.8 克，蛋白質 3.4 克。. 22.

(30) d. 總熱量：221 大卡碳水化合物 136.4 大卡 (61.7 %)，脂肪 64.35 大卡 (29.1 %)，蛋白質 22.6 大卡 (10.2 %)。 (2) 低碳水化合物比例飲食 a. 自然の顏紫菜蘇打餅乾半包：7.4 克每份 40 大卡；碳水化合物 4 克，脂肪 2.25 克，蛋白質 0.75 克。 b. 花生米：9 克每份 52.5 大卡；碳水化合物 2.3 克，脂肪 4.7 克，蛋白質 1 克。 c. 全脂鮮乳一瓶：220 毫升每瓶 145.3 大卡；碳水化合物 10.8 克，脂肪 8.1 克，蛋白質 7.3 克。 d. 總熱量：237.8 大卡碳水化合物 68.4 大卡 (28.8 %)，脂肪 135.45 大卡 (56.9%)，蛋白質 36.2 大卡 (15.2 %)。. 三、實驗處理 1. 單次長時間耐力運動依實驗前測所得之最大攝氧量資料，以迴歸方式計算運動強度。受試者需進行 90 分鐘之 70% 最大攝氧量的中強度跑步運動，運動中進行共四次增補及一次採血；90 分鐘中強度運動結束之後，立即接續 90% 最大攝氧量的高強度跑步，維持此速度 3 分鐘後漸增強度，每分鐘增加速度 0.8 km/hr，直至受試者符合前述衰竭條件之判定後停止運動。 2. 增補處理本研究共進行四次的溶液增補處理，於運動中每 20 分鐘進行一次增補，增補時間點為運動開始後第 20、40、60 及 80 分鐘。. 23.

(31) 四、資料收集 1. 心跳本研究以無線遙測心率儀 (Polar RS810, Kempele, Finland) 監控受試者實驗過程中的心跳率。 2. 呼吸本研究所使用之呼吸氣體分析儀器為 Vmax 29 型電腦能量代謝測量系統 (Sensor Medics the Corp., Yorba Linda, CA, USA)。於實驗前測進行最大攝氧量測量時全程配戴。在正式實驗期間，以每次呼吸法 (breath by breath) 進行氣體採集；耐力運動過程中，全程進行氣體採集。所得之氣體相關數據，將用以計算呼吸交換率 (RER) 及推估能量消耗。 3. 運動自覺努力量表 (rating of perceived exertion, RPE) 本研究所使用之 RPE 為引用 Borg (1970) 開發之 15 點量表(6-20)，如圖 3-2。詢問受試者 RPE 之時間點為運動中每一次增補前 2 分鐘。 4. 甜度自覺量表於第一次增補後，請受試者以視覺自覺量表 (visual analog scale, VAS) 指出對所攝取之溶液的甜度感受；0 為完全不甜，10 為非常非常地甜。如圖 3-3。 5. 血液樣本受試者於早上抵達實驗室，靜坐休息 10 分鐘後，進行第一次採血；第二次採血為暖身前；第三次採血為運動中，即運動第 80 分鐘時，與當次的運動中增補同時進行，故受試者會暫停運動，離開跑步機以坐姿進行當次採血；第四次採血為運動後立即（運動完成後 3 分鐘內）；第五次採血為運動後 1 小時，以受試者停止跑步之時間點開始計算；第六次採血為距第一次採血 24 小時後，也就是隔日安靜值。血液樣本一律由合格護士採集肘前靜脈血；另於上述各抽血時間點同時進行指尖採血，以檢驗血糖 (GM550, Bionime, Taiwan) 及血乳酸 (Lactate Pro, Arkray, Kyoto, Japan) 數據。每次靜脈採血共採集兩管血液，血清紅頭管及 EDTA 紫頭管分別抽取 5 ml 24.

(32) 之血液樣本，以紅頭管先、紫頭管後的順序抽取。EDTA 紫頭管血液抽取後，上下輕搖數次使血液與抗凝血劑混合均勻；全血進行血液細胞計數分析 (complete blood count, CBC) 取得血比容計算相關數據後，將血液樣本以 3000 g 的轉速離心 10 分鐘，抽取血漿置於 -80 ℃冰箱冷凍，待後續分析 irisin 數值。紅頭血清管血液抽取後，靜置於室溫 30 分鐘以上，使血液凝結 (clot) 後以 3000 g 的轉速離心 10 分鐘，抽取上清液血清分存於 -80 ℃冰箱，待後續分析胰島素數值。血液樣本避免凍融循環 (freeze/thaw cycles) 以減少檢測結果之誤差。長時間耐力運動後可能會有脫水現象發生，故需進行血漿量校正。本研究採用 Dill 與 Costill (1974) 的公式進行脫水校正，其公式如下。運動後血液量＝運動前血液量（運動前血紅素 ÷ 運動後血紅素）血漿量（％）＝100（運動後血漿量－運動前血漿量）÷ 運動前血漿量. (1) 胰島素血液樣本收集後存於 -80 ℃冰箱，當日送至檢驗所進行檢驗。 (2) irisin 使用全自動生化免疫分析儀，依 ELISA 套裝試劑 (#EK-067-29 irisin, Phoenix Pharmaceuticals) 操作手冊之步驟進行分析。已有文獻 (Huh, Siopi, Mougios, Park, & Mantzoros, 2014d) 針對此試劑的使用進行驗證。同一樣本進行重覆測量 (duplicate)，以檢驗變異係數值 (intra-assay CV, inter-assay CV)。樣本稀釋的部分，依第二代套裝試劑建議以 1：1 的倍數進行稀釋。 6. 葡萄糖耐受度測驗 (oral glucose tolerance test, OGTT) (ADA, 2012) 於兩次實驗的第一個採血點和第六個採血點後分別進行一次 OGTT 測驗（相隔 24 小時）；在靜脈採血及指尖採血取得基準值後，受試者於 5 分鐘內飲用完畢 75 公克純葡萄糖溶於 250 公克水的溶液，於飲用完畢時起算，第 30、 60、90、120 分鐘等四個時間點以指尖採血方式檢驗血糖數值。將第 0、30、 60、90、120 分鐘的數值進行曲線下面積 (area under curve, AUC) 計算，以最 25.

(33) 低數值為基礎值，依梯形面積法計算各區塊數值，加總後得出 OGTT 測驗之 AUC 值，以作為葡萄糖耐受度的指標。. 圖 3-2 運動自覺努力量表. 圖 3-3 甜度自覺量表. 第五節資料處理本研究所得結果以 SPSS 20.0 統計軟體進行以下分析處理。顯著水準定為 α = .05。一、所有測得數據皆以平均數 (M) ± 標準差 (SD) 呈現描述性統計結果，圖中數據則以平均數(M) ± 標準誤 (SE) 呈現。二、以重複量數二因子變異數分析比較碳水化合物增補與安慰劑處理（增補因子）在基準值、運動前、運動中、運動後立即、運動後 1 小時，及隔日安靜值等不同時間（時間因子）所測得之依變項差異。三、若變異數分析交互作用達顯著，則進一步考驗單純主要效果；若主要效果達顯著，則進一步以 LSD 法進行事後比較。四、以皮爾遜積差相關求得碳水化合物增補及安慰劑處理後，irisin 濃度變化與能量代謝相關指標變化在各時間點間之相關。 26.

(34) 第肆章. 結果. 本章將實驗所得之數據經整理與統計分析後，以下列各節分別呈現：第一節，受試者基本資料；第二節，血液 irisin 濃度；第三節，血液胰島素濃度；第四節，血液葡萄糖濃度及葡萄糖耐受度測驗；第五節，血液乳酸濃度；第六節，其他生理指標；第七節， irisin 與各指標之相關。. 第一節. 受試者資本資料. 本研究以 12 名具規律運動習慣之健康男性為受試者，其基本資料如下表 4-1。表 4-1 受試者基本資料 N = 12 年齡 (yr). 24.5 ± 5.1. 體重 (kg). 66.4 ± 10.2. 身體質量指數 (kg/m2). 21.7 ± 2.5. 最大攝氧量 (ml/kg/min). 56.6 ± 8.5. 70%最大攝氧量速度 (km/hr). 10.4 ± 1.6. 90%最大攝氧量速度 (km/hr). 13.1 ± 1.8. 每次攝入溶液量 (ml). 165.9 ± 25.6. 每次攝入碳水化合物含量 (g). 16.6 ± 2.6. 每次攝入安慰劑含量 (g). 10.9 ± 1.7. 27.

(35) 第二節. 血液 irisin 濃度. 本研究受試者兩次正式實驗（碳水化合物增補、安慰劑增補）期間各採血六次，分別為基準值、運動前（餐後）、運動中、運動後立即、運動後 1 小時，及隔日（24 小時）安靜值。各點所得之 irisin 數據經重複量數二因子變異數分析後，結果顯示增補因子與時間因子的交互作用未達顯著 (F = 0.472, p = .556, η2 = .041)；增補因子主要效果 (F = 0.499, p = .495, η2 = .043) 及時間因子主要效果 (F = 1.450, p = .258, η2 = .116) 皆未達顯著。如圖 4-1。以血比容校正前的數據進行分析，結果顯示增補因子與時間因子的交互作用未達顯著 (F = 0.440, p = .575, η2 = .038)；增補因子主要效果 (F = 0.128, p = .727, η2 = .012) 及時間因子主效果 (F = 1.491, p = .249, η2 = .119) 皆未達顯著。. 圖 4-1 irisin 在不同增補處理和不同時間點之變化註：PreEx，運動前；DurEx，運動中；PostEx，運動後立即； Post 1hr，運動後 1 小時；Post 24hr，隔日安靜值. 28.

(36) 將採血時間點分為飲食介入（餐前、餐後）和運動介入（運動前、運動中、運動後立即、運動後 1 小時）兩區段分別進行重複量數二因子變異數分析，兩區段之增補因子與時間因子的交互作用皆未達顯著（飲食：F = 0.489, p = .499, η2 = .043；運動：F = 0.500, p = .522, η2 = .044）；主要效果的部分，兩區段之增補因子（飲食：F = 0.186, p = .675, η2 = .017；運動：F = 0.465, p = .510, η2 = .041）和時間因子（飲食：F = 1.706, p = .218, η2 = .134；運動：F = 1.416, p = .265, η2 = .114）亦皆未達顯著。若只看運動介入三點（運動前、運動中、運動後立即），結果顯示交互作用 (F = 1.003, p = .346, η2 = .084) 未達顯著，增補因子 (F = 0.002, p = .966, η2 = .001) 和時間因子 (F = 1.361, p = .272, η2 = .110) 的主要效果亦皆未達顯著。將上述統計分析轉以改變量或改變率進行時，因子間交互作用及增補因子和時間因子的主要效果亦皆未達顯著 (p > .05)。. 第三節. 血液胰島素濃度. 本研究受試者兩次實驗期間之胰島素基準值、運動前（餐後）、運動中、運動後立即、運動後 1 小時，及隔日（24 小時）安靜值經重複量數二因子變異數分析後，結果顯示增補因子與時間因子的交互作用未達顯著 (F = 1.947, p = .158, η2 = .150)；在主要效果的部分，增補因子 (F = 13.378, p = .004, η2 = .549) 和時間因子 (F = 9.759, p < .001, η2 = .470) 皆達顯著，經事後比較發現，碳水化合物增補處理的平均胰島素濃度顯著高於安慰劑處理 (p < .05)，而運動前（餐後）的胰島素平均值高於其餘各時間點 (p < .05)。如圖 4-2。若將飲食介入（餐前、餐後）區段獨立進行重複量數二因子變異數分析，結果顯示增補因子與時間因子的交互作用達顯著 (F = 5.138, p = .045, η2 = .318)，進一步分析單純主要效果後可得知，增補高碳水化合物比例飲食的餐後胰島素濃度顯著高於增補低碳水化合物比例飲食的餐後胰島素濃度 (p < .05)。. 29.

(37) 圖 4-2 胰島素在不同增補處理和不同時間點之變化註：PreEx，運動前；DurEx，運動中；PostEx，運動後立即； Post 1hr，運動後 1 小時；Post 24hr，隔日安靜值 #. p < .05，主要效果，和其餘各時間點比較. *. p < .05，主要效果，增補處理間比較. 第四節. 血液葡萄糖濃度及葡萄糖耐受度測驗（OGTT）. 一、血糖本研究受試者兩次實驗期間之血糖基準值、運動前（餐後）、運動中、運動後立即、運動後 1 小時，及隔日（24 小時）安靜值經重複量數二因子變異數分析後，結果顯示增補因子與時間因子有交互作用 (F = 4.597, p = .001, η2 = .295)。分析單純主要效果後可得，增補因子的單純主要效果在運動前（餐後）、運動中、運動後立即三個時間點時碳水化合物增補處理之血糖值高於安慰劑處理 (p < .05)；時間因子的單純主要效果在碳水化合物增補處理時，運動中、運動後立即、隔日安靜值皆顯著高於基準值，且運動後立即數值高於運動前；在安慰劑處理時，運動前（餐後）顯著低於基準值、運動後立即、運動後 1 小時、隔日安靜值等時間點 (p < .05)。如圖 4-3。. 30.

(38) 圖 4-3 血糖在不同增補處理和不同時間點之變化註：PreEx，運動前；DurEx，運動中；PostEx，運動後立即； Post 1hr，運動後 1 小時；Post 24hr，隔日安靜值 *. p < .05，單純主要效果，增補處理間比較；. ＃. p < .05，單純主要效果，和 baseline 比較；. †. p < .05，單純主要效果，和 Pre Ex 比較. 二、OGTT 本研究受試者於兩次實驗的基準值及隔日安靜值等兩個時間點分別進行一次 OGTT 的檢測，將過程中各點血糖值轉換為曲線下面積後進行重複量數二因子變異數分析，結果顯示增補因子與時間因子的交互作用未達顯著 (F = 2.000, p = .185, η2 = .154)，增補因子與時間因子的主要效果亦皆未達顯著 (增補：F = 3.335, p = .095, η2 = .233；時間：F = .031, p = .864, η2 = .003)。以成對樣本 t 檢定分析 OGTT 曲線下面積改變量，亦發現兩種增補處理之間並無顯著差異 (t = -1.414, p = .185)。如圖 4-4。. 31.

(39) 圖 4-4 OGTT 在不同增補處理和不同時間點之變化註：Pre，基準值 OGTT；After，隔日安靜值 OGTT. 第五節. 血液乳酸濃度. 本研究受試者兩次實驗期間之乳酸基準值、運動前（餐後）、運動中、運動後立即、運動後 1 小時，及隔日（24 小時）安靜值經重複量數二因子變異數分析後，結果顯示增補因子與時間因子交互作用達顯著 (F = 3.338 , p = .048 , η2 = .233)。分析單純主要效果後得知，在增補因子的部分，運動後 1 小時碳水化合物增補之乳酸值顯著高於安慰劑處理 (p < .05)，運動後立即則是接近於顯著 (p = .055)；時間因子的部分，在碳水化合物增補處理時，運動後立即顯著高於其餘各點 (p < .05) ，同時，運動前（餐後）、運動中、運動後立即、運動後 1 小時等四個時間點皆顯著高於基準值，運動後立即、運動後 1 小時高於運動前 (p < .05)；在安慰劑處理時，運動後立即顯著高於其餘各點 (p < .05)，運動中、運動後立即顯著高於基準值，運動後立即顯著高於運動前 (p < .05)。如圖 4-5。. 32.

(40) 圖 4-5 乳酸在不同增補處理和不同時間點之變化註：PreEx，運動前；DurEx，運動中；PostEx，運動後立即； Post 1hr，運動後 1 小時；Post 24hr，隔日安靜值 *. p < .05，單純主要效果，增補處理間比較；. #. p < .05，單純主要效果，和 baseline 比較；. †. p < .05，單純主要效果，和 Pre Ex 比較；. §. p < .05，單純主要效果，和其餘各時間點比較. 第六節. 其他生理指標. 一、甜度以成對樣本 t 檢定分析甜度自覺量表所得之數據，結果顯示兩種增補處理 (碳水化合物：4.29 ± 1.14；安慰劑：4.79 ± 1.56) 之間並無顯著差異 (t = -1.459, p = .172)。二、衰竭時間以成對樣本 t 檢定分析漸增強度運動至衰竭的時間，結果顯示兩種增補處理間有顯著差異 (t = 2.460, p = .032)，碳水化合物增補處理 (318.58 ± 92.67 秒) 的衰竭時間顯著高於安慰劑增補處理 (256.42 ± 116.32 秒)。 33.

(41) 三、RPE 本研究受試者兩次實驗期間，於中強度運動的第 20、40、60、80、90 分鐘之 RPE 數值經重複量數二因子變異數分析後，結果顯示增補因子與時間因子的交互作用未達顯著 (F = 2.485 , p = .057 , η2 = .184)；在主要效果的部分，增補因子未達顯著 (F = 1.671 , p = .223 , η2 = .132)，時間因子則達顯著 (F = 58.105 , p < .001 , η2 = .841)，經事後比較發現，各時間點之間皆有顯著差異 (p < .05)，數值隨時間增加而上升 (E20 < E40 < E60 < E80 < E90, 11.08 ± 1.50 < 12.46 ± 1.89 < 14.13 ± 2.36 < 15.38 ± 2.32 < 16.00 ± 2.25)。如圖 4-6。. 圖 4-6 RPE 在不同增補處理和不同時間點之變化註：E20，運動第 20 分鐘；E40，運動第 40 分鐘； E60，運動第 60 分鐘；E80，運動第 80 分鐘；E90，運動第 90 分鐘 *. p < .05，主要效果，各時間點間比較. 四、心跳率本研究受試者兩次實驗期間，於中強度運動的第 20、40、60、80、90 分鐘之心跳率數值經重複量數二因子變異數分析後，結果顯示增補因子與時間因子的交互作用達顯著 (F = 3.996 , p = .039 , η2 = .266)；進一步分析單純主要效果可得，增補因子的單純主要效果，在各時間點皆無顯著差異 (p > .05)；時間因子的單純主要效 34.