海拔3 650米世居和移居大学生高原适应生理差异：基于心肺功能与慢性高山病患病率的比较

Physiological Differences in High-Altitude Adaptation Between Native Tibetan and Migrant Han University Students at 3 650 m: Evidence From Cardiopulmonary Function and Chronic Mountain Sickness

摘要

目的 基于心肺功能与慢性高山病患病率比较，分析世居和移居大学生高原适应生理差异，为高原低氧环境下的健康评估与干预提供科学依据。 方法 随机选取西藏大学世居藏族学生98名（男生48名、女生50名）和入藏14个月的移居汉族学生79名（男生45名、女生34名）为研究对象，收集姓名、性别、年龄、民族以及青海CMS量表等信息，测量身高、体重以及血红蛋白浓度，记录运动前后的心率和血氧饱和度；采用心肺功能仪结合递增负荷自行车测试VO_2max，并采集运动前后生理指标数据。 结果 世居藏族学生的VO_2max显著高于移居汉族学生（39.8±8.9 mL/kg/min vs 33.8±6.0 mL/kg/min，t=5.327，P0.001）；在校正性别、体重、心输出量后差异依然显著（F=1 948.3，P0.05）；多元线性回归分析结果显示，心输出量是预测VO_2max的主要因素（β=0.96，P0.05，R²=0.98）。VO_2max与血红蛋白浓度在两组间均呈显著正相关，世居和移居组相关系数分别为r=0.51（R²=0.26、P0.01）和r=0.44（R²=0.19、P0.01）。根据青海CMS诊断标准，世居藏族学生CMS总患病率为0%，移居汉族学生CMS总患病率为6.3%，两组差异显著（χ²=6.383，P0.05）。在CMS相关症状中，睡眠障碍、头痛和气短/心悸为较常见。 结论 世居藏族学生的心肺功能优于移居汉族学生，表现为较低的血红蛋白浓度和较低的静息心率；移居汉族学生CMS总患病率为6.3%。

Abstract

Objective Based on the comparison of cardiopulmonary function and the prevalence of chronic mountain sickness, the physiological differences in adaptation to high altitudes among local and migrant college students were identified, providing a scientific basis for health assessment and intervention in the hypoxic environment at high altitudes. Methods We recruited 98 native Tibetan students and 79 migrant Han students who had lived at high altitude for 14 months. Participants completed the Qinghai chronic mountain sickness (CMS) questionnaire and underwent anthropometry, haemoglobin measurement, pulse oximetry and incremental cycle cardiopulmonary exercise testing. Results Native Tibetan students had a higher VO_2max than migrant Han students (39.8±8.9 versus 33.8±6.0 mL/kg^-1/min^-1, t=5.327, P0.001). This difference remained significant after adjustment for sex, body mass and cardiac output (F=1 948.3, P0.05). In multivariable linear regression, cardiac output was the strongest predictor of VO_2max (β=0.96, P0.05, R²=0.98). VO_2max was positively associated with haemoglobin concentration in both groups (native Tibetan students: r=0.51, R²=0.26, P0.01; migrant Han students: r=0.44, R²=0.19, P0.01). Under the Qinghai diagnostic criteria, CMS prevalence was 0% among native Tibetan students and 6.3% among migrant Han students (χ²=6.383, P0.05). Sleep disturbance, headache, and dyspnoea or palpitations were the most frequently reported CMS-related symptoms. Conclusion Native Tibetan students showed greater cardiopulmonary capacity than migrant Han students, alongside lower haemoglobin concentrations and resting heart rates. The 6.3% prevalence of CMS among migrant Han students is consistent with incomplete adaptation to chronic high-altitude hypoxia.

Graphical abstract

关键词

高海拔 / 世居藏族学生 / 移居汉族学生 / 最大摄氧量

Key words

high altitude / native Tibetan students / migrant Han students / maximal oxygen uptake（VO_₂max ）

引 言

青藏高原平均海拔超过4 000 m，以其低压、低氧的极端环境^[1,2]，成为全球研究人类环境适应性的天然样本库。在长期的自然选择下，藏族人群形成了独特的高原适应机制^[3,4]，尤其体现在血氧调节、能量代谢等生理层面。最大摄氧量（maximal oxygen consumption，VO_2max)是指人体在高强度运动过程中，每分钟能摄取和利用的氧气最大量^[5]，是衡量心肺功能和有氧耐力的核心指标^[6]，已在体能评价和运动生理学中得到广泛应用^[7]，心肺功能已被证实为全因死亡率的独立预测因子^[8]，美国心脏协会更是将VO_2max作为人体第五大生命特征。既往研究显示，高海拔环境对人体有氧运动能力产生显著影响，吴天一等^[9]研究发现，海拔4 520 m的世居人群VO_2max水平显著高于高原移居人群；格日力等^[10]证实海拔3 417 m地区藏族少年的VO_2max高于汉族同龄人；边巴等^[11]针对9\sim10岁儿童青少年的研究表明，世居高原的儿童青少年有氧运动能力整体优于移居汉族。而陈婷等^[12]通过对比分析发现，在平原环境下生活的藏族和汉族大学生群体，其心肺耐力表现未呈现显著差异。

随着国家西部大开发推进，高原地区人口迁移与短期居留日益增多。西藏以独特的自然与文化景观吸引大量平原人群，但低压低氧环境对人体生理构成挑战。高原习服是指机体通过多系统调节实现内环境与低氧外环境适应平衡的过程^[13]。通过对比居住在海拔3 650 m的藏汉大学生的心肺功能，可在相同环境下剥离环境干扰，更清晰地揭示遗传因素对高原适应的影响，补充当前在大学生运动能力层面心肺功能研究的不足，为高原生理学研究与体育健康管理提供依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

纳入标准：藏族受试者为3代以内世居西藏，且无跨民族婚配史；汉族受试者须为内地生源，且入藏时间达14个月。排除标准：存在上呼吸道感染（如咽炎、鼻炎、感冒、气胸）者；患有下肢疾病或行动不便者。

采用整群抽样结合个体随机抽样的两阶段方法，于2020年10月至12月，以西藏大学医学院和理学院各班级为整群抽样单位，纳入所有班级后，在各班级内部采用随机抽样法抽取符合纳入标准的藏汉学生。

根据预实验及相关文献报道，采用公式N=2kσ²/Δ²估算样本量，其中K为组数，σ²为总体方差，Δ为两组均值的预期值。计算出每组所需样本量为33人，考虑到性别和民族分层因素，共需4组，故样本量总量至少为132人（33×4=132）。为尽可能减少抽样过程中可能出现的系统误差及选择输出偏倚，本研究实际招募202名藏、汉族学生（平均年龄21岁）进行数据采集。经筛选，符合纳入标准、无排除指征并签署知情同意书，最终纳入177名有效数据。样本具体构成如下：藏族98名（男48人，女50人），汉族79名（男45人，女34人）。

1.2 研究方法

1.2.1 问卷调查

问卷主要内容包括姓名、性别、年龄、民族等基本信息，以及青海CMS量表（Qinghai CMS score）^[14]。

1.2.2 慢性高山病（CMS）

（1）慢性高山病（CMS）定义

慢性高山病又称Monge氏病^[15]，是一种常发生于高海拔（通常2 500 m）常住人群的临床综合征，其本质是高原适应或习服机制失效，以过度红细胞增多、严重低氧血症及相关症状为特征。

（2）青海CMS诊断标准

①主要症状及单项评分（0或1分制）：以下7项症状每出现1项计1分，未见计0分：气短和/或心悸、睡眠障碍、紫绀、静脉扩张、感觉异常、头痛、耳鸣。②血红蛋白诊断阈值：男性≥21 g/dl，女性≥19 g/dl（符合上述记3分）。③总分计算与CMS分级：总分=症状得分（0\sim7分）+血红蛋白得分（0/3分）；分级标准：无CMS（0\sim5分）、轻度CMS（6\sim10分）、中度CMS（11\sim14分）、重度CMS（15分）。④诊断注释：总分≥6分且Hb超过性别阈值者方可诊断为CMS患者。若血红蛋白浓度未超标（男性≤21 g/dl，女性≤19 g/dl），即使有症状，总分亦不超过6分，按“无CMS”处理。

1.2.3 一般检查

采用身高体重仪测量身高体重。要求测量时受试者脱鞋，着装轻便，按照测试者的指导进行测量，测量值精确到0.1个单位并记录。

1.2.4 递增负荷运动测试

心肺功能仪（Cortex MaTaMax 3B，瑞典）结合递增负荷自行车（Custo.med，意大利）测试VO_2max。每日测试前进行气体和气压校准，每名受试者测试前进行一次容量校准。在测试前明确告知受试者在测试过程中需要注意的事项。佩戴12导联心电（Custo.med cardio 100BT，德国）监测运动全过程中心率的变化。带好头套和面罩（用于更好的收集气体），起始负荷50 W，每3 min增加40 W，登车速度控制在70\sim80转/分。受试者出现力竭表现，经过测试员的鼓励后仍无法保持规定的负荷运动，心率≥180/次和呼吸交换律≥1.0时视为达到最大运动状态。

1.2.5 血红蛋白浓度的测量

使用血红蛋白浓度测试仪（HemoCue Hb201+analyzer，Angelholm，瑞典）测试受试者血红蛋白浓度（Hemoglobin，Hb），采集受试者指尖血放入血红蛋白检测仪进行测试。

1.2.6 心率与血氧饱和度的测量

采用手持式血氧饱和度测试仪（Nellcir NPB-40,California，美国）测量心率和血氧饱和度，连续测量3次取平均值。所有受试者在安静状态下休息3\sim5 min后测量心率（HR_rest）和血氧饱和度（SaO_2rest），记录一次最大运动状态时的心率（HR_peak）和血氧饱和度（SaO_2peak）。

1.3 统计学处理

采用SPSS 25.0和Graphpad prism 10.0软件进行统计学分析。计量资料经检验符合正态分布，组间均数比较采用独立样本t检验；为探讨自变量和因变量关系，进一步采用多元线性回归分析，P0.05差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般情况与生理指标

世居藏族和移居汉族学生男女生组间比较显示，年龄、身高、体重、BMI和安静血氧饱和度在两组间差异无统计学意义，而移居汉族男生的血红蛋白浓度高于世居，安静心率在男女生中均有统计学差异（P0.05）（表1）。

2.2 递增负荷条件下心肺功能参数比较

世居藏族学生的相对VO_2max和心输出量（CO）均高于移居汉族学生（P0.001）；世居藏族男生的绝对VO_2max高于移居；世居藏族男生的呼吸交换率（RER）低于移居，呼吸频率（RF）高于移居（P0.05）；两组间运动状态下的心率（HR_peak）、血氧饱和度（SaO_2peak）无统计学意义（P0.05）（表2）。不管性别世居藏族学生的相对VO_2max均高于移居汉族学生，差异显著（P0.001，图1）。简单线性回归分析显示，两组的VO_2max与运动前Hb呈正相关，相关系数分别为r=0.51（R²=0.26，P0.05）和r=0.44（R²=0.19，P0.05）（图2）。

为进一步探讨世居藏族学生与移居汉族学生之间VO_₂max差异的影响因素，考虑到相对摄氧量受体重的影响，本研究采用绝对最大摄氧量做线性回归分析，共建立3个模型。模型1（未校正）结果显示，世居藏族学生的VO_₂max均值为2.027 L/min，较移居汉族学生显著高出0.192 L/min（P0.05，R²=0.024）。模型2在控制基础生理特征（性别、体重）后发现，男性VO_₂max较女性高0.731L/min（β=0.659，P0.001）；体重每升高1 kg，VO_₂max增加0.017 L/min（β=0.295，P0.001）。性别的影响强度约为体重的2.2倍（标准化系数比较）r²=71%。模型3引入心输出量后显示，心输出量对VO_₂max的解释力占主导（β=0.960，P0.001），模型解释度提升至98%（r²=0.98）。值得注意的是，尽管性别和体重的影响不再显著（P0.05），但世居与移居学生间的VO_₂max差异仍然显著（F=1 948.3，P0.01）（见表3）。

2.3 世居藏族学生和移居汉族学生CMS患病率及症状比较

根据青海CMS诊断标准，世居藏族学生的CMS总患病率为0%，而移居汉族学生CMS总患病率为6.3%，两组差异显著（χ²=6.383，P0.05）。如表4和表5所示，两组CMS症状类型较为相似，均以头痛、睡眠障碍、气短/心悸为主，其次为耳鸣和紫绀等。但移居汉族学生的总体发生率较高，且静脉扩张症状为独有。世居藏族学生的Hb均低于诊断阈值，无一例达到CMS诊断标准；移居汉族学生中 Hb超标者均伴有至少1项症状（症状得分≥1），依据评分标准（总分≥6分）被诊断为轻度CMS。

3 讨 论

本研究结果发现，世居藏族学生最大摄氧量（VO_2max）显著高于入藏14个月的移居汉族学生，且在校正性别、体重、心输出量后差异依然显著，这一结果可能反映藏族人群对高原环境的长期遗传与生理适应。从遗传角度分析，藏族人群自身携带的EPAS1和EGLN1等基因突变，优化低氧诱导因子（HIF）通路功能，从而改善利用氧气的能力。Prior等^[16]研究指出，高加索人群中HIF1A基因的P582S多态性位点（rs11549465）与最大摄氧量（VO_₂max）的训练适应性存在显著关联。此外，藏族人群中HIF1A G1790A（rs11549465）位点的GA基因型频率显著高于低海拔汉族人群，提示该基因可能参与高原适应，但功能验证尚需进一步研究。Hoppeler等^[17]研究报道低氧训练通过上调HIF-1增强氧利用能力，如促进血管生成和糖酵解途径，提升运动表现（如提升VO_2max和体重减轻），并可能改善心血管健康。藏族人群世代暴露在高海拔环境，拥有较强的运动能力^[18]。从代偿性生理适应角度分析，藏族人群通过精准的基因调控，促使红细胞增多（避免过度增多）和血管生成，进而优化毛细血管密度，而汉族人群缺乏高原适应性基因变异，导致HIF通路过度激活（如红细胞过度增生导致血液黏稠）或激活不足（毛细血管增生不充分），导致氧气运输效率低下。已有研究表明，在模拟急进高原环境的实验条件下，受试者的有氧运动能力明显降低，表现为最大摄氧量（VO_2max）显著下降^[19]。平原人群进入高原后，低氧环境可能诱发肺动脉高压，导致心输出量降低，从而引起VO_2max下降^[20]。

尽管理论上低氧可诱发肺动脉高压并降低心输出量，但本研究的回归分析结果显示，性别、体重和心输出量共同解释了VO_2max（R²从0.71升至0.98），其中心输出量是主要贡献因子。在高原低氧环境下，心输出量的增加直接提升氧运输能力，导致VO_2max显著增加，这与既往研究结果相一致^[8,21]。世居藏族学生在运动时心输血量（CO）随负荷递增持续升高，而移居汉族学生在最大负荷时CO下降；世居藏族学生最大运动心率（HR_peak）低于移居汉族，但运动能力更强，表明其心脏能高效利用氧气、优化能量分配，通过维持最佳心室充盈途径来增强心肌收缩力，从而提升运动表现。此外，由于男性较高的瘦体重和睾酮水平可能增强氧气的利用能力，通常体重（尤其脂肪比例）通过增加代谢负荷对VO_2max产生负面影响，但本研究发现超重和肥胖的检出率分别为9.6%和1.1%，极低的肥胖比例使得体重正相关主要反映了瘦体重的正向贡献，而非脂肪负向作用。现有研究已充分证实VO_2max与多因素显著相关^{[2, 11, 22]}。然而，在本研究的回归分析中，当心输出量（CO）与血红蛋白浓度（Hb）同时作为自变量纳入模型时，共线性诊断结果显示两者之间存在共线性。为确保模型稳定性，最终回归模型未纳入Hb指标。纳入上述自变量进行回归分析后，两组的VO_2max的差异依然显著，即使不考虑血红蛋白浓度的组间差异，藏族学生的VO_2max优势仍不能被心输血量、性别、体重所完全解释，提示未测量因素（如肺弥散功能、动静脉血氧差、肌肉氧化能力等）可能起重要作用。

移居人群进入高海拔地区后，心肺功能适应是一个动态过程。既往研究表明^[23]，移居者进入海拔3 680 m高原后早期体力明显下降，VO_2max降低约23%；经过7\sim15个月适应，体力可逐渐恢复并趋于稳定，但其耐力及最大作功能力仍低于世居者。本研究中移居汉族学生入藏14个月，正处于该适应稳定期，VO_2max虽较早期有所恢复，但与世居藏族仍存在差距。此外，本研究结果发现，汉族学生的静息心率更快，血红蛋白浓度更高。平原人群进入高原后，动脉氧分压降低，机体为代偿而增强心肌收缩力、加速射血；同时为携带更多氧气，血红蛋白浓度升高，导致血液黏稠度增加、心脏射血阻力增大，进而使心率加快^[24]。

本研究中移居汉族学生入藏14个月期间经历了寒暑假返家。有研究发现^[25]，平原汉族学生在高原居住第二年时，肺活量、血氧饱和度等指标虽与世居藏族无显著差异，但寒假返家后再次进藏，会出现用力肺活量与血压的显著调节性反应，提示“适应-脱习服-再适应”循环可能干扰心肺功能的持续习服。本研究数据采集于入藏14个月后的单一时点，该时点可能同时受既往适应积累与近期再适应的双重影响，未能对此分层分析。因此，两组间VO_2max的差异，除反映遗传与生理适应的本质差别外，不能排除部分归因于移居汉族学生的习服中断效应。

此次调查发现，世居藏族学生CMS总患病率为0%，移居汉族学生CMS总患病率为6.3%。世居藏族学生的Hb均在阈值以下，而移居汉族学生Hb出现超阈值，提示两组人群对高原的生理适应状态存在体质差异。一项纳入2 314名世居藏族和2 917名移居汉族的大规模流行病学调查显示^[26]，世居藏族人群的CMS患病率为1.21%，而移居汉族人群的患病率达5.57%，在海拔3 500 m以上长期居住的移居汉族，其CMS患病率是世居藏族的5倍^[27]。本研究世居藏族患病率略低于文献报道，可能与研究对象为青年大学生、无严重基础疾病有关。

尽管两组学生的静息和运动后SaO₂均无显著差异，但移居汉族学生的CMS患病率仍显著高于世居藏族学生，其症状以头痛、睡眠障碍及气短/心悸为主，且血红蛋白浓度更高。提示，动脉血氧水平并非CMS发病的决定因素。CMS的核心机制是低氧诱导的过度红细胞增生，引发高黏血症、循环阻力增加及右心后负荷升高，导致组织灌注不足，直接诱发或加重头痛、气短、心悸等症状^[28]。除年龄外，BMI、静息SaO₂和收缩压均与CMS患病率独立相关^[29]。

进一步的遗传分析揭示，EPAS1基因在藏族人群中的适应性突变，可能通过调控低氧诱导通路，贡献于低Hb表型^[30]。该病症在移居人群中较为常见，而在世居藏族人群中相对少见，说明世居藏族已对高原环境产生良好适应，而移居汉族表现出更高的CMS易感性。

结 语

居住在海拔3 650 m的世居藏族学生的心肺功能优于移居汉族学生，即使在控制性别、体重和心输出量后差异依然显著，提示可能存在其他未测量的影响因素；世居藏族学生具有相对较低的血红蛋白浓度、静息心率和相对较高的血氧饱和度；此外，移居汉族学生的CMS总患病率为6.3%，差异显著。

本研究样本量相对有限，可能影响统计结果的代表性和普适性。同时，本研究未进行基因组学检测（如EPAS1、EGLN1等低氧适应相关基因），因此无法从个体基因型层面验证藏汉学生间的遗传差异对心肺功能及CMS易感性的影响。未来研究可扩大样本规模，并纳入不同年龄段、性别及居住时长的受试者，以提高结论的可靠性。后续研究应结合基因测序技术，深入解析遗传背景在高原适应中的作用。同时需通过问卷调查或长期追踪进一步优化实验设计。

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基金资助

西藏自治区科技计划项目(XZ202401ZY0014)

国家自然科学基金联合基金项目(U21A20385)