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每天運動 30 分鐘,就足夠對抗久坐的危害嗎?

羅夏_96
・2021/06/10 ・2929字 ・閱讀時間約 6 分鐘

眾所周知,運動有助於維持身體健康。你一定也聽過這樣的說法:「成年人每天應進行 30 分鐘中等強度運動,或一周累積 150 分鐘中等強度運動。」不過現代人的工作型態,長時間坐在電腦前處理事情已是常態,再加上家庭庶務與睡眠等其他活動,要達到這個標準其實並不容易。

而在疫情嚴峻的當下,在家辦公的生活型態更是拉長了久坐的時間。隨著久坐的時間拉長,每天 30 分鐘的運動,真的足夠抵銷久坐的危害嗎?近期發表在 British Journal of Sports Medicine 上的研究1,就對這個問題進行研究,並提出因應現代人生活的「運動組合」建議。

我們到底該運動多少時間?

根據世界衛生組織的調查,缺乏運動已是造成全球範圍內死亡排名第四的危險因素 (僅次於高血壓、吸菸、高血糖與肥胖) 。同時,缺乏運動也增加心血管疾病、二型糖尿病與癌症等慢性疾病的罹病風險。目前已有不少研究指出規律的運動,確實有助於減少罹患冠狀動脈心臟病、二型糖尿病、高血壓等疾病的風險。此外,運動也是消耗身體能量的關鍵因素,因此也是控制體重的好方法2

規律運動有助降低早發性死亡風險。圖 / 參考資料 3

根據世界衛生組織與國民健康署提出的健康指引,成年人每周應累積至少 150 分鐘的中度身體活動,或 75 分鐘的費力身體活動2、3。而這就延伸出我們常聽到的每天進行 30 分鐘中度運動的說法。

運動強度
運動強度分類。圖 / 國民健康署網站

久坐,你想不到的傷害!

坐在電腦螢幕前長時間處理事情,已是現代人常見的工作型態。雖然只是坐著感覺好像沒甚麼,但坐太久對身體是有傷害的 (久坐定義:採坐姿連續 6 小時以上)。已有研究指出,久坐會增加心臟病、中風、糖尿病及代謝症候等疾病的罹患率,另外久坐也會傷害骨骼,並造成肌肉退化與血液循環不佳等問題4

我知道你可能會這樣想:「那我每天進行中度運動 30 分鐘,久坐應該就不會對我造成問題吧?

其實對於這個想法,科學家們也很好奇是否正確。而由英國格拉斯哥加里東大學所率領的國際研究團隊,就對這個問題進行深入的研究1

科學家想知道:是動得越少,還是坐得越久,越容易死掉?

研究人員分析來自英國、美國和瑞典的 6 個研究資料庫的資料。這些研究的參與者需全天穿戴身體活動監測器,因此能提供各類身體活動的時間,從久坐、家庭庶務、通勤的步行、跑步到劇烈運動都有紀錄。這就讓研究團隊能分析不同的身體活動時間與組合,會如何影響參與者的死亡率。其中涉及 13 萬名成年人,平均追蹤時間為 4.3 至 14.5 年,期間 3892 人死亡。

研究團隊使用六個資料庫的資料作大規模分析。圖 / 參考資料 1

每天只有 30 分鐘運動很可能不夠!

研究團隊首先發現,每天 30 分鐘的中度運動,確實能降低 80% 的死亡率,但這是有前提的:那就是你每天久坐的時間低於 7 小時。如果你一天久坐的時間長達 11 ~ 12 小時,那即使每天進行 30 分鐘的中度運動,其死亡率和沒運動的人一樣。

所以每天進行 30 分鐘的中度運動,是否能對抗久坐的傷害?這取決於你坐多久。

但別緊張,研究團隊也發現,適當的中度運動加上其他的輕度身體活動如家庭庶務、通勤的步行等,就能有效降低久坐的傷害。

如果久坐時間過長,即使每天維持運動 30 分鐘,死亡率可能和沒運動的人一樣。圖 / Pexels

研究團隊強調,這個結論不是說「每天 30 分鐘的中度運動」沒用,而是提醒我們:如果想對抗久坐的傷害,運動就不該像代辦事項一樣,以為每天進行 30 分鐘就完事。而是要在生活中盡量減少久坐時間的同時,適時地將運動與各種輕度身體活動做組合,才能有效降低久坐的傷害。

一起對抗久坐:找出適合你的身體活動組合

那怎樣的身體活動組合能有效降低久坐的傷害呢?研究團隊根據分析結果得出 1:3的比例。也就是每坐 1 小時,就起來進行 3 分鐘的中度至費力運動 (或 12 分鐘的輕度身體活動),是改善健康和減少死亡風險的最佳選擇。

根據這個基本公式,研究人員提出幾個在一天中可用的身體活動組合建議,而這些組合可以降低 30% 的死亡率:

  • 55 分鐘的中度運動 + 4 小時的輕度身體活動,可讓你久坐 11 小時
  • 13 分鐘的中度運動 + 5.5 小時的輕度身體活動,可讓你久坐 10.3 小時
  • 3 分鐘的中度運動 + 6小時的輕度身體活動,可讓你久坐 9.7 小時

該研究的共同作者、哥倫比亞大學心血管健康中心運動測試實驗室的主任 Keith Diaz 表示:「日常 30 分鐘的中度運動對健康的身體狀況很重要,但四處走動、不整天久坐同樣也很重要。」

她也表示這項研究的重要性在於發現「輕度身體活動」對健康的價值。

「這對那些可能沒有時間、能力或願望從事運動的人來說是好消息。他們可以從大量的輕度身體活動和少量的中至費力運動中獲得健康益處。我們的研究表明,身體活動沒有一個放諸四海皆準的方法,我們可以選擇我們最喜歡的。更重要的是身體活動的組合,以適當的運動和輕度身體活動取代久坐。

所以,坐久了記得適時地站起來動一動、伸個懶腰吧!圖 / Pixabay

後記

不知道看到這邊,你有甚麼想法?對我個人來說,這篇研究給我的感觸頗深,因為我不僅是久坐的受害者,也是體驗到減少久坐好處的人。

在我先前的生活型態中,工作和日常累積起來的久坐時間可達到 12 小時。雖然我每周都有固定的運動習慣,運動時間也達到每周 300 分鐘。但久坐對我下背所造成的疼痛,靠運動完全無法消除,有時下背的疼痛甚至要吃藥才能緩解。

前一陣子我去教召,在教召期間的各種操課讓我無法久坐,起初我不大適應。但在教召結束後,我驚奇的發現,困擾我許久的下背疼痛問題,竟然無藥自癒!原來減少久坐時間,對身體健康有幫助。

當然這只是我個人的案例,不代表大家都能適用。但這篇文章某種程度上證實我個人的體驗:只要適度的減少久坐時間,就能對身體健康起到一定的好處。

不過久坐與運動、健康之間的關係頗複雜,還需要更多深入的研究,這篇研究也只是提出一個觀點。但我想在新冠疫情嚴峻的當下,許多在家辦公的讀者們會面臨著更長的久坐時間。為了你的健康,適時地起來走走吧 ~

參考資料

  1. Chastin S, McGregor D, Palarea-Albaladejo J et al. Joint association between accelerometry-measured daily combination of time spent in physical activity, sedentary behaviour and sleep and all-cause mortality: a pooled analysis of six prospective cohorts using compositional analysis. British Journal of Sports Medicine Published Online First: 18 May 2021
  2. 關於身體活動有益健康的全球建議
  3. 全民身體活動指引
  4. Patel AV, Maliniak ML, Rees-Punia E, Matthews CE, Gapstur SM. Prolonged Leisure Time Spent Sitting in Relation to Cause-Specific Mortality in a Large US Cohort. Am J Epidemiol. 2018 Oct 1;187(10):2151-2158.
  5. Different physical activity “cocktails” have similar health benefits

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羅夏_96
52 篇文章 ・ 363 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟


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為何新冠病毒突變之後傳染力更強?——關鍵在於變異株的棘蛋白結構

研之有物│中央研究院_96
・2022/01/25 ・5088字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/寒波
  • 美術設計/林洵安

為何新冠病毒突變之後傳染力更強?

COVID-19 至今仍深深影響全人類,新冠病毒持續演化,例如曾經造成臺灣大規模社區感染的 Alpha 變異株、傳染力更強的 Delta 變異株,近期出現的 Omicron 變異株等,它們逃避免疫系統的能力都不一樣,關鍵就在不同的棘蛋白(spike protein)結構。「研之有物」專訪中央研究院生物化學研究所徐尚德副研究員,他的團隊陸續解析各種新冠病毒變異株的棘蛋白結構,不但能釐清新的突變帶來的威脅,後續也可作為研發人造抗體的指引。

徐尚德手上拿著新冠病毒的棘蛋白模型,顯示棘蛋白與兩種不同抗體結合的情況。圖/研之有物

解析新型冠狀病毒棘蛋白

COVID-19 的病原體是一種冠狀病毒,和 SARS 病毒是近親,正式命名為 SARS-CoV-2,中文常稱作新型冠狀病毒。為了知道病毒如何感染人體細胞,以及如何逃避免疫系統的辨識,我們需要進一步瞭解冠狀病毒表面的棘蛋白結構。

結構為什麼重要?因為結構會影響蛋白質功能。蛋白質是由不同的氨基酸所組成的長鏈,實際作用時會摺疊形成特別立體結構,而冠狀病毒的蛋白質中,又以棘蛋白最為關鍵。

徐尚德強調,棘蛋白是冠狀病毒暴露在表面的蛋白質之一,絕大多數被感染者的免疫系統所產生的抗體都是辨識棘蛋白。因此現今臨床使用的蛋白質次單元疫苗、腺病毒疫苗以及 mRNA 疫苗,都是以棘蛋白為基礎來研發。

Cryo-EM 讓蛋白質結構無所遁形

工欲善其事,必先利其器。解析蛋白質結構的方法很多,早期的 X 光晶體繞射(X-ray diffraction),就像將影片定格截圖,但不一定為蛋白質實際作用的狀態。

再來是核磁共振(Nuclear Magnetic Resonanc,簡稱 NMR),這是徐尚德留學深造時的專業,可以重現蛋白質在水溶液中的結構及動態,更接近實際作用的形態,可惜不適合分子量較大的分子。

目前結構生物學最具潛力的新技術是:冷凍電子顯微鏡(Cryogenic Electron Microscopy,簡稱 Cryo-EM),Cryo-EM 可以拍出原子尺度下高解析度的三維結構,此技術於 2017 年獲得諾貝爾化學獎。中研院則於 2018 年開始添購 Cryo-EM 設備,而 Cryo-EM 正是徐尚德用來解析棘蛋白結構的主要利器!

在 COVID-19 疫情爆發初期(2020 年 1 月),徐尚德就率先啟動新冠病毒的結構分析,當時他的研究團隊剛好已分析過感染貓科動物的冠狀病毒,對於解析棘蛋白結構有一定經驗,可說是贏得先機。

具體來說,如何用 Cryo-EM 解析新冠病毒的棘蛋白結構?

首先要大量培養新冠病毒、再分離、純化得到棘蛋白。接下來,將大量蛋白質樣本鋪成薄薄一層液體,之後以 -190℃ 急速冷凍,讓蛋白質分子保持凍結前的形態,最後用程式重建棘蛋白的三維影像。徐尚德譬喻,就像一匹馬在高速移動時,連續拍攝許多照片,再將照片疊加起來,重建馬的形狀。

棘蛋白的體積已經算大,假如又與其他蛋白質結合,體積將會更大。能解析如此龐大結構為 Cryo-EM 一大優點,但是也會創造很大的資料量。徐尚德強調,用 Cryo-EM 分析蛋白質結構不只做實驗,也要協調資料處理等疑難雜症。

冷凍電子顯微鏡可以紀錄同一時間下、不同狀態的蛋白質三維立體結構。圖/研之有物

關鍵 D614G 突變,讓新冠病毒棘蛋白穩定性大增

儘管已有貓冠狀病毒的經驗,徐尚德研究團隊初期仍經歷一陣摸索,一大困難在於,做實驗時發現不少棘蛋白壞掉,不再保持原本的結構。

這是因為一般取得蛋白質樣本後會置於 4°C 冷藏,但 4°C 其實不適合保存棘蛋白。接著徐尚德細心觀察到,具備 D614G 突變的棘蛋白,保存期限竟然比沒突變的棘蛋白要長,可以從 1 天增加到至少 1 週。

什麼是 D614G 突變呢?武漢爆發 COVID-19 疫情的初版新冠病毒,其棘蛋白全長超過 1200 個胺基酸,D614G 突變的意思就是:第 614 號氨基酸由天門冬胺酸(aspartic acid,縮寫為 D)變成甘胺酸(glycine,縮寫為 G)。

D614G 突變誕生後,存在感持續上升,2020 年 6 月時已經成為全世界的主流,隨後新冠病毒 Alpha、Delta 等變異株,皆建立於 D614G 的基礎上。

儘管序列僅有微小差異,許多證據指出 D614G 突變會增加新冠病毒的傳染力。有趣的是,它也能大幅增加棘蛋白在體外的穩定性。因此在研究用途上,變種病毒的棘蛋白反而容易保存,徐尚德更指出,對抗變種病毒的蛋白質次單元疫苗(subunit vaccine)穩定性也會增加。

圖片為徐尚德實驗室提供的新冠病毒模型與三種不同的棘蛋白模型,棘蛋白的主體為白色,棘蛋白的受器結合區域(receptor binding domain,RBD)為藍綠色。圖/研之有物

新冠病毒棘蛋白的「三隻爪子」:受器結合區域

徐尚德參與的一系列新冠病毒結構研究,除了棘蛋白本身,還包含棘蛋白與細胞受器 ACE2 的結合、棘蛋白和人造抗體的結合。

既然要解析結構,儀器「解析度」能看清楚多小的尺度就很重要!蛋白質結構學的常見單位是 Å(10-10 公尺),原子與原子間的距離約為 2 Å,Cryo-EM 的極限將近 1 Å,不過棘蛋白大約到 3 Å 便足以重建立體結構。

冠狀病毒如何感染宿主細胞,和結構又有什麼關係?棘蛋白位於冠狀病毒的表面,直接接觸宿主細胞受器 ACE2 的部分,稱為受器結合區域(receptor binding domain,簡稱 RBD),結構可能展現「向上」(RBD-up)或是「向下」(RBD-down)的狀態。向下,RBD 便不會接觸宿主細胞的受器,缺乏感染能力,;向上,RBD 方能結合受器,引發後續入侵。

徐尚德團隊透過冷凍電子顯微鏡,拍攝新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白結構,其中有三類棘蛋白的 RBD 為 1 個向上(佔 73%),有一類(類別3)的棘蛋白 RBD 則是 2 個向上(佔 27%)。圖/Nature Structural & Molecular Biology

新冠病毒表面的棘蛋白有「三隻爪子」(3 RBD),RBD 有可能同時向上(3 RBD-up),也可能只有 1~2 個向上,結構會影響病毒的感染能力。更詳細地說,棘蛋白某些胺基酸位置的差異,會影響結構的開放與封閉程度。

棘蛋白向上或向下是動態的,假如能保持穩定性,延長向上的時間,也有助於新冠病毒的感染。這正是徐尚德一系列研究下來,實際觀察到不同品系的變化。

截至 2022 年 01 月 18 日的新冠病毒品系發展歷史,其中 Delta 變異株擁有最多品系,而 Omicron 變異株則開始興起。雖然 Omicron 的品系並不多,但已逐漸成為主流。圖/Nextstrain; GISAID

一網打盡所有高關注變異株的結構變化

和武漢最初的新冠病毒相比,D614G 突變帶來什麼改變呢?簡單說:棘蛋白向上的比例增加了,導致整個結構變得更加開放,增加新冠病毒對宿主受器的親合力(affinity)。

以 D614G 為基礎,接下來又獨立衍生出數款品系,皆具備多個突變,傳染力、抵抗力更強 。影響最大的是首先於英國現身的 Alpha(B.1.1.7)、南非的 Beta(B.1.351)、巴西的 Gamma(P.1),以及更晚幾個月後,於印度誕生的 Kappa(B.167.1)與 Delta(B.167.2)。Alpha 一度於世界廣傳,導致包括臺灣在內的嚴重疫情,不過隨後不敵優勢更大的 Delta。

對於上述品系,徐尚德率隊一網打盡。 Alpha 的棘蛋白結構解析已經發表於 《自然-結構與分子生物學》(Nature Structural & Molecular Biology)期刊,其餘新冠病毒變異株的論文仍在等待審查,目前能在預印網站 bioRxiv 看到,該研究一次報告 38 個 Cryo-EM 結構,刷新紀錄。

圖 a 顯示新冠病毒 Alpha 變異株棘蛋白的突變氨基酸序列,一共有 9 處突變, D614G 突變以紫色表示。
圖 b 顯示突變的氨基酸在立體結構中的位置。
圖/Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的 RBD 向上結構穩定

一度入侵台灣造成社區大規模感染的 Alpha 株有何優勢?其棘蛋白除了 D614G,還多出 8 處胺基酸突變,徐尚德發現 N501Y(天門冬酰胺變成酪胺酸)、A570D(丙胺酸變成天門冬胺酸)的影響相當關鍵。

直覺地想,棘蛋白的外層結構才會與受器接觸影響傳染力,立體結構中第 570 號胺基酸的位置比較裡面,乍看並不要緊。但是徐尚德敏銳地捕捉到,A570D 突變會改變局部的空間關係,令「RBD 向上」的結構更加穩定。徐尚德形容為「腳踏板」(pedal-bin)── A570D 突變的效果就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋(也就是 RBD)穩定保持開啟。

事實上,棘蛋白總體向上的比例,Alpha 還比單純的 D614G 突變株更少,不過 A570D 增進的穩定性似乎優勢更大。研究團隊製作缺乏 A570D 突變的人造模擬病毒,嘗試體外感染人類細胞,發現感染力明顯減少,證實 A570D 突變頗有貢獻。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「A570D 突變」,會改變棘蛋白內部的空間,讓「RBD 向上」的結構更加穩定,就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋保持開啟。圖/研之有物(資料來源/徐尚德、Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的棘蛋白親近宿主細胞,干擾抗體作用

另一個重要突變是 N501Y,不只 Alpha 有,Beta 等許多品系也有,Delta 則無。N501Y 在眾多品系獨立誕生,似乎為趨同演化所致。N501Y 能為病毒帶來哪些優勢?

第 501 號胺基酸位於棘蛋白表面,會直接與宿主受器 ACE2 結合。此一位置變成酪胺酸(tyrosine,縮寫為 Y)後,和受器的 Y41 兩個酪胺酸之間,容易形成苯環和苯環的「π–π stacking」鍵結,從而大幅提升棘蛋白對細胞的親合力。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「N501Y 突變」,讓 RBD 的胺基酸與宿主細胞受器 ACE2 形成「π–π stacking」鍵結,大幅提升棘蛋白對宿主細胞的親合力。圖/Nature Structural & Molecular Biology

另一方面,N501Y 突變也會干擾抗體的作用。中研院細胞與個體生物學研究所的吳漢忠特聘研究員,率隊研發一批針對棘蛋白的人造抗體,測試發現有一款抗體 chAb25 對 D614G 突變株相當有效,但是對 Alpha 株無能為力。徐尚德由結構分析發現:N501Y 改變了棘蛋白表面的形狀,讓抗體 chAb25 無法附著。

好消息是,另外有兩款抗體 chAb15、chAb45,依然能有效對抗 Alpha 病毒,不受 N501Y 影響。這兩款抗體會附著在棘蛋白 RBD 的邊緣,避免棘蛋白和宿主細胞接觸。而且抗體 chAb15、chAb45 會各占一方,可以同時使用,多面協同打擊病毒。

雖然新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白表面讓某些抗體難以附著,還好仍有兩款抗體 chAb15(綠色)、chAb45(黃色)能有效「卡住」棘蛋白,干擾棘蛋白與宿主細胞結合。抗體 chAb15、chAb45 附著的位置,正好就是棘蛋白與宿主細胞結合的地方。圖/Nature Structural & Molecular Biology

棘蛋白結構不只胺基酸,還要注意表面的醣

有了 Alpha 的經驗,接下來分析 Beta、Gamma、Kappa、Delta 便順手很多。這批新冠病毒的棘蛋白變化多端,但是「RBD 向上」的整體比例皆超過 Alpha 和 D614G 突變株,可見適應上各有巧妙。徐尚德也發現,要釐清棘蛋白的結構,不能只關心蛋白質,還要考慮棘蛋白表面的醣基化(glycosylation)修飾。

蛋白質在完工後,某些胺基酸還能加上各種醣基。病毒蛋白質表面的醣基可以作為防護罩,干擾抗體和免疫系統的辨識。醣基化修飾就像替病毒訂作一套迷彩外衣,不同變異株的情況都不一樣,假如醣基化的位置和數量,由於突變而改變,便有可能影響立體結構,有助於它們閃躲抗體。例如和武漢原版新冠病毒相比,Delta 株棘蛋白少了一個醣化修飾,Gamma 株棘蛋白則多了兩處醣化。

還好從結構看來,並沒有任何突變組合能完美逃避抗體。例如由美國的雷傑納榮製藥公司(Regeneron)製作並通過緊急使用授權的抗體;以及中研院吳漢忠率隊研發,有望投入實用的多款人造抗體,對變異品系依然有效。這場人類與病毒的長期抗戰中,同時使用多款抗體的「雞尾酒」療法,仍然是可行的醫療方案。

回顧將近兩年來的研究之路,徐尚德表示:時間壓力真的非常大!COVID-19 疫情爆發後,全世界投入相關研究的專家眾多,只要稍有遲疑,便會落在競爭者後頭。但是即使跑在最前端的研究者,也只能苦苦追趕病毒演化的速度,一篇論文還在審查時,現實世界的疫情已經邁向全新局面。

人類要贏得勝利,必需全方面認識病毒,而結構無疑是相當重要的一環。


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