運動後の疲労は中枢性疲労と末梢性疲労に大別される。
通常運動時は、肝臓や筋肉でグルコースがエネルギー要求に応じて代謝されるが、長時間または高強度の運動を行った際に、必要なエネルギーを身体が供給・維持できなくなりパフォーマンスが低下して疲労が生じた状態を末梢性疲労と呼ぶ。エネルギー消費が供給を上回ると、クレアチンリン酸の消費、神経筋シグナリングインプラントの蓄積、グリコーゲン、内部代謝物（乳酸、無機リン、アンモニアなど）などの疲労原因物質が筋肉で増加し、継続的な筋収縮を維持することが困難になる。
したがって、運動による疲労を回復させるためには体内のダメージを修復し、運動によって蓄積された代謝物を除去する必要がある。
近年、科学的なトレーニング方法や栄養補給に加えて、エネルギー調節に関連する腸内細菌叢に注目が集まっている。
腸内細菌叢は、エネルギー代謝とその調節に重要で、宿主の健康と生理機能に影響を与えている。
プロバイオティクスの補給は腸内細菌叢を変化させる方法の一つで、近年多くの研究によりプロバイオティクスの補給が効果的にスポーツパフォーマンスを向上させることが示されている。
下の研究は、2008年オリンピック女子重量挙げ金メダリストの腸内から、ヒト由来のプロバイオティクスであるLactobacillus plantarum（PL-02）をスクリーニングし、運動持久力パフォーマンスの向上、疲労の生化学的パラメータの減少、体組成の変化におけるPL-02の役割を探った。
マウスにPL-02を1日1回、4週間摂取させると、筋肉量、筋力・持久力、肝・筋グリコーゲン貯蔵量を有意に増加させることができた。
さらに、PL-02は、運動後の乳酸値、血中尿素窒素（BUN）、アンモニア、クレアチンキナーゼ（CK）の値を有意に低下させることができた。
PL-02は、運動パフォーマンスの向上や抗疲労効果を目的としたサプリメントとして活用できると結論。
Effectiveness of human-origin Lactobacillus plantarum PL-02 in improving muscle mass, exercise performance and anti-fatigue
・腸内細菌叢にとって最も重要な栄養源は、食事に含まれる難消化性の炭水化物である。それらの消化・吸収・発酵を促進して、酢酸、プロピオン酸、酪酸などの短鎖脂肪酸（SCFA）や、H2ガス、CO2ガス、アンモニア、アミン、フェノール、エネルギーなどを生成し、細胞の機能を維持する。
中でもプロピオン酸は肝細胞で使われ、酪酸は脂肪酸のβ酸化（FAO）で生成されたアセトアセチル-CoAがトリクロロ酢酸サイクルに入り、アデノシン三リン酸（ATP）とCO2を生成する。
FAOは、骨格筋や褐色脂肪組織（BAT）におけるPGC-1α遺伝子の発現を誘導して呼吸能力を向上させるほか、エネルギー産生やミトコンドリア機能を調節する重要な役割を担っており、運動パフォーマンスを向上させるための重要な要素の一つとされている。
・プロバイオティクスの菌株によって効果は異なり、一般的なプロバイオティクスはBifidobacteriumやLactobacillusが主流。Lactobacillus plantarum（L. plantarum）は過去の多くの研究で、抗炎症作用、抗酸化作用などが明らかになっている。
L. plantarumが運動パフォーマンスを向上させ、疲労の生化学的指標を低下させることは多くの実験で確認されている。
・過去の研究では、アスリートは腸内細菌の多様性が高いことがわかっている。
運動をすると腸内細菌叢の多様性が増加し、アミノ酸の利用、糖質の代謝、糞便中の代謝産物の生成が改善され、エネルギーの収集と利用が促進されると考えられる。
・プロバイオティクスを補給することで、腸内細菌叢の多様性を効果的に増加させることができ、また、腸内のSCFAの産生量を増加させることができるため、腸内のホメオスタシスの維持・回復、健康増進、多くの疾患の予防に役立つ。
多くの研究が腸と筋肉のクロストーク経路が観察され、フローラの組成や相互作用環境が変化することで、筋肉の質や機能、エネルギー代謝に影響を与える可能性があること、いわゆる腸-筋肉軸を発見している。中でも、酢酸といった腸内細菌叢の代謝物は筋肉のエネルギー代謝を促進し、持久力の向上に関与している。酢酸は、活性化プロテインキナーゼ(AMPK)を活性化し、グルコーストランスポーター4型(GLUT4)やミオグロビンの発現を増加させることで、グルコースの取り込みや脂肪酸の代謝を促進する。
・筋細胞エンハンサー因子2A（MEF2A）は、ミオグロビンやGLUT4遺伝子の発現に関わる転写因子としてよく知られており、筋肉量を増やすための重要な代謝経路と考えられている。
過去の研究で、ラットに熱不活化ビフィズス菌B-3を4週間連続で補給したところ、筋肉の筋力と質量が有意に増加した。
また、キムチ由来のL. plantarumを6週間摂取することで、マウスやヒトの筋肉量が有意に増加した研究もある。
本研究においても、ヒト由来のL.plantarumを補給することで、筋肉量と筋力の向上に有意な効果があることが確認された。
・腸内細菌叢の構成と筋グリコーゲンの含有量の相関関係を探った先の研究では、無菌マウスは正常なマイクロバイオーム組成を持つ個体に比べて、筋グリコーゲンレベルが低いことがわかった。肝臓と筋肉のグリコーゲン含量は、アスリートの有酸素エネルギー代謝を決定する重要な要素である。
筋グリコーゲン含有量の低下はエネルギー供給の不足や筋力・機能の低下を招き、生体エネルギー代謝の低下につながる。
・プロバイオティクスを補給することで、SCFAおよび脂肪酸の酸化が有意に増加し、ATP産生が増加して運動に必要なエネルギーが供給されることで持久運動パフォーマンスが向上することが確認されている。
我々の研究では、L. plantarum PL-02を4週間補給したところ、グリコーゲン貯蔵量が増加しただけでなく、持久運動パフォーマンスも向上した。
・血中アンモニア、BUN濃度、CK活性は、乳酸と同様に、運動時間や運動強度の増加に伴って上昇し、休息によって徐々に回復する。
乳酸は嫌気性エネルギーシステムにおける解糖の産物であり、水素イオンの生成を伴う。水素イオン濃度の上昇に伴い、血液や筋肉組織のpHが低下すると、筋肉の収縮や解糖が阻害され、筋肉の損傷や運動能力の低下を招きやすくなる。
またATP再合成の過程でアンモニアが生成され、骨格筋に蓄積される。アンモニアは、尿素サイクルを通じてBUNに代謝される。プロバイオティクスは腸管透過性を低下させ、細菌のウレアーゼ活性を阻害して血中のアンモニアを減少させる可能性もある。
PL-02を4週間連続して補給することで、血中乳酸濃度を低下させ、運動後の回復率を高めるだけでなく、血中乳酸の排泄と回復を促進し、運動後の血中アンモニア、BUN、CKを減少させることができることが判明した。
・RNA解析の結果、PL-02を補給することで腸内細菌叢の分布比率が変化し、エネルギーの吸収と調節にも役割を果たしていることが観察された。
運動選手の腸内では、運動不足の人に比べてA. muciniphila属の割合が高いことが指摘されている。A. muciniphila属は腸管のバリア機能やグルコースのホメオスタシスを維持することから、A. muciniphilaは、運動パフォーマンスと正の相関があると考えられる。
PL-02の補給は腸内のL. plantarumの割合を増加させる一方で、Bhatia coccidsとPedobacter kwangyangensisの割合を効果的に減少させる。