Efectele terapiei cu oxigen hiperbaric asupra respiratiei mitocondriale

REZUMAT

Introducere 

Terapia cu oxigen hiperbaric (HBOT) a fost folosita, pana acum, pentru a creste performanta de anduranta, dar nu a fost inca evaluata in studiile clinice controlate prin placebo. 

Studiul de fata a avut drept scop evaluarea efectului unui protocol HBOT intermitent asupra performantei fizice maxime si a functiei mitocondriale la sportivii de performanta de varsta mijlocie. 

Metode

In perioada 2018 – 2020, a fost efectuat un studiu dublu – orb, randomizat, controlat prin placebo, pe un numar de 37 de sportivi de performanta, sanatosi, de varsta mijlocie (40 – 50 de ani). 

Subiectii au fost expusi la 40 de sesiuni repetate de HBOT (doua unitati de atmosfera absoluta ATA, respirand oxigen 100% timp de o ora) sau SHAM (1,02 ATA, respirand aer timp de o ora). 

Rezultate

Din cei 37 de sportivi, 31 au fost inclusi in acest studiu, 16 dintre acestia pentru terapia cu oxigen hiperbaric (HBOT) si 15 pentru terapia SHAM. 

Dupa terapia cu oxigen hiperbaric, a existat o crestere semnificativa a consumului maxim de oxigen (VO2max) (p = 0,010, marimea efectului – es = 0,989) si a consumului de oxigen masurat la pragul anaerob (VO2AT)(es = 0,837) in comparatie cu lotul de subiecti supusi terapiei SHAM. 

Tot in urma terapiei cu oxigen hiperbaric, au existat cresteri semnificative ale capacitatii maxime de fosforilare a oxigenului (es = 1,085, p = 0,04), cat si ale capacitatii maxime decuplate (es = 0,956, p = 0,02) si ale markerului de masa mitocondriala MTG (p = 0,0002) in comparatie cu lotul de subiecti supusi terapiei SHAM. 

Concluzii

HBOT imbunateste performanta fizica la sportivii de performanta, sanatosi, de varsta mijlocie, inclusiv VO2max, puterea si VO2AT. Mecanismele pot fi legate de imbunatatiri semnificative ale respiratiei mitocondriale si de crestere a masei mitocondriale. 

Puncte cheie:

• Studiul de fata este primul studiu controlat, randomizat, care evalueaza efectul expunerilor repetate la HBOT asupra performantei fizice; 
• Studiul indica faptul ca HBOT poate imbunatati performanta fizica la adultii sanatosi. Principalele imbunatatiri includ consumul maxim de oxigen, puterea si pragul anaerob.
• Prin utilizarea biopsiilor musculare, s-a demonstrat ca mecanismele legate de HBOT induc o crestere semnificativa a respiratiei mitocondriale si a masei mitocondriale. 

INTRODUCERE

Capacitatea aeroba maxima, evaluata prin masurarea capacitatii maxime de oxigen (VO2max) si a pragului anaerob (AT), se coreleaza puternic cu continutul mitocondriilor muschilor scheletici (cantitatea mitocondriala) si capacitatea respiratorie a muschilor scheletice, adica respiratia mitocondriala (calitatea mitocondriala). 

La nivel celular, antrenamentul atletic poate creste atat calitatea, cat si cantitatea mitocondriala paralel cu imbunatatirile VO2max si AT, masurate in timpul testelor de efort cardiopulmonar maxim (CPET). 

Mai mult decat atat, s-a stabilit ca respiratia si densitatea mitocondriilor difera intre indivizii neantrenati si cei antrenati. 

Au fost sugerate mai multe abordari pentru a imbunatati fitness-ul aerob prin inducerea de adaptari mitocondriale dincolo de exercitiile fizice standard. Una dintre abordarile frecvent utilizate include antrenamentul in conditii hipoxice. 

Datorita stimularii sale sistemice si periferice, antrenamentul hipoxic creeaza stres metabolic la nivel celular, care intensifica adaptarile mitocondriale. 

Cu toate acestea, studiile controlate au demonstrat rezultate contradictorii atat in ceea ce priveste respiratia mitocondriala, cat si capacitatea aeroba. Motivul principal consta in faptul ca performanta se deterioreaza in timpul expunerilor hipoxice din cauza aportului scazut de oxigen a muschilor. 

Spre deosebire de hipoxie, muschii functioneaza mai bine sub hiperoxie si, prin urmare, hiperoxia normobara poate imbunatati temporar rezistenta si performanta la interval de sprint (in timp ce respira oxigen). 

Cu toate acestea, adaptarile mitocondriale pe termen lung si modificarile de fitness aerobe nu au fost observate dupa expunerea standard la hiperoxie normobara. 

Terapia cu oxigen hiperbaric (HBOT) utilizeaza 100% oxigen la o presiune mai mare a mediului decat o atmosfera absoluta (ATA). S-a demonstrat ca expunerile intermitente repetate la hiperoxie induc efecte fiziologice care apar in mod normal in timpul hipoxiei intr-un mediu hiperoxic. Astfel, fluctuatiile intermitente pot induce adaptari mitocondriale fara mediul hipoxic daunator. 

Dovezile anterioare arata ca oxigenul hiperbaric poate imbunatati performantele aerobe si poate creste VO2max cu 10 – 14% in timpul expunerii HBOT. Recent, un studiu de specialitate (Burgos si colaboratorii) a demonstrat ca 3 saptamani de sesiuni intermitente de HBOT cresc performantele de anduranta intr-un studiu pilot efectuat pe 12 tineri jucatori de fotbal, cu o marime moderata a efectului asupra puterii si creserea VO2max. 

Cu toate acestea, efectul expunerilor hiperbare intermitente asupra performantei nu a fost niciodata evaluat intr-un studiu orb, randomizat controlat. 

Scopul studiului de fata a fost acela de a evalua efectul unui protocol HBOT intermitent asupra performantei fizice maxime si efectul acestuia asupra functiei mitocondriale la sportivii de performanta de varsta mijlocie. 

METODE

Design-ul studiului

Acesta este un studiu dublu – orb, randomizat, cu un raport de 1:1, controlat prin placebo, al sportivilor de performanta sanatosi, de varsta mijlocie. 

Studiul a fost realizat in perioada mai 2018 – decembrie 2020, iar protocolul a fost aprobat de consiliul de evaluare institutional Shamir Medical Center. 

Studiul a fost inregistrat in registrul de studii clinice al National Institutes of Health (NIH), numarul NCT035249989 (30/04/2018). Studiul a fost efectuat in Centrul Medical Shamir. 

Toate metodele au fost aplicate in conformitate cu ghidurile si reglementarile relevante, in conformitate cu cu Declaratia de la Helsinki. 

Subiectii

Au fost inscrisi treizeci si sapte de sportivi de performanta, sanatosi, cu varsta cuprinsa intre 40 si 50 de ani, care au efectuat sporturi aerobe de cel putin patru ori pe saptamana la perfomante moderate – inalte pentru grupa lor de varsta, fara leziuni musculo – scheletice semnificative in ultimele 3 luni. 

Criteriile de excludere au inclus: tratament anterior cu HBOT din orice motiv in ultimele 3 luni, leziuni musculo – scheletice semnificative debilitante, patologii pulmonare, patologii ale urechii medii sau interne, claustrofobie, boli cronice, medicamente cronice sau fumat activ. 

Sportivii au fost recrutati prin reclame si retele sociale. Consimtamantul informat a fost obtinut de la toti subiectii. 

Tuturor sportivilor li s-a cerut sa isi continue regimul de antrenament actual, fara modificari ale volumului sau intensitatii antrenamentului. 

Randomizare si mascare

Dupa semnarea unui consimtamant informat, sportivii au fost repartizati aleatoriu (1:1) fie in grupul HBOT, fie in grupul SHAM – placebo. 

Codul de randomizare a fost generat de un asistent medical coordonator care a fost mascat la studiu si nu a fost implicat in executia studiului. Pana la finalul studiului, codurile de tratament au fost disponibile doar acestei asistente si tehnicienilor HBOT. 

Inscrierea participantilor a fost facuta de medici ce au fost mascati la randomizarea studiului. Evaluatorii au fost, de asemenea, feriti in timpul procesului de interventie asupra sportivilor. 

Pentru a evalua „orbirea”, in urma primei sedinte, sportivii au fost rugati sa raspunda discret la un test cu doua chestionare despre perceptia lor asupra grupului unde au fost repartizati, grupul de tratament HBOT sau SHAM. 

Toate datele au fost stocate intr-o baza de date specifica si au fost verificate in ceea ce priveste acuratetea si complexitatea. 

O revizuire a datelor mascate a fost efectuata inainte de spargerea codului si inainte de analiza, conform unei proceduri standard in unitatea noastra. 

Interventii

Ambele protocoale, atat cel pentru HBOT, cat si cel pentru SHAM – placebo, au fost efectuate intr-o camera Starmed – 2700 cu mai multe locuri (HAUX, Germania). 

Manometrele si ecranele informative din camera au fost deconectate pentru „orbirea” sportivilor. Protocolul a constat in 40 de sedinte, cinci sedinte pe saptamana, pe o perioada de 2 luni.  Sportivii au fost instruiti sa isi mentina programul obisnuit de antrenament pe tot parcursul studiului. 

Protocolul HBOT a inclus respiratia cu oxigen 100% cu masca la 2ATA timp de 60 de minute, fara pauze de aer. 

Ratele de compresie / decompresie au fost de 1 m / min. Protocolul SHAM – placebo a inclus respiratia de oxigen 21% cu masca la 1,02 ATA timp de 60 de minute. 

Pentru a obtine „orbirea” si pentru a efectua egalizarea presiunii la sportivi, a fost efectuata o compresie la 1,2 ATA in primele 5 minute (0,4 m / min), urmata de decompresie la 1,02 ATA (0,4 m / min) in urmatoarele 5 minute. 

Adaugarea de 0,02 ATA a fost obligatorie pentru „orbire” si pentru evitarea deschiderii usii camerei in timpul sesiunii. 

Evaluare

Sportivii au fost evaluati la momentul initial, cu 1 – 2 saptamani inainte de protocolul lor de interventie si 1 – 2 saptamani dupa ultima sesiune HBOT / SHAM. 

Testul de efort maxim cardiopulmonar (CPET)

Testele de efort au fost efectuate pe un cicloergometru E100 (COSMED, Roma, Italia). Schimbul de gaze a fost masurat printr-un sistem Quark CPET ¬(COSMED), cu tehnologie de esantionare respiratie cu respiratie si monitorizare si inregistrare ECG integrata a frecventei cardiace si a efortului cu un sistem ECG cu 12 derivatii (COSMED, Roma, Italia). Datele au fost colectate pe un computer special, utilizand software-ul Omnia Metabolic Modules (COSMED). 

Inainte de fiecare test, analizoarele de gaz si debitmetrul au fost calibrate. Inceputul protocolului a inclus o pauza de un minut fara pedalat, urmata de o incalzire de 2 minute. 

Protocolul de testare a inclus o crestere a puterii in rampa de 30 de wati in fiecare minut, incepand de la 0 W, in timp ce cadenta de pedalare trebuia mentinuta la 70 de rpm. 

Epuizarea a fost atinsa atunci cand cadenta nu a putut fi mentinuta peste 70 rpm sau cand un participant a incheiat testul. Ulterior, a fost initiatao recuperare de trei minute cu o sarcina de pedalare de 0 W. 

Teste de efort maxim

Analiza fiecarui test CPET a fost efectuata separat de catre un medic „orbit”, cu mascare pe numele sportivilor, alocarea grupului, data performantei si daca testul a reprezentat o evaluare initiala sau una post – interventie. 

Baza de date obtinuta in ceea ce priveste tehnologia respiratie cu respiratie a fost mediata in sesiuni de cate sapte respiratii, si atat VO2max, cat si VO2AT (VO2 la pragul anaerob ventilator) au fost determinate conform criteriilor clasice: pe baza platoului din graficul VO2, cu o sarcina de lucru in crestere pentru VO2max si ventilatie pe minut (VE), raportul de schimb respirator (RER), presiunea partiala a oxigenului (PetO2), raportul dintre ventilatia pe minut si consumul de oxigen (VE / VO2) si raportul dintre ventilatia pe minut si dioxidul de carbon (VE / VCO2) pentru VO2AT. 

Parametrii comparati au fost: puterea maxima de iesire, consumul maxim de oxigen (VO2max), consumul de oxigen anaerob (VO2AT), rezerva de respiratie (BR), RER, ritmul cardiac, VE si volumul de CO2 expirat (VCO2). 

Respiratia mitocondriala

Probele de muschi au fost prelevate din „gluteus maximus”, printr-o tehnica de biopsie cu ac fin folosind un ac de biopsie TruCut si o canula de punctie 14G dupa pregatire, drapaj si anestezie locala. 

Muschiul „gluteus maximus” a fost ales pentru a minimiza orice interferenta cu antrenamentul zilnic al sportivilor si pentru a creste ratele de participare. Sportivii au fost supusi biopsiilor musculare la momentul initial (1 – 2 saptamani inainte de interventie) si la finalizarea acesteia (1 – 2 saptamani dupa interventie). 

Tesutul muscular de aproximativ 5 – 10 mg a fost pus imediat intr-o solutie rece de conservare a biopsiei (BIOPSY). 

Probele au fost transferate imediat in solutie de saponina pentru permeabilizarea membranei timp de 25 de minute, urmate de doua cicluri a cate 10 minute fiecare in mediu de respiratie (MiR05) inainte de experimentare. Probele au fost analizate prin spirometrie de inalta rezolutie. 

Respiratia mitocondriala a fost masurata folosind Oroboros® Oxygraph-o2K (Oroboros Instruments, Innsbruck, Austria). Acest dispozitiv permite inregistrarea simultana a concentratiei de O2 in doua camere paralele, calibrate pentru 2 ml de mediu de respiratie (MiR05). 

Respiratia mitocondriala a fost cuantificata in termeni de flux de oxigen (JO2) pe baza ratei de modificare a concentratiei de O2 in camerele normalizate pentru volumul de tesut umed. 

Doua mg de probe de greutate umeda au fost adaugate in fiecare camera Oxygraph si normalizate la cantitatea de tesut per camera. 

Secventa de titrare utilizata pentru probele de muschi a fost urmatoarea: 10 mM piruvat, 5 mM malat, titrare treptat a 2,5 mM ADP, 10 µM citocrom c, 10 mM glutamat, 10 mM succinat, titrare treptat a 0,5 µM carbonil cyanide p-(trifluorometoxi)-fenilhidrazona (FCCP), 0,5 µM rotenona si 5 µM antimicina A. 

O masura a derivatiei de protoni a fost obtinuta dupa adaugarea de piruvat si malat. O titrare treptata a ADP la concentratii saturate ne-a permis sa cuantificam selectiv activitatea complexului I (CI) (rata de consum de oxigen prin calea NADH). 

Au fost adaugate zece μM citocrom c in scop de control intern pentru a supraveghea integritatea membranei mitocondriale exterioare. S-a adaugat glutamat pentru a evalua efectul sau aditiv asupra activitatii CI. 

Capacitatea oxidativa maxima prin complexul I + II (maxim OxPhos) a fost determinata dupa adaugarea succinatului de substrat al caii FADH2. Injectiile ulterioare ale decuplatorului FCCP au permis obtinerea activitatii respiratorii maxime in starea decuplata (maximum decuplata). 

In final, activitatea complexului selectiv II (CII) a fost obtinuta la sfarsitul secventei de titrare prin adaugarea inhibitorului complexului I rotenona in starea maxima decuplata. Intr-o etapa finala, complexul III a fost inhibat prin administrarea de antimicina A. 

Markeri mitocondriali

Probele de muschi au fost prelevate din gluteus maximus printr-o tehnica de biopsie cu ac fin (vezi mai sus) la momentul initial (1-2 saptamani inainte de interventie) si la finalizarea acesteia (1-2 saptamani dupa interventie). 

Dupa permeabilizarea membranei cu saponina, probele au fost scufundate in paraformaldehida 4% timp de 6 ore si apoi transferate in etanol 70% pentru conservare pana la incorporarea parafinei. Datorita dimensiunii reduse a esantionului in urma imersiei, acesta nu a fost organizat intr-o orientare specifica. Sectiunile incorporate in parafina au fost deparafinizate, rehidratate si spalate in solutie salina tamponata cu fosfat (PBS).

Recuperarea antigenului a fost efectuata in 1 mM EDTA, pH 8,0 timp de 40 de minute. Dupa blocare cu 5% ser normal de capra (Abcam, ab7481) suplimentat cu 2% BSA timp de o ora la temperatura camerei, sectiunile au fost incubate cu anticorpi primari pentru MNF ½ (1:100), PGC-1 alfa (Abcam, ab54481, 1:200) si OPA1 (Abcam ab157457, 1:300) peste noapte, la 4⁰C, urmat de un anticorp secundar timp de o ora la 4⁰C si urmat fie de anticorpi secundari de capra anti-soarece, fie de capra anti-iepure (Abcam 1:500) timp de o ora la temperatura camerei. Sectiunile au fost apoi montate folosind mediu de montare Fluoroshield cu DAPI (ab104139). Probele de control au fost expuse doar la anticorpul secundar pentru a exclude colorarea nespecifica. 

Masa mitocondriala a fost evaluata cu colorantul MitoTracker Green FM (Molecular Probes) asa cum am descris anterior. Pe scurt, dupa deparafinizare si rehidratare, sectiunile au fost incubate timp de 30 de minute la temperatura camerei cu 100 nM MitoTracker Green FM urmate de clatiri cu PBS. 

Lamele colorate au fost fotografiate pentru fluorescenta folosind un microscop fluorescent automat Lionheart™ FX. Intensitatea totala, impartita la suprafata totala in trei campuri aleatorii (pentru fiecare proba experimentala), a fost masurata cu software-ul de analiza a imaginii Lionheart™ FX Gene 5. Valorile intensitatii fluorescentei pentru fiecare grup experimental au fost mediate si prezentate ca intensitate fluorescenta medie (MFI). 

Functia pulmonara

Masuratorile functiilor pulmonare au fost efectuate folosind spirometrul KoKo Sx1000 (Nspire Health, SUA), cu 1-2 saptamani inainte si dupa ultima sesiune HBOT/SHAM. Echipamentul a fost calibrat folosind o seringa de 3 ml inainte de a efectua masuratori conform instructiunilor producatorului. Masuratorile au fost efectuate de un tehnician calificat. Manevrele de expiratie fortata au fost efectuate conform recomandarilor de ghid. 

Capacitatea vitala fortata (FVC), volumul expirator fortat in 1 secunda (FEV1), indicele Tiffeneau-Pinelli (FEV1 / FVC) si debitul expirator maxim (PEF) au fost luate ca fiind cele mai mari citiri obtinute din cel putin trei manevre de expiratie fortata satisfacatoare. 

Debitul mediu expirator fortat (FEF25–75%) si debitul expirator fortat la 25, 50 si 75% din FVC expirat (FEF25%, FEF50% si FEF75%) au fost luate ca cele mai bune valori din buclele flux-volum, care nu difera cu mai mult de 5% de cea mai mare FVC. 

Compozitia corpului

Un analizor de compozitie corporala Inbody 720 (Biospace Co., Coreea de Sud) a fost utilizat pentru a detecta compozitia corpului uman pe baza recomandarilor furnizate in manualul de utilizare. Picioarele goale ale sportivilor stateau pe electrodul placii pedalei, mainile atarnand in mod natural in jos si tinand usor electrodul in mana, iar unghiul dintre trunchi si membrele superioare a fost mentinut la  ~ 15°. 

Indicii au inclus rata metabolica bazala, greutatea corporala slaba, lichidul intracelular, lichidul extracelular, continutul de apa din corp, muschiul scheletic, grasimea corporala, obezitatea abdominala etc. Greutatea a fost masurata in kilograme, cu sportivii desculii, in haine minime, cu ajutorul unui cantar digital (Beurer, Germania), iar inaltimea a fost masurata in centimetri. IMC a fost calculat ca greutatea in kilograme impartita la patratul inaltimii in metri (kg/m2). Sportivii au fost supusi unei analize a compozitiei corporale la momentul initial, cu 1-2 saptamani inainte de interventie si la 1-2 saptamani dupa interventie. 

Masuratori fizice

Un terapeut fizic antrenat, care a fost mascat de alocarea grupului, a efectuat masuratori fizice, inclusiv amplitudinea miscarii, saritura verticala, puterea maxima a cvadricepsului, un test de pas si un test de agilitate. 

Siguranta

Sportivii au fost monitorizati in ceea ce priveste efectele adverse, precum: barotraumatisme (fie la nivelul urechii, fie la nivelul sinusurilor), toxicitatea oxigenului (la nivel pulmonar sau la nivelul sistemului nervos). 

Analize statistice

Datele continue sunt exprimate ca medie ± deviatia standard. Distributiile normale pentru toate variabilele au fost testate folosind testul Kolmogorov-Smirnov. Au fost efectuate teste t nepereche si pereche pentru a compara variabilele intre cele doua grupuri si in cadrul acestora. Dimensiunile nete ale efectului au fost evaluate folosind metoda Cohen d. 

Datele categorice sunt exprimate in numere si procente si au fost comparate prin teste chi-patrat. Analizele univariate au fost efectuate folosind testul chi-patrat / testul  exact Fisher pentru a identifica variabilele semnificative (P 

Pentru a evalua efectele HBOT asupra performantei fizice, a fost utilizat un model ANOVA cu masuratori repetate in cadrul subiectului, pentru a testa efectul principal de interactiune intre timp si grup. Pentru a evalua efectele HBOT asupra respiratiei mitocondriale, a fost utilizat un model de analiza a covariantei in cadrul subiectului (ANCOVA), pentru a testa efectul principal de interactiune intre timp si grup. Metoda ratei de descoperire falsa (FDR) a fost utilizata pentru corectarea comparatiilor multiple. Datorita distributiei anormale, markerii de masa mitocondriali au fost analizati folosind testul Mann-Whitney U. Modificarile relative (in procente) au fost calculate ca diferenta dupa interventie fata de linia de baza impartita la valoarea de baza si inmultita cu 100.

Dimensiunea esantionului

Dimensiunea esantionului a fost calculata pe baza metodei descrisa de Burgos si colaboratorii, un studiu pilot aplicat pentru 12 jucatori tineri de fotbal care au demonstrat o dimensiune moderata a efectului asupra VO2max. O dimensiune moderata a efectului de 0,3 in VO2max, intr-un design ANOVA cu masuratori repetate, cu o putere de 85% si o alfa de 5%, necesita 14 sportivi in fiecare brat. Adaugarea unei rate de abandon de 15% ar necesita 32 de subiectt in total. 

REZULTATE

Treizeci si sapte de sportivi au semnat formularul de consimtamant informat. Doi sportivi au renuntat la studiu in timpul evaluarilor de baza. Doi sportivi au fost exclusi in urma evaluarilor initiale din cauza hipertensiunii arteriale nou diagnosticate si a displaziei fibroase a craniului. Doi  alti sportivi au fost exclusi in analiza finala; un participant nu a realizat exercitii maxime in CPET de baza, iar celalalt a avut un VO2mAX care a fost cu cinci abateri standard mai mare decAt restul sportivilor (fig.1). Caracteristicile de referinta si comparabilitatea loturilor sunt prezentate in Tabelul 1. 

Fig. 1. Organigrama sportivilor

Tabel 1.

Parametrii de baza ai sportivilor sunt rezumati in Tabelul 1. Nu a existat nicio diferenta intre grupuri cu privire la oricare dintre caracteristicile de baza, cu exceptia tipului de antrenament. In grupul HBOT, toti sportivii au fost alergatori sau triatleti, in timp ce in grupul de control SHAM au existat si inotatori, biciclisti si altii (p = 0,02). 

Evaluare „orbitoare”

S-a realizat orbirea sportivilor, unde 63% din grupul HBOT si-au perceput sesiunile ca SHAM si 53% din grupul SHAM si-au perceput sesiunile ca SHAM (p = 0,60) (fig. 2). 

Fig. 2. Controlul calitatii protocolului SHAM. Ratele de perceptie a alocarii grupului de subiectii din grupul HBOT (A) si subiectii din grupul SHAM (B). 

Evaluarea performantei fizice

Nu au existat diferente semnificative intre grupuri in ceea ce priveste parametrii CPET la momentul initial. Dupa HBOT, a existat o crestere semnificativa a consumului maxim de oxigen (VO2Max) (2834,50 ± 556,65 ml/min la 2956,19 ± 540,85 ml/min, grupul X interactiune in timp F =  7,57), cu o marime mare a efectului 0.57=10. 0,989 [0,210–1,76] comparativ cu grupul SHAM (Tabelul 2). Rezultate similare au fost observate in VO2/kg (Tabelul 2). 

Consumul de oxigen masurat la pragul anaerob (VO2AT) a fost semnificativ crescut in grupul de HBOT (1196,56 ± 218,29 ml / min la 1326,56 ± 249,11 ml / min, grupul x timp F = 5.43, p = 0,026) cu o marime mare a efectului de 0,837 [0,071–1,604], comparativ cu grupul SHAM (Tabelul 2). 

*Semnificativ in urma corectiilor false ale ratei de descoperire

Tabel 2. 

Grupul HBOT a demonstrat o crestere semnificativa a puterii maxime in comparatie cu grupul SHAM, cu o dimensiune mare a efectului net de 0,808 [0,04–1,57] (interactiunea in timp a grupului X F = 5,05, p = 0,03) (Tabelul 2). 

In plus, in comparatie cu grupul SHAM, a existat o scadere semnificativa a rezervei de respiratie in grupul HBOT cu o marime mare a efectului net − 0,91[− 0,168–(− 0,140)], (interactiunea in timp a grupului X F = 6,44, p = 0,016) (Tabelul 2). 

Nu au fost observate diferente semnificative in masurarea compozitiei corporale si a functiei pulmonare intre grupuri la momentul initial si dups HBOT/SHAM (Tabelul 3). In plus, nu au existat diferente semnificative in gama de miscare, puterea membrelor superioare sau inferioare, sarituri verticale sau agilitate (Tabelul 3). 

VEMS = volumul expirator fortat intr-o secunda

FVC = capacitate vitala fortata

FEF25-75 = procentul valorii prezise pentru fluxul expirator fortat la 25–75% din capacitatea vitala fortata

BMI = indicele de masa corporala

BFM = masa de grasime corporala

SMM = masa musculara scheletica

TBW = apa totala din corp

ICW = apa intracelulara

P 

Tabel 3. 

Evaluarea respiratiei mitocondriale

Treizeci de sportivi dintre cei inclusi in analiza finala au consimtamt la biopsii musculare. Trei sportivi au refuzat sa faca a doua biopsie, iar biopsiile a cinci sportivi nu au trecut controlul de calitate pentru analiza respiratiei. Astfel, respiratia mitocondriala a fost evaluata la 10 sportivi HBOT si 12 sportivi SHAM. Deoarece au existat diferente semnificative intre grupuri in parametrii de baza ale respiratiei mitocondriale, a fost efectuat un ANCOVA. 

Dupa HBOT, au existat cresteri semnificative atat ale capacitatii maxime de fosforilare a oxigenului (dimensiunea efectului 1,085 [0,129–2,041], grupa X timp ANCOVA = 4,89, p = 0,04 necorectat), cat si capacitatea maxima decuplata (0,909186, grupa X timp) ANCOVA F = 6,04, p = 0,02, necorectat) comparativ cu sesiunile SHAM. 

In plus, functia complexului I mitocondrial a crescut semnificativ (dimensiunea efectului = 1,120 [0,160–2,080], grupul X timp ANCOVA F = 7,31, p = 0,01 necorectat pentru comparatii multiple) in grupul HBOT comparativ cu grupul SHAM. Nu s-au observat modificari in activitatea decuplata a complexului mitocondrial II si rata de scurgere a protonilor (Tabelul 4). 

P 

Tabel 4. 

Evaluarea masei mitocondriale

Doisprezece (6 HBOT, 6 SHAM) din cei 22 de sportivi cu biopsii musculare disponibile la momentul initial si dups interventie (vezi mai sus) au fost evaluati pentru masa mitocondriala. La toti ceilalti sportivi, dimensiunea probei de biopsie musculara a fost limitata si utilizata in intregime pentru evaluarea respiratiei mitocondriale (vezi mai sus). 

Dupa HBOT, a existat o crestere semnificativa a markerului de masa mitocondriala MTG in comparatie cu grupul SHAM (17,12% ± 20,2 vs. − 8,54 ± 8,41, p = 0,0002) (Tabelul 5, Fig. 3). Nu au existat modificari semnificative ale markerului de biogeneza PGC1alpha (p = 0,699) si markerilor de fuziune OPA1 (p = 0,12) si MNF1 + 2 (p = 0,09) (Tabelul 5). 

P 

Tabel 5. 

Fig. 3. Modificari ale masei mitocondriale. Micrografia de inalta rezolutie a colorarii musculare cu MTG demonstreaza o crestere semnificativa a markerului de masa mitocondriala MTG in comparatie cu grupul SHAM (17,12% ± 20,2 vs. − 8,54 ± 8,41, p = 0,0002). Numararile pozitive sunt reprezentate de puncte verzi. Imaginile mai verzi/mai luminoase reflecta un numar mai mare de colorare MTG.

Siguranta si efecte secundare

In timpul studiului, doi subiecti din grupul HBOT au dezvoltat o infectie virala a cailor respiratorii superioare. In grupul SHAM, doi subiecti au dezvoltat pneumonie. Un participant a dezvoltat un hematom subcutanat gluteal in urma celei de-a doua biopsii si a fost tratat conservator, cu recuperare completa. Nu au fost raportate alte efecte adverse. 

DISCUTII

Acest studiu arata ca HBOT poate imbunatati semnificativ performanta fizica, dincolo de antrenament, la sportivii de performanta sanatosi. Atat VO2max, VO2AT, cat si puterea au crescut semnificativ in urma expunerilor intermitente HBOT, comparativ cu expunerile SHAM. Mai mult decat atat, pentru prima data in utilizarea biopsiilor musculare in randul oamenilor, am demonstrat ca HBOT poate imbunatati in mod direct respiratia mitocondriala si poate creste masa mitocondriala. 

Modificarile mediate de antrenamentul de anduranta ale nivelului de fitness cardiorespirator sunt cel mai frecvent cuantificate prin VO2max si AT. Studiile anterioare au demonstrat faptul ca diferite programe de exercitii (precum intervale, intensitate mare si altele) pot creste VO2max cu dimensiuni semnificativ mai mari ale efectului (0,5 – 2,0). In special, grupurile de control din acele studii au fost implicate in alte regimuri de antrenament si nu au beneficiat de expuneri SHAM sau antrenament. In studiul de fata, grupul de control a suferit o procedura SHAM, orb la alocare, asa cum a fost confirmat de chestionar. Deoarece toti participantii au fost „orbiti” in ceea ce priveste alocarea interventiei si nu au fost instruiti pentru a isi modifica antrenamentul, orice modificare a rutinei lor zilnice / de exercitii, daca ar exista, si orice alte modificari ale punctelor finale ale studiului ar putea fi atribuite numai interventiei investigate. Pentru prima data la om, s-a demonstrat ca VO2max a crescut semnificativ prin HBOT in comparatie cu tratamentul SHAM. Se poate anticipa faptul ca combinarea antrenamentului pe intervale de mare intensitate si HBOT va avea efecte sinergice, dar asta ramane de investigat. 

AT este considerat a fi un predictor mai bun al performantei decat VO2max, o valoare mai mare a AT indicand o intensitate mai sustinuta, fara a produce acidoza si acumularea de acid lactic asociata. In plus, in timpul testului CPET, AT poate fi masurata in mod obiectiv, indiferent de motivatia participantului, care poate afecta VO2max. Am folosit pragul ventilator AT, deoarece este o estimare buna a concentratiilor de lactat din sange, evitand necesitatea unor intepaturi multiple de ace si a protocoalelor de testare mai lungi in timpul CPET. S-a constatat ca HBOT induce un efect proeminent de imbunatatire asupra consumului de oxigen masurat la pragul anaerob. 

Rezultatele studiului de fata se coreleaza cu intelegerile fiziologice adunate din studii preclinice bine concepute. Intr-un studiu bine conceput, efectuat pe animale, s-a demonstrat faptul ca adaugarea expunerii intermitente hiperbare la antrenamentul fizic imbunatateste si mai mult performanta de anduranta prin facilitarea capacitatilor oxidative si glicolitice si prin cresterea expresiei proteinelor implicate in biogeneza mitocondriala in muschii striati. La om, Decato si colaboratorii a demonstrat ca imbinarea a sase sesiuni intermitente HBOT cu un regim de antrenament cu exercitii fizice induce o valoare cardiorespiratorie mai buna decat antrenamentul fizic fara HBOT. In studiul de fata, pentru prima data la oameni, am demonstrat ca terapia cu oxigen hiperbaric imbunatateste fitness-ul aerobic intr-o maniera randomizata controlata prin placebo. 

Performanta de anduranta a unui atlet este determinata de VO2max, AT si si eficienta exercitiului. Capacitatea de fosforilare oxidativa mitocondriala a muschiului scheletic pare centrala pentru toate cele trei componente fiziologice. VO2max al unui individ este limitat de debitul cardiac, fluxul sanguin muscular si capacitatea de transport a oxigenului din sange. Exista, de asemenea, o corelatie liniara puternica intre VO2max si densitatea volumului mitocondrial si densitatea capilara. Pragul anaerob este paralel cu capacitatea mitocondriala a muschiului scheletic. In plus, capacitatea oxidativa a muschilor scheletici se coreleaza puternic cu eficienta exercitiului fizic. Astfel, s-a demonstrat ca cresterea capacitatii de respiratie a muschilor scheletici care este paralela cu fitnessul aerob poate fi explicata atat prin numarul mitocondriilor, cat si prin respiratia mitocondriala. In studiul nostru, atat respiratia mitocondriala, cat si masa mitocondriala au crescut semnificativ in paralel cu fitness-ul aerob, asa cum demonstreaza VO2max, dupa HBOT, comparativ cu grupul SHAM. 

Studiile anterioare au aratat ca oamenii exploateaza 90% din capacitatea lor mitocondriala in timp ce efectueaza exercitii maxime la VO2max. Astfel, expunerea acuta la hiperoxie normobara sau hiperbara poate creste temporar VO2max, daca subiectul respira niveluri crescute de oxigen, ceea ce este de obicei nepractic in timpul exercitiilor/sporturilor din lumea reala. Cu toate acestea, acest efect temporar nu ar induce adaptari mitocondriale pe termen lung nici ca numar, nici in respiratie. In studiul nostru, sportivii au suferit multiple expuneri hiperbare intermitente, care au permis modificarile celulare mentionate. Faptul ca atat CPET, cat si biopsiile mitocondriale au fost efectuate la mai mult de 1 saptamana dupa ultima sedinta HBOT sustine in continuare concluzia ca HBOT repetat induce modificari biologice semnificative, iar efectul benefic nu este legat de cresterea tranzitorie a livrarii de oxigen. 

S-a sugerat antrenamentul hipoxic pentru a imbunatati fitness-ul aerobic cu efecte pe termen lung. Hipoxia, intr-adevar, induce factorul de transcriptie indus de hipoxic-1α (HIF1α), care initiaza o cascada de reactii pentru a face fata noii crize energetice a oxigenului scazut. Cu toate acestea, din cauza nivelului continuu insuficient de oxigen, numarul mitocondriilor este redus (generarea mai putina de noi mitocondrii) si respiratia mitocondriala este inhibata pentru a se adapta si a isi pastra viata. In comparatie, in timpul expunerilor hiperbare intermitente repetate, modificarile relative ale disponibilitatii oxigenului, mai degraba decat hipoxia/hiperoxia constanta, au un efect mai dominant asupra inductiei HIF1α. HIF1α este crescut si descrie biogeneza mitocondriala si modificarile respiratiei mitocondriale, care sunt posibile deoarece rezervele de oxigen raman in stari normale sau super-normale. Acest fenomen a fost denumit „paradoxul hiperoxic-hipoxic”, mai exact  cresterea HIF si cascada asociats acesteia in starile hiperoxice. Astfel, expunerile hiperbare intermitente pot fi comparate cu antrenamentul intens pe intervale care induce adaptari mitocondriale atat in ceea ce priveste numarul, cat si respiratia. Studiul nostru arata, pentru prima data la oameni, ca atat respiratia mitocondriala (atat cuplata, cat si necuplata) si masa sunt imbunatatite dupa HBOT, in comparatie cu nicio modificare in grupul SHAM. 

PGC-1α este un regulator critic al biogenezei mitocondriale in muschiul scheletic si promoveaza acest proces ca raspuns la exercitii pentru a mentine un echilibru intre necesarul de energie si aprovizionarea cu energie. Studiile anterioare au sugerat ca HBOT creste PGC-1 in urma expunerilor repetate. MNF1/2 sunt implicati in fuziunea membranei mitocondriale exterioare, in timp ce OPA1 mediaza fuziunea membranei mitocondriale interioare. MNF2 este asociat cu mitofagie redusa, ceea ce duce la acumularea de mitocondrii deteriorate. OPA1 este un senzor al activitatii fizice si scade odata cu schimbarile legate de imbatranire. Desi toate trei au crescut in grupul HBOT, nu au fost semnificative statistic. La doua saptamani dupa ultima sedinta, biogeneza activa s-a incheiat, iar masa mitocondriala a crescut. MTG permite masuratori precise ale masei mitocondriale, independent de functia mitocondriala si de respiratie. In studiul actual, subesantionul grupului HBOT a crescut masa mitocondriala in comparatie cu subesantionul grupului SHAM. 

Studiul actual are mai multe limitari. In primul rand, trebuie luata in considerare dimensiunea relativ mica a esantionului, care poate cauza o scadere a sensibilitatii. Cu toate acestea, prezenta unor modificari semnificative in urma analizelor statistice stricte intr-un grup mic indica potenta relativ mare a interventiei. In al doilea rand, durata efectului nu a fost inca determinata in studiile de urmarire pe termen lung. In al treilea rand, protocolul a fost de 40 de sesiuni de 100% oxigen la doua unitati ATA. Cu toate acestea, numarul optim de sesiuni si protocolul fiecarei sesiuni ramane de stabilit. In cele din urma, au existat diferente in respiratia mitocondriala initiala intre cele doua grupuri, care pot fi legate de eterogenitatea sportivilor participanti. Variabilitatea respiratiei mitocondriale era de asteptat si a fost raportata la adultii ssnstosi. In studiul actual, am atenuat aceste diferente folosind ANCOVA. 

CONCLUZII

Studiul indica faptul ca HBOT poate imbunatati performanta fizica la sportivii de performanta sanatosi. Principalele imbunatatiri includ consumul maxim de oxigen, puterea si pragul anaerob. Prin utilizarea biopsiilor musculare, s-a demonstrat ca mecanismele legate de HBOT induc o imbunatatire semnificativa a respiratiei mitocondriale si maresc masa mitocondriala.