Οξείες μεταβολικές προσαρμογές κατά τη συνεχόμενη και διαλειμματική αερόβια άσκηση: μεταβολομική προσέγγιση

Abstract

The purpose of this thesis was to compare the overall metabolic profile, using a metabolomic approach, of continuous, long-interval and short-interval aerobic exercise protocols performed with equal: overall physiological effort and strain. Nine healthy men aged 20,5 ± 0,7 years, performed a maximal incremental treadmill test to assess VO2max, maximum aerobic velocity (MAV) and maximum heart rate (ΗRmax). Then, the participants performed, in a randomized order, three protocols: heavy continuous exercise (HC) at 83% of MAV, long-interval exercise (LI) consisted of 3 min runs at 95% of MAV with 3 min recovery at 35% of MAV and short-interval exercise (SI) consisted of 30 sec runs at 110% of MAV with 30 sec recovery at 50% of MAV. Blood samples (10ml) were collected before and 5 min after each exercise protocol. The samples were centrifuged, and the plasma was removed and stored at -80°C. All samples were analyzed by 1H NMR spectroscopy and multivariate statistical technique. More specifically, all Spectral data were analyzed by principal component analysis (PCA) and orthogonally filtered PLS-DA (OPLS-DA) using pareto scaling. The results showed that all three protocols caused significant changes in plasma metabolic profile. That is, the PCA plots provided a distinct separation between pre- and post-exercise samples for all three exercise protocols continuous, long-interval and short-interval) and for short-interval exercise protocols in PC1 accounting for 28.6% % of the variation. The model was not able to discriminate the spectra of three protocols for pre-exercise and for post-exercise samples. Furthermore, valid pairwise OPLS-DA models comparing the three exercise protocols could not be developed, showing no differences in overall metabolomic shift among the three exercise protocols. S-line plots with the corresponding OPLS-DA plots for pre- and post-exercise samples as well as the two-way ANOVAs showed that the changes in metabolomic profile after the completion of three protocols were due to the significant increase of metabolites related to glycolysis (lactate, pyruvate, glucose and alanine), lipolysis and ketogenesis (glycerol, 3- hydroxybutyrate), and activation of the citric acid cycle (citrate, succinate). No significant change were observed in indicators of proteins breakdown (branched chain amino acids, tyrosine) or muscle damage (creatinine, histidine). Except for higher alanine and citrate and lower 3-hydroxybutyrate levels observed after LI vs. HC and SI, there were no significant differences in other metabolites among protocols. The significant increase observed in the lactate to pyruvate and lactate to citrate ratios in all three protocols, reveals a great shift towards non-oxidative pathways for energy production possibly as a result of high exercise intensity in the three exercise protocols In conclusion, the metabolomic analysis showed that all three protocols (intense continuous, long-interval, and short-interval) resulted in a great overall metabolic activation. When performed with equal overall effort and strain, the intense continuous and interval exercise modalities revealed similarities in overall metabolic shift and in responses of metabolites related to markers of aerobic and anaerobic energetic pathways, glycolysis, lipolysis, amino acid metabolism and muscle damage. Keywords: Metabolomics, continuous and interval exercise, intensity and duration of exercise, metabolite, carbohydrate, fat and amino acids metabolism, citric acid cycle, oxidative and non-oxidative mechanism.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν να διερευνήσει το συνολικό μεταβολικό προφίλ (metabolomics) κατά τη συνεχόμενη και διαλειμματική αερόβια άσκηση ίσης συνολικής επιβάρυνσης και προσπάθειας. Εννέα υγιείς άνδρες, ηλικίας 20,5 ± 0,7 ετών, υποβλήθηκαν σε μια δοκιμασία προοδευτικά αυξανόμενης έντασης, για τον προσδιορισμό της μέγιστης πρόσληψης οξυγόνου (VO2max), της μέγιστης αερόβιας ταχύτητας (MAΤ) και της μέγιστης καρδιακής συχνότητας (ΚΣmax). Στη συνέχεια, οι συμμετέχοντες εκτέλεσαν σε δαπεδοεργόμετρο, με τυχαία σειρά, τρία διαφορετικά πρωτόκολλα αερόβιας άσκησης ίσης συνολικής φυσιολογικής επιβάρυνσης: (i) πρωτόκολλο άσκησης με τη συνεχόμενη μέθοδο, με ένταση στο 83% της ΜΑΤ, (ii) διαλειμματικό πρωτόκολλο άσκησης μεσαίου χρόνου, με διαστήματα επιβάρυνσης και ανάληψης διάρκειας 3 min, με ένταση στο 95% και 35% της ΜΑΤ, αντίστοιχα (3-3min) και (iii) διαλειμματικό πρωτόκολλο άσκησης μικρού χρόνου, με διαστήματα επιβάρυνσης και ανάληψης διάρκειας 30 s, με ένταση στο 110% και 50% της ΜΑΤ, αντίστοιχα (30-30s). Πριν την έναρξη και 5 min μετά την ολοκλήρωση κάθε πρωτόκολλου λήφθηκαν δείγματα αίματος (10 ml), τα οποία φυγοκεντρήθηκαν και το πλάσμα αποθηκεύτηκε στους -80ºC. Τα δείγματα εξετάστηκαν με μεταβολομική ανάλυση, με τη μέθοδο της Φασματοσκοπίας Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (1Η NMR). Η επεξεργασία των φασματικών δεδομένων έγινε με τη χρήση των πολυπαραμετρικών αναλύσεων PCA και ΟPLS-DA. Με τον τρόπο αυτό, εξετάσθηκε η επίδραση των τριών πρωτοκόλλων στο συνολικό μεταβολικό προφίλ, καθώς και στις συγκεντρώσεις δεκατριών μεταβολιτών, που συμμετέχουν στο μεταβολισμό γλυκόζης, λιπών και πρωτεϊνών,. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και τα τρία πρωτόκολλα επέφεραν σημαντικές αλλαγές στο συνολικό μεταβολικό προφίλ του πλάσματος. Συγκεκριμένα, η απεικόνιση της πολυπαραμετρικής ανάλυσης (PCA) παρουσίασε διακριτό διαχωρισμό μεταξύ των δειγμάτων πριν και μετά την άσκηση, τόσο για το πρωτόκολλο της συνεχόμενης άσκησης, όσο και για τα διαλειμματικά πρωτόκολλα άσκησης μεσαίου (3-3min) και μικρού χρόνου (30-30s). Στο μοντέλο δεν εμφανίστηκε διαχωρισμός των φασμάτων ανάμεσα στα τρία πρωτόκολλα άσκησης, τόσο στα δείγματα που λήφθηκαν πριν την άσκηση, όσο και στα δείγματα μετά την ολοκλήρωση των τριών πρωτοκόλλων άσκησης. Επίσης, δεν εμφανίστηκαν έγκυρα OPLS-DA μοντέλα στις ζευγαρωτές συγκρίσεις μεταξύ των πρωτοκόλλων, τόσο στα δείγματα πριν την άσκηση όσο και στα δείγματα μετά την άσκηση. Τα παραπάνω δείχνουν παρόμοιες μεταβολές στο συνολικό μεταβολικό προφίλ στα τρία πρωτόκολλα. Τέλος, το διάγραμμα S-line, με τις αντίστοιχες OPLS-DA απεικονίσεις των δειγμάτων που λήφθηκαν πριν και μετά την άσκηση, όπως και οι αναλύσεις two-way ANOVA, δείχνουν ότι και στα τρία πρωτόκολλα οι αλλαγές οφείλονταν κυρίως στη σημαντική αύξηση των μεταβολιτών που δραστηριοποιούνται κατά τις γλυκολυτικές μεταβολικές διεργασίες (γλυκόζη, γαλακτικό, πυροσταφυλικό, αλανίνη), τη λιπολυτική δραστηριότητα και την κετογένεση (γλυκερόλη, 3-υδροξυβουτυρικό οξύ) και την ενεργοποίηση του κύκλου κιτρικού οξέος (κιτρικό οξύ, ηλεκτρικό οξύ). Δεν παρατηρήθηκε σημαντική μεταβολή σε δείκτες πρωτεϊνόλυσης (αμινοξέα διακλαδισμένης αλυσίδας) και μυϊκής κάκωσης/βλάβης (τυροσίνη, ιστιδίνη). Με εξαίρεση τις υψηλότερες τιμές αλανίνης και κιτρικού οξέος και τις χαμηλότερες τιμές 3-υδροξυβουτυρικού οξέος, που παρατηρήθηκαν μετά την ολοκλήρωση του πρωτοκόλλου 3-3min έναντι του συνεχόμενου πρωτοκόλλου και του 30-30s, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές ανάμεσα στα πρωτόκολλα σε άλλους μεταβολίτες. Η σημαντική αύξηση που σημειώθηκε στο πηλίκο των τιμών γαλακτικού/πυροσταφυλικού και γαλακτικού/κιτρικού οξέος και στα τρία πρωτόκολλα, φανερώνει ότι η άσκηση υψηλής έντασης οδήγησε σε σημαντική ενεργειακή μετατόπιση προς τις μη οξειδωτικές διαδικασίες. Ωστόσο, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των πρωτοκόλλων στην αναλογία ενεργοποίησης οξειδωτικού και γλυκολυτικού μηχανισμού. Συμπερασματικά, η μεταβολομική ανάλυση έδειξε ότι και τα τρία πρωτόκολλα αερόβιας άσκησης (συνεχόμενη με υψηλή ένταση, διαλειμματική μεσαίου χρόνου και μικρού χρόνου) προκάλεσαν σημαντική συνολική ενεργοποίηση του μεταβολισμού. Όμως, όταν τα τρία πρωτόκολλα εκτελούνται με την ίδια συνολική επιβάρυνση και προσπάθεια, προκαλούν παρόμοιες μεταβολές στο συνολικό μεταβολικό προφίλ και στο μεταβολισμό γλυκόζης, λιπών και πρωτεϊνών.Λέξεις κλειδιά: μεταβολομική ανάλυση, συνεχόμενη και διαλειμματική άσκηση, ένταση και διάρκεια άσκησης, μεταβολίτης, μεταβολισμός υδατανθράκων, λιπών, αμινοξέων, κύκλος κιτρικού οξέος, οξειδωτικός - μη οξειδωτικός μηχανισμός.