Угарный газ и тренировки на выносливость

Тренировка на высоте стимулирует высвобождение гормона эритропоэтина (ЭПО) и увеличивает массу гемоглобина (Hb) в крови, что может улучшить способность к переносу кислорода (О2). ¹⁾ Была выдвинута гипотеза, что периодическое вдыхание окиси углерода (СО) может вызывать сходные физиологические эффекты адаптации по сравнению с тренировкой на высоте.

В испытании участвовало двенадцать спортсменов-студентов мужского пола, которые были хорошо подготовленными футболистами. Они выполняли 4-недельную программу тренировок на беговой дорожке, пять раз в неделю. Участники были случайным образом разделены на экспериментальную группу, которым было сказано вдыхать CO (INCO) (1 мл / кг массы тела в течение 2 мин) в O2 (4 л) перед всеми тренировками, и контрольную группу, которой не давали вдыхать CO (NOCO). Концентрации CO и ЭПО в венозной крови были измерены через 1, 2, 4, 6 и 8 часов после INCO, а общая масса гемоглобина (tHb), параметры организма при беге («экономика бега») и VO2max были измерены до и после 4 недель тренировок.

Карбоксигемоглобин (HbCO %) увеличился с 0,7 до 4,4% (P <0,05) после 1 ч вдыхания CO, а ЭПО увеличился с 1,9 до 2,7 мМЕ / мл через 4 ч после вдыхания CO (P <0,05) кратковременно до вмешательства. После тренировки значения tHb и VO2max (показатель способности организма усваивать кислород получаемый из окружающей среды) в группе INCO (вдыхающей угарный газ) значительно увеличились на 3,7 и 2,7% соответственно, хотя в NOCO (группа, которая не вдыхала угарный газ) значительных различий не наблюдалось. Поглощение O2 при данных субмаксимальных скоростях уменьшилось примерно на 4% в группе INCO.

Краткосрочно, уровень ЭПО резко увеличился после вдыхания СО и достиг пика через 4 ч после вдыхания. 4-недельные тренировки с вдыханием СО перед тренировочными сессиями улучшили показатели tHb и VO2max, а также экономию бега. Предположительно, умеренное вдыхание СО может стать новым методом улучшения выносливости у спортсменов.

Высотная тренировка широко применялась в выносливых видах спорта для увеличения максимальной аэробной силы спортсменов ²⁾. Основным физиологическим механизмом максимального увеличения аэробной силы может быть высотная тренировка, стимулирующая секрецию ЭПО из почек, что увеличивает образование эритроцитов (RBC) из костного мозга и повышает циркулирующую массу общего гемоглобина (tHb) ³⁾. Следовательно, тренировка на высоте увеличивает способность организма переносить кислород к рабочим мышцам, что увеличивает силу. Кроме того, было задокументировано, что высотные упражнения повышают производительность за счет повышения способности скелетных мышц буферизовать лактат и из-за улучшения беговой экономики ⁴⁾. Угарный газ (CO) является важной эндогенной молекулой, которая также может попадать в организм при вдыхании ⁵⁾. Давно было установлено, что СО обладает способностью связывать гемоглобин (Hb) больше, чем О2. Следовательно, когда человек вдыхает СО, вызывается умеренная гипоксия in vivo, поскольку карбоксигемоглобин (HbCO) не способен переносить достаточное количество O2, и существует пониженное количество O2, связанного с Hb и доставкой в активную мышцу. Поскольку постоянное вдыхание CO снижает способность Hb переносить O2, краткосрочное воздействие малых доз CO теоретически может привести к таким же преимуществам, что и тренировки на высоте. Предыдущие исследования показали, что повышенная вентиляция при легких нагрузках быстро удаляет СО из крови у людей ⁶⁾. Половина клиренса происходит у мужчин медленнее, чем у женщин, из-за более высокого значения tHb у мужчин ⁷⁾. Если CO может улучшить спортивные результаты, выборка тренированных мужчин, у которых может быть до 37% более высокий показатель THb по сравнению с нетренированными спортсменами ⁸⁾ является подходящей группой населения, так как CO может оставаться в кровь в течение длительных периодов времени. Следовательно, предполагается, что соответствующая дозировка вдыхаемого СО может спровоцировать легкую гипоксию до вывода из организма, вызывая сходные физиологические адаптивные реакции с реакцией на тренировку на высоте. Поскольку периодическое вдыхание небольших доз СО на уровне моря может имитировать гипоксическое воздействие высоты, увеличивать массу tHb и увеличивать максимальную аэробную мощность, стоит выяснить, может ли вдыхание СО быть более удобным и менее дорогим методом улучшения тренировок. В исследовании, проведенном Fröscher и Uhlmann (2016), 10-дневное периодическое вдыхание низких доз СО в покое не привело к улучшению массы гемоглобина или аэробной пиковой мощности, но, насколько нам известно, вдыхание СО не сопровождалось физическими упражнениями. Следовательно, целью этого исследования было изучить влияние вдыхания небольшого количества CO на секрецию ЭПО и общую массу гемоглобина (tHb), экономию бега и максимальную аэробную силу в сочетании с тренировками на беговой дорожке у спортсменов.

В рамках этого исследования были отобраны двенадцать здоровых молодых футболистов из Пекинского спортивного университета. Все испытуемые жили на низкой высоте, не курили и никогда не участвовали в тренировках на высоте или в исследованиях гипоксии, при этом занимаясь спортом более 10 лет. Более того, все участники понимали протокол и риски эксперимента и дали письменное информированное согласие. Исследование было одобрено Комитетом по экспериментальной этике спорта

Исследование было разделено на два отдельных этапа. Во-первых, краткосрочный предварительный эксперимент, в котором испытуемые из группы INCO вдыхали смесь СО в O2 (4 л) в течение 2 минут при помощи маски (1 мл / кг массы тела). Испытуемые из группы INCO оставались в покое после вдыхания CO. Выдыхаемый воздух анализировался в многочисленные моменты времени, включая до, сразу после и через каждые 1, 2, 4, 6 и 8 ч после вдыхания CO. Измерялись концентрации выдыхаемого газа CO. Концентрация ЭПО измерялась в венозной сыворотке (15 мин, 3000 об / мин), а HbCO% в венозной крови измерялся в те же моменты времени с помощью радиометра ABL 725.

Во втором эксперименте изучалось влияние 4-недельного периодического вдыхания СО в сочетании с тренировкой на максимальную аэробную мощность. До и после тренировки измеряли общий гемоглобин (tHb), эритроциты (RBC), гематокрит (Hct), гемоглобин (Hb), средний корпускулярный объем (MCV), экономику бега (RE) и VO2max, и проводилось сравнение между двумя группами, соответственно. Программа тренировок состояла из бега на беговой дорожке в течение 4 недель, 5 раз в неделю в течение 50 минут на сессию. Перед каждой тренировочной сессией все испытуемые вдыхали газ в течение 2-х минут непрерывно. Экспериментальная группа (INCO): смесь CO (1 мл / кг массы тела) в O2 (4 л); Контрольная группа (NOCO): только O2 (4 л). Вдыхание СО происходило за 15 минут до начала тренировки. Скорость беговой дорожки поддерживалась в течение 40 минут. За 5 минут до и после каждого сеанса испытуемые проводили разогрев и охлаждение, в результате чего общее время бега составляло 50 минут. В конце каждого тренинга участникам было предложено предоставить оценки воспринимаемой нагрузки (RPE). Когда RPE уменьшился на две или более единиц, скорость следующей тренировки была увеличена на 5%.

Эритроциты крови (эритроциты), гематокрит (Hct), гемоглобин (Hb) и средний корпускулярный объем (MCV) проверялись на образцах венозной крови Bayer ADVIA 120, Германия.

VO2max измеряли дважды, один раз за 24 часа до и еще раз – через 24 часа после 4 недель тренировок, используя инкрементальный беговой тест (беговая дорожка: h / p / cosmos, CORTEX Metalyzer 3B, Германия). Протокол включал начальный 3-минутный прогрев со скоростью 5 км / ч, и скорость была увеличена до 9 км / ч. Скорость беговой дорожки затем увеличивалась на 1 км / ч каждую минуту, пока испытуемые не смогли продолжать движение или не достигли плато VO2max. Затем испытуемые охлаждались, шагая со скоростью 5 км / ч в течение 5 минут.

Экономика бега измерялась дважды, до и после 4 недель тренировок. Испытательное оборудование было таким же, как и при испытании VO2max. Протокол включал начальную 3-минутную разминку со скоростью 5 км / ч, после чего скорость увеличивали до 8 км / ч. Скорость сохранялась в течение 8 мин, пока не достигалось устойчивое поглощение O2. Затем скорость увеличивали до 10 и 12 км / ч по отдельности для проверки экономики бега, и эти этапы также продолжались в течение 8 минут.

В предварительном эксперименте, концентрации выдыхаемого СО и венозной крови (HbCO%) измерялись до и после вдыхания СО (до, через 0, 1, 2, 4, 6 и 8 ч). Концентрация СО в выдыхаемом (приливно-отливном) газе измерялась с использованием Drager Pac 7000 CO (Германия), а содержание HbCO% в крови анализировалось с помощью радиометра ABL 725 (Radio, United States).

5 мл крови брали из локтевой вены. ЭПО сыворотки измеряли с помощью ELISA (набор ELISA: набор ELISA для человеческого ЭПО, Sigma, Соединенные Штаты; xMARK, Bio-rad, Соединенные Штаты). Чувствительность теста составила 0,16 мМЕ / мл. Переменный коэффициент внутри анализа составил 4,0%, а между анализами – 7,3%.

Измерения tHb, общего объема крови (BV), объема плазмы (PV) и объема эритроцитов (RCV) определяли методом повторного вдыхания CO в соответствии с протоколом Дюрусселя ⁹⁾. Эти параметры измерялись дважды, один раз за 3 дня до начала тренировки, и второй раз – через 3 дня после 4-недельного тренировочного вмешательства.

Значения указаны как среднее ± стандартное отклонение. Статистический анализ был выполнен с помощью дисперсионного анализа (ANOVA) для повторных измерений (краткосрочный эксперимент) и до- и посттренировочное вмешательство (двухстороннее ANOVA). Когда были обнаружены значительные F-отношения, для выявления различий между временными точками или условиями INCO и NOCO использовались специальные тесты Стьюдента-Ньюмена-Кеулса. Разница P <0,05 была классифицирована как значимая, а разница P <0,01 была классифицирована как очень значимая. Величина изменений выражалась в виде стандартизированных средних различий (Effect Size, ES) ¹⁰⁾. Значения ES между 0,2 и 0,49 указывали на небольшую разницу, от 0,5 до 0,79 – на среднюю разницу, и от 0,8 и выше – на большую разницу. Все данные анализа были выполнены с помощью SPSS 23.0.

Концентрация выдыхаемого СО, HbCO% в крови и концентрация ЭПО первоначально увеличивались после вдыхания СО. Через 1 и 2 ч после вдыхания концентрации СО в выдыхаемом газе были повышены (P <0,05), возвращаясь к исходному уровню через 4 ч после вдыхания. После первоначального увеличения, уровень HbCO% в крови снижался с перерывом в 5 часов, но все еще повышался через 8 часов после вдыхания (P <0,05). Концентрация ЭПО в сыворотке значительно увеличилась через 2 ч после вдыхания (P <0,05), достигнув пика через 4 ч после вдыхания при 2,7 мМЕ / мл (увеличение на 42,1% от базовых значений), а затем постепенно снижалась с течением времени.

Параметры крови в группе INCO и группе NOCO были измерены за 3 дня до и после 4-недельного тренировочного вмешательства. После тренировки наблюдалось значительное (p <0,05) увеличение tHb (3,7%, ES = 0,76), RCV (5,3%, ES = 2,14), PV (6,8%, ES = 6,34) и BV (6,2%, ES = 39,45) в группе INCO. Напротив, группа NOCO не имела значительных различий после тренировки. Кроме того, гематологические параметры вмешательства до и после тренировки (RBC, Hct, Hb и MCV) существенно не различались между двумя состояниями.

Абсолютные и относительные значения VO2max в условиях INCO значительно увеличились на 2,4 и 2,7% (P <0,05, ES = 0,33 и 0,70), соответственно, через 4 недели тренировок. Состояние NOCO не имело существенных различий (0,1%, ES = 0,014). VO2max в группе INCO был значительно выше (P <0,05) после тренировки по сравнению с группой NOCO. При субмаксимальных скоростях бега (8, 10 и 12 км / ч) абсолютное / относительное поглощение O2 как в группе INCO, так и в группе NOCO, по-видимому, было ниже после тренировки. Однако, снижение было значительным только в группе INCO (3,7, 3,6 и 5,4%, ES = 0,61, 0,48 и 0,63 соответственно) (P <0,05).

Результаты настоящего исследования продемонстрировали, что концентрация ЭПО первоначально увеличивалась после одного вдыхания СО (пик через 4 ч после вдыхания (42,1%), затем постепенно снижалась с течением времени), а также через 4 недели тренировки на выносливость на беговой дорожке на уровне моря с вдыханием СО 1 мл / кг за 15 мин до каждых 50-минутных сессий тренировок увеличивала tHb (3,7%), плазму (6,8%) и объем цельной крови (6,2%), VO2max (2,7%) и экономику бега (4%). Таким образом, предполагается, что вдыхание СО является практическим методом стимулирования повышения физиологической адаптации к гипоксии у хорошо подготовленных спортсменов, без необходимости материальных и финансовых затрат, связанных с восхождением на высоту.

Хорошо известно, что CO связывается с Hb сильнее, чем кислород, и поэтому потенциально опасно, особенно при концентрациях выше 35 ч/млн или процентном содержании HbCO 15–20%. Тем не менее, он также широко используется в медицинских исследованиях. Метод повторного дыхания CO широко используется для измерения tHb ¹¹⁾, радиоактивно меченый CO используется для измерения местного объема крови в тканях ¹²⁾. CO также используется в физиологических исследованиях для изучения фундаментальных аспектов регуляции сердечно-сосудистой системы ¹³⁾. В настоящем исследовании, кратковременное вдыхание СО дало следующий результат: HbCO% был близок к 5% ниже 18 ч/млн и постепенно снижался до 2% в момент времени 8 часов. ЭПО представляет собой гликопротеин, секретируемый клетками во многих тканях, главным образом, в клетках коры почек. Когда концентрация O2 в почечной коре уменьшается, секреция ЭПО в кровь увеличивается, в результате чего стволовые клетки – миелоидные предшественники –вызывают эритропоэз ¹⁴⁾. Это происходит при перемещении на высоту из-за снижения барометрического давления на высоте, что приводит к гипоксемии. Тренировка на высоте использует преимущества этого ответа, когда гипоксия, независимая от тренировки, стимулирует секрецию ЭПО ¹⁵⁾. В результате повышается уровень гемоглобина и улучшается доставка кислорода к мышцам, что позволяет спортсменам лучше выступать на соревнованиях после возвращения на уровень моря ¹⁶⁾. В предварительных экспериментах настоящего исследования, примерно через 2 часа после вдыхания CO концентрация ЭПО значительно увеличилась на 26,9%, а затем на 42,3% через 4 часа после вдыхания CO. Эти результаты аналогичны результатам, которые ранее были документированы Eckardt et al. (1989), которые определили, что у субъектов, которые подвергались воздействию моделируемой высоты 3000 и 4000 м, соответственно, ЭПО значительно увеличивалось через 114 и 84 мин, соответственно, с процентным увеличением на 40,6 и 67,7%, соответственно. Следовательно, можно сделать вывод, что клинически безопасная доза 1 мл / кг массы тела СО, которая также ранее использовалась Шмидтом и Проммером (2010), достаточна для индукции гипоксического состояния in vivo, стимулирующего также высвобождение ЭПО. Известно, что CO активно связывается с Hb, причем сродство связывания примерно в 200 раз выше, чем у O2 ¹⁷⁾. Когда CO вдыхается, он легко вытесняет O2 с участков связывания на Hb. Это происходит без снижения артериального PO2. Хотя высота приводит к снижению концентрации артериального PO2 и HbO2, вдыхание CO снижает только концентрацию артериального HbO2. Следовательно, при наличии HbCO, потенциально ухудшающем доставку O2 в клетки, может развиться клеточная гипоксия, несмотря на нормальный артериальный PO2, поскольку способность переносить кислород в плазме очень ограничена, вызывая повышенную секрецию ЭПО почками. Было показано, что усиление вентиляции во время упражнений может ускорить удаление СО из крови ¹⁸⁾, но в настоящем исследовании это не было определено, однако, это должно быть решено в будущем.

Считается, что увеличение VO2max в результате тренировок на высоте является результатом комбинации факторов, в том числе, улучшенной способности переносить кислород и улучшенной кинетики O2 ¹⁹⁾. Хорошо известно, что вызванная высотой гипоксемия стимулирует компенсаторную гипервентиляцию, вызывая системный алкалоз. Это приводит к почечной экскреции натрия и бикарбоната в попытке нормализовать рН. Выведение натрия и бикарбоната увеличивает потерю жидкости с мочой, что может привести к возможному обезвоживанию и раннему (не связанному с ЭПО) увеличению Hb и Hct из-за снижения PV. Это, в свою очередь, может ухудшить сердечный выброс, доставку кислорода и спортивные результаты. Напротив, СО не стимулирует гипервентиляцию, поскольку нет оснований для дегидратации после вдыхания СО. Как следствие, BV может лучше поддерживаться с использованием CO для симуляции высоты по сравнению с воздействием высоты. Действительно, результаты отражают это ожидание. Кроме того, в течение 3 дней после 4-недельного тренировочного вмешательства tHb увеличилось на 3,7% (ES = 0,76) в группе INCO и на 2,8% (ES = 0,93) в контрольной группе, эффект был очевидным и косвенно продемонстрировал функцию ЭПО. Предполагается, что некоторые потенциальные причины этого могут быть связаны с повышенным значением tHb и, следовательно, с длительным периодом полувыведения CO ²⁰⁾, а также с существующим повышением уровня tHb из-за высоких спортивных показателей участников. ²¹⁾ Хотя настоящее исследование не может установить причину и следствие, процентное увеличение BV было сходным с таковым у VO2max. В этом исследовании, увеличение как tHb, так и RCV соответствует результатам Wehrlin et al. (2006), в которых после 24 дней тренировок на высоте наблюдалось увеличение массы Hb на 5,3%, а RCV – на 5%. Кроме того, Friedmann et al. (2005) отметили, что у элитных спортсменов, которые жили и тренировались 3 недели на высоте 2100–2300 м, в среднем, наблюдалось значительное аналогичное увеличение tHb (6%). В соответствии с Friedmann et al. (2005), в этом исследовании не было выявлено существенной разницы в Hct, несмотря на увеличение tHb при сравнении измерений до и после тренировки. Предполагается, что причиной этого может быть увеличение PV. Однако, вопреки нашим результатам с использованием вдыхания СО, Wehrlin et al. (2006) не обнаружили значительных изменений в PV и BV после тренировки на высоте. Двумя фундаментальными факторами, непосредственно влияющими на максимальную аэробную мощность, являются транспорт O2 через сердечно-сосудистую систему и утилизация O2 ²²⁾. В частности, на транспорт O2 может влиять tHb в крови, а также BV ²³⁾. Следовательно, высокие значения tHb и BV необходимы для достижения максимальной аэробной мощности ²⁴⁾. Было высказано предположение, что увеличение tHb на 1 г может увеличить VO2max примерно на 4 мл / мин ²⁵⁾. Кроме того, более высокий BV, будь то через увеличение PV или массы эритроцитов, вызывает увеличение ударного объема, сердечного выброса и, следовательно, повышение VO2max. Изменение BV на 1,0 мл вызывает изменение VO2max на 0,7 мл / г / мин ²⁶⁾. Однако, при чрезмерном увеличении tHb есть вероятность увеличения вязкости крови, что негативно влияет на сердечный выброс ²⁷⁾, сводя на нет любые преимущества аэробных упражнений. Предполагается, что в этом исследовании увеличение PV, вероятно, предотвратило увеличение вязкости крови, и, следовательно, более высокая масса tHb не влияла на сердечный выброс, что привело к улучшению максимальной аэробной производительности.

Поглощение кислорода значительно уменьшилось при субмаксимальных скоростях 8, 10 и 12 км / ч, что свидетельствует об улучшении беговой экономики. В соответствии с этим, исследования гипобарической гипоксии у элитных спортсменов с субмаксимальной интенсивностью показали, что высотные тренировки могут усиливать энергетику за счет стимуляции эритропоэза, вызывая увеличение VO2max и снижение затрат энергии на физические упражнения ²⁸⁾. Считается, что основным вкладом в настоящее исследование является способность СО стимулировать митохондриальный биогенез ²⁹⁾, которая может быть частично инициирована, когда СО связывается с оксидазой цитохрома и усиливает образование митохондриальной перекиси водорода ³⁰⁾. Кроме того, СО действует аналогично оксиду азота, который, как было показано, снижает потребление кислорода скелетными мышцами у людей ³¹⁾, что, вероятно, также полезно при осуществлении экономии кислорода. Кроме того, было также установлено, что после воздействия СО экспрессия белка основного класса I (MHCI) комплекса гистосовместимости повышается в скелетных мышцах, что указывает на переход к эффективным мышечным фенотипам ³²⁾. Наконец, воздействие СО может играть важную роль в сохранении клеточного гомеостаза в местах повреждения мышц посредством стабилизации HIF-1α, вызывая повышенную регуляцию TGF-α, что приводит к его плейотропным эффектам ³³⁾. Однако, из-за преждевременного и нового характера этого исследования такие механистические основы можно только предполагать. Тем не менее, вполне вероятно, что СО, in vivo, может внести комплексный междисциплинарный вклад в улучшение экономики бега. Таким образом, необходимы дальнейшие исследования для определения механистической роли CO in vivo во время тренировок в улучшении экономики использования кислорода.

Это исследование включало только небольшое количество испытуемых, все из которых были футболистами. Следовательно, эти выводы следует расширить, изучив большее количество испытуемых, включая и другие спортивные дисциплины. Кроме того, поскольку чрезмерное вдыхание CO может быть вредным и даже смертельно опасным, вмешательства, связанные с вдыханием CO, такие как вышеперечисленные, должны проводиться только в хорошо контролируемых лабораторных условиях, где всегда тщательно контролируются как выдыхаемые уровни CO, так и значения CO в крови, и имеются соответствующие средства первой помощи.

Вдыхание СО (1 мл / кг массы тела) при нормоксии стимулирует секрецию ЭПО у хорошо обученных футболистов-мужчин. Вдыхание 1 мл / кг СО перед тренировочными сессиями (пять раз в неделю в течение 4 недель) увеличивает PV, BV, RBC, tHb, экономию бега и VO2max после тренировки и, таким образом, может быть альтернативным методом для жизни и / или тренировок на высоте, хотя в настоящем исследовании не проводилось прямого сравнения с тренировкой на высоте. Поэтому предполагается, что вдыхание СО является практическим методом стимулирования улучшения физиологических адаптаций к гипоксии без материальных и финансовых трудностей, связанных с путешествием в горы. Кроме того, вдыхание СО может также предотвратить дегидратирующий диурез, типичный для высоты, что может ухудшить производительность. Тем не менее, подчеркивается, что необходимы дальнейшие исследования в отношении этических проблем, связанных с вдыханием СО у отдельных спортсменов и в соревновательных видах спорта.

:Tags