effetti del bere acqua idrogenata sull’affaticamento muscolare causato dall’esercizio acuto negli atleti d’élite

La contrazione muscolare durante brevi intervalli di intenso esercizio fisico provoca stress ossidativo, che può svolgere un ruolo nello sviluppo di sintomi di sovrallenamento, incluso aumento della fatica, con conseguente microinjury muscolare o infiammazione. Recentemente è stato detto che l’idrogeno può funzionare come antiossidante, quindi abbiamo studiato l’effetto dell’acqua ricca di idrogeno / acqua idrogenata (HW) sullo stress ossidativo e sull’affaticamento muscolare in risposta all’esercizio acuto.

metodi

Dieci calciatori di sesso maschile di età compresa tra 20,9 ± 1,3 anni sono stati sottoposti a test da sforzo e prelievi di sangue. Ogni soggetto è stato esaminato due volte in modo crossover in doppio cieco; sono stati somministrati  acqua idrogenata HW o placebo (PW) per intervalli di una settimana. Ai soggetti è stato chiesto di utilizzare un cicloergometro con un assorbimento di ossigeno massimo del 75% (VO 2 ) per 30 minuti, seguito dalla misurazione della coppia massima e dell’attività muscolare durante 100 ripetizioni dell’estensione isocinetica massima del ginocchio. I marcatori di stress ossidativo e la creatina chinasi nel sangue periferico sono stati misurati in sequenza.

risultati

Sebbene l’esercizio fisico acuto abbia comportato un aumento dei livelli di lattato nel sangue nei soggetti trattati con PW, l’assunzione orale di acqua idrogenata HW ha impedito un aumento del lattato nel sangue durante l’esercizio fisico intenso. La coppia di picco della PW è diminuita significativamente durante la massima estensione isocinetica del ginocchio, suggerendo affaticamento muscolare, ma la coppia di picco di acqua idrogenata HW non è diminuita nella fase iniziale. Non ci sono stati cambiamenti significativi nei marker di danno ossidativo nel sangue (d-ROM e BAP) o nella creatinchinasi dopo l’esercizio.

Conclusione

Un’adeguata idratazione con pre-esercizio con acqua ricca di idrogeno ha ridotto i livelli di lattato nel sangue e migliorato il declino della funzione muscolare indotto dall’esercizio. Sebbene ulteriori studi per chiarire i meccanismi esatti e i benefici siano necessari per essere confermati in una serie più ampia di studi, questi risultati preliminari possono suggerire che l’ acqua idrogenata HW può essere un’idratazione adatta per gli atleti.

introduzione

Poiché la domanda di energia e il consumo di ossigeno aumentano durante l’esercizio supermaximale, come corsa intermittente, sprint e salti, anche la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e di azoto reattivo (RNS) aumenta, minacciando di disturbare l’equilibrio redox e causare stress ossidativo. In condizioni normali, ROS e RNS vengono generati a bassa velocità e successivamente eliminati dai sistemi antiossidanti. Tuttavia, un tasso notevolmente aumentato di produzione di ROS può superare la capacità del sistema di difesa cellulare. Di conseguenza, l’attacco sostanziale dei radicali liberi sulle membrane cellulari può portare a una perdita di vitalità cellulare e alla necrosi cellulare e potrebbe innescare il danno e l’infiammazione del muscolo scheletrico causati da un esercizio esaustivo [ 1 – 3 ]. Sebbene gli atleti ben allenati soffrano di una riduzione dello stress ossidativo minore perché i loro sistemi antiossidanti si adattano, l’accumulo di esercizio fisico intenso può provocare un aumento dello stress ossidativo [ 4 ]. Per mitigare gli eventi avversi indotti dallo stress ossidativo durante lo sport, l’integrazione di antiossidanti tra gli atleti è stata ben documentata. Sebbene i risultati di questi studi siano spesso contraddittori a seconda dei composti antiossidanti e della quantità, alcuni studi dimostrano gli effetti benefici degli antiossidanti sull’affaticamento muscolare o sulle prestazioni [ 5 , 6 ].

Recentemente, gli effetti benefici dell’acqua ricca di idrogeno (HW) acqua idrogenata sono stati descritti in condizioni di malattia sperimentale e clinica [ 7 , 8 ]. Sebbene la ricerca sui benefici per la salute di acqua idrogenata HW sia limitata e ci siano pochi dati sugli effetti a lungo termine, studi pilota sull’uomo suggeriscono che il consumo di HW può aiutare a prevenire la sindrome metabolica [ 9 ], il diabete mellito [ 10 ] e gli effetti collaterali dei malati di cancro con radioterapia [ 11 ]. Poiché è noto che l’idrogeno elimina i ROS tossici [ 12 ] e induce un numero di proteine ​​antiossidanti [ 13 , 14 ], abbiamo ipotizzato che bere /  acqua idrogenata HW possa essere utile per gli atleti nel ridurre l’affaticamento muscolare indotto dallo stress ossidativo dopo l’esercizio acuto. In questo studio, abbiamo valutato l’efficacia dell’acqua ricca di idrogeno su soggetti sani misurando l’affaticamento muscolare e i livelli di lattato nel sangue dopo l’esercizio. Sebbene siano necessari ulteriori studi per chiarire gli esatti meccanismi e benefici, questo rapporto suggerisce che l’acqua ricca di idrogeno potrebbe essere un fluido di idratazione adeguato per gli atleti.

metodi

Soggetti

Dieci calciatori maschi di età compresa tra 20,9 ± 1,3 anni sono stati sottoposti a test da sforzo e prelievi di sangue. Nessuno dei soggetti era fumatori o stava assumendo integratori / medicinali. Ogni soggetto ha fornito il consenso informato scritto prima della partecipazione in conformità con il Comitato etico per la ricerca umana dell’Università di Tsukuba. Le caratteristiche fisiche dei soggetti sono mostrate nella Tabella 1 . Tutti i giocatori sono stati coinvolti in sessioni di allenamento quotidiane tranne il giorno dell’esperimento.

Tabella 1 Caratteristiche fisiche dei soggetti (n = 10)

Generazione di acqua ricca di idrogeno

Ai partecipanti è stato chiesto di bere una bottiglia da 500 ml alle 22:00 del giorno prima del test, una bottiglia da 500 ml alle 5:00 e una bottiglia da 500 ml alle 6:20 del giorno dell’esame. In sintesi, i soggetti hanno consumato 1.500 ml di acqua molecolare ricca di idrogeno HW o PW (concentrazioni finali di idrogeno nell’acqua placebo (PW) e acqua ricca di idrogeno (HW) erano 0 e 0,92 ~ 1,02 mM, rispettivamente [9, 11]. il soggetto è stato esaminato due volte in modo crossover in doppio cieco, in presenza di acqua molecolare ricca di idrogeno HW o PW per intervalli di una settimana).

Dose e modalità di somministrazione di acqua ricca di idrogeno

Ai soggetti sono state fornite tre bottiglie da 500 ml di acqua potabile e le è stato chiesto di posizionare due bastoncini di magnesio in ciascuna bottiglia 24 ore prima di bere. Ai partecipanti è stato chiesto di bere una bottiglia alle 22:00 del giorno prima del test, una alle 5:00 e una alle 6:20 il giorno dell’esame. In sintesi, i soggetti hanno consumato 1.500 ml di acqua idrogenata  HW o PW.

Protocollo

Il protocollo di ricerca è iniziato alle 6:00. I soggetti hanno ricevuto i pasti tra le 21:00 e le 22:00 il giorno prima degli esperimenti e hanno digiunato durante la notte. Il giorno degli esperimenti non fu fatta colazione. I soggetti dovevano prima riposare in posizione seduta per 30 minuti. Il test da sforzo consisteva in: 1) Test da sforzo progressivo massimo per definire l’assorbimento massimo di ossigeno (VO 2 max); 2) pedalare un ergometro per 30 minuti a circa il 75% di VO 2 max (Esercizio-1); e 3) Esecuzione di 100 estensioni isocinetiche massime del ginocchio a 90 ° sec -1 (Esercizio-2). Campioni di sangue sono stati raccolti da una vena antecubitale appena prima dell’esercizio-1 (6:30), immediatamente dopo l’esercizio-1 (7:15), immediatamente dopo l’esercizio-2 (7:30), 30 minuti dopo l’esercizio-2 (8:00) e 60 minuti dopo l’esercizio 2 (8:30).

Test di esercizio progressivo massimo

In primo luogo, per definire l’assorbimento massimo di ossigeno (VO 2 max), i soggetti sono stati sottoposti a un test di esercizio progressivo massimo su un ergometro da bicicletta (232CL, Conbiwellness, Tokyo). Il test consisteva in un test a passi continui che iniziava con un carico di 30 W e aumentava di 20 W ogni minuto fino all’esaurimento. I soggetti sono stati istruiti a guidare a 50 rpm / min. I valori di scambio di gas polmonare sono stati misurati utilizzando un sensore di gas espirato (AE280S, Minato Medical®, Osaka, Giappone) tramite un sistema respiro per respiro, e i valori medi sono stati calcolati ogni 30 secondi per l’analisi. Abbiamo stabilito che VO 2 max è stato raggiunto quando il consumo di ossigeno ha raggiunto il suo plateau [ 15 ].

Ciclo a carico fisso al 75% (alta intensità) di VO 2 max

Prima dell’inizio del test, i soggetti si sono riposati per due minuti. Dopo il riscaldamento a un carico di 50 W per un minuto, i soggetti sono stati istruiti a guidare a livelli sottomassali per 30 minuti. I valori di scambio di gas polmonare sono stati monitorati per mantenere VO 2 max a circa il 75%. Durante gli esperimenti, i soggetti sono stati spesso istruiti verbalmente a controllare la gamma di movimento per mantenere VO 2 max a circa il 75%.

Estensioni isocinetiche massime del ginocchio

Un dispositivo isocinetico calibrato Biodex System 3 (Biodex Medical Systems, New York, USA) è stato utilizzato per misurare la coppia di picco (PT) e la posizione dell’articolazione del ginocchio durante 100 ripetizioni dell’estensione isocinetica massima del ginocchio. Durante i test, ogni soggetto era seduto sul sistema Biodex 3 con una flessione dell’anca di 90 ° e le cinghie di ritenuta venivano posizionate su vita e torace oltre a uno stabilizzatore sternale rigido. Il dinamometro era azionato da un motore a una velocità costante di 90 ° / sec. Ogni soggetto ha eseguito una serie di 100 contrazioni isocinetiche usando gli estensori del ginocchio della gamba destra da 90 ° di flessione a 0 ° (estensione completa). Man mano che il braccio del dinamometro si spostava da 90 ° a 0 °, i soggetti venivano incoraggiati ad esibirsi al massimo per ogni contrazione in tutto il campo di movimento. I soggetti si rilassarono quando il braccio del dinamometro tornò a 90 °. Ogni periodo di contrazione e rilassamento è durato un secondo e la durata totale del ciclo di contrazione è stata quindi di due secondi. Tutti i soggetti sono stati in grado di completare le 100 contrazioni.

Misurazione dell’affaticamento muscolare

Per misurare l’affaticamento muscolare, viene utilizzata la tecnica di trasformazione First Fourier (FFT) ampiamente utilizzata per analizzare la frequenza media dell’elettromiogramma di superficie (EMG) [ 16 ]. I segnali EMG sono stati ottenuti dal muscolo retto femorale tramite elettrodi collegati a un trasmettitore di modulazione di frequenza a 4 canali (Nihon Kohden, Tokyo, Giappone). Tutti i dati sono stati archiviati e analizzati utilizzando le funzioni FFT nel software Acknowledge 3.7.5 (BIOPAC SYSTEM, Santa Barbara, USA). La frequenza media di potenza (MPF) e la frequenza media di potenza (MDF) sono state calcolate come precedentemente descritto [ 17 ]. Lo spostamento dell’MPF del segnale EMG verso frequenze più basse è stato ampiamente utilizzato nelle contrazioni statiche per indicare lo sviluppo della fatica periferica.

Esame del sangue

I livelli di lattato nel sangue sono stati determinati utilizzando un kit Lactate Pro LT17170 disponibile in commercio (Arkray, Inc., Kyoto, Giappone). Le concentrazioni di derivati ​​dei metaboliti ossidativi reattivi (dROM) e del potere antiossidante biologico (BAP) nel sangue periferico sono state valutate utilizzando un sistema analitico radicale libero (FRAS4; Wismerll, Tokyo, Giappone). Test di laboratorio per la creatinchinasi (CK) sono stati condotti utilizzando procedure standardizzate presso il Kotobiken Medical Laboratory Services (Tokyo, Giappone).

analisi statistica

Sono stati utilizzati test ripetuti di analisi della varianza (ANOVA) per confrontare le misurazioni pre e post esercizio. Il test F con i confronti di gruppo post hoc di Bonferroni è stato eseguito dove appropriato. Valori di probabilità inferiori a 0,05 sono stati considerati statisticamente significativi. SPSS 18.0 è stato utilizzato per eseguire l’analisi statistica. Poiché è stato pianificato che l’esperimento ha una potenza del 90% per raggiungere la significatività a livello del 5%, la dimensione del campione in questo modello è calcolata tra 8,91 e 9,25 (potenza del 90% e livello di significatività del 5%) nei livelli di lattato nel sangue in base a le nostre precedenti esperienze. Pertanto, abbiamo ipotizzato che la dimensione del campione fosse appropriata per l’accumulo di dati preliminari.

risultati

Analisi del sangue per acido lattico, d-ROM, BAP e CK

Come mostrato nella Tabella 2 , i livelli di D-ROM BAP e CK nel sangue sono aumentati dopo l’esercizio in soggetti in entrambi i gruppi trattati con PW e acqua idrogenata  HW. Tuttavia, non vi era alcuna differenza statistica tra i gruppi. Sebbene il livello di lattato nel sangue fosse significativamente aumentato sia in acqua idrogenata HW che in PW a 45 e 60 minuti dopo l’esercizio, questi livelli erano comparabilmente e significativamente più bassi in acqua idrogenata  HW che nel gruppo PW (Figura 1 ).

Tabella 2 Cambiamenti nei livelli ematici
Figura 1
Figura 1

Cambiamenti sequenziali dei livelli di lattato nel sangue durante l’esercizio. I livelli di lattato nel sangue negli atleti trattati con PW sono aumentati in modo significativo immediatamente dopo l’esercizio rispetto ai livelli pre-allenamento. HW acqua idrogenata  ha ridotto significativamente i livelli di lattato nel sangue dopo l’esercizio usando l’ergometro per biciclette. (* p <0,05 vs. tempo 0. #p <0,05 vs HW, N = 10).

Esercizio di estensione massima del ginocchio

All’analisi per il massimo esercizio di estensione del ginocchio, abbiamo diviso in cinque fotogrammi di estensione del ginocchio a 100 ripetizioni alla coppia massima dell’esercizio di estensione isocinetica del ginocchio [ 18 ]. Ad ogni frame corrispondevano 20 ripetizioni; Frame 1 per le prime 20 ripetizioni, frame 2 per le seguenti 21-40 ripetizioni, frame 3 per 41-60 ripetizioni, frame 4 per 61-80 ripetizioni e frame 5 per le ultime 81-100 ripetizioni. Sebbene la coppia di picco dei soggetti trattati con PW sia diminuita significativamente durante le prime 40 ripetizioni (Frame 1-2), la riduzione della coppia di picco nei soggetti trattati con acqua idrogenata  HW non ha raggiunto la differenza statistica, suggerendo che acqua idrogenata  HW ha inibito la riduzione precoce della coppia di picco di i soggetti (Figura 2 A).

MDF e MPF dall’analisi EMG

MDF e MPF nei soggetti trattati con PW o acqua idrogenata  HW sono diminuiti significativamente con il tempo durante l’esercizio. Sebbene questi valori siano significativamente diminuiti nel fotogramma 1-2, non vi era alcuna differenza statistica tra i soggetti che ricevevano PW e quelli che ricevevano acqua idrogenata  HW (Figura 2 B, C).

figura 2
figura 2

(A) Cambiamenti nella coppia di picco (PT) ogni 20 ripetizioni (rep = 1 frame) durante 100 estensioni massime del ginocchio isocinetico. Il PT dei soggetti trattati con PW è diminuito significativamente durante le contrazioni iniziali 40-60 di circa il 20-25% dei valori iniziali, seguito da una fase con poche variazioni. D’altra parte, non vi era alcuna differenza statistica tra il fotogramma 1 e il fotogramma 2 in acqua idrogenata  HW, indicando che HW ha impedito la riduzione della coppia di picco durante i primi 2 frame. HW, acqua ricca di idrogeno; PW, acqua placebo. (* p <0,05 vs Frame 1, N = 10). (B) Cambiamenti nella frequenza mediana (MDF) ogni 20 ripetizioni (rep = 1 frame) durante 100 estensioni massime del ginocchio isocinetico. Sebbene l’esercizio fisico abbia ridotto significativamente i valori di MDF durante i primi 2 frame, non vi era alcuna differenza statistica tra acqua idrogenata  HW e PW in tutti i frame. HW, acqua ricca di idrogeno; PW, acqua placebo. (* p <0,05 vs Frame 1, N = 10). (C) Cambiamenti nella frequenza media di potenza (MPF) ogni 20 ripetizioni (rep = 1 frame) durante 100 estensioni massime del ginocchio isocinetico. Non c’era alcuna differenza statistica tra acqua idrogenata  HW e PW in tutti i frame. HW, acqua ricca di idrogeno; PW, acqua placebo. (* p <0,05 vs Frame 1, N = 10).

Discussione

In questo studio preliminare, abbiamo dimostrato che l’idratazione con acqua idrogenata  HW ha attenuato l’aumento dei livelli di lattato nel sangue e ha prevenuto la diminuzione post-esercizio della coppia di picco, un indicatore di affaticamento muscolare. L’affaticamento muscolare è causato da molti meccanismi diversi, tra cui l’accumulo di metaboliti all’interno delle fibre muscolari e la generazione di un comando motorio inadeguato nella corteccia motoria. Gli accumuli di potassio, lattato e H + sono stati spesso ritenuti responsabili della riduzione della contrattilità muscolare [ 19 ]. Inoltre, l’esercizio aerobico, anaerobico o misto provoca una maggiore produzione di ROS, con conseguente infiammazione e danno cellulare [ 20 ]. Brevi esplosioni di esercizio fisico intenso possono indurre stress ossidativo attraverso varie vie come la perdita di elettroni nei mitocondri, l’auto-ossidazione della catecolamina, l’attività NADPH o l’ischemia / riperfusione [ 21 ]. Sebbene il meccanismo coinvolto nell’efficacia di acqua idrogenata HW rimanga poco chiaro, i nostri risultati mostrano che l’idratazione con HW potrebbe essere fattibile per l’esercizio acuto. Un’idratazione adeguata e adeguata è utile per gli atleti d’élite per ottenere le migliori prestazioni. L’ acqua idrogenata HW può facilmente sostituire regolarmente l’acqua potabile su base routinaria e potrebbe potenzialmente prevenire gli effetti avversi associati all’esercizio fisico intenso.

Fattori come l’età, lo stato nutrizionale, il livello di allenamento e la categoria di attività fisica possono influenzare i risultati [ 22 , 23 ]. Sebbene avessimo previsto che l’idrogeno, un noto antiossidante, avrebbe ridotto lo stress ossidativo a seguito di esercizio acuto, gli effetti dell’assunzione orale di acqua idrogenata  HW erano marginali e non influivano sul livello dei marker ossidativi dopo l’esercizio. Ciò può essere spiegato dai fatti che gli atleti nel nostro studio si sono allenati regolarmente e che i loro sistemi di difesa antiossidanti potrebbero essere più attivi. Precedenti studi hanno riportato che un ripetuto allenamento aerobico aumenta l’attività degli enzimi antiossidanti e successivamente diminuisce lo stress ossidativo [ 2 , 24 – 26 ]. Inoltre, considerando la breve durata dell’idrogeno in circolazione [ 27 ], un consumo più frequente di acqua idrogenata HW durante l’esercizio fisico potrebbe avere effetti aggiuntivi. In uno studio futuro, l’efficacia di acqua idrogenata HW su soggetti non allenati o esercitatori ricreativi, che potrebbero avere sistemi antiossidanti scarsamente stabiliti per combattere lo stress ossidativo indotto dall’esercizio, dovrebbe essere testata. Inoltre, dovrebbero essere studiati diversi protocolli di consumo.

Abbiamo quantificato l’affaticamento muscolare come un declino della forza massima o della capacità di potenza del muscolo, il che significa che le contrazioni sottomossimali possono essere sostenute dopo l’inizio dell’affaticamento muscolare. Allo stesso modo, la concentrazione di lattato nel sangue è uno dei parametri più spesso misurati durante i test di esercizio clinico, nonché durante i test delle prestazioni degli atleti. Il lattato è stato spesso considerato una delle principali cause di affaticamento sia durante l’esercizio fisico che dopo l’indolenzimento muscolare post-esercizio. Il lattato generato dalla disgregazione anaerobica del glicogeno nel muscolo si verifica solo durante brevi periodi di esercizio di intensità relativamente elevata ed è generalmente correlato a affaticamento e indolenzimento muscolare. Precedenti prove hanno dimostrato che il fosfato inorganico proveniente dalla creatina fosfato era la causa principale dell’affaticamento muscolare [ 28 ].

La disidratazione negli atleti può anche causare affaticamento, scarse prestazioni, riduzione della coordinazione e crampi muscolari. Sebbene siano giustificate ulteriori indagini, bere acqua idrogenata  HW può essere una strategia di idratazione appropriata [ 29 ]. In questo studio, abbiamo somministrato acqua idrogenata  HW o PW a soggetti prima dell’esercizio. Sono necessarie ulteriori indagini per determinare i tempi, la dose e la concentrazione di idrogeno migliori dell’acqua potabile per ottimizzare gli effetti dell’ acqua idrogenata  HW.

In conclusione, i nostri dati preliminari hanno dimostrato che il consumo di HW acqua idrogenata ha ridotto i livelli di lattato nel sangue e migliorato l’affaticamento muscolare dopo l’esercizio acuto. Sebbene ulteriori studi siano assolutamente giustificati, bere HW acqua idrogenata  sarebbe una nuova ed efficace strategia di idratazione dei fluidi per gli atleti.

Studio pilota: effetti del bere acqua ricca di idrogeno sull’affaticamento muscolare causato dall’esercizio acuto negli atleti d’élite

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Riferimenti

Ringraziamenti

Questa ricerca è stata supportata da una sovvenzione della Daimaru Research Foundation assegnata a SM.

Informazioni sull’autore

Corrispondenza con Atsunori Nakao .

Informazioni aggiuntive

Interessi conflittuali

Gli autori dichiarano di non avere interessi in gioco.

Contributi degli autori

KA, TA e YM hanno partecipato alla progettazione del protocollo e all’accumulazione dei dati. AN ha concepito lo studio e redatto il manoscritto. SM ha partecipato alla progettazione e al coordinamento dello studio. Tutti gli autori hanno letto e approvato il manoscritto finale.

File originali inviati dagli autori per immagini

Di seguito sono riportati i collegamenti ai file originali inviati dagli autori per le immagini.

File originale degli autori per la figura 1

File originale degli autori per la figura 2

Diritti e autorizzazioni

Ristampe e autorizzazioni

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