Oxygen Delivery and Utilization during Acute Dynamic Exercise : Effects of Polycystic Ovary Syndrome, Type 1 Diabetes, and Exercise Training

Abstract

Oxygen Delivery and Utilization during Acute Dynamic Exercise: Effects of Polycystic Ovary Syndrome, Type 1 Diabetes, and Exercise Training Cardiovascular risk is increased in polycystic ovary syndrome (PCOS) and type 1 diabetes (T1D). Peak pulmonary O2 uptake (V̇O2peak) is a strong and independent predictor of cardiovascular risk. This thesis aimed at studying O2 delivery and utilization (i.e., integrated components of V̇O2 response to exercise) during acute dynamic exercise in healthy individuals and individuals with PCOS or T1D. The adaptations induced by long-term exercise training were also examined in individuals with and without T1D. Data on 22 healthy adult men (Study I), 15 adult overweight or obese women with and 15 without PCOS (Study II), seven adult men with and 10 without T1D (Study III), and eight adult men with and eight without T1D (Study IV) were analyzed. The groups were matched for age, anthropometry, and leisure-time physical activity (II, III) or baseline V̇O2peak (IV). PCOS women and men with T1D had no clinically overt cardiovascular disease. The subjects performed maximal incremental treadmill (I) or cycling (II-IV) exercise tests, and in Study IV the subjects did so both before and after a 1-year individualized exercise training intervention. Alveolar gas exchange (I-IV), arterial O2 saturation (I-IV), heart rate (I-IV), cardiac pump function (II, III), and active leg muscle deoxygenation (I, III, IV) and blood flow (III) (near-infrared spectroscopy [NIRS]), were monitored during the exercise tests. In Study IV, peak O2 pulse was calculated to reflect cardiac pump function. Blood volume (III), hemoglobin concentration (I-IV), and glycosylated hemoglobin A1c (III, IV) were determined. Reduced V̇O2peak, reduced peak systemic O2 extraction, and a pronounced cardiac response to increasing V̇O2 but otherwise intact systemic O2 delivery were observed in overweight and obese PCOS women. Reduced peak cardiac pump function, being associated with reduced blood volume, and independently deteriorated peak active leg muscle blood flow led to reduced V̇O2peak and were suggested to be associated with glycosylated hemoglobin A1c in men with T1D. The 1-year training intervention improved V̇O2peak and peak O2 pulse similarly in men with and without T1D but did not affect NIRS-derived local active muscle O2 extraction or glycosylated hemoglobin A1c in men with T1D. The associations between training dose and responses were consistent in healthy men but not in men with T1D. This thesis provides novel information on PCOS- and T1D-related early signs of subclinical cardiovascular dysfunction and leads future multi-disciplinary research to identify more detailed mechanisms behind and the clinical significance of the findings.Sydän- ja verenkiertosairauksien varhaisten ennusmerkkien etsintää liikunnan avulla Väitöstutkimuksessani havaitsimme munasarjojen monirakkulaoireyhtymä (polycystic ovary syndrome PCOS)- ja tyypin 1 diabetes (T1D) -potilailla alentuneen maksimaalisen hapenottokyvyn. Havaitsimme myös, että pitkäaikainen liikuntaharjoittelu parantaa T1D-potilaiden maksimaalista hapenottokykyä ja sydämen pumppaustoimintaa mutta ei heidän luustolihaksen mikroverenkierron häiriöitä eikä pitkäaikaista verensokeritasapainoa. Sydän- ja verenkiertosairauksien riski on kohonnut PCOS:ssä ja T1D:ssa. Sydän- ja verenkiertosairauksien riskiä ennustaa vahvasti ja itsenäisesti maksimaalinen hapenottokyky, joka kuvaa hengitys-, sydän- ja verenkiertoelimistön sekä luustolihasten toiminnallista kapasiteettia. Maksimaalinen hapenottokyky ja sen osatekijöitä voidaan mitata nousujohteisen maksimaalisen kuormituksen aikana. Väitöstutkimuksessani tutkimme hapenottokyvyn eri osatekijöiden käyttäytymistä akuutin fyysisen kuormituksen aikana sekä PCOS- ja T1D potilailla että terveillä verrokeilla. Tutkimme myös vuoden mittaisen liikuntaharjoittelun vaikutuksia T1D-potilaisiin ja terveisiin verrokkeihin. Tulostemme mukaan PCOS-potilaiden alentuneen maksimaalisen hapenottokyvyn taustalla ei ole heikentynyt sydämen pumppaustoiminta vaan hapenkulutusta alentavat muutokset happea käyttävissä kudoksissa, erityisesti luustolihaksissa. T1D-potilaiden alentuneen maksimaalisen hapenottokyvyn taustalta havaitsimme alentuneen veritilavuuden ja siten alentuneen sydämen pumppaustoiminnan. Havaitsimme myös T1D-potilaiden työskentelevän luustolihaksen maksimaalisen mikroverenvirtauksen alentuneeksi sydämen toiminnasta riippumattomasti. Mitä huonompi verensokeritasapaino T1D-potilailla oli, sitä enemmän tarkastelemamme osatekijät maksimaalista hapenottokykyä heillä rajoittivat. Maksimaalinen hapenottokyky ja sydämen pumppaustoimintaa kuvaavat muuttujat paranivat liikuntaharjoittelun myötä T1D-potilailla samassa määrin kuin terveillä verrokeilla, mutta aktiivisen luustolihaksen mikroverenkierto ja pitkäaikainen verensokeritasapaino eivät. Liikuntaharjoittelun annoksen ja vasteiden välillä oli johdonmukainen suhde terveillä verrokkeilla mutta ei T1D-potilailla; T1D-potilaan liikuntaharjoittelun tulleekin olla yksilöllisesti erityisen räätälöityä suotuisien vasteiden aikaansaamiseksi. Väitöstutkimukseni antaa lisätietoa PCOS:ään ja T1D:een liittyvistä sydän- ja verenkiertosairauksien varhaisista ennusmerkeistä ja ohjaa tulevaisuuden poikkitieteellistä tutkimusta tunnistamaan niiden yksityiskohtaisempia mekanismeja, kliinistä merkittävyyttä ja hoitoa