Biomarcadors sanguinis per a la caracterització del dany muscular induït per exercicis del tren inferior = Blood biomarkers for the characterization of muscle damage induced by lower limb exercises

Abstract

[cat] L'objectiu d'aquesta tesi ha estat caracteritzar el dany muscular induït per diversos exercicis del tren inferior mitjançant l'anàlisi de l'evolució temporal i la magnitud de canvi de l'activitat o la concentració de marcadors bioquímics sèrics. Amb aquesta finalitat, el dany muscular induït per diversos exercicis del tren inferior s’ha avaluat mitjançant protocols de laboratori basats en exercicis d'alta intensitat (HIE) (estudis I, II i III) i protocols de camp consistents en exercicis de llarga durada (LDE) (estudis IV i V). Exercici d'alta intensitat En el primer estudi (I), el dany muscular induït per un exercici de mig esquat inercial d’alta intensitat es va avaluar mitjançant l'evolució en sèrum de l’activitat d'enzims musculars i la concentració de proteïnes del sarcòmer específiques del tipus de fibra (ràpida [tipus II] o lenta [tipus I]), com ara les isoformes ràpida (tipus II) i lenta (tipus I o ß) de la miosina (FM i SM, respectivament). Es van registrar els perfils sèrics de deu homes joves, sans i físicament actius a l'inici de l'estudi i en diversos punts temporals després de l'exercici. Mentre que l'augment sèric d’enzims musculars va suggerir un increment de la permeabilitat de la membrana tant de les fibres lentes (tipus I) com de les ràpides (tipus II), l’increment d’FM va suggerir la disrupció del sarcòmer, i també un increment de la permeabilitat de la membrana de fibres ràpides (tipus II). Per tant, vam concloure que un model molecular indirecte de dany muscular induït es pot construir mitjançant l’avaluació de l'evolució temporal de l'activitat o la concentració sèrica d'enzims i proteïnes musculars, d'acord amb el seu pes molecular, el compartiment de la fibra en la qual es troben i el tipus de fibra (ràpida [tipus II] o lenta [tipus I]) en les quals s'expressen. Durant el segon estudi (II) es va aplicar el model molecular indirecte d’EIMD per avaluar la resposta muscular. Concretament, es va avaluar, en un saltador de perxa entrenat (PV) i un estudiant d'educació física (PE), l'efecte d'un exercici de premsa de cames fins a l’extenuació (LPF). Els paràmetres mecànics de l’exercici es van utilitzar com a indicadors del rendiment i la fatiga induïda per LPF. El PV va revelar un perfil explosiu (orientat a la potència) que va induir a danys lleus i selectius de les fibres ràpides (tipus II). Per contra, el PE va mostrar un perfil resistent a la fatiga, i també una activitat enzimàtica superior i una elevada concentració sèrica d’SM, cosa que suggereix un grau més alt de dany de les fibres lentes (tipus I). En l'últim estudi d’HIE (III), es va investigar el grau de dany induït per un exercici excèntric intensiu sobre la musculatura isquiotibial i es van analitzar les diferències en el grau de dany intersubjectes i intrasubjectes (comparació entre extremitats d’un mateix subjecte). Amb aquesta finalitat, es va avaluar la relació entre biomarcadors sèrics i altres marcadors indirectes de dany muscular. Tretze homes van realitzar sis sèries de deu repeticions de rull femoral unilateral i en van executar només la fase excèntrica amb cada cama. Atès que deu dels tretze participants en l’estudi van patir nivells elevats de dany muscular, els resultats desafien la noció segons la qual el dany muscular greu en humans es limita a protocols d'estimulació elèctrica. També es van observar diferències en la comparació entre extremitats, fet que va revelar que els dissenys experimentals que utilitzen l’extremitat contralateral com a control han de tenir en compte que es poden induir diversos graus de dany sobre la musculatura isquiotibial en ambdues cames d’un mateix subjecte. A més, la creatina quinasa mitocondrial del sarcòmer (sMtCK) sembla ser un nou i prometedor biomarcador d’EIMD que permet la identificació de high responders. Finalment, quan es recupera la funció muscular, increments persistents del temps de relaxació transversal (T2) suggereixen un procés d'adaptació/remodelació més que no pas dany muscular. Exercici de llarga durada El primer estudi d’LDE (IV) aplica el model molecular indirecte de dany muscular per avaluar la resposta del múscul després d’una ultramarató de muntanya (MUM) en vuit atletes (amateurs) entrenats en disciplines de resistència. Els resultats permeten concloure que l'augment de la concentració en sèrum d’SM després d’una MUM podria ser una evidència indirecta de disrupcions selectives del sarcòmer de fibres lentes (tipus I). Finalment, a l'últim estudi (V) basat en protocols d’LDE es van comparar els canvis induïts per una cursa de muntanya de 35 km (MTR) i una MUM de 55 km en els nivells sèrics de biomarcadors de dany muscular. La mostra de l’estudi es va compondre d’un grup de deu homes (amateurs) entrenats en disciplines de resistència, que van competir a l’MTR, i d’un altre grup de sis homes amb nivells elevats d’entrenament, que van competir a la MUM. Els resultats indiquen que la major distància recorreguda a la MUM podria estar relacionada amb nivells superiors de dany muscular de les fibres lentes (tipus I), fins i tot en individus altament entrenats.[eng] The aim of this thesis was to characterize lower limb exercise-induced muscle damage (EIMD) by analysing the time course and the magnitude of activity or concentration change of serum biochemical markers. For that purpose, lower limb EIMD was assessed by laboratory high intensity exercise (HIE) protocols (studies I, II and III) and field long duration exercise (LDE) protocols (studies IV and V). High intensity exercise In the first study (I), muscle damage induced by high intensity inertial half-squat exercise performed on a flywheel device was assessed through the serum evolution of muscle enzymes and fiber type-specific sarcomere proteins such as fast (type II) and slow (type I/ß) myosin (FM and SM respectively). Serum profiles were recorded at baseline and at different time points after exercise in ten healthy, physically active young men. The increase in serum muscle enzymes suggests increased membrane permeability of both fast (type II) and slow (type I) fibers, and the increase in FM reveals sarcomere disruption as well as increased membrane permeability of fast (type II) fibers. We concluded that an indirect molecular model of muscle damage could be constructed by measuring the time course of serum activity or concentration of muscle enzymes and proteins, according to their molecular weight, the fiber compartment in which they are located, and the fiber type (fast [type II] or slow [type I]) in which they are expressed. During the second study (II) we applied the indirect molecular model of EIMD to assess the muscle response. Specifically, in a trained pole vaulter (PV) and a physical education student (PE), we investigated the effect of a leg press exercise leading to failure (LPF) on changes in serum activity of muscle enzymes and serum concentration of FM and SM, while simultaneously examining mechanical output components as indicators of the performance and fatigue developed throughout the exercise. The PV’s exercise output revealed an explosive (power-oriented) profile leading to selective mild damage of fast fibers. In contrast, the PE exercise output showed a fatigue-resistant profile, which induced greater muscle enzyme activity and SM serum concentration, suggesting a higher extent of slow fiber damage. In the last HIE study (III), we investigated the degree of damage inflicted on the hamstring muscles by an intensive voluntary eccentric exercise. We analysed differences in the extent of damage between-subjects and within-subjects (limb-to-limb comparison). To do so, we assessed the relationship between serum biomarkers and other indirect markers of muscle damage. Thirteen males performed six sets of ten reps of eccentric unilateral leg curl with each leg. Results from this study challenge the notion that severe EIMD in humans is restricted to electrical stimulation protocols, since ten (‘high responders’) out of a total of thirteen subjects suffered severe muscle damage. Within-subject (limb-to-limb comparison) differences were also observed, revealing that experimental designs using contralateral limbs as a control should consider that different degrees of hamstring damage can be induced in the two legs. Sarcomeric mitochondrial creatine kinase (sMtCK) is a promising novel EIMD biomarker that allows identification of high responders. Finally, when muscle function is recovered, long-lasting increases in transverse relaxation time (T2) values suggest an adaptive process rather than damage. Long duration exercise The first LDE study (IV) applied the indirect molecular model of EIMD to assess the muscle response after mountain ultramarathon (MUM) in eight endurance-trained amateur athletes. From the results, we concluded that the increase in SM serum concentration after MUM may be indirect evidence of slow (type I) fiber-specific sarcomere disruptions. Finally, the last study (V) based on LDE protocols compared serum changes of biomarkers of EIMD after a 35-km mountain trail race (MTR) and a 55-km MUM. The sample was composed of one group of ten amateur trained male athletes who ran a 35-km MTR and another group of six highly trained male athletes who ran a 55-km MUM. The results indicate that mountain running distance is related to deeper slow (type I) muscle fiber damage, even in highly trained individuals