W jaki sposób ćwiczenia fizyczne wyzwalają zmiany metaboliczne we krwi?

ćwiczenia

W skrócie -

  • Naukowcy z Massachusetts General Hospital w Bostonie zbadali, w jaki sposób ćwiczenia fizyczne wpływają na metabolity związane z metabolizmem, szczególnie na poziom insuliny, glukozy we krwi, spalanie tłuszczu i inne parametry zdrowia kardiometabolicznego
  • Naukowcy zbadali poziom 588 metabolitów i odkryli, że poziom 80% z uległ zmianie w odpowiedzi na krótką sesję ćwiczeń
  • Poziomy glutaminianu, który jest związany z cukrzycą, chorobami serca i nadciśnieniem, spadły o 29% po sesji ćwiczeń, podczas gdy poziom walerianianu dimetyloguanidyny (DMGV), który jest związany z chorobami wątroby, spadł o 18%
  • Ponadto, intensywność ćwiczeń ma znaczenie dla uzyskania jak największych korzyści, a energiczna aktywność fizyczna jest najkorzystniejsza
  • W badaniu kohortowym obejmującym 403 681 osób dorosłych, wyższy stosunek intensywnej aktywności fizycznej do całkowitej aktywności fizycznej wiązał się z większym spadkiem śmiertelności

Według dr. Mercoli

Z pewnością wiesz, że aktywność fizyczna jest dla Ciebie dobra. Ale czy wiesz, dlaczego? Korzyści wykraczają daleko poza spalanie kalorii i utratę wagi, w sferę molekularną i metabolom. Metabolomika jest dziedziną badającą małe cząsteczki lub metabolity w komórkach, tkankach i płynach ustrojowych. Te małe cząsteczki, wraz z ich interakcjami, nazywane są metabolomem.

Metabolomika dotyczy produktów metabolizmu, na które wpływają zarówno czynniki genetyczne, jak i środowiskowe – w tym wysiłek fizyczny. Badanie metabolitów jest wyjątkowo ciekawe, ponieważ daje wgląd w aktywność biochemiczną komórek i tkanek. Ponadto zmiany metaboliczne mogą odgrywać kluczową rolę w rozwoju i progresji chorób układu krążenia i mogą wpływać na zdrowie układu sercowo-metabolicznego.

Fakt, że ćwiczenia wpływają na te zmiany, może nawet pomóc wyjaśnić, w jaki sposób ćwiczenia zmniejszają ryzyko chorób serca i śmiertelności – to wniosek z badania opublikowanego w czasopiśmie American Heart Association Circulation.

Ćwiczenia fizyczne prowadzą do zmian w metabolomie

Naukowcy z Massachusetts General Hospital w Bostonie przeanalizowali dane ochotników biorących udział w długoterminowym badaniu Framingham Heart Study, aby ocenić, w jaki sposób ćwiczenia fizyczne wpływają na metabolity związane z metabolizmem, szczególnie na poziom insuliny, glukozy we krwi, spalania tłuszczu i innych parametrów zdrowia kardiometabolicznego.

W pierwszej części badania udział wzięło 411 mężczyzn i kobiet w średnim wieku, którzy do ćwiczyli na stacjonarnym rowerze aż do utraty sił; w większości przypadków sesja trwała około 11,9 minuty4. Krew pobierano przed treningiem, gdy ochotnicy odpoczywali, a następnie bezpośrednio po sesji, w punkcie szczytowego wysiłku, w celu określenia poziomów metabolitów.

Naukowcy zmierzyli poziom 588 metabolitów i stwierdzili, że poziom 80% z nich uległ zmianie w odpowiedzi na sesję ćwiczeń. Na przykład, poziom glutaminianu, który jest powiązany cukrzycą, chorobami serca i wysokim ciśnieniem krwi, spadł o 29% po sesji ćwiczeń, a poziom walerianianu dimetyloguanidyny (DMGV), który jest związany z chorobami wątroby, spadł o 18%.

Eksperyment został następnie powtórzony z udziałem 783 kolejnych ochotników, przy czym naukowcy skupili się na 177 molekułach, które wykazały największe zmiany za pierwszym razem. Po raz kolejny zaobserwowano zmiany poziomu metabolitów, co poparło znaczenie ćwiczeń fizycznych dla zdrowia. Naukowcy napisali:

„Zaobserwowaliśmy zmiany w poziomach 502 z 588 mierzonych metabolitów w okresie od spoczynku do szczytowego wysiłku … Zmiany obejmowały zmniejszenie poziomu metabolitów związanych z insulinoopornością… walerianianu dimetyloguanidyny … i wzrost poziomu metabolitów związanych z lipolizą … zwiększenie biodostępności tlenku azotu… i brązowienie tkanki tłuszczowej… oraz zmiany poziomów metabolitów związanych z ryzykiem kardiometabolicznym.

Zbadaliśmy 177 metabolitów w oddzielnej próbie Framingham Heart Study … i zaobserwowaliśmy zmiany w 164 metabolitach zgodne z pierwotnymi obserwacjami … Zmiany metabolitów wywołane wysiłkiem fizycznym były w różny sposób związane z ilością wykonywanego wysiłku (szczytowe obciążenie pracą), płcią i wskaźnikiem masy ciała”.

Zmiany molekularne wywołane wysiłkiem fizycznym mogą mieć związek ze śmiertelnością

Naukowcy zidentyfikowali również cztery sygnatury metabolitów wzorców reakcji wysiłkowych, których następnie szukali w próbkach krwi przechowywanych od byłych uczestników Framingham Heart Study. Dwa z nich zostały wykryte w próbkach krwi od osób, które nie zmarły przedwcześnie, co oznacza, że były związane z ogólną śmiertelnością w okresie obserwacji.

Związek ma charakter spekulacyjny, po części dlatego, że próbki krwi w magazynie nie zostały zebrane po wysiłku. Oznacza to, że sygnatury metabolitów związane z niższą śmiertelnością mogły być obecne u niektórych uczestników badania nawet bez ćwiczeń.

Ujawniono również inne intrygujące dane. W krwi osób otyłych było mniej korzystnych zmian w metabolitach, co sugeruje, że mogą być oni bardziej odporni na korzyści płynące z ćwiczeń. Odnotowano również różnice między mężczyznami i kobietami, przy czym kobiety miały większe zmiany poziomów niektórych kardioprotekcyjnych metabolitów niż mężczyźni, pomimo wykonywania mniejszej ilości ćwiczeń.

Naukowcy dodali: „Te odkrycia dostarczają szczegółowej mapy odpowiedzi metabolicznej na ostry wysiłek fizyczny u ludzi i identyfikują potencjalne mechanizmy odpowiedzialne za korzystne kardiometaboliczne skutki ćwiczeń fizycznych, co jest ważne dla przyszłych badań”. Możliwe jest również, że pomiar niektórych metabolitów może zapewnić wgląd w poziom sprawności danej osoby. Autor badania, dr Matthew Nayor, wyjaśnił:

„Co ciekawe, nasze badanie wykazało, że zmiany poziomów metabolitów są wywołane różnymi fizjologicznymi reakcjami na wysiłek fizyczny i dlatego mogą dostarczać unikalnych sygnatur w krwiobiegu, które pokazują, czy dana osoba jest sprawna fizycznie, podobnie jak obecne badania krwi określają, jak dobrze funkcjonują nerki i wątroba”.

Te odkrycia są rzeczywiście niezwykłe, zwłaszcza że wszystkie zmiany nastąpiły w odpowiedzi na zaledwie 12 minut ćwiczeń. Starszy autor badań, dr Gregory Lewis, powiedział w komunikacie prasowym:

„Uderzyło nas to, że krótki wysiłek fizyczny może mieć wpływ na poziomy krążących metabolitów, które regulują kluczowe funkcje organizmu, takie jak insulinooporność, stres oksydacyjny, reaktywność naczyń, stany zapalne i długowieczność”.

Pojedyncza sesja ćwiczeń zmienia poziom 9815 cząsteczek

Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się czy jeden trening ma jakikolwiek wpływ na zdrowie wiedz, że naukowcy z Uniwersytetu Stanforda udowodnili, iż już jedna sesja ćwiczeń prowadzi do zmian w poziomie 9815 cząsteczek we krwi.

Chociaż poprzednie badania z zakresu „omiki” - termin ten jest używany do opisania badania dużych zestawów cząsteczek biologicznych - dotyczyły wpływu ćwiczeń na określone obszary, takie jak metabolomika, to badanie posunęło się o krok dalej.

„Przeprowadziliśmy podłużne profilowanie multiomiczne komórek jednojądrzastych osocza i krwi obwodowej, w tym metabolomu, lipidomu, immunomu, proteomu i transkryptomu od 36 dobrze scharakteryzowanych ochotników, przed i po kontrolowanej sesji ćwiczeń” - stwierdzili naukowcy.

Innymi słowy, badanie dostarczyło bezprecedensowego wglądu w szczegóły fizjologicznej reakcji organizmu na ćwiczenia fizyczne, pokazując, że zachodzi „zaaranżowana choreografia procesów biologicznych” odnoszących się do:

  • Metabolizmu energetycznego
  • Stresu oksydacyjnego
  • Zapalenia
  • Naprawy tkanek
  • Reakcji na czynnik wzrostu

W badaniu udział wzięło tylko 36 osób w wieku od 40 do 75 lat - to jedno z ograniczeń tego badania w porównaniu z wcześniej opisanym badaniem, w którym wzięło udział 1194. Ochotnicy przeszli test wytrzymałości na bieżni trwający około 8–12 minut. Krew pobrano przed wysiłkiem i dwie minuty po sesji, a także 15, 30 i 60 minut później.

Ogółem przeanalizowano 17 662 cząsteczek. Wykazano, że w odpowiedzi na ćwiczenia fizyczne zmienił się poziom 9 815 cząsteczek. W przypadku niektórych cząsteczek poziom gwałtownie wzrósł bezpośrednio po wysiłku, a następnie szybko spadł, podczas gdy poziom innych cząsteczek pozostawał podwyższony przez godzinę. Te dramatyczne zmiany zostały wywołane przez jedną krótką sesję ćwiczeń trwającą zaledwie od 8 do 12 minut.

Energiczne ćwiczenia fizyczne wiążą się z dodatkowymi korzyściami zdrowotnymi

Warto zauważyć, że obie sesje ćwiczeń obejmowały krótkie, ale energiczne ćwiczenia. Kolejne badania również wykazały, że intensywność ćwiczeń ma znaczenie dla uzyskania jak największych korzyści, a energiczna aktywność jest najbardziej korzystna.

W badaniu kohortowym obejmującym 403 681 osób dorosłych, których obserwowano przez okres 10,1 roku (mediana), zebrano dane dotyczące aktywności fizycznej zgłaszanej przez uczestników badania. W wyniku analizy danych naukowcy odkryli, że wyższy stosunek energicznej aktywności fizycznej do całkowitej aktywności fizycznej wiązał się z większą redukcją śmiertelności.

Innymi słowy, przy takiej samej ilości ćwiczeń osoby, które wykonywały bardziej energiczne czynności miały mniejsze ryzyko śmierci ze wszystkich przyczyn.

„Chociaż większość korzyści zdrowotnych związanych z osiąganiem zalecanych tygodniowych celów aktywności fizycznej można osiągnąć poprzez umiarkowaną aktywność fizyczną” - napisali naukowcy - „wyniki sugerują, że zwiększony odsetek energicznej aktywności fizycznej wiąże się z dodatkowymi korzyściami zdrowotnymi”.

To tylko jedno z wielu badań, które podkreśliły korzyści płynące z tego, co często nazywa się treningiem interwałowym o wysokiej intensywności (HIIT).

Czy energiczna aktywność fizyczna jest lepsza niż umiarkowana?

HIIT, który łączy krótkie sesje aktywności o wysokiej intensywności z okresami odpoczynku, stał się jednym z najbardziej efektywnych treningów, często zapewniając lepsze korzyści w krótszym czasie w porównaniu z treningiem ciągłym o umiarkowanej intensywności (MICT).

Przestrzeganie harmonogramu treningów HIIT może być łatwiejsze dla wielu osób ze względu na mniejsze zaangażowanie czasu. Stwierdzono, że angażowanie się w sesje HIIT trwające poniżej 15 minut jest wystarczające, aby korzystnie wpłynąć na kardiometaboliczne czynniki ryzyka u osób ze zwiększonym ryzykiem rozwoju cukrzycy typu 2, a większość ludzi może przeznaczyć 15 minut na szybki trening.

W badaniach z udziałem osób dorosłych z cukrzycą typu 2 ponownie stwierdzono, że HIIT jest bardziej skuteczny niż MICT pod względem normalizacji stresu oksydacyjnego. W jeszcze większej liczbie badań stwierdzono, że HIIT wykonywany dwa razy w tygodniu przez 16 tygodni zmniejsza masę tkanki tłuszczowej w jamie brzusznej u kobiet po menopauzie chorych na cukrzycę typu 2 skuteczniej niż MICT. Naukowcy zasugerowali, że można „zaproponować HIIT jako alternatywny program ćwiczeń fizycznych dla tej populacji”.

Ten rodzaj treningu może być również preferowany przez osoby, które chcą zapobiegać zmianom w mięśniach związanym z wiekiem. W badaniu przeprowadzonym przez naukowców z Mayo Clinic porównano ze sobą trzy rodzaje ćwiczeń oraz grupę kontrolną, która nie wykonała ćwiczeń, aby określić, czy są rodzaje ćwiczeń, które lepiej chronią mięśnie przed starzeniem się.

W badaniu udział wzięły 72 osoby prowadzące siedzący tryb życia w wieku do 30 lat lub powyżej 64 lat, które przez 12 tygodni wykonywały HIIT na rowerach stacjonarnych, intensywny trening oporowy lub kombinację tych ćwiczeń (rower stacjonarny o umiarkowanym tempie połączony z lekkim podnoszeniem ciężarów).

W grupie wykonującej trening HIIT zaobserwowano poprawę wytrzymałości. Jednak dodatkowe znaczące różnice zaobserwowano po wykonaniu biopsji komórek mięśniowych uczestników, która ujawniła zmiany w genach.

U młodszych osób wykonujących trening HIIT zaobserwowano zmiany w ekspresji 274 genów, u osób wykonujących ćwiczenia o umiarkowanej intensywności zaszły zmiany ekspresji 170 genów, a w grupie osób wykonujących trening oporowy zmiany dotyczyły 74 genów. U osób starszych wykonujących trening HIIT zmiany były jeszcze bardziej uderzające – dotyczyły prawie 400 genów. U seniorów wykonujących ćwiczenia oporowe zmiany ekspresji zaszły w 33 genach, a ekspresja 19 genów uległa zmianie w grupie seniorów wykonujących umiarkowane ćwiczenia. Według The New York Times:

„Uważa się, że geny, których ekspresja uległa zmianie, szczególnie w wyniku treningu interwałowego o wysokiej intensywności, wpływają na zdolność mitochondriów do wytwarzania energii dla komórek mięśniowych; uczestnicy badania, którzy wykonywali treningi interwałowe, wykazywali wzrost liczby i poprawę zdrowia mitochondriów – wpływ ten był szczególnie wyraźny wśród rowerzystów w starszym wieku”.

Nadszedł czas, aby się ruszyć

Nauka o aktywności fizycznej weszła w nową erę. Korzystając z metabolomiki i innych technologii omicznych, naukowcy prawdopodobnie będą w stanie zalecić bardziej spersonalizowane treningi, zamiast ogólnych zaleceń, takich jak „ćwicz co najmniej 150 minut tygodniowo”.

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda kontynuują swoje badania i planują ustalić, czy dane molekularne mogłyby zostać wykorzystane do ustalenia, które rodzaje ćwiczeń są najlepsze dla poszczególnych osób. Niektóre osoby mogą mieć wyższą wytrzymałość tlenową, natomiast inne mogą mieć profil molekularny, który może faworyzować inny rodzaj treningu.

Na razie jednak jasne jest, że jakiekolwiek ćwiczenia są lepsze niż żadne, więc nawet jeśli ćwiczysz tylko 15 minut dziennie, możesz wykonać intensywny krótki trening, który przyniesie wiele korzyści Twojemu ciału w sposób, który naukowcy dopiero zaczynają rozumieć. Nawet jeśli utkniesz w domu, nie możesz chodzić na siłownię, nadal możesz wykonać pełny trening, a wszystko to w zaciszu własnego domu.