The role of free radicals and inter-individual variability in exercise adaptations

Abstract

Free radicals represent one of the most prominent “new entries” in the long list of the “exercise signals”. All previous studies that investigated the role of free radicals in exercise adaptations involved exogenous redox manipulations, such as treatment with a pro-oxidant, antioxidant or free radical-source inhibitor. In order to reveal the role of free radicals in exercise adaptations under physiological in vivo conditions and without the interference from exogenous redox agents, a novel methodological set-up was invented that exploited the large redox inter-individual variability in exercise responses. More specifically, exercise-induced oxidative stress was used as classifier (i.e., low, moderate and high) and physiological plus redox adaptations were assessed after 6-wk endurance training. To verify and by-pass the “regression to the mean” artifact, which takes place when selecting individuals based on the initial value for a given trait, a duplicate pre-treatment measurement was performed after completing a non-random sorting based on the first assessment. It was demonstrated that the group with the low exercise-induced oxidative stress exhibited the lowest improvements in a battery of classic adaptations to endurance training (VO2max, time trial and Wingate test) as well as in a set of redox biomarkers, compared to the high and moderate oxidative stress groups. These findings substantiate, for the first time in a human in vivo physiological context and in the absence of any exogenous redox manipulation, the vital role of free radicals produced during exercise in adaptations. Moreover, the findings presented herein demonstrate that although free radicals are essential for exercise adaptations, the magnitude of their production is not a key aspect, as indicated by the similar adaptations between the high and moderate oxidative stress groups. On this basis, the hormesis concept, which is commonly used to interpret the effects of free radicals, was substantiated neither for acute performance nor for long-term adaptations. Finally, the regression to the mean artifact was for the first time confirmed in a redox biology content. The stratification approach implemented in the present study, based on a redox phenotype, can be a useful experimental strategy to reveal the role of free radicals and antioxidants in biology.

Οι ελεύθερες ρίζες αποτελούν μια από τις σημαντικότερες νέες προσθήκες στην μακρά λίστα των ασκησιογενών «σημάτων». Όλες οι προηγούμενες μελέτες που διερεύνησαν το ρόλο των ελευθέρων ριζών στις ασκησιογενείς προσαρμογές περιελάμβαναν εξωγενείς οξειδοαναγωγικές παρεμβάσεις, όπως χορήγηση οξειδωτικών και αντιοξειδωτικών παραγόντων ή χρήση αναστολέων πηγών ελευθέρων ριζών. Προκειμένου να διερευνηθεί ο ρόλος των ελευθέρων ριζών στις ασκησιογενείς προσαρμογές υπό φυσιολογικές in vivo συνθήκες και χωρίς την παρεμβολή άλλων εξωγενών οξειδοαναγωγικών παραγόντων, επινοήθηκε μια πρωτότυπη μεθοδολογική προσέγγιση, η οποία αξιοποίησε τη μεγάλη διακύμανση στις οξειδοαναγωγικές αποκρίσεις μετά από άσκηση. Πιο συγκεκριμένα, το ασκησιογενές οξειδωτικό στρες χρησιμοποιήθηκε για την ταξινόμηση των ομάδων (χαμηλό, μέτριο και υψηλό) και μια σειρά από φυσιολογικές και οξειδοαναγωγικές προσαρμογές αξιολογήθηκαν μετά από 6 εβδομάδες προπόνησης αντοχής. Προκειμένου να αποφευχθεί το φαινόμενο της «παλινδρόμησης προς το μέσο όρο», το οποίο λαμβάνει χώρα όταν οι συμμετέχοντες επιλέγονται με βάση την αρχική τιμή μιας συγκεκριμένης παραμέτρου, πραγματοποιήθηκε μια δεύτερη μέτρηση (πριν την παρέμβαση) αφού πρώτα ολοκληρώθηκε μια μη-τυχαία ταξινόμηση των συμμετεχόντων με βάση την πρώτη μέτρηση. Η ομάδα με το χαμηλό ασκησιογενές οξειδωτικό στρες παρουσίασε τις χαμηλότερες προσαρμογές σε σχέση με τις άλλες δύο ομάδες σε μια σειρά από κλασικές προσαρμογές μετά από προπόνηση αντοχής (VO2max, δοκιμασία απόδοσης και Wingate test), καθώς επίσης και σε ένα σύνολο οξειδοαναγωγικών βιοδεικτών. Αυτά τα ευρήματα επιβεβαιώνουν, για πρώτη φορά σε ένα απολύτως φυσιολογικό in vivo περιβάλλον, το ζωτικό ρόλο των ελευθέρων ριζών που παράγονται κατά την άσκηση στις προσαρμογές. Επιπλέον, παρόλο που οι ελεύθερες ρίζες είναι απαραίτητες για τις ασκησιογνείς προσαργμογές, φαίνεται ότι το μέγεθος της παραγωγής δεν αποτελεί καθοριστική παράμετρο, όπως υποδεικνύεται από τις παρόμοιες προσαρμογές στις ομάδες με μέτριο και υψηλό οξειδωτικό στρες. Βάσει αυτού, η θεωρία της όρμησης, μέσω της οποίας ερμηνεύεται συχνά η δράση των ελευθέρων ριζών, δεν επιβεβαιώθηκε ούτε στις οξείες αποκρίσεις ούτε στις χρόνιες προσαρμογές. Τέλος, το φαινόμενο της «παλινδρόμησης προς το μέσο όρο» επαληθεύτηκε για πρώτη φορά σε ένα οξειδοαναγωγικό πλαίσιο. Η προσέγγιση της διαστρωμάτωσης των συμμετεχόντων που υλοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη, βάσει ενός οξειδοαναγωγικού φαινότυπου, μπορεί να αποτελέσει μια νέα χρήσιμη πειραματική στρατηγική για να αποκαλυφθεί ο ρόλος των ελευθέρων ριζών και των αντιοξειδωτικών στη βιολογία.