The role of blood in exercise - induced adaptations in rats

Abstract

The purpose of this Doctoral dissertation was to study the role of blood in "transferring" and "activation" of the changes-adaptations induced by aerobic exercise. In particular, to examine whether exercise-induced changes in blood plasma composition in exercised rats may cause adaptations to blood plasma, erythrocytes, muscle tissue, and adipose tissue of sedentary rats, when administered with “exercised” plasma, as if they were actually exercised. To achieve this goal, a novel experimental design was applied to adult male Wistar rats weighing 380±27g (mean±SD). In phase one of the experiment, blood plasma was collected from exercised rats (in swimming) to exhaustion and rats not exercised at all. Rats swam on average 28.92±4.53 min. In phase two of the experiment, other non-exercised rats (n = 40) received plasma intravenously via the lateral tail vein either from the exercised or the non-exercised rats of the phase one, at a dosage of 2 mL per kg of body weight for 21 consecutive days. Cytokines (interleukins IL-1α, IL-2, IL-6, IL-8, IL-10, TNF-α) and C-reactive protein (CRP) as markers of exercise-induced inflammation, as well as total antioxidant capacity (TAC), malondialdehyde (MDA) and protein carbonyls (PC) concentration, as oxidative stress markers, were higher in the plasma collected from the rats of phase one who had swum up to exhaustion, in comparison to rats that had not exercised. In the phase two of the experiment, the concentration of all inflammatory biomarkers in plasma, vastus lateralis muscle and adipose tissue had a statistically significant increase in rats treated with "exercised" plasma as compared to the rats treated with non-exercised/resting plasma (p<0.05). Plasma oxidative stress markers showed a significant decrease in PC concentration (p<0.05), while no difference was found in TAC and MDA (p>0.05). Regarding the antioxidant enzymes in erythrocytes, there was no significant difference in catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD) activity, nor in the concentration of reduced glutathione (GSH). In the vastus lateralis muscle, no significant differences were observed in TAC, SOD, CAT, GSH, glutathione reductase (GR) and PC. No differences were observed in the biomarkers of metabolic training adaptations in the vastus lateralis muscle (glycogen concentration, citrate synthase activity-CS) and in the liver (glycogen concentration) between the rats treated with "exercised" plasma and the ones treated with "non-exercised" plasma (p> 0.05). The findings of this study indicate that exercise-induced changes in blood molecule concentrations may affect other tissues (e.g. blood, muscle and fat tissue). However, the inadequacy of the experimental design model of "exercised" plasma administration in sedentary rats to induce adaptations typically found after endurance training (e.g. anti-inflammatory response, increase in citrate synthase activity and glycogen concentration in exercised muscles, favorable changes in the redox state in plasma, erythrocytes and skeletal muscle) indicates that endurance training adaptations are probably due primarily to local (e.g. intramuscular) processes, which require neuromuscular and/or mechanical stimulation of the muscle.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να μελετηθεί ο ρόλος του αίματος στη «μεταφορά» και «ενεργοποίηση» των μεταβολών-προσαρμογών που προκαλεί η αερόβια άσκηση. Πιο συγκεκριμένα, να εξεταστεί εάν οι ασκησιογενείς μεταβολές της σύστασης του πλάσματος αίματος στους ασκηθέντες επίμυες μπορούν να προκαλέσουν προσαρμογές στο πλάσμα αίματος, στα ερυθροκύτταρα, στο μυϊκό ιστό και στο λιπώδη ιστό μη ασκηθέντων επιμύων, όταν τους χορηγούνταν ασκηθέν πλάσμα, σαν να είχαν και οι ίδιοι στην πραγματικότητα ασκηθεί. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού χρησιμοποιήθηκε ένας πρωτότυπος πειραματικός σχεδιασμός που εφαρμόστηκε σε ενήλικες άρρενες επίµυες της φυλής Wistar, βάρους 380±27g (mean±SD). Στην πρώτη φάση του πειράματος συλλέχθηκε πλάσμα αίματος από επίμυες που ασκήθηκαν (κολύμβηση) μέχρι εξάντλησης και από επίμυες που δεν ασκήθηκαν καθόλου. Οι επιμύες κολύμπησαν κατά μέσο όρο 28.92±4.53 min. Κατά τη δεύτερη φάση του πειράματος, άλλοι επίμυες (n=40) οι οποίοι δεν είχαν ασκηθεί, έλαβαν ενδοφλεβίως μέσω της πλάγιας φλέβας της ουράς για 21 συνεχόμενες ημέρες πλάσμα αίματος προερχόμενο είτε από τους ασκηθέντες, είτε από τους μη ασκηθέντες επίμυες της πρώτης φάσης, σε δοσολογία 2 mL ανά kg βάρους σώματος. Τα επίπεδα των κυτοκινών, (ιντερλευκίνες-1α, 2, 6, 8, 10 και παράγοντας νέκρωσης όγκων άλφα) (IL‐1α, IL‐2, IL‐6, IL‐8, IL‐10, TNF‐α) και της C-αντιδρώσας πρωτεΐνης (CRP), ως δείκτες ασκησιογενούς φλεγμονής, καθώς και τα επίπεδα της ολικής αντιοξειδωτικής ικανότητας (TAC), της μηλονδυαλδεϋδης (MDA) και των πρωτεϊνικών καρβονυλίων (PC), ως δείκτες οξειδωτικού στρες, ήταν υψηλότερα στο πλάσμα που είχε συγκεντρωθεί από τους επίμυες της πρώτης φάσης και οι οποίοι είχαν κολυμπήσει μέχρι εξάντλησης, σε σχέση με τους επίμυες που δεν είχαν ασκηθεί. Κατά τη δεύτερη φάση του πειράματος, η συγκέντρωση όλων των βιοδεικτών φλεγμονής στο πλάσμα, στον έξω πλατύ μηριαίο μυ και στο λιπώδη ιστό παρουσίασε στατιστικά σημαντική αύξηση στους επίμυες που έλαβαν «ασκημένο» πλάσμα συγκριτικά με τους επίμυες που έλαβαν «μη ασκημένο» πλάσμα (p<0.05). Από τους δείκτες οξειδωτικού στρες στο πλάσμα παρουσιάστηκε σημαντική μείωση στη συγκέντρωση των PC (p<0.05), ενώ δεν βρέθηκε διαφορά στην TAC και στην MDA (p>0.05). Σχετικά με τα αντιοξειδωτικά ένζυμα στα ερυθροκύτταρα, δε βρέθηκε σημαντική διαφορά στη δραστικότητα της καταλάσης (CAT) και της υπεροξειδικής δισμουτάσης (SOD), ούτε στη συγκέντρωση της ανηγμένης γλουταθειόνης (GSH). Στον έξω πλατύ μηριαίο μυ, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές σε TAC, SOD, CAT, GSH, αναγωγάση της γλουταθειόνης (GR) και PC. Δεν παρατηρηθήκαν διαφορές στους βιοδείκτες μεταβολικών προπονητικών προσαρμογών στον έξω πλατύ μηριαίο μυ (συγκέντρωση γλυκογόνου, δραστικότητα της συνθετάσης του κιτρικού-CS) και στο ήπαρ (συγκέντρωση γλυκογόνου). Τα ευρήματα της παρούσης μελέτης δηλώνουν ότι η ασκησιογενής μεταβολή στη συγκέντρωση μορίων του αίματος μπορούν να επηρεάσουν άλλους ιστούς (π.χ. αίμα, μυϊκός και λιπώδης ιστός). Ωστόσο, η αδυναμία του πειραματικού μοντέλου χορήγησης «ασκημένου» πλάσματος σε μη ασκημένους επίμυες, να προκαλέσει προσαρμογές που τυπικά παρατηρούνται μετά από προπόνηση αντοχής δηλώνει ότι οι προσαρμογές της προπόνησης αντοχής πιθανά οφείλονται πρωταρχικά σε τοπικές (π.χ. ενδομυϊκές) διεργασίες, οι οποίες απαιτούν νευρομυϊκή ή/και μηχανική διέγερση του μυός.