Interaktion mellan faktorer som bestämmer kritisk makt del 2

2.2 Diffusiv syretransport

Diffusiv O2-transport hänvisar till den diffusa rörelsen av O2 från kapillärerna till muskelmitokondrierna där O2 fungerar som den slutliga elektronacceptorn för elektrontransportsystemet. Denna process beskrivs matematiskt via Ficks diffusionslag:

VO2=DO2 ( ΔPO2 ) ,

där ̇ VO2 motsvarar hastigheten för O2 fux, DO2 är muskeldiffuserande kapacitet och ΔPO2 är partialtrycksskillnaden mellan kapillär- och intramyocytutrymmena (PO2cap respektive PO2im). Detta förhållande dikterar att höjningar i ̇ VO2 måste fastställas via förändringar i antingen (1) förändringar i drivkraften för O2-diffusion (dvs. ΔPO2=PO2cap − PO2im) och/eller (2) förändringar i effektiv diffusionskapacitet ( dvs DO2, bestäms primärt av det aggregerade antalet blodkroppar i kapillärer intill myocyten vid varje givet ögonblick [82, 83]).

Cistanche kan fungera som en anti-trötthets- och uthållighetsförstärkare, och experimentella studier har visat att avkoket av Cistanche tubulosa effektivt kan skydda leverhepatocyter och endotelceller skadade i viktbärande simmöss, uppreglera uttrycket av NOS3 och främja leverglykogen syntes, vilket utövar anti-trötthetseffekt. Fenyletanoidglykosidrikt Cistanche tubulosa-extrakt kan avsevärt minska serumkreatinkinas-, laktatdehydrogenas- och laktatnivåerna och öka hemoglobin- (HB) och glukosnivåerna i ICR-möss, och detta kan spela en anti-trötthetsroll genom att minska muskelskadan. och fördröja mjölksyraanrikningen för energilagring hos möss. Compound Cistanche Tubulosa tabletter förlängde signifikant den viktbärande simtiden, ökade leverglykogenreserven och minskade serumureanivån efter träning hos möss, vilket visar dess anti-trötthetseffekt. Avkoket av Cistanchis kan förbättra uthålligheten och påskynda elimineringen av trötthet hos träningsmöss, och kan också minska höjningen av serumkreatinkinas efter belastningsträning och hålla ultrastrukturen av skelettmuskulaturen hos möss normal efter träning, vilket indikerar att det har effekterna för att förbättra fysisk styrka och mot trötthet. Cistanchis förlängde också signifikant överlevnadstiden för nitritförgiftade möss och ökade toleransen mot hypoxi och trötthet.

Klicka på muskeltrötthet

【För mer information:george.deng@wecistanche.com / WhatsApp:8613632399501】

Ficks lag om diffusion förutspår att förändringar i FiO2 kommer att åstadkomma samtidiga förändringar i CP via förändrad O2-diffusion förutom konvektion. Till exempel minskar hypoxi och hyperoxi ökar både uppskattad PO2cap [84] och PO2im [85], dock i olika utsträckning så att ∆PO2 minskas respektive ökas. I de studier som granskas i Sect. 2.1 där hypoxi minskade [21, 56, 60–62] och hyperoxi ökade CP [37, 64, 65], är det också troligt att förändringar i den transkapillära drivkraften för O2-fux, och därmed diffusiv O2-tillförsel, också bidragit till ̇ VO 2=DO2 ( ΔPO2 ), till förändringarna i CP som observeras däri, troligen via de förändringar som detta skulle förväntas ha på PO2im [55].

Muskelkapillaritet är en viktig inverkan på DO2, och därmed diffus O2-tillförsel, eftersom den bestämmer antalet röda blodkroppar intill sammandragande fibrer och därmed den yta som är tillgänglig för O2-diffusion. Mitchell et al. [86] visade nyligen ett slående samband mellan CP och skelettmuskelkapillärtäthet (r=0.50), kapillär-till-fiber-förhållande (r=0.88) och kapillärkontakter per typ 1-fiber (r=0.94) i en homogen grupp av uthållighetstränade individer (63,2±4,1 mL kg−1 min−1, intervall: 58,7–72,2 mL kg−1 min−1). Dessa fynd indikerar att förbättringar i diffusiv O2-fux möjliggör att ett metaboliskt steady state kan uppnås för ett större spektrum av uteffekter (dvs. utöka intervallet uppåt), vilket ökar CP.

Ytterligare insikt i rollen av diffusiva faktorer vid bestämning av CP/CF gavs av en serie experiment av Ansdell et al. som jämförde kraft-varaktighetsförhållandet mellan könen under träning med liten [87] och stor muskelmassa [88]. Det visades att CF förekom vid en högre relativ procentandel av MVC hos kvinnliga individer jämfört med manliga individer under intermittent, intermittent, isometrisk knäförlängningsträning med enstaka ben [87]. Omvänt observerades inga skillnader i den relativa andelen MVC vid vilken CP inträffade mellan manliga och kvinnliga individer under dynamisk cykelträning med stor muskelmassa [88]. Kvinnliga individer har tidigare visat sig ha en högre grad av kapilläritet i skelettmuskulaturen och en större andel typ I-fibrer jämfört med manliga individer [89–91], vilket tyder på en större kapacitet för diffusiv O2-transport. Vidare, under knäförlängningsträning med liten muskelmassa, uppnås mycket högre massspecifika blodflödeshastigheter jämfört med cykelträning, och därför begränsar diffusiva snarare än konvektiva faktorer O2-transport till muskelmitokondrier [52, 81, 92–97 ]. Dessa författare [87, 88] tolkade följaktligen sina fynd för att indikera att under träning med en extremitet där konvektiva faktorer inte är begränsande, uppstår könsskillnaden i CF på grund av en större diffusionsförmåga i skelettmuskulaturen hos kvinnliga individer [87, 88]. Omvänt, under dynamisk cykelträning där muskel-O2-tillförseln begränsas av det centrala nervsystemet för att förhindra ett farligt fall i medelartärtrycket [98], kan konvektiv O2-tillförsel vara relativt viktigare för att bestämma CP än muskeldiffusionskapacitet, vilket leder till bristen av en könsskillnad i detta träningssätt [87, 88].

Genom att använda mätningar av brachialisartärens blodflöde via Doppler-ultraljud och NIRS för att bestämma muskel-O2-extraktion, Broxterman et al. [73] kunde uppskatta muskel ̇ VO2 och därigenom uppskatta bidragen från förbättrad konvektiv och diffus O2-tillförsel till förändringarna i CP som de observerade mellan 20 och 50 % arbetscykler (diskuterat i Konvektiv syretillförsel). Dessa författare visade att ökningen av DO2 i 20 % kontra 50 % arbetscykel var ungefär dubbelt så stor som ökningen av konvektiv O2-tillförsel som inträffade mellan samma försök (dvs. +69% vs+34%, respektive ), vilket innebär förändringar i diffusiv, snarare än konvektiv, O2-leverans som en viktigare bestämningsfaktor för CP i denna situation. Dessa författare föreslog att den kortare arbetscykeln skulle ha underlättat högre hastighet av röda blodkroppar och därför ökat ytarean på kapillären som är involverad i gasutbytet (dvs longitudinell kapillärrekrytering [99]), och därigenom förbättra DO2 och bidra till den ökade CP. Intressant nog är denna observation också förenlig med antagandena av Ansdell et al. [87, 88] noterade ovan, nämligen att diffusiva faktorer kan vara viktigare för att begränsa CP under träning med liten eller stor muskelmassa. Att DO2 är en oberoende determinant för CP bekräftades nyligen av Colburn et al. [100]. Specifikt minskade den vaskulära ATP-känsliga K+-kanalhämmaren glibenklamid CS hos råttor, och detta åtföljdes av en 25% minskning av DO2 bestämd från mätningar av skelettmuskelns blodflöde, arteriellt O2-innehåll och interstitiellt och mikrovaskulärt O2-tryck [100]. Tillsammans finns det därför nu en växande mängd bevis som indikerar att CP kan påverkas av faktorer som dikterar diffusionshastigheten av O2 från kapillärer till mitokondrier.

2.3 Syreutnyttjande

En sentinelparameter som definierar skelettmuskelns bioenergetiska system är tidskonstanten för den fundamentala fasen av muskel-VO2-kinetiken (dvs. VO2), som reflekterar den tid det tar att uppnå 63 % av VO2-amplituden som svar på en förändring i metabolisk efterfrågan [101–104], och återspeglas nära av pulmonell VO2 [103]. Pulmonell VO2 är därför en mycket bekväm analys av tidsförloppet för förändringar i oxidativ fosforylering som inträffar i början av träningen eller under förändringar i ämnesomsättningen. I början av träningen kräver därför det fördröjda svaret av lung- och muskel-VO2-kinetiken som är inkapslad av parametern VO2 ett energiunderskott som måste täckas via en minskning av O2-lagren och en ökad hastighet av fosforylering på substratnivå [103 105, 106]. Detta "O2-underskott" är en funktion av VO2 och steady-state-ökningen ̇ VO2 [105], åtminstone för arbetshastigheter där ett stabilt tillstånd snabbt uppnås. Storleken på detta O2-underskott vid träningsstart är avgörande, eftersom det bestämmer (1) graden av beroende av icke-oxidativa energikällor (dvs utarmning av [PCr] och [glykogen] och åtföljande ackumulering av [L−] och [H+]), (2) omfattningen av metabolisk störning som uppstår under övergången mellan vila och arbete (dvs. Δ[PCr], Δ[ADP], Δ[Pi], extracellulär [K+]-ackumulering, förlust av sarkoplasmatisk Ca{ {29}} frisättning och känslighet), (3) omfattningen av utmattningsinduktion ihållande och (4) förlusten av skelettmuskeleffektivitet som induceras under övergången mellan vila och träning [8, 10, 14, 101, 102, 104, 107–110]. ̇ VO2-kinetiken förefaller därför vara central för att ställa in tolerabiliteten för träning. Mycket låga VO2-värden (dvs. snabb ̇ VO2-kinetik) observeras hos uthållighetsidrottare [111] och tränade individer [112], medan mycket höga VO2-värden (dvs. långsam ̇ VO2-kinetik) observeras hos äldre [113] och kroniskt sjuk [102]. Men fram till relativt nyligen hade en oberoende roll för VO2 vid bestämning av CP inte övervägts.

Murgatroyd et al. [14] karakteriserade sambanden mellan VO2 och CP genom att normalisera träningsintensiteten mellan individer så att den tolererbara varaktigheten av träningen var enhetlig (6 min). De visade en stark omvänd korrelation mellan VO2 och CP (r=0.95), i överensstämmelse med uppfattningen att VO2 har en oberoende roll vid bestämning av CP. Dessutom, när denna analys utvidgades över mänskliga populationer som spänner över extremerna av aerob funktion (dvs friska unga tränade individer, unga inaktiva individer, friska äldre individer och patienter med KOL), var sambandet mellan VO2 och CP starkt, omvänt och linjärt [104]. Dessa författare tolkade detta samband kausalt: genom att minimera beroendet av fosforylering på substratnivå, och därmed ackumuleringen av utmattningsrelaterade metaboliter under övergången, möjliggör en lägre VO2 (dvs. snabbare ̇ V O2 kinetik) en högre kraftproduktion för att uppnås för en given storlek på ackumulering av O2-underskott. Kritisk kraft representerar den övre gränsen för det metaboliska stabila tillståndet, och i förlängningen också den övre gränsen för ett O2-underskott under vilket muskeltrötthet, minskning av arbetseffektiviteten och O2-underskottet i sig kommer att stabiliseras. Allt annat lika kommer därför snabbare ̇ VO2-kinetik att resultera i en högre CP. Men trots den starka motiveringen och tvärsnittsbevis som stöder en mekanistisk koppling mellan VO2 och CP, tills nyligen, hade denna hypotes inte fått någon direkt experimentell granskning.

I den första av en serie studier som undersökte den påstådda avgörande effekten av VO2 på CP, Goulding et al. [114] undersökte inverkan av tidigare tung ("priming") träning på lungens ̇ VO2 kinetik och CP under liggande och upprätt cykling. Ett tidigare anfall av förberedande träning påskyndar inte ̇ VO2-kinetiken (dvs. minskar VO2) under träning med upprätt cykel hos unga friska individer. Men under träning i ryggläge försämras muskelperfusionstrycket och VO2 blir beroende av O2-tillförsel [114–120]. I en ung frisk befolkning skulle därför tidigare tung träning (som förbättrar muskel O2-tillförsel, [115, 121, 122]) förväntas minska VO2 under liggande men inte upprätt cykling. Följaktligen, om VO2 skulle utöva en avgörande effekt på CP, en ökning av CP under liggande men inte upprätt, skulle träningen observeras efter priming träning jämfört med kontrollförhållanden. Det visades att när priming träning utfördes i ryggläge, minskade VO2 verkligen och CP ökade samtidigt, medan både VO2 och CP var opåverkade under upprätt träning [114]. Dessa fynd gav därför det första experimentella beviset för att VO2 är mekaniskt relaterat till CP.

På grund av arten av priminginterventionen som användes i denna första studie [114] var det dock inte möjligt att skilja någon oberoende effekt av en reducerad VO2 (dvs. långsammare ̇V O2-kinetik) på CP från den av en förbättrad O2-tillgänglighet som en konsekvens av startövningen. Den starka korrelationen som observerades mellan VO2 och CP för upprätt träning saknades faktiskt för liggande träning [114]. Därför förblev det troligt att, åtminstone vid liggande träning, andra fysiologiska faktorer, såsom muskel-O2-tillgänglighet, och dess fördelning i förhållande till ̇ VO2, bestämmer CP, med de åtföljande förbättringarna av VO2 och CP som en artefakt av delade fysiologiska determinanter, utan något beroende av CP av VO2 i sig. Därför krävde bekräftelse eller vederläggning av hypotesen att VO2 är en oberoende determinant av CP en intervention som kunde förändra VO2 utan några samtidiga förändringar i muskel O2-leverans, så att den oberoende effekten av VO2 på CP kunde observeras. När träning påbörjas från en förhöjd baslinjearbetsfrekvens är VO2 högre än jämfört med arbete som påbörjas från en baslinje av obelastad cykling [123–126]. Viktigt är att denna avmattning av ̇ VO2-kinetiken verkar inträffa oberoende av eventuella förändringar i O2-tillgänglighet [127–129].

Därför genomförde vi ytterligare två studier som bedömde påverkan av träning initierad från en förhöjd baslinjearbetshastighet på VO2 och CP i upprätt [130] och ryggläge [117]. I båda dessa studier var VO2 större (dvs. VO2-kinetiken var långsammare) och CP reducerades på motsvarande sätt under träning från arbete till arbete jämfört med när träning påbörjades från en baslinje av obelastad cykling [117, 130]. Avgörande var att indikatorer för O2-tillgänglighet bestämd via NIRS antingen förbättrades [130] eller oförändrade [117] under arbete som initierades från en förhöjd baslinje, vilket tyder på att nedgången av ̇VO2p-kinetiken som åstadkoms av denna intervention var helt oberoende av förändringar i mikrovaskulär O2-tillgänglighet. Sammantaget visar dessa fynd därför en oberoende effekt av VO2 på CP [130], och att denna effekt kvarstod även i situationer där O2-tillförseln är väsentligt försämrad [117].

Den avgörande effekten av VO2 på CP observerad i friska populationer [64, 114, 117, 130] bekräftades senare i en studie som bedömde effekten av priming träning på ̇ VO2 kinetiken och CP i en population av individer med typ 1 diabetes mellitus [ 131]. I denna population påskyndade övningsövningen ̇ VO2-kinetiken och ökade CP under efterföljande cykelträning med svår intensitet. Dessa effekter åtföljdes särskilt av en samtidig snabbare hastighet av muskeldeoxygeneringskinetik bestämd via NIRS [131]. Eftersom muskeldeoxygeneringssignalen härledd via NIRS representerar den relativa balansen mellan O2-tillförsel och användning inom den förfrågade regionen, antyder en relativ snabbhet av muskeldeoxygeneringskinetiken att effekterna av priming-träning på VO2 främst berodde på en uppreglering av annars försämrade intracellulära mekanismer. mitokondriell O2-användning, snarare än O2-leverans [131]. Sammantaget har därför betydande nya bevis ackumulerats för att visa att graden av intracellulär O2-användning vid början av träningen, inkapslad av VO2, kan påverka CP oberoende av faktorer relaterade till mitokondriell O2-tillförsel.

3 Interaktion mellan faktorer som bestämmer CP

Studierna av Goulding et al. [8, 64, 65, 114, 117, 130, 131] ger övertygande bevis för att VO2 är en oberoende determinant för CP. Som granskats ovan finns det också bevis för en oberoende avgörande roll för konvektiv och diffusiv O2-leverans för att påverka CP. Att var och en av VO2, konvektiv och diffus O2-leverans har en oberoende roll vid bestämning av CP framgår av det faktum att var och en kan ändra CP utan en åtföljande förändring i den andra.

Andelen CP som förklaras av VO2 har rapporterats vara så hög som 90% i en homogen deltagargrupp där den relativa träningsintensiteten var exakt kontrollerad (dvs en tolererbar varaktighet på 6 minuter mellan försökspersonerna) [14]. Våra data har visat R2-värden på 0.64–0.90 för sambandet mellan CP och VO2 under upprätt träning [60, 111, 127, 128 ]. Sammanställning av dessa data över olika domäner och populationer av träningsintensitet, inklusive hyperoxitillstånd, ger en R2=0.60 (Fig. 3A; data från [131] tidigare opublicerade), med en lutning på ~0,03 W kg−1 s −1. Detta inkluderar dock data från sjuka populationer (typ 1-diabetes [131]) och hyperoxi [65], som båda kan förväntas förvirra analysen eftersom den senare kan förvränga förhållandet mellan lung- och muskel-VO2 och den förra har en lutning (0,01 W kg−1 s−1) skiljer sig signifikant från de friska populationerna. Exkluderingen av sjuka och hyperoxiska data försvagar styrkan i sambandet mellan CP och VO2 (R2=0.43; Fig. 3B). Men styrkan i detta samband ökar markant när endast måttlig intensitet träning hos friska deltagare beaktas (R2=0.79; Fig. 3C). Lutningen av förhållandet mellan VO2 och CP bevarades över denna senare analys, och sammantaget verkar CP vara väl förutspådd från VO2 när den senare är exakt bestämd för en given relativ träningsintensitet, varierande med ~0,03 W kg−1 per andra förändringen i VO2. Men, och kanske exemplifierat av data från typ 1-diabetes [131] och hyperoxi [65], när detta samband utökas för att täcka intervallet av värden för VO2 som påträffas i djurriket (Fig. 3D), uppträder sambandet med CP kurvlinjära, men bevarade, vilket tyder på en grundläggande koppling av CP med muskulär bioenergetik över arter. Dessutom, när data endast för människa beaktas och hastigheten för syreupptagningskinetiken uttryckt som en hastighetskonstant (dvs. 1/VO2), är förhållandet med CP linjärt (Fig. 3E). Följaktligen, när omfattningen av mänsklig aerob kondition beaktas, kan förhållandet mellan CP och VO2 anses vara hyperboliskt, med tidigare publicerade linjära samband [14, 104] som en artefakt av deltagares homogenitet. Däremot har endast en tidigare studie titrerat effekten av syretillförsel på CP [63]. Här fastställdes minskningen av CP med ökande höjd som en proxy för syretillförsel, simulerad av förändringar av FiO2. Ett icke-linjärt (tredje ordningens polynom) förhållande etablerades med ökningar i höjd som producerar progressivt större minskningar av CP. Kritisk effekt reducerades med 74 W med en 4000-m ökning i höjd, även om ett sådant förhållande oundvikligen kommer att påverkas av effekten av minskningar av FiO2 som ökar VO2 (dvs. saktande ̇ VO2 kinetik).

Med tanke på bevisen som granskas här, föreslår vi därför att varje mitokondriell O2-användning (inkapslad av VO2-parametern), konvektiv och diffus O2-tillförsel utövar oberoende effekter på CP så att intracellulär O2-användning och O2-transport interagerar för att bestämma CP (Fig. 4) ). Undantag från detta inkluderar där lungbegränsningar (t.ex. [34]) är dominerande faktorer för att begränsa träningstoleransen till den grad att de dikterar formen på kraft-varaktighetsrelationen.

De exakta mekanismerna som ligger till grund för en sådan interaktion har inte helt klarlagts; Men en utgångspunkt är att överväga den obönhörliga förlusten av intracellulär homeostas, och därmed en ohållbar ökning av O2-underskottet, under träning över, men inte under, CP. Detta åtföljs av ett spegelliknande samband mellan perifer trötthet [107, 132] och förlusten av träningseffektivitet [109, 133, 134] som inträffar under träning över CP [135]. Av de faktorer som ackumuleras som ett resultat av O2-underskottet är [Pi] en främsta kandidat för den gemensamma nämnaren mellan trötthet och effektivitet på grund av dess centrala roll i muskeltrötthet och uppgiftsmisslyckande [136]. En nyligen genomförd studie i silico av Korzeniewski och Rossiter [10] testade hypotesen att ackumulering av [Pi] under övergången från vila till arbete kan förklara både förlusten av intracellulär homeostas under supra-CP-träning och den trötthetsrelaterade avslutningen av träning. Med hjälp av en validerad modell av det mänskliga bioenergetiska systemet definierade Korzeniewski och Rossiter [10] en "kritisk" (dvs. tröskel) [Pi] över vilken ytterligare [Pi]-ackumulering drev en ökning av kraven för ATP-omsättning (dvs. en ökad ATP-kostnad av muskelkontraktion) och en "topp" (dvs begränsande) [Pi] vid vilken träningen skulle upphöra. Den ytterligare ATP-omsättningen som drivs av [Pi]-ackumulering resulterade i en självförökande positiv återkopplingsslinga där ytterligare ATP-omsättning resulterade i ökad [Pi], vilket orsakade trötthet och ytterligare ATP-omsättning fram till den fördefinierade toppen [Pi] (och åtföljande muskel ̇ VO2max) uppnåddes. När [Pi] däremot ackumulerades under eller endast marginellt över kritiska [Pi], stabiliserades denna positiva återkopplingsslinga så att [Pi] inte uppnådde toppvärden och muskelsyreupptagningen uppnådde ett stabilt tillstånd. Baserat på dessa fynd föreslog vi därför nyligen en modell där muskel O2-konsumtionskinetik bestämmer CP genom att diktera storleken på O2-underskott (och därmed [Pi], bland andra faktorer) ackumulerat under en given träningsövergång [8]. Långsam ̇ VO2-kinetik ger upphov till stora intracellulära störningar medan snabb ̇ VO2-kinetik ger upphov till mindre intracellulära störningar för en given metabolisk hastighet vid träningsstart [102, 104, 110, 137]. Följaktligen kommer snabbare ̇ VO2-kinetik att möjliggöra en högre träningsintensitet innan ett kritiskt värde på [Pi] bryts, vilket ökar den kritiska kraften, allt annat lika. Viktigt är att simulering av förändringar i PO2im inom datormodellen av Korzeniewski och Rossiter [10] resulterade i förändringarna i VO2 och CP som förutspåddes av bevisen som granskades i vart och ett av de föregående avsnitten [10].

Vid sidan av andra O2-underskottsrelaterade faktorer, resulterar att ett brott mot en kritisk [Pi] i en obönhörlig kaskad av ökande [Pi], trötthet och ATP-omsättning också överensstämmer med de bevis som granskas häri varvid konvektiv och diffusiv O2-tillförsel har en avgörande effekt på CP. O2-leverans är känd för att reglera koncentrationerna av fosfatmetaboliter vid en given metabolisk hastighet, så att när intracellulär PO2 är högre, reduceras de intracellulära störningarna som uppstår för [Pi], [PCr] och [ADP], medan det omvända är sant när intracellulär PO2 är lägre [49, 50, 54, 138]. Av dessa observationer följer att de ovan nämnda effekterna av konvektiv och diffus O2-tillförsel och intracellulär O2-användning på CP härrör från deras inverkan på det intracellulära metabola tillståndet, eller mer specifikt, hastigheten för ATP-omsättning vid vilken en kritisk tröskel för [Pi] (vilket i sig är en proxy för en samling av intracellulära metaboliter som återspeglar det intracellulära tillståndet av trötthet) uppnås. Följaktligen utövar snabbare ̇ VO2-kinetik, såväl som ökad O2-leverans, sina effekter på CP genom att minska de intracellulära metaboliska störningarna som krävs för att upprätthålla en given hastighet av ATP-omsättning, vilket gör det möjligt att uppnå en högre uteffekt innan CP uppnås.

【För mer information:george.deng@wecistanche.com / WhatsApp:8613632399501】