Cardiovascular and skeletal muscle responses to chronic concurrent exercise using HIT and Flywheel Technology in older adults

L’invecchiamento è accompagnato da processi degenerativi e comporta una progressiva riduzione delle funzioni fisiologiche. L’attività fisica permette di contrastare il decondizionamento cardiovascolare e gli effetti della sarcopenia, rallentare la caduta di efficienza del metabolismo ossidativo e di ridurre il rischio d’insorgenza di patologie croniche. Le linee guida internazionali individuano l’allenamento aerobico e l’allenamento per la forza muscolare come le principali strategie d’intervento atte a favorire un invecchiamento attivo e di successo. Lo scopo del lavoro è stato quello di valutare gli effetti di due particolari metodologie di allenamento ad alta intensità che recentemente sono state introdotte per massimizzare gli effetti del training: un protocollo di lavoro aerobico definito High Intensity Interval Training (HIT) e un allenamento per la forza mediante l’utilizzo di apparecchiature a carico isoinerziale (RT). La fattibilità e l’efficacia di questi protocolli di lavoro non sono state ad oggi valutate sulla popolazione anziana e il nostro studio si prefigge, per la prima volta, di analizzare globalmente gli effetti di questi allenamenti . 12 soggetti anziani sani (65-75 anni), reclutati sulla base di stringenti criteri di inclusione, sono stati coinvolti complessivamente per un periodo di 12 mesi in cui sono state effettuate: le valutazioni preliminari, 8 settimane di allenamento HIT seguito da 3 mesi di follow-up, 8 settimane di allenamento RT seguito da 3 mesi di follow-up. Protocollo HIT: tre allenamenti settimanali di esercizio aerobico ad alta intensità. Questo training, della durata di circa 30 min, prevede di alternare 2 min. di pedalata ad alta intensità (80-90% di V’O2max) con 2 min di pedalata a bassa intensità (40% di V’O2max). Protocollo RT: 3 allenamenti settimanali per lo sviluppo della forza per gli arti inferiori svolti con un ergometro a carico isoinerziale (Yoyo Technology). Questo tipo di apparecchiatura è nato originariamente stata sviluppata per l’allenamento in condizioni di microgravità e per enfatizzare il sovraccarico muscolare eccentrico. Ogni singolo allenamento, svolto 3 volte a settimana, prevedeva 4 serie da 7 ripetizioni di squat push alla pressa isoinerziale per gli arti inferiori. Prima, durante e al termine di ogni ciclo di allenamento e dopo ciascun follow-up, per valutare l’efficacia e gli effetti dei protocolli proposti, sono state valutate: -le variabili salute-correlate (composizione corporea, variabili antropometriche, profilo ematochimico); -le risposte dinamiche degli scambi gassosi, del sistema cardiovascolare e della deossigenazione muscolare periferica durante esercizio massimale e sottomassimale; -la forza massimale (isometrica e dinamica) degli estensori di gamba, mediante test funzionale isocinetico; -l’area di sezione trasversale e il volume muscolare del quadricipite femorale, mediante tecnica di imaging NMR; -l’angolo di pennazione e la lunghezza dei fascicoli muscolari del vasto laterale, mediante tecnica ecografica; -il livello di attività fisica e il dispendio energetico nel corso delle usuali attività quotidiane, mediante l’utilizzo monitor di attività fisica; -l’analisi su larga scala di campioni di DNA di leucociti periferici tramite analisi di trascrittomi con microarray sulle cellule del sangue; -le vie di segnale intracellulare per mezzo di esame dell’espressione genica e l’analisi della distribuzione delle fibre muscolari mediante prelievi bioptici. Le analisi condotte ci permettono di evidenziare i principali benefici dei due differenti allenamenti. Nonostante le iniziali riserve in merito alla fattibilità dello svolgimento di allenamenti ad alta intensità con soggetti anziani, abbiamo verificato che le due differenti attività svolte ad alta intensità, se eseguite con le dovute precauzioni e personalizzazioni, sono assolutamente sicure e perfettamente tollerate da parte dei soggetti. Allenamenti ad alta intensità di breve durata (quindi comunque con un considerevole volume di lavoro) permettono di ottenere risultati comparabili a quelli raggiungibili con protocolli di lavoro che prevedono sedute di allenamento di lunga durata e nello stesso tempo favoriscono l’aderenza al protocollo di lavoro da parte dei soggetti coinvolti. Il monitoraggio dello stile di vita e del profilo nutrizionale ci permette di affermare che questi allenamenti sono sufficienti per modificare il livello di attività fisica quotidiana con conseguente aumento del consumo calorico giornaliero. Le analisi ematochimiche e della composizione corporea evidenziano che un allenamento HIT influisce significativamente (p< .05) sui principali parametri salute-correlati: - migliora il profilo lipidico e dei principali marker ematochimici correlati al rischio cardiovascolare (col.tot -4%; col.tot/HDL -8.1%; glicemia -5.9%); - migliora la composizione corporea (%MG tot -5.2%; grasso addominale -5.5%); - modifica positivamente i principali parametri antropometrici correlati a patologie cardiocircolatorie (W/height ratio -3.1%). I due allenamenti provocano un significativo (p< .05) miglioramento delle caratteristiche di espressione di forza a carico dei muscoli estensori di gamba (forza isometrica: HIT +8%; RT+10.3%). Le analisi strumentali delle strutture e dei volumi muscolari del quadricipite, ci permettono di evidenziare che l’aumento della massa muscolare e il significativo cambiamento a livello strutturare sono ottenibili anche con un allenamento originariamente ottimizzato per intervenire sui parametri cardiovascolari. L’allenamento di forza eccentrico enfatizza e aumenta ulteriormente questi benefici dal punto di vista strutturale e architetturale (CSA: HIT +5%; RT+4%). La valutazione dell’efficacia di questi due tipi di training sull’efficienza del sistema cardiovascolare ci ha permesso di affermare che: -l’allenamento HIT provoca un aumento significativo (p< .05) della massima capacità aerobica con conseguente aumento della capacità funzionale dei soggetti (VO2max +8.7%); -anche in soggetti anziani, un allenamento HIT è in grado di modificare (p< .05) la funzionalità dei sistemi di trasporto e utilizzo dell’ossigeno sia a livello centrale che periferico (Tau -26%); -l’allenamento RT non sembra in grado di intaccare significativamente i sistemi di trasporto e estrazione di ossigeno a livello periferico. Le successive analisi dei campioni bioptici e dell’espressione genica ci permetteranno di indagare i meccanismi molecolari alla base delle modificazioni strutturali e funzionali riscontrate. Possiamo quindi concludere che i due allenamenti ad alta intensità sono efficaci per contrastare gli effetti della sarcopenia; inoltre l’allenamento HIT sembra essere particolarmente efficace anche nel modificare tutti quei parametri correlati al rischio cardiovascolare ed si può quindi considerabile come un’adeguata strategia di prevenzione degli effetti dell’invecchiamento.

This research program is a part of a large project “Astronaut exercise prescriptions promoting health and fitness on Earth (A-Fit)” funded by the European Space Agency. Research results have clearly shown that exercise training can offset or blunt many associated negative effects of disuse on muscle, bone and other vital, organ systems. Similar to muscle disuse or aging on earth, chronic exposure to the microgravity environment brings about skeletal muscle atrophy, and metabolic and neuromuscular dysfunction. The A-fit project goal is to validate the efficacy and feasibility of new exercise methods in healthy, injured, diseased or old populations. The efficacy of two different training (High Intensity Aerobic Interval Training vs. Eccentric Resistance Training) protocols in preventing or delaying some specific consequences of aging (sarcopenia, immunosenescence and functional decay) was evaluated. 12 active healthy male volunteers (69.4 ± 4.3 yr), recruited in compliance with the ACSM inclusion criteria, had performed 8 weeks [April–June 2013] of aerobic training (High Intensity Training (HIT)) and 8 weeks of Isoinertial Eccentric Resistance Training (IRT) [October–December 2013] performed by “Isoinertial Flywheel YoYo Technology” device. To evaluate the effects of training, volunteers were investigated in 6 occasions: 2 baseline data collections before HIT, after HIT, after 12 weeks of wash out and before IRT, after IRT and, finally, after the final 12 weeks of recovery after IRT. Data analysis allows us to highlight the main benefits of the two different workouts. Despite initial doubts about the feasibility of carrying out high-intensity workouts with elderly subjects, we found that HIT and IRT, when performed with care and customizations are absolutely safe and well tolerated by the subjects. HIT (short duration) allows us obtain results comparable to those attained with long duration, low intensity workout sessions and, simultaneously, promote the protocol adherence. The blood tests and body composition analysis showed that HIT workout affects significantly the main health-related parameters: i) fat and glucose profile and the main markers related to cardiovascular risk; ii) body composition; iii) positively change the main anthropometric parameters related to cardiovascular diseases. The efficacy of these two types of training on the efficiency of the cardiovascular system has allowed us to demonstrate that: i) HIT causes a significant increase of maximum aerobic capacity and functional capacity without affecting weekly energy expenditure; ii) even in the elderly, HIT is able to change the functionality of the systems of transport and use oxygen at both central and peripheral iii) IRT does not seem able to make significant changes in oxygen transport and extraction in the periphery. The two workouts cause a significant improvement on leg extensor muscles strength. The analysis of structures and quadriceps volume, allow us that the increase in muscle mass and the significant change in the muscle structure are obtainable even with a workout originally optimised to improve cardiovascular parameters. As confirmed in previous studies, our findings shows that exercise intensity, rather than duration, is the key factor in determining cardiac, muscle and healthy benefits, However, fundamental questions remain regarding the minimum volume of exercise necessary to improve physiological well-being, and the precise nature and magnitude of adaptations in lifestyle that can be elicited and maintained over the long-term. However, further studies should be performed to determine whether aerobic, resistance or mixed exercise programs with different intensities are able to improve health.