WPŁYW ZMIAN CAŁKOWITEJ MASY HEMOGLOBINY NA POZIOM VO 2MAX

Transkrypt

1 WPŁYW ZMIAN CAŁKOWITEJ MASY HEMOGLOBINY NA POZIOM VO 2MAX Walter Schmidt, Nicole Prommer Department of Sports Medicine/Sports Physiology, University of Bayreuth, Germany SCHMIDT, W. and N. PROMMER. Impact of alterations in total hemoglobin mass onvo2max. Exerc. Sport Sci. Rev., Vol. 38, No. 2, s , Zmiany w wartości maksymalnego pułapu tlenowego związane z treningiem i hipoksją są wywoływane przez różnego rodzaju adaptacje krwi. Trening podnosi objętość krwi z powodu zwiększonej ilości plazmy i krwinek czerwonych, przynosząc w rezultacie zwiększoną pojemność minutową serca, podczas gdy hipoksja wywołuje jedynie wzrost objętości krwinek czerwonych, prowadząc do wzrostu stężenia hemoglobiny i zdolności transportu tlenu. Doping krwi imituje wpływ warunków wysokościowych, znacznie przekraczając jego skalę wielkości. Słowa kluczowe: stężenie hemoglobiny, objętość krwi, pojemność minutowa serca, trening, wysokość, manipulowanie krwią WSTĘP Maksymalny pułap tlenowy (VO 2max ) który w pewnym sensie jest reprezentatywny dla wytrzymałości, określa równanie Fick a jako dostawę tlenu z krwi i jego pobór przez mięśnie szkieletowe. W zależności od stanu wydolności, jeden z tych dwóch czynników zyskuje na wadze. Udowodniono, że u osób niewytrenowanych wartość VO 2max jest zdeterminowana konsumpcją tlenu, natomiast u dobrze wytrenowanych zawodników sportów wytrzymałościowych głównym ograniczającym czynnikiem jest dostawa tlenu (16,33). Transport tlenu do mięśni stanowi podstawę złożonego procesu regulacji, który zależy od stężenia hemoglobiny ([Hb]) oraz stopnia perfuzji mięśniowej. Druga z wymienionych funkcji adaptuje się do rzeczywistej sytuacji metabolicznej i może być modulowana poprzez ustrojową lub lokalną regulację średnic naczyniowych jak również poprzez zmianę pojemności minutowej serca CO (ang. cardiac output, p. (25)). Najważniejszym czynnikiem wysokiego poziomu CO jest wysoki stan zdrowotny serca i elastyczność osierdzia (16), które zapewniają wysoką objętość końcoworozkurczową a przez to wysoką objętość wyrzutową. Ponadto wydajna sercowa pompa mięśniowa (25) i sprawne napełnianie rozkurczowe (p. (16)) jest warunkiem wstępnym, 74

2 możliwym jednakże do spełnienia jedynie przy odpowiednim ciśnieniu krwi. Stąd zwiększenie objętości krwi prowadzi do wyższych wartości CO oraz wzrostu wartości VO 2max, przy założeniu, że wartość [Hb] jest odpowiednio wysoka. Dlatego też VO 2max w warunkach normoksji zależy głównie od wartości CO i [Hb]. Jednakże w warunkach hipoksji na ważności zyskuje parcjalne ciśnienie tlenu (O 2 ) a stopień dyfuzji tlenu w płucach i mięśniach szkieletowych stanowi główny czynnik ograniczający (33). W tym kontekście, masa hemoglobiny (thb) jest istotna w dwóch przypadkach. Z jednej strony, jej całkowita masa w połączeniu z całkowitą objętością krwi determinuje [Hb] i jednocześnie zdolność transportową tlenu. Z drugiej zaś strony, podnosi ona objętość krwi poprzez wzrost ilości erytrocytów. Tego typu podwójna rola wyjaśnia wysoki stopień korelacji VO 2max z objętością krwi czy stężeniem hemoglobiny [Hb] (15). Zależność pomiędzy objętością krwi i masą thb oraz wpływ obydwu parametrów na stężenie hemoglobiny [Hb] przedstawiono na Rys. 1. Oczywistym faktem jest, że masa thb zależy w sposób liniowy od objętości krwi w szerokim zakresie i w zależności od płci. Rozrzut wyników masy thb odniesionych do danej wartości objętości krwi odzwierciedla różne [Hb]. [Hb] oraz masa thb są zatem różnymi parametrami fizjologicznymi, które mogą wywierać różny wpływ na wytrzymałość sportowców. Z powodu problemów metodologicznych związanych z wyznaczaniem masy thb, przez długi czas trudno były wyznaczyć wpływ masy thb w funkcji [Hb] na parametry takie jak VO 2max oraz wytrzymałość. Przy standardowym zastosowaniu popularnej metody ponownego wdychania CO zoptymalizowanej przez Burge i Skinner (4) a następnie przez Schmidt i Prommer (30), otrzymano nowe spojrzenie na te parametry VO 2max oraz wytrzymałość (30). Autorzy niniejszej pracy wysunęli hipotezę, że VO 2max może wzrastać poprzez dwa typy adaptacji hematologicznej. Pierwszy z nich obejmuje zrównoważony wzrost objętości krwi oraz masy thb prowadzący do zwiększonej pojemności minutowej serca, natomiast drugi dotyczy stosunkowo stałej objętości krwi charakteryzującej się wzrostem masy thb wynikającym z podwyższonej wartości [Hb] oraz towarzyszącej temu zjawisku usprawnionej dyfuzji tlenu. Celem niniejszego artykułu jest rozróżnienie pomiędzy wpływem masy thb oraz stężenia hemoglobiny [Hb] na VO 2max oraz przedstawienie, jak zmiany tych parametrów wpływają na zmiany wartość VO 2max. 75

3 Rys. 1. Całkowita masa hemoglobiny (thb) w funkcji objętości krwi. Dane na podstawie 490 badanych (badani płci męskiej, n=314, symbol zaczerniony; badani płci żeńskiej, n=176, symbol nie zaczerniony) mieszkających i trenujących na poziomie morza (31). Wytrzymałość badanych osób sklasyfikowano na podstawie wysokości maksymalnego pułapu tlenowego (VO 2max): normalna poniżej 48 ml min -1 kg -1 (mężczyźni) oraz 37 ml min -1 kg -1 (kobiety); umiarkowana: ml min -1 kg -1 oraz ml min -1 kg -1 ; wysoka: ml min -1 kg -1 i ml min -1 kg -1 ; na poziomie wyczynowym: powyżej 67 ml min -1 kg -1 i 58 ml min -1 kg -1. Linia przerywana wskazuje na stężenie hemoglobiny ([Hb]) w funkcji objętości krwi i masy thb. Całkowita masa hemoglobiny oraz [Hb] Ajko czynniki wpływające na VO 2max Objętość krwi oraz masa thb jest dobrze skorelowana z cechami antropometrycznymi, szczególnie z masą ciała szczupłego (LBM, lean body mass) (26). [Hb] natomiast nie jest skorelowane z LBM (32). Jest faktem dobrze znanym, że masa thb oraz objętość krwi wykazują wyższe wartości u zawodników na poziomie wyczynowym uprawiających sporty wytrzymałościowe o nawet 50% w porównaniu do badanych prowadzących siedzący tryb życia (13). Badania przekrojowe (9) i długoterminowe (15) wykazują w sposób oczywisty, że VO 2max zależy ściśle od masy thb oraz objętości krwi, ale nie od [Hb] (Rys. 2). Interesujący jest fakt, że związek pomiędzy VO 2max oraz masą thb nie zależy od płci oraz wieku. Mechanizm leżący u podstaw tej bliskiej zależności jest oparty na fakcie, że wysoka objętość krwi i towarzysząca mu wysoka wartość powrotu żylnego i ciśnienie napełniania serca wynikające z wyższego poziomu CO (6,14). Podobny związek pomiędzy masą thb, objętością krwi oraz pojemnością minutową serca a VO 2max przedstawiono na Rys. 3, wykazując 76

4 równoległy wzrost odpowiadającej mu prostej regresji. Stosunek CO przy maksymalnym wysiłku do objętości krwi wynosi w przybliżeniu 4:1 przy uwzględnieniu szerokiego zakresu wydolności (VO 2max pomiędzy 3l a 6l). Stosunek ten wskazuje, że cząstki krwi i hemoglobiny cyrkulują cztery razy na minutę w organizmie, niezależnie od wartości absolutnych. Przy obliczaniu intensywności transportu tlenu przez hemoglobinę przy maksymalnej wydolności, zmiana masy thb jest związana ze zmianą VO 2max rzędu ok. 4 ml min -1 (1g hemoglobiny wiąże 1,39 ml tlenu; założeniem jest: różnica tętniczo-żylna wysycenia tlenem (avdo 2 ) rzędu 75%, cztery cykle cyrkulacyjne na minutę). Ta wartość dobrze odpowiada wartości prostej regresji otrzymanej pomiędzy VO 2max a masą thb przedstawioną na Rys. 2a jak również wynikom opisywanym w literaturze w badaniach przekrojowych (9). Rozważania te wskazują, że wysoki poziom masy thb oraz objętości krwi jest niezastąpionym warunkiem wstępnym uzyskania wysokiej wartości VO 2max, kluczowego parametru określającego sukces w sportach wytrzymałościowych. W odniesieniu do różnic w [Hb] w zależności od płci (Rys. 1), nie wykazano żadnych zależności pomiędzy [Hb] oraz VO 2max, zarówno w grupie o różnym poziomie wytrenowania (Fig. 2) jak i w grupach charakteryzujących się bardzo zbliżonym poziomem wytrzymałości (13). W przypadku normoksji w warunkach fizjologicznych bez niedokrwistości, autorzy doszli do wniosku, że wpływ masy thb na VO 2max jest większy niż w przypadku [Hb]. Wniosek ten potwierdzają różnego typu badania opisujące wzrost i redukcję objętości plazmy, które wykazywały bliższy związek pomiędzy VO 2max a masą thb oraz pomiędzy VO 2max a [Hb] czy objętością krwi (15). Wpływ [Hb] na VO 2max zyskuje jednakże na ważności w warunkach niefizjologicznych, takich jak utrata krwi. W przypadku tym, szybkie odzyskanie objętości krwi z powodu zwiększenia objętości plazmy wiąże się ze spadkiem stężenia hemoglobiny oraz VO 2max (Fig. 4). Przeciwny wpływ jest uzyskiwany w warunkach transfuzji krwi oraz silnej erytropoezy wywołanej podaniem ludzkiej rekombinowanej erytropoetyny (rhepo). Jak wykazano na Rys. 4, średnie wyniki dla danych z badań antydopingowych wykazują podobną zależność pomiędzy zmianami w stężeniu hemoglobiny [Hb] oraz zmianami w VO 2max obserwowanymi po utracie krwi. W przypadku obydwu z wyżej wymienionych warunków niefizjologicznych, zmiana w masie thb wywiera wpływ na VO 2max poprzez zmianę w efektywności transportu tlenu, tzn. [Hb], podczas gdy ma ona jedynie marginalny wpływ na pojemność minutowa serca (18). 77

5 Nachylenie prostej regresji pomiędzy thb a VO 2max w warunkach utraty krwi i stymulacji erytropoetycznej potwierdza, że zmiana o 1g hemoglobiny wiąże się ze zmianą w VO 2max rzędu ok. 4 ml min -1, niezależnie od mechanizmu, tj. CO lub zdolności transportowej O 2. Rys. 2 Zależność pomiędzy bezwzględnym maksymalnym pułapem tlenowym (VO 2max ) oraz bezwzględną całkowitą masą hemoglobiny (thb) (A) jak również normalizowane VO 2max oraz masy thb odniesionej do masy ciała (B) i stężenia hemoglobiny (C) otrzymane w trakcie badań przekrojowych. Wyniki obejmują dane chłopców w wieku 9 14 lat, pełnosprawnych badanych niewytrenowanych, zawodników amatorów oraz biegaczy i wioślarzy na poziomie wyczynowym (32). Wpływ treningu na masę thb oraz [Hb] 78

6 Ponieważ zawodnicy uprawiający sporty wytrzymałościowe wykazują 40-50% wyższą masę thb, zakłada się że trening jest silnym stymulatorem erytropoezy. Dane literaturowe nie są jednak spójne pod tym względem. Badania treningu trwającego 4-12 tygodni oraz odnoszące się do metod stosujących markery krwinek czerwonych lub hemoglobiny nie wykazują żadnego wpływu. Badania wykorzystujące metodę Evans Blue jako markera białek plazmy i późniejsze przeliczanie masy krwinek czerwonych wykazały wzrost od 8% do 12% po odpowiednio 3 tygodniach i 12 tygodniach treningu ((34); ocena badań, p. (31)). Ponieważ dokładność metody Evans Blue przy określaniu objętości krwinek czerwonych lub masy thb jest znacznie niższa niż w przypadku metod korzystających z markerów krwinek czerwonych i hemoglobiny (11), drugie z wymienionych wyników należy rozważyć ze szczególną uwagą. W najdłuższych badaniach poświęconych treningowi w literaturze przedmiotu, korzystających z tlenku węgla jako markera hemoglobiny, zaobserwowaliśmy ostatnio wzrost masy thb o 6,4% (+60g) u umiarkowanie wytrenowanych biegaczy (VO 2max =53,1 ml min -1 kg -1 po intensywnym 9-miesięcznym treningu maratońskim ((31), Rys. 5). Podczas tego okresu treningowego, wartość VO 2max wzrosła o 250 ml min -1, co również potwierdza zależność VO 2max od masy thb o ok. 4 ml min -1 na 1g hemoglobiny. Chociaż masa thb istotnie wzrosła po zakończeniu programu treningowego, wartość absolutna (12,5 g kg -1 ) nie wykazała wartości wykazywanych przez biegaczy maratońskich na poziomie wyczynowym (>14,5 g kg -1 ; (13)), wskazując na fakt, że maksymalny poziom masy thb można uzyskać jedynie w wyniku wielu lat intensywnego treningu lub zależy on silnie od parametrów genetycznych. Drugi z wymienionych czynników potwierdzają wysokie wartości wysokiego VO 2max (65,0 ml min -1 kg -1 ) u badanych z wysokim poziomem objętości krwi (92,3 ml kg -1 oraz masy thb (13,8 g kg -1 ) bez żadnej przeszłości treningowej (19). Niewrażliwość układu erytropoetycznego na trening jest również odzwierciedlony bardzo niską oscylacją masy thb podczas roku treningowego (1,8 ± 3,8%), wraz z okresami regeneracji i wysokiej rangi zawodami (24). Dlatego też autorzy wyciągnęli wniosek, że trening nie jest istotnym czynnikiem zwiększającym masę thb. Adaptacja krwi do treningu nie jest jedynie prostą reakcją na częste okresy zapotrzebowania na tlen w mięśniach. W nerkach, gdzie wykrywana jest dostępność tlenu, ciśnienie parcjalne tlenu żylnego najczęściej nie spada. Redukcja perfuzji w nerkach indukowanej wysiłkiem oraz dostawa tlenu mogą być całkowicie kompensowane przez redukcję zużycia tlenu nerkowego spowodowanego niższą resorpcją sodu oraz prawostronnym 79

7 przesunięciem krzywej dysocjacji tlenu, co usprawnia dostawę tlenu do tkanek. W konsekwencji stężenie erytropoetyny ([EPO]) jest stałe w czasie wysiłku o różnego typu intensywności i czasie trwania (27). Niskie wartości adaptacji masy thb na długotrwały trening mogą być spowodowane regulacją objętości krwi do nowych warunków oraz powolną i jedynie częściowo występującą odnową cech indywidualnych [Hb] poprzez wzrost masy thb (Rys. 6, strzałka a). Zachowanie to można zaobserwować w wyżej wymienionych badaniach, w których masa thb wzrosła o 6,4% po 9 miesiącach, podczas gdy [Hb] nie odnowiło się całkowicie w ciągu tego czasu (31). W tym przypadku, [Hb] powinno spaść od 15,2 g dl -1 do 13,8 g dl -1 w wyniku ekspansji objętości plazmy; jednakże, z powodu zwiększonej produkcji masy thb, [Hb] spadło tylko do 14,7 g dl -1 (Rys. 5). Rys. 3. Zależność maksymalnego pułapu tlenowego (VO 2max) od całkowitej masy hemoglobiny (thb), objętości krwi (BV) oraz pojemności minutowej serca (CO). Dane pojemności minutowej serca uzyskano z badań (6); dane dotyczące masy thb oraz BV uzyskano z badań (32). Powtarzanemu intensywnemu wysiłkowi wytrzymałościowemu towarzyszy superkompensacja objętości plazmy sięgająca nawet ok ml podczas Tour de France ((20); Rys. 6, strzałka p). Pomimo przejściowego skoku w wartości objętości plazmy i wynikających z niego spadku [Hb], aktywność erytropoetyczna nie wzrasta a masa thb pozostaje bez zmian. Z drugiej zaś strony, nie ma żadnych dowodów na podstawie badań związanych z upuszczaniem lub retransfuzją krwi, że system regulacji objętości potrafi szybko rekonstytuować normalną indywidualną objętość krwi, co w konsekwencji przynosi normalizację [Hb]. 80

8 Upuszczanie krwi prowadzi do spadku [Hb] z powodu gwałtownej ekspansji objętości plazmy kompensującej stratę objętości krwi oraz opóźniony i powolny wzrost masy thb aż do pierwotnej wartości [Hb] w okresie 30 dni ((22), Rys. 4 oraz 6, strzałki b oraz c). Natomiast badania dotyczące transfuzji krwi wykazały, że układ erytropoetyczny jest tłumiony przez 21 dni po transfuzji, na co wskazuje liczba retykulocytów, aż do odzyskania indywidualnych wartości [Hb] oraz masy thb ((5); Rys. 6, strzałki n oraz o). Rys. 4. Zależność pomiędzy zmianami w maksymalnym pułapie tlenowym (VO 2max) a całkowitą masą hemoglobiny (thb) (symbole zaczernione) jak również stężeniem hemoglobiny (symbole nie zaczernione). Każdy punkt wskazuje wartości średnie z poprzednich badań (18, 21, 22). Dzień po oddaniu krwi oznaczony w lewym dolnym rogu. Początkowa średnia masa thb oraz stężenie hemoglobiny ([Hb]) wynoszą odpowiednio 890 g oraz 15,2 g dl -1 u dawców krwi (22); 928 g oraz 15,3 g dl -1 w grupie kontrolnej; 840 g/891g oraz 14,8 g dl -1 /15,0 g dl -1 przed 24-dniowym podawaniem ludzkiej rekombinowanej erytropoetyny (rhepo) (dwie grupy) oraz 960 g i 14,2 g dl -1 przed 13-tygodniowym podawanie rhepo. Rys. 5. Wpływ 9-miesięcznego programu treningu wytrzymałościowego u umiarkowanie wytrenowanych badanych na objętość krwi, całkowitą masę hemoglobiny (thb) oraz stężenie hemoglobiny ([Hb]). Na rysunku zaprezentowano procentowe różnice względem wartości początkowych. Linia przerywana wskazuje na teoretyczny rozwój [Hb] jeśli nie wystąpiłby wzrost thb. Dane uzyskane na podstawie (31). 81

9 Autorzy doszli do wniosku, że trening wytrzymałościowy jest jedynie niewielkim i powolnym bodźcem stymulującym adaptację erytropoetyczną i nie jest głównym powodem wysokiej wydolności obserwowanej u zawodników na poziomie wyczynowym. Długotrwała adaptacja treningowa wydaje się kontrastować z zagęszczeniem krwi wywołanym ostrym wysiłkiem. Tego typu zagęszczenie krwi jest spowodowane przepływem płynu z przestrzeni wewnątrznaczyniowych do przestrzeni wewnątrzkomórkowych i śródmiąższowych jak również przejściowe wydalanie krwinek czerwonych ze śledziony (Rys. 6, strzałka d). Celem wszystkich tych mechanizmów może być łączny efekt zwiększania objętości krwi i rozrzedzenia krwi spowodowany długotrwałym treningiem oraz ostrym zagęszczeniem krwi podczas wysiłku wynikającym z zarówno zwiększonej objętości krwi oraz pojemności minutowej serca oraz podwyższonego [Hb], czyli zwiększonej zdolności transportu tlenu. Ten proces adaptacyjny mógłby być odpowiednikiem procesów u innych ssaków, np. koni lub psów. Śledziona tych ssaków wydziela podczas wysiłku krwinki czerwone, co pozwala uzyskać istotnie różne poziomy hematokrytu podczas wysiłku (~60%) i w spoczynku (~35%) (2). Zwiększona podaż tlenu mięśniowego odbywa się podczas okresów zapotrzebowania na tlen, natomiast niski poziom hematokrytu, który chroni przed czynnikami ryzyka zakrzepicy, pojawia się w spoczynku. Rozmiar tego mechanizmu zilustrować można następującym przykładem: kiedy [Hb] wzrasta od 15,0 g dl -1 do 16,5 g dl -1 u zawodników z 7500 ml krwi oraz 1025g hemoglobiny (Rys. 1), wzrost [Hb] do 0,5 g dl -1 wynika z wydzielania przez śledzionę (66g w 200 ml krwinek czerwonych) natomiast wzrost większy niż 1,0 g dl -1 jest spowodowany przejściową stratą 500 ml objętości krwi. Wynikający z tego spadek objętości krwi (od 7700 ml do 7200 ml) wpływa na redukcję pojemności minutowej serca o 1,25 l oraz VO 2max o około 150 ml min -1 ; z drugiej strony, wzrost [Hb] podnosi VO 2max o około 300 ml min -1 oraz kompensuje niską pojemność minutową serca. Konkludując, łączny efekt długotrwałego treningu i wysiłku ostrego stymuluje wysoką pojemność minutową serca z powodu zwiększonej objętości krwi oraz podwyższonej wartości [Hb] z powodu ostrej redukcji objętości plazmy. Wpływ wysokości nad poziomem morza na masę thb oraz [Hb] 82

10 Procesy regulacyjne masy thb oraz stężenia hemoglobiny [Hb] w warunkach wysokościowych zupełnie różnią się od procesów występujących w czasie treningu wytrzymałościowego na poziomie morza. W przypadku dojeżdżania z terenów nizinnych w warunki wysokościowe, [Hb] wzrasta w celu utrzymania odpowiedniego poziomu avdo2. Regulacja ta jest osiągana poprzez redukcję objętości plazmy występującą w okresie od kilku godzin do kilku dni (Rys. 6, strzałka e). W trakcie kolejnych tygodni i miesięcy przebywania w warunkach wysokościowych, objętość plazmy pozostaje niska, podczas gdy masa thb wzrasta aż do osiągnięcia pierwotnego poziomu objętości krwi ((12); Rys. 6, strzałka f). Końcowy etap tego procesu adaptacyjnego można zaobserwować u mieszkańców Andów ((12); Rys. 6, strzałka g), którzy wykazują wysoki poziom masy thb, niską objętość plazmy oraz podwyższone [Hb]. Wielkość wzrostu masy thb oraz [Hb] zależy od wysokości n.p.m. Przykładowo, masa thb oraz [Hb] są 11% oraz 2,3 g dl -1 wyższe na 2600 m oraz 14% i 3,1 g dl -1 wyższe na wysokości 3500 m w porównaniu do mieszkańców nizin (3, 12). Interesującym faktem jest to, że populacje mieszkańców gór z długą historią adaptacyjną (np lat u Tybeańczyków i mieszkańców wschodniej Afryki w porównaniu do mniej niż 5000 lat u mieszkańców Andów) charakteryzują się podobną wartością [Hb] jak mieszkańcy nizin (1), wskazując na innego typu procesy adaptacyjne (Rys. 6, strzałka h). Stymulacja erytropoetyczna w warunkach wysokościowych również różni się od stymulacji podczas treningu. Chociaż nie zachodzą żadne zmiany w stężeniu [EPO] w plazmie po wysiłku lub w trakcie okresów treningowych (27), [EPO] wzrasta przejściowo przez kilka dni po przyjeździe w warunki wysokościowe z powodu niskiego nasycenia tlenem w nerkach (8). Po kilku dniach w warunkach wysokościowych, poziom [EPO] spada i osiąga stały poziom nieco poniżej początkowej linii bazowej. 83

11 Rys. 6. Schematyczne przedstawienie zmian całkowitej masy hemoglobiny (thb), stężenia hemoglobiny ([Hb]) oraz objętości krwi w różnych warunkach: a = adaptacja do treningu wytrzymałościowego na poziomie morza, b= ostra utrata krwi, c = ostra kompensacja utraty krwi, d = ostry wysiłek połączony z wydzielaniem krwinek czerwonych ze śledziony, e = ostra ekspozycja na warunki wysokościowe, f = kilka tygodni adaptacji wysokościowej, g = mieszkańcy terenów górskich (Andy), h = możliwa adaptacja Tybetańczyków i mieszkańców wschodniej Afryki, i = sportowcy uprawiający sporty wytrzymałościowe mieszkający w regionach górskich, k = powrót z warunków wysokościowych, l = manipulowanie EPO, m = łączny efekt podawania EPO oraz treningu, n = ostry efekt transfuzji krwi, o = efekt transfuzji krwi po kilku dniach, p = podwyższenie objętości plazmy podczas wyścigów etapowych. Wpływ treningu w warunkach wysokościowych (hipoksji) na masę thb oraz [Hb] Niedawne wysiłki badawcze w obszarze treningu wysokościowego i wytrzymałości skupiały się wokół koncepcji live high - train low czyli żyj wysoko - trenuj nisko (17, 10). W oparciu o krytyczną ocenę literatury, doszliśmy do wniosku, że badania treningu wysokościowego, które przeprowadzono dla przynajmniej 3 tygodni na wysokości powyżej 2100 m przy mniej niż 14 h hipoksji dziennie nie wykazały żadnego przyrostu masy thb. Badania, w których badani przebywali w podobnych warunkach hipoksyjnych przez przynajmniej 14 godzin dziennie wykazały wzrost masy thb o około 6% (Rys. 6, strzałka f). Wielkość ta jest porównywalna z efektem osiągniętym podczas przeprowadzania tradycyjnego treningu wysokościowego (Rys. 7; (31)). Maksymalną masę thb u zawodników sportów wytrzymałościowych wykazano jak dotąd u kolarzy zamieszkujących tereny górskie, mieszkający i trenujący na wysokości 2600 m. Łączą oni trening z bodźcami wywołanymi hipoksją (Rys. 6, strzałka g oraz i) i posiadają około 70% więcej hemoglobiny niż osoby prowadzące siedzący tryb życia mieszkający na poziomie morza. Jednakże stężenie hemoglobiny [Hb] u tych zawodników jest niższe w porównaniu do osób 84

12 niewytrenowanych z tej samej wysokości n.p.m., co odzwierciedla zwiększoną objętość krwi, podobnie jak ma to miejsce na poziomie morza (29). W wielu badaniach dotyczących treningu wysokościowego przeprowadzonych powyżej 2000 m wykazano jego pozytywny wpływ na VO 2max oraz wydolność na poziomie morza (patrz (7)). Odpowiedź VO 2max na warunki wysokościowe była raczej cechą indywidualną; nie zaobserwowano również ścisłych związków pomiędzy masą thb a VO 2max. Mechanizmy prowadzące do uzyskania korzyści z tego typu treningu przez kilka dni lub tygodni po powrocie na poziom morza nie zostały jeszcze wyjaśnione. Nie wykazano, czy wzrost [Hb] spowodowany podwyższoną masą thb lub objętością krwi spowodowaną wzrostem objętości plazmy po powrocie z warunków wysokościowych wywiera większy wpływ na VO 2max (Rys. 6, strzałka f oraz k). O ile w warunkach poziomu morza wzrostowi masy thb towarzyszy wzrost VO 2max, o tyle ta zależność nie ma miejsca w warunkach wysokościowych. Pomimo 11% wyższej masy thb po 6 miesiącach przerywanej aklimatyzacji na poziomie 3500 m, nie zaobserwowano żadnych różnic w VO 2max w porównaniu do dopasowanej poziomem grupy kontrolnej z podobnej wysokości (23). Podanie 700 ml krwinek czerwonych w soli fizjologicznej (~100g hemoglobiny) podczas ostrej ekspozycji na 4300 m nie zapobiegło również redukcji VO 2max (-26%) podobnej do obserwowanej w grupie kontrolnej nie poddawanej temu zabiegowi (35). Dane te potwierdzają obliczenia Wagnera (33), który wykazał, że czynnikami ograniczającymi w warunkach wysokościowych są zdolność dyfuzji mięśniowej i płucnej jak również wentylacja, w przeciwieństwie do pojemności minutowej serca i poziomu [Hb]. Wpływ dopingu na masę thb oraz [Hb] Wartość dopingu krwi wyrażanego zmianą masy thb u zawodników na poziomie wyczynowym nie była nigdy publikowana. Kontrolowane badania antydopingowe skupiające się na wpływie rhepo oraz oczywistych przypadkach dopingu krwi wskazują na przyrosty masy thb rzędu około 10%. Całkowita objętość krwi nie zmienia się pod wpływem rhepo (18, 21) i jest jedynie nieco podwyższona ze względu na łączny efekt podania rhepo i treningu ((28), Rys. 6, strzałka l oraz m). Dodatni wpływ na wartość VO 2max można zatem przypisywać wzrostowi [Hb] a nie wzrostowi pojemności minutowej serca (18). 85

13 Rys. 7. Wpływ treningu zawodników na poziomie wyczynowym i amatorskim oraz wpływ treningu wysokościowego (live high train low (LH- TL) oraz live high train high (LH-TH)) i dopingu na całkowitą masę hemoglobiny (thb). Kolumny w sekcji dopingu przedstawiają manipulację krwią z i bez uprzedniego rozrzedzania krwi (kolumna 2). Odpowiadające wartości maksymalnego pułapu tlenowego (VO 2max) podano w nawiasach. rhepo = ludzka rekombinowana erytropoetyna. Dane na podstawie (28,31,17,21). W połowie lat 90-tych wartości hematokrytu podczas sezonu kolarskiego oscylowały często na poziomie wyższym niż 10%. Na podstawie danych opublikowanych w Internecie na temat kolarzy z teamu Gewiss-Ballan, z grudnia 1994 i maja 1995 (wzrost hematokrytu (Hct) od 41,1 ± 2,4% do 53,7 ± 3,8%) oraz zakładając, że ich średnia objętość krwi wynosiła 7574 ml (stan bez manipulacji krwią wykazany u kolarzy na poziomie wyczynowym (28)), masa thb wzrosła o średnio 285 g, co odpowiada ilości hemoglobiny w 4 torebkach krwi. Po wprowadzeniu limitów (np. Hct 50% w kolarstwie czy [Hb] 17,0 g dl -1 w narciarstwie biegowym), zniknęły przesadnie wysokie wartości, ale wzrosły wartości średnie [Hb]. W badaniach przeprowadzonych w roku 1999 wykazaliśmy, że ponad 50% kolarzy z zawodowych teamów podwyższyła masę thb o ponad 100g (28) w trakcie sezonu, co nie może wskazywać na adaptację fizjologiczną na trening (24). Z badań antydopingowych wynika, że tego typu wzrost jest uzyskiwany jedynie po 24-dniowym podawaniu rhepo (21). Po wprowadzeniu metody wykrywającej rhepo, wielu sportowców zaczęło stosować autologiczne transfuzje krwi, co umożliwia uzyskanie zmian w masie thb podobnych do zmian wywoływanych przez podanie rhepo. Pomimo wprowadzenia limitów, skala manipulacji krwią jest znaczna. Zakładając hematokryt rzędu 44% w stanie bez manipulowania krwią (odpowiadający [Hb] rzędu 14,5 g dl - 86

14 1 ), objętość krwi 7500 ml oraz masę thb rzędu 990 g, krytyczna wartość Hct 50% ([Hb] ~16,5 g dl -1 ) jest osiągana po podaniu 136 g hemoglobiny, czyli zawartości dwóch torebek krwi (Rys. 6, strzałki n oraz o). Bardziej ekstremalne formy manipulacji są możliwe podczas wyścigów etapowych ponieważ superkompensacja objętości plazmy w zakresie 1000 ml (p. rozdział Wpływ treningu na masę thb oraz [Hb] ) redukuje poziom [Hb] oraz Hct, co podnosi zakres oddziaływania (Rys. 6, strzałka p). Zmiany masy thb spowodowane dopingiem krwi są jednolicie odzwierciedlane zmianami [Hb]. Efekt zwiększenia masy thb powoduje zwiększenie [Hb] u zawodników z niską objętością krwi w porównaniu do sportowców z wyższymi wartościami objętości. Przykładowo, transfuzja 120 g hemoglobiny u drobnej zawodniczki z 4 l krwi powoduje wzrost [Hb] o 3,3 g dl -1 (np. od 14,0 do 17,3 g dl -1 ). Podczas transfuzji tej samej ilości hemoglobiny u wysokiego zawodnika płci męskiej z objętością krwi rzędu 9 l, [Hb] wzrasta jedynie o 1,5 g dl -1 (np. od 15,0 do 16,5 g dl -1 ). Jednakże w obydwu przypadkach wzrost o 120 g przyczynia się do podniesienia VO 2max o około 400 ml min -1 (Rys. 4). Ten rząd wielkości obserwowano po 24 dniach podawania rhepo (21). Ekstrapolując tą zależność pomiędzy VO 2max a masą thb, wyliczyliśmy korzyść w VO 2max do 1000 ml min -1 dla czasu przed wprowadzeniem limitów (Hct 50%) oraz do 860 ml min -1 u kolarzy z poziomem hematokrytu blisko 50% pod koniec 3-tygodniowego etapu wyścigu. Wnioski Masa thb determinuje poziom VO 2max przy pomocy dwóch mechanizmów. VO 2max można podnieść przy pomocy: (i) zrównoważonego wzrostu masy thb i objętości plazmy zwiększającego pojemność minutową serca i/lub (ii) wzrostu [Hb] spowodowanego zwiększoną masą thb, której towarzyszy zredukowana lub niezmieniona objętość plazmy podnosząca poziom avdo2. Mechanizm (i) osiąga się poprzez trening wytrzymałościowy; mechanizm (ii) poprzez adaptację do warunków wysokościowych lub manipulację krwią. Połączenie obydwu mechanizmów jest typowe dla przypadku trenowania i zamieszkiwania terenów górskich oraz, w mniejszym stopniu, u sportowców uprawiających sporty wytrzymałościowych zamieszkujących tereny poziomu morza podczas ostrego wysiłku. Jednakże najwyższy wpływ na VO 2max otrzymuje się przy podnoszeniu [Hb] za pomocą manipulacji krwią (Rys. 7). Zmiana masy thb o 1g powoduje zmianę poziomu VO 2max o około 4 ml min

15 Podziękowania Niniejsze badania zostały przeprowadzone przy współudziale Światowej Agencji Antydopingowej oraz Federalnego Instytutu Nauk Sportowych w Niemczech (BISp). Literatura 1. Beall CM. Two routes to functional adaptation: Tibetan and Andean high-altitude natives. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2007; 104:8655Y Bo ning D, Maassen N. Mechanisms of doping with erythropoietin. Dtsch. Ztschr. Sportmed. 2008; 59(7Y8):175Y7. 3. Bo ning D, Rojas J, Serrato M, et al. Hemoglobin mass and physical training in male and female residents of moderate altitude. Int. J. Sports Med. 2002; 23:79Y Burge CM, Skinner SL. Determination of hemoglobin mass and blood volume with CO: evaluation and application of a method. J. Appl. Physiol. 1995; 79(2):623Y Damsgaard R, Munch T, Mørkeberg J, Mortensen SP, Gonza lez-alonso J. Effects of blood withdrawal and reinfusion on biomarkers of erythropoiesis in humans: implications for antidoping strategies. Haematologica. 2006; 91:1006Y8. 6. Ekblom B. Effect of physical training on oxygen transport system in man. Acta. Physiol. Scand. 1969; S:1Y Friedmann-Bette B. Classical altitude training. Scand. J. Med. Sci. Sports 2008; 18(Suppl. 1):11Y Ge R-L, Witkowski S, Zhang Y, et al. Determinants of erythropoietin release in response to short-term hypobaric hypoxia. J. Appl. Phys. 2002; 92:2361Y7. 9. Gore CJ, Hahn AG, Burge CM, Telford RD. V O2max and hemoglobin mass of trained athletes during high intensity training. Int. J. Sports Med. 1997; 18:477Y Gore CJ, Hopkins WG. Counterpoint: positive effects of intermittent hypoxia (live high:train low) on exercise performance are not Mediatel primarily by augmented red cell volume. J. Appl. Physiol. 2005; 99(5): 2055Y7. 88

16 11. Gore CJ, Hopkins WG, Burge CM. Errors of measurement for blood volume parameters: a meta-analysis. J. Appl. Physiol. 2005; 99: 1745Y Heinicke K, Prommer N, Cajigal J, Viola T, Behn C, Schmidt W. Longterm exposure to intermittent hypoxia results in increased hemoglobin mass, reduced plasma volume, and elevated erythropoietin plasma levels in man. Eur. J. Appl. Physiol. 2003; 88:535Y Heinicke K, Wolfahrt B, Winchenbach P, et al. Blood volume and hemoglobin mass in elite athletes of different disciplines. Int. J. Sports Med. 2001; 22:504Y Horwitz L, Lindenfeld J. Effects of enhanced ventricular filling on cardiac pump performance in exercising dogs. J. Appl. Physiol. 1985; 59(6):1886Y Kanstrup IL, Ekblom B. Blood volume and hemoglobin concentration as determinants of maximal aerobic power. Med. Sci. Sports Exerc. 1984; 16(3):256Y Levine BD. V O2max: what do we know, and what do we still need to know? J. Physiol. 2008; 586(1):25Y Levine BD, Stray-Gundersen J. Point: positive effects of intermittent hypoxia (live high:train low) on exercise performance are mediated primarily by augmented red cell volume. J. Appl. Physiol. 2005; 99(5): 2053Y Lundby C, Thomsen JJ, Boushel R, et al. Erythropoietin treatment elevates haemoglobin concentration by increasing red cell volume and depressing plasma volume. J. Physiol. 2007; 578(1):309Y Martino M, Gledhill N, Jamnik V. High V O2max with no history of training is primarily due to high blood volume. Med. Sci. Sports Exerc. 2002; 34(6):966Y Morkeberg JS, Belhage B, Damsgaard R. Changes in blood values in elite cyclist. Int. J. Sports Med. 2009; 30(2):130Y Parisotto R, Gore CJ, Emslie KR, et al. A novel method utilizing markers of altered erythropoiesis for the detection of recombinant human erythropoietin abuse in athletes. Haematologica 2000; 85(6):564Y Prommer N, Heckel A, Schmidt W. Timeframe to detect blood withdrawal associated with autologous blood doping. Med. Sci. Sports Exerc. 2007; 39(5 Suppl):S3. 89

17 23. Prommer N, Heinicke K, Viola T, Cajigal J, Behn C, Schmidt WFJ. Long-term intermittent hypoxia increases O2-transport capacity but not VO 2max High Alt. Med. Biol. 2007; 8(3):225Y Prommer N, Sottas P-E, Schoch C, Schumacher YO, Schmidt W. Total hemoglobin massva new parameter to detect blood doping. Med. Sci. Sports Exerc. 2008; 40(12):2112Y Rowell LB. Ideas about control of skeletal and cardiac muscle blood flow (1876Y2003): cycles of revision and new vision. J. Appl. Physiol. 2004; 97(1):384Y Sawka MN, Young AJ, Pandolf KB, Dennis RC, Valeri CR. Erythrocyte, plasma and blood volume of healthy young men. Med. Sci. Sports Exerc. 1992; 24:447Y Schmidt W, Eckardt KU, Hilgendorf A, Strauch S, Bauer C. Effects of maximal and submaximal exercise under normoxic and hypoxic conditions on serum erythropoietin level. Int. J. Sports Med. 1991; 12(5): 457Y Schmidt W, Heinicke K. Screening of total hemoglobin mass in triathletes and professional cyclists. Dtsch. Ztschr. Sportmed. 2008; 59(6): 16Y Schmidt W, Heinicke K, Rojas J, et al. Blood volume and hemoglobin mass in endurance athletes from moderate altitude. Med. Sci. Sports Exerc. 2002; 34(12):1934Y Schmidt W, Prommer N. The optimised CO-rebreathing method: a new tool to determine total haemoglobin mass routinely. Eur. J. Appl. Physiol. 2005; 95:486Y Schmidt W, Prommer N. Effects of various training modalities on blood volume. Scand. J. Med. Sci. Sports 2008; 18(Suppl. 1):57Y Schmidt WF, Doerfler C, Wachsmuth N, et al. Influence of body mass, body composition, and performance state on total hemoglobin mass. Med. Sci. Sports Exerc. 2009; 41(5): Wagner PD. New ideas on limitations to V O2max. Exerc. Sport Sci. Rev. 2000; 28(1):10Y Warburton DE, Haykowski MJ, Quinney HA, et al. Blood volume expansion and cardiorespiratory function: effects of training modality. Med. Sci. Sports Exerc. 2004; 36:991Y Young AJ, Sawka MN, Muza SR, et al. Effects of erythrocyte infusion on VO2max at high altitude. J. Appl. Physiol. 1996; 81(1):252Y9. Volume 38 c Number 2 c April 2010 Total Hemoglobin Mass and VO2max 90