TRENING W WARUNKACH HIPOKSJI NORMOBARYCZNEJ Zbigniew Szyguła Zakład Medycyny Sportowej, Akademia Wychowania Fizycznego w Krakowie Wybór Meksyku, miasta leżącego na wysokości 2240 m n.p.m. na miejsce IO w 1968 r. spowodował ogromne zainteresowanie wpływem środowiska wysokogórskiego i związanego tym niedotlenienia na organizm i możliwości wysiłkowe człowieka. Od tego czasu wzrosło także zainteresowanie sportowców treningiem wysokogórskim (koncepcja treningu LH-TH - live high-train high - mieszkaj wysoko-trenuj wysoko), który, jak się okazało ma wiele zalet, ale także minusów. Trening w hipoksji wysokogórskiej (hipoksja hipobaryczna) działa pobudzająco na szpik kostny, ale może być także przyczyną roztrenowania sportowca. Wykazano, że korzystniejszą formą treningu jest przebywanie na wysokości 2000-3000 m n.p.m., ale trening na znacznie niższych wysokościach, zbliżonych do poziomu morza - koncepcja treningu LH-TL (live high train low mieszkaj wysokotrenuj nisko). W międzyczasie pojawiły się urządzenia pozwalające uzyskiwać symulowaną wysokość i warunki hipoksji bez konieczności przebywania w górach (hipoksja normobaryczna). W metodzie tej ciśnienie atmosferyczne nie ulega zmianie, natomiast zmniejsza się zawartość tlenu w powietrzu wdychanym, symulując hipoksję wysokogórską ekspozycja na hipoksję w warunkach normobarycznych. Celem niniejszej prezentacji jest dostarczenie aktualnych informacji na temat aktualnie stosowanych metod treningu w hipoksji/ekspozycji na hipoksję w warunkach normo barycznych oraz wskazań dotyczących ich stosowania. Zostanie także zwrócona uwaga na możliwe działania niekorzystne. Założenia treningu w hipoksji Trening w warunkach hipoksji naturalnej (hipobarycznej) lub sztucznej (normobarycznej), podejmowany w celu poprawy wydolności tlenowej organizmu opiera się na przesłankach naukowych, wg których obniżenie ciśnienia parcjalnego tlenu w powietrzu 52
oddechowym, zależne od spadku ciśnienia atmosferycznego w związku z rosnącą wysokością nad poziom morza, powoduje spadek ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi tętniczej, co z kolei stymuluje syntezę erytropoetyny w nerkach. Erytropoetyna pobudza erytropoezę (tworzenie nowych erytrocytów) w szpiku kostnym. Efektem tego jest zwiększenie liczby erytrocytów i hemoglobiny we krwi krążącej, hemoglobiny całkowitej (hemoglobin mass) oraz masy eytrocytarnej, a tym samym możliwości przenoszenia tlenu przez krew (pojemność tlenowa krwi). Dzięki temu więcej tlenu może być transportowane z pęcherzyków płucnych do pracujących mięśni. Jest to najczęściej podkreślany efekt hematologiczny przebywania w hipoksji. Dodatkowo spodziewane są także korzystne zmiany w innych układach i narządach efekty niehematologiczne. Pobyt i trening w naturalnych warunkach wysokogórskich (LH-TH) obarczony jest szeregiem niedogodności i możliwością wystąpienia niekorzystnych zmian, które należy wziąć pod uwagę podczas planowania treningu, w przeciwnym wypadku może nawet dojść do pogorszenia możliwości wysiłkowych sportowca podczas wysiłków na poziomie morza. Dlatego też na początku lat 90-tych pojawiła się idea treningu mieszkaj wysoko-trenuj nisko (LH-TL). W chwili obecnej spotkać można wiele modyfikacji tej metody i w związku z tym pojawiły się różne interpretacje dotyczące nazewnictwa oraz stosowania poszczególnych metod. Celem wprowadzenia jednolitego nazewnictwa dla poszczególnych metod treningu wysokościowego proponuję przyjąć podział wg Wilbera (2007a), w modyfikacji Milleta i wsp. (2010) (Ryc. 1). W metodzie LH-TL wykorzystuje się przewlekłą hipoksję normobaryczną (powyżej 12 godz./dobę przez okres co najmniej 4 tygodni), symulującą wysokość ok. 2000-3000 m n.p.m., głównie w celu pobudzenia erytropoezy, oraz trening na niskiej wysokości, wykorzystując możliwość stosowania wysiłku o odpowiedniej intensywności oraz mechaniczne obciążanie mięśni (Millet i wsp., 2010; Wilber, 2007 a, b; Vogt & Hoppeler, 2010). W metodzie tej zakłada się, że zawodnicy odniosą równoczesny efekt wynikający z działania hipoksji (zwiększenie ilości erytrocytów i masy hemoglobiny) oraz treningu na poziomie morza (utrzymanie intensywności treningu). W rezultacie, obok korzystnego efektu hematologicznego, uzyskamy korzystne zmiany w metabolizmie mięśni i regulacji nerwowomięśniowej (Wilber, 2007b). Warunki symulowanej wysokości można uzyskać np. metodą rozcieńczenia powietrza (zawierającego ok. 21% tlenu i 79% azotu) 100% azotem. W wyniku tego w 53
pomieszczeniu uzyskujemy mieszankę zawierającą np. 15,3% tlenu i 84,7% azotu, co odpowiada hipoksji na wysokości ok. 2500 m n.p.m. Innym sposobem obniżenia zawartości TRENING WYSOKOŚCIOWY LH-TH LH-TL LHTLH LL-TH NATURALNE WARUNKI SUPLEMENTACJA TLENU IHE PHE IHT ROZCIEŃCZENIE AZOTEM FILTROWANIE TLENU IHIT LH-TH (live high train high) = mieszkaj wysoko trenuj wysoko klasyczny trening wysokogórski LH-TL (live high train law) = mieszkaj wysoko trenuj nisko LHTLH (live high train law and high) = mieszkaj wysoko trenuj nisko i wysoko LL-TH (live law train high) = mieszkaj nisko trenuj wysoko IHE (intermittent hypoxic exposure) = przerywana ekspozycja na niedotlenienie w spoczynku PHE (prolonged hypoxic exposure) = przedłużona ekspozycja na niedotlenienie IHT (intermittent hypoxic training) = przerywana ekspozycja na hipoksję podczas sesji treningowej IHIT (intermittent hypoxic exposure during interval training) = przerywana ekspozycja na niedotlenienie podczas treningu interwałowego Ryc. 1. Modele treningu wysokościowego/w niedotlenieniu wg. Wilbera (2007a), w modyfikacji Milleta i wsp. (2010) 54
tlenu w pomieszczeniu jest odfiltrowanie części tlenu w powietrzu tłoczonym do pomieszczenia. W obu przypadkach można dowolnie regulować stężenie tlenu w pomieszczeniu, wywołując hipoksję normobaryczną, a tym samym symulować odpowiednią wysokość. Czynniki przemawiające za koncepcją treningu śpij wysoko w komorze hipoksyjnej trenuj nisko w warunkach normoksji (LH-TL) Trening w górach związany jest z szeregiem niedogodności i działań ubocznych, do których zaliczyć można: 1. Koszta i problemy logistyczne związane z wyjazdem i pobytem w ośrodku wysokogórskim. 2. Niekorzystne zmiany występujące szczególnie na początku pobytu w górach (wynik ostrego niedotlenienia), takie jak: spadek wydolności fizycznej (wyrażonej jako spadek VO 2 max) wraz z wysokością, spadek zdolności oksydacyjnej tkanek, wzrost udziału procesów beztlenowych, zmniejszenie aktywności ATPaz i upośledzenie resyntezy APT w mięśniach, zmniejszenie pojemności buforowej krwi, nasilenie przemian pirogronianu do kwasu mlekowego, wzrost kosztu energetycznego pracy mięśniowej, wzrost stresu oksydacyjnego i uszkodzeń oksydacyjnych błon komórkowych, niekorzystne działanie hipoksji na ośrodkowy układ nerwowy, odwodnienie organizmu, nasilenie metabolizmu z jednoczesnym spadkiem apetytu, prowadzące do spadku masy ciała, utrata aklimatyzacji cieplnej organizmu. Przewlekłe, kilkutygodniowe działanie hipoksji na organizm powoduje obniżenie syntezy białek mięśniowych, prowadząc do zmniejszenia wielkości włókien mięśniowych i masy mięśniowej. Zmiany te upośledzają rozwijanie wysokiej mocy podczas treningu, co uniemożliwia prowadzenie treningu z dotychczasową intensywnością, a w konsekwencji może być przyczyną względnego roztrenowania i utraty adaptacji do wysiłków szybkościowo-siłowych podczas zawodów na poziomie morza (Fulco i wsp., 2000; Pfitzinger, 2000; Rusko i wsp., 2004; Wilber, 2007 a, b; Vogt & Hoppeler, 2010). 3. Możliwość wystąpienia objawów choroby wysokościowej: bóle i zawroty głowy, drażliwość, uczucie zmęczenia, zaburzenia snu (McLean i Kolb, 2006; Rusko i wsp., 2004). 55
4. Możliwość wystąpienia objawów grypopodobnych, infekcji górnych dróg oddechowych oraz infekcji przewodu pokarmowego (Willber, 2004). Wymienione niedogodności i zaburzenia redukują korzyści hematologiczne wynikające z pobytu w warunkach niedotlenienia górskiego. Można tego uniknąć stosując sztuczne warunki hipoksji symulujące pobyt na wysokości w okresie odpoczynku i trenując na poziomie morza (LH-TL). Korzyści z treningu LH-TL Do najważniejszych, oczekiwanych zmian związanych z działaniem niedotlenienia należą opisane już wyżej zmiany hematologiczne - pobudzenie syntezy erytropoetyny w niedotlenionej nerce i tym samym pobudzenie erytropoezy w szpiku kostnym. W konsekwencji w krwiobiegu pojawiają się nowe erytrocyty, sprawniej przenoszące tlen z płuc na obwód. Obserwuje się zwiększenie masy hemoglobiny (Hb mass, a tym samym wzrost pojemności tlenowej krwi i VO 2 max, nawet w dobrze wytrenowanych zawodników (Robertson i wsp., 2010; Schmidt & Prommer, 2008). Do oceny efektów hematologicznych zaleca się obecnie oznaczanie masy hemoglobiny w organizmie przy pomocy metody tlenkowęglowej, opartej na oddychaniu zwrotnym niewielką objętością CO i pomiarze karboksyhemoglobiny we krwi (Gore, 2009; Schmidt, 2002; Schmidt & Prommer, 2008, 2010). Do korzystnych efektów niehematologicznych wynikających z działania niedotlenienia na organizm zaliczamy: - zmiany adaptacyjne w układzie krążenia i układzie oddechowym (zwiększenie maksymalnej dowolnej wentylacji płuc) większa odpowiedź wentylacyjna na hipoksję (Wilber, 2007b), - poprawa ekonomii biegu (Saunders i wsp., 2004), - zmiany strukturalne - zwiększenie gęstości sieci naczyń kapilarnych, koncentracji mioglobiny oraz liczby mitochondriów w komórkach (Vogt & Hoppeler, 2010), - biochemiczne - zwiększenie aktywności oksydacyjnej enzymów mitochondrialnych, poprawa wykorzystania węglowodanów, zwiększenie pojemności buforowej mięśni 56
szkieletowych, zwiększenie aktywności ATPazy sodowo-potasowej) w mięśniach szkieletowych (Millet i WSP. 2010; Wilber, 2007a; Vogt & Hoppeler, 2010). Zmiany te związane są z działalnością indukowanego hipoksją czynnika transkrypcyjnego HIF-1, który działa na ponad 100 różnych genów, modulując transport glukozy, aktywność enzymów glikolitycznych, odpowiedź immunologiczną i metaboliczną. Efekty jego działania w warunkach treningu sportowego zostały poznane tylko w niewielkim stopniu (Jelkmann, 2007; Wilber, 2004; Wilber i wsp., 2007; Vogt & Hoppeler, 2010). Koncepcja treningu mieszkaj nisko-trenuj wysoko (LL-TH) Model treningu LL-TH polega na tym, że zawodnicy mieszkają na poziomie morze (lub zbliżonej wysokości), w naturalnych warunkach normoksji normobarycznej, natomiast są eksponowani na krótkie okresy (5-180 min) hipoksji normobarycznej lub hipobarycznej. Hipoksja normobaryczna symulująca żądaną wysokość może być uzyskana w pomieszczeniu (komora hipoksyjna), poprzez dodawanie azotu do powietrza atmosferycznego (np. Altitrainer 200 hypoxicator) lub odfiltrowanie tlenu (np. Go2Altitude hypoxicator), lub przez oddychanie przez maskę mieszanką powietrza zubożoną w tlen. Ten typ hipoksji może być stosowany podczas odpoczynku sportowca - IHE (intermittent hypoxic exposure = przerywana ekspozycja na hipoksję), lub podczas wysiłku IHT (intermittent hypoxic training = przerywany trening w hipoksji). Jak się przypuszcza, treningu IHE/IHT zwiększa możliwości wysiłkowe zawodnika poprzez stymulację syntezy EPO i zwiększenie masy erytrocytarnej oraz poprzez wzrost gęstości mitochondriów w mięśniach szkieletowych i poprawę stosunku naczyń kapilarnych do włókien mięśniowych (Wilber, 2007 b). Ostatnio Millet i wsp. (2010) zaproponowali nową metodę treningu w niedotlenieniu LH-TL-Hi). Polega ona na kombinacji metody LH-TL (pięć nocy na symulowanej wysokości 3000 m i dwie noce na poziomie morza, trening na poziomie morza oprócz 2-3 dni w tygodniu) i sesji IHT na poziomie powyżej progu mleczanowego. 57
Kto odniesie korzyści z treningu w niedotlenieniu? - sportowcy startujących w zawodach odbywających się na średniej i dużej wysokości (Wilber, 2004) -sportowcy startujący na poziomie morza, ale których wysiłek startowy trwa powyżej 2 minut (Fulco i wsp., 2000; Saunders i wsp., 2004; Stray-Gundersen i wsp., 2001; Wehrlin i Marti, 2006; Wilber, 2004) - zawodnicy wrażliwi na trening w warunkach hipoksji ok. 10% zawodników w zespole należy do niewrażliwych na trening wysokościowy (Chapman i wsp., 1998; Wilber, 2004) Fizjologiczne zmiany przystosowawcze wywołane pobytem i treningiem górach przyczyniają się do zwiększenia możliwości wysiłkowych podczas wysiłków wykonywanych w górach, pytanie jednak czy poprawiają możliwości wysiłkowe na poziomie morza? Podobne pytanie można zadać, jeśli chodzi o trening LH-TL. Na podstawie dostępnej literatury, biorąc pod uwagę takie wskaźniki wydolności, jak VO 2max czy moc maksymalna nie można jednoznacznie powiedzieć, że ten model treningu daje przewagę zawodnikom startującym na poziomie morze, gdyż wyniki badań nie są jednoznaczne. O wiele mocniejsze dowody istnieją na korzystne działanie tego rodzaju treningu u zawodników startujących na wyższej wysokości (Vogt & Hoppeler, 2010). Obserwując wyniki uzyskiwane w biegach długich przez zawodników urodzonych, mieszkających i trenujących w okolicach Rift Valley na wysokości 1500-3000 m n.p.m., można przypuszczać, że zmiany przystosowawcze umożliwiające życie i wysiłki fizyczne w warunkach niedotlenienia wysokogórskiego zwiększają także wydolność na poziomie morza. Wyniki dotychczasowych badań naukowych w tym zakresie nie pozwalają jednakże na jednoznaczną odpowiedź i konieczne są dalsze badania mające na celu określenie indywidualnej skutecznej dawki niedotlenienia. 58
Działająca skutecznie dawka niedotlenienia - jak niskie stężenie tlenu/po 2, czyli wysokość n.p.m.? - czas ekspozycji ile godzin/dobę, ile dni/tygodni? Wg Rusko i wsp. (2003) niedotlenienie odpowiadające wysokości 2300-2500 m n.p.m. i trwające w sumie 400 godz. jest wystarczającym bodźcem do stymulującym erytropoezę i prowadzącym do zwiększenia masy hemoglobiny oraz masy erytrocytarnej. Wg Millet i wsp. (2010) optymalna wysokość do mieszkania w treningu LH-TL to 2200-2500 m w celu uzyskania optymalnego pobudzenia erytropoezy oraz do 3100 m, w celu uzyskanie efektów poza hematologicznych. Minimalny okres pobytu w warunkach hipoksji w celu uzyskania efektów hematologicznych to 12-16 godz./dobę w ciągu 4 tygodni, a w celu uzyskania korzystnych zmian w ekonomice wysiłku, pojemności buforowej mięśni, aktywności ATPazy sodowo/potasowej oraz właściwej reakcji wentylacyjnej na hipoksję wystarczy przebywanie w warunkach hipoksji krócej niż 12 godz./dobę przez 18 dni. Wg Wilbera, aby uzyskać korzyści hematologiczne, sportowcy powinni przebywać w naturalnych, górskich warunkach na wysokości 2000-2500 m przez co najmniej 22 godz./dobę, przez minimum 4 tygodnie (Wilber, 2007a; Wilber i wsp., 2007). W tym modelu nie ma zbyt dużo czasu na trening na niższej wysokości (w normoksji), nawet używając suplementacji tlenem. Te same korzyści hematologiczne można uzyskać w modelu LH-TL używając przez 4 tygodnie sztucznej hipoksji (2500-3000 m) przy krótszym czasie ekspozycji 12-16 godz./dobę (Wilber 2007a). Poza hematologiczne korzyści pojawiają się przy ekspozycji na symulowaną hipoksję (2000-3100 m) przez 8-12 godz./dobę przez 20-23 dni (poprawa ekonomiki biegu, zwiększenie pojemności buforowej mięśni szkieletowych, aktywności Na + -K + -ATPazy w mięśniach oraz odpowiedzi układu oddechowego na hipoksję, (Wilber, 2007a). Wg Schmidta i Prommer (2008), zarówno konwencjonalny, jak i uzyskany w sztuczny sposób trening LH-TL może znacząco zwiększyć masę hemoglobiny tylko wówczas, gdy zostaną spełnione następujące warunki: ekspozycja na niedotlenienieo dpowiadające wysokości powyżej 2100 m będzie trwała dłużej niż 14 godz./dobę przez co najmniej 3 tygodnie. 59
Wydaje się, że oprócz dawki ważną sprawą może się okazać pora dnia, w której najlepiej zastosować hipoksję. Nie zostało dotychczas zbadane kiedy efekty ekspozycji na hipoksję będą największe, ale należy wziąć pod uwagę dobową rytmikę wielu procesów życiowych w organizmie, w tym wydzielania hormonów i erytropoezy. Bezpieczeństwo i legalność treningu w warunkach symulowanej hipoksji Kinsman i wsp. (2005) zwracają uwagę na możliwość wystąpienia zaburzeń snu podczas spania na symulowanej wysokości 2650 m u podatnych na wystąpienie takich zaburzeń zawodników, a Brugniaux i wsp. (2006) na możliwość negatywnego wpływu hipoksji uzyskanej metodą odfiltrowania tlenu na układ immunologiczny. Wg WADA stosowanie sztucznie indukowanych warunków hipoksji powinno być uznane za nieetyczne, ale nie jest zakazane. Mając na uwadze względy bezpieczeństwa, Międzynarodowa Federacja Medycyny Sportowej poleca monitorowanie stężenia CO 2 w urządzeniach służących do przebywania/spania w warunkach hipoksji (FIMS, 2006). Powinna być także kontrolowana wilgotność względna wewnątrz pomieszczeń. Należy także zwrócić uwagę na właściwe monitorowanie stanu zdrowia oraz zasobów żelaza zawodników poddawanych hipoksji. Zawodnicy powinni przystępować do programu treningowego w pełni zdrowia, a przeciwwskazaniem są infekcje i stany niedoboru żelaza. Konieczne jest także stosowanie właściwego żywienia zapewniającego prawidłową podaż żelaza, witaminy B oraz witamin antyoksydacyjnych E i C. Należ również pamiętać o właściwym nawodnieniu organizmu zawodników i dostarczeniu większej ilości węglowodanów. 60
Piśmiennictwo: Chapman R.F., Stray-Gundersen J., Levine B.D. Individual variation in response to altitude training. Journal of Applied Physiology 85(4): 1448-1456, 1998. FIMS Position Statement: The sleep high-train low concept as performed in altitude simulation facilities. January 2006. http://www.fims.org Fulco C.S., Rock P.B., Cymerman A. Improving athletic performance: is altitude residence or altitude training helpful? Aviation, Space, and Environmental Medicine 71(2): 162-171, 2000. Gore JC. Hematological and non- hematological effects of altitude training. Materiały z USOC International Altitude Training Symposium Hipoksja w teorii i praktyce. Modele treningu wysokościowego. Colorado Springs, 21-23. 10. 2009. Jelkmann W. Novel erythropoietic agents: a threat to sportsmanship. Medicina Sportiva 11 (2): 32-42, 2007. Kinsman T, Gore C, Hahn A, Hopkins W, Hawley J, Mckenna M, Clark S, Aughey R, Townsend N, Chow C. Sleep in athletes undertaking protocols of exposure to nocturnal simulated altitude at 2650 m. Journal of Science and Medicine in Sport 2005; 8: 222-232. Millet GP, Roels B, Schmitt L, Woorons X., Richalet JP. Combining Hypoxic Methods for Peak Performance. Sports Medicine 2010; 40 (1): 1-25. McLean S.R., Kolb J.C. Determinig an erythropoietin threshold is not sufficient for accelerating erythrocyte production by Julien V. Brugniaux and Aurelien Pichon. European Journal of Applied Physiology, 2006. Pfitzinger P. Highlights of the Third Annual International Altitude-Training Symposium. Sportscience 4(1), www.sportsci.org/jour/0001/pp.html, 2000. Rusko H.K., Tikkanen H.O., Peltonen J.E. Oxygen manipulation as an ergogenic aid. Current Sports Medicine Reports 2: 233-238, 2003. Rusko HK, Tikkanen HO, Peltonen JE. Altitude and endurance training. Journal of Sports Sciences 2004; 22: 928 945. Saunders P.U., Telford R.D., Pyne D.B., Cunningham R.B., Gore C.J., Hahn A.G., Hawley J.A. Improved running economy in elite runners after 20 days of simulated moderate-altitude exposure. Journal of Applied Physiology 96: 931 937, 2004. Schmidt W., Prommer N. Effects of various training modalities on blood volume. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports 2008; 18(Suppl.1): 57-69. SchmidtW., Prommer N. Impact of alteration in total hemoglobin mass on VO 2 max. Exercise and Sports Sciences Reviews 2010; 38(2): 68-75. 61
Stray-Gundersen J., Chapman R.F., Levine B.D. Living high-training low altitude training improves sea level performance in male and female elite runners. Journal of Applied Physiology 91: 1113 1120, 2001. Wehrlin J.P., Marti B. Live high-train low associated with increased haemoglobin mass as preparation for the 2003 World Championships in two native European world class runners British Journal of Sports Medicine 40:e3, 2006. Wilber R.L. Current Trends in Altitude Training. Sports Medicine 31 (4): 249-265, 2001. Wilber R. Altitude training and athletic performance. Human Kinetics, Champaign, IL, 2004. Wilber R. Live high + train low: thinking in terms of an optimal hypoxic dose. International Journal of Sports Physiology and Performance 2: 223-239, 2007 a. Wilber R. Application of altitude/hypoxic training by elite athletes. Medicine & Science in Sports & Exercise 39 (9): 1610-1624, 2007 b. Wilber R. L., Stray-Gundersen J., Levine B. D. Effect of Hypoxic Dose on Physiological Responses and Sea-Level Performance. Medicine & Science in Sports &Exercise 39(9): 1590 1599, 2007. Vogt M., Hoppeler H. Is Hypoxia Training Good for Muscles and Exercise Performance? Progress in Cardiovascular Diseases 2010; 52: 525 533. 62