Предпосылки: предыдущие исследования последовательно демонстрировали, что пероральные добавки глубоководных океанических минералов (ГОМ) улучшают функцию сосудов у животных и увеличивают мышечную силу при физических нагрузках у человека.
Цель: изучение влияния добавок с ГОМ на гемодинамический ответ головного мозга при физической нагрузке у мужчин молодого и среднего возраста.
Дизайн: двойное слепое плацебо-контролируемое перекрестное исследование было проведено с участием молодых мужчин (N = 12, возраст 21,2 ± 0,4 года) и мужчин среднего возраста (N = 9, возраст 46,8 ± 1,4 года). Уравновешенные исследования ГОМ и плацебо были разделены 2-недельным периодом вымывания. ГОМ и плацебо перорально добавляли в напитки до, во время и после физической нагрузки в виде езды на велосипеде. ГОМ содержат опресненные минералы и микроэлементы морской воды, собранной на глубине ок. 618 м от поверхности земли.
Методы: гемодинамический ответ головного мозга (уровень тканевого гемоглобина) измеряли во время езды на велосипеде при 75 % VO2 max с помощью ближней спектроскопия в ближней инфракрасной области спектра.
Результаты: время езды на велосипеде до изнурения при 75 % VO2 max и связанная с этим реакция на лактат в плазме были аналогичными в исследованиях плацебо и ГОМ для обеих возрастных групп. Напротив, ГОМ значительно повышали уровень церебрального гемоглобина у молодых мужчин и в большей степени у мужчин среднего возраста по сравнению с плацебо. Повышенное соотношение нейтрофилов к лимфоцитам наблюдалось у мужчин среднего возраста через 2 ч. после езды на велосипеде до полного изнурения, но было снижено при приеме ГОМ.
Заключение: наши данные свидетельствуют о том, что глубоководные океанические минералы и микроэлементы обладают большими перспективами в разработке добавок для повышения церебрального гемодинамического ответа на физические нагрузки и во время восстановления после физических нагрузок для мужчин среднего возраста.
Ключевые слова: регидратация, минералы, микроэлементы, мышечная сила, воспаление, старение.
ВВЕДЕНИЕ
Растущее количество палеобиологических доказательных данных свидетельствует о том, что жизнь на Земле, возможно, возникла из глубин океанов (Gingerich et al., 2001; Kusky et al., 2001; Keller et al., 2017). Если наземные организмы развились из глубин океанов, миграция с моря на сушу могла бы поставить под угрозу сложность питания для всех выживших на суше, включая потомков, таких как человек. В соответствии с этой концепцией пероральный прием глубоководных океанических компонентов, вероятно, восполнит любую врожденную неполную молекулярную сложную структуру и увеличит физическую способность людей противостоять энтропийным физическим вызовам. В исследовании обоснованности концепции ранее сообщалось о значительно более быстром восстановлении (сокращение с 48 до 4 ч.) мышечной силы обеих ног (на стабилометрической платформе) и аэробной способности (максимальной аэробной способности на велоэргометре) у мужчин после нагрузки в ходе первой серии упражнений при высокой температуре (езда на велосипеде при ок. 30 °С до 3 % потери веса) при приеме добавки с ГОМ (Hou et al., 2013). Аналогичные результаты были представлены в других работах с использованием различных источников минеральной воды из глубины менее 0,5 км от поверхности земли (Stasiule et al., 2014; Fan et al., 2016; Keen et al., 2016).
Еще одним повторяющимся выводом, касающимся физиологических преимуществ приема ГОМ, является их защитное действие на функцию сосудов у наземных животных (Miyamura et al., 2004; Radhakrishnan et al., 2009; Li et al., 2014). В отличие от поверхностных океанических вод, содержащих подобный состав основных минералов (магний, калий, кальций, натрий и хлориды), ГОМ продемонстрировали более сильные защитные свойства против развития атеросклероза у кроликов, получавших рацион с высоким содержанием холестерина (Miyamura et al., 2004), предполагая, что глубоководные океанические микроэлементы в воде способствуют снижению сосудистого воспаления и улучшению сосудистой функции. В поверхностных водах океана, пропускающих свет (ок. 200 м от поверхности земли), фотосинтез морских организмов может истощать биогенные компоненты, необходимые для оптимальных функций сосудов (Miyamura et al., 2004).
Действие ГОМ на регуляцию мозговых сосудов во время физических упражнений еще не задокументировано. Кровоснабжение головного мозга увеличивается во время физических упражнений в результате усиления метаболизма мозга (Querido and Sheel, 2007). Однако функция сосудов ухудшается в процессе старения (Barac and Panza, 2009). Максимальная аэробная способность снижается с 40 лет (Fleg et al., 2005). Поскольку мозг является основным фактором, определяющим добровольные усилия по выбору мышц во время физических упражнений для человека (Kayser, 2003), функция церебральной гемодинамики рассматривается как ограничивающий фактор для высокоинтенсивной нагрузки (Subudhi et al., 2007; Rupp and Perrey, 2008). Во время максимальной увеличивающейся нагрузки до изнурения на велоэргометре оксигенация головного мозга первоначально увеличивается, но заметно снижается незадолго до полного изнурения (Rupp and Perrey, 2008). Колебания уровня церебрального гемоглобина как показатель изменения объема крови в лобных долях мозга можно отслеживать в режиме реального времени с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области спектра во время езды на велосипеде (Bay Nielsen et al., 2005). Основываясь на вышеупомянутых отчетах о влиянии ГОМ на выходную силу мышц и функцию сосудов, мы предположили, что добавки с ГОМ могут улучшить гемодинамический ответ головного мозга во время физических нагрузок высокой интенсивности и ослабить реакцию в виде соотношения нейтрофилов и лимфоцитов после таких нагрузок у мужчин молодого и среднего возраста.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Участники
В настоящем исследовании приняли участие девять мужчин среднего возраста (в возрасте 46,8 ± 1,4 года, масса тела 81,4 ± 3,1 кг, рост 175 ± 3 см, ИМТ 26,5 ± 1,3, VO2 max 26,5 ± 1,3 мл/мин./кг) и 12 молодых мужчин (в возрасте 21,2 ± 0,4 года, масса тела 64,6 ± 1,6 кг, рост 172 ± 1 см, ИМТ 21,7 ± 0,5, VO2 max 45,2 ± 1,5 мл/мин./кг) для определения церебральной гемодинамики и воспалительного ответа во время езды на велосипеде с высокой интенсивностью при 75% VO2 max. Лица с заболеваниями опорно-двигательного аппарата, ортопедическими травмами или сердечно-сосудистыми заболеваниями в анамнезе были исключены из участия в исследовании. Исследование получило этическое одобрение Наблюдательного совета Университета Тайбэя. Всех участников попросили не употреблять алкоголь или пищевые добавки (такие как добавки, содержащие кофеин) во время исследования, включая период вымывания. Письменное информированное согласие было получено от всех участников после подробного разъяснения протокола исследования.
Дизайн исследования
Мы провели рандомизированное плацебо-контролируемое перекрестное исследование с уравновешенной последовательностью с 2-недельным периодом вымывания с использованием напитков с ГОМ и плацебо в зависимости от вкусовых предпочтений участников. В период вымывания измерения не проводились. В исследование были включены только мужчины для предотвращения влияния менструации или потенциальной острой анемии на измерение гемодинамики головного мозга. ГОМ или плацебо перорально добавляли за 12 ч. (болюс 600 мл) и за 1 ч. до тренировки (1,8 мл на кг массы тела каждые 15 мин.) во время тренировки (1,8 мл на кг массы тела на 15-й мин.) и во время восстановления после тренировки (10 мл на кг массы тела через 2 ч.). Все участники получали одинаковую пищу (800-900 ккал) и воду (болюс 600 мл) в ночь перед экспериментальными испытаниями и стандартный завтрак (200-250 ккал) за 1 ч. до начала нагрузки. Такое же питание было предоставлено во время перекрестного исследования. Участники получали повторяющийся рацион питания в дни тестирования.
Напитки
Опресненная вода с ГОМ, взятая из западной части Тихого океана (глубина 618 м), была предоставлена «Пасифик Дип Оушен Биотек» (Pacific Deep Ocean Biotech) (Тайбэй, Тайвань). ГОМ определяются минералами и микроэлементами, собранными из океанической воды на глубине 200 м от поверхности земли, где солнечный свет едва пропускается. Было задокументировано более 70 минералов и микроэлементов, присутствующих в океанической воде (Farrington, 2000). Перед использованием воду с ГОМ фильтровали с помощью микрофильтра (удаление микроорганизмов) и ультрафильтра (удаление любых макромолекул и/или вирусов). Молекулы размером более 1,5 кДа были удалены после этой процедуры двойной фильтрации. Для заслепления разницы вкуса ГОМ и плацебо в каждый напиток добавляли одинаковое количество эритрита (3 %). Для приготовления плацебо использовалась водопроводная вода, очищенная методом обратного осмоса. Безопасность длительного приема добавок с ГОМ была проверена и не продемонстрировала отрицательного влияния на показатели выживаемости в двух разных моделях животных (Liu et al., 2013; Liao et al., 2016).
Протокол физической нагрузки
Максимальное потребление кислорода (VO2 max) и связанная с этим рабочая нагрузка (Wmax) определялись на велоэргометре («Монарк» (Monark), Швеция) не менее чем за 3 дня до начала экспериментальных испытаний. Протокол для установления VO2 max включал 4-мин. разминку перед началом езды на велосипеде при 100 W. Нагрузка постепенно увеличивалась на 25 W каждые 3 мин., пока участники не смогли продолжать крутить педали, несмотря на постоянное словесное поощрение. Критериями, использованными для определения VO2 max, являлись плато VO2 с увеличением интенсивности упражнений и коэффициентом дыхательного обмена (RER) > 1,1 и баллом RPE 19/20. Выдыхаемый воздух собирали с помощью MetaMax 3B («Кортекс Биофизик» (Cortex Biophysik), Нонненштрассе, Лейпциг, Германия). Частоту сердечных сокращений измеряли с помощью пульсометра Polar (Лейк-Сассекс, Нью-Йорк, США). В экспериментальных испытаниях участники выполняли езду на велосипеде до сознательного изнурения при постоянной рабочей скорости, эквивалентной 75 % VO2 max. Показатели церебральной гемодинамики измерялись непрерывно в течение первых 20 мин. нагрузки, и время до изнурения при 75 % VO2 max использовалось в качестве показателя выносливости. Испытания проводились в одно и то же время суток (10 утра) для учета влияния циркадных ритмических колебаний на выполнение физических упражнений.
Оценка гемодинамики головного мозга
Оптический зонд с дистанционным ближним инфракрасным спектроскопом в частотной области (БИС) (OxiplexTS, «АйЭсЭс» (ISS), Шампейн, Иллинойс, США) помещали на лобные доли головного мозга и измеряли уровень церебрального гемоглобина (глубина обнаружения 2-2,5 см) в течение первых 20 мин. нагрузки. Для закрепления головного зонда на месте использовались двусторонняя клейкая лента и эластичная лента. Оксиметр БИС был откалиброван в соответствии с рекомендациями производителя перед каждым испытанием. Все измерения БИС (частота регистрации: 1 Гц) были усреднены за последние 60 с. для каждого 5-мин. интервала.
Соотношение нейтрофилов и лимфоцитов
Соотношение нейтрофилов и лимфоцитов, общий маркер системного воспаления, измерялось до и через 2 ч. после езды на велосипеде при 75 % VO2 max. для анализа содержания лейкоцитов были получены образцы венозной крови. Общее количество лейкоцитов, нейтрофилов, моноцитов и лимфоцитов дифференцировалось и количественно определялось с помощью автоматизированного гематологического анализатора (Sysmex XT-2000, «Сисмекс Корп.» (Sysmex Corp.), Кобэ, Япония) в соответствии с инструкциями производителя.
Таблица 1. Содержание минералов и микроэлементов в напитках
|
Минерал (мг/л) |
Плацебо |
ГОМ |
|
Mg |
0-15 |
146 |
|
Na |
0-10 |
47 |
|
K |
Не обнаруживается |
46 |
|
Ca |
0-15 |
0,2 |
|
МИКРОЭЛЕМЕНТ (мкг/л) |
|
|
|
Li |
Не обнаруживается |
30 |
|
Rb |
Не обнаруживается |
10 |
|
B |
Не обнаруживается |
450 |
Лактат и глюкоза
Лактат и глюкозу измеряли до и после 15-й мин. езды на велосипеде при 75 % VO2 max. Образец капиллярной крови (10 микролитров) помещали в гемолизирующий раствор, и сыворотку анализировали на анализаторе глюкозы и лактата Biosen C-line («ЭКФ Диагностик» (EKF Diagnostic), Лейпциг, Германия).
Статистический анализ
Время езды на велосипеде до полного изнурения при 75 % VO2 max, уровень общего гемоглобина во время тренировки в те же моменты времени и БИС после тренировки между двумя перекрестными испытаниями сравнивались с помощью парного t-критерия. Данные также были проанализированы с использованием двухфакторного дисперсионного анализа с повторяющимися измерениями (эффект добавки и времени) для определения основных эффектов и/или эффектов взаимодействия. Для парного сравнения использовался тест Фишера с апостериорным критерием. Для определения значимости всех критериев был установлен уровень Р < 0,05. Если не указано иное, значения выражены в виде среднего значения ± среднеквадратической ошибки. Данные работоспособности также анализировались с использованием размера эффекта с 95 % доверительным интервалом (Watt et al., 2002).
Гемодинамический ответ головного мозга (уровень общего гемоглобина тканей) во время езды на велосипеде при 75 % VO2 max у молодых мужчин (в возрасте 21,2 ± 0,4 года) (А) и мужчин среднего возраста (в возрасте 46,8 ± 1,4 года) (B). Согласно результатам двухфакторного дисперсионного анализа с повторяющимися измерениями основные эффекты группы и времени оба являются значимыми (эффект группы: P < 0,05, эффект времени: P < 0,001) для молодых мужчин. У мужчин среднего возраста не наблюдалось изменений гемодинамического ответа головного мозга при той же относительной интенсивности
(75 % VO2 max) во время исследования с плацебо, тогда как наблюдалось значительное увеличение гемодинамического ответа головного мозга при исследовании с приемом глубоководных океанических минералов после 15 мин. езды на велосипеде (Р < 0,05). Наблюдалось значительное взаимодействие эффекта группы и времени (P < 0,01). * Значимая разница по сравнению с плацебо на основании парного t-критерия, Р < 0,05. VO2 max – максимальное потребление кислорода
|
Young men |
Молодые мужчины |
|
Cerebral hemoglobin |
Церебральный |
|
(% change) |
гемоглобин (% изменения) |
|
Placebo |
Плацебо |
|
DOM |
ГОМ |
|
Baseline |
Исходный уровень |
|
min. |
мин. |
|
Middle-aged men
|
Мужчины среднего возраста |
Результаты
Содержание минералов и микроэлементов в глубоководных океанических отложениях представлено в Таблице 1. Разница во времени езды на велосипеде до полного изнурения при 75 % VO2 max не наблюдалась между испытаниями плацебо и ГОМ (плацебо против ГОМ: 2558 ± 387 против 2504 ± 446 с. соответственно) у молодых мужчин, но минимальное увеличение времени езды на велосипеде до полного изнурения после приема ГОМ было отмечено у мужчин среднего возраста (плацебо против ГОМ: 5401 ± 855 против 5601 ± 777 с. соответственно, Р = 0,08). Эта разница в 4 % представляет собой минимальный размер эффекта 0,09 (95 % ДИ: от -0,85 до 1,00) в показателях выносливости.
Временные изменения уровня тканевого гемоглобина в лобных долях головного мозга (выявленные с помощью анализа БИС) отражают чувствительность гемодинамического ответа церебральной крови (перераспределение крови) к физическим нагрузкам. Поскольку испытания времени езды на велосипеде при 75 % VO2 max показали широкий диапазон времени выполнения среди участников с наименьшим временем езды на велосипеде около 21 мин., мы сравнили данные гемодинамического ответа между обоими испытаниями только за первые 20 мин. езды на велосипеде. Для молодых мужчин (Рисунок 1А) добавка с ГОМ улучшила распределение церебральной крови на 75 % в течение первых 10 мин. езды на велосипеде по сравнению с плацебо (парный t-критерий, P < 0,05). При включении данных за все 20 мин. основные эффекты группы и времени оба являются значимыми (эффект группы: P < 0,05, эффект времени: P < 0,001) для молодых мужчин. Эффекта взаимодействия не наблюдалось (двухфакторный дисперсионный анализ, P = 0,297). У мужчин среднего возраста (Рисунок 1В) не наблюдалось изменений гемодинамического ответа головного мозга при той же относительной интенсивности (75 % VO2 max) во время исследования с плацебо, тогда как наблюдалось значительное увеличение гемодинамического ответа головного мозга при исследовании с приемом глубоководных океанических минералов после 15 мин. езды на велосипеде (парный t-критерий, Р < 0,05). Наблюдалось значительное взаимодействие эффектов группы/времени (P < 0,01), но основные эффекты и группы, и времени не отличались после включения данных за полные 20 мин. (эффект группы: P = 0,115, эффект времени: P = 0,513).
В Таблице 2 представлены аналогичные показатели частоты сердечных сокращений, уровня лактата в крови и глюкозы между испытаниями с ГОМ и плацебо после первых 15 мин. езды на велосипеде при 75 % VO2 max для молодых мужчин (А) и мужчин среднего возраста (B) соответственно. Увеличение соотношения нейтрофилов к лимфоцитам в крови через 2 ч. после езды на велосипеде наблюдалось только у мужчин среднего возраста. В то время как у молодых мужчин не было обнаружено заметной разницы между испытаниями ГОМ и плацебо (Рисунок 2А), добавление ГОМ ослабило ответ в виде соотношения нейтрофилов к лимфоцитам, вызванный физической нагрузкой, у мужчин среднего возраста на 25 % по сравнению с плацебо (Рисунок 2B). Значимые различия между испытаниями ГОМ и плацебо были отмечены, когда данные были выражены в виде изменений соотношения нейтрофилов к лимфоцитам (парный t-критерий, Р < 0,05) для мужчин среднего возраста, но не для молодых мужчин.
|
Таблица 2. Физиологические и метаболические реакции молодых мужчин (А) и мужчин среднего возраста (B) во время езды на велосипеде с высокой интенсивностью нагрузки при 75 % VO2 max
Значение P представляет ошибку 1-го типа фактора взаимодействия и основных факторов двухфакторного дисперсионного анализа. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
VO2 max – максимальное потребление кислорода.
Обсуждение
Известно, что сосудистая функция ухудшается с возрастом (Barac and Panza, 2009), что может иметь последствия для регуляции церебральной гемодинамики во время физических нагрузок. Несмотря на то, что защитные эффекты ГОМ на сосудистую функцию были установлены с высокой воспроизводимостью среди исследований на животных (Miyamura et al., 2004; Radhakrishnan et al., 2009; Li et al., 2014), способность ГОМ усиливать церебральный гемодинамический ответ во время физической нагрузки у мужчин в различном возрасте ранее не была задокументирована. В настоящем исследовании мы обнаружили, что глубоководные океанические минералы и микроэлементы могут существенно усилить гемодинамический ответ головного мозга во время высокоинтенсивной езды на велосипеде. Усиленный гемодинамический ответ при приеме ГОМ был несколько более выражен у мужчин среднего возраста по сравнению с молодыми мужчинами при той же относительной интенсивности физической нагрузки.
Улучшенный церебральный гемодинамический ответ во время езды на велосипеде с высокой интенсивностью обеспечивает механистическую поддержку предыдущим исследованиям (Hou et al., 2013; Keen et al., 2016), которые показывают улучшение мышечной силы при физической нагрузке у мужчин, перорально получающих ГОМ из глубины более 0,5 км от поверхности земли. Поскольку головной мозг является решающим фактором, определяющим выходную силу мышц (Clark et al., 2014), текущие результаты показывают, что глубоководные океанические компоненты усиливают центральную команду по выбору мышечных волокон, опосредованную ускорением кровоснабжения лобных долей мозга. Однако показатели выносливости высокой интенсивности существенно не улучшились, что свидетельствует о том, что ГОМ мало повлияли на стимулирование метаболизма топлива в сокращающихся мышцах.
Ограничением настоящего исследования является отсутствие механистических доказательств, объясняющих роль конкретных глубоководных океанических минералов и микроэлементов в усилении гемодинамического ответа головного мозга на физические нагрузки. Мы предполагаем, что микроэлементы являются основными компонентами усиления церебрального гемодинамического ответа ГОМ. ГОМ содержит относительно большее количество микроэлементов, таких как литий и рубидий. Известно, что добавки лития и рубидия непосредственно повышают уровень спонтанной двигательной активности у животных (Johnson, 1972). Кроме того, манипулирование концентрациями лития и рубидия влияет на нервную систему, которая контролирует движения морских животных (Johnson, 1972; Hoffmann and Smith, 1979). Выявление ключевых компонентов ГОМ, которые модулируют церебральный гемодинамический ответ во время физической нагрузки, может стать перспективным направлением исследований для улучшения качества жизни мужчин среднего возраста. Еще одним ограничением исследования является тот факт, что участники исследования среднего возраста также имели больший вес по сравнению с молодыми участниками. Поэтому нам трудно определить, обусловлены ли наблюдаемые различия между двумя возрастными уровнями возрастом или весом.
Еще одним новым открытием настоящего исследования является снижение системного воспаления после физических упражнений с добавками ГОМ. Сокращение увеличения соотношения нейтрофилов и лимфоцитов предполагает, что ГОМ могут либо уменьшать количество повреждений, либо увеличивать скорость восстановления после нагрузки. Соотношение нейтрофилов и лимфоцитов является широко используемым маркером системного воспаления и, как было показано, повышается через 2 ч. после аэробной нагрузки в зависимости от объема нагрузки (Gabriel and Kindermann, 1997). Снижение системного воспаления после физической нагрузки говорит о том, что повышенная молекулярная сложность, обеспечиваемая добавками ГОМ, повышает устойчивость клеток к энтропийным вызовам.
Ранее сообщалось о профилактическом влиянии ГОМ на сосудистое воспаление (Li et al., 2014), предполагая, что снижение соотношения нейтрофилов к лимфоцитам, обнаруженное в настоящем исследовании, может быть связано с улучшением функции эндотелия. У крыс данные иммуногистохимического окрашивания показали, что добавление ГОМ снижает пролиферацию и миграцию контролирующих клеток белков (сигнальный путь киназы MAP), вызванные повреждением сосудов. Кроме того, добавки с ГОМ существенно замедляют прогрессирование атеросклероза у животных (Miyamura et al., 2004; Radhakrishnan et al., 2009). Однако мы должны признать, что эти исследования связаны с длительным приемом добавок с ГОМ в течение 4-12 недель, в отличие от нашего исследования. Таким образом, основной механизм наблюдаемого влияния ГОМ на церебральный гемодинамический ответ требует дальнейшего изучения.
|
Young men |
Молодые мужчины |
|
Systemic inflammation |
Системное воспаление |
|
(change of NLR)
|
(изменение соотношения нейтрофилов к лейкоцитам) |
|
Placebo |
Плацебо |
|
DOM |
ГОМ |
|
Middle-aged men
|
Мужчины среднего возраста |
Заключение
Результаты настоящего исследования подтверждают гипотезу о том, что глубоководные океанические минералы и микроэлементы могут повысить многокомпонентность рациона питания человека в условиях физических нагрузок, подкрепляемых усиленным церебральным гемодинамическим ответом во время нагрузки при езде на велосипеде и уменьшением системного воспаления во время восстановления. Наши результаты свидетельствуют о перспективном применении использования ГОМ для разработки добавок для улучшения церебральной гемодинамики во время физических нагрузок у мужчин среднего возраста.
Благодарности
Настоящая работа была выполнена при поддержке «Пасифик Дип Оушен Биотек» (Тайбэй, Тайвань) и Университета Тайбэя (Тайбэй, Тайвань). Спонсоры не принимали участия в разработке дизайна исследования, сборе, анализе или интерпретации данных, написании рукописи, а также в принятии решения о публикации результатов. Мы заявляем, что результаты исследования представлены четко, достоверно и без фальсификации, фабрикации или ненадлежащего манипулирования данными.
