Pregledni rad

Adaptacije eritrocita izazvane fizičkim vežbanjem

Radoš M. Stefanović¹, Biljana Ž. Ristić¹, Ivana T. Drvenica¹

Univerzitet u Beogradu, Institut za medicinska istraživanja, Institut od nacionalnog značaja za Republiku Srbiju, Grupa za imunologiju, Beograd, Srbija

SAŽETAK

Vežbanje značajno povećava protok krvi i perfuziju u aktivnim mišićima kako bi se poboljšalo dopremanje kiseonika i hranljivih materija. Ovakve povišene potrebe za kiseonikom i hranljivim materijama utiču na reološke karakteristike krvi što dovodi do specifičnih adaptacija eritrocita. Na ove adaptacije utiču mnogi faktori kao što su tip, intenzitet, učestalost, trajanje fizičke aktivnosti, kao i individualne karakteristike ispitanika (pol, starost, nutritivni status...).

Ovaj pregledni rad ima za cilj da sveobuhvatno sumira različite adaptacije eritrocita na kratkoročno i dugoročno vežbanje, kao i mehanizme njihovog nastanka, uzimajući u obzir uticaj različitih faktora.

Rezultati istraživanja ukazuju da redovno vežbanje poboljšava metaboličke, strukturne i funkcionalne karakteristike eritrocita. Ove adaptacije pozitivno utiču na energetsku homeostazu, obnavljanje (engl. cell turnover) i životni vek eritrocita u cirkulaciji, povećanu stabilnost, fluidnost i deformabilnost membrane, kao i bolje antioksidativne karakteristike eritrocita. Uprkos potencijalnim rizicima poput „sportske anemije“, vežbanje takođe utiče na dinamiku koncentracije hemoglobina i gvožđa, kao i pojavu ekstracelularnog hemoglobina. Generalno, literaturni podaci naglašavaju kritičnu ulogu vežbanja u održavanju optimalne funkcije eritrocita, poboljšanju cirkulacije i sveopšteg zdravlja, nudeći potencijalne terapeutske prednosti.

Kroz kritički prikaz literaturnih podataka o uticaju vežbanja na karakteristike i funkcije eritrocita, ovaj pregledni rad može i biti korisna smernica za tumačenje klinički značajnih rezultata kod fizički aktivnih pojedinaca.

UVOD

Tokom vežbanja, protok krvi i perfuzija se povećavaju u aktivnim mišićima u zavisnosti od intenziteta vežbanja, omogućavajući povećanu isporuku kiseonika, hranljivih materija i uklanjanje ugljen dioksida i produkata metabolizma. Ovo povećanje fizioloških zahteva može da utiče na reološke karakteristike krvi, posebno crvenih krvnih zrnaca (eritrocita) koje su najbrojnije ćelije krvi. U takvim uslovima, eritrociti prolaze kroz različite mehaničke i biohemijske promene, utičući na protok krvi i perfuziju. Na primer, prečnik eritrocita je manji od najmanjih kapilara, stoga, oni moraju biti savitljivi kako bi prošli kroz njih [1]. Pored toga, sile smicanja (engl. sheer stres) izazvane povećanim protokom krvi i promenama u biohemijskim parametrima okruženja tokom vežbanja, mogu oštetiti osetljive membrane eritrocita [2]. Stoga, eritrociti prolaze kroz niz promena kako bi se adaptirali na povećane fiziološke zahteve tokom vežbanja.

U literaturi postoje nekonzistentne informacije koje se odnose na specifične adaptacije eritrocita izazvanim različitim faktorima. Adaptacije zavise od vrste, intenziteta, učestalosti, obima i trajanja treninga kao i od svojstava ispitanika, pri čemu svaka promena doprinosi jedinstvenim karakteristikama eritrocita. Kratkotrajna ili dugotrajna izloženost fizičkoj aktivnosti izaziva različite adaptacije eritrocita [3], što zahteva različite pristupe u analizi kako bi se ove promene u potpunosti razumele. Kratkoročno vežbanje uglavnom dovodi do trenutnog fiziološkog, biohemijskog i mehaničkog stresa. Sa druge strane, hronično vežbanje dovodi do adaptacija u vidu poboljšanja funkcionalnosti ćelija i povećanja otpornosti na ponovljeni fizički napor [4]. Razumevanje ovih adaptacija zahteva razmatranje uticaja dinamike vežbanja na eritrocite.

Stoga, ovaj pregledni rad ima za cilj da sveobuhvatno istraži različite adaptacije eritrocita na kratkoročno i dugoročno vežbanje, uzimajući u obzir uticaj različitih faktore. Sumirajući specifične promene eritrocita u različitim uslovima vežbanja i u karakteristikama ispitanika, u ovom radu su analizirani osnovni mehanizmi adaptacija eritrocita i uticaj na njihovu funkciju. Ovaj rad daje detaljan prikaz kako vežbanje utiče na karakteristike eritrocita i na koji način te adaptacije utiču na ukupne reološke karakteristike krvi, fizičke performanse ispitanika i njihovo zdravlje.

UTICAJ VEŽBANJA NA ENERGETSKI STATUS ERITROCITA

Funkcionalnost eritrocita zavisi od njihovog energetskog metabolizma koji prvenstveno zavisi od procesa anaerobne glikolize, jer zreli eritrociti nemaju mitohondrije [5]. Količina energije uskladištene adenozin trifosfatu (ATP) i u drugim adeninskim nukleotidima: adenozin difosfatu (ADP) i adenozin monofosfatu (AMP) proizvedenim u eritrocitima, odražava energetski balans ćelije koji se često naziva adenilatni energetski naboj (AEN) [6]. Eritrociti sa visokom metaboličkom aktivnošću usled efikasne proizvodnje ATP-a su od suštinskog značaja za obavljanje osnovnih ćelijskih funkcija kao što su održavanje gradijenta elektrolita, integriteta fosfolipidne membrane, održavanje glikolitičkog puta i održavanje homeostaze, narušavane usled vežbanja visokog intenziteta [5].

Dokazano je da vežbanje može da utiče na homeostazu metaboličkog puta adenilata u eritrocitima [7],[8],[9],[10]. Rezultati studije Pospieszna i saradnika [8] su pokazali da su vrednosti AEN značajno veće, kao i da je veći odnos ATP/ADP i ADP/AMP kod sportista koji su trenirani po tipu izdržljivosti i sprintera tokom faze takmičenja, u poređenju sa rekreativcima [8]. Pored toga, eritrocite kod visoko utreniranih sportista karakteriše nizak nivo ADP, AMP, inozina i hipoksantina kao i viša aktivnost hipoksantin-guanin fosforiboziltransferaze (HGPRT) u poređenju sa rekreativcima, što ukazuje na efikasnije iskorišćenje dostupnog purina. Slični rezultati su uočeni za purinske nukleotide, kada su eritrociti visoko utreniranih veslača upoređeni sa eritrocitima sedentarnih osoba nakon progresivnog vežbanja [7]. Odnosi koncentracija ATP i ADP/AMP bili su veći u eritrocitima sportista. Štaviše, odnos ATP/ADP kod sportista je bio u visokoj korelaciji sa maksimalnom potrošnjom kiseonika (VO_2max). Ovi rezultati su takođe u skladu sa povećanom aktivnošću enzima ponovne sinteze purinskih nukleotida kod visoko utreniranih osoba (adenin fosforiboziltransferaza – APRT, HGPRT, fosforibozilpirofosfat sintetaza – PRPP–S i fosforibozil pirofosfat).

U studiji Pospieszne i kolega [4] je ispitivan energetski status adenilata u eritrocitima kod elitnih sportista i kod osoba sedentarnog načina života starosne dobi od 20 do 90 godina. Iako su otkrili značajno smanjenje odnosa koncentracija ATP, AEN, ATP/ADP i ATP/ AMP i povećanje koncentracije ADP i AMP sa godinama starosti, eritrociti sportista su imali viši energetski status u poređenju sa manje aktivnim pojedincima iste starosne dobi. Zanimljivo je da sprinteri imaju više metabolički aktivnih eritrocita u odnosu na grupu koja je trenirana po tipu izdržljivosti. Poremećaj ravnoteže i funkcionalnosti molekula adenilata u eritrocitima nije pronađen samo kod starijih osoba, već i kod pacijenata sa dijabetes melitusom. Studija Dudzinske i saradnika otkrila je izmenjene purine adenina, inozina i guanina kod osoba sa dijabetesom. Ovi rezultati su potvrđeni povećanim unutarćelijskim koncentracijama AMP i nižim AEN, što ukazuje na značajne promene u nukleotidima adenina kod dijabetičara [10]. Zajedno, ovi podaci naglašavaju ključnu ulogu vežbanja u održavanju zdravih i funkcionalnih eritrocita tokom njihovog životnog veka i ukazuju na potencijal vežbanja kao dodatne terapije oboljenja koja dovode do narušavanja homeostaze eritrocita.

Rezultati nedavne studije na miševima sugerišu da energetski balans eritrocita takođe ima ključan uticaj na karakteristike hemoglobina, kao ključnog molekula u vezivanju i transportu kiseonika [11]. Naime, u poređenju sa ADP i AMP, koncentracija molekula ATP pokazuje jaku korelaciju sa afinitetom hemoglobina da veže kiseonik (P₅₀) . Takođe, ATP u eritrocitima visoko korelira sa VO_2max. Stoga je očekivano da porast nivoa ATP-a koji je primećen kod treniranih pojedinaca, povećava vrednosti P₅₀, što zauzvrat smanjuje afinitet hemoglobina za kiseonik, čime se poboljšava isporuka kiseonika tokom vežbanja [7].

EFEKTI VEŽBANJA NA PROCES OBNAVLJANJA ERITROCITA

Prosečan životni vek zrelih eritrocita je oko 120 dana [12] i tokom ovog perioda dolazi do nepovratnih promena u njihovom metabolizmu, membranskom transportu, jonskom sastavu, citoskeletu i imunološkoj funkciji [13]. Kao posledica ovog smanjenja funkcionalnosti, dolazi do promene prostorne orijentacije fosfatidilserina sa unutrašnje na spoljašnju stranu dvostruke lipidne membrane eritrocita, što predstavlja signal makrofagama za njihovo uklanjanje [14].

Primećeno je da izloženost vežbanju skraćuje životni vek eritrocita sa uobičajenih 120 dana na oko 70 dana [7],[15],[16],[17]. Takođe, nekoliko studija je pokazalo da u cirkulaciji sportista postoji značajno veći broj mladih eritrocita u odnosu na sedentarnu populaciju [16],[18]. Stoga, veći udeo mladih eritrocita dovodi do poboljšane isporuke kiseonika u mikrocirkulaciji [15]. Ovi rezultati dalje sugerišu da je vežbanje snažan stimulator obnavljanja eritrocita. Obnova eritrocita je podstaknuta dinamičnim i kontinuiranim procesima degradacije (hemoliza) i proizvodnje eritrocita (eritropoeza). Brojne studije su pokazale da se hemoliza crvenih krvnih zrnaca javlja kao posledica različitih tipova vežbanja [2],[19],[20]. Tokom vežbanja i nakon vežbanja, na hemolizu mogu uticati mehanički i metabolički faktori. Dugo se smatralo da je mehanička trauma izazvana udarom stopala o podlogu (engl. foot strike hemolysis) glavni uzrok hemolize nakon vežbanja [21]. Na primer, pokazano je da trčanje utiče na povećanje koncentracije hemoglobina u plazmi, sa 30 mg/L u mirovanju na skoro 120 mg/L nakon treninga, što sugeriše na povećanu hemolizu [22]. Međutim, neki rezultati su ukazali da mehanički faktori koji nisu povezani sa udarima stopala o podlogu mogu izazvati hemolizu [23]. Tokom fizičke aktivnosti, efekat uzastopnih kontrakcija mišića na male kapilare takođe može dovesti do mehaničke povrede eritrocita i hemolize. Slični podaci su pokazali da su visoko utrenirani triatlonci muškog pola bili izloženi vožnji bicikla do otkaza [24]. Trening na biciklu visokog intenziteta je izazvao blag, ali značajan pad nivoa haptoglobina (sa 1,10 na 1,01 g/L), što ukazuje da vežbe visokog intenziteta mogu da izazovu određeni stepen hemolize, nezavisno od uticaja mehaničkih faktora. Haptoglobin je protein plazme, marker hemolize, koji vezuje slobodni ekstracelularni hemoglobin u plazmi, sprečavajući tako njegov toksični efekat [25]. Naša nedavna studija je pokazala da prisustvo ekstracelularnog hemoglobina značajno utiče na proliferaciju i migraciju mioblasta na vremenski i dozno-zavisan način, dok pretežno inhibira miogenu diferencijaciju ovih ćelija. Ovi rezultati mogu biti posebno važni za vežbanje kao stanje koje može biti povezano sa hemoglobinemijom [26].

Pored direktnog mehaničkog uticaja, različiti metabolički faktori i procesi koji se javljaju tokom vežbanja mogu dovesti do povećanog oštećenja eritrocita. Tokom produženog i intenzivnog vežbanja u uslovima visoke temperature, telesna temperatura može biti blago povišena, i uticati na hemoreološke osobine krvi, izazivajući intravaskularnu hemolizu [27]. Metabolička acidoza koja nastaje tokom vežbanja pripisuje se akumulaciji mlečne kiseline u krvi, praćenoj otpuštanju protona iz karboksilne grupe, što dovodi do stvaranja laktata i na taj način smanjuje pH krvi. Takođe, Hiro [28] je pokazao značajnu korelaciju između koncentracije laktata i hemolize eritrocita, što ukazuje na to da su eritrociti osetljivi na promene pH krvi uočene tokom intenzivnog vežbanja. Druge fiziološke i metaboličke promene primećene tokom vežbanja i posle vežbanja, kao što su dehidratacija, hipoksija, oksidativni stres, hipotonični šok, proteoliza i lučenje kateholamina, takođe su opisani kao važni procesi koji stimulišu hemolizu, i doprinose ukupnoj degradaciji eritrocita [24],[29],[30],[31].

S druge strane, crvena krvna zrnca se proizvode u koštanoj srži. Eritropoetin (EPO), koji se smatra primarnim regulatorom proizvodnje crvenih krvnih zrnaca, pod direktnom je kontrolom sistema za detekciju kiseonika u bubrezima i jetri. Promene parcijalnog pritiska kiseonika (PO₂) se detektuju u peritubularnim ćelijama bubrežnog korteksa. Dakle, pod niskim PO₂ , ove ćelije proizvode EPO, koji se vezuje za receptore na površini progenitorskih ćelija eritroidne loze u koštanoj srži, promovišući njihovu proliferaciju.

Sve je više dokaza da vežbanje može stimulisati proizvodnju EPO [32],[33]. Trening izdržljivosti dovodi do povećanja koncentracije EPO u cirkulaciji kod prethodno netreniranih osoba tokom 8 nedelja treninga [33]. Koncentracija EPO je porasla za 29% tri sata nakon prvog 60-minutnog treninga na biciklu u poređenju sa vrednostima pre vežbanja. Međutim, nakon poslednjeg treninga u 8. nedelji, koncentracija EPO se vratila na početne vrednosti, verovatno usled dugoročne adaptacije eritrocita na povećane potrebe organizma za kiseonikom. Važno je istaći da je nivo EPO u plazmi bio povišeni za 25% samo tokom 2. nedelje treninga, a da je tokom narednih nedelja vraćen na početnu vrednost. Ova povećanja koncentracije EPO su bila praćena povećanjem volumena krvi, plazme i eritrocita. Međutim, Smidt i saradnici [12] nisu pokazali direktan efekat vežbanja na koncentracije EPO u cirkulaciji. Kombinujući različite modalitete vežbanja u hipoksičnim ili normoksičnim uslovima, otkrili su povećane nivoe EPO nakon 60 minuta submaksimalnog vežbanja (60% od maksimalnog kapaciteta) u naredna dva dana pri uslovima normobarične hipoksije. Povećani broj retikulocita u svim hipoksičnim stanjima dalje ukazuje da hipoksija može biti jači stimulans za proizvodnju EPO od vežbanja. Ipak, hiperplazija koštane srži koja ima hematopoetsku funkciju često se primećuje kod visoko treniranih sportista i direktno je povezana sa povećanim volumenom eritrocita [34],[35],[36]. Stimulacija hematopoeze kod sportista je dokazana primenom magnetne rezonance koštane srži iz lumbalnog dela kičme i kolena. Sa druge strane, nedostatak mehaničkog opterećenja (mikrogravitacije) dovodi do ekspanzije masnog tkiva u koštanoj srži i smanjenje hematopoetske aktivnosti [37]. Ovi rezultati takođe pokazuju da se vežbanje može pozitivno uticati na hematopoetsko mikrookruženje.

Pored EPO, mnogi drugi humoralni faktori su uključeni u proces eritropoeze, uključujući nivo androgena, kortizola, kateholamina i faktora rasta u cirkulaciji [38],[39],[40]. Nedavno je objavljeno da su nivoi ovih hormona regulisani vežbanjem. Fizička aktivnost, posebno ona visokog intenziteta, je snažan stimulator androgena kao što je testosteron [41]. Takođe je pokazano da je povećanje koncentracije kortizola u plazmi izazvano vežbanjem [42], što doprinosi njegovoj ulozi u eritropoezi indukovanoj vežbanjem [33]. Kortizol i kateholamini olakšavaju oslobađanje crvenih krvnih zrnaca iz koštane srži, stimulišući diferencijaciju i mobilizaciju eritropoetskih progenitora. Vežbanje takođe može povećati nivoe faktora rasta [43], doprinoseći složenoj humoralnoj regulaciji eritropoeze.

Ovi rezultati sugerišu da vežbanje utiče na ubrzano obnavljanje eritrocita stimulišući hemolizu starih ili oštećenih ćelija, kao i istovremenu proizvodnju novih tokom procesa eritropoeze u koštanoj srži. Prema tome, vežbanje utiče na povećanje broja mladih i potpuno funkcionalnih eritrocita.

UTICAJ VEŽBANJA NA ADAPTACIJE MEMBRANA ERITROCITA

Eritrociti su jedine ćelije kod ljudi koje nemaju jedro, i njihova plazma membrana određuje njihove funkcionalne i mehaničke karakteristike. Svaka promena u fizičkim, hematološkim i biohemijskim svojstvima membrane eritrocita može ugroziti integritet ćelije [44]. Stabilnost membrane eritrocita može se definisati kao sposobnost da očuva svoj integritet kada je pod različitim uticajima iz spoljašnje sredine. Postoji mnogo faktora koji utiču na stabilnost membrane eritrocita, kao što su starost, ishrana i temperatura, kao i pojedina fiziološka i patološka stanja [44],[45],[46]. Redovna fizička aktivnost može da moduliše reološke parametre, uključujući stabilnost i fluidnost membrane. Ovi parametri membrane se obično procenjuju pomoću testa osmotske fragilnosti, koji je validan metod za ispitivanje osetljivosti membrane eritrocita na osmotske promene u krvi [47]. Senturk i saradnici su pokazali da su eritrociti fizički aktivnih osoba otporniji na oksidativni stres i osmotske promene [16]. Nakon vežbanja na biciklu pri čemu se intenzitet postepeno povećavao do otkaza, pokazano je da su osmotska fragilnost, deformabilnost membrane eritrocita i nivo hemoglobina u plazmi bili niži nego u sedentarnoj kontrolnoj grupi. Pored toga, primetili su da vežbanje povećava akumulaciju reaktivnih kiseoničkih vrsta (RKV) u obe grupe. U našem projektu finansiranom od Ministarstva omladine i sporta Republike Srbije, eritrociti u tri različite grupe sportista (aerobne, anaerobne i mešovite) tokom procesa hemolize u izotoničnim rastvorima NH₄ Cl pokazali su visoku otpornost na lizu (neobjavljeni podaci). Ovi rezultati sugerišu da je vežbanje dovelo do promena u membranama eritrocita, ali tačni mehanizmi još nisu poznati. Druga studija je pokazala slične rezultate kada je u pitanju osmotska stabilnost eritrocita kod pet elitnih plivača tokom 18 nedelja treninga. Glavni rezultat je da trening plivanja, i akutni i hronični, utiče na osmotsku stabilnost eritrocita. Pošto se indeks osmotske stabilnosti (H₅₀) povećao u poslednjim nedeljama treninga, to dalje ukazuje da je dugoročni trening značajno poboljšao stabilnost membrane eritrocita. Nasuprot tome, kratkoročni efekat vežbanja utiče na smanjenje stabilnosti membrane. Ovo je takođe u skladu sa rezultatima druge studije koja pokazuje da akutna izloženost trčanju takođe smanjuje stabilnost membrane, ali isključivo u uslovima visokog intenziteta [48]. Shodno tome, osmotska fragilnost eritrocita može biti modulisana vežbanjem, ali efekti akutnog i dugotrajnog izlaganja vežbanju kao i intenzitet vežbanja su ključni faktori koji dovode do različitih adaptacija u ćelijskoj membrani. Akutna izloženost je verovatno povezana sa intenziviranjem oksidativnih procesa i dugotrajnom uticajem na lipoproteine (LDL i HDL) u membrani [3]. Smanjenje osmotske fragilnosti takođe je povezano sa bržim obnavljanjem i povećanim brojem mladih eritrocita kao posledica vežbanja, koji su otporniji na lizu u hipotoničnim uslovima [3].

Fluidnost membrane je svojstvo ćelijskih membrana u vezi sa strukturom i viskozitetom fosfolipidnog dvosloja. U studiji koja je upoređivala fluidnost membrane eritrocita između trkača na duge staze, sprintera i sedentarne kontrole, autori su otkrili povećanu fluidnost membrane kod sportista, kako bi procenili fluidnost na različitim pozicijama lipidnog dvosloja [49]. Pored toga, pronašli su značajno veće vrednosti dokozapentaenske kiseline (C22:5) u obe grupe sportista i eikozapentaenske kiseline (C20:5) kod sprintera. Utvrđeno je da je ukupan sadržaj polinezasićenih masnih kiselina najveći kod trkača na duge staze. Iamada i saradnici [50] su takođe pokazali da vežbanje dovodi do značajnih promena u sastavu lipida crvenih krvnih zrnaca, koje karakteriše povećanje nivoa lizolecitina i smanjenje slobodnog holesterola u membranama eritrocita. Posledica izmenjenog lipidnog profila membrane u eritrocitima može da utiče na permeabilnost membrane, transport jona ili kiseonika, na enzime čija je aktivnost povezana sa membranom, funkciju receptora, osmotsku fragilnost i deformabilnost, doprinoseći poboljšanju funkcije eritrocita i nivoa zasićenosti kiseonikom.

Deformabilnost eritrocita je još jedno svojstvo membrane za koje je pokazano da na njega utiče vežbanje. U sveobuhvatnoj studiji Nemkova i saradnika [51], uzorci krvi 8 utreniranih sportista muškog pola su uzorkovani pre i 3 minuta nakon 30-minutnog testa na biciklu pri intenzitetu 10% iznad ventilacionog praga. Oni su pokazali da se deformabilnost eritrocita smanjila nakon 30-minutnog vežbanja na biciklu i da je došlo do njihove povećane agregacije. Ove promene u deformabilnosti su bile praćene promenama u metaboličkom profilu eritrocita i promenom strukture membranskih lipida. Na primer, oni su pokazali korelaciju između deformabilnosti eritrocita i mnogih metabolita kao što su laktat, alanin, nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+), prekursori koenzima A i acilkarnitini. Pored toga, metaboličko profilisanje sugeriše da sile smicanja i oksidativni stres izazvani vežbanjem na biciklu mogu aktivirati mehanizme remodeliranja membrane, stvarajući mikročestice koje imaju za cilj da uklone oštećene ćelijske komponente na ćelijskoj membrani. Nasuprot tome, Nader i saradnici [52] su pokazali da kratkoročno vežbanje na biciklu nije uticalo na deformabilnost eritrocita kod sportista koji su trenirani po tipu izdržljivosti (trkači, plivači, biciklisti i triatlonci). Iznenađujuće, samo jedan trening trčanja je bio dovoljan da značajno poboljša deformabilnost eritrocita u istoj studiji. Uticaj vežbanja na deformabilnost eritrocita se značajno razlikuje u različitim studijama. Različiti autori su pokazali povećanu, smanjenu ili nepromenjenu deformabilnost nakon vežbanja. Ova nekonzistentnost bi se mogla objasniti razlikama u nivou utreniranosti ispitanika, nutritivnom statusu kao i tipu aktivnosti [16],[52],[53].

Štaviše, smanjena deformabilnost eritrocita može biti očekivan odgovor na pojedinačan trening, dok dugotrajna izloženost povećanoj fizičkoj aktivnosti može uticati na povećanu deformabilnost kao dugoročnu adaptaciju.

UTICAJ VEŽBANJA NA PROMENU U KONCENTRACIJI HEMOGLOBINA I GVOŽĐA U ERITROCITIMA

Pojedinci koji su izloženi dugotrajnom vežbanju su posebno skloni „sportskoj anemiji“, stanju koje se karakteriše smanjenim hematokritom i nedostatkom gvožđa (Fe). Smanjene koncentracije hematokrita i Fe mogu biti povezane sa povećanim volumenom plazme (auto-hemodilucija) i gubitkom Fe putem znoja, urina kao i povećanom hemolizom tokom aktivnosti [54]. Kod dve grupe sportista, umereno i visoko treniranih, nađene su značajno niže koncentracije Fe u poređenju sa kontrolnom grupom, bez značajnih razlika u nivou hemoglobina. Štaviše, u ovoj studiji, najniže koncentracije Fe su nađene kod visoko treniranih pojedinaca [55]. Takođe je utvrđeno da Fe ima značajnu negativnu korelaciju (r = − 0,744, p < 0,001) sa nivoom utreniranosti. Ovi podaci ukazuju da se visoko utrenirani sportisti imaju deficit gvožđa. Iako ne postoji mnogo studija u kojima je merena koncentracija Fe u eritrocitima sportista, sličan trend smanjenja Fe i feritina primećen je u serumu mladih plivača u poređenju sa kontrolnom grupom odgovarajućeg uzrasta. Studija je ispitivala hematološke parametre i parametre vezane za gvožđe tokom 8 meseci i otkrivene su značajne razlike samo u toku takmičarskog perioda [54].

Na osnovu ovih rezultata, treba pažljivo tumačiti nivoe Fe u serumu i u plazmi. Rezultati nekih merenja bi mogli biti pogrešno protumačeni ako se ne uzmu u obzir promene u zapremini plazme i hematokrita, koji se menjaju kao odgovor na vežbanje. Štaviše, hemoliza izazvana vežbanjem može povećati koncentraciju slobodnog hemoglobina i Fe u plazmi, što posledično dovodi do smanjenja broja eritrocita i povećane aktivnosti hemopeksina i haptoglobina [56].

Tokom vežbanja, primarna uloga hemoglobina je da prenosi kiseonik do aktivnih mišića, a nastali ugljen-dioksid nazad u pluća. Pored toga, hemoglobin povećava puferski kapacitet krvi dok utiče na oslobađanje molekula ATP i azot oksida iz eritrocita, što pomaže vazodilataciji i omogućava bolji protok krvi i perfuziju ka aktivnim mišićima. Dodatno, prisustvo mlade populacije eritrocita je povezano sa pojačanim oslobađanjem kiseonika i poboljšanom deformabilnošću, što doprinosi boljoj oksigenaciji tkiva tokom fizičke aktivnosti. Utvrđeno je da je koncentracija hemoglobina značajno viša nakon maksimalnog, ali ne i nakon submaksimalnog vežbanja. Drugim rečima, merena vrednost hemoglobina je bila povišena nakon 1, 5, 10 i 15 minuta od prestanka vežbanja, i nakon 30 minuta vraćena na vrednosti u mirovanju [57]. Međutim, koncentracija hemoglobina je bila nepromenjena tokom 8 nedelja treninga izdržljivosti [33]. Moguće objašnjenje različitih rezultata koji se odnose na promene u koncentraciji hemoglobina kao odgovora na vežbanje, su posledica mnogih faktora koji utiču na interpretaciju merenja. Na primer, hemodilucija zbog povećanog volumena plazme i eritrocita može uticati na interpretaciju nivoa hemoglobina. Zbog toga treba pažljivo tumačiti ove promene. Nedoslednosti u promenama koncentracije hemoglobina (slično prethodno opisanim parametrima eritrocita), kao odgovor na vežbanje mogu odražavati različite adaptacije eritrocita koje su se pojavile kao posledica akutne i hronične izloženosti fizičkoj aktivnosti.

ADAPTACIJE ERITROCITA NA OKSIDATIVNI STRES IZAZVAN VEŽBANJEM

Oksidativni stres karakteriše disbalans između stvaranja i uklanjanja RKV antioksidativnim mehanizmima. Crvena krvna zrnca poseduju dva različita mehanizma za reparaciju oksidativnih oštećenja, enzimski (posredovan superoksid dismutazom – SOD, glutation peroksidazom – GPx, glutation reduktazom i katalazom – CAT) i neenzimski antioksidativni sistem (oksidovana/ redukovana forma glutationa (GSSG/GSH), vitamini C i A i NADH /NADPH kofaktori).

Vežbanje predstavlja fiziološki stimulus za koji se zna da povećava oksidativni stres. Iako se ovaj fenomen smatra normalnim fiziološkim odgovorom, prekomerna akumulacija RKV može imati štetne posledice. Pokazano je da su eritrociti utreniranih pojedinaca otporniji na oksidativni stres u poređenju sa sedentarnim osobama [16]. Nakon treninga na biciklu, došlo je do značajnog povećanja oksidativnog stresa što je potvrđeno određivanjem koncentracije RKV, merenjem lipidne peroksidacije, (engl. thiobarbituric acid-reactive substance - TBARS), određivanjem oksidacije proteina, i merenjem aktivnosti antioksidativnih enzima CAT, GPx i SOD, kod sedentarnih i kod treniranih osoba [16]. Kako su zaključili neki autori [16], oksidativni stres nije značajno uticao na funkcionalnost eritrocita kod osoba izloženih hroničnom treningu, jer su njihova deformabilnost i osmotska fragilnost bili nepromenjeni bez promene koncentracije haptoglobina u plazmi. Još davne 1995. godine, Smith i saradnici [12] su otkrili da je oksidativni stres tokom vežbanja dovoljan stimulus da izazove hemolizu i kod treniranih i kod sedentarnih subjekata nakon 6 sati od vežbanja, međutim, vrednosti su bile značajno niže za grupu sportista, što opet ukazuje na njihov veći antioksidativni kapacitet eritrocita.

ZAKLJUČAK

Vežbanje izaziva značajne adaptacije eritrocita, poboljšavajući njihove metaboličke, strukturne i funkcionalne karakteristike. Ove adaptacije uključuju poboljšan energetski balans u ćelijama, optimizacijom metaboličkih puteva i bržim obnavljanjem eritrocita sa većim udelom mladih, u potpunosti funkcionalnih ćelija. Takođe, eritrocite fizički aktivnih pojedinaca karakteriše povećana stabilnost, fluidnost i deformabilnost membrane. Uprkos potencijalnim rizicima poput „sportske anemije“, vežbanje takođe utiče na dinamiku koncentracije hemoglobina i gvožđa u cilju boljeg transporta kiseonika. Konačno, fizička aktivnost povećava otpornost eritrocita na oksidativni stres putem pojačanih antioksidativnih odbrambenih mehanizama. Ove promene naglašavaju kritičnu ulogu vežbanja u poboljšanju cirkulacije i sveopšteg zdravlja, nudeći potencijalne terapeutske prednosti. Važno je istaći, da ovi rezultati naglašavaju važnost redovne fizičke aktivnosti u održavanju optimalne funkcije eritrocita.

Sukob interesa:

Nije prijavljen.

Informacije

Volumen 5 Broj 2

Jun 2024

Strane 215-227

Ključne reči:

eritrociti, trening, deformabilnost, eritropoeza, hemoreologija

Primljen:

27 Maj 2024
Revidiran:

11 Jun 2024
Prihvaćen:

11 Jun 2024
Objavljen online:

25 Jun 2024
DOI:

10.5937/smclk5-51250

Kako citirati ovaj članak:

Stefanović RM, Ristić BŽ, Drvenica IT. Red blood cell adaptations induced by exercise. Serbian Journal of the Medical Chamber. 2024;5(2):215-27. doi: 10.5937/smclk5-51250

Preuzimanje citata

Autor za korespodenciju

Radoš M. Stefanović
Grupa za imunologiju, Institut za medicinska istraživanja, Univerzitet u Beogradu
Dr Subotića 4, POB 39, 11129 Beograd 102 (UKCS), Srbija
Elektronska adresa: Ova email adresa je zaštićena od spambotova. Omogućite JavaScript u vašem brauzeru da biste je videli.

1. Cho YI, Mooney MP, Cho DJ. Hemorheological disorders in diabetes mellitus. J Diabetes Sci Technol. 2008;2(6):1130-8. doi: 10.1177/193229680800200622. [CROSSREF]

2. Lippi G, Sanchis-Gomar F. Epidemiological, biological and clinical update on exercise-induced hemolysis. Ann Transl Med. 2019;7(12). doi: 10.21037/ atm.2019.05.41. [CROSSREF]

3. Paraiso LF, Gonçalves-e-Oliveira AFM, Cunha LM, de Almeida Neto OP, Pacheco AG, Araújo KBG, et al. Effects of acute and chronic exercise on the osmotic stability of erythrocyte membrane of competitive swimmers. PLoS One. 2017;12(2):e0171318. doi: 10.1371/journal.pone.0171318. [CROSSREF]

4. Pospieszna B, Kusy K, Slominska EM, Zieliński J. Life-long sports engagement enhances adult erythrocyte adenylate energetics. Sci Rep. 2021;11(1):23759. doi: 10.1038/s41598-021-03275-y. [CROSSREF]

5. Van Wijk R, Van Solinge WW. The energy-less red blood cell is lost: erythrocyte enzyme abnormalities of glycolysis. Blood. 2005;106(13):4034-42. doi: 10.1182/blood-2005-04-1622. [CROSSREF]

6. De la Fuente IM, Cortés JM, Valero E, Desroches M, Rodrigues S, Malaina I, et al. On the dynamics of the adenylate energy system: homeorhesis vs homeostasis. PLoS One. 2014;9(10):e108676. doi: 10.1371/journal.pone.0108676. [CROSSREF]

7. Dudzinska W, Suska M, Lubkowska A, Jakubowska K, Olszewska M, Safranow K, et al. Comparison of human erythrocyte purine nucleotide metabolism and blood purine and pyrimidine degradation product concentrations before and after acute exercise in trained and sedentary subjects. J Physiol Sci. 2018;68:293-305. doi: 10.1007/s12576-017-0536-x. [CROSSREF]

8. Pospieszna B, Kusy K, Słomińska EM, Dudzinska W, Ciekot-Sołtysiak M, Zieliński J. The effect of training on erythrocyte energy status and plasma purine metabolites in athletes. Metabolites. 2019;10(1):5. doi: 10.3390/metabo10010005. [CROSSREF]

9. Racine ML, Dinenno FA. Reduced deformability contributes to impaired deoxygenation‐induced ATP release from red blood cells of older adult humans. J Physiol. 2019;597(17):4503-19. doi: 10.1113/JP278338. [CROSSREF]

10. Dudzinska W. Purine nucleotides and their metabolites in patients with type 1 and 2 diabetes mellitus. J Biomed Sci Eng. 2014;7(1):38-44. doi: 10.4236/ jbise.2014.71006. [CROSSREF]

11. O’Brien III WG, Berka V, Tsai A-L, Zhao Z, Lee CC. CD73 and AMPD3 deficiency enhance metabolic performance via erythrocyte ATP that decreases hemoglobin oxygen affinity. Sci Rep. 2015;5(1):13147. doi: 10.1038/srep13147. [CROSSREF]

12. Smith JA. Exercise, training and red blood cell turnover. Sports Med. 1995;19(1):9-31. doi: 10.2165/00007256-199519010-00002. [CROSSREF]

13. Lew VL, Tiffert T. On the mechanism of human red blood cell longevity: roles of calcium, the sodium pump, PIEZO1, and gardos channels. Front Physiol. 2017;8:977. doi: 10.3389/fphys.2017.00977. [CROSSREF]

14. Ingley E. Erythrocytes. Encyclopedia of Respiratory Medicine, Second Edition: Erythrocytes: Elsevier; 2022. p. 232-7. [CROSSREF]

15. Bizjak DA, Tomschi F, Bales G, Nader E, Romana M, Connes P, et al. Does endurance training improve red blood cell aging and hemorheology in moderate-trained healthy individuals? J Sport Health Sci. 2020;9(6):595-603. doi: doi.org/10.1016/j.jshs.2019.02.002. [CROSSREF]

16. Sentürk UK, Gündüz F, Kuru O, Koçer G, Ozkaya YG, Yesilkaya A, et al. Exercise-induced oxidative stress leads hemolysis in sedentary but not trained humans. J Appl Physiol (1985). 2005;99(4):1434-41. doi: doi. org/ 10. 1152/ jappl physi ol. 01392. 2004. [CROSSREF]

17. Weight LM, Byrne MJ, Jacobs P. Haemolytic effects of exercise. Clin Sci (Lond). 1991;81(2):147-52. doi: 10.1042/cs0810147. [CROSSREF]

18. Smith JA, Martin DT, Telford RD, Ballas SK. Greater erythrocyte deformability in world-class endurance athletes. Am J Physiol. 1999;276(6):H2188-93. doi: 10.1152/ajpheart.1999.276.6.H2188. [CROSSREF]

19. Schobersberger W, Tschann M, Hasibeder W, Steidl M, Herold M, Nachbauer W, et al. Consequences of 6 weeks of strength training on red cell O 2 transport and iron status. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1990;60:163-8. doi: 10.1007/BF00839152. [CROSSREF]

20. Robinson Y, Cristancho E, Böning D. Intravascular hemolysis and mean red blood cell age in athletes. Med Sci Sports Exerc. 2006;38(3):480-3. doi: 10.1249/01.mss.0000188448.40218.4c. [CROSSREF]

21. Falsetti HL, Burke ER, Feld RD, Frederick EC, Ratering C. Hematological variations after endurance running with hard-and soft-soled running shoes. Phys Sportsmed. 1983;11(8):118-27. doi: 10.1080/00913847.1983.11708609. [CROSSREF]

22. Telford RD, Sly GJ, Hahn AG, Cunningham RB, Bryant C, Smith JA. Footstrike is the major cause of hemolysis during running. J Appl Physiol (1985). 2003;94(1):38-42. doi: 10.1152/japplphysiol.00631.2001. [CROSSREF]

23. Selby GB, Eichner ER. Endurance swimming, intravascular hemolysis, anemia, and iron depletion: new perspective on athlete’s anemia. Am J Med. 1986;81(5):791-4. doi: 10.1016/0002-9343(86)90347-5. [CROSSREF]

24. Beneke R, Bihn D, Hütler M, Leithäuser RM. Haemolysis caused by alterations of α-and β-spectrin after 10 to 35 min of severe exercise. Eur J Appl Physiol. 2005;95:307-12. doi: 10.1007/s00421-005-0010-y. [CROSSREF]

25. Drvenica IT, Stančić AZ, Maslovarić IS, Trivanović DI, Ilić VL. Extracellular hemoglobin: modulation of cellular functions and pathophysiological effects. Biomolecules. 2022;12(11):1708. doi: 10.3390/biom12111708. [CROSSREF]

26. Stančić A, Drvenica I, Bugarski B, Ilić V, Bugarski D. Extracellular xenogeneic hemoglobin suppresses the capacity for C2C12 myoblast myogenic differentiation. Arch Biol Sci. 2020;72(3):379-91. doi: doi.org/10.2298/ ABS200625032S. [CROSSREF]

27. Richieri GV, Mel HC. Temperature effects on osmotic fragility, and the erythrocyte membrane. Biochim Biophys Acta. 1985;813(1):41-50. doi: 10.1016/0005-2736(85)90343-8. [CROSSREF]

28. Hiro T. Studies on the osmotic fragility of erythrocytes influenced by a metabolic acidosis. Jap J Phys Fitness Sports Med. 1982;31(5):279-90. doi: 10.7600/jspfsm1949.31.279. [CROSSREF]

29. Platt OS, Lux SE, Nathan DG. Exercise-induced hemolysis in xerocytosis. Erythrocyte dehydration and shear sensitivity. J Clin Invest. 1981;68(3):631-8. doi: 10.1172/JCI110297. [CROSSREF]

30. Rasmussen H, Lake W, Allen JE. The effect of catecholamines and prostaglandins upon human and rat erythrocytes. Biochim Biophys Acta. 1975;411(1):63-73. doi: 10.1016/0304-4165(75)90285-8. [CROSSREF]

31. Yusof A, Leithauser RM, Roth HJ, Finkernagel H, Wilson MT, Beneke R. Exercise-induced hemolysis is caused by protein modification and most evident during the early phase of an ultraendurance race. J Appl Physiol (1985). 2007;102(2):582-6. doi: 10.1152/japplphysiol.00580.2006. [CROSSREF]

32. Vitali EDP, Guglielmini C, Casoni I, Vedovato M, Gilli P, Farinelli A, et al. Serum erythropoietin in cross-country skiers. Int J Sports Med. 1988;9(2):99-101. doi: 10.1055/s-2007-1024986. [CROSSREF]

33. Montero D, Breenfeldt-Andersen A, Oberholzer L, Haider T, Goetze JP, Meinild-Lundby A-K, et al. Erythropoiesis with endurance training: dynamics and mechanisms. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2017;312(6):R894-R902. doi: 10.1152/ajpregu.00012.2017. [CROSSREF]

34. Caldemeyer KS, Smith RR, Harris A, Williams T, Huang Y, Eckert GJ, et al. Hematopoietic bone marrow hyperplasia: correlation of spinal MR findings, hematologic parameters, and bone mineral density in endurance athletes. Radiology. 1996;198(2):503-8. doi: 10.1148/radiology.198.2.8596857. [CROSSREF]

35. Shellock FG, Morris E, Deutsch AL, Mink JH, Kerr R, Boden SD. Hematopoietic bone marrow hyperplasia: high prevalence on MR images of the knee in asymptomatic marathon runners. AJR Am J Roentgenol. 1992;158(2):335-8. doi: 10.2214/ajr.158.2.1729795. [CROSSREF]

36. Altehoefer C, Schmid A, Büchert M, Ghanem NA, Heinrich L, Langer M. Characterization of hematopoietic bone marrow in male professional cyclists by magnetic resonance imaging of the lumbar spine. J Magn Reson Imaging.2002;16(3):284-8. doi: 10.1002/jmri.10157. [CROSSREF]

37. Trivanović DI, Drvenica IT. Bone marrow adipose tissue: impacts on bone marrow stem cell niche and hematopoietic system. Reference Module in Biomedical Sciences: Elsevier; 2024. doi: 10.1016/B978-0-443-15717-2.00096-2. [CROSSREF]

38. Dar A, Schajnovitz A, Lapid K, Kalinkovich A, Itkin T, Ludin A, et al. Rapid mobilization of hematopoietic progenitors by AMD3100 and catecholamines is mediated by CXCR4-dependent SDF-1 release from bone marrow stromal cells. Leukemia. 2011;25(8):1286-96. doi: 10.1038/leu.2011.62. [CROSSREF]

39. Shahani S, Braga-Basaria M, Maggio M, Basaria S. Androgens and erythropoiesis: past and present. J Endocrinol Invest. 2009;32(8):704-16. doi: 10.1007/ BF03345745. [CROSSREF]

40. Christ ER, Cummings MH, Westwood NB, Sawyer BM, Pearson TC, Sönksen PH, et al. The importance of growth hormone in the regulation of erythropoiesis, red cell mass, and plasma volume in adults with growth hormone deficiency. J Clin Endocrinol Metab. 1997;82(9):2985-90. doi: 10.1210/ jcem.82.9.4199. [CROSSREF]

41. Ambroży T, Rydzik Ł, Obmiński Z, Błach W, Serafin N, Błach B, et al. The effect of high-intensity interval training periods on morning serum testosterone and cortisol levels and physical fitness in men aged 35–40 years. J Clin Med. 2021;10(10):2143. doi: 10.3390/jcm10102143. [CROSSREF]

42. Petraglia F, Barletta C, Facchinetti F, Spinazzola F, Monzani A, Scavo D, et al. Response of circulating adrenocorticotropin, beta-endorphin, beta-lipotropin and cortisol to athletic competition. Acta Endocrinol (Copenh). 1988;118(3):332-6. doi: 10.1530/acta.0.1180332. [CROSSREF]

43. Schwarz AJ, Brasel JA, Hintz RL, Mohan S, Cooper DM. Acute effect of brief low-and high-intensity exercise on circulating insulin-like growth factor (IGF) I, II, and IGF-binding protein-3 and its proteolysis in young healthy men. J Clin Endocrinol Metab. 1996;81(10):3492-7. doi: 10.1210/ jcem.81.10.8855791. [CROSSREF]

44. Bernardino Neto M, de Avelar EB Jr, Arantes TS, Jordão IA, da Costa Huss JC, de Souza TM, et al. Bivariate and multivariate analyses of the correlations between stability of the erythrocyte membrane, serum lipids and hematological variables. Biorheology. 2013;50(5-6):305-20. doi: 10.3233/BIR-130641. [CROSSREF]

45. Lemos GSD, Márquez-Bernardes LF, Arvelos LR, Paraíso LF, Penha-Silva N. Influence of glucose concentration on the membrane stability of human erythrocytes. Cell Biochem Biophys. 2011;61(3):531-7. doi: 10.1007/s12013- 011-9235-z. [CROSSREF]

46. de Freitas MV, Marquez-Bernardes LF, de Arvelos LR, Paraíso LF, Gonçalves E Oliveira AFM, Mascarenhas Netto Rde C, et al. Influence of age on the correlations of hematological and biochemical variables with the stability of erythrocyte membrane in relation to sodium dodecyl sulfate. Hematology. 2014;19(7):424-30. doi: 10.1179/1607845413Y.0000000145. [CROSSREF]

47. Drvenica I, Mojsilović S, Stančić A, Marković D, Kovačić M, Maslovarić I, et al. The effects of incubation media on the assessment of the shape of human erythrocytes by flow cytometry: a contribution to mathematical data interpretation to enable wider application of the method. Eur Biophys J. 2021;50(6):829-46. doi: 10.1007/s00249-021-01527-3. [CROSSREF]

48. Paraiso LF, de Freitas MV, Gonçalves-E-Oliveira AFM, de Almeida Neto OP, Pereira EA, Mascarenhas Netto RC, et al. Influence of acute exercise on the osmotic stability of the human erythrocyte membrane. Int J Sports Med. 2014:35(13):1072-7. doi: 10.1055/s-0034-1371834. [CROSSREF]

49. Kamada T, Tokuda S, Aozaki S, Otsuji S. Higher levels of erythrocyte membrane fluidity in sprinters and long-distance runners. J Appl Physiol (1985). 1993;74(1):354-8. doi: 10.1152/jappl.1993.74.1.354. [CROSSREF]

50. Yamada T, Tohori M, Ashida T, Kajiwara N, Yoshimura H. Comparison of effects of vegetable protein diet and animal protein diet on the initiation of anemia during vigorous physical training (sports anemia) in dogs and rats. J Nutr Sci Vitaminol (Tokyo). 1987;33(2):129-49. doi: 10.3177/jnsv.33.129. [CROSSREF]

51. Nemkov T, Skinner SC, Nader E, Stefanoni D, Robert M, Cendali F, et al. Acute cycling exercise induces changes in red blood cell deformability and membrane lipid remodeling. Int J Mol Sci. 2021;22(2):896. doi: 10.3390/ ijms22020896. [CROSSREF]

52. Nader E, Guillot N, Lavorel L, Hancco I, Fort R, Stauffer E, et al. Eryptosis and hemorheological responses to maximal exercise in athletes: Comparison between running and cycling. Scand J Med Sci Sports. 2018;28(5):1532-40. doi: 10.1111/sms.13059. [CROSSREF]

53. Kobayashi S, Hamazaki T, Sawazaki S, Nakamura H. Reduction in the ADP release from shear-stressed red blood cells by fish oil administration. Thromb Res.1992;65(3):353-64. doi: 10.1016/0049-3848(92)90166-8. [CROSSREF]

54. Spodaryk K. Iron metabolism in boys involved in intensive physical training. Physiol Behav. 2002;75(1-2):201-6. doi: 10.1016/S0031-9384(01)00640-0. [CROSSREF]

55. Mariño MM, Grijota FJ, Bartolomé I, Siquier-Coll J, Román VT, Muñoz D. Influence of physical training on erythrocyte concentrations of iron, phosphorus and magnesium. J Int Soc Sports Nutr. 2020;17(1):1-7. doi: 10.1186/ s12970-020-0339-y. [CROSSREF]

56. Nishiie-Yano R, Hirayama S, Tamura M, Kanemochi T, Ueno T, Hirayama A, et al. Hemolysis is responsible for elevation of serum iron concentration after regular exercises in judo athletes. Biol Trace Elem Res. 2020;197(1):63-9. doi: 10.1007/s12011-019-01981-3. [CROSSREF]

57. Novosadova J. The changes in hematocrit, hemoglobin, plasma volume and proteins during and after diverse types of exercise. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1977;36(3):223-30. doi: 10.1007/BF00421753. [CROSSREF]

LITERATURA