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Efecto de ejercicio físico en el estado redox del sistema respiratorio

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Universitat de Barcelona. Departament de Biologia Cel·lular, Fisiologia i Immunologia

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[spa] El estrés oxidativo se define como la pérdida de equilibrio entre los oxidantes y la capacidad de los antioxidantes para contrarrestar su acción, alterando la señalización redox y dañando los componentes de los organismos vivos (lípidos, proteínas, carbohidratos y ADN) a través de especies químicas reactivas (Barry Halliwell & Gutteridge, 2015). El término oxidante incluye tanto a radicales libres (RL) como a todas aquellas especies químicas que sin ser RL también son capaces de sustraer uno o más electrones de un sustrato biológico, iniciando el proceso de oxidación. Como especies reactivas (Reactive Species, RS) se incluyen las derivadas del oxígeno (ROS), nitrógeno (RNS), cloro, bromo, azufre, etc. Las consecuencias biológicas del estrés oxidativo dependerán del tipo celular o tejido examinado, severidad, y duración o temporalidad de dicho desequilibrio. Así, las células pueden responder de una o más de las siguientes maneras: (i) proliferación aumentada; (ii) adaptación a través de la up-regulation o sobre- expresión de sistemas de defensas, los que pueden entregar una protección completa, parcial, o exagerada; (iii) injuria o daño de biomoléculas celulares que son los que iniciarán la favorable adaptación, es decir, no todo daño causado por el estrés oxidativo se traduce en un daño oxidativo; (iv) envejecimiento celular; y (v) muerte celular, dependiendo de si el daño a las biomoléculas celulares ha sido reparado favorablemente ya sea total o parcial, o en su defecto iniciar la apoptosis celular (Powers, Nelson, et al., 2011; Barry Halliwell & Gutteridge, 2015; Pizzino et al., 2017). En condiciones fisiológicas, bajos niveles de RS son necesarios para la adecuada transcripción y traducción de señales celulares beneficiosas para la salud, mejorando la función del sistema inmunológico (Yang et al., 2013; Salim, 2016), cardiovascular (Khurana et al., 2013), muscular (Jackson, 2005; Niess & Simon, 2007; Powers, Ji, et al., 2011), entre otros; mientras que altos niveles o producción excesiva de RS alteran la integridad celular a través de la oxidación de lípidos (Ylä-Herttuala, 1999), proteínas (Stadtman & Levine, 2006), y ADN (Marnett, 2000), y promueven la inflamación crónica al estimular el factor transcripcional sensible a alteraciones del estado redox, el cual estimula la expresión de mediadores pro-inflamatorios como proteína C-reactiva (PCR), interleuquinas, y factor de necrosis tumoral alfa (TNF-1∝) (Reuter et al., 2010; Lugrin et al., 2014; Hussain et al., 2016), todos ellos son biomarcadores involucrados en el origen de diversas enfermedades (ej. HTA, insuficiencia cardiaca, diabetes, síndrome metabólico, EPOC, cáncer, etc.) (Bast et al., 1991; Moskovitz et al., 2002; Pizzino et al., 2017). Al respecto, la práctica de actividad física regular o ejercicio ha sido reconocida como la intervención terapéutica clave para evitar la progresión de estas enfermedades (B. Pedersen & Saltin, 2006, 2015; Kujala, 2009; Garber et al., 2011), y aumentar la sobrevida de los pacientes (Oja et al., 2017; Kraus et al., 2019). Paradójicamente, el ejercicio también es reconocido por desencadenar aumentos en los niveles de RS (Packer et al., 2008; Powers & Jackson, 2008; Powers, Ji, et al., 2011; Powers, Nelson, et al., 2011). El primer estudio que evidenció esto se publicó hace ya mas de treinta años (Dillard et al., 1978). En ese estudio, Dillard et al. (1978) reportó en 10 sujetos sanos un aumento sustancial del pentano exhalado, un indicador de la peroxidación de lípidos, posterior a 60 minutos de cicloergómetro a intensidad moderada correspondiente al 50% del V̇ O2-máx. De ahí en adelante, varias investigaciones han estudiado el efecto del ejercicio sobre el estrés oxidativo. Al respecto, las fuentes productoras de RS durante el ejercicio físico se han diferenciado entre las intrínsecas al tejido muscular esquelético (ej. mitocondria, enzimas NADPH y xantino oxidasas) (Steinbacher & Eckl, 2015; Di Meo et al., 2019), y las extrínsecas (sangre, sistema cardiovascular, respiratorio, etc.) las cuales además de ser fuentes productoras de RS por sí mismas, también potencian a las fuentes intrínsecas aumentando aún mas la presencia de RS por ejercicio físico (Finaud et al., 2006; Nikolaidis et al., 2008; Packer et al., 2008). Dentro de las fuentes productoras de RS intrínsecas al tejido muscular se encuentra la mitocondria. La evidencia reporta que entre el 1-3% del oxígeno consumido contribuye a la formación de RS (Chance et al., 1979). Esto hace pensar que mientras mayor sea la actividad metabólica mitocondrial, como sucede en ejercicios intensos y prolongados, mayor será la producción de RS; sin embargo, el cambio conformacional de este organelo desde el reposo (state-IV) al de máxima actividad (state-III) reduce la producción de RS a una décima parte (Cadenas & Davies, 2000; Finaud et al., 2006). Otra fuente de RS asociada a la contracción muscular es la acción de la enzima NADPH oxidasa (NOX), la que se encuentra principalmente en el retículo sarcoplasmático, túbulos transversos, y sarcolema. Esta enzima cataliza la producción de anión superóxido (O2•-) al reducir al oxígeno molecular (O2), reacción exacerbada en ejercicios prolongados e intensos; de esta manera a NOX se le ha atribuido un rol incluso mayor que a la mitocondria en la producción de RS por ejercicio (Steinbacher & Eckl, 2015; Ferreira & Laitano, 2016). También el fenómeno de isquemia-reperfusión, propio del acto motor en ejercicios cíclicos y repetitivos, ha sido reconocido como promotor de RS a raíz de la mayor actividad de la enzima xantino oxidasa (XO) y la consecuente formación de O2•-, H2O2 y urato (Steinbacher & Eckl, 2015; Di Meo et al., 2019). Sin embargo, la contribución de XO en la producción de RS en el territorio muscular es tema de debate, pues si bien evidencia actual le confiere un rol protagónico (Viña, Amparo Gimeno, Juan S, 2000; Gomez-Cabrera et al., 2008, 2009), otros estudios le confieren un rol menor dado la baja cantidad de XO presente a nivel tisular (Frederiks & Bosch, 1995). El efecto beneficioso o perjudicial de la producción de RS de origen muscular, está condicionada a la intensidad, duración, y modalidad de ejercicio físico realizado (Finaud et al., 2006; Niess & Simon, 2007; Nikolaidis et al., 2008; Powers & Jackson, 2008; Powers, Ji, et al., 2011), pues se ha reportado que bajos niveles de RS incluso estimulan la producción de antioxidantes encargados de prevenir el estrés oxidativo local (Nikolaidis et al., 2008; Kujala, 2009; Magherini et al., 2019). Otra fuente de producción de RS en el ejercicio son las provenientes de sistemas biológicos de origen no muscular, principalmente las originadas en el sistema cardiovascular a raíz del aumento en el gasto cardiaco en condiciones de máxima intensidad de ejercicio en alrededor 5 a 6 veces su valor respecto al reposo (D’Andrea et al., 2017); y las provenientes del sistema respiratorio, el cual debe aumentar V̇ E (20 a 30 veces) a expensas de la frecuencia respiratoria (Fr) (4 a 5 veces) y volumen corriente (Vc) (4 a 6 veces) para maximizar la hematosis sanguínea, contenido arterial de oxígeno, y mejorar así el V̇ O2-máx. (Forster et al., 2012; Sheel & Romer, 2012). Ahora bien, la producción de RS de origen respiratorio no tan solo se ve afectada por los cambios de la mecánica respiratoria mencionados previamente, pues la literatura ha reportado aumentos en ciertas condiciones ambientales en las cuales se desarrolla el ejercicio. Así, la presencia de material particulado (MP) (Cavalcante De Sá et al., 2016) e irritantes respiratorios como el ión cloruro y sus derivados (Morissette et al., 2016), altura o hipobaria (Araneda & Tuesta, 2012), temperatura (Marek et al., 2013), y humedad ambiental (Wolkoff, 2018), son escenarios que promueven el estrés oxidativo al aumentar RS y/o disminuir antioxidantes locales, sobretodo en deportistas crónicamente expuestos a entrenar a elevados valores de V̇ E, Fr y Vc. Interesantemente, el estado redox respiratorio puede ser evaluado a través del análisis de muestras locales como el esputo inducido (EI) (Pavord et al., 1997), aire espirado (AE) (Liu & Thomas, 2005), y condensado de aire espirado (CAE) (Horváth et al., 2005; M. Davis & Montpetit, 2018). El CAE permite la obtención no invasiva de ciertos biomarcadores que han sido objeto de estudio para evaluar al efecto del ejercicio sobre el sistema respiratorio (Lactato, H2O2, NO2-, NO3-, adenosina, MDA, pH, citoquinas, 8-isoprostano, etc.). En esta tesis se han estudiado especies químicas reactivas (H2O2, NO2-) y pH en muestras de CAE para evaluar el efecto del ejercicio físico en diferentes condiciones ambientales sobre el estado redox respiratorio en deportistas entrenados y habituados a mantener elevados valores de V̇ E, Fr y Vc. Para complementar este análisis químico, se evaluaron también parámetros clínicos de la función pulmonar midiendo los volúmenes y capacidades respiratorias mediante espirometría. Además, se exploró la evaluación objetiva del esfuerzo o trabajo respiratorio mediante la valoración de la oxigenación local en músculos respiratorios. El objetivo es reportar a través de mediciones no invasivas el impacto del ejercicio físico sobre el estado redox respiratorio, parámetros clínicos, y rendimiento físico en deportistas entrenados aeróbicamente, con la finalidad de evaluar asociaciones entre estas variables potenciando la investigación aplicada y traslacional; aportando conocimiento que ayude al entendimiento de los cambios en la salud respiratoria de atletas habituados a mantener elevados valores de ventilación pulmonar, esperando potenciar así el rendimiento deportivo.

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[eng] The prolonged and intense physical exercise affects the balance of the oxidation-reduction (redox) state of the respiratory system as a result of increased pulmonary ventilation, inhalation of irritants and particulate matter, hypoxia, and adverse environmental conditions such as cold and ambient dry, as these factors dehydrate the fluid that covers the respiratory epithelium, induce bronchoconstriction and inflammation of the airway, with the consequent more significant formation of reactive chemical species which, by overcoming local antioxidants, cause oxidative stress, and with this, damage of biomolecules and local cellular structures. A non-invasive method that allows measuring at the respiratory level the concentration of some of these reactive species is the exhaled breath condensate (EBC). By this method, previous studies had been documented an increase in hydroperoxides (H2O2), nitrites (NO2-), malondialdehyde (MDA), and peroxynitrite (ONNO·) in long-distance runners posterior at 21.1 and 42.2-km, and healthy untrained subjects after completed 10-km and 90 minutes of cycling. In these studies, the production of the respiratory reactive chemical species evaluated showed a direct correlation with the total lung ventilation achieved at physical exercise, concluding that either the intensity at which the efforts were completed and the respiratory adaptations induced previously by training were relevant factors related with changes of the respiratory redox state. An aspect poorly explored in this context is the influence of the environmental conditions where the exercise is carried out; as well as whether or not these molecular changes impacted on lung function and sports performance. This thesis explored the topic mentioned previously; thus, the article I evaluated the influence of chlorine, as a respiratory irritant, on the production of [H2O2]CAE, [NO2-]CAE, [NO2-]CAE/[NO2-]Plasma, and lung function parameters (FEV1, FEF25-75%) after two different physical exercise protocols (3500- m indoor-swimming vs 10-km outdoor-running) in competitive swimmers. Contrary to the hypothesis, the respiratory reactive chemical species assessed increased after running and decreased after swimming, even with the presence of chlorine in the inhaled air. As the main discussion, it was held that the higher relative humidity present in swimming could have favoured this type of exercise. To elucidate this, the article II evaluated in recreational cyclists the influence of high relative humidity condition (90% vs 40%) on the production of the same respiratory reactive chemical species after 60 minutes of pedalling at 70% of the maximum load, and the impact on lung function. Interestingly, it was shown that high-relative humidity (90%) "protects" the alteration of the respiratory redox state to the increase in VE and promotes bronchodilation even 80 minutes after exercise. In both articles, it was found that the respiratory species assessed showed a direct correlation with the total lung ventilation reached in the protocols of exercise used. As the 𝑉E is the result of the work of the inspiratory muscles during respiration (work of breathing, WOB), and for evaluating the effect of the WOB on the respiratory redox state, the article III evaluated the reliability of the local muscle oxygen saturation (SmO2), measured by near-infrared spectroscopy (Near- Infrared Spectroscopy, NIRS) at intercostal muscles in marathon runners during the oxygen consumption test (𝑉O2-max), showing good-to-excellent values at higher values of 𝑉E. The conclusion of studies carried out are: (i) swimmers chronically exposed to the respiratory irritant of chlorine and by-products, show respiratory redox alteration 24 hours after running 10-km and not swimming 3500-m; (ii) in recreational cyclists, high-relative humidity (90%) prevents the induced formation of respiratory reactive chemical species evaluated, and promote bronchodilation; and (iii) in marathon runners, the evaluation of muscle oxygen saturation at intercostal muscles using NIRS is a novel method that allows quantifying the work of breathing (WOB) for increasing the 𝑉E during exercise.

# metadata.dc.rights[].value
cc by (c) Contreras Briceño, Felipe Andrés, 2021

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Tesis Doctorals - Departament - Biologia Cel·lular, Fisiologia i Immunologia

# metadata.dc.title[].value
Efecto de ejercicio físico en el estado redox del sistema respiratorio