Cytokines as markers of non-functional overstrain in rowing athletes

Nazar D. Mamiev; Мамиев Назар Джуманазарович; Vladimir S. Vasilenko; Василенко Владимир Станиславович; Yuliya B. Semenova; Семенова Юлия Борисовна; Ekaterina B. Karpovskaya; Карповская Екатерина Борисовна; Anna V. Merkulova; Меркулова Анна Владимировна; Natalia S. Kanavets; Канавец Наталья Сергеевна; Vladimir S. Ivanov; Иванов Владимир Сергеевич

doi:10.17816/PED15155-63

Cytokines as markers of non-functional overstrain in rowing athletes

Authors: Mamiev N.D.¹, Vasilenko V.S.¹, Semenova Y.B.¹, Karpovskaya E.B.¹, Merkulova A.V.¹, Kanavets N.S.¹, Ivanov V.S.¹
Affiliations:
1. Saint Petersburg State Pediatric Medical University
Issue: Vol 15, No 1 (2024)
Pages: 55-64
Section: Original studies
URL: https://journals.eco-vector.com/pediatr/article/view/629228
DOI: https://doi.org/10.17816/PED15155-63
ID: 629228

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription or Fee Access

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

BACKGROUND: Regular high-intensity exercise, combined with other stressors and lack of adequate recovery time, can cause a sustained pro-inflammatory response, leading to systemic inflammation and immune dysregulation.

AIM: The aim of this study is to establish the prognostic effectiveness of proinflammatory IL-1β, TNFα, IL-8, anti-inflammatory cytokine IL-4 and myokine IL-6 as markers of dysfunctional overstrain and overtraining in rowing athletes.

MATERIALS AND METHODS: A total of 47 male athletes aged 18–22 years were examined, specializing in rowing, 1^st category, candidates for master of sports. Of these, 28 were dynamic (4 times). The control group included 24 healthy donors, men aged 18–22 years. Cardiac overstrain was diagnosed based on 24-hour ECG data: identification of ventricular and supraventricular extrasystoles in the absence of organic changes in the heart. The content of cytokines in blood serum was determined using the Human Cytokine/Chemokine Magnetic Bead Panel 1 reagents (Merck, Millipore) on a MagPix device. The research results were processed using parametric statistics methods.

RESULTS: Rowing athletes show an increase in pro-inflammatory cytokines, which can be both a consequence of adaptive changes and a sign of long-term systemic inflammation. Determination of IL-6, IL-8, TNFα may be useful for assessing the body’s adaptation to training loads. The greatest changes in the level of pro-inflammatory cytokines are observed during the competitive period, and it should be taken into account that an increase in the anti-inflammatory cytokine IL-4 occurs in response to high levels of pro-inflammatory cytokines and is a sign of good adaptation.

CONCLUSIONS: The greatest importance in the diagnosis of non-functional cardiac overstrain in rowing athletes should be given to an increase in IL-1α and IL-6 and an increase in TNFα against the background of a decrease in IL-4.

Keywords

athletes, non-functional overstrain, cytokines, cardiac overstrain, diagnostics

Full Text

АКТУАЛЬНОСТЬ

Проблема перетренированности спортсменов привлекала внимание специалистов уже с середины прошлого века [4, 22]. Для достижения необходимого тренировочного эффекта тренировки включают короткие периоды перегрузки, за которыми следуют периоды восстановления. Эти периоды вызывают преднамеренное краткосрочное тренировочное состояние функционального перенапряжения (FOR), при котором спортивные результаты временно снижаются в ответ на тренировку. Однако при адекватном восстановлении происходит положительная физиологическая адаптация с соразмерным повышением работоспособности [23]. Напротив, при длительных периодах интенсивных тренировок или при отсутствии адекватного восстановления может возникнуть нефункциональное перенапряжение (NFOR), которое, если не принять мер, в конечном итоге может перерасти в синдром перетренированности (OTS) [3, 10]. NFOR приводит к негативным физиологическим изменениям и снижению работоспособности. В зависимости от серьезности, восстановление работоспособности до исходного состояния может занять от нескольких недель до месяцев [23]. OTS более опасен, чем NFOR, и возникает, когда накопление стресса, связанного с тренировкой, приводит к долгосрочному снижению работоспособности и сопровождается физиологической и психологической усталостью. Эта неадаптивная реакция на тренировочную нагрузку может потребовать от нескольких месяцев до нескольких лет для полного восстановления [5, 11].

Распространенность перетренированности наиболее высока в видах спорта, требующих больших объемов и повторяющихся интенсивных тренировок, таких как плавание, триатлон, велоспорт и гребля. Высококвалифицированные спортсмены в этих видах спорта часто тренируются по 4–6 ч каждый день, 6 дней в неделю, в течение нескольких месяцев без достаточного количества дней для восстановления [8]. Регулярные упражнения высокой интенсивности в сочетании с другими факторами стресса и отсутствием достаточного времени для восстановления, могут вызвать устойчивую провоспалительную реакцию, приводящую к системному воспалению и иммунной дисрегуляции [12, 14, 21], являясь медиаторами развития синдрома перетренированности [2, 14].

Существует потребность в объективных показателях, которые можно отслеживать, чтобы управлять адаптацией спортсменов к тренировочным нагрузкам и обеспечивать раннюю диагностику риска неадаптивной реакции, для предотвращения NFOR и OTS [23]. Предложено множество биомаркеров, которые используются для оценки эффективности физических упражнений. К ним относятся физиологические биомаркеры, такие как частота сердечных сокращений, артериальное давление и VO₂max, а также биохимические биомаркеры, такие как цитокины, гормоны и метаболические маркеры [13, 24, 26].

Ряд отечественных авторов рассматривает потенциально опасные нарушения — желудочковые и суправентрикулярные аритмии, включая преждевременные желудочковые сокращения — как один из признаков дезадаптации сердца к физическим нагрузкам с развитием синдрома перенапряжения сердечно-сосудистой системы, приводящего в случае дальнейшего действия нагрузок к синдрому перетренированности (у спортсмена без выявленной органической сердечно-сосудистой патологии) [1, 6].

Изменение цитокинового статуса играет существенную роль в метаболизме сердечно-сосудистой системы. Проведенные исследования показали, что сердечная дисфункция после интенсивных упражнений на выносливость связана с повышенной экспрессией провоспалительных цитокинов — интерлейкинов (IL) 1β (IL-1β), IL-12p70 и фактора некроза опухоли альфа (TNFα). По мнению авторов, это не доказывает причинно-следственную связь, но дает основание для дальнейших исследований, опосредует ли воспаление дисфункцию миокарда, вызванную физической нагрузкой [16]. Воспалительная роль цитокинов также может быть связана с развитием патологической гипертрофии сердца вследствие повышения уровня IL-6 [10].

В последние годы исследователи все больше внимания уделяют роли цитокинов в физической активности и упражнениях, так как они модулируют экспрессию и секрецию цитокинов [15, 20]. Одна интенсивная тренировка вызывает первоначальное (через 1–24 ч после тренировки) высвобождение провоспалительных цитокинов IL-6, IL-1β и TNFα, эти маркеры обычно возвращаются к базальному уровню через 24–30 ч [12]. За активацией следует противовоспалительная реакция (через 24–72 ч после тренировки) с высвобождением противовоспалительных или регуляторных цитокинов IL-10, IL-4, IL-13 и антагониста рецептора интерлейкина 1 (IL-1Ra) [12]. Разрешение воспаления имеет решающее значение для восстановления гомеостаза тканей в ответ на физические упражнения, а также улучшения мышечной функции и восстановления мышц [9].

Провоспалительные цитокины могут действовать как первоначальный стимул в центральной нервной системе, вызывая некоторую дезадаптацию вскоре после периода чрезмерных тренировок, влияя на физическую работоспособность, ограничение питания и клеточный катаболизм [14]. Вызванное физической нагрузкой высвобождение IL-1β и TNFα оказывает негативное влияние на мышцы и может быть также связано с перенапряжением и перетренированностью [20]. Однако при хорошей адаптации физические упражнения могут изменять и ослаблять воспалительные реакции [18]. Таким образом, теоретически снижение провоспалительных цитокинов, таких как IL-1β, IL-6 и TNFα, должно свидетельствовать об уменьшении воспаления, а значит, адаптации к тренировкам на заданном уровне [19].

Аспект, на который стоит обратить внимание при рассмотрении вопроса об использовании цитокинов в качестве биомаркеров в спорте, — это учет особенностей различных спортивных дисциплин. Каждый вид спорта характеризуется разной интенсивностью, что может характеризоваться разными изменениями значений концентрации отдельных цитокинов. Необходимо также учитывать отсутствие эталонных значений, с которыми можно было бы сравнивать результаты тестов. В настоящее время для сравнения результатов используются значения покоя, полученные из аналогичных выборок спортсменов [19].

Подчеркивается, что будущие исследования должны быть сосредоточены на определении значимости повышения или понижения конкретных цитокинов у представителей конкретного вида спорта. Мониторинг реакции цитокинов на физические упражнения поможет выявить индивидуальные различия в воспалительных и иммунных реакциях. Кроме того, использование цитокиновых биомаркеров позволит разработать более целевые вмешательства, способствующие восстановлению и адаптации к тренировкам, в частности — использование противовоспалительных вмешательств для людей с высоким цитокиновым ответом или иммуностимулирующих вмешательств при низком цитокиновом ответе [19].

Цель исследования — установить прогностическую эффективность провоспалительных IL-1β, TNFα, IL-8, противовоспалительного цитокина IL-4 и миокина IL-6 как маркеров нефункционального перенапряжения и перетренированности у спортсменов-гребцов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводились на базе ФГБОУ ВО «Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта» с соблюдением стандартов Хельсинкской декларации Всемирной ассоциации «Этические принципы проведения научных медицинских исследований с участием человека» с поправками 2000 г. и Правил клинической практики в Российской Федерации*. Всеми участниками было подписано информированное согласие на публикацию данных, полученных в результате исследований, без идентификации личности.

Для установления влияния тренировок, направленных на развитие выносливости, на уровни IL-1β, TNFα, IL-8, IL-6 IL-4 у 28 спортсменов-гребцов проведены 4 исследования: на общеподготовительном периоде, специально-подготовительном периоде, соревновательном периоде и переходном периоде тренировочного цикла.

Для выявления связи уровня провоспалительных и противовоспалительных цитокинов с перенапряжением сердца на протяжении года нами проведены исследования у 19 спортсменов-гребцов, обратившихся с жалобами на потерю работоспособности и с подтвержденными ЭКГ-признаками перенапряжения сердца.

Всего обследовано 47 спортсменов мужчин в возрасте 18–22 лет, специализация — академическая гребля, I разряд

кандидаты в мастера спорта, из них перенапряжение сердца диагностировано у 19 человек (отстранены от тренировок), а остальные 28 спортсменов были обследованы в динамике (4 раза) на общеподготовительном, специально-подготовительном, соревновательном и переходном периоде годового тренировочного цикла. Контрольная группа включала 24 здоровых донора, мужчин в возрасте 18–22 лет. Референсные интервалы представлены по данным исследования крови 281 условно-здорового донора (возраст 18–35 лет) из коллекции биобанка СПб ГБУЗ «Городская больница № 40» [7].

Перенапряжение сердца диагностировали по данным суточного мониторирования ЭКГ (СМЭКГ) по Холтеру: выявление «потенциально опасных аритмий» — желудочковых и суправентрикулярных экстрасистол на фоне отсутствия органических изменений сердца. Содержание цитокинов в сыворотке крови определяли с помощью панели реагентов Human Cytokine/Chemokine Magnetic Bead Panel 1 (Merck, Millipore) на приборе MagPix.

Результаты исследования обработаны с использованием методов параметрической статистики. Результаты выражались в средних арифметических величинах (M) и средней ошибке (m), с использованием t-критерия Стьюдента. Корреляционный анализ проводили с помощью коэффициентов корреляции Пирсона (r). Статистически значимыми считали различия при р ≤ 0,05 (вероятность различий больше 95 %).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Изучали уровень цитокинов у 28 спортсменов-гребцов на этапах годового тренировочного цикла. Концентрации всех определяемых цитокинов в группе спортсменов были статистически значимо выше по сравнению с контролем (р ≤ 0,05–0,001), что обусловлено высокими физическими и психическими нагрузками на протяжении годового тренировочного цикла. При этом уровни TNFα, IL-1α, IL-6 и IL-8 выходили за пределы референсного интервала для лиц аналогичной возрастной группы, не занимающихся спортом (табл. 1).

Таблица 1. Динамика цитокинов в крови спортсменов-гребцов на периодах тренировочного цикла

Table 1. Dynamics of cytokines in the blood of rowing athletes during the training cycle

Цитокины, пг/мл / Cytokines, pg/ml		Здоровые доноры / Healthy donors (n = 19)	Этапы исследования / Study stages (n = 28)
Цитокины, пг/мл / Cytokines, pg/ml		Здоровые доноры / Healthy donors (n = 19)	ОПП / GPP	СПП / SPP	СП / CP	ПП / TP
TNFα РИ (RI): 0–29,6	M±m	16,2±0,9	87,3±15,4	114,7±12,8	206,3±20,1**	87,5±11,6
TNFα РИ (RI): 0–29,6	выше РИ, % / above the RI, %	8,3	50	46,4	92,8	21,4
IL-1α РИ (RI): 0–164	M±m	93,3±1,0	195,8±20,3	221±61,4	263,2±40,1*	142±33,7
IL-1α РИ (RI): 0–164	выше РИ, % / above the RI, %	8,3	32,1	67,8	75	32,1
IL-4 РИ (RI): 0–36	M±m	15,6±0,7	20,1±3,2	23,5±1,9	36,7±3,4*	24,1±2,6
IL-4 РИ (RI): 0–36	выше РИ, % / above the RI, %	4,2	10,7	7,14	32,1	7,14
IL-6 РИ (RI): 0–20	M±m	9,7±0,9	41,7±3,4**	64,1±3,8**	76,3±5,6**	19,1±2,8
IL-6 РИ (RI): 0–20	выше РИ, % / above the RI, %	4,2	75	82,1	89,2	32,1
IL-8 РИ (RI): 0–55	M±m	21,8±1,3	88,9±13,9	134,7±15,5*	289±15,9**	61,4±11,2
IL-8 РИ (RI): 0–55	выше РИ, % / above the RI, %	12,5	32,1	53,6	89,2	25

Примечание. ОПП — общеподготовительный период; СПП — специально-подготовительный период; СП — соревновательный период; ПП — переходный период; РИ — референсный интервал по данным исследования крови условно-здоровых доноров (18–35 лет) из коллекции биобанка СПб ГБУЗ «Городская больница № 40» [4]. *Различия относительно ПП статистически значимы при р ≤ 0,01; **при р ≤ 0,001.

Note. GPP — general preparatory period; SPP — special preparatory period; CP — competitive period; TP — transition period; RI — reference interval according to the blood test of conditionally healthy donors (18–35 years old) from the collection of the biobank of City Hospital No. 40 [4]. *Differences relative to ТP are statistically significant at р ≤ 0.01; **at р ≤ 0.001.

На этапах тренировочного цикла прослеживается последовательное повышение среднегрупповых показателей TNFα, IL-6 и IL-8, достигающих максимальных значений при исследовании в конце годового цикла в соревновательный период (июль – август) — 206,3±20,1, 76,3±5,6 и 289±15,9 пг/мл соответственно. При этом примерно 90 % спортсменов имели значения этих цитокинов выше референсного интервала. IL-1α оказался повышен на всех тренировочных этапах (195,8±20,3, 221±61,4, 263,2±40,1 пг/мл), что может быть связано его участием вместе с TNFα в катаболизме жиров [25].

Следует отметить восстановление в переходный период в среднем по группе (в пределах референсного интервала) всех определяемых цитокинов за исключением TNFα и IL-8 (87,5±11,6 и 61,4±11,2 пг/мл соответственно), что подтверждает, что их повышение свойственно спортсменам-гребцам вне зависимости от качества нагрузки. Уровень провоспалительного IL-4 выраженных колебаний на этапах тренировочного цикла не имел (табл. 1). Наблюдаемое на соревновательном этапе его увеличение вероятно является вторичным в ответ на увеличение TNFα и IL-8.

Таким образом, у спортсменов отмечается повышение провоспалительных цитокинов, что может быть как следствием адаптационных изменений, так и признаком длительного системного воспаления, отражающего недовосстановление мышц и необходимость введения в тренировочный процесс эффективных методов восстановления. Наибольшие изменения отмечаются в соревновательный период, при этом следует учитывать, что повышение противовоспалительного цитокина IL-4 происходит в ответ на высокие уровни провоспалительных цитокинов и является признаком хорошей адаптации. Так, по данным корреляционного анализа повышение IL-4 обусловлено повышением IL-1α и TNFα, о чем свидетельствуют статистически значимые положительные корреляции средней силы (r = +0,61 и r = +0,54 соответственно). Полученные данные согласуются с результатами других исследований [11, 14, 17, 19].

Провоспалительные цитокины TNFα, IL-1, IL-6 являются не только маркерами атеросклеротического риска, но и риска развития острых коронарных событий. Для выявления информативных маркеров нарушений адаптации к физической нагрузке, приводящих к нефункциональному перенапряжению, одним из признаков которой является перенапряжение сердца, проведено изучение уровня цитокинов в группе спортсменов-гребцов с ЭКГ-признаками перенапряжения сердца и спортсменов без признаков перенапряжения (табл. 2).

Таблица 2. Особенности цитокинового статуса у спортсменов с перенапряжением сердца и спортсменов без сердечно-сосудистых нарушений

Table 2. Features of cytokine status in athletes with cardiac overstrain and athletes without cardiovascular disorders

Группа / Group		Цитокины, пг/мл / Cytokines, pg/ml
Группа / Group		TNFα 0–29,6	IL-1α 0–163,7	IL-4 0–35,7	IL-6 0–19,8	IL-8 0–54,5
Здоровые доноры / Healthy donors (n = 24)	M±m	16,2±0,9	93,3±1,01	15,6±0,7	9,7±0,9	21,8±1,3
Здоровые доноры / Healthy donors (n = 24)	выше РИ, % / above RI, %	8,3	8,3	4,2	4,2	12,5
Перенапряжение сердца / Overstrain of the heart (n = 19)	M±m	206,3±20,1	323,2±21,9	20,4±1,5	74,2±6,1	224±16,3
Перенапряжение сердца / Overstrain of the heart (n = 19)	выше РИ, % / above RI, %	100	89,4	5,2	78,9	63,1
Без перенапряжения сердца / Without overstrain of the heart (n = 28)	M±m	119,3±13,8	180,4±16,8	30,1±2,4	21,7±3,4	189±13,1
	выше РИ, % / above RI, %	53,6	42,8	35,7	42,8	60,7
Статистическая значимость различий в группах спортсменов / Statistical significance of differences in groups of athletes (t)		р ≤ 0,01 (3,56)	р ≤ 0,001 (5,17)	р ≤ 0,01 (3,43)	р ≤ 0,001 (7,52)	р > 0,05 (1,67)

Примечание. t — критерий Стьюдента; РИ — референсный интервал по данным исследования крови условно-здоровых доноров (18–35 лет) из коллекции биобанка СПб ГБУЗ «Городская больница № 40» [4].

Note. t — the Student’s criterion; RI — reference interval according to the blood test of conditionally healthy donors (18–35 years old) from the collection of the biobank of City Hospital No. 40 [4].

Установлено, что в группе спортсменов с перенапряжением отмечаются более высокие средние показатели провоспалительных цитокинов IL-1α и IL-6 — 323,2±21,9 относительно 180,4±16,8 пг/мл и 74,2±6,1 относительно 21,7±3,4 пг/мл (р ≤ 0,001). Уровни провоспалительного TNFα также повышены, но в меньшей степени (р ≤ 0,01). Снижение на этом фоне противовоспалительного IL-4 (20,4±1,5 относительно 30,1±2,4 пг/мл) свидетельствует о еще более выраженном нарушении адаптации. Так, по данным корреляционного анализа в группе спортсменов с перенапряжением между IL-4 и TNFα отмечается отрицательная средней силы статистически значимая корреляционная связь (r = –0,63), а в группе спортсменов без перенапряжения — статистически значимая положительная корреляционная связь средней силы (r = +0,48).

Таким образом, несмотря на функциональное повышение уровня провоспалительных цитокинов у всех спортсменов, наибольшее значение при диагностике нефункционального перенапряжения у спортсменов-гребцов следует придавать повышению уровней IL-1α и IL-6 и повышению TNFα на фоне снижения IL-4.

Полученные данные подтверждаются исследованиями, показавшими связь уровня провоспалительных цитокинов с метаболизмом сосудистой системы, и установивших их роль в качестве предиктора кардиоваскулярных событий. Так, вызванное физической нагрузкой высвобождение IL-1 и TNFα оказывает негативное влияние на мышцы и может быть связано с перенапряжением и перетренированностью [20]. Имеются доказательства возможности определения IL-6 в качестве потенциального биомаркера нефункционального перенапряжения и синдрома перетренированности [17]. У спортсменов с дисфункцией миокарда, по сравнению с теми, у кого ее не было, наблюдалась значительно более высокая экспрессия провоспалительного цитокина TNFα [16].

ВЫВОДЫ

У спортсменов отмечается повышение провоспалительных цитокинов, что может быть как следствием адаптационных изменений, так и признаком длительного системного воспаления, отражающего недовосстановление мышц. Определение IL-6, IL-8, TNFα может быть полезно для оценки адаптации организма к тренировочным нагрузкам.
В соревновательный период отмечаются наиболее выраженное повышение уровня провоспалительных цитокинов, при этом следует учитывать, что повышение противовоспалительного цитокина IL-4 происходит в ответ на высокие уровни провоспалительных цитокинов и является признаком хорошей адаптации.
Наибольшее значение при диагностике нефункционального перенапряжения сердца у спортсменов-гребцов следует придавать повышению уровней IL-1α и IL-6 и повышению TNFα на фоне снижения IL-4.
Результаты представленного исследования имеют значение для повышения соревновательных результатов спортсменов-гребцов, поскольку хронические заболевания, характеризующиеся стойким воспалением и иммунной дисрегуляцией, серьезно ухудшают силу мышц, их выносливость, потенциал регенерации и могут стать причиной острых респираторных инфекций на пике достижения «спортивной формы».

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Информированное согласие на публикацию. Авторы получили письменное согласие пациентов и их представителей на публикацию медицинских данных.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Consent for publication. Written consent was obtained from the patients for publication of relevant medical information.

^* Приказ Минздрава РФ от 01.04.2016 № 200н «Об утверждении правил надлежащей клинической практики».

About the authors