Efectos del entrenamiento de la musculatura inspiratoria en la función pulmonar, oxigenación muscular y rendimiento en sujetos físicamente activos

Abstract

[ES] Introducción En la actualidad el desarrollo tecnológico ha permitido un análisis más profundo del metabolismo muscular y de las adaptaciones inducidas por el entrenamiento físico. En este contexto, el desarrollo de la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) se posiciona como una estrategia no invasiva y de fácil aplicación que permite analizar la oxigenación muscular con un costo relativamente bajo. En los últimos años, NIRS se ha utilizado tanto en entornos clínicos como deportivos para el análisis del metabolismo muscular, sus aplicaciones son diversas, así como sus protocolos de valoración. Con el avance científico, diversos métodos complementarios al entrenamiento tradicional se están utilizando para mejorar el rendimiento deportivo y la salud. Uno de los métodos que ha tomado fuerza en los últimos años es el entrenamiento muscular inspiratorio (EMI), que es una herramienta que permite aplicar cargas de entrenamiento en la musculatura respiratoria generando mejoras en la fuerza y resistencia de esos músculos. EMI se visualiza como una estrategia con un costo relativamente accesible y de fácil aplicación. Si bien se conocen los efectos de EMI en la salud y mejora del rendimiento físico, existe escasa evidencia de sus efectos en la oxigenación muscular en reposo y como ésta se relaciona con el rendimiento físico. NIRS se ha utilizado para identificar los efectos del ejercicio físico, para realizar evaluaciones durante el ejercicio físico incremental y analizar la cinética de la oxigenación muscular, así como también durante oclusiones arteriales para determinar el consumo de oxígeno (VO2) muscular (mVO2) en reposo, entre otras. Si bien existe evidencia sobre los efectos del ejercicio en la oxigenación muscular, hay escasa evidencia sobre los efectos del EMI en la mVO2, analizada con una prueba de oclusión vascular. Por ello, la valoración de la oclusión vascular en reposo permite un análisis del metabolismo muscular sin la realización de ejercicio físico, con un bajo riesgo y que permite su aplicación en deportistas como en personas con condiciones clínicas específicas. En este sentido, la presente tesis entrega tres avances esenciales: a) una nueva herramienta evaluativa de análisis y monitorización para el uso por parte de los profesionales de las ciencias de la actividad física y el deporte; b) valores de referencia de la oxigenación muscular en reposo en sujetos sanos activos físicamente; y, c) el análisis de la oxigenación muscular, analizada con NIRS, que ha permitido relacionar el rendimiento físico con la función pulmonar y la respuesta vascular períferica en reposo. Objetivos La presente tesis doctoral tuvo como objetivo general identificar los efectos del entrenamiento muscular inspiratorio en la función pulmonar, fuerza inspiratoria máxima, oxigenación muscular y rendimiento físico, en hombres sanos activos. Para lograr su alcance se desarrollaron los siguientes objetivos específicos: 1) evaluar la función pulmonar, fuerza inspiratoria máxima, oxigenación muscular y rendimiento físico; 2) relacionar la función pulmonar, fuerza inspiratoria máxima, oxigenación muscular y rendimiento físico; 3) analizar los efectos del entrenamiento muscular inspiratorio en la aptitud cardiorrespiratoria y rendimiento físico; y, 4) estudiar los efectos del programa de entrenamiento muscular inspiratorio en la función pulmonar, fuerza inspiratoria máxima y oxigenación muscular. Métodos Para dar cumplimiento al desarrollo de la tesis se desarrollaron tres estudios. En primer lugar, se realizó una revisión sistemática que tuvo como objetivo destacar el uso de la oxigenación muscular, en ensayos clínicos con intervenciones de ejercicio físico, presentando las características tecnológicas relacionadas con los equipos utilizados en estos estudios. Luego se desarrolló un primer estudio experimental que tuvo como objetivo identificar los efectos del entrenamiento muscular inspiratorio en la función pulmonar, fuerza inspiratoria máxima y rendimiento físico en pruebas de natación, en hombres sanos activos. Finalmente, se realizó un segundo estudio experimental que tuvo como objetivo determinar los efectos del entrenamiento muscular inspiratorio en los cambios vasculares y metabólicos musculares, así como su relación con los cambios en la aptitud cardiorrespiratoria, en ejercicio de carrera en hombres sanos activos. En los estudios experimentales participaron jóvenes y adultos sanos, activos físicamente. En ambos estudios, los participantes fueron divididos de manera aleatoria en un grupo de entrenamiento muscular inspiratorio y otro grupo de entrenamiento muscular inspiratorio placebo, para medir la función pulmonar, la fuerza dinámica inspiratoria máxima y el rendimiento físico Además, en el segundo estudio experimental se analizó la oxigenación muscular en reposo durante una prueba de oclusión vascular (POV) con un dispositivo NIRS Artinis Portamon® que fue ubicado en el m. vasto lateral del m. cuádriceps. Resultados La revisión sistemática demostró que NIRS es una herramienta tecnológica que permite analizar la oxigenación muscular en ensayos clínicos con intervenciones de ejercicio físico, lo que fundamenta su uso en la presente tesis doctoral y en futuras investigaciones. En el primer estudio experimental, se encontró una correlación entre la fuerza inspiratoria dinámica y el rendimiento de natación, en pruebas de 50 y 100 metros estilo libre (R = -0,72; p = 0,003 y R = -0,65; p = 0,008). También se observó correlación entre el flujo inspiratorio máximo y el rendimiento, en las mismas pruebas de natación (r = -0,70; p = 0,003 y r = -0,60; p = 0,010); en este mismo estudio se apreció un efecto positivo del entrenamiento muscular inspiratorio en el rendimiento de natación, donde sólo los participantes del grupo EMI redujeron los tiempos de natación en 50 m (p = 0,0001), 100 m (p = 0,0001) y 200 m (p = 0,0001). En lo que respecta a la función pulmonar y fuerza inspiratoria máxima, se encontró sólo en el grupo EMI un aumento del S-Index (p = 0,0003), el flujo inspiratorio (p = 0,000), el VEF1 (p = 0,007), la FVC (p = 0,000), el PEF p = 0,010), el FEF25-75% (p = 0,030) y la MVV (p = 0,000). En el segundo estudio experimental se encontró una correlación positiva moderada entre el ΔS-Index (r = 0,619; p = 0,009) y el MIF (r = 0,583; p = 0,014) y el ΔVO2MÁX, también existió una correlación positiva moderada entre el ΔTSIMB con el AUC de ΔHHb (r = 0,516; p = 0,031) y con el tiempo de carrera de Δ1,5 millas (r = 0,669; p = 0,004). Por el contrario, ΔTSIMP tuvo correlaciones positivas moderadas con ΔHHbAUC (r = 0,596; p = 0,014) y con el tiempo de carrera de Δ1,5 millas (r = 0,686; p = 0,003). Además, se observó un aumento de la capacidad cardiorrespiratoria y funcional para el grupo de entrenamiento muscular inspiratorio (EMIG) con diferencia significativa respecto al grupo de entrenamiento muscular inspiratorio placebo (EMIPG), representada por un aumento en el VO2MÁX (4,48 ± 1,1 versus Δ: 1,51 ± 2,5 ml/kg/min), y una disminución en el tiempo de prueba de 1,5 millas (Δ: −0,81 ± 0,2 frente a −0,27 ± 0,4 s), con p < 0,05. Se produjo un mayor aumento en EMIG en relación con EMIPG para S-Index (Δ: 28,23 ± 26,6 versus −13,83 ± 4,0 cmH2O) y MIF (Δ: 0,91 ± 0,6 versus −0,60 ± 0,1 l/s), con p < 0,05. En lo que respecta a la oxigenación muscular en reposo, se observaron disminuciones significativas en TSIMB y TSIMP para EMIG (Δ: −3,38 ± 3,1 y 0,83 ± 2,3 s) con respecto a EMIPG (Δ: −5,88 ± 3,7 y 3,50 ± 6,4 s) con p < 0,05. Asimismo, el AUC de HHb tuvo una disminución significativa entre el inicio y después de la intervención sólo en EMIG (Δ: −1336,1 ± 1462,5 au), con p < 0,05. Sin embargo, no difirió con la disminución de EMIPG; por lo tanto, sólo se observó una tendencia (Δ: EMIG: −1336,1 ± 1462,5au versus EMIPG: −32,3 ± 259,3ua; p = 0,054). Conclusiones La presente tesis muestra que NIRS es una herramienta que permite analizar el metabolismo muscular en reposo posterior a la aplicación de programas de entrenamiento muscular inspiratorio y tiene aplicaciones en entornos deportivos y clínicos. Los parámetros derivados de NIRS durante la oclusión vascular en reposo son un factor a considerar por su relación con la función pulmonar y el rendimiento físico. NIRS se posiciona como una técnica que permite monitorizar en vivo, con bajo riesgo, de manera relativamente econonómica y con una fácil aplicación, los efectos en el metabolismo y en la respuesta microvascular a nivel muscular de los programas de ejercicio; lo que entrega una nueva herramienta a considerar para los profesionales del ejercicio físico y el deporte. Como conclusión general de este trabajo, el entrenamiento muscular inspiratorio produce efectos positivos en la función pulmonar, fuerza inspiratoria máxima, oxigenación muscular y rendimiento físico, en sujetos activos sanos, y esta tesis doctoral entrega nuevas aplicaciones para el uso de NIRS en programas de entrenamiento muscular inspiratorio.

[EN] Introduction Currently, technological development has allowed a deeper analysis of muscle metabolism and adaptations induced by physical training. In this context, the development of the near-infrared spectroscopy (NIRS) emerges as a non-invasive and easily applied strategy that allows the analysis of muscle oxygenation at a relatively modest cost. In recent years, NIRS has been used in both clinical and sports settings for muscle metabolism analysis, its applications are diverse, as well as its assessment protocols. Concurrent with scientific progress, numerous methods, complementary to traditional training, are being employed to improve sports performance and health. One of the methods that has been used in recent years is inspiratory muscle training (IMT), which is a tool that allows to apply training loads on respiratory muscles, thereby bolstering the power and endurance of these muscles at a relatively manageable cost and simplicity in application of these muscles. While the effects of IMT on health and improvement of physical performance are acknowledged, there is little evidence of its impact on resting muscle oxygenation and how it relates to physical performance. NIRS has been used to identify the effects of physical exercise and evaluations have been performed during the incremental physical exercise to analyze the kinetics of muscle oxygenation and arterial occlusions have also been used to determine the consumption of muscle oxygen (VO2) at rest, among other aspects. Although there is evidence on the effects of exercise on muscle oxygenation, there is little evidence on the effects of IMT in mVO2, particularly when analyzed employing a vascular occlusion test. For this reason, the analysis of the vascular occlusion at rest allows an analysis of the muscle metabolism without physical exercise, minimizing risk and enabling its applicability to both athletes and individuals with specific clinical conditions. In this sense, the present thesis heralds three pivotal contributions: a) the introduction of a novel evaluation instrument for analysis and monitoring, catering to physical activity and sports science professionals; b) reference values of muscle oxygenation at rest in physically active subjects; and, c) the analysis of muscular oxygenation, analyzed with NIRS, allows to relate the physical performance with the pulmonary function and the peripheral vascular response at rest. Objectives This doctoral thesis aimed to discern the effects of inspiratory muscle training on pulmonary function, maximum inspiratory strength, muscular oxygenation and physical performance in healthy active men. To achieve this objective, the following specific objectives were developed: 1) evaluate lung function, maximum inspiratory strength, muscle oxygenation and physical performance; 2) correlate lung function, maximum inspiratory strength, muscle oxygenation and physical performance; 3) analyze the effects of inspiratory muscle training on cardiorespiratory fitness and physical performance; and, 4) study the effects of the inspiratory muscle training program on lung function, maximum inspiratory strength, and muscle oxygenation. Methods Three studies were developed to carry out the development of the thesis. First, a systematic review was conducted, aiming to highlight the use of muscle oxygenation, in clinical trials with physical exercise interventions, presenting the technological characteristics related to the equipment used in these studies. Subsequently, an experimental study was developed that aimed to identify the effects of inspiratory muscle training on lung function, maximum inspiratory strength and physical performance in swimming events, in active healthy men. To conclude, a second experimental study was conducted, aiming to determine the effects of inspiratory muscle training on muscle vascular and metabolic changes, as well as its relation to changes in cardiorespiratory fitness, during running exercise in active healthy men. In the experimental studies, young, healthy, and physically active adults, participated. The participants were randomly divided into an inspiratory muscle training group and another group of placebo inspiratory muscle training. Both experimental studies involved the measurement of pulmonary function, the maximum inspiratory dynamic force and the physical performance. In addition, in the second experimental study, the muscle oxygenation at rest was analyzed during a vascular occlusion test (POV), utilizing an Artinis Portamon ® NIRS device positioned on the vast lateral of the quadriceps muscle. Results The systematic review demonstrated that NIRS is a technological tool, enabling muscle oxygenation analysis in clinical trials involving physical exercise interventions, which bases its applicability in the present doctoral thesis and future research endeavors. In the first experimental study, a correlation was found between dynamic inspiratory strength and swimming performance, in 50-and 100-meter free-style tests (R = -0.72; p = 0.003 and R = -0.65; p = 0.008). Additionally, a correlation was observed between maximum inspiratory flow and yield, in the identical swimming tests (r = -0.70; p = 0.003 and r = -0.60; p = 0.010). This study also highlighted the positive effect of inspiratory muscle training on swimming performance, where only the participants of the IMT group reduced swimming times by 50 m (p = 0.0001), 100 m (p = 0.0001) and 200 m (p = 0.0001). In terms of pulmonary function and maximum inspiratory strength, an increase of S-Index (p = 0.0003), inspiratory flow (p = 0.000), VEF1 (p = 0.007), FVC (p = 0.000), PEF p = 0.010), FEF25-75% (p = 0.030) and MVV (p = 0.000) were found in the IMT group alone. In the second experimental study a moderate positive correlation was found between the ΔS-Index (r = 0.619; p = 0.009) and the MIF (r = 0.583; p = 0.014) and the ΔVO2MAX, there was also a moderate positive correlation between the ΔTSIMB with the AUC of ΔHHb (r = 0.516; p = 0.031) and with the race time of Δ1.5 miles (r = 0.669; p = 0.004). Conversely, ΔTSIMP had moderate positive correlations with ΔHHbAUC (r = 0.596; p = 0.014) and with the race time of Δ1.5 miles (r = 0.686; p = 0.003). In addition, an increase in cardiorespiratory and functional capacity was observed for the inspiratory muscle training (IMTG) group with significant difference from the placebo inspiratory muscle training group (IMTPG), represented by an increase in VO2MAX (4.48 ± 1.1 versus Δ: 1.51 ± 2.5 ml/kg/min), and a decrease in test time of 1.5 miles (Δ: -0.81 ± 0.2 versus -0.27 ± 0.4 s), with p < 0.05. There was a higher increase in IMTG relative to IMTPG for S-Index (Δ: 28.23 ± 26.6 versus -13.83 ± 4.0 cmH2O) and MIF (Δ: 0.91 ± 0.6 versus -0.60 ± 0.1 l/s), with p < 0.05. Regarding muscle oxygenation at rest, significant decreases were observed in TSIMB and TSIMP for IMTG (Δ: 3.38 ± 3.1 and 0.83 ± 2.3 s) with respect to IMTPG (Δ: 5.88 ± 3.7 and 3.50 ± 6.4 s) with p < 0.05. In addition, HHb AUC had a significant decrease between baseline and post-intervention in IMTG alone (Δ: -1336.1 ± 1462.5 au), with p < 0.05. However, it did not differ with the decrease in IMTPG; therefore, only one trend was observed (Δ: IMTG: -1336.1 ± 1462,5au versus IMTPG: -32.3 ± 259.3ua; p = 0.054). Conclusions The current thesis demosntrates that NIRS is a tool that enables the analysis of resting muscle metabolism following the implementation of inspiratory muscle training programs, finding applicability in both sports and clinical settings. The parameters obtained from NIRS during resting vascular occlusion are a factor to consider for their relationship with lung functionality and physical performance. NIRS is positioned as a technique that allows real-time, low-risk, cost-effective, and straightforward monitoring of the effects of exercise programs on metabolism and microvascular responses at the muscular level, which provides a new tool to be considered by professionals of physical exercise and sports. As a general conclusion of this work, inspiratory muscle training produces positive effects on lung function, maximum inspiratory strength, muscular oxygenation and physical performance, in healthy active individuals. This doctoral thesis unveils new ways to utilize NIRS in inspiratory muscle training programs.