Fatica muscolare: perché insorge, come si misura e potenziali rimedi

Fatica muscolare: perché insorge, come si misura e potenziali rimedi
Ultima modifica 09.03.2023
INDICE
  1. Fatica: generalità
  2. Fattori che influenzano la contrazione muscolare e l'affaticamento
  3. Tecniche non invasive per la valutazione delle sedi di fatica muscolare
  4. Potenziali trattamenti per la fatica muscolare
  5. Conclusioni

Tratto da Jing-jing Wan, Zhen Qin, Peng-yuan Wang, Yang Sun, and Xia Liu. Muscle fatigue: general understanding and treatment. [National Library of Medicine]. Exp Mol Med. 2017 Oct; 49(10): e384. Published online 2017 Oct 6.

La fatica muscolare è un disturbo comune tanto nello sport quanto nella pratica clinica.

Nell'uomo, l'affaticamento muscolare può essere definito come una diminuzione della capacità di produrre forza esercizio fisico indotta.

Per fornire una comprensione generale e descrivere le potenziali terapie per l'affaticamento muscolare, riassumeremo gli studi più rilevanti sull'affaticamento muscolare, inclusi dettagli come la sequenza di eventi osservati durante la produzione di forza, tecniche di valutazione del sito di affaticamento in vivo, marcatori diagnostici e non specifici, e trattamenti efficaci.

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Fatica: generalità

La fatica è un sintomo non specifico, comune ed è associato alla fisiologia oltre che alla patologia.

Spesso definita come un eccessivo senso di stanchezza, mancanza di energia e sensazione di spossatezza, la fatica si riferisce a una difficoltà nell'esecuzione di compiti volontari.

L'accumulo di fatica, se non risolto, porta a:

Esistono diversi metodi di classificazione della fatica. In base alla sua durata, la fatica può essere classificata in fatica acuta e fatica cronica.

  • La fatica acuta può essere rapidamente alleviata dal riposo o dai cambiamenti dello stile di vita.
  • La fatica cronica è una condizione definita come una stanchezza persistente che dura più mesi e non migliora con il riposo.

La fatica può anche essere classificata come fatica mentale, che si riferisce agli aspetti cognitivi o percettivi della fatica e alla fatica fisica, che si riferisce alle prestazioni del sistema motorio.

Affaticamento muscolare

L'affaticamento muscolare è definito come una diminuzione della forza massimale o della produzione di potenza in risposta all'attività contrattile.

Può originare in diversi momenti del processo motorio ed è solitamente suddiviso in componenti centrali e periferiche.

L'affaticamento muscolare è un fenomeno comune che limita le prestazioni atletiche o altre attività faticose o prolungate. Inoltre, limita la quotidianità in varie condizioni patologiche, tra cui disturbi neurologici, muscolari e cardiovascolari, nonché invecchiamento e fragilità.

Questo articolo si concentra principalmente sull'affaticamento muscolare, in particolare durante l'esercizio intenso, per fornire una comprensione di base e le potenziali terapie dell'affaticamento muscolare.

Fattori che influenzano la contrazione muscolare e l'affaticamento

La produzione della forza del muscolo scheletrico dipende dai meccanismi contrattili e il cedimento in uno qualsiasi dei siti a monte dei ponti trasversali (vedi sotto, paragrafo "Ioni calcio Ca++") può contribuire allo sviluppo dell'affaticamento muscolare, compresi i sistemi nervoso, ionico, vascolare ed energetico.

Nell'insorgenza di fatica muscolare sembrano determinanti i fattori metabolici e reagenti durante il processo di contrazione, come: ioni idrogeno (H+), lattato, fosfato inorganico (Pi), specie reattive dell'ossigeno (ROS), proteina da shock termico (HSP) e orosomucoide (ORM).

Contributo neurale

I neurotrasmettitori centrali, in particolare 5-HT, DA e NA, svolgono un ruolo importante durante l'esercizio e l'affaticamento di tutto il corpo.

  • La 5-HT produce un effetto negativo.
  • Il metilfenidato, un potenziatore del rilascio di DA e un inibitore della ricaptazione, produce un effetto positivo nella prestazione fisica.

La cosiddetta ipotesi della fatica centrale sostiene che l'esercizio induca cambiamenti nelle concentrazioni di questi neurotrasmettitori e che la fatica derivi da cambiamenti all'interno del sistema nervoso centrale o della giunzione neuromuscolare (che sarebbe prossimale).

Recenti dati hanno dimostrato che, a temperature ambientali normali, i farmaci che influenzano i sistemi di neurotrasmettitori influiscono poco sulle prestazioni, ma migliorano significativamente la resistenza a temperature elevate.

Ad esempio, l'inibitore della ricaptazione dell'NA reboxetina e un doppio inibitore della ricaptazione DA/NA, il bupropione, hanno un effetto negativo sulla prestazione fisica a temperatura normale.

Tuttavia, al caldo, la reboxetina diminuisce, mentre il bupropione aumenta le prestazioni, suggerendo così che il sistema di termoregolazione può avere un'influenza importante sulla prestazione fisica.

Il sistema nervoso centrale, tramite un neurotrasmettitore, produce vari input eccitatori e inibitori sui motoneuroni spinali, attivando così in ultimo livello le unità motorie (MU) per ottenere l'uscita della forza.

La forza e la tempistica della contrazione sono controllate dall'attivazione dei motoneuroni. Quando vengono reclutati per la prima volta in un sistema sano, le MU di solito si attivano a 5–8 Hz.

Durante brevi contrazioni volontarie non affaticanti, negli esseri umani, la frequenza media di attivazione delle MU è di 50-60 Hz.

Le MU vengono reclutate in modo ordinato sulla base della dimensione del motoneurone e controllano la quantità di tessuto muscolare che viene attivato.

Il rallentamento o la cessazione dell'attivazione delle MU contribuisce alla perdita di forza che caratterizza la fatica.

L'attivazione di un motoneurone è influenzata da:

  • cambiamenti intrinseci nelle proprietà dello stesso;
  • spinta discendente;
  • feedback afferente.

Durante le contrazioni massimali affaticanti, la velocità di attivazione dei motoneuroni diminuisce a causa delle seguenti circostanze:

  1. l'attivazione ripetuta dei motoneuroni porta a una diminuzione della loro eccitabilità all'input sinaptico eccitatorio;
  2. la spinta eccitatoria dalla corteccia motoria o dall'area sopraspinale ai motoneuroni è diminuita;
  3. l'attivazione delle afferenze muscolari del gruppo III/IV è aumentata, diminuendo così l'attivazione del motoneurone;
  4. l'attivazione dei fusi muscolari (recettori sensoriali) è diminuita, riducendo così l'attivazione delle afferenze muscolari del gruppo Ia (uno "A"), aumentando l'inibizione presinaptica e infine diminuendo l'attivazione dei motoneuroni;
  5. in particolare, anche le afferenze muscolari del gruppo III/IV mostrano interazione di feedback con i processi cardiovascolari e respiratori attraverso il sistema nervoso autonomo, migliorando così il flusso sanguigno muscolare e l'ossigenazione e di conseguenza rallentando lo sviluppo dell'affaticamento del muscolo stesso.

Ioni calcio (Ca2+)

L'attivazione neurale provoca la trasmissione del segnale dal cervello ai tubuli trasversali del muscolo, inducendo il rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico (SR) nel citosol e l'inizio del ciclo del ponte trasversale.

Questo processo di eccitazione-contrazione comporta i seguenti eventi:

  • il potenziale d'azione (AP) viene generato alla giunzione neuromuscolare e si propaga lungo la membrana superficiale e nei tubuli trasversi;
  • qui viene rilevato dalle molecole voltaggio-sensori (i recettori diidropiridinici, VS /DHPRs);
  • a loro volta aprono i canali di rilascio del recettore della rianodina-Ca2+ (isoforma RyR1 nel muscolo scheletrico) nel SR adiacente e causano il rilascio di Ca2+ nel sarcoplasma.

Il legame del Ca2+ alla troponina allontana la tropomiosina dal legame della miosina sito su actina, consentendo così il ciclo del ponte trasversale. Mentre la rimozione di Ca2+ dal citoplasma da parte di Ca2+ ATPasi determina il recupero della tropomiosina nella sua posizione bloccata e si verifica il rilassamento.

Il rilascio alterato di calcio dal reticolo sarcoplasmatico è stato identificato come un contributo all'affaticamento nelle fibre muscolari scheletriche isolate.

Sono stati proposti diversi possibili meccanismi:

  1. l'AP coinvolge l'afflusso di Na+, e la successiva ripolarizzazione coinvolge l'efflusso di K+ nelle cellule muscolari. La stimolazione ad alta frequenza può portare all'accumulo extracellulare di K+, che può ridurre l'attivazione del sensore di tensione e l'ampiezza del potenziale d'azione;
  2. La maggior parte dell'ATP in una fibra a riposo è legata al Mg2+. L'affaticamento può indurre una diminuzione dell'ATP intracellulare e un aumento del Mg2+ libero, diminuendo così l'efficacia dell'apertura del canale SR Ca2+;
  3. L'esposizione al fosfato mioplasmico provoca una diminuzione prolungata del rilascio di Ca2+ del SR nella fibra spellata, perché il fosfato inorganico può entrare nel SR e precipitare il Ca2+, diminuendo così il Ca2+ libero e la quantità di Ca2+ disponibile per il rilascio.

Flusso sanguigno e O2

Il flusso sanguigno può portare l'ossigeno necessario per la produzione aerobica di ATP e rimuovere i sottoprodotti dei processi metabolici nei muscoli che lavorano, svolgendo così un ruolo importante nel mantenimento della produzione di forza.

Le contrazioni muscolari volontarie aumentano la pressione sanguigna arteriosa media che, di conseguenza, diminuisce il flusso sanguigno netto al muscolo che lavora, e induce affaticamento.

L'occlusione del flusso sanguigno a un muscolo che lavora abbrevia il tempo di esaurimento e del calo della forza, indicando così la potenziale importanza del flusso sanguigno nella prevenzione della fatica.

Tuttavia, nonostante i cambiamenti nel flusso sanguigno che accompagnano lo sviluppo dell'affaticamento muscolare, la diminuzione del flusso sanguigno stesso non sembra essere un fattore chiave nello sviluppo dell'affaticamento.

Wigmore et al. hanno utilizzato la pletismografia dell'occlusione venosa per ridurre il flusso sanguigno dei muscoli dorsiflessori della caviglia e hanno scoperto che il declino della forza MVC precede cambiamenti significativi nel flusso sanguigno al muscolo.

Uno dei ruoli importanti del flusso sanguigno è quello di fornire O2 ai muscoli che lavorano ed è stato ben documentato che la ridotta disponibilità di ossigeno per l'esercizio muscolare ha profonde conseguenze sull'affaticamento muscolare.

  • Respirare aria ipossica può aumentare significativamente l'affaticamento muscolare in vivo.
  • Una migliore erogazione di O2 ai muscoli in esercizio attenua direttamente l'affaticamento muscolare e ne aumenta l'efficienza.

Tuttavia, la disponibilità di O2 influisce sul processo di fatica prevalentemente a intensità di lavoro moderate.

Generalmente, l'assorbimento di ossigeno e l'utilizzo di ATP aumentano fino al raggiungimento del VO2max. Durante l'esercizio ad intensità molto elevata (di solito a raggiungimento del VO2max), la richiesta di più ATP non può essere soddisfatta da un aumento dell'apporto di ossigeno, con conseguente squilibrio dell'omeostasi metabolica e conseguente affaticamento.

Energia

Il lavoro muscolare deve essere supportato dalla fornitura di energia ATP. Esistono tre principali ATPasi che richiedono ATP per l'attività muscolare:

  • Na+/K+-ATPasi (10% dell'uso totale di ATP);
  • miosina ATPasi (60% dell'uso totale di ATP);
  • Ca2+ ATPasi (30% dell'uso totale di ATP).

La Na+/K+-ATPasi pompa il Na+ fuori e il K+ dentro la fibra dopo il potenziale d'azione.

La miosina ATPasi usa l'ATP per generare forza e lavorare.

La Ca2+ ATPasi pompa nuovamente il Ca2+ nel SR, permettendo così il rilassamento muscolare.

Il glicogeno è la riserva di energia di carboidrati per la produzione di ATP. Esistono tre distinte localizzazioni subcellulari di glicogeno:

  • glicogeno intermiofibrillare, situato tra le miofibrille e vicino a SR e mitocondri (circa il 75% del deposito totale);
  • glicogeno intramiofibrillare, situato all'interno delle miofibrille e più spesso nella banda I del sarcomero;
  • glicogeno subsarcolemmale, situato sotto il sarcolemma e principalmente accanto a mitocondri, lipidi e nuclei.

Il glicogeno è un combustibile essenziale durante l'esercizio. Già negli anni '60 è stata trovata una forte correlazione tra il contenuto di glicogeno muscolare e la resistenza all'esercizio. Quando le riserve di glicogeno sono limitate, l'esercizio non può continuare. L'ossidazione di glicogeno è una fonte importante per la rigenerazione dell'ATP durante l'esercizio prolungato (>1 h) e l'esercizio intermittente ad alta intensità.

Inoltre, il glicogeno può essere importante perché produce intermedi del ciclo dell'acido tricarbossilico, contribuendo così al mantenimento del metabolismo ossidativo.

È stato riportato che contrazione e rilassamento sono influenzati dai livelli di glicogeno. Basso glicogeno muscolare e/o l'energia derivata dal glicolitico sono associati a un ridotto rilascio di Ca2+ nel SR, ricaptazione e funzione della pompa di Na+/K+.

Tuttavia, il modo in cui l'esaurimento del glicogeno influisce sulla serie di eventi e, alla fine, si traduce in affaticamento non è del tutto chiaro.

Fattori metabolici

Le contrazioni muscolari attivano le ATPasi e promuovono la glicolisi, portando così ad un aumento dei metaboliti intracellulari, come H+, lattato, Pi e ROS, che contribuiscono ai cambiamenti nell'attività dei ponti incrociati.

È da tempo convinzione comune che gli H+ abbiano un ruolo nello sviluppo dell'affaticamento muscolare.

La glicolisi porta alla produzione di piruvato, che alimenta il ciclo TCA per l'ossidazione. Se la produzione di piruvato supera la sua ossidazione, il piruvato in eccesso viene convertito in acido lattico, che si dissocia in lattato e H+.

L'accumulo di H+ abbassa il pH, interferendo così potenzialmente con il rilascio di Ca2+ SR, la sensibilità della troponina C al Ca2+ e il ciclo dei ponti trasversali e con conseguente diminuzione della forza muscolare.

Tuttavia, il ruolo della diminuzione del pH come causa importante di affaticamento è ora messo in discussione. Diversi studi recenti hanno dimostrato che la diminuzione del pH può avere scarso effetto sulla contrazione nel muscolo dei mammiferi a temperature fisiologiche. Inoltre, vi è una mancanza di associazione tra i cambiamenti di pH e MVC durante l'esercizio affaticante e nel recupero negli esseri umani.

Oltre all'acidosi, il metabolismo anaerobico nel muscolo scheletrico coinvolge anche l'idrolisi della creatina fosfato (CrP) a creatina e Pi. La concentrazione di Pi può aumentare rapidamente da circa 5–30 mM durante l'affaticamento intenso. La creatina ha scarso effetto sulla funzione contrattile, mentre il Pi, piuttosto che l'acidosi da H+, sembra essere la causa più importante di affaticamento durante l'esercizio ad alta intensità.

La respirazione mitocondriale produce ATP e consuma O2, un processo che genera ROS. I ROS più importanti includono superossido (O2•−), perossido di idrogeno (H2O2) e radicali idrossilici (OH•).

All'aumentare dell'intensità del lavoro, aumenta la produzione di ROS.

La prova più convincente che i ROS contribuiscono all'affaticamento viene da esperimenti che dimostrano che il pretrattamento del muscolo intatto con ROS attenua significativamente lo sviluppo dell'affaticamento.

I ROS influenzano l'affaticamento muscolare principalmente attraverso l'ossidazione delle proteine cellulari come la pompa Na+–K+, i miofilamenti, DHPR e RyR1, portando così all'inibizione del rilascio di Ca2+ SR e della sensibilità miofibrillare di Ca2+. Inoltre, i ROS attivano le afferenze muscolari del gruppo IV51 e inibiscono direttamente i motoneuroni

Altri metaboliti con probabili ruoli nella fatica includono ATP, ADP, PCr e Mg.

Ad esempio, l'ADP muscolare aumenta con un'intensa attività contrattile. L'ADP diminuisce la velocità della fibra ma aumenta la forza. Tuttavia, il ruolo più importante dell'ADP nell'indurre la fatica sembra essere correlato all'inibizione della pompa SR Ca2+ e ai conseguenti disturbi nell'ECC, piuttosto che agli effetti diretti sul cross-bridge.

Reazioni alla fatica

L'organismo ha diversi livelli di risposte adattative allo stress da fatica, come il sistema nervoso centrale, il sistema nervoso simpatico, il sistema endocrino (asse ipotalamo-ipofisi-surrene, asse HPA) e il sistema immunitario innato (ovvero citochine non specifiche, sistema del complemento e cellule natural killer).

Molti reagenti della fatica, come cortisolo, catecolamine, IL-6 e HSP, possono avere un ruolo nella funzione muscolare.

Gli HSP sono coinvolti nell'adattamento allo stress da fatica. All'interno della famiglia delle HSP, la proteina HSP25 è abbondantemente espressa nel muscolo scheletrico e aumenta con l'attività contrattile muscolare.

È interessante notare che Jammes et al. abbiano riferito che una diffusa risposta HSP25 alla fatica in un singolo muscolo degli arti posteriori è responsabile di una risposta adattativa globale allo stress localizzato acuto. Hanno dimostrato che le afferenze muscolari del gruppo III e IV svolgono un ruolo importante nella risposta p-HSP25 indotta dalla fatica. Inoltre, è stato riportato che l'HSP25 del muscolo scheletrico stabilizza la struttura muscolare e ripara le proteine muscolari danneggiate, così come diminuisce l'apoptosi nel muscolo in coltura inibendo la via di morte cellulare apoptotica intrinseca ed estrinseca.

L'orosomucoide (ORM) è una proteina della fase acuta, con un pI molto basso (2,8-3,8) e un contenuto di carboidrati molto elevato (45%).

È sintetizzato prevalentemente nel fegato e molti tessuti extra-epatici lo producono sotto stress fisiologico e patologico.

Gli studi hanno scoperto che l'espressione di ORM è marcatamente aumentata nel siero, nel fegato e nel muscolo scheletrico in risposta a varie forme di affaticamento, tra cui la privazione del sonno, il nuoto e la corsa su tapis roulant.

È interessante notare che l'ORM esogeno aumenta il glicogeno muscolare e migliora la resistenza muscolare, mentre la carenza di ORM si traduce in una diminuzione della resistenza muscolare, indicando così che l'ORM è una proteina anti-fatica endogena.

Ulteriori studi hanno dimostrato che l'ORM si lega al recettore delle chemochine C-C di tipo 5 (CCR5) sulle cellule muscolari e attiva l'AMPK, promuovendo così l'accumulo di glicogeno, migliorando la resistenza muscolare e rappresentando un meccanismo di feedback positivo per resistere alla fatica mantenendo l'omeostasi.

La modulazione del livello di segnalazione ORM e CCR5 può essere una nuova strategia per la gestione dell'affaticamento muscolare.

Tecniche non invasive per la valutazione delle sedi di fatica muscolare

L'affaticamento muscolare si manifesta in modo più naturale nell'organismo sano.

Le tecniche non invasive di stimolazione sito-specifica possono valutare i potenziali siti di interesse.

Tutte le risposte muscolari evocate sono registrate tramite elettromiografia (EMG) posizionata sul muscolo.

Stimolazione magnetica transcranica

La stimolazione magnetica transcranica comporta l'applicazione di stimolazione magnetica alla corteccia motoria ed è ottimizzata per attivare il muscolo di interesse. La risposta muscolare indotta dalla stimolazione registrata dall'EMG è nota come potenziale evocato motorio (MEP). Il MEP è influenzato non solo dall'eccitabilità corticale, ma anche dall'eccitabilità dei motoneuroni del midollo spinale e da fattori muscolari. La depressione MEP può verificarsi nel muscolo rilassato dopo un esercizio faticoso, probabilmente come risultato di input afferenti dal muscolo affaticato. La MEP è aumentata nei muscoli degli arti superiori e inferiori durante le contrazioni isometriche submassimali sostenute ed è considerata come un aumento della spinta centrale al pool di motoneuroni inferiori che consente di mantenere un livello costante di forza nonostante lo sviluppo dell'affaticamento periferico. Durante MVC sostenuto, è stato riportato che il MEP aumenta durante i primi secondi e poi si stabilizza, aumenta linearmente o rimane stabile, a seconda del protocollo utilizzato (cioè continuo o intermittente) e del muscolo esaminato.

Stimolazione elettrica della regione cervico-midollare

La stimolazione elettrica nella regione cervicomidollare mira ad attivare il tratto corticospinale a livello sottocorticale, eliminando così i contributi corticali alla risposta muscolare evocata. La risposta muscolare registrata dall'EMG è nota come potenziale evocato motorio cervicomidollare (CMEP). Il confronto tra MEP e CMEP è utile per la localizzazione dell'eccitabilità a livello corticale o sottocorticale. Durante un MVC sostenuto del 30% dei flessori plantari, sono stati riportati un grande aumento del MEP e solo un leggero aumento del CMEP, suggerendo così un piccolo contributo dei fattori spinali all'aumento dell'eccitabilità corticospinale durante le contrazioni da affaticamento submassimali. Al contrario, durante il 50% di MVC dei flessori del gomito fino al fallimento del compito, è stata trovata una cinetica MEP e CMEP simile, indicando così che i cambiamenti centrali si verificano quasi interamente a livello spinale.

Stimolazione elettrica a bassa intensità del nervo periferico

La stimolazione elettrica a bassa intensità del nervo periferico attiva preferenzialmente le fibre sensoriali Ia, rispetto alle sinapsi con l'α-motoneurone nel midollo spinale. Il segnale viene quindi trasportato lungo i motoneuroni fino al muscolo, generando una risposta nel muscolo nota come riflesso di Hoffmann (riflesso H). Il riflesso H viene utilizzato per valutare l'eccitabilità e l'inibizione spinale. Sebbene ci siano diversi aumenti o nessun cambiamento, si nota un declino complessivo dell'ampiezza del riflesso H con lo sviluppo dell'affaticamento muscolare, indicando così una diminuzione dell'eccitabilità spinale. Il tasso e il grado di diminuzione dell'ampiezza del riflesso H sembra dipendere dal tipo di compito faticoso.

Stimolazione elettrica ad alta intensità del nervo periferico

La stimolazione ad alta intensità del nervo periferico attiva direttamente il motoneurone α, evocando una risposta motoria (onda m) dal muscolo. L'onda-m è un potenziale d'azione composto registrato con l'EMG di superficie e viene utilizzato per valutare l'eccitabilità periferica della membrana muscolare e la trasmissione alla giunzione neuromuscolare. Un cambiamento nella forza di contrazione senza un cambiamento nell'onda m indica un fallimento dell'accoppiamento eccitazione-contrazione.

Contrazioni faticose di breve durata (~20 s) inducono un aumento dell'ampiezza e dell'area dell'onda-m. Una contrazione massimale sostenuta più a lungo (4 minuti) non induce cambiamenti nell'ampiezza dell'onda-m e un significativo declino dell'attivazione centrale, suggerendo così che i fattori centrali che contribuiscono alla fatica possono verificarsi in assenza di un cambiamento periferico nell'eccitabilità della membrana. Tuttavia, contrazioni di maggiore durata che inducono affaticamento (~ 17 min) possono anche indurre un declino dell'eccitabilità della membrana muscolare e della dimensione dell'onda-m.

Biomarcatore per la diagnosi di affaticamento muscolare

Al momento, non ci sono ancora fattori specifici che siano stati costantemente associati a un particolare tipo di affaticamento. I tipi di esercizio (ad esempio, aerobico/anaerobico, a breve o lungo termine), il tipo di contrazione (ad esempio, incrementale/costante, isometrico/non isometrico, concentrico/eccentrico) e il grado e la durata della fatica influiscono tutti sul profilo del biomarcatore. In base al meccanismo e ai cambiamenti metabolici durante l'affaticamento muscolare, sono state determinate tre categorie di biomarcatori:

  1. biomarcatori del metabolismo dell'ATP, come lattato, ammoniaca e ipoxantina;
  2. biomarcatori dello stress ossidativo (ROS), come la perossidazione lipidica, la perossidazione proteica e la capacità antiossidante;
  3. biomarcatori infiammatori, come TNF-α, leucociti e interleuchine.

Biomarcatori del metabolismo dell'ATP

I biomarcatori più noti dell'affaticamento muscolare dovuto al metabolismo dell'ATP includono lattato, ammoniaca e ipoxantina. Il lattato e l'ammoniaca sono solitamente determinati nel siero. L'ipoxantina viene solitamente analizzata nel siero o nelle urine.

Il lattato sierico aumenta con l'intensità dell'esercizio in soggetti sani e malati. Tuttavia, il lattato sierico non sembra essere correlato all'età, al sesso e alla forma fisica. Nelle condizioni di standardizzazione del carico di lavoro, il lattato sierico sembra essere un promettente biomarker dell'affaticamento muscolare.

L'ammoniaca sierica segue da vicino la risposta del lattato durante l'esercizio e aumenta durante l'esercizio. L'ammoniaca sierica non è associata all'età e rimane bassa nella forma fisica, ma è più alta negli uomini che nelle donne. L'ipoxantina sierica aumenta significativamente subito dopo l'esercizio. Esiste una differenza di sesso ma mancano dati affidabili sull'età o sulla fitness-dipendenza dall'ipoxantina sierica.

Biomarcatori dello stress ossidativo

Le specie reattive dell'ossigeno (ROS) rimangono a un livello basso nel muscolo scheletrico a riposo, ma aumentano in risposta all'attività contrattile. I prodotti ROS portano all'ossidazione delle proteine, dei lipidi o degli acidi nucleici accompagnata da una marcata diminuzione della capacità antiossidante, inducendo così alla fine l'affaticamento. I biomarcatori promettenti per valutare il danno ossidativo nell'affaticamento muscolare includono i biomarcatori della perossidazione lipidica (ovvero le sostanze reattive all'acido tiobarbiturico TBARS e gli isoprostani) e i biomarcatori dell'ossidazione delle proteine (ovvero i carbonili proteici PC). I biomarcatori per valutare la capacità antiossidante includono glutatione (GSH), glutatione perossidasi (GPX), catalasi e capacità antiossidante totale (TAC).

I TBARS sono indicatori di perossidazione lipidica e stress ossidativo, che si formano durante la decomposizione dei prodotti di perossidazione lipidica che reagiscono con l'acido tiobarbiturico e formano un addotto rosso fluorescente. Gli isoprostani sono composti simili alle prostaglandine derivati dalla perossidazione degli acidi grassi essenziali catalizzata dai ROS. Le PC derivano principalmente dall'ossidazione dell'albumina o di altre proteine sieriche e sono considerate marcatori di danno proteico ossidativo. Il GSH è uno pseudotripeptide presente in quasi tutte le cellule e svolge un ruolo importante nello scavenging dei ROS. GPX e catalasi sono entrambi enzimi che eliminano il perossido di idrogeno in acqua e ossigeno. Il TAC è definito come la somma delle attività antiossidanti del pool aspecifico di antiossidanti.

TBARS, PC, catalasi e TAC sono generalmente determinati nel siero, ma i TBARS sono rilevabili anche nella saliva. Gli isoprostani vengono solitamente misurati nel siero, nelle urine o in altri fluidi corporei e cellule del sangue. GSH e GPX sono presenti nelle cellule e sono rilevabili nel siero e nella saliva. Con l'aumentare dell'intensità dell'esercizio, i livelli di TBARS, isoprostani, PC, catalasi, TAC e GPX aumentano tutti e quello di GSH diminuisce. Con l'età, i livelli di TBARS, isoprostani e TAC aumentano, quelli di GSH, GPX e catalasi diminuiscono, e le variazioni di PC rimangono controverse. Con l'idoneità fisica, i livelli di TBARS, PC, GSH e GPX aumentano, mentre le variazioni di catalasi, PC e TAC mancano ancora di dati definiti. È stato riportato che i livelli di TBARS, isoprostani, PC, catalasi e TAC sono inferiori nelle femmine rispetto ai maschi, mentre i livelli di GSH e GPX mostrano una tendenza opposta.

Biomarcatori infiammatori

Oltre all'esaurimento della produzione di ATP e ROS, anche l'esercizio e l'affaticamento inducono una reazione infiammatoria locale o sistemica. Biomarcatori promettenti per valutare l'infiammazione nell'affaticamento muscolare sono: leucociti, IL-6 e TNF-α.

I linfociti T, in particolare i linfociti CD4+ e CD8+, vengono mobilizzati dai compartimenti linfoidi periferici nel sangue dopo l'esercizio. Inoltre, i neutrofili mostrano un aumento significativo subito dopo l'esercizio. Questi cambiamenti rappresentano una risposta immunitaria aspecifica indotta dall'ischemia in un tessuto stressato, mentre manca una vera lesione. IL-6, agendo come un'importante citochina pro-infiammatoria (monociti e macrofagi), è ora considerata di miochine rilasciate dal muscolo in risposta alle contrazioni. Anche i livelli di TNF-α, prodotto prevalentemente dai macrofagi, aumentano a causa dell'affaticamento muscolare. Generalmente, i livelli di IL-6 e TNF-α sono determinati nel siero. I livelli di IL-6 possono essere determinati anche nella saliva.

Con l'età, il cambiamento nelle cellule T che esprimono CD8 rimane controverso, mentre il cambiamento nell'IL-6 è indipendente dall'età. Le differenze di sesso nelle risposte immunitarie delle cellule T sono particolarmente evidenti nella malattia del trapianto contro l'ospite, con un effetto più forte nelle femmine, e anche i livelli di IL-6 sono marcatamente più bassi nelle femmine. I livelli di TNF-α sembrano essere indipendenti dall'età, sesso e condizione fisica.

Esistono ancora molti potenziali biomarcatori immunologici, tra cui proteina C-reattiva (CRP), IL-8, IL-10, IL-15, HSP27, HSP70, DNA plasmatico e orosomucoide (ORM). Ad esempio, IL -15 si è accumulato all'interno del muscolo dopo un allenamento regolare. L'ORM, una proteina della fase acuta con attività immunomodulante, aumenta significativamente nei tessuti sierici, muscolari ed epatici in risposta a varie forme di affaticamento muscolare nei roditori. Naturalmente, ci sono ancora diversi biomarcatori che non sono adatti per la diagnosi di affaticamento muscolare, come elastasi, IL-1β e complemento C4a, perché le loro concentrazioni non cambiano sostanzialmente dopo l'esercizio.

Potenziali trattamenti per la fatica muscolare

L'esercizio improprio, il combattimento prolungato, l'addestramento militare e alcune malattie correlate (ad esempio, cancro e ictus) possono causare affaticamento muscolare, che influisce negativamente sui risultati atletici, sulla capacità di combattimento militare e sul recupero del paziente.

Al momento, non esistono ancora raccomandazioni ufficiali o semiufficiali per il trattamento dell'affaticamento muscolare.

Tuttavia, alcuni trattamenti non specifici, come prodotti sintetici (ad esempio anfetamine e caffeina), prodotti naturali (ad esempio ginseng americano e rhodiola rosea) e integratori alimentari (ad esempio vitamine e minerali e creatina), sono stati utilizzati sia clinicamente che sperimentalmente, e hanno mostrato alcuni effetti in vari studi.

Prodotti sintetici

L'anfetamina, l'efedrina, la caffeina, ad esempio, sono prodotti sintetici che eccitano il sistema nervoso centrale o il sistema nervoso simpatico e promuovono la resistenza all'affaticamento muscolare.

Quasi la metà dell'abuso di stimolanti nello sport riguarda anfetamine ed efedrina, come riportato dalla WADA (Agenzia mondiale antidoping) nel 2005.

L'uso di anfetamine, derivati delle anfetamine, propanolamina ed efedrina rimane illegale nelle competizioni. Tuttavia, la caffeina e la pseudoefedrina sono state accettate a qualsiasi livello dal 2004.

Anfetamina

È uno stimolante e antidepressivo di tipo fenetilammina che crea dipendenza e produce euforia e umore elevato.

L'anfetamina a dosi da basse a moderate migliora le prestazioni fisiche degli esseri umani e degli animali. Tuttavia, il meccanismo sottostante rimane in gran parte sconosciuto. L'alta temperatura corporea è uno dei segnali di esaurimento più forti. Recentemente, Morozova ha riferito che l'anfetamina può mascherare o ritardare l'affaticamento nei ratti rallentando l'aumento indotto dall'esercizio della temperatura corporea interna. Sebbene l'uso di anfetamine sia proibito durante le competizioni, può essere utilizzato in altre situazioni, come in combattimento, per migliorare le prestazioni ritardando l'esaurimento.

Caffeina

L'uso della caffeina come droga per potenziare le attività sportive è documentato.

Il consumo di dosi elevate di caffeina migliora le prestazioni durante periodi prolungati di esercizio. In effetti, gli effetti di miglioramento delle prestazioni della caffeina sono stati descritti sia per esercizi aerobici prolungati che per attività prolungate che comportano resistenza.

Gli effetti della caffeina su brevi periodi di intensa attività aerobica (5-30 minuti) è stato segnalato per essere significativamente benefico, ma i suoi effetti sull'esercizio anaerobico brevissimo, ad esempio gli sprint, sono inconcludenti.

Meccanicamente, è stato riportato che la caffeina aumenta la risposta di adrenalina e norepinefrina associata all'esercizio. Inoltre, la caffeina potenzia la contrattilità muscolare attraverso l'induzione del rilascio di calcio SR, l'inibizione degli isoenzimi della fosfodiesterasi, l'inibizione degli enzimi della glicogeno fosforilasi e la stimolazione della pompa sodio/potassio.

Altri

Ulteriori stimolanti simpaticomimetici, come l'efedrina, la pseudoefedrina e la fenilpropanolamina, sono molto meno potenti delle anfetamine nel migliorare le prestazioni.

Inoltre, la taltirelina, un analogo sintetico dell'ormone di rilascio della tireotropina (TRH), migliora efficacemente l'attività sportiva.

La cocaina, che provoca una rapida risposta simpatica, aumenta significativamente la resistenza durante l'esercizio ad alta intensità.

Il modafinil, un nuovo tipo di droga che agisce su il sistema nervoso centrale e mantiene svegli i soggetti, prolunga notevolmente il tempo di esercizio fino all'esaurimento ed è stato ampiamente utilizzato in guerra per consentire alle persone di resistere alla fatica.

I derivati della benzammide, come la 1-(1,3-benzodioxol-5-ilcarbonil) piperidina (1-BCP), prolungano significativamente il tempo del nuoto nei topi, attraverso un meccanismo poco chiaro.

Prodotti naturali

Più della metà dei farmaci introdotti nel mondo derivano o si ispirano a prodotti naturali. Negli ultimi decenni, studiosi di salute e fisiologi atletici hanno cercato prodotti naturali in grado di migliorare le capacità atletiche e resistere o eliminare la fatica negli esseri umani. Ora, sempre più prodotti naturali e i loro estratti si sono rivelati come agenti potenzialmente anti-fatica.

Specie di ginseng Araliaceae

Il ginseng americano, il panax ginseng C. A. Meyer e il radix notoginseng appartengono tutti alle specie di ginseng Araliaceae.

Il ginseng americano è la radice del Panax quinquefolium, attualmente coltivato in Canada e negli Stati Uniti orientali. Panax ginseng C.A. Mayer. (ginseng) è un'erba cinese commestibile e medicinale che viene spesso utilizzata nei paesi asiatici. Panax notoginseng (Burk.) F.H. Chen è coltivato in tutto il sud-ovest della Cina, Birmania e Nepal. La radice, una parte comunemente usata di questa pianta, è chiamata radix notoginseng o Sanchi.

Tutti contengono molteplici componenti attivi, come saponine, polisaccaridi, flavonoidi, vitamine e microelementi, che sono responsabili degli effetti nel miglioramento della fatica fisica nell'uomo e negli animali.

Ad esempio, le saponine o le proteine estratte dal ginseng americano allungano significativamente il tempo di nuoto nei topi aumentando i livelli di glicogeno epatico e glicogeno muscolare.

È stata riportata una marcata attività anti-fatica nei topi che nuotano o provano ad afferrare. Un particolare tipo di ginseng, il ginseng rosso, ha dimostrato di avere un effetto positivo sulle prestazioni sportive in 11 volontari che intraprendono esercizi anaerobici ripetitivi.

Molteplici meccanismi sono coinvolti negli effetti anti-affaticamento del panax ginseng C. A. Meyer, incluso il potenziamento dell'attività della lattato deidrogenasi (LDH), l'aumento dei livelli di glicogeno epatico, il ritardo dell'accumulo di azoto ureico sierico (SUN) e l'acido lattico nel sangue (BLA), l'inibizione dell'attività ossidativa stress e migliorare la funzione mitocondriale nei muscoli scheletrici.

Per quanto riguarda il panax notoginseng, è stato riportato che una singola dose migliora la capacità aerobica, la resistenza e la pressione arteriosa media (MAP) nei giovani adulti.

È stato riscontrato che le saponine totali estratte dal panax notoginseng, i principali ingredienti attivi, prolungano il tempo di nuoto completo di topi, ritardano l'aumento del lattato nel sangue e aumentano il contenuto di glicogeno nei tessuti.

Rhodiola rosea

La Rhodiola rosea (R. rosea), appartenente alla famiglia delle Crassulaceae e al genere Rhodiola, è una pianta comunemente usata nella medicina popolare dell'Europa orientale e della Cina.

È anche una risorsa importante contro la fatica. I principi attivi della rhodiola rosea includono salidroside e rosavin.

Il rosavin è l'unico costituente unico di R. rosea del genere Rhodiola e il salidroside è comune alla maggior parte delle altre specie di Rhodiola. Il rapporto naturale tra rosavine e salidrosidi in R. rosea è di circa 3:1.

Il salidroside è stato identificato come il principale ingrediente anti-fatica nella Rhodiola rosea.

È stato riscontrato che l'assunzione acuta di Rhodiola rosea contenente il 3% di rosavina+ 1% di salidroside più 500 mg di amido migliora la capacità di esercizio di resistenza in giovani volontari sani. e siero lattato deidrogenasi nei topi.

Aglio

L'aglio (Allium sativum) è un'erba usata principalmente come alimento in molti paesi.

L'aglio veniva somministrato a soldati e atleti come tonico nell'antica Roma.

Recentemente, molti ricercatori hanno riportato l'effetto anti-fatica dell'aglio, ma metodi di lavorazione dell'aglio influenzano gli effetti.

I principali metodi di lavorazione dell'aglio crudo possono essere classificati come:

  1. produzione in polvere, ottenuto dopo l'essiccazione dell'aglio crudo;
  2. produzione di olio d'aglio, distillato mediante cottura a vapore di aglio crudo;
  3. produzione di macerato d'olio, estratto dall'aglio crudo con olio vegetale;
  4. produzione di estratto di aglio invecchiato (AGE).

Ushijima et al. hanno esaminato l'effetto del succo d'aglio crudo, del succo d'aglio riscaldato, dell'aglio disidratato in polvere e dell'età sulla forza fisica e sul recupero dalla fatica. Hanno scoperto che l'aglio crudo prolungano il tempo di funzionamento del tapis roulant dei topi e migliorano la velocità di recupero della temperatura rettale dopo l'immersione in acqua fredda.

Questi effetti sono correlati al miglioramento della circolazione periferica, ad un'azione antistress e al miglioramento della nutrizione.

Recentemente, studi clinici hanno rivelato molte scoperte interessanti. Verma et al. hanno studiato gli effetti dell'olio d'aglio sulle prestazioni cardiache e sulla tolleranza all'esercizio in 30 pazienti con malattia coronarica. Dopo un primo stress test su tapis roulant, ai soggetti è stato somministrato olio all'aglio per 6 settimane e gli stress test su tapis roulant sono stati ripetuti. Rispetto al test iniziale, l'aglio ha ridotto significativamente la frequenza cardiaca al picco dell'esercizio e il carico di lavoro sul cuore, portando così a una migliore tolleranza all'esercizio.

Altri

Migliorare il metabolismo energetico aiuta efficacemente a migliorare la capacità di esercizio.

È stato riportato che l'igname cinese e il fructus aurantii migliorano il glicogeno muscolare, il glicogeno epatico e altri indicatori.

È stato riportato che un numero crescente di prodotti naturali e dei loro componenti attivi ha alcuni effetti curativi contro l'affaticamento fisico, come la radice di ofiopogon, l'astragalo, Wolfberry cinese, caltrop, Acanthopanax giraldii, Cordyceps sinensis, Ganoderma lucidum, eucommia, Ginkgo biloba, radix paeoniae alba, gynostemma, acanthopanax, angelica, radix rehmanniae e radix polygoni multiflori.

Tuttavia, la maggior parte di essi richiede ancora studi approfonditi per determinare i loro effetti e meccanismi anti-fatica.

Supplementi nutrizionali

Sono stati identificati diversi fattori nutrizionali che possono limitare la prestazione fisica, portando così all'uso diffuso di strategie di supplemento.

L'integrazione nutrizionale è considerata legale dal Comitato Olimpico Internazionale (CIO) e, pertanto, ha guadagnato popolarità come mezzo per migliorare le prestazioni.

Gli integratori alimentari possono essere raggruppati in:

I prodotti più comunemente utilizzati sono le bevande sportive e gli integratori vitaminici/minerali, seguiti da integratori di creatina e proteine.

Vitamine e minerali

Nonostante la loro relativa scarsità nella dieta e nel corpo, le vitamine ei minerali sono regolatori chiave della salute e della funzione, comprese le prestazioni lavorative.

Non sono fonti dirette di energia ma facilitano il metabolismo energetico.

Le vitamine idrosolubili includono vitamine del gruppo B (tiamina, riboflavina, niacina, piridossina, acido folico, biotina, acido pantotenico, vitamina B12 e colina) e vitamina C.

Le vitamine liposolubili includono vitamina A, D, E e K. Vitamina A, C ed E sono anche antiossidanti.

Dodici minerali sono designati nutrienti essenziali. Magnesio, ferro, zinco, rame e cromo hanno il potenziale per influenzare le prestazioni fisiche.

I ricercatori hanno dimostrato che le carenze di vitamine e minerali possono provocare una riduzione delle prestazioni fisiche e la loro integrazione migliora le prestazioni fisiche nelle persone con carenze preesistenti. Ad esempio, una grave privazione di folato e vitamina B12 provoca anemia e riduce le prestazioni lavorative di resistenza. L'integrazione di ferro migliora la resistenza alla fatica progressiva nelle donne non anemiche e con deplezione di ferro.

Tuttavia, l'uso di integratori vitaminici e minerali non sembra migliorare le prestazioni nelle persone che seguono una dieta adeguata. L'ntegrazione alimentare negli atleti presso l'Australian Institute of Sport fino a 8 mesi, comprese le vitamine B1, B2 (riboflavina), B6, B12, C, E, A, acido folico e rame, magnesio, zinco, calcio, fosforo e alluminio, non è stato riscontrato che migliori le prestazioni atletiche.

Olio di pesce

L'olio di pesce, un integratore alimentare, ha dimostrato di avere effetti benefici sulle prestazioni.

L'olio di pesce è ricco di acidi grassi omega-3, in particolare acido docosaesaenoico (DHA) e acido eicosapentaenoico (EPA), che hanno dimostrato di migliorare l'efficienza energetica cardiaca, il metabolismo dei grassi e le risposte immunomodulatorie.

È stato riscontrato che il consumo di olio di pesce (contenente 1050 mg EPA+750 mg DHA) per 3 settimane in 20 soggetti sani riduce la percentuale di grasso corporeo e migliora la prestazione fisica e il recupero fisiologico dopo l'esercizio.

Creatina

La creatina (Cr), un composto contenente azoto sintetizzato nel corpo da glicina, arginina e metionina, si trova anche nella dieta, principalmente nella carne rossa, nel pesce e nei frutti di mare.

Il sistema creatina/fosforilcreatina può fornire energia quando il tasso di utilizzo dell'ATP è superiore al tasso di produzione della respirazione mitocondriale, mantenendo così l'omeostasi dell'ATP.

Introdotta al grande pubblico all'inizio degli anni '90, la creatina è diventata uno degli integratori nutrizionali o coadiuvanti ergogenici, ed è stato costantemente dimostrato che aumenta le prestazioni nell'esercizio intermittente ad alta intensità.

La creatina è considerata legale dal Comitato Olimpico Internazionale. Pertanto, l'integrazione di creatina è una potenziale strategia ergogenica per migliorare la resistenza muscolare.

Red bull

La bevanda Red Bull contiene una miscela di carboidrati, taurina, glucuronolattone, vitamina B e caffeina, ed è una bevanda energetica di uso comune.

Diversi piccoli studi hanno riportato che il consumo di carboidrati e caffeina migliora le prestazioni aerobiche e anaerobiche così come le funzioni cognitive come la concentrazione, la vigilanza e il tempo di reazione.

È stato ipotizzato che gli effetti provengano dalla modulazione dei recettori adenosinergici da parte della caffeina e della taurina.

Altri

a carnitina svolge un ruolo essenziale nell'ossidazione degli acidi grassi nei muscoli. Tuttavia, mancano prove certe riguardo al suo ruolo benefico nelle prestazioni come integratore.

Gli integratori proteici si sono dimostrati inefficaci tranne in rari casi in cui l'assunzione di proteine nella dieta è inadeguata.

Anche i singoli aminoacidi, in particolare l'ornitina, l'arginina e la glutammina, sono comunemente usati come integratori. Tuttavia, i loro effetti sulle prestazioni non sono supportati da prove documentate.

È stato riportato che l'ORM della proteina di fase acuta migliora la resistenza muscolare dopo l'iniezione venosa o intraperitoneale nei roditori, ma non è conveniente per l'integrazione giornaliera.

In teoria, l'uso di vitamine antiossidanti e glutammina durante i periodi di allenamento intensivo dovrebbe essere vantaggioso, ma sono ancora necessarie ulteriori prove prima che vengano raccomandati come integratori.

Conclusioni

La produzione di forza muscolare coinvolge una sequenza di eventi, che si estende dall'eccitazione corticale all'attivazione dell'unità motoria fino all'accoppiamento eccitazione-contrazione, e infine porta all'attivazione muscolare.

I cambiamenti a qualsiasi livello in questo percorso, compresi i cambiamenti nei sistemi nervoso, ionico, vascolare ed energetico, compromettono la generazione di forza e contribuiscono allo sviluppo dell'affaticamento muscolare.

Anche i fattori metabolici e i reagenti della fatica, come H+, lattato, Pi, ADP, ROS, HSP25 e ORM, influiscono sull'affaticamento muscolare.

La stimolazione specifica del sito tramite tecniche non invasive fornisce un metodo per ottenere informazioni sistemiche sul processo di affaticamento in condizioni fisiologiche.

Sebbene vi sia una mancanza di consenso, è stata osservata una distribuzione specifica per sesso ed età nell'affaticamento muscolare, in cui bambini, anziani e maschi sono più resistenti alla fatica rispetto agli adulti e alle femmine.

I biomarcatori del metabolismo dell'ATP, dello stress ossidativo e delle reazioni infiammatorie sono utili per la diagnosi dell'affaticamento muscolare.

Nonostante la mancanza di raccomandazioni ufficiali o semi-ufficiali, è stato segnalato che l'affaticamento muscolare è migliorato da alcuni trattamenti non specifici, inclusi farmaci stimolanti il SNC, prodotti naturali e integratori alimentari.

Devono ancora essere esplorati molti altri potenziali meccanismi, biomarcatori, bersagli e farmaci correlati per l'affaticamento muscolare, come ad esempio l'ORM.

Autore

Dott. Riccardo Borgacci

Dott. Riccardo Borgacci

Dietista e Scienziato Motorio
Laureato in Scienze motorie e in Dietistica, esercita in libera professione attività di tipo ambulatoriale come dietista e personal trainer