Effect of Hypertrophy Training at Moderate Altitude on the Modulation of the Stress Response and its relationship with Health

Abstract

Resistance training (RT) is critical in maintaining and enhancing muscle health. Muscle health is defined as the overall well-being and functionality of skeletal muscles, which relies largely on muscle quantity and quality. RT stimulates muscle growth and improves strength, which are essential for functional mobility and metabolic health. In recent decades, the combination of RT with hypoxic environments has attracted considerable interest from the scientific community due to its potential benefit on muscular strength, power, and hypertrophy. Altitude exposure enhances the metabolic and stress responses, potentially amplifying training adaptations beyond those at normoxia (N). However, there is no consensus on the beneficial influence of RT under hypobaric hypoxic (HH) conditions on muscle health parameters. Three independent studies were carried out to examine the acute and chronic effect of an 8-week RT program performed under moderate terrestrial HH (2320 m asl) on functional, biological and structural responses compared with the same program in N (< 700 m asl) condition. In the first study, a cross-sectional design with two independent controlled groups and intra-/inter-group measurements was used to analyse the acute effect of a single traditional hypertrophy training session on metabolic stress, inflammation, antioxidant capacity and muscle atrophy biomarkers. Twenty healthy volunteers allocated to the N or moderate HH group participated in this study. Before the exercise session and within 30 minutes afterwards (3 × 10 reps, 90 s rest, 70% 1RM), venous blood samples were taken and analysed for circulating calcium (Ca2+), inorganic phosphate (Pi), cytokines (IL- 6, IL-10 and TNF-α), total antioxidant capacity (TAC) and myostatin. The main results displayed a marked inflammatory response in the HH group while maintaining the pro- and anti-inflammatory balance (TNF-α and IL-10 [ES > 1.10; p < 0.05]). No clear impact was observed for RT under acute HH on the metabolic, TAC and muscle atrophy biomarkers. Two longitudinal studies (studies 2 and 3) aimed to analyse the combined effect of an 8-week RT program in intermittent HH exposure: study 2 on the thickness of subcutaneous adipose tissue (SAT) and circulating metabolic-related cytokines; study 3 on circulating exercise-induced stress and inflammatory biomarkers under N and moderate HH conditions and its impact on explosive and maximal strength for the same program in N. Twenty trained men completed an 8-week RT program comprised of 3 sessions/week (full body routine of 6 exercises; 3 sets x 6-12 repetitions, 65-80% 1RM and 90 s rest) under intermittent terrestrial HH or N conditions. Before, at week 6, and after the RT, SAT, and vastus lateralis (VL) muscle thickness were measured. Blood samples were taken to analyse circulating cytokines (IL-6, IL-15, irisin, TNF-α, IL- 10, heat shock protein 70 (HSP70) and myostatin), stress biomarkers (Ca2+, Pi, creatine kinase (CK)), and TAC) by multiplex immunoassay before the exercise session and within 30 minutes afterwards after the first (S1) and last (S22) training session of the period. One-repetition maximum (1RM) in back squat and squat jump (SJ) tests were also evaluated before and after the RT program. HH group exhibited increased 1RM and SJ performance (ES > 0.99; p < 0.05) for N following the RT. Despite muscle growth was similar between conditions, the SAT was reduced (−17.69%; p < 0.001) in the HH group. Hypoxia condition explained ~50% of SAT variance (p < 0.001). Following the RT, moderate reductions were observed in IL-6 and irisin in HH (ES < −0.64; p < 0.05). Additionally, RT in HH promoted serum IL-15 release (ES = 0.890; p = 0.062). Circulating levels of IL-10 and TNF-α showed a similar and faster increase in HH (ES > 1.349; p < 0.003) compared to N, returning to baseline after the RT program. Serum HSP70 in HH revealed a similar trend, although ultimately, it remained more elevated in HH than in N (ES > 1.106; p < 0.029). Serum HSP70 explained ~44% of the reduction in TNF-α in HH (p < 0.001). No significant changes were seen in circulating blood metabolites (Ca2+, Pi). In contrast to the N group, the HH group exhibited significant reductions in TAC and CK (ES < –0.95; p < 0.05) following the RT program.Findings suggest that acute exposure to HH mediated a coordinated pro- and anti-inflammatory response, which balances the enhanced impact of RT on systemic inflammation. The balanced pro- and anti-inflammatory response after the 8 weeks of the RT program is consistent with the acute results. It could be attributed to the enhanced HSP70 secretion under chronic intermittent HH exposure. Additionally, SAT thickness was significantly reduced in the HH group, while VL thickness values exhibited similar increments in both conditions. This outcome must be considered cautiously due to the specific portion of muscle studied. Therefore, further consideration of whole-body composition evaluation is required to draw firm conclusions. The overall expected increase in lean mass could explain the gradual reduction in irisin release and the enhanced muscle IL-15 secretion attributed to the stress of HH conditions combined with RT. Moreover, the absence of changes in serum myostatin was consistent with the inhibitory effect on circulating IL-6 and irisin, which were slightly elevated at the initial stages of the intervention in the HH group. This is supported by the observed attenuation of TNF- α throughout the RT period in the HH group. Furthermore, 8 weeks of RT under HH conditions induced a marked benefit in the muscle contractile and explosive capacity compared with N. Nevertheless, these changes may be more associated with neural adaptations than structural ones due to the absence of an evident change in muscle growth between conditions. Altogether, these findings contribute to elucidating the use of moderate altitude and long-term RT interventions to increase overall stress while maintaining a pro- and anti-inflammatory balance, which is crucial for modulating body composition while improving muscle function. Additionally, clarifying the implications in other muscle capacities, as well as the potential influence of sex on these responses, would deepen our understanding of this non-pharmacological approach. Furthermore, understanding how hypoxia affects adipose regulation during RT interventions could provide valuable insights into optimised therapeutic strategies for individuals with overweight and obesity, and muscle-wasting conditions.

El entrenamiento de fuerza (EF) es fundamental para mantener y mejorar la salud muscular. Esta se entiende como el bienestar general y la funcionalidad del músculo esquelético, basada principalmente en la cantidad y calidad muscular. El EF promueve el crecimiento muscular y el desarrollo de la fuerza, aspectos esenciales para la movilidad funcional y la salud metabólica. En las últimas décadas, la combinación de EF con ambientes hipóxicos ha captado gran interés en la comunidad científica debido a sus potenciales beneficios en la fuerza, potencia e hipertrofia muscular. La exposición a la altitud potencia la respuesta metabólica y de adaptación al estrés, lo que podría amplificar las adaptaciones observadas en el mismo entrenamiento realizado en normoxia (N). Sin embargo, no existe consenso sobre los beneficios específicos del EF en condiciones de hipoxia hipobárica (HH) para la salud muscular. Se llevaron a cabo tres estudios independientes para examinar el efecto agudo y crónico de un programa de EF de 8 semanas realizado bajo HH terrestre moderada (2320 m s.n.m.) sobre la respuesta funcional, biológica y estructural con respecto a la misma intervención en condiciones de N (< 700 m s.n.m.). En el primer estudio, se empleó un diseño transversal con dos grupos controlados independientes y mediciones intra e intergrupales para analizar el efecto agudo de una sesión de entrenamiento de hipertrofia tradicional en el estrés metabólico, inflamación, capacidad antioxidante y biomarcadores de atrofia muscular. Participaron veinte voluntarios sanos asignados a los grupos de N o HH moderada. Antes y durante los 30 minutos posteriores a la sesión (3 x 10 repeticiones, 90 s de descanso, 70% 1RM), se tomaron muestras de sangre venosa para analizar los niveles sistémicos de calcio (Ca2+), fosfato inorgánico (Pi), citoquinas (IL-6, IL-10 y TNF-α), capacidad antioxidante total (TAC) y miostatina. A pesar de que los resultados mostraron una respuesta inflamatoria marcada en el grupo HH, el equilibrio pro/antiinflamatorio (TNF-α e IL-10 [ES > 1.10; p < 0.05]) se mantuvo estable. No se observaron efectos claros del ejercicio bajo la exposición aguda a HH sobre los biomarcadores metabólicos, TAC y de atrofia muscular. Dos estudios longitudinales (estudios 2 y 3) analizaron el efecto combinado de un programa de EF de 8 semanas con exposición intermitente a la HH: (estudio 2) sobre el grosor del tejido adiposo subcutáneo (SAT) y citoquinas metabólicamente relacionadas; (estudio 3) sobre biomarcadores de estrés e inflamación inducidos por ejercicio bajo condiciones HH moderada y su impacto en la fuerza explosiva y máxima en comparación con el mismo programa en N. Veinte hombres entrenados completaron un programa de EF de 8 semanas, en el que entrenaron tres veces por semana (rutina de cuerpo completo de 6 ejercicios; 3 series de 6-12 repeticiones, 65-80% 1RM y 90 s de descanso) bajo condiciones de HH intermitente o N. Antes, a las 6 semanas, y después del EF, se midieron el SAT y el grosor muscular del vasto lateral (VL). Se tomaron muestras de sangre para analizar los niveles sistémicos de citoquinas (IL-6, IL-15, irisin, TNF-α, IL-10, proteína de choque térmico 70 (HSP70) y miostatina), biomarcadores de estrés (Ca2+, Pi, creatina quinasa (CK)) y TAC mediante inmunoensayo multiplex antes y durante los primeros 30 minutos post-ejercicio tras la primera (S1) y última (S22) sesión del programa de entrenamiento. También se evaluaron la repetición máxima (1RM) en sentadilla trasera y test de media sentadilla (SJ) antes y después del programa de EF. El grupo HH mostró un aumento en el rendimiento de 1RM y SJ (ES > 0.99; p < 0.05) respecto a N tras el EF. A pesar de que el crecimiento muscular fue similar entre condiciones, el SAT se redujo significativamente (-17.69%; p < 0.001) en el grupo HH. La condición de HH explicó ~50% de la varianza del SAT (p < 0.001). Tras el EF, se observaron reducciones moderadas en IL-6 e irisina en HH (ES < -0.64; p < 0.05). Además, el EF en HH promovió la liberación de IL-15 en suero (ES = 0.890; p = 0.062). La IL-10 y TNF-α circulantes mostraron un aumento similar y más rápido en HH (ES > 1.349; p < 0.003) que en N, volviendo a los niveles basales tras el programa de EF. Los niveles de HSP70 en HH revelaron una tendencia similar, aunque al final se mantuvo más elevada en HH que en N (ES > 1.106; p < 0.029) tras 8 semanas de entrenamiento. Los niveles de HSP70 sistémico explicaron un ~44% de la reducción de TNF-α en HH (p < 0.001). No se encontraron cambios de interés en los metabolitos sanguíneos circulantes (Ca2+, Pi). Por el contrario, en comparación con N, el grupo HH mostró reducciones significativas en TAC y CK (ES < -0.95; p < 0.05) después del programa de EF. Nuestros hallazgos sugieren que la exposición aguda a HH promovió un balance pro/anti-inflamatorio que equilibró el efecto potenciado del EF sobre la inflamación sistémica. La respuesta pro/antiinflamatoria equilibrada después de las 8 semanas del programa de EF es consistente con los resultados previamente obtenidos en la fase aguda. Esto podría atribuirse al aumento de secreción de HSP70 bajo exposición crónica intermitente a HH. Además, el grosor de SAT se redujo significativamente en el grupo HH, mientras que los valores de grosor de VL mostraron incrementos similares en ambas condiciones. Este resultado debe ser considerado con cautela debido a la porción específica del músculo estudiada; por lo tanto, es necesario un análisis más amplio de la composición corporal total para establecer conclusiones firmes. El aumento general esperado en la masa magra podría explicar la reducción gradual en la liberación de irisin y la promoción de la secreción de IL-15 en el músculo, atribuida al estrés de HH combinado con EF. Además, la ausencia de cambios en la miostatina en suero fue consistente con el efecto inhibidor sobre IL-6 e irisina circulantes que se elevaron ligeramente en las etapas iniciales de la intervención en HH. Este resultado concuerda con la atenuación observada de TNF-α a lo largo del período de EF en el grupo HH. Además, 8 semanas de EF en condiciones de HH indujeron un beneficio notable en la capacidad contráctil y explosiva muscular en comparación con N. No obstante, estos cambios podrían estar más asociados a adaptaciones neuronales que estructurales, debido a la falta de un cambio claro en el crecimiento muscular entre condiciones. A modo de resumen, nuestros hallazgos contribuyen a dilucidar el uso de la altitud moderada en combinación con intervenciones prolongadas de EF para incrementar el estrés manteniendo un balance pro/anti-inflamatorio crucial para modular la composición corporal y mejorar la función muscular. Además, la comprensión de cómo la hipoxia influye en la regulación adiposa durante intervenciones de ER podría proporcionar información valiosa para estrategias terapéuticas optimizadas para individuos con sobrepeso, obesidad y condiciones de desgaste muscular.