Effect of hypertrophy training at moderate altitude on the response of metabolic stress markers and associated muscle growth mechanisms

Abstract

Resistance training (RT) is a well-established interventional strategy for increasing muscle strength and hypertrophy. However, the available systematic reviews display discrepancies among training methodologies used which makes it difficult to draw firm conclusions about the potential benefit of RT in hypoxia (RTH) compared to the equivalent training in normoxia (RTN). Seven separate research experiments were carried out to 1) determine the current status of knowledge of RTH on muscle hypertrophy (Section I); and to 2) analyze the effect of the RT exercise under the two types of acute (Section II and III) and chronic (Section IV) moderate hypoxia conditions (terrestrial vs. simulated) on muscle mass and strength performance markers. The first study, a systematic review and meta-analysis on the topic, found similar improvements in muscle cross-sectional area (CSA) (SMD [CIs]=0.17 [-0.07; 0.42]) and 1RM (SMD=0.13 [0.0; 0.27]) between RTH and RTN. However, sub-analyses indicated that hypertrophy appears to benefit from shorter (≤60s) inter-set rest intervals during RTH while greater gains in strength were achieved with longer rest intervals (≥120s). Moderate loads (60-80% 1RM) enhanced both hypertrophy and strength. The use of moderate hypoxia (14.3-16% FiO2) seemed to somewhat benefit hypertrophy but not strength. The two preliminary studies (study 2 and 3) examined the effects of a hypertrophic RT session at acute terrestrial hypoxia on serum biomarkers associated with muscular adaptations. In a counterbalanced fashion, 13 resistance trained males completed a RT session (6 exercises x 3 sets x 10 RM; 120 s min rest) at both moderate altitude (HH; 2320m asl) and normoxia conditions (N; <700m asl). Venous blood samples were taken before and throughout the 30 min post-exercise period for determination of metabolites (lactate), ions (inorganic phosphate [Pi], liquid carbon dioxide [CO2L], calcium [Ca2+]), cytokines (IL-6, IL-10, TNFα), hormones (growth hormone [GH], cortisol [C], testosterone [T]) and miR- 378. Session-related performance and perception of effort (RPE-30) were also monitored. The results showed no differences in performance and RPE- 30. All blood variables displayed statistically significant changes compared to basal levels (p<0.05), while miR-378, T and inflammatory responses remained near pre-exercise conditions. No altitude effect was observed in maximal blood lactate, Ca2+ and anabolic hormones (p>0.05), although the CO2L reduction in HH (p<0.001) seems compatible with an increase in buffering capacity. At HH, the RT session produced a moderate to large increase in the absolute peak values of the studied cytokines. miR-378 revealed a moderate association with GH and C in both N and HH (r>0.051; p<0.05). The studies 4, 5 and 6 aimed to analyze the combined effect of the type of acute hypoxia (terrestrial vs. simulated) and the inter-set rest configuration (60 vs. 120 s) during a hypertrophic RT session on physiological, perceptual, muscle performance and serum markers. Sixteen active men were randomized into two groups (HH: 2320 m asl; vs. normobaric hypoxia, NH: FiO2 = 15.9%) and completed four RT sessions: two under normoxia and two under the corresponding hypoxia condition at each prescribed inter-set rest period. Volume-load, muscle oxygenation (SmO2) of the vastus lateralis and heart rate (HR) were monitored during training and RPE-30 was determined at the end of the recovery period. Maximal blood lactate [max- Lac], circulating hormones, ions (Ca2+, Pi, and CO2L), cytokines (irisin and myostatin) and miRNAs (miR-378, miR-206 and miR-29c) were measured throughout the initial 30 min post exercise. Volume-load was similar in all environmental conditions and inter-set rest periods. Shorter inter-set rest periods displayed greater increases in maxLac, HR, RPE-30, CO2L, Pi, C and GH in all conditions (p<0.05). Compared to HH, NH showed a moderate reduction in the inter-set rest-HR (ES>0.80), maxLac (ES>1.01) and SmO2 (ES>0.79) at both rest intervals. Additionally, higher values of circulating Ca2+ and Pi, and lower CO2L, were observed after training in HH compared to NH. The exercise with 60 s rest revealed a large early decrement of irisin in HH with respect to N and NH (ES < −1.10; p = 0.048). Both hypoxias moderately reduced circulating myostatin after exercise by a similar proportion (ES < 0.23; p > 0.21). Moderate to large significant increments in miR- 378 and miR-29c were detected in N, HH and NH. Compared to HH, a moderate to large rise in miR-29c and miR-206 was found in NH (ES > 0.96; p < 0.08). The study 7 aimed to analyze the effect of a RT period at terrestrial and simulated hypoxia on both muscle hypertrophy and maximal strength development with respect to the same training in normoxia. Thirty-three strength-trained males were randomly assigned to N (FiO2 = 20.9%), HH (2,320 m asl.) or NH (FiO2 = 15.9%). Subjects completed an 8-week RT program comprised by 3 sessions/week (full body routine of 6 exercises; 3 sets x 6-12 repetitions, 65-80% 1RM and 90 s rest). Muscle thickness of the lower limbs and 1RM in back squat (1RMSQ) and bench press were assessed on weeks 1, 6 and 8 of the training program. Maximal blood lactate, circulating cytokines (IL-6, IL-10, TNFα), hormones (GH, IGF-1), % active mTOR and miRNAs (miR-206, miR-378 and miR-29c) were measured before and throughout the initial 30 min post-RT exercise after the first (S1) and last (S22) session. RT program increased 1RM in all groups (p>0.001). NH reached a large significant enhancement compared to N in 1RMSQ (ES=1.20). Muscle growth similarly improved in N and HH after the RT program (ES= -0.14; p=1.0), while NH remained near to the pre-training values (ES= 0.23; p= 0.160). Similar blood lactate increments were found after S1 and S22 in all groups (p=0.895; η2p=0.001). Compared to N, HH and NH groups increased IL-6 and TNFα in S1 (ES >1.12; p<0.022), returning near to resting values at the end of the training period. Post-exercise GH increased in all conditions, although no changes were detected in the serum IGF-1. HH group showed a moderate to large increment in % active mTOR after S1 with respect to N (ES=1.04; p=0.017) and NH (ES=1.34; p=0.002) with no differences among groups after S22. The NH group displayed the highest serum miR-206 and miR-29c values (p<0.020). Moderate to large nonsignificant increases in serum miR-206 above pre-training values (ES>0.76) and a slight reduction below resting values of miR-29c were depicted in N and HH groups (p<0.08). Results under acute hypoxia suggest that the acute metabolic and physiological responses of a hypertrophic RT exercise are mediated by rest intervals between sets and the type of hypoxia. Altered circulating ions, myokines and miRNA could indicate acute differences in the type of hypoxia on muscle signalling pathway activation after a RT. Overexpression of miR-206 in acute NH could indicate a muscle preservation tendency and interfere with muscle growth after longer training periods. However, the results obtained in this study do not support the expected added benefit of RTH compared to RTN on muscle mass development, although it seems to favour gains in strength. The greater muscle growth achieved in HH over NH confirms the impact of the type of hypoxia on the outcomes. This is supported by the acute and chronic response of some of the evaluated biomarkers. Future research should elucidate the impact of RT and the role of hypoxia on serum biomarkers associated with muscle growth and the adaptation of other non-structure factors related to muscle strength development

El entrenamiento de fuerza (RT) en hipoxia (RTH) se presenta como una estrategia potencialmente beneficiosa para el aumento de la fuerza muscular y la hipertrofia. Sin embargo, las últimas revisiones sistemáticas muestran discrepancias entre los procedimientos utilizados entre los estudios, lo que dificulta establecer conclusiones firmes sobre su beneficio con respecto al mismo entrenamiento en normoxia (RTN). Hemos llevado a cabo siete estudios para 1) determinar el estado actual del conocimiento del RTH sobre la hipertrofia muscular (Sección I); y 2) analizar el efecto del RT en dos tipos de hipoxia moderada (terrestre vs. simulada) aguda (Sección II y III) y crónica (Sección IV) sobre la hipertrofia y marcadores asociados y el desarrollo de la fuerza máxima. El primer estudio, una revisión sistemática y metaanálisis, estableció mejoras similares en el área de sección transversal (CSA) (SMD [IC] = 0,17 [-0,07; 0,42]) y la fuerza máxima (1RM) (SMD = 0,13 [0,0; 0,27]) entre RTH y RTN. Sin embargo, los resultados del subanálisis complementario sobre el impacto de la duración de los intervalos de descanso, la intensidad de la carga y la severidad de la hipoxia indicaron que en hipoxia 1) la hipertrofia se beneficia más con la utilización de descansos cortos entre series (≤60 s), mientras que la mayor ganancia de fuerza lo hace con descansos largos (≥120 s); 2) las cargas moderadas (60-80% 1RM) mejoran tanto la hipertrofia como la fuerza en hipoxia; 3) la hipoxia moderada (14,3-16% FiO2) parece mejorar la hipertrofia en mayor medida, mientras que la ganancia de fuerza se muestra independiente de la severidad de la hipoxia. Los dos estudios preliminares (estudio 2 y 3) examinaron los efectos de una sesión de RT orientada a la hipertrofia sobre biomarcadores séricos asociados a las adaptaciones musculares en hipoxia terrestre. De manera aleatoria, 13 hombres con experiencia en el entrenamiento de fuerza ejecutaron una sesión de RT (6 ejercicios x 3 series x 10 RM; 120 s min de descanso) en altitud moderada (HH; 2320 m s.n.m.) y en normoxia (N; <700 m s.n.m.). Antes y durante los 30 min de recuperación posteriores al ejercicio se tomaron muestras de sangre para la determinación de metabolitos (lactato), iones (fosfato inorgánico [Pi], dióxido de carbono líquido [CO2L], calcio [Ca2+]), citoquinas (IL- 6, IL-10, TNFα), hormonas (hormona de crecimiento [GH], cortisol [C], testosterona [T]) y miR-378 en suero. También se controlaron variables de rendimiento y la percepción de esfuerzo (RPE-30). Los resultados no mostraron diferencias en el rendimiento y la RPE- 30. La respuesta de miR-378, T e inflamatoria se mantuvieron cercanas a condiciones previas al ejercicio. No se observó un efecto de la altitud en el lactato máximo, Ca2+ y hormonas anabólicas (p>0,05), aunque la reducción de CO2L en HH (p<0.001) parece relacionarse con una mejora de la capacidad “buffer”. En HH, la sesión de RT produjo un aumento de moderado a grande en los valores máximos de las citoquinas estudiadas. El miR-378 reveló una asociación moderada con GH y C tanto en N como en HH (r> 0.051; p <0.05). Los estudios 4, 5 y 6 tenían como objetivo analizar el efecto combinado del tipo de hipoxia aguda (terrestre vs. simulada) y el tiempo de descanso entre series (60 vs. 120 s) durante una sesión de RT sobre el rendimiento fisiológico, perceptivo y muscular y marcadores en suero. Dieciséis hombres activos fueron distribuidos de manera aleatoria en dos grupos (HH: 2320 m s.n.m.; vs. hipoxia normobárica, NH: FiO2 = 15,9 %) y completaron cuatro sesiones de RT: dos en normoxia y dos en la condición de hipoxia correspondiente con 60 y 120 s de descanso. El volumen de entrenamiento, la oxigenación muscular (SmO2) del vasto lateral y la frecuencia cardíaca (FC) se monitorearon durante el entrenamiento y se determinó el RPE- 30 al final del período de recuperación. Se midió el lactato sanguíneo para la determinación de su valor máximo [maxLac], hormonas (C y GH), iones (Ca2+, Pi y CO2L), citocinas (irisina y miostatina) y los mi-ARNs (miR- 378, miR-206 y miR-29c) durante los 30 minutos posteriores al ejercicio. El volumen de entrenamiento fue similar en todas las condiciones ambientales y períodos de descanso entre series. Descansos más cortos entre series mostraron mayores aumentos en maxLac, FC, RPE-30, CO2L, Pi, C y GH en todas las condiciones (p<0.05). En comparación con HH, el grupo de NH mostró una reducción moderada de la FC de descanso entre series (ES>0.80), el maxLac (ES>1.01) y la SmO2 (ES>0.79) en ambos periodos de descanso. Además, se observaron niveles más elevados de Ca2+ y Pi, y niveles más bajos de CO2L después de la sesión de entrenamiento en HH en comparación con NH. El ejercicio con 60 s de descanso entre series reveló una disminución temprana de irisina en HH con respecto a N y NH (ES < −1,10; p = 0,048). Ambos tipos de hipoxia redujeron moderadamente los niveles de miostatina después del ejercicio en una proporción similar (ES < 0,23; p > 0,21). Se detectaron incrementos significativos de moderados a grandes en el miR-378 y el miR-29c en N, HH y NH. En comparación con HH, la condición de NH registró un aumento de moderado a grande en los niveles circulantes de miR-29c y miR-206 (ES > 0,96; p < 0,08). El estudio 7 tuvo como objetivo analizar el efecto de un período de RT en hipoxia terrestre y simulada sobre la hipertrofia muscular y el desarrollo de fuerza máxima con respecto al mismo entrenamiento en normoxia. Treinta y tres hombres con experiencia en el entrenamiento de fuerza fueron distribuidos aleatoriamente en N (FiO2 = 20,9 %), HH (2320 m s.n.m.) o NH (FiO2 = 15,9 %). Los participantes completaron un periodo de RT de 8 semanas con 3 sesiones/semana (fullbody de 6 ejercicios; 3 series x 6-12 repeticiones, 65-80% 1RM y 90 s de descanso). Se midió el grosor muscular de los miembros inferiores y la 1RM en sentadilla (1RMSQ) y press de banca en las semanas 1, 6 y 8 del entrenamiento. Se midió lactato máximo, citocinas (IL-6, IL-10, TNFα), hormonas (GH, IGF-1), % activo de mTOR y mi- ARNs (miR-206, miR-378 y miR- 29c) antes y durante los 30 min postejercicio después de la primera (S1) y la última (S22) sesión de entrenamiento. El programa de RT aumentó la 1RM en todos los grupos (p>0,001). NH alcanzó una mejora significativa en comparación con N en 1RMSQ (ES = 1,20). El grosor muscular creció de manera similar en N y HH después del periodo de RT (ES= -0.14; p=1.0), mientras que en NH permaneció cerca del valor previo al entrenamiento (ES= 0.23; p= 0.160). El maxLac se elevó de manera similar después de la S1 y la S22 en todos los grupos (p=0,895; η2 p=0,001). Comparado con N, los grupos en HH y NH aumentaron la IL-6 y TNFα en S1 (ES >1,12; p<0,022), volviendo a valores cercanos a los de reposo al final del período de entrenamiento (S22). La GH aumentó en todas las condiciones, aunque no se detectaron cambios en el IGF-1 circulante. El grupo de HH mostró un incremento de moderado a grande en el % activo de mTOR después de la S1 con respecto a N (ES=1.04; p=0.017) y NH (ES=1.34; p=0.002), sin que se alcanzaran diferencias entre grupos en S22. El la condición de NH generó los valores séricos más altos de miR-206 y miR-29c (p<0,020) desde el inicio del entrenamiento. Los grupos de N y HH (p<0,08), mostraron aumentos no significativos de moderados a grandes en el miR-206 (ES>0,76) y una ligera reducción por debajo del valor basal del miR-29c. Los resultados en hipoxia aguda sugieren que la respuesta metabólica y fisiológica a una sesión de RT orientada a la hipertrofia están mediadas por los intervalos de descanso entre series y el tipo de hipoxia. La alteración en los niveles circulantes de iones, mioquinas y mi-ARN podría indicar diferencias agudas entre los tipos de hipoxia sobre la activación de la vía de señalización muscular después del RT. La sobreexpresión aguda del miR-206 en NH podría indicar una tendencia a la preservación muscular e influir en el crecimiento muscular después de períodos de entrenamiento más prolongados. Sin embargo, los resultados obtenidos en este estudio no respaldan el beneficio adicional esperado del RTH en comparación con el RTN en el desarrollo de masa muscular, aunque parece favorecer las ganancias de fuerza. El mayor crecimiento muscular logrado en HH con respecto a NH confirma el impacto del tipo de hipoxia en los resultados. Esto se apoya en la respuesta aguda y crónica de algunos de los biomarcadores evaluados. La investigación futura debería aclarar el efecto del RT y el papel de la hipoxia en los biomarcadores séricos asociados con el crecimiento muscular y en la influencia de otros factores no estructurales relacionados con el desarrollo de la fuerza muscular.