HIPOKSJA I HIPEROKSJA

Hipoksją nazywamy stan w którym utlenowanie niektórych tkanek organów lub całego organizmu jest niewystarczające w relacji do ich zapotrzebowania na tlen. Fizjologiczną przyczyną stanu hipoksji w organizmie człowieka jest jego ekspozycja na naturalne (hipoksja hipobaryczna) lub symulowane (hipoksja normobaryczna) warunki wysokogórskie. Z hipoksją hipobaryczną mamy do czynienia w warunkach wysokogórskich i jest efektem deficytu O₂ w powietrzu na skutek jego „rozrzedzenia” pod wpływem obniżenia ciśnienia atmosferycznego. Wynika to z faktu, że do wysokości ok. 13.000 m n.p.m. procentowy udział poszczególnych gazów atmosfery nie ulega zmianie, czyli procentowy udział O₂ wynosi 20,9%. Ze wzrostem wysokości zmniejszeniu ulega ciśnienie barometryczne, co powoduje obniżenie ilości O₂ w 1m³ powietrza, jednakże procentowy udział O₂ względem pozostałych gazów nie ulega zmianie. Obniżenie ciśnienia atmosferycznego wraz ze wzrostem wysokości powoduje proporcjonalne obniżenie ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi osób przebywających na wysokości. Symulacja podobnych warunków na poziomie morza możliwa jest w komorach hipobarycznych (ciśnieniowych). Innym sposobem symulacji warunków wysokogórskich jest stworzenie warunków hipoksji normobarycznej. W najprostszym ujęciu, polega to na kontrolowanym obniżaniu procentowego udziału O₂ w mieszance oddechowej, zastępując go zwiększonym stężeniem azotu, który jest neutralny dla organizmu człowieka. Zmiany w zakresie składu powietrza odbywają się bez zmian ciśnienia powietrza atmosferycznego. Wywołuje to w organizmie również obniżenie ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi, jak pobyt na dużych wysokościach, jednakże przy utrzymaniu stałego ciśnienia barometrycznego. Należy zaznaczyć, że wówczas w organizmie uruchamiane są niemalże jednakowe mechanizmy przystosowawcze, mające przywrócić homeostazę w organizmie.

Stan hipoksji w organizmie, doprowadza do obniżenia możliwości wysiłkowych człowieka zwłaszcza podczas wysiłków fizycznych o charakterze długotrwałym, trwających powyżej dwóch minut. Jednocześnie, co ciekawe, nie obserwuje się pogorszenia możliwość wysiłkowych w zakresie wysiłków krótkotrwałych i statycznych .

Bezpośrednią przyczyna odpowiadającą za ograniczenie możliwości wysiłkowych w warunkach hipoksji jest obniżenie ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi tętniczej (PaO₂), czego następstwem jest ograniczenie możliwości transportowych O₂ do tkanek, co w konsekwencji doprowadza do obniżenia wartości maksymalnego poboru tlenu (VO₂max), a tym samym możliwości wysiłkowych.

Podstawowym mechanizmem przystosowawczym do stanu hipoksji w organizmie, jednocześnie bezpośrednio przyczyniającym się do zwiększenia możliwości wysiłkowych jest poprawa w zakresie transportu O₂ przez krew. W wyniku ograniczonej dostępności O₂ na skutek niższego ciśnienia parcianego tlenu we krwi, dochodzi do zwiększonego wydzielania erytropoetyny (EPO), hormonu pełniącego główną funkcję regulacyjną w zakresie powstawania czerwonych krwinek. Dlatego początkowo było to głównym powodem dla którego sportowcy dyscyplin wytrzymałościowych podejmowali trening wysokościowy. Badania z ostatnich lat wskazują również, że oprócz poprawy pojemności tlenowej krwi, w wyniku działania hipoksji sportowcy mogą odnieść jeszcze inne, nie-hematologiczne korzyści takie jak: wzmożona angiogeneza, aktywność enzymów glikolitycznych, a także wzrost pojemności buforowej krwi i tkanek.

W rezultacie, systematyczna ekspozycja, jaki i trening fizyczny w środowisku hipoksycznym przyczynia się do poprawy możliwości wysiłkowych w warunkach normoksji, jak i hipoksji, w wyniku pogłębienia się zmian adaptacyjnych w organizmie. W świetle doniesień naukowych, hipoksję wysokościową należy uznać jako środek ergogenny, poprawiający możliwości wysiłkowe człowieka.

Dotychczasowe informacje zawarte w literaturze dowodzą, że zjawisko hipoksji jest niezwykle skutecznym środkiem treningowo-terapeutycznym, dlatego znajduje szerokie zastosowanie zarówno w medycynie (leczenie otyłości, astmy, cukrzycy typu II), rehabilitacji  (kardiorehabilitacja, rehabilitacja sportowców), jak i w sporcie (poprawa wydolności fizycznej oraz możliwości wysiłkowych). Należy zaznaczyć, że czynnikiem warunkującym prawidłową stymulację mechanizmów przystosowawczych w organizmie jest odpowiedni dobór czasu ekspozycji i natezenia hipoksji, a także zastosowanie odpowiednich bodźców treningowo-terapeutycznych.

Terapeutyczne właściwości hipoksji ujawniają się poprzez aktywację czynnika indukowanego hipoksją (HIF-1), który ma bezpośredni wpływ na ekspresję ponad 200 genów i enzymów. Ma to bezpośredni wpływ na  szereg korzystnych zmian organizmie, które można wykorzystać w celach terapeutycznych. Przykładowo trening w warunkach hipoksji powoduje wzmożone wydzielania leptyny, przyczyniając się do ograniczenia łaknienia. Stwierdzono również wzrost liczby śródbłonowych transporterów glukozy (GLUT), co ma  bezpośredni wpływ na stężenie glukozy we krwi oraz aktywność enzymów szlaku glikolitycznego. Zaobserwowano również, że systematyczne ćwiczenia w warunkach hipoksji przyczyniają się do obniżenia masy ciała oraz redukcji poziomu cholesterolu. Ponadto trening w hipoksji jest doskonałym rozwiązaniem dla osób otyłością ponieważ już nawet stosując niską intensywności wysiłku fizycznego następuje znaczna poprawa stanu zdrowia bez nadmiernego obciążenia aparatu ruchu. Rozważając korzyści zdrowotne wynikające z treningu w warunkach hipoksji, nie można pominąć wzmożonej aktywności syntazy tlenku azotu (NOS) będącej silnym wazodylatatorem. Wzrost aktywności NOS doprowadza do spadku ciśnienia tętniczego krwi, co jest niezwykle pożądaną odpowiedzią u osób z nadciśnieniem tętniczym.

Początki treningu wysokościowego sięgają Letnich Igrzysk Olimpijskich w Mexico City zorganizowanych w 1968 roku, które po raz pierwszy w historii rozgrywano na wysokości powyżej 2000m n.p.m. (~2240m n.p.m.). Zarówno podczas przygotowań, jak i po zawodach pojawiło się wiele nowych pytań dotyczących metodyki treningu w warunkach wysokogórskich. Podczas zawodów zaobserwowano, że zarówno sprinterzy, jak i skoczkowie, ustanowili wiele nowych rekordów świata, natomiast odwrotną tendencję obserwowano w konkurencjach wytrzymałościowych, gdzie wyniki były znacząco słabsze w porównaniu do poprzednich lat.

Zaobserwowane znacząco lepsze rezultaty w biegach sprinterskich, skokach czy rzutach, wynikały z poprawy aerodynamiki na skutek rzadszego powietrza spowodowanego niższym ciśnieniem atmosferycznym. Z drugiej strony to obniżone ciśnienie atmosferyczne na skutek wzrostu wysokości staje się bezpośrednią przyczyną upośledzenia zdolności do podejmowania przede wszystkim wysiłków fizycznych o charakterze wytrzymałościowym.

Na przestrzeni przeszło czterech dekad istnienia koncepcji treningu wysokogórskiego/wysokościowego,  zarówno w literaturze, jak i w praktyce treningu sportowego, pojawiło się kilka rozwiązań metodologicznych wykorzystujących zjawisko hipoksji w treningu sportowym.

Pierwszą koncepcją treningu wysokościowego, która powstała pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku, była procedura „mieszkaj wysoko-trenuj wysoko” (ang. live high – train high – LH-TH). Procedura w tej formie treningu polega zarówno na pobycie, jak i treningu na wysokości 2000-3000m n.p.m. przez okres kilku tygodni. Liczne badania wykazały, że niższe wysokości nie pobudzają wystarczająco erytropoezy, z kolei wyższe wysokości wymagają znacznie dłuższego czasu na adaptację, co w konsekwencji zaburza proces treningowy. Wydłużony czas przeznaczony na adaptację przyczynia się również do wydłużenia czasu stosowania niższych obciążeń treningowych, co może spowodować obniżenie formy sportowej zawodnika.

Tradycyjna metoda treningu wysokogórskiego LH-TH, ukierunkowana jest przede wszystkim na poprawę możliwości wysiłkowych na skutek pobudzenia erytropoezy, doprowadzając do poprawy pojemności tlenowej krwi.  Jednakże słabą stroną tego rozwiązania treningowego jest fakt, że duża redukcja obciążenia treningowego wynikająca z konieczności aklimatyzacji do wysokości może prowadzić do obniżenia formy sportowej po powrocie na nizinę.

Pod koniec lat dziewięćdziesiątych poprzedniego stulecia pojawiła się alternatywna koncepcja treningu wysokościowego, „mieszkaj wysoko – trenuj nisko” (live high – train low – LH-TL), będąca modyfikacją pierwotnej procedury LH-TH. Nowe rozwiązanie treningowe LH-TL miało umożliwić pełne wykorzystanie korzyści wynikających z adaptacji do stanu hipoksji, minimalizując obniżenie możliwości wysiłkowych zakłócających program treningowy, co obserwowano w LH-TH. Koncepcja LH-TL zakłada pobyt sportowca na wysokości od 2000 do 3000m n.p.m. przez okres 3-4 tygodni, natomiast trening powinien być przeprowadzany nie wyżej niż 1000m n.p.m. Autorami tego niekonwencjonalnego rozwiązania byli Lavien i Stray-Gundersen (1997), którzy potwierdzili wynikami przeprowadzonych badań skuteczność tego rozwiązania. Wyniki badań wykazały istotny 5% wzrost wartości maksymalnego poboru tlenu (VO₂max), a także 9% przyrost stężenia hemoglobiny we krwi w grupie badanych mieszkających na wysokości 2500m n.p.m. i trenujących na wysokości 1250m przez okres 28 dni. Zaobserwowano również istotną poprawę czasu biegu na dystansie 5000m. Podobnych zmian nie zaobserwowano w grupie kontrolnej.

Metoda LH-TL podlega również modyfikacjom, przykładowo bardzo ciekawe rozwiązanie zaproponował Stray-Gundersen i wsp. (2001). Polegała ona na mieszkaniu i realizacji treningu o niskiej intensywności na wysokości 2500m n.p.m przez cztery tygodnie, natomiast trening interwałowy o wysokiej intensywności wykonywano na wysokości 1250m n.p.m. (live high-base train high-interval train low; HiHiLo). W badaniach tych stwierdzono istotny 3% przyrost wartości VO2max, a także istotną poprawę czasu biegu na dystansie 3 km, średnio o ~6 s. Zmiany te były skojarzone z istotnym wzrostem stężenia hemoglobiny we krwi oraz wartością hematokrytu. Podobne zmiany obserwowano również w innych badaniach (Czuba i wsp.) opartych na protokole HiHiLo. Doniesienia nad efektywnością treningową metody LH-TL zostały potwierdzone również w innych badaniach.

Początkowo w metodzie LH-TL wykorzystywano jedynie warunki środowiska naturalnego (hipoksja hipobaryczna), systematycznie transportując zawodnika z miejsca położonego na wysokości 2000-3000m n.p.m. na wysokość najkorzystniej poniżej 1000m n.p.m w celu realizacji treningu. Takie rozwiązanie wymaga zaplanowania odpowiedniej logistyki oraz dużego nakładu czasu i pieniędzy. Jednakże dynamiczny rozwój i popularyzacja w ostatnich latach sprzętu umożliwiającego wytwarzanie hipoksji normobarycznej spowodowała, iż koncepcja LH-TL stała się również dostępna dla większości sportowców, nawet sportowców-amatorów.

Najnowsze badania nad metodą LH-TL z wykorzystaniem hipoksji normobarycznej wykazały istotny przyrost zarówno hematokrytu, jak i stężenia hemoglobiny we krwi. 

W ostatnich latach, ze względu na wcześniej wspomniany rozwój technologii to wytwarzania warunków hipoksji normobarycznej, dużo uwagi poświęca się również innej metodzie treningu wysokościowego – „mieszkaj nisko-trenuj wysoko” (live low – train high – LL-TH). W modelu LL-TH zawodnicy w ciągu dnia przebywają w warunkach normoksji, natomiast trening realizowany jest w warunkach hipoksji. Najczęściej w tej formie treningu wykorzystuje się hipoksję normobaryczną, którą zwykle otrzymuje się poprzez filtrację tlenu lub rozcieńczenie stężenia tlenu azotem. W metodyce TL-TH wyróżnia się dwa rozwiązania. Pierwsze dotyczy tylko i wyłącznie chwilowej ekspozycji (90-180minut) na działanie hipoksji normobarycznej w spoczynku (Intermittent Hypoxic Exposure – IHE), takie rozwiązanie wykorzystuje się w medycynie, natomiast u sportowców nie obserwuje się poprawy możliwości wysiłkowych z powodu zbyt krótkiego trwania bodźca.

W sporcie wykorzystuje się drugie rozwiązanie dotyczące treningu w warunkach hipoksji (Intermittent Hypoxic Training – IHT). Teoretycznym podłożem koncepcji IHT jest założenie, że stres wywołany działaniem hipoksji połączony wraz ze stresem treningowym, przyczynia się do wywołania większych zmian adaptacyjnych w  organizmie, w porównaniu z efektami treningu realizowanego w warunkach normoksji. 

W tej formie treningu wysokościowego najczęściej wykorzystuje się symulację hipoksji odpowiadającej wysokości 2000-3500m n.p.m. Dużą zaletą tej metody jest to, że czas spędzony poza komorą może być również wykorzystany inną aktywność treningową. Wypoczynek po treningu IHT obywa się w warunkach normoksji, co zapobiega wystąpieniu negatywnych objawów przedłużonej hipoksji oraz skraca czas regeneracji po treningu. Takie rozwiązanie nie wymusza redukowania obciążenia treningowego podczas treningów realizowanych w warunkach normoksji. 

W wyniku stosowania IHT nie obserwuje się zmian w zakresie wskaźników hematologicznych, co spowodowane jest zbyt krótkim czasem ekspozycji na działanie hipoksji, jednakże obserwuje się szereg innych korzystnych zmian przystosowawczych wpływających na poprawę możliwości wysiłkowych. Wykazano, że procedura ta może usprawnić możliwości anaerobowe oraz korzystnie wpłynąć na koszt energetyczny pracy poprzez poprawę zdolności buforujących tkanki mięśniowej oraz wzrost aktywności enzymów glikolitycznych. W stosunkowo najnowszych badanych zaobserwowano istotną poprawę wydolności beztlenowej oraz wysiłków krótkotrwałych.

Reasumując, skuteczność tej formy treningu w znacznej mierze wynika przede wszystkim z prawidłowo zaplanowanej metodologii treningowej dotyczącej zarówno charakteru wysiłku, jak i jego objętości i intensywności, a także doboru bodźca hipoksycznego.