Витамин D и спортивные результаты: потенциальная роль мышц

  1. Аннотация Дефицит витамина D является всемирной эпидемией, с хорошо известными воздействиями на метаболизм...
  2. Витамин D: структура и функции мышц
  3. Витамин D, старение и функции мышц
  4. Рецептор витамина D
  5. Полиморфизм VDR и производительность

Аннотация

Дефицит витамина D является всемирной эпидемией, с хорошо известными воздействиями на метаболизм кальция и здоровье костей, но все чаще признаются ассоциации с хроническими проблемами со здоровьем, такими как рак кишечника и толстой кишки, артрит, диабет и сердечно-сосудистые заболевания. В последние годы в литературе по спортивной медицине повышенное внимание уделяется потенциальному влиянию, которое неадекватные уровни витамина D могут оказывать на спортивные результаты.

В начале 20-го века спортсмены и тренеры почувствовали, что ультрафиолетовые лучи оказали положительное влияние на спортивные результаты, и, хотя они остаются ограниченными, накапливаются доказательства, подтверждающие эту точку зрения. Структура и функция мышц, как считается, играют ключевую роль в спортивных показателях, и как поперечные, так и продольные исследования указывают на функциональную роль витамина D в мышцах. Идентификация рецептора витамина D в мышечной ткани обеспечивает прямой путь для воздействия витамина D на структуру и функцию скелетных мышц. В этом обзоре основное внимание уделяется современному пониманию действия витамина D в тканях скелетных мышц и потенциальному влиянию на работоспособность.

Ключевые слова: витамин D, спорт, спортивные результаты, упражнения, мышцы

ВСТУПЛЕНИЕ

Общеизвестно, что спортивные результаты определяются множеством факторов, в том числе генетическим влиянием и влиянием окружающей среды [ 1 ]. В то время как генетические предварительные детерминанты производительности интенсивно исследуются, остается много вопросов без ответа. Точно так же факторы окружающей среды, хотя и широко признаны как потенциально влияющие на спортивные способности, имеют лишь ограниченную научную основу. В последние годы витамин D был предложен в качестве потенциального фактора, ограничивающего работоспособность при дефиците, и как средство, повышающее работоспособность при его избытке [ 2 ]. Дефицит витамина D все чаще признается в качестве всемирной эпидемии [ 3 - 9 ] и оставаясь спорным, общепризнанно, что уровни 20-30 нг / мл 25 OH-витамина D представляют недостаточность, тогда как уровни ниже 20 и 10 нг / мл представляют дефицит и тяжелый дефицит, соответственно [ 10 ].

Наиболее хорошо документированной причиной дефицита витамина D является недостаточное воздействие солнечного света, и, как таковые, в странах с высокой широтой, как известно, наблюдается высокий уровень дефицита [ 7 ]. Как это ни парадоксально, несмотря на большое количество солнечных часов, дефицит витамина D хорошо распознается у женщин Ближнего Востока [ 11 - 13 ] и совсем недавно в центре города молодые люди в Америке [ 5 ], спортсмены и танцоры в Израиле [ 14 ], элитные гимнастки в Австралии [ 15 ], молодые гавайские серферы [ 3 ] и девочек-подростков в Англии [ 16 ]. Учитывая распространенность дефицита витамина D у спортсменов и спортсменов, не являющихся спортсменами, во всех регионах мира, предположение о том, что дефицит витамина D может влиять на работоспособность, может иметь широко распространенные последствия для спортсменов.

Дефицит витамина D может иметь значительные долгосрочные последствия для здоровья [ 17 , 18 ] включая признанные ассоциации с раком кишечника и толстой кишки, артритом, диабетом и сердечно-сосудистыми заболеваниями [ 10 , 17 - 26 ]. Также возможно, что дефицит приведет к более непосредственное воздействие на опорно-двигательного аппарата здоровья, с повышенным риском травм, таких как стресс переломов [ 20 , 27 , 28 ]; повлияет ли дефицит витамина D на риск травмы и функции других тканей, таких как мышцы, связки и сухожилия, остается неизвестным. Потенциально, дефицит витамина D может влиять на качество тренировок, травмы, частоту и продолжительность травм [ 29 ] и, как результат, спортивные результаты. В начале 20-го века, ультрафиолетовое излучение B (UVB) предположительно использовалось в качестве эргогенной помощи [ 2 ], 30 ] и исследования за этот период показали, что как сердечно-сосудистая система, так и мышечная выносливость были улучшены при увеличении воздействия ультрафиолетового излучения [ 31 ]. Тем не менее, остается мало прямых доказательств этого [ 32 ] и эти выводы еще не воспроизведены. Эль-Хадж и др. [ 33 ] сообщили о годичном проспективном двойном слепом плацебо-контролируемом исследовании низкой и высокой дозы витамина D3 у 179 ливанских девочек-подростков. У людей с добавками витамина D они обнаружили увеличение мышечной массы, площади костей и костной массы, особенно у девочек до менархального периода, но не обнаружили увеличения силы сцепления. Кроме того, не было никаких существенных результатов относительно витамина D и мышечной массы или силы сцепления в аналогичной когорте подростков мужского пола [ 33 ]. Напротив, недавнее исследование 99 постменархальных девочек-подростков в Англии обнаружило положительную связь между уровнем сывороточного витамина D и высотой прыжка, скоростью прыжка и силой [ 16 ].

Хотя дефицит витамина D уже давно ассоциируется с мышечной слабостью [ 34 - 37 ], до недавнего времени не было описано никакого конкретного этиологического механизма. За последние 30 лет механизм, с помощью которого витамин D может влиять на функцию мышц, постепенно раскрывается. Впоследствии, несмотря на ограниченность, имеются данные из ряда источников, касающихся дефицита витамина D и неоптимальной функции мышц. В этом обзоре основное внимание будет уделено имеющимся в настоящее время фактическим данным о том, каким образом витамин D может воздействовать на скелетные мышцы и тем самым потенциально ухудшать спортивные результаты.

Витамин D: структура и функции мышц

Миопатия, связанная с остеомаляцией с дефицитом витамина D, распознавалась в течение многих лет и обычно проявлялась как проксимальная мышечная слабость [ 34 - 37 ]. До недавнего времени это миопатическое проявление считалось вторичным по отношению к неиспользованию, а не прямым воздействием витамина D на мышцы. Тем не менее, более глубокое понимание метаболических путей витамина D позволяет предположить, что это предположение может быть неверным [ 38 ]. К 1974 году электромиографические изменения наблюдались у пациентов с мышечной слабостью, связанной с остеомаляцией [ 37 ], который улучшился с добавкой витамина D [ 36 ]). Обратимость остеомалактической миопатии с коррекцией витамина D в настоящее время хорошо известна [ 35 , 39 - 42 ]. В предварительном исследовании Glerup et al [ 38 ] обследовали небольшую группу (n = 8) пожилых мужчин и женщин (средний возраст 63,1 ± 5,3 года) с известной остеомаляцией, у которых мышечная сила была оценена с помощью изокинетического динамометра до и после 3 месяцев лечения альфакальцидолом, эргокальциферолом и кальцием. Они обнаружили, что в течение трех месяцев мышечная сила значительно увеличилась во всех оцениваемых группах мышц, в среднем улучшение составило 24,8 ± 8,0%. Затем они сравнили группу арабских женщин с дефицитом витамина D с контрольной группой датских женщин, у которых были нормальные уровни витамина D. На исходном уровне максимальное добровольное сокращение четырехглавой мышцы (MVC), а также электрически стимулированные сокращения [Single twitch, Maximum Production Rate (MPR) и максимальная частота релаксации (MRR) были значительно ниже в группе арабских женщин. Три месяца приема витамина D без силовых тренировок увеличивали уровни витамина D и нормализовали уровни паратиреоидного гормона (PTH) у арабских женщин, с соответствующая тенденция к нормализации MVC, MPR и MRR. Дальнейший анализ показал, что только витамин D 25-ОН был значительно связан с максимальным добровольным сокращением, и в результате авторы пришли к выводу, что нормальные уровни витамина D 25-ОН необходимы для поддержание адекватной функции мышц.

Оба исследования биопсии [ 36 , 37 ] и сообщения о случаях мышечной слабости, связанной с остеомаляцией [ 35 , 39 ], выявили либо неспецифические изменения, либо атрофию скелетных мышц II типа. Сато и др. [ 43 ] оценивали влияние добавок витамина D на мышечную гистопатологию, когда они сделали биопсию негемиплегического vastus lateralis у 85 пациентов с инсультом пожилого возраста с дефицитом витамина D до и после двухлетнего периода приема добавок либо плацебо, либо витамина D2. В начале исследования они обнаружили нормальный диапазон волокон типа I, но уменьшенную пропорцию и диаметр мышечных волокон типа II. Через два года в группе плацебо наблюдалось дальнейшее уменьшение диаметра мышечных волокон типа II, в то время как в группе, получавшей витамин D2, относительное содержание и средний диаметр волокон типа II увеличивались. Было обнаружено, что размер мышечных волокон коррелирует с уровнем витамина D 25-ОН [ 43 ].

Витамин D, старение и функции мышц

Хотя общепризнанно, что мышечная сила уменьшается с возрастом, считается, что это связано с рядом способствующих факторов [ 44 ] и роль витамина D продолжает обсуждаться [ 45 , 46 ]. Перекрестные исследования [ 47 - 51 ], по-видимому, показывают взаимосвязь между уровнем витамина D и различными показателями изменений мышечной силы и функции при старении [ 47 - 51 ]. В отличие от этого, обзор рандомизированных контролируемых исследований, в которых изучался прием витамина D и / или кальция, показал, что нет никаких доказательств того, что один только витамин D улучшал силу или физическую функцию пожилых людей [ 45 ]. Как это ни парадоксально, недавние хорошо контролируемые и разработанные исследования показывают, что витамин D может играть роль в замедлении возрастного снижения мышечной функции [ 52 - 54 ]. Visser и др. [ 52 ] проспективно исследовали влияние низкого уровня 25-ОН витамина D и высокого уровня ПТГ в сыворотке у 1008 мужчин и женщин в возрасте старше 65 лет (в среднем 74 года) и обнаружили, что лица с более низким уровнем 25-ОН витамина D и / или более высоким уровнем ПТГ были значительно более вероятно потерять силу сцепления и мышечную массу и что 30 нг / мл могут быть порогом для оптимальной функции мышц. Точно так же Бишофф и др. [ 53 ] провел 12-недельное двойное слепое рандомизированное контролируемое исследование с использованием только витамина D и кальция в сравнении с добавками кальция. Тестирование силы сгибателей и разгибателей коленного сустава, силы захвата и функциональности (по расписанию и по ходу) - все они улучшились в своей пожилой группе после приема витамина D и кальция по сравнению с только добавками кальция. Гердем и др. [ 54 ], в трехлетнем исследовании 986 шведских 75-летних женщин было установлено, что снижение уровня витамина D коррелирует с уменьшением скорости походки, снижением силы сгибателей колена и разгибателей и повышенным риском падений. Несколько других проспективных исследований сообщили о похожих результатах [ 43 , 55 - 57 ], напротив, в большом проспективном рандомизированном контролируемом исследовании Latham et al. 58 ] оценивали относительную пользу упражнений с сопротивлением в домашних условиях или однократной высокой дозы витамина D с точки зрения физического здоровья, риска падений и функциональных возможностей. Несмотря на повышение уровня витамина D в сыворотке крови у тех людей, которых лечили, они не обнаружили значительного влияния витамина D на какие-либо из сообщаемых им параметров функциональных результатов [ 58 ]. Наконец, экспрессия рецептора витамина D (VDR) была оценена у женщин с операциями на бедре и позвоночнике, и было обнаружено, что она снижается с возрастом, и на эту экспрессию не влияют уровни витамина D 25-ОН или 1,25-ОН. Следовательно, любое связанное с возрастом снижение мышечной силы может быть связано со снижением экспрессии рецептора витамина D [ 59 ] или полиморфизмы VDR, приводящие к переменной восприимчивости к возрастным изменениям [ 60 ].

Рецептор витамина D

Впервые VDR был обнаружен в мышечных клетках в культивируемых клетках миобластов крысы в ​​1985 году, подтвердив, что мышцы являются мишенью для витамина D [ 61 ]. Впоследствии VDR был описан в таких тканях, как гладкая и сердечная мышца, печень, легкое, толстая кишка, гонады и кожа [ 62 , 63 ] и был изолирован от скелетных мышц человека в 2001 году [ 59 , 64 ]. В настоящее время признано, что в сочетании с кофакторами «рецептор ретиноида х» (RXR) и «стероидный рецептор-коактиватор 3» (SRC) комплекс витамина D VDR: 1,25-OH модулирует экспрессию генов широкого спектра белков. [ 65 , 66 ]. Это включает белки с ролью в метаболизме кальция, такие как кальбиндин [ 67 ], но также белки, не связанные напрямую с метаболизмом кальция, такие как инсулиноподобный белок 3, связывающий фактор роста (IGFBP-3) [ 65 ]. Также было показано, что VDR имеет различные генетические полиморфизмы, которые могут влиять на их функцию в скелетных мышцах [ 68 - 70 ]. Чтобы оценить важность VDR в скелетных мышцах мышей, исследовали поколение мышей с удаленным геном VDR и клеточные линии миобластов [ 71 ]. У VDR-нулевых мышей размеры волокон в четырехглавой мышце и других мышечных группах были на 20% меньше, чем у VDR-переполненных мышей. Кроме того, у мышей, лишенных VDR, наблюдалась повышенная экспрессия миогенных факторов транскрипции myf5, E2A и миогенина по сравнению с нормальными мышами наряду с неадекватной экспрессией тяжелой цепи миозина эмбрионального и неонатального типа (MHC) [ 71 ], поддерживая прямую роль витамина D 1,25-ОН и VDR как в метаболических процессах, так и в регуляции транскрипции скелетных мышц.

Поскольку кальций является критическим модулятором функции скелетных мышц, любое нарушение обработки кальцием может влиять на сократительные свойства мышц [ 72 ]. Следовательно, витамин D может влиять на мышечную функцию посредством транскрипции белка, связанного с кальцием, и общего уровня кальция в организме. Тем не менее, витамин D также играет роль, усиливающую транскрипцию белков, отличных от тех, которые непосредственно участвуют в метаболизме кальция. Одним из таких белков, имеющих отношение к обсуждению скелетных мышц, является IGFBP-3. Признано, что экспрессия IGFBP-3 регулируется рядом факторов, включая витамин D [ 65 ], с VDRE в области промотора человеческого IGFBP-3, недавно идентифицированного [ 65 ]. IGF Binding Protein-3 (IGFBP-3) является членом семейства IGFBP, которые связывают IGF-1 в сыворотке, внеклеточном матриксе и на клеточных поверхностях [ 73 ] с высокой аффинностью и специфичностью [ 65 , 74 ]. Связывание IGF-1 с IGFBP может оказывать как ингибирующее, так и стимулирующее действие на функцию IGF-1 [ 66 , 74 , 75 ] и так как IGF-1 вызывает пролиферацию, дифференцировку и гипертрофию скелетных мышц [ 76 ] и является ключевым компонентом в регенерации мышц [ 75 ], Витамин D может играть ключевую роль через IGFBP-3. В результате IGF-1 признан как потенциальное средство для решения возрастной саркопении [ 77 ] и как нелегальная эргогенная помощь в спорте [ 78 ]. В недавнем исследовании детей с рахитами с недостаточностью витамина D недавно было подчеркнуто значение IGF-1 и витамина D [ 79 ]. Авторы обнаружили, что темпы роста и рост детей увеличивались при добавлении витамина D со значительной корреляцией между сывороточными концентрациями IGF-1 и процентным приростом концентраций витамина D в концентрации 25-OH. Авторы пришли к выводу, что всплеск роста, наблюдаемый у детей с рахитом после приема витамина D, опосредуется повышением IGF-1 [ 79 ]. Следовательно, регуляция IGFBP-3, а затем и IGF-1 потенциально может влиять на структуру и функции мышц напрямую ().

Потенциальное действие витамина D на клетки VDR: рецептор витамина D

В дополнение к вышеупомянутому действию недавно был охарактеризован независимый от генома путь действия витамина D [ 80 , 81 ] в результате чего 1,25-OH витамин D участвует в быстрой регуляции мембранных кальциевых каналов в клетках скелетных мышц [ 82 ]. Мембранный рецептор с более высокой молекулярной массой, чем внутриядерный рецептор витамина D (известный как мембраносвязанный белок быстрого реагирования, связывающий стероиды (MARRS) [ 67 ]), специфичный для 1,25-ОН, витамин D был идентифицирован в клетках животных [ 83 ]. Хотя точный механизм негеномного действия витамина D остается спорным, общепризнанно, что уровни витамина D оказывают быстрое влияние на мембранные кальциевые каналы мышечных клеток у многих видов [ 67 , 81 , 84 ]. Поскольку кальций является критическим модулятором функции скелетных мышц [ 72 ] следует, что уровни витамина D могут оказывать существенное влияние на мышечную функцию, работоспособность и потенциальный риск травмы.

Полиморфизм VDR и производительность

Расположен на хромосоме 12 (12q13.11) [ 85 ] известно, что VDR имеет различные генетические полиморфизмы, включая Bsm1, Fok1, Apal, Taq1, которые связаны с различными функциональными исходами [ 60 , 69 , 70 , 86 ]. Полиморфизм Fok1 включает переход T в C в экзоне 2 гена VDR, что приводит к более короткой (424) аминокислоте VDR, чем аллель T (427) [ 87 ], и был связан с изменениями минеральной плотности обеих костей [ 88 ], дифференциальные реакции плотности кости на силовые тренировки [ 89 , 90 ], обезжиренная масса и риск возрастной саркопении [ 60 ]. Было обнаружено, что у пациентов, страдающих хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ), гомозиготы Fok1 C (также известные как FF) имеют значительно более слабые квадрицепсы, чем СТ-гетерозиготы или T (ff) гомозиготы [ 70 ]. В поперечном исследовании 501 здоровая женщина старше 70 лет была оценена на наличие четырехглавой мышцы и силы сцепления [ 69 ] и генотип VDR Bsm1 (однонуклеотидный полиморфизм, обнаруженный в интроне 8 [ 87 ]). Генотип bb оказался значительно сильнее, чем генотип BB или гетерозиготы. Этот результат был воспроизведен в исследовании с участием пациентов с ХОБЛ, в результате которого полиморфизм bb снова был связан с более сильными мышцами четырехглавой мышцы [ 70 ]. В отличие от Grundberg [ 68 ] оценили взаимосвязь между полиморфизмом Bsm1 и мышечной силой с использованием 170 шведских женщин в пременопаузе и обнаружили, что женщины, гомозиготные по Bsm1 BB или поли-А-повторам, имеют более высокую прочность подколенных сухожилий, чем генотипы bb или LL. Кроме того, не было обнаружено существенных связей между полиморфизмами VDR и силой сцепления или силой четырехглавой мышцы. Бахат и др. [ 86 ] обнаружил такую ​​же тенденцию у пожилых мужчин.