Molecular and systemic responses after selected exercise protocols in healthy and in patients with inflammatory myopathies

Exercise is a stress stimulus for the human organism. The relationship between exercise characteristics (intensity and duration) and the hormonal responses that are triggered by exercise varies depending on the multiple factors that relate to the response regulation and the exercise protocol characteristics. The aim of this study was to determine the effects of a moderate aerobic exercise bout on the Hypothalamo-Pituitary-Adrenal (HPA) axis and the GH/IGF-1 axis acute hormonal responses in healthy adult humans. METHODOLOGY: Twelve healthy volunteers, 8 males and 4 females (age: 30.6±4.4 yrs, body weight: 77.3±12.3 kg and height: 1.77±0.07 m) performed a single bout of a 30 min aerobic exercise at 70%VO2max on a treadmill, following standard diet. Blood samples were collected before (tπ), at the point when target heart rate was reached (t0), at the end of the exercise bout (t30) and 30 min after the completion of exercise (t60). Serum adrenocorticotropic hormone (ACTH), serum cortisol (COR ser), saliva cortisol (COR sal), aldosterone (ALDO) and renin (REN), insulin (INS), insulin-like growth factor 1 (IGF-1), prolactin (PRL), as well as Interleukin-6 (IL-6) and C-reactive protein (CRP) were measured at the aforementioned time points. The selected aerobic exercise protocol was also applied after dexamethasone administration aiming to cause inhibition of the HPA axis and after Synacthen administration aiming to cause HPA axis stimulation. The same hormones were measured for all three phases for the above time points. Statistical analysis was performed with non-parametric tests two-way ANOVA and One-way ANOVA. Pearson (r) correlation coefficient was applied. RESULTS: ACTH and COR ser decreased with exercise reaching statistical significance 30΄ after the end of exercise (p<0.05 and p<0.001 respectively). ALDO increased non-significantly at the end of exercise and remained increased 30΄ after the end of exercise. These changes relate to raw data and were not statistically significant, however further analysis of percentage values when compared to tπ showed statistical significance. ALDO increased significantly at the end of exercise (p<0.001) and increased further 30΄ after the end of exercise (p<0.001). REN increased significantly at the end of exercise (p<0.05). INS decreased at the end of exercise reaching significant decrease 30΄ after the end of exercise (p<0.05). Further analysis of the percentage values showed that INS significantly decreased at the end of exercise too (p<0.05), when compared to tπ. GH significantly increased at the end of exercise (p<0.001), yet 30΄ after the end of exercise showed decrease without reaching pre-exercise levels (tπ). This decrease was significantly significant only when compared to t30 (p<0.001). IGF-1 and PRL did not change significantly. IL-6 increased non-significantly at the end of exercise and remained non-significantly raised. When percentage values were analyzed, in comparison to tπ, IL-6 significantly increased at the end of exercise (p<0.01) and remained increased 30΄ after the end of exercise. CRP decreased 30΄ after the end of exercise, without reaching statistical significance. Under inhibition conditions of the HPA axis (Phase B), ACTH and COR remained at low levels, as expected. When percentage values were analyzed for COR sal it was shown that COR sal increased significantly at the end of exercise (p<0.05) and 30΄ after the end of exercise (p<0.05). ALDO increased non-significantly at the end of exercise and decreased 30΄ after the end of exercise, reaching statistical significance 30΄ after the end of exercise in comparison to t30 (p<0.05). INS significantly decreased at the end of exercise (p<0.05) and further decreased 30΄ after the end of exercise (p<0.05). GH significantly increased at the end of exercise (p<0.001), while 30΄ after the end of exercise decreased significantly without reaching pre-exercise levels (p<0.001). IGF-1 remained unchanged at the end of exercise. PRL significantly increased at the end of exercise (p<0.05) and then it decreased without reaching pre-exercise levels. IL-6 increased significantly at the end of exercise (p<0.05) and further increased 30΄ after the end of exercise (p<0.001). When percentage values were analyzed, in comparison to tπ, IL-6 showed significant increase at the end of exercise (p<0.01) as well as 30΄ after the end of exercise (p<0.01). IL-6 showed significant increase 30΄ after the end of exercise, in comparison to t30 (p<0.01). CRP did not demonstrate differences. Under stimulation conditions of the HPA axis COR ser and COR sal significantly increased as it was expected at the end of exercise (p<0.001) and 30΄ after the end of exercise (p<0.001). COR sal, significantly increased at the end of exercise (p<0.001) and 30΄ after the end of exercise (p<0.001). ALDO significantly increased at the end of exercise (p<0.05). Further analysis of percentage values showed that ALDO remained significantly increased 30΄ after the end of exercise (p<0.01). INS significantly decreased 30΄ after the end of exercise (p<0.05). GH significantly increased at the end of exercise (p<0.001) while 30΄ after the end of exercise it decreased significantly without reaching pre-exercise levels (p<0.001). IGF-1 remained unchanged at end of exercise. PRL showed a significant increase at the end of exercise (p<0.01) only after analysis of the percentage values. IL-6 increased at the end of exercise reaching statistical significance 30΄ after the end of exercise (p<0.01). When percentage values changes were analyzed, in comparison to tπ, IL-6 showed significant increase at the end of exercise (p<0.001) as well as 30΄ after the end of exercise (p<0.05). IL-6 showed significant increase 30΄ after the end of exercise in comparison to t30 (p<0.01). CRP did not change with exercise. DISCUSSION: DISCUSSION: The main findings of the current study were that ACTH and COR decreased whereas ALDO and REN increased after the selected aerobic exercise bout. The selected aerobic protocol increased GH and decreased COR. Dexamethasone administration did not affect the GH response to exercise. Also, the fact that GH increased while COR ser decreased may suggest that there is a positive (anabolic) exercise-induced outcome for healthy and possibly diseased population. GH response to exercise decreased under HPA axis inhibition conditions. Under HPA axis stimulation conditions, GH response increased. Exercise did not seem to change the physiological response of COR. GH responses were not affected by the HPA axis. These findings suggest that the exercise regimen used in this study had beneficial effects on the stress axis, implying that specific exercise protocols can be characterised by mild physiological stress-inducing effects, hence be prescribed for special diseased populations.Η σωματική άσκηση αποτελεί μια μορφή φυσιολογικού στρες για τον οργανισμό, ωστόσο η σχέση μεταξύ των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών (έντασης και διάρκειας) της άσκησης και των ορμονικών αποκρίσεων που σχετίζονται με το στρεσογόνο αυτό ερέθισμα είναι συχνά διαφορετική, εξαιτίας τόσο των πολλών παραγόντων που εμπλέκονται στη ρύθμιση αυτών των αποκρίσεων όσο και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των πρωτόκολλων άσκησης. Σκοπός αυτής της μελέτης ήταν να διερευνηθούν ειδικότερα οι ορμονικές απαντήσεις που σχετίζονται με τον υποθαλαμο-υποφυσιο-επινεφριδιακό (HPA) άξονα (ο οποίος συνδέεται με το στρες) σε υγιείς εθελοντές μετά από ένα πρωτόκολλο άσκησης μέτριας έντασης και μέσης διάρκειας. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ: Δώδεκα υγιείς εθελοντές, 8 άνδρες and 4 γυναίκες (ηλικία: 30.6±4.4 έτη, σωματική μάζα: 77.3±12.3 kg και ανάστημα: 1.77±0.07 m) εκτέλεσαν άπαξ ένα πρωτόκολλο αερόβιας άσκησης διάρκειας 30΄, με ένταση 70% VO2max σε κυλιόμενο τάπητα, μετά από καθορισμένη δίαιτα. Δείγματα αίματος συλλέχτηκαν πριν την άσκηση (tπ), κατά την επίτευξη σταθερής έντασης άσκησης 70% VO2max (t0), στο τέλος της τριαντάλεπτης άσκησης (t30) και 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (t60). Μετρήθηκαν οι ορμόνες αδρενοκορτικοτρόπος (ACTH), κορτιζόλη ορού (COR ser), κορτιζόλη σιέλου (COR sal), αλδοστερόνη (ALDO), ρενίνη (REN), ινσουλίνη (INS), αυξητική ορμόνη (GH), ινσουλινομιμητικός αυξητικός παράγοντας-1 (IGF-1), προλακτίνη (PRL), καθώς και η ιντερλευκίνη (IL-6) και η C-αντιδρώσα πρωτεΐνη (CRP). Το ίδιο πρωτόκολλο άσκησης εφαρμόστηκε μετά από χορήγηση δεξαμεθαζόνης για πρόκληση καταστολής του υποθαλαμο-υποφυσιο-επινεφριδιακού άξονα και μετά από χορήγηση τετρακοσακτίδης (Synacthen) για πρόκληση διέγερσης του υποθαλαμο-υποφυσιο-επινεφριδιακού άξονα και μετρήθηκαν οι ίδιες ορμόνες και παράγοντες στα ίδια χρονικά σημεία. Για τη στατιστική ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν μη παραμετρικά τεστ Two-way ANOVA και One-way ANOVA καθώς και o συντελεστής συσχέτισης Pearson (r). ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ: Οι ACTH και COR ser μειώθηκαν μετά την άσκηση κι έφτασαν σε στατιστική σημαντικότητα (p<0.01) 30΄ μετά την ολοκλήρωση της άσκησης. Η ALDO αυξήθηκε στο τέλος της άσκησης και παρέμεινε αυξημένη 30΄ μετά τη συμπλήρωση της άσκησης. Αυτές οι αλλαγές στις πρωτογενείς τιμές δεν ήταν στατιστικά σημαντικές, ωστόσο η περαιτέρω ανάλυση των ποσοστιαίων μεταβολών σε σύγκριση με τον χρόνο tπ ανέδειξε στατιστική σημαντικότητα αυτών των μεταβολών. Η ALDO παρουσίασε σημαντική αύξηση στο τέλος της άσκησης (p<0.001) και αυξήθηκε περαιτέρω 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (p<0.001). Η REN αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.05) και παρέμεινε αυξημένη 30΄ μετά το τέλος της άσκησης. Η INS μειώθηκε στο τέλος της άσκησης και έφτασε σε στατιστική σημαντικότητα (p<0.05) 30΄ μετά το τέλος της άσκησης. Η περαιτέρω ανάλυση των ποσοστιαίων μεταβολών σε σύγκριση με το χρόνο tπ, ανέδειξε σημαντική πτώση της INS και στο τέλος της άσκησης (p<0.05). Η GH αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.001), ενώ 30΄ μετά το τέλος της παρουσίασε μείωση χωρίς να φτάσει όμως στα προασκησιακά επίπεδα (tπ). Η μείωση αυτή ήταν στατιστικά σημαντική μόνο σε σύγκριση με τον χρόνο t30 (p<0.001). Ο IGF-1 και η PRL δεν παρουσίασαν σημαντικές μεταβολές. Η IL-6 αυξήθηκε μη στατιστικώς σημαντικά στο τέλος της άσκησης και παρέμεινε αυξημένη 30΄ μετά το τέλος της άσκησης. Όταν αναλύθηκαν οι ποσοστιαίες μεταβολές σε σύγκριση με τον χρόνο tπ, η IL-6 αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.01) και παρέμεινε αυξημένη 30΄ μετά το τέλος της άσκησης. Η CRP μειώθηκε 30΄ μετά το τέλος της άσκησης, χωρίς να εμφανίσει στατιστική σημαντικότητα. Σε συνθήκες καταστολής του υποθαλαμο-υποφυσιο-επινεφριδιακού άξονα, οι ACTH και COR παρέμειναν σε σταθερά και σε χαμηλά επίπεδα, αντίστοιχα, όπως ήταν αναμενόμενο. Όταν αναλύθηκαν οι ποσοστιαίες μεταβολές της COR sal, βρέθηκε ότι αυτή αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.05) και 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (p<0.05). Η ALDO αυξήθηκε, όχι σημαντικά, στο τέλος της άσκησης και μειώθηκε 30΄ μετά την ολοκλήρωση της άσκησης, φτάνοντας σε στατιστικά σημαντικά επίπεδα 30΄ μετά την ολοκλήρωση της άσκησης, σε σύγκριση με τον χρόνο t30 (p<0.05). Η INS μειώθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.05) και μειώθηκε περαιτέρω 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (p<0.05). Η GH αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.001) ενώ 30΄ μετά το τέλος της άσκησης μειώθηκε σημαντικά χωρίς, ωστόσο, να φτάσει στα προασκησιακά επίπεδα (p<0.001). Ο IGF-1 δεν επηρεάστηκε από την άσκηση. Η PRL αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.05) και στη συνέχεια μειώθηκε χωρίς πλήρη επαναφορά της στα προασκησιακά επίπεδα. Η IL-6 αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.05) και αυξήθηκε σημαντικά περαιτέρω 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (p<0.001). Επίσης, όταν αναλύθηκαν οι ποσοστιαίες μεταβολές της σε σύγκριση με τον χρόνο tπ, η IL-6 παρουσίασε σημαντική αύξηση τόσο στο τέλος της άσκησης (p<0.01) όσο και 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (p<0.01). Η IL-6 παρουσίασε σημαντική αύξηση 30΄ μετά το τέλος της άσκησης και σε σύγκριση με τον χρόνο t30 (p<0.01). Η CRP δεν παρουσίασε σημαντικές μεταβολές. Σε συνθήκες διέγερσης του ΗΡΑ άξονα οι COR ser και COR sal αυξήθηκαν σημαντικά, όπως ήταν αναμενόμενο, στο τέλος της άσκησης (p<0.001) και 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (p<0.001). Η COR sal αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.001) και 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (p<0.001). Η ALDO αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.05). Η περαιτέρω ανάλυση των ποσοστιαίων μεταβολών της ALDO έδειξε πως παρέμεινε σημαντικά αυξημένη 30΄ μετά την ολοκλήρωση της άσκησης (p<0.01). Η INS μειώθηκε και έφτασε σε στατιστικά σημαντική μείωση 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (p<0.05). Η GH αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.001) ενώ 30΄ μετά το τέλος της άσκησης μειώθηκε σημαντικά χωρίς, ωστόσο, να φτάσει στα προασκησιακά επίπεδα (p<0.001). Ο IGF-1 δεν άλλαξε μετά την άσκηση. Η PRL αυξήθηκε σημαντικά στο τέλος της άσκησης (p<0.01) μόνο για τις αναλύσεις των ποσοστιαίων μεταβολών. Η IL-6 αυξήθηκε στο τέλος της άσκησης φτάνοντας σε στατιστική σημαντικότητα 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (p<0.01). Επίσης, όταν αναλύθηκαν οι ποσοστιαίες μεταβολές της σε σύγκριση με τον χρόνο tπ, η IL-6 παρουσίασε σημαντική αύξηση τόσο στο τέλος της άσκησης (p<0.001) όσο και 30΄ μετά το τέλος της άσκησης (p<0.05). Η IL-6 παρουσίασε σημαντική αύξηση 30΄ μετά το τέλος της άσκησης και σε σύγκριση με τον χρόνο t30 (p