Hochintensives Intervalltraining für übergewichtige Personen

Bedeutung Die Adipositas-Epidemie ist ein weltweites Problem der öffentlichen Gesundheit. Jüngste Daten zeigen, dass über 650 Millionen Erwachsene auf der ganzen Welt (~13 %) als fettleibig gelten. Adipositas ist einer der Hauptrisikofaktoren für Typ-2-Diabetes mellitus (T2D) und 90 % der T2D-Fälle sind auf überschüssige Fettmasse zurückzuführen. Es wird angenommen, dass die Verbindung zwischen Fettleibigkeit und T2D intrinsisch mit der Insulinresistenz (IR) zusammenhängt. IR ist gekennzeichnet durch eine abgeschwächte Wirkung von Insulin auf die Senkung des zirkulierenden Blutzuckers auf Ganzkörperebene und/oder eine geringere Reaktion bestimmter Gewebe auf die Wirkung von Insulin. Beispielsweise ist die Skelettmuskulatur für ca. 70 % der durch Insulin stimulierten postprandialen Glukoseaufnahme verantwortlich und spielt eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Ganzkörper-Insulinsensitivität und der glykämischen Homöostase. Darüber hinaus ist IR einer der frühesten nachweisbaren Defekte, die einer Hyperglykämie vorausgehen und bis zu 10 Jahre vor der Diagnose von Diabetes vorhanden sind.

Obwohl die Ursache der durch Adipositas verursachten IR komplex und multifaktoriell ist, sind die vorteilhaften Wirkungen von körperlichem Training zur Vorbeugung und Behandlung von IR gut bekannt. Bei Personen mit IR ist eine Verbesserung der Insulinwirkung auf den Glukosestoffwechsel der Skelettmuskulatur einer der Haupteffekte, die durch körperliches Training induziert werden. Frühere Forschungen haben beispielsweise gezeigt, dass eine einzige Trainingseinheit den zellulären Stress reduziert, was zu einer belastungsinduzierten Erhöhung der Insulinsensitivität beitragen kann. Trotz der Wirksamkeit des Bewegungstrainings auf IR erreicht die Mehrheit der Personen nicht das empfohlene Mindestmaß an körperlicher Aktivität: 30 Minuten oder mehr körperlicher Aktivität mittlerer Intensität an mindestens 5 Tagen pro Woche oder 20 Minuten intensiver körperlicher Aktivität an mindestens 3 Tagen Tage pro Woche oder eine Kombination davon zusätzlich zu den Aktivitäten des täglichen Lebens. Bemerkenswert ist, dass Zeitmangel und Schwierigkeiten beim Zugang zu Sporteinrichtungen häufig als Hindernisse für körperliche Aktivität genannt werden.

In diesem Zusammenhang ist das hochintensive Intervalltraining (HIIT), das aus kurzen Phasen intensiver Belastung (≥ 80 % der maximalen Herzfrequenz) im Wechsel mit Phasen aktiver Erholung oder Ruhe besteht, eine relativ zeiteffiziente Trainingsstrategie zur Verbesserung metabolische Gesundheit und wurde als angenehmer angesehen als kontinuierliches Training mit mittlerer bis hoher Intensität. HIIT erhöht die oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur und induziert eine physiologische Umgestaltung, wie die Veränderungen, die durch kontinuierliches Aerobic-Training mit moderater Intensität gefördert werden. HIIT scheint bei der Verbesserung der Insulinsensitivität wirksam zu sein, insbesondere bei Personen mit einem Risiko für oder mit T2D. Eine frühere Studie mit 10 x 60-Sekunden-Zyklusintervallen (ca. 90 % der maximalen Herzfrequenz), unterbrochen von 60 Sekunden aktiver Erholung, dreimal pro Woche über einen Zeitraum von zwei Wochen, reduzierte die Hyperglykämie und erhöhte die oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur bei Patienten mit T2D. Kürzlich veröffentlichte Daten haben gezeigt, dass ein 8-wöchiges HIIT-Programm zu einer niedrigeren IR bei Personen mit Fettleibigkeit führte und auch eine stärkere Expression von Proteinen förderte, die mit dem oxidativen Stoffwechsel in der Skelettmuskulatur in Verbindung stehen. Obwohl HIIT eine effiziente Option zur Verbesserung der Insulinsensitivität und glykämischen Kontrolle bei Personen mit T2D-Risiko sein kann, wurden die meisten HIIT-Studien hauptsächlich in traditionellen Laborumgebungen durchgeführt und sind für die allgemeine Bevölkerung möglicherweise nicht praktikabel.

Innovation Der übliche Ansatz zur Untersuchung der Auswirkungen von Bewegung ist entweder die Verwendung von Laufbändern oder Fahrradergometern. Diese Ansätze haben eine begrenzte Übersetzung auf ein "echtes Wort"-Szenario. Zu den Hindernissen, die im Allgemeinen für ein regelmäßiges körperliches Aktivitätsprogramm genannt werden, gehören Zeitmangel, Schwierigkeiten beim Zugang zu Übungseinrichtungen und geringe Motivation. Das Ziel der vorgeschlagenen Studie ist es, die Auswirkungen eines HIIT-Programms unter Verwendung einer geeigneten Übungsalternative (Treppensteigen) auf IR bei Personen mit Adipositas und T2D-Risiko zu untersuchen. Treppensteigen kann als Aktivität des täglichen Lebens angesehen werden und ist leicht zugänglich. Frühere Studien haben gezeigt, dass ein kurzes Treppensteigen (< 6 min) die postprandiale Glukoseaufnahme bei Männern mittleren Alters mit eingeschränkter Glukosetoleranz und älteren T2D-Probanden akut erhöhte. Eine andere Studie zeigte, dass ein 6-wöchiges kurzes, hochintensives, intermittierendes Treppensteigprogramm die kardiorespiratorische Fitness bei gesunden Personen wirksam verbesserte, aber die IR nicht verbesserte. Vor kurzem untersuchte eine vorläufige Studie die Wirkung von 6-wöchigem kurzen intermittierenden Treppensteigen auf die glykämische Kontrolle bei Menschen mit T2D. Die Autoren berichteten, dass das Protokoll (3 x 1 Minute wiederholtes Auf- und Absteigen einer einzelnen Treppe) nicht ausreichte, um eine Verbesserung der Glukosekontrolle herbeizuführen. In diesem Zusammenhang war das Volumen zu niedrig (ca. 50 Stufen) und es gab keine Progression des Trainingsvolumens über die Zeit. Darüber hinaus zählten die Autoren die Zeit für das Hinabsteigen der Treppe als Teil des 1-Minuten-Kampfes, was die Zeit für das Hinaufsteigen der Treppe möglicherweise noch weiter verkürzt hat. Um diese Einschränkungen anzugehen, wird die vorgeschlagene Studie ein längeres Protokoll mit progressiver Erhöhung des Trainingsvolumens implementieren und nur die Zeit zählen, die mit dem Treppensteigen verbracht wird. Nach bestem Wissen des Autors hat keine Studie diesen Ansatz unter Verwendung von HIIT bei Personen mit Adipositas und einem T2D-Risiko getestet. Die Ergebnisse dieser Studie werden dazu beitragen, forschungsbasierte Beweise in die klinische Praxis zu übertragen und dazu beizutragen, Personen mit T2D-Risiko mit einem nicht-pharmakologischen und kostengünstigen Ansatz zu verhindern oder zu behandeln. Dieses Thema gehört zum Schwerpunktbereich "Cell and Organism" New Mexico - Idea Network of Biomedical Research Excellence (NM-INBRE), um das Verständnis der menschlichen Gesundheit zu verbessern.

Ansatz Die Studie ist ein 8-wöchiges Innersubjekt-Interventionsdesign, bei dem die Teilnehmer vor und nach der Intervention getestet werden. 20 Teilnehmer (10 Männer und 10 Frauen) werden aus der lokalen Gemeinschaft durch Plakatwerbung und Eins-zu-Eins-Interaktion rekrutiert. Vor der Zustimmung zur Teilnahme an der Studie erhalten die Teilnehmer eine schriftliche Einverständniserklärung, die vom institutionellen Prüfungsausschuss der örtlichen Institution genehmigt wird. Einschlusskriterien sind Body-Mass-Index (BMI) ≥ 30 kg/m2; Bewertung des Homöostasemodells für Insulinresistenz (HOMA-IR) ≥ 2,71; keine Angst, vollständig unter Wasser zu sein; Freiheit von orthopädischen Verletzungen, Diagnosen von T2D oder Glukoseintoleranz, bekannte akute oder chronische Krankheiten und aktuelle Einnahme von entzündungshemmenden, hypoglykämischen oder anderen Arzneimitteln, von denen bekannt ist, dass sie den Stoffwechsel beeinflussen. Probanden, die die anfänglichen Anforderungen erfüllen, werden nüchtern Blut abgenommen. Personen mit verändertem Glukosestoffwechsel (Nüchtern-Plasmaglukose > 126 mg/dl) werden ausgeschlossen. Die Forscher werden sicherstellen, dass Männer und Frauen mit unterschiedlichem ethnischem Hintergrund einbezogen werden. Die erforderliche Stichprobengröße wurde a priori basierend auf Änderungen im HOMA-IR unter Verwendung eines Alpha-Niveaus von 0,05 und einer Trennschärfe von 80 % berechnet. Vor dem Bewegungstraining werden die Teilnehmer einer Nüchternblutentnahme für Blutzucker- und Insulinmessungen, Anthropometrie und Analyse der Körperzusammensetzung und einem maximal abgestuften Belastungstest unterzogen.

Das Übungstrainingsprotokoll besteht aus 8 Wochen HIIT mit Treppensteigen mit einer Häufigkeit von 3 Mal pro Woche, insgesamt 24 Trainingseinheiten. In der ersten Woche des Treppentraining-Übungsprogramms treffen sich die Fächer im Unterrichtsbildungsgebäude der UNM (Treppe 2). In den folgenden 7 Wochen können die Probanden das Übungsprogramm auf einer Treppe durchführen, die für sie am bequemsten ist und vom Forschungsteam genehmigt wurde. Das Aufwärmen besteht aus 2 Minuten Treppenauf- und -abstieg in einem angenehmen Tempo. Die hochintensive intermittierende Übung besteht aus 6-12 x 30 Sekunden dauerndem Aufsteigen mit aller Anstrengung in einem moderaten Tempo. Zwischen den Trainingseinheiten findet eine 30-sekündige Geherholung statt. Nach der Übungssitzung wird der Proband während einer 2-minütigen Abkühlung gehen. Jede Sitzung dauert zwischen 10 und 15 Minuten. Die Anzahl der Kämpfe (6-12) wird im Laufe der Wochen schrittweise erhöht. Während der ersten (Woche 1) und letzten Woche (Woche 8) des Übungsprogramms werden die Probanden von einem ausgebildeten Übungsphysiologen überwacht. Während dieser überwachten Besuche werden die Herzfrequenz und die Bewertung der wahrgenommenen Anstrengung (OMNI-Skala) am Ende jedes Treppensteigens und nach aktiver Erholung gemessen. Die Probanden haben die Möglichkeit, bei Bedarf eine weitere Überwachung anzufordern. Die Wochen 2 bis 7 OMNI werden von den Probanden selbst aufgezeichnet.

Messungen Insulinresistenz - Nach einer 10-stündigen Fastenzeit und mindestens 72 Stunden vor und nach dem Training werden venöse Blutproben zur Messung von Blutzucker und Insulin entnommen. HOMA-IR (berechnet aus [Glukose (mmol)] x [Insulin (µU/ml)] ÷ 22,5) wird aus den Nüchternglukose- und Insulinkonzentrationen bestimmt.

Anthropometrische und Körperzusammensetzungsmessungen - Größe und Körpermasse werden mit einer analogen Waage mit gekoppeltem Stadiometer gemessen. Der BMI wird anhand der Körpergröße in m und der Körpermasse in kg berechnet. Die relativen Körperfettwerte (% BF) werden durch Unterwasserwägen (UWW) bei gemessenem Restlungenvolumen bestimmt. Die höchsten 3 UWW-Versuche ± 100 g werden gemittelt und zur Berechnung des Körpervolumens verwendet. Das Körpervolumen wird unter Verwendung der Trockenland-Sauerstoffverdünnungstechnik um das verbleibende Lungenvolumen korrigiert, sodass die Körperdichte berechnet und in die %BF-Formel umgewandelt werden kann.

Maximaler Sauerstoffverbrauch – Der maximale Sauerstoffverbrauch wird unter Verwendung eines Testprotokolls mit maximaler Rampe gemessen, das auf einem Laufband durchgeführt wird. Die Geschwindigkeit wird alle 60 Sekunden mit einer individuellen Rate erhöht, die auf dem Fragebogen zur Übungsgeschichte des Teilnehmers (Veterans Specific Activity Questionnaire) basiert, um innerhalb von 8 bis 12 Minuten Ermüdung herbeizuführen. Ausgeatmete Gase werden mit einem Stoffwechselwagen analysiert. Die Herzfrequenz (HR) wird kontinuierlich mit einem HR-Sendergurt (S810i-Serie, Polar, USA) aufgezeichnet.

Berechnungen und statistische Analysen Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt. Zur statistischen Auswertung wird eine Statistiksoftware verwendet. Der Shapiro-Wilk-Test wird verwendet, um die Datennormalität zu analysieren. Die Fläche unter der Kurve (AUC) für Insulin und Glukose wird nach der Trapezmethode berechnet. Für Studie 1 wird ein Student-t-Test verwendet, um die Auswirkungen des Trainings (vorher vs. nachher) zu analysieren. Für Studie 2 wird eine zweifache Varianzanalyse (ANOVA) verwendet, um die Wirkung der beiden Trainingsprotokolle zu testen (Faktor 1 = vor und nach 8 Wochen Training und Faktor 2 = einzelne Sitzung vs. mehrere Sitzungen). Wenn statistisch signifikante F-Werte beobachtet werden, wird ein Tukey-Post-Hoc-Test durchgeführt. Das Alpha-Niveau wird für statistische Signifikanz auf P ≤ 0,05 festgelegt.

Mögliche Probleme und Strategien: Dropout und Compliance sind Einschränkungen bei Trainingsinterventionen. Die Forscher werden zu drei verschiedenen Tageszeiten (am frühen Morgen, am Nachmittag und am Abend) Schulungen anbieten, um Menschen mit unterschiedlichen Zeitplänen gerecht zu werden. Außerdem werden die Teilnehmer für die Zeit entschädigt.