Caffeina, variazione genetica e prestazioni atletiche (GMC-AP)

Metodi di ricerca e progettazione

Design sperimentale:

Questo disegno di studio randomizzato, in doppio cieco, controllato con placebo, contromisurato all'interno dei soggetti includerà 100 atleti maschi provenienti da una varietà di sport. Le femmine non saranno incluse in questo studio perché l'uso di contraccettivi ormonali, che è comune tra le atlete, e il tempo del ciclo mestruale hanno un effetto significativo sul metabolismo della caffeina e sulle misure delle prestazioni del test da sforzo. Il controllo di questi fattori richiederebbe un pool molto più ampio di partecipanti e richiederebbe risorse e tempo considerevoli. Tuttavia, se i risultati della ricerca proposta mostrano risultati promettenti negli uomini, mireremo a replicare tali risultati nelle atlete.

I partecipanti completeranno 4 visite (~ 90-120 min ciascuna) nel Laboratorio di ricerca sulla fisiologia umana nel Goldring Centre presso l'Università di Toronto. Tutti i test si svolgeranno dal lunedì al sabato in orari diversi. I partecipanti saranno istruiti a mantenere la loro dieta regolare (i pasti pre-test verranno replicati per tutte le visite) e le abitudini del sonno, evitare attività faticose 48 ore prima di ogni visita e astenersi dalla caffeina una settimana prima della prima visita e per la durata di la raccolta dei dati (4 settimane).

Calcolo della dimensione del campione

Parametri:

Dimensione dell'effetto = 0,25: Sebbene in una ricerca precedente (0,38) fosse stata trovata una dimensione dell'effetto di grandi dimensioni per l'effetto del trattamento principale, si è deciso che, per essere prudenti, questo studio sarebbe stato potenziato per rilevare una dimensione dell'effetto medio-piccola che è ancora di importanza fisiologica. Inoltre, siamo interessati agli effetti tra le due dosi di caffeina che si presume siano inferiori all'effetto principale del trattamento. Pertanto, era necessaria una dimensione dell'effetto medio-piccola per garantire un potere statistico sufficiente per trarre conclusioni sull'effetto tra la caffeina per l'analisi della prova a tempo. Infine, altri parametri di valutazione come il salto verticale per la potenza avranno probabilmente una dimensione degli effetti inferiore rispetto alla prova a tempo, come riportato da Tucker et al. (2013) in uno studio sulle prestazioni di salto verticale nei giocatori di basket maschi. Pertanto, sarebbe necessaria una dimensione dell'effetto più piccola per potenziare adeguatamente lo studio per tutte le misure di esito (ad es. potenza, forza anaerobica, aerobica ecc.)

• Alfa (probabilità di errore) = 0,025: in generale, un alfa = 0,05 è il valore standard da utilizzare per questo parametro. Tuttavia, nel nostro studio i partecipanti saranno arruolati in una serie di prove indipendenti, e quindi si è deciso di utilizzare un alfa inferiore in modo da tenere conto dell'errore che può derivare da confronti multipli come per sport (potenza o resistenza) più genotipo (rischio o variante comune).
• Potenza (probabilità 1-Beta) = 0,8: per la potenza è stato utilizzato il valore convenzionale di 0,8.
• Numero di gruppi = 2: numero di stratificazioni richieste per l'analisi dei sottogruppi del genotipo
• Numero di misurazioni = 4: Le prove di laboratorio
• Correlazione tra misure ripetute = 0: si presumeva una correlazione zero tra le misure.
• Dimensione del campione = 74: in base ai calcoli sono richiesti 74 partecipanti. Recluteremo 100 atleti per tenere conto di possibili ritiri fino al 25%, senza potenzialmente compromettere la significatività statistica dei nostri risultati. Inoltre, se scegliamo di utilizzare confronti multipli (genotipo + sport) trarremmo vantaggio da un campione più ampio per ridurre al minimo il calo delle dimensioni dell'effetto.

Reclutamento

Il reclutamento verrà effettuato presso l'Università di Toronto, i campus della Ryerson e della York University, il Canadian Sport Institute of Ontario e presso i club locali di corsa/triathlon mediante volantini affissi in luoghi appropriati. Verrà inoltre inviata un'e-mail standard con lo studio e le informazioni di contatto agli allenatori e/o ai direttori di programma delle squadre/club sportivi (in tutte le località sopra elencate) con gli atleti idonei, che potranno quindi scegliere di informare i propri atleti dello studio.

Parametri di valutazione

Dati fisiologici raccolti da due chinesiologi qualificati, un fisiologo dell'esercizio di livello PhD, un assistente studente e Nanci Guest, lo studente laureato.

Caratteristiche antropometriche e cliniche

• Le misurazioni della pressione arteriosa sistolica (SBP) e diastolica (DBP) a riposo, così come la frequenza cardiaca, verranno effettuate due volte, a distanza di un minuto. Verrà presa la media delle due letture consecutive.
• La frequenza cardiaca verrà misurata prima di tutti i test per garantire la calma dei partecipanti e uno stato fisiologico simile per tutti i test e i giorni di test.
• La frequenza cardiaca sarà monitorata per tutta la durata delle prove (Visita 2-4) da Polar Heart Rate Monitors (Polar Electro, Finlandia)
• L'altezza sarà misurata con l'approssimazione di 0,1 cm utilizzando uno stadiometro a parete e il peso corporeo sarà misurato con l'approssimazione di 0,1 kg utilizzando una bilancia digitale con il partecipante che indossa abiti leggeri e senza scarpe.
• Il valore del peso corporeo verrà utilizzato per determinare i dosaggi di 2 e 4 mg per chilogrammo di massa corporea per i trattamenti con caffeina (più una dose di placebo) che verranno ingeriti in ordine casuale (derivato dall'assistente di ricerca e cieco a tutti i ricercatori) durante le visite 2, 3 e 4, nelle successive tre settimane.
• La composizione corporea sarà valutata da una scala di bioimpedenza (BC-558 Ironman Segmental Body Composition Monitor)

Prove di esercizio

Caratteristiche descrittive

La massima capacità aerobica sarà valutata da un test VO2 max su un cicloergometro. Questo test fa parte dei dati descrittivi e verrà utilizzato per determinare la resistenza impostata nella prova a cronometro (potenza di picco del 65%). I partecipanti saranno sottoposti a un test di esercizio graduato su un cicloergometro Monark (Groningen, Paesi Bassi) fino alla fatica volontaria. Per determinare il consumo massimo di ossigeno (VO2Max), i campioni di aria saranno analizzati per le concentrazioni di ossigeno e anidride carbonica tramite un sistema spirometrico indiretto a circuito aperto (Parvomedics, Metabolic Cart, Sandy, Utah). I soggetti verranno impostati con un cardiofrequenzimetro Polar.

Quattro principali misure di esito (potenza, forza, capacità anaerobica e aerobica)

• La potenza muscolare sarà valutata utilizzando il Vertical Jump Test (VJT) come descritto in precedenza (5). I partecipanti completeranno due tentativi in ​​ciascuno dei due test di salto verticale su una pedana di forza (AMTI, Watertown, MA, USA).

  1. squat jump (SJ): da una posizione accovacciata (angolo del ginocchio: 90° circa) in cui non viene eseguito alcun contromovimento preliminare;
  2. salto contromovimento (CMJ): dalla posizione eretta in piedi con un contromovimento preliminare; Ci sarà un periodo di riposo di 30 secondi tra i salti e verrà registrato il miglior punteggio di due.
• La forza (parte superiore del corpo) sarà valutata utilizzando un dinamometro a impugnatura (Lafayette Instrument Company modello 78010). Verrà registrato il punteggio più alto dopo 3 prove (in kg).

• La capacità anaerobica sarà valutata utilizzando il Wingate Anaerobic Test su un cicloergometro (Ergomedic 849E, Monark, Svezia). I partecipanti pedaleranno contro una resistenza fissa di 0,085 kg/kg di massa corporea. Durante il test verranno registrate tre misure principali:

  • Potenza di picco (PP): una misura della potenza anaerobica massima o la potenza massima raggiunta per un periodo di 5 secondi durante i primi 10 secondi del test. PP sarà registrato in Watt (W) e W/kg.
  • Potenza media (MP): una misura della capacità anaerobica o la potenza media raggiunta durante il test di 30 secondi. MP sarà registrato in W e W/kg.
  • Indice di fatica (FI): una misura della velocità di diminuzione della potenza, o la differenza tra la massima potenza erogata in 5 secondi e la minima potenza erogata in 5 secondi, divisa per il tempo trascorso. FI sarà registrato come percentuale.
• Resistenza/capacità aerobica e potenza saranno valutate da una prova a cronometro ciclistica (TT). I partecipanti saranno istruiti a completare una cronometro a cronometro di 10 km, effettuata su un cicloergometro (Monarch Sports and Medical, Vansbro, Svezia), il più rapidamente possibile senza alcun feedback temporale, verbale, fisiologico. Tempo necessario per completare il test e media la potenza erogata verrà registrata al termine di ciascuna prova.

Test aggiuntivi durante il test da sforzo

• Test del lattato nel sangue. Immediatamente dopo il test Wingate, ai partecipanti verrà punto il dito con una lancetta usa e getta per perforare la pelle e ottenere un campione di sangue capillare per l'analisi con l'analizzatore Lactate Pro (LT-1710, Arkray Inc, Kyoto, Giappone)
• Valutazione dello sforzo percepito (RPE) - La scala Borg per RPE verrà utilizzata per valutare la percezione della fatica da parte dei soggetti.

Genotipizzazione

I campioni di saliva saranno raccolti durante la visita 1 del test da sforzo utilizzando il kit Oragene-500 per l'isolamento del DNA utilizzando procedure standard come descritto in precedenza. Condurremo uno studio di associazione su tutto il genoma, che è un approccio che prevede la scansione di marcatori attraverso i genomi di i nostri partecipanti allo studio insieme, non individui, per trovare variazioni genetiche associate a un tratto particolare come VO2 max, efficienza di eliminazione del lattato, tipo di fibra muscolare e cambiamenti nelle prestazioni dell'esercizio dopo la caffeina. Esamineremo anche le variazioni genetiche note associate al metabolismo e alla risposta della caffeina, per determinare se questi geni influenzano anche la risposta all'esercizio dopo che i soggetti hanno ingerito caffeina.

Valutazione dell'assunzione dietetica

I soggetti completeranno un questionario semi-quantitativo sulla frequenza alimentare di 196 voci per determinare l'assunzione abituale di caffeina e altri fattori dietetici. Le informazioni sull'assunzione dietetica verranno utilizzate per identificare potenziali modificatori degli effetti come il consumo abituale di caffeina.

Valutazione della salute, dello stile di vita e dell'attività fisica

Il questionario sulla salute generale, lo stile di vita e l'attività fisica (GHLPA) includerà domande dettagliate sulla caffeina (ad es. abitudini di assunzione, effetti di astinenza, ecc.), precedentemente utilizzato nel nostro laboratorio, combinato con un questionario validato sull'attività fisica abituale/storia sportiva precedentemente utilizzato per valutare lo sport/l'attività fisica negli atleti.

Analisi statistica

Le analisi saranno effettuate utilizzando il software statistico SAS (Versione 9.2, NC, USA, 2009). In breve, riporteremo dati descrittivi (altezza, peso, età, pressione sanguigna, assunzione e abitudini di caffeina, percentuale di grasso corporeo, VO2max, anni nello sport, ore di allenamento settimanali, dati di valutazione dietetica e altre misure dello stile di vita) confronti tra gruppi di genotipi utilizzando test t indipendenti. Le potenziali differenze di VO2max, cronometro di 10 km, capacità anaerobica, soglia del lattato, potenza e forza e tasso di sforzo percepito saranno valutate utilizzando l'analisi della varianza per misure ripetute (RMANOVA) con il trattamento come fattore all'interno dei partecipanti e il genotipo come fattore tra i partecipanti fattore. Per tutte le procedure RMANOVA, i test posthoc saranno eseguiti utilizzando t-test indipendenti e dipendenti con una correzione di Bonferroni tale che P<0.05 sarà richiesto come soglia di significatività.

Procedura sperimentale

Screening iniziale: telefonata o visita di persona

I potenziali partecipanti verificheranno la loro partecipazione sportiva e la capacità di impegnarsi in quattro visite di 2 ore al laboratorio a distanza di 7 giorni. Ai partecipanti verrà ricordata l'importanza di mantenere la loro dieta regolare. L'importanza dell'astinenza dalla caffeina richiesta, inclusi eventuali integratori contenenti caffeina per 7 giorni prima della prima visita e la durata dello studio (4 settimane) sarà sottolineata e ribadita.

Visita 1 (~90 min)

La prima visita al laboratorio comporterà la familiarizzazione e l'ottenimento del consenso informato scritto da tutti i partecipanti dopo una spiegazione sugli obiettivi, benefici e rischi connessi con lo studio. I partecipanti saranno informati che sono liberi di ritirarsi dallo studio in qualsiasi momento.

Ogni soggetto completerà un questionario sulla "preparazione all'esercizio" (PAR-Q; Physical Activity Readiness Questionnaire) raccoglierà dati descrittivi e antropometrici, tra cui data di nascita, altezza, massa corporea e pressione sanguigna, e fornirà anche un campione di saliva per Isolamento del DNA e genotipizzazione. Durante questa prima visita, verrà misurato anche il massimo consumo di ossigeno (VO2 max; descritto di seguito) per i dati di riferimento descrittivi e per derivare i livelli di carico di lavoro per le prove sperimentali a tempo nelle successive visite di test.

Visita 2, 3 e 4 (~120 min)

Tutte e tre le visite saranno identiche ad eccezione del periodo di attesa di 20 minuti (quindi inizia il riscaldamento pre-test di 10 minuti) affinché la concentrazione sierica dei livelli di caffeina raggiunga i livelli di picco, in cui il partecipante completerà un questionario diverso o si siederà tranquillamente con la propria attività.

All'arrivo i partecipanti saranno stati assegnati in modo casuale (per mantenere l'accecamento) per ingerire il supplemento a 2 o 4 mg di caffeina per kg di peso corporeo o destrosio placebo (PLAC). Ogni partecipante ingerirà lo stesso numero di capsule con colore e dimensioni identiche durante ogni visita, sia che si tratti di 0, 2 o 4 mg/kg, al fine di mantenere il trattamento in doppio cieco. Ogni soggetto completerà un questionario o siederà in silenzio (ad es. lettura, utilizzo di dispositivi elettronici ecc.) in attesa del primo test da sforzo.

Il protocollo del test da sforzo sarà identico per le visite 2, 3 e 4. Dopo 20 minuti, i partecipanti si riscalderanno per 10 minuti e quindi eseguiranno 4 test di esercizio (a partire da 30 minuti dopo l'ingestione di caffeina) per determinare diverse misure di prestazione:

io. Potenza muscolare - Test di salto verticale

ii. Forza - Dinamometro da impugnatura

iii. Capacità anaerobica - Wingate

iv. Endurance/capacità aerobica (potenza aerobica) - 10 km di ciclismo a cronometro

I partecipanti possono bere acqua ad libitum durante i test da sforzo.