Nuovi orientamenti per Nuovi orientamenti per l’allenamento del trofismo l’allenamento del trofismo

muscolaremuscolare

Dott. Damiano Molinaro Docente e ricercatore Elav di prima fascia

TROFIA / IPERTROFIA muscolareTROFIA / IPERTROFIA muscolareaumento muscle cross sectional area (MCSA)aumento muscle cross sectional area (MCSA)

Aumento numeroAumento numerograndezza miofibrillegrandezza miofibrille

Aumento numero mitocondri

Aumento numero capillari (per fibra)

Aumento tessuto connettivo

Aumento concentrazione glicogeno

Attivazione muscolare per produrre forzaAttivazione muscolare per produrre forza

Risposta ormonale ed immunitariaRisposta ormonale ed immunitaria

Attivazione delle cellule satellitiAttivazione delle cellule satelliti

Sintesi proteicaSintesi proteica

Crescita muscolareCrescita muscolare

Paradigma della crescita muscolareParadigma della crescita muscolare

Attivazione muscolare per produrre forzaAttivazione muscolare per produrre forza

Risposta ormonale ed immunitaria

Attivazione delle cellule satelliti

Sintesi proteica

Crescita muscolare

Stress Stress metabolico metabolico meccanicomeccanico

Stress metabolico

Lo stress metabolico si manifesta come risultato di un esercizio che si basa sul metabolismo

per la produzione di ATP, che porta al susseguente incremento di metaboliti come il lattato, ioni idrogeno, fosfato inorganico, creatina

anaerobico alattacido / lattacido

Cady et al, J Physiol. 1989 Nov;418:327-37; Newham et al, Physiol. 1995 Nov 1;488 ( Pt 3):815-9

Metaboliti Riposo Affaticato

ATP 8 mM 8 (3) mM

ADP 10 µM 150 µM

PCr 40 mM 10 mM

Pi 6 mM 33 mM

pH 7.03 6.5

Lattato 0 mM 30 mM

METABOLITI SPETTROSCOPIA RMMETABOLITI SPETTROSCOPIA RM

costante

Stress metabolico 1In questo studio viene esaminato il ruolo nella produzione di

grandi tensioni con il costo metabolico nell’adattamento a seguito di un esercizio di forza

10 soggetti allenano un arto usando contrazione eccentrica (EL) e l’altro contrazione concentrica (CL) per 20 settimane. Il peso usato in EL era del 35% più alto che in CL

Fu misurata MCSA utilizzando la tomografia

computerizzata

Incrementi significativi nella MCSA furono

rilevati sia in EL che CL

Il costo metabolico e non alta tensione sviluppata da sola, sono coinvolte nello stimolo per l’ipertrofia muscolare

Smith RC Rutherford OM Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1995;71(4):332-6

Stress metabolico 2In questo studio viene esaminato il ruolo del cambiamento dei

metaboliti a seguito di un allenamento isometrico con contrazioni brevi e intermittenti (IC) e continue più lunghe (CC)

Fattori collegati a maggiori cambiamenti nei metaboliti durante l’allenamento CC portano a maggiore incrementi nella MCSA

7 soggetti si sono allenati 3 gg/settimana per 14 settimane. La gamba dx fu allenata

con 4x10, 3 s contrazione, 2 s riposo 2 min recupero tra i set. La gamba sx 4x30 s con 1

min recupero. In entrambi fu utilizzato il

70% MVC

Furono esaminati i cambiamenti nei

metaboliti fosfato e il pH durante i due protocolli

utilizzando la spettroscopia a

risonanza magnetica nucleare (NMRS)

Incrementi significativi nella MCSA per la gamba allenata con

CC. NMRS dimostrò un incremento maggiore

nei cambiamenti in CC

Schott J, McCully K, Rutherford OM Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1995;71(4):337-4

Stress metabolico

• Alte correlazioni sono state riportate tra concentrazione di lattato nel sangue e concentrazione sierica del GH (Kon M et al. Med Sci Sports Exerc. 2010 Jul;42(7):1279-8)

• Il lattato deve salire per somma di serie e non per serie prolungate

• E’ stato ipotizzato che un ambiente più acido promosso da un allenamento glicolitico, possa comportare un’aumentata degradazione della fibra (Buresh R et al. J Strength Cond Res 23: 62-71, 2009)

Stress meccanico

Il primo passo necessario per l’ipertrofia è l’attivazione delle unità motorie

RECLUTAMENTORECLUTAMENTOChiaramente, se un muscolo specifico non è stimolato a produrre forza, non risponderà e non si adatterà allo

stimolo. Per attivare una fibra muscolare, è necessario applicare un’intensità sufficiente

Stress meccanico• Carico: 70%≤carico≤85% del carico massimale• La velocità di spostamento del carico deve essere sempre

tendente al 100%. In genere, con il sopraggiungere della fatica, si accettano come normali suoi decrementi nelle ultime due ripetizioni della serie per consentire il raggiungimento delle RM (training to failure)

• Il 70% del cm garantisce già il reclutamento di tutte le fibre muscolari ma solo se v massimale. Anche in caso di riduzione del carico per progressivo esaurimento, questo non deve mai essere inferiore a tale % minima

• In assenza di una ischemia indotta artificialmente (occlusion training), un carico inferiore al 65% del CM non è considerato sufficiente per promuovere una sostanziale ipertrofia (McDonagh MJN et al. Eur J Appl Physiol 52: 139-155, 1984)

• Nell’allenamento con sovraccarichi, l’azione muscolare concentrica e, soprattutto eccentrica causa inizialmente un danno muscolaredanno muscolare che può variare da alcune macromolecole a grandi lacerazioni del sarcolemma, della lamina basale e del tessuto connettivo di supporto, oltre che un danno alle proteine contrattili e al citoscheletro della miofibra

• Questo danno muscolare porta ad una reazione reazione infiammatoriainfiammatoria che contribuisce al dolore (DOMS, delayed-onset muscle soreness), che può essere sentito fino a diversi giorni dopo un allenamento; ma il danno fornisce anche un importante stimolo per la crescita muscolare e di conseguenza è necessario per aumentare la massa muscolare.

Stress meccanico (e danno muscolare)

distruzione membrana

fibra muscolare

Post EsercizioPost Esercizio

Pre EsercizioPre Esercizio Post EsercizioPost Esercizio

rottura dischi Zrottura dischi Z rottura dischi Zrottura dischi Z lavoro eccentricolavoro eccentrico

• Esistono delle similitudini tra risposta infiammatoria acuta ad un’infezione e risposta immune al danno muscolare provocato dall’esercizio fisico

• A seguito di un esercizio con pesi, il numero di neutrofili provenienti dal sangue aumenta nell’area del miotrauma.

• Le miofibre danneggiate rilasciano agenti che stimolano e attragono macrofagi e linfociti; i macrofagi rimuovono i detriti cellulari e producono citochine che attivano mioblasti, macrofagi e linfociti

• Fattori vengono rilasciati dalle fibre danneggiate e dai tessuti circostanti, che attivano il processo di rigenerazione cellulare– HGF, hepatic growth factor,

attivazione e proliferazione delle cellule satelliti

– IL-6, interleukin-6

– IL-15, interleukin-15

– FGF, fibroblast growth factor, aumenta la proliferazione delle cellule satelliti

– IGF-1

Myonuclei

Attivazione muscolare per produrre forza

Risposta ormonale ed immunitaria

Attivazione delle cellule satellitiAttivazione delle cellule satelliti

Sintesi proteica

Crescita muscolare

Stress metabolico meccanico

Cellule satelliti

• Le cellule satelliti (Mauro A, Biophys Biochem Cytol 9: 493-495, 1961) sono cellule miogeniche indifferenziate, mononucleate, normalmente quiescenti, situate nello spessore del sarcolemma, tra la membrana plasmatica della fibra muscolare e la lamina basale

• Sono precursori miogenici indifferenziati che mostrano capacità di auto-rinnovo, e cioè possono generare cellule figlie che possono diventare nuove cellule satelliti

BL =lamina basale

S =cellula satellite

Fibra muscolare

• In risposta a segnali associati con danno muscolare, carico meccanico ed esercizio, abbandonano lo stato quiescente, vengono attivate e rientrano nel ciclo cellulare

• Dopo essere state attivate, queste cellule proliferano e migrano verso il sito della lesione– per riparare o rimpiazzare le miofibre danneggiate,

fondendosi insieme per creare un miotubo– o con miofibre già esistenti, donando i loro nuclei

(teoria del dominio mionucleare)

In risposta a fattori di stress come miotrauma, cellule progenitrici miogeniche quiescenti si attivano, proliferano, e, infine, si differenziano (in mioblasti) per produrre nuove fibre muscolari. Numerose fattori di crescita hanno dimostrato essere importanti per mediare la progressione di queste cellule attraverso queste fasi particolari. Questo schema delinea solo alcuni dei fattori di crescita noti per modulare l'attività delle cellule progenitrici miogeniche. TGF- β, Transforming Growth Factor β (Miostatina, regolatore negativo della crescita muscolare, inibisce la differenziazione)

Hawke, Thomas J. Muscle Stem Cells and Exercise Training Exercise & Sport Sciences Reviews. 33(2):63-68, April 2005

Ciclo cellulare

Fibra muscolare lesionata

Infiltrazione cellulare e processo infiammatorio per digerire componenti

cellulari danneggiate

Proliferazione di cellule satelliti

Fusione di cellule satelliti in miotubi per formare nuove miofibrille

Sintesi di proteine miofibrillari per “riempire” nuove fibre

Dominio mionucleare• Il concetto di dominio mionucleare afferma che ciascun

mionucleo gestisce la produzione di mRNA e sintesi proteica per un specifico volume di sarcoplasma

• Esiste un limite nella possibilità di espansione di un dominio mionucleare durante il processo di ipertrofia. Un limite indica il valore di 2000 µm2 / nucleo, o tra il 17 e 25% della grandezza iniziale della fibra (Kadi et al. Satellite cells and myonuclei in young and elderly women and men Muscle Nerve. 2004 Jan;29(1):120-7)

• L’incremento della grandezza della fibra deve essere associato con un proporzionale incremento nel numero dei mionuclei. E’ stato dimostrato che il numero di mionuclei aumenta durante l’ipertrofia (Kadi F.Cellular adaptation of the trapezius muscle in strength-trained athletes Histochem Cell Biol. 1999 Mar;111(3):189-95)

J. C. Bruusgaard et al. Myonuclei acquired by overload exercise precede hypertrophy and are not lost on detraining PNAS 34 15111–15116, 2010

Effetto di un sovraccarico sulla grandezza di una fibra e numero di mionuclei studiata in vivo. Micrografici di fibre dopo sovraccarico. I nuclei

sono contrassegnati con oligonucleotidi fluorescenti

Hawke, Thomas J. Muscle Stem Cells and Exercise Training Exercise & Sport Sciences Reviews. 33(2):63-68, April 2005

Cellule progenitrici miogeniche mediano la rigenerazione e l’ipertrofia del muscolo scheletrico

(A) Cellule quiescenti progenitrici miogeniche (MPCs) risiedono in una posizione periferica sulle miofibre mature. In risposta al danno muscolare, queste cellule si attivano, proliferano e migrano verso il luogo della ferita. Se le miofibre sono gravemente danneggiati, le MPCs si differenziano e si fondono insieme per generare una nuova miofibra. Le miofibre appena rigenerate sono identificabili dalla posizione centrale dei mionuclei (fibra in alto). In risposta a stimoli ipertrofici, le MPCs si differenziano e si fondono con miofibre esistenti, donando i loro nuclei (fibra in basso).(B) La teoria del dominio mionucleare suggerisce che il volume del citoplasma gestito da un nucleo all'interno di una miofibre sia finito, in modo che un eventuale aumento di area trasversale (ipertrofia) debba essere associato ad un aumento proporzionale dei mionuclei. Prove fino ad oggi indicano che la fusione delle MPCs con le miofibre sia responsabile  dell'aumento dei mionuclei con l’ipertrofia. Si noti che la sezione trasversale all'interno di ciascuno dei triangoli delle miofibre è simile.

MPCs =Myogenic Progenitor Cells

J. C. Bruusgaard et al. Myonuclei acquired by overload exercise precede hypertrophy and are not lost on detraining PNAS 34 15111–15116, 2010

Memoria muscolareCuriosità ...

J. C. Bruusgaard et al. Myonuclei acquired by overload exercise precede hypertrophy and are not lost on detraining PNAS 34 15111–15116, 2010

Effetto della denervazione sulla fibra muscolare in vivo.Micrografici di fibre dopo sovraccarico e seguente denervazione.

Area ormonale

• Ormoni e citochine giocano un ruolo integrale nella risposta ipertrofica, servendo come regolatori a monte dei processi anabolici

• Elevate concentrazioni di ormoni anabolici aumentano la probabilità di interazioni recettoriali, facilitando il metabolismo proteico e la conseguente crescita muscolare

• Molti sono coinvolti nell’attivazione proliferazione e differenziazione delle cellule satelliti e agevolano il legame di queste con fibre danneggiate

Area ormonale • I principali ormoni coinvolti in

questo processo sono:– Testosterone– Ormone della crescita, GH– Insulina– Fattore di crescita insulino-simile-Fattore di crescita insulino-simile-

1, IGF-1 e isoforme1, IGF-1 e isoforme

IGF-1

• Strutturalmente è un ormone peptidico, chiamato così a causa delle similitudini strutturali con l’insulina

• IGF-1 è spesso definito come il più importante ormone anabolico

• E’ stato dimostrato che questo ormone è coinvolto nell’ipertrofia muscolare per mezzo di meccanismi paracrini/autocrini

IGF-1

• IGF-1 è un potente attivatore della via di segnalazione intracellulare della protein kinase B (Akt)/mammalian target of rapamycin (mTOR), considerata un regolatore chiave della sintesi proteica

IGF-1/MGF

P13K

Akt

mTORmTOR

p70S6K

↑ Sintesi proteica

IPERTROFIA

4EBP-1

4eIF4E

Goldspink, G Mechanical Signals, IGF-I Gene Splicing, and Muscle Adaptation Physiology 20:232-238, 2005.

• Tre diverse isoforme sono state identificate:– IGF-1Ea– IGF-1Eb– IGF-1Ec

IGF-1 e sue isoforme

IGF1-1Ec → Mechano-Growth Factor (MGF)

MGF Mechano-Growth Factor

E’ una isoforma dell'IGF-1 e, oltre a stimolare la crescita del muscolo ne favorisce anche la riparazione in caso di lesione.

Viene prodotto a livello muscolare ed ha azione autocrina e paracrina, non circola nel sangue ma agisce sulle cellule presenti nelle immediate vicinanze. Entrambe queste attività sono mediate dall'interazione con le cellule satellite.

L’MGF è prevalentemente prodotto sotto stimolo negli esercizi di forza e risponde in misura inferiore al GH rispetto all'IGF-1 di origine epatica. Esperimenti condotti su animali da laboratorio hanno attribuito all'MGF proprietà anaboliche decisamente superiori rispetto all'IGF1

Goldspink, G Mechanical Signals, IGF-I Gene Splicing, and Muscle Adaptation Physiology 20:232-238, 2005.

Espressione di MGF e IGF-1Ea come cambiamento percentuale nel muscolo quadricipite di soggetti anziani

con allenamento con i pesi, con e senza somministrazione di GH dopo l’allenamento

Cambiamento nel MFG e IGF-1 in giovani e anziani dopo esercizio. Si denota un significativo incremento nel MGF mRNA 2.5 h dopo l’esercizio in soggetti giovani

Hameed M. Expression of IGF-I splice variants in young and old human skeletal muscle after high resistance exercise J Physiol (2003), 547.1, pp. 247–254

Attivazione muscolare per produrre forza

Risposta ormonale ed immunitaria

Attivazione delle cellule satelliti

Sintesi proteicaSintesi proteica

Crescita muscolare

Stress Stress metabolico metabolico meccanicomeccanico

IPERTROFIA MUSCOLAREIPERTROFIA MUSCOLARE risultato quindi di un incremento della sintesi risultato quindi di un incremento della sintesi proteica, una diminuzione della degradazione proteica, una diminuzione della degradazione

o una combinazione di entrambeo una combinazione di entrambe

IPERTROFIA MUSCOLAREIPERTROFIA MUSCOLARE risultato quindi di un incremento della sintesi risultato quindi di un incremento della sintesi proteica, una diminuzione della degradazione proteica, una diminuzione della degradazione

o una combinazione di entrambeo una combinazione di entrambe

SUPERCOMPENSAZIONE SUPERCOMPENSAZIONE la maggior parte di noi si trova in uno la maggior parte di noi si trova in uno

stato di equilibrio tra sintesi e stato di equilibrio tra sintesi e degradazione proteica muscolaredegradazione proteica muscolare

SUPERCOMPENSAZIONE SUPERCOMPENSAZIONE la maggior parte di noi si trova in uno la maggior parte di noi si trova in uno

stato di equilibrio tra sintesi e stato di equilibrio tra sintesi e degradazione proteica muscolaredegradazione proteica muscolare

Rennie, MJ Control of the size of human muscle mass Annu Rev Physiol 66, 799-828, 2004

Sintesi Sintesi proteicaproteica

Tasso Tasso degradazione degradazione

proteicaproteica

112% 3h

65% 24h

34% 48h

31% 3h

18% 24h

1% 48h

Muscle protein balance rimane positivo fino a 48 h dal termine dell’esercizio

La sintesi proteica dopo esercizio dipende pesantemente dalla

disponibilità di aminoacidi, tempo di assunzione (timing) delle proteine,

concentrazione dell’insulina e di altri ormoni anabolici, idratazione

cellulare

31% 3h

18% 24h

1% 48h

Phillips SM et al. Mixed muscle protein synthesis and breakdown after resistance exercise in humans Am J Physiol Endocrinol Metab, Aug 1997; 273: E297 - E304

Quadro sinottico ipertrofia Quadro sinottico ipertrofia muscolaremuscolare

IPERTROFIAIPERTROFIA

AREA MECCANICA

AREA ORMONALE

STRESS METABOLICO

IL CIRCUIT TRAINING PUO’ ESSERE UN OTTIMO METODO PER

L’ALLENAMENTO IPERTROFICO?

SERIE RIPETIZIONI RECUPERO

PETTORALI 1 6 RM 30 sec

DORSALI 1 6 RM 30 sec

QUADRICIPITI 1 6 RM 30 sec

ESEGUIRE 6 CIRCUITI TOTALI SENZA SOLUZIONE DI CONTINUITA’

Proposta circuito

• Con un circuito a tre stazioni il recupero medio per lo stesso gruppo muscolare è di 2’30”

• Questo consente di mantenere elevate caratteristiche meccaniche delle serie

• Incremento del lattato per via sistemica (sommazione delle quantità locali) con i relativi benefici endocrini

• Tempo di lavoro effettivo 18/20 minuti

Caratteristiche principali

Muscle damage and muscle remodeling: no pain, no gain..?Muscle damage and muscle remodeling: no pain, no gain..?

Flann KL et al Muscle damage and muscle remodeling: no pain, no gain? The Journal of Experimental Biology 214, 674-679, 2011

Soggetti giovani suddivisi in due gruppi: PT (pre-trained) e naive (NA). Danno muscolare dimostrabile fu evitato nel gruppo PT da un protocollo “ramp-up” di tre settimane. Al contrario, il gruppo NA fu soggetto ad un esercizio che provocò un notevole danno muscolare sintomatico

Azione muscolare eccentrica

Muscle damage and muscle remodeling: no pain, no gain?

Flann KL et al Muscle damage and muscle remodeling: no pain, no gain? The Journal of Experimental Biology 214, 674-679, 2011

In collaborazione con