The effect of a live high – train high sojourn at 3,060-4,090m terrestrial altitude on physiological, psychological, body composition, and performance variables in a professional wheelchair marathoner

Abstract

Background: Since the late 60´s, altitude training has been a common method used among marathoners and middle/long distance athletes to enhance their maximal oxygen uptake (VO2max) by the concomitant increase in red cell volume (RCV) and hemoglobin mass (Hbmass) observed after returning from altitude. However, due to the performance impairment in the specific training sessions (i.e., speed maintained at the second ventilatory threshold intensity) observed at altitude relative to sea level (SL), which becomes worse as altitude increases, there are no studies in the literature, unless except one published 52 years ago, in which athletes were exposed to 4000 m terrestrial altitude. Moreover, no studies about altitude training in Paralympic Sport have been published. Considering this, the first aim of this research was to analyze the physiological and psychological response and, performance effects of a 5-week 3860-4090 m terrestrial altitude training camp in an elite-wheelchair athlete marathoner with Charcot Marie Tooth disease (CMT), previous to his participation in the Boston and London Marathons (studies 1 and 2). On the other hand, and considering both altitude sojourns were programmed as preparation scenarios for the London and Boston Marathons, and also considering the practical application for coaches and physicians in charge of wheelchair athletes performance optimization, the second aim of this research was: 1) to analyze the autonomic nervous system response assessed non-invasively as cardiac autonomic vagal response oscillation with heart rate variability (HRV) assessment before, during and, after an international wheelchair marathon, comparing data to existing literature from able-bodied triathletes, athletes and XC skiers 2) to verify if HRV response after relocation in a new time-zone is similar to able-bodied athletes 3) to compare the cardiovascular response of a world-class wheelchair marathoner with world-class paraplegics and able-bodied marathoners (study 3) in the same athlete. Methods: A professional wheelchair athlete diagnosed with CMT, featured by an affection in both, upper and lower limbs, completed two 5-week training camps at 3860-4090 m terrestrial altitude in two consecutive years. In the first camp, named inflexible planning (IP), the athlete completed every predefined training session and the average weekly distance covered was 200 km. In the second camp, named flexible planning (FP), specific sessions were performed depending on a reference value (RV) of his HRV, but the weekly distance covered was less (140 km). Vagally-mediated-HRV markers as the root mean square of the successive differences (rMSSD), oxygen saturation (SO2) and resting heart rate (HRrest) fluctuations during normoxia and hypoxia conditions were studied, comparing differences between FP and IP. A pre- and post-altitude performance assessment was carried out in IP and FP with an incremental test in which power output and also a 3000 m time trial were estimated. In addition, the assessment of the following outcomes were carried out in FP (pre-altitude, during altitude sojourn, and post-altitude): systolic blood pressure (SP), diastolic blood pressure (DP), plasma erythropoietin (EPO), erythrocytes, reticulocytes count (Ret), hemoglobin (Hb), hematocrit (Hct), resting breathing rate (BF), profile of mood states, body mass, specific urine gravity upon wakening (SG AM) and pre-bed (SG PM), diuresis, daily Fluid intake, hydric balance (HB) after each training session, overall energy intake, overall carbohydrates (CHO), proteins and fat intake and daily sodium (Na+) intake. Secondly, and regarding the marathon study, ten days before the marathon day (RD-10) an incremental ergometer test was performed to estimate the second ventilatory threshold (VT2) and the heart rate (HR) plus oxygen uptake at VT2 intensity. Six days before the marathon (RD-6), and two days after racing (RD+2), the day-to- day HRV upon awakening was measured and rMSSD was chosen as cardiac vagal autonomic control indicator. The logarithmic expression of the rMSSD (Ln rMSSD) was averaged across all days pre-travel (RD-6 – RD-2) to serve as baseline (BL). During the marathon, HR was monitored with a HR monitor, pooled every 5000 m (0-5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-25, 25-30, 30- 35, 35-40) and the last 2195 m (40-42.2). Results: A greater suppression, related to greater fatigue in vagally-mediated markers throughout altitude sojourn was observed by a greater coefficient of variation of the rMSSD (rMSSDCV) in IP compared to FP; in addition, FP showed faster restoration of rMSSD upon returning to SL. Moreover, after a significant decrease observed in SO2 in both models upon altitude arrival, there was a faster enhancement in SO2 in FP compared to IP in different time points of the sojourn, showing faster acclimatization in FP. HRrest increased at altitude in both models, showing a slight reduction after returning from altitude compared to pre-altitude. However, no within-models analysis differences were observed. Moreover, SP and DP were enhanced at altitude and went back to pre-altitude values after returning to SL. Both models facilitate an increase in the power output generated by the athlete, and also improve the 3000 m time trial, which it was slightly better after FP. Regarding blood marker results in FP, an increase in erythrocytes, Hb and Hct. was osbserved towards the end of the camp, which was even greater than at pre-altitude after arriving to SL. An increase over 200 % was observed in EPO 35-hours after arriving to altitude. However, a suppression in EPO was observed by mid-sojourn and it reached the lowest values after returning to SL. BF was enhanced at altitude compared to SL and a slight decrease was observed as hypoxic exposure became chronic. A decrease in vigor, and an increase in fatigue were observed at altitude compared to SL when SO2 and SP were considered as covariates. Moreover, total mood disturbance (TMD) increased significantly when the greatest training load (TL) was reached at SL, while it increased throughout altitude exposure, remaining high at post-altitude compared to pre-altitude. A decrease in body mass was observed after arriving to altitude. However, a significant increase was observed from the second to the fifth week of exposure. Moreover, body mass returned to within pre-altitude values after returning from altitude. Athlete´s CHO and protein intake was significantly greater at altitude compared to SL, while no differences among lipids intake was observed among conditions. Both fluid intake and diuresis were enhanced at altitude, especially during early acclimatization. In fact, lower SG AM was observed during the first week at altitude relative to pre-altitude. SG PM, while not significantly, showed a lower trend than SG AM, and both were inside the range suggested for optimal hydration status (≤ 1.020). Sodium intake throughout the camp was inside the normal range suggested as optimal (1300 to 2500 mg · d-1); however, Na+ didn´t reach the amounts recommended (0.5 to 0.7 g · L-1) for any type of training session. HB was positive after all sessions, except one resistance session in which ambient temperature was abnormally high. However, nine sessions in which HB was over the + 2 % body mass gain were observed, most of them occurred under cold ambient temperatures in which sweat rate might be diminished. Ultimately, we observed almost the same performance in 2000 m interval repetitions at altitude compared to SL. In the study of the physiological assessment during a marathon, a slight decrease in the Ln RMSSD the day after arriving to new time-zone relative to BL was found. Moreover, rMSSD was suppressed the day after marathon and back within BL values 48-hours after the marathon. During the race the athlete showed similar heart rate to the one reported by elite-paraplegic and elite-able-bodied marathoners; however, the oxygen uptake (VO2) assessed in the incremental laboratory test before the marathon revealed greater values (relating to the marathon intensity sustained) compared to the values reported from paraplegic marathoners and lower to the ones reported by able-bodied athletes. Interestingly, from 30 km to the finish line the athlete was able to maintain an intensity over the second ventilatory threshold, fact that has not been reported in elite-able-bodied marathoners. Conclusions: Both training models, IP and FP set at 3860-4090 m terrestrial altitude, bring on an improvement in performance after returning from altitude; however, and despite a ~40 % lower TL imposed in FP, this model showed a slightly greater performance than IP, which might be attributed to a lower accumulated fatigue as reflected by the lower suppression of vagally-mediated HRV marker and its faster restoration after returning from altitude. In the study of the marathon we observed: 1) similar HRV response after relocation in a new time-zone compared to able-bodied athletes; 2) similar pre-race HRV response to that observed in elite able-bodied triathletes and athletes; 3) similar HRV vagally-mediated marker suppression 24-hours after marathon compared to athletes participating in long-endurance events; 4) similar HRV vagally-mediated markers rebound as observed in cross-country skiers 48-hours after finishing the race; 5) similar HR response throughout the marathon than elite-paraplegics and elite-able-bodied marathoners. However, our athlete was able to maintain a HR corresponding to >VT2 from the 30 km to the end of the race (42.2 km).

Contexto: El entrenamiento en altitud ha sido desde finales de la década de los sesenta un método común frecuente de entrenamiento entre maratonianos y atletas de media/larga distancia, con la intención de mejorar su consumo máximo de oxígeno (VO2max), dado el incremento del volumen de células rojas (RCV) y la masa total de hemoglobina (Hbmass) observado tras regresar de altitud. Sin embargo, dada la disminución de rendimiento en sesiones específicas (velocidad mantenida a intensidad de segundo umbral ventilatorio) observada en altitud, comparado con el nivel del mar (SL) e incrementándose esa perturbación a medida que la altitud se incrementa, no se encuentran estudios en la literatura, excepto uno publicado hace 52 años, donde los atletas se expusieron a 4000 m de altitud terrestre. Además, no se han publicado estudios sobre entrenamiento en altitud en el Deporte Paralímpico. Considerando todo lo anteriormente expuesto, el primer objetivo de este trabajo de investigación fue analizar la respuesta fisiológica y psicológica, además de los efectos sobre el rendimiento de una estancia de cinco semanas a 3890-4090 m de altitud terrestre en un atleta de élite en silla de ruedas con Charcot Marie Tooth (CMT), realizada previamente a su participación en las maratones de Boston y Londres (estudios 1 y 2). Por otra parte y, teniendo en cuenta que ambas concentraciones en altitud fueron programadas como escenario de preparación de las maratones de Londres y Boston y, dada su aplicabilidad en entrenadores y doctores a cargo de la optimización del rendimiento de atletas en silla de ruedas, el segundo objetivo de este trabajo de investigación fue analizar en el mismo atleta: 1) La respuesta del sistema nervioso autónomo de forma no invasiva, mediante la oscilación de la respuesta autonómica cardíaca vagal con la variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV) antes, durante y después de una maratón en silla de ruedas internacional, comparando los resultados con la literatura existente en atletas, triatletas y esquiadores de fondo de la población general, 2) comprobar si la respuesta de la HRV tras la reubicación en una nueva franja horaria, es similar a la de atletas de la población general, 3) comparar la respuesta cardiovascular de un atleta de élite mundial en silla de ruedas a atletas del mismo nivel competitivo parapléjicos y de la población general (estudio 3). Método: Un atleta profesional en silla de ruedas diagnosticado con CMT, caracterizado por una afección de sus extremidades inferiores y superiores, completó dos concentraciones de cinco semanas de duración a 3860-4090 m de altitud terrestre en dos años de forma consecutiva. En la primera, denominada programa inflexible (IP), el atleta completó todas las sesiones de entrenamiento, previamente establecidas, siendo la distancia media semanal recorrida de 200 km. En la segunda concentración, llamada programa flexible (FP), las sesiones específicas se realizaron en función de si se alcanzaba un valor referencial (RV) de su HRV, disminuyendo la distancia recorrida semanalmente a 140 km. Se estudiaron las fluctuaciones en normoxia e hipoxia de marcadores vagales de la HRV como la raíz cuadrada de la media de la suma de las diferencias al cuadrado de los intervalos R-R (rMSSD), la saturación arterial de oxígeno (SO2) y la frecuencia cardíaca de reposo (HRrest), comparando las diferencias entre FP e IP. Un estudio del rendimiento previo y posteriormente a la exposición a altitud fue llevado a cabo en IP y FP mediante un test incremental, en el cual se estimó la potencia generada, y un test contrarreloj de 3000 m. Además en FP (previamente, durante y tras la estancia en altitud), se llevaron a cabo mediciones en las siguientes variables: presión sistólica sanguínea (SP), presión diastólica sanguínea (DP), eritropoyetina plasmática (EPO), eritrocitos, recuento de reticulocitos (Ret), hemoglobina (Hb), hematocrito (Hct), frecuencia respiratoria en reposo (BF), perfil de los estados de ánimo, masa corporal, gravedad específica de orina al levantarse (SG AM) y antes de acostarse (SG PM), diuresis, ingesta diaria de líquido ingerido, equilibrio hídrico (HB) tras cada entrenamiento, ingesta energética total, ingesta total de carbohidratos (CHO), proteínas y lípidos e ingesta diaria de sodio (Na+). En segundo lugar y, en referencia al estudio de maratón, diez días antes del evento (RD-10), fue realizado un test incremental en ergómetro para determinar el segundo umbral ventilatorio (VT2), así como la frecuencia cardíaca (FC) y consumo de oxígeno a intensidad de VT2. Seis días antes de la maratón (RD-6) y dos días tras la competición (RD+2), se midió la HRV diariamente al levantarse y la rMSSD se consideró el indicador de control autonómico cardíaco. La media de la expresión logarítmica de la rMSSD (Ln rMSSD) de los días previas al viaje (RD-6 – RD-2) sirvió como línea basal (BL). Durante la maratón, la FC fue monitorizada y los datos fueron agrupados cada 5000 m (0-5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-25, 25-30, 30- 35, 35-40), así como en los últimos 2195 m (40-42,2). Resultados: Una mayor reducción de los marcadores vagales relacionados con una mayor fatiga se observaron en altitud. Además, este hecho medido sobre el coeficiente de variación en la rMSSD (rMSSDCV) mostró valores más heterogéneos en IP comparado con FP, acompañado en este último modelo por una recuperación más rápida de la rMSSD al regresar a SL. Tras una disminución significativa en la SO2 en ambos modelos al llegar a altitud, un incremento más rápido de la SO2 se observó en FP comparado a IP en diferentes puntos temporales de la estancia, mostrando una aclimatación más rápida en FP. La HRrest, SP y DP se incrementaron en altitud en ambos modelos, mostrando una ligera reducción tras regresar de altitud comparada a registros previos a altitud, aunque sin diferencias significativas entre modelos. Ambos modelos facilitaron un incremento en la potencia generada por el atleta y también mejoraron su tiempo en los 3000 m, siendo ligeramente mejor tras FP. En referencia a los parámetros sanguíneos (recordar que sólo fueron registrados durante FP), se observó un incremento en los eritrocitos, Hb y Hct en el estadio final de la estancia, siendo significativamente mayores que en los resultados obtenidos previos a la estancia. Un incremento superior al 200 % se observó en la EPO treinta y cinco horas después de llegar a altitud, reduciéndose drásticamente hacia la mitad de la estancia y alcanzando sus valores mínimos al regresar a SL. La BF se incrementó en altitud respecto a SL y una ligera disminución se observó en la fase de exposición crónica. Una disminución en la dimensión vigor y un incremento en la dimensión fatiga se observó en altitud comparado a SL cuando SO2 y SP se consideraron como covariables. Además, la alteración del estado de ánimo total (TMD) aumentó significativamente cuando se alcanzó la mayor carga de entrenamiento (TL) en SL, mientras que el TMD se incrementó a lo largo de la exposición a altitud, permaneciendo elevado tras regresar de ésta. Una disminución de la masa corporal se observó al llegar a altitud, sin embargo, un incremento significativo ocurrió de la segunda a la quinta semana en altitud, además la masa corporal regresó a valores registrados previos a altitud, al regresar a SL. La ingesta de CHO y proteínas fue significativamente superior en altitud comparada a SL, mientras que no se observaron diferencia en la ingesta de lípidos entre ambas condiciones. Tanto la ingesta diaria de fluido y la diuresis aumentaron en altitud, especialmente en la aclimatación, de hecho, observamos una menor SG AM durante la primera semana en altitud, en referencia a valores previos a la estancia. Aunque no hubo diferencias significativas, la SG PM mostró un patrón más bajo que SG AM y ambas estuvieron dentro del rango sugerido para un estado óptimo de hidratación (≤ 1.020). La ingesta diaria de sodio estuvo dentro del rango normal sugerido como óptima (1300 a 2500 mg · d-1), sin embargo, el Na+ no alcanzó las cantidades recomendadas (0.5 a 0.7 g · L-1) en ningún tipo de entrenamiento. El HB fue positivo tras todas las sesiones, excepto una sesión donde la temperatura fue anormalmente elevada, sin embargo, observamos nueve sesiones donde el HB fue superior al + 2 %de la masa corporal. La mayoría de estas sesiones ocurrieron con temperaturas muy bajas, donde la tasa de sudoración puede estar disminuida. Por último, observamos prácticamente el mismo rendimiento en repeticiones de 2000 m en altitud y SL. En el estudio de maratón, encontramos un descenso en el Ln RMSSD el día después de llegar a la nueva zona de cambio horario, en relación a BL, además, la rMSSD descendió el día posterior a la maratón, regresando a valores similares al BL 48 horas después de la maratón. Durante la prueba el atleta mostró una frecuencia cardíaca (HR) similar a atletas de élite parapléjicos y sin ningún tipo de afección, sin embargo, su consumo de oxígeno (VO2) registrado en el test de laboratorio efectuado días antes de la competición, desveló valores mayores (considerando la intensidad a la que corrió la prueba) que los mostrados en el grupo de atletas parapléjicos, aunque menores a los maratonianos sin afección. Cabe destacar que, del kilómetro 30 a la línea de meta el atleta fue capaz de mantener una intensidad superior a VT2, algo que no se ha observado en maratonianos de la población general. Conclusiones: Ambos modelos IP y FP desarrollados a 3860-4090 m de altitud terrestre, facilitaron una mejora en el rendimiento tras regresar de altitud. Sin embargo y a pesar de una TL ~40 % inferior, FP mostró mejoras en el rendimiento ligeramente superiores a IP, que pueden atribuirse a menor fatiga acumulada, reflejada por una menor reducción de marcadores vagales de la HRV y una mayor recuperación de estos tras regresar de altitud. En el estudio de maratón observamos: 1) Similar respuesta en la HRV tras la reubicación en una nueva franja horaria comparada a atletas de la población general; 2) Similar HRV previa a la prueba comparada a la observada en triatletas y atletas de élite de la población general; 3) Similar supresión de marcadores vagales de la HRV 24 horas después de la maratón, comparado a atletas de la población general que han participado en eventos de resistencia de larga duración; 4) Similar recuperación “rebote” de los marcadores vagales de la HRV 48 horas después de la maratón, comparada a esquiadores de estilo nórdico de la población general; 5) Similar HR durante la maratón comparada a atletas de élite parapléjicos y maratonianos sin afección, sin embargo nuestro atleta fue capaz de mantener una HR correspondiente a una intensidad superior a VT2 desde el kilómetro 30 a meta (42.2 km).