Impact of HIIT on bone health in adolescent girls: clinical trial on the influence of mechanical impact

Abstract

The aim of this thesis was to analyze the effect of high-intensity interval exercise with and without gravitational impact on bone turnover markers and osteokines of untrained adolescent females. Additionally, we analyzed the effect of each mode (with and without impact) on cytokines and adipokines that are potentially associated with bone turnover markers and osteokines. Lastly, we assessed how each mode of exercise impacts the affective perception of the adolescents and which mode was more enjoyable. This was a cross-over design study, where 11 adolescent females participated in two HIIE trials (high-intensity interval running [HIIR] and high-intensity interval cycling [HIIC]) in random order. Body composition, nutritional intake, and bone-specific physical activity background were assessed using specific methods. They performed a progressive incremental test to determine the peak workload for the treadmill and cycle ergometer. On different days, in the morning, they completed the trials, involving eight bouts of one minute of maximal effort, followed by one minute of passive recovery between bouts. Blood samples were collected before exercise (baseline), 5-min, and 60-min post-exercise. Serum blood was used to analyze bone markers of formation (i.e., P1NP and OPG) and resorption (i.e., CTX-I), osteokines (i.e., sclerostin, OPG, and RANKL), cytokines (i.e., IL-6, IL-10, and TNF-α), and cortisol. Adipokines (i.e., leptin and adiponectin) and other metabolic markers (i.e., glucose and LHD) were measured in serum. Affective perception was reported by the Feeling Scale (FS) before and after each trial, and enjoyment was reported by the Physical Activity Enjoyment Scale (PACES) after each trial. Statistical analysis included linear mixed models (LMM) to assess the fixed effect of time (pre, 5-min, and 60-min post-exercise), mode (HIIR and HIIC), and interaction between factors (time*mode), while accounting for the random effect of each individual. Covariates (areal bone mineral density, fat mass, previous bone-specific physical activity, and blood markers values at baseline) were tested individually for each model considering the correlation with the outcome. Difference in PACES total score and their individual items between modes was tested using an independent t-test. Chapter 4 shows that P1NP, a marker of formation, increased significantly following HIIR but not after HIIC. Sclerostin peaked 5-min post-exercise in response to both modes, while OPG and RANKL and OPG:RANKL ratio did not change after HIIR and HIIC. HIIR was more enjoyable than HIIC, and the affective perception was negatively affected by the latter. Following the same procedures, Chapter 5 shows that both HIIR and HIIC induced a significant increase 5-min post-exercise in the pro-inflammatory cytokine TNF-α, with a greater increase induced by HIIR, while although concentrations returned to baseline levels 60-min post-HIIR and HIIC. Anti-inflammatory presented a delayed increase following both modes, peaking at 60-min post-exercise. Adiponectin but no leptin concentration decreased 60-min post-HIIR and HIIC. The metabolic markers, such as cortisol, glucose, and LDH, were not different between modes of HIIE. Thus, HIIR and HIIC induced similar responses in untrained female adolescents, despite small differences in P1NP and TNF-α. More importantly, HIIR was perceived as more enjoyable, with a lower impact on affect perception of the adolescents. Thus, HIIR seems to be the best strategy to improve health outcomes related to bone and inflammation in adolescent females.

O objetivo desta tese foi analisar o efeito do exercício intervalado de alta intensidade, com e sem impacto gravitacional, nos marcadores de remodelação óssea e osteocinas de adolescentes do sexo feminino não treinadas. Além disso, analisamos o efeito de cada modalidade (com e sem impacto) em citocinas e adipocinas potencialmente associadas aos marcadores de remodelação óssea e osteocinas. Por fim, avaliamos como cada modalidade de exercício influencia a percepção afetiva das adolescentes e qual delas foi mais agradável. Este foi um estudo de design cruzado, no qual 11 adolescentes do sexo feminino participaram de dois testes de exercício intervalado de alta intensidade (corrida intervalada de alta intensidade [HIIR] e ciclismo intervalado de alta intensidade [HIIC]) em ordem aleatória. A composição corporal, ingestão nutricional e histórico de atividades físicas relacionadas aos ossos foram avaliados utilizando métodos específicos. As participantes realizaram um teste incremental progressivo para determinar a carga máxima de trabalho na esteira e no cicloergômetro. Em dias diferentes, pela manhã, elas completaram os testes, que envolveram oito séries de um minuto de esforço máximo, seguidas por um minuto de recuperação passiva entre as séries. Amostras de sangue foram coletadas antes do exercício (linha de base), 5 minutos e 60 minutos após o exercício. O sangue sérico foi utilizado para analisar marcadores ósseos de formação (como P1NP e OPG) e reabsorção (como CTX-I), osteocinas (como esclerostina, OPG e RANKL), citocinas (como IL-6, IL-10 e TNF-α) e cortisol. Adipocinas (como leptina e adiponectina) e outros marcadores metabólicos (como glicose e LHD) foram medidos no soro. A percepção afetiva foi registrada pela Escala de Sentimentos (FS) antes e depois de cada teste, e o nível de prazer foi registrado pela Escala de Aproveitamento da Atividade Física (PACES) após cada teste. A análise estatística incluiu modelos mistos lineares (LMM) para avaliar o efeito fixo do tempo (pré, 5 minutos e 60 minutos após o exercício), modalidade (HIIR e HIIC) e interação entre os fatores (tempo*modalidade), considerando o efeito aleatório de cada indivíduo. Covariáveis (densidade mineral óssea, massa gorda, atividade física prévia relacionada aos ossos e valores dos marcadores sanguíneos na linha de base) foram testadas individualmente para cada modelo, considerando a correlação com o resultado. A diferença na pontuação total do PACES e nos itens individuais entre as modalidades foi testada usando um teste t independente. O Capítulo 4 mostra que a HIIR induziu uma expressão significativamente maior de P1NP em comparação à HIIC, embora CTX-I e outras osteocinas tenham sido diferentes entre os grupos. Além disso, a HIIR foi mais agradável do que a HIIC, e a percepção afetiva foi negativamente impactada pela última. O Capítulo 5 mostra que tanto a HIIR quanto a HIIC tiveram respostas semelhantes em marcadores anti-inflamatórios e adipocinas; no entanto, a HIIR induziu maior secreção de TNF-α, possivelmente devido ao impacto mecânico e ao possível maior dano tecidual. Assim, a HIIR e a HIIC induziram respostas semelhantes em adolescentes do sexo feminino não treinadas, apesar de pequenas diferenças em P1NP e TNF-α. Mais importante ainda, a HIIR foi percebida como mais agradável, com menor impacto na percepção afetiva das adolescentes. Portanto, a HIIR parece ser a melhor estratégia para melhorar os resultados de saúde relacionados aos ossos e à inflamação em adolescentes do sexo feminino.