Exposición intermitente a altitud simulada y ejercicio para la recuperación del daño muscular: células madre circulantes y ajustes hemorreológicos en ratas entrenadas

Abstract

La hipótesis general de este trabajo se basa en que un protocolo de hipoxia hipobárica intermitente (IHH) combinada con ejercicio aeróbico ligero en normoxia, puede tener un efecto beneficioso en la regeneración de musculatura esquelética dañada y contribuir a una recuperación más rápida en este tipo de lesiones. Sin embargo, el conocido efecto hematopoyético de la exposición a hipoxia y del ejercicio, y el consiguiente aumento de hematocrito, podrían afectar a la dinámica del aporte de oxígeno a los tejidos, por lo que se hace necesario conocer y estudiar los potenciales efectos de estos tratamientos sobre la hematología y la reología sanguínea. Además, se ha dedicado especial atención a la presencia de células madre circulantes (CD34+) y a la población de “side population” (SP) en médula ósea para obtener evidencias de su posible incidencia en la recuperación de la lesión muscular. El núcleo fundamental de esta tesis doctoral está compuesto por dos estudios que tienen como objetivos: 1. Determinar si la respuesta hematopoyética durante un programa IHH, podría provocar alteraciones en el comportamiento hemorreológico, generando efectos negativos en el suministro de oxígeno a los tejidos. 2. Cuantificar y contrastar los efectos de la IHH y el ejercicio en el aumento del número de células progenitoras en la circulación sanguínea periférica. 3. Determinar los efectos de la IHH combinada o no con el ejercicio aeróbico ligero en normoxia, genera cambios en la presencia de SP. 4. Establecer la dinámica temporal en las modificaciones de la concentración de células madre CD34+ y SP en los diferentes grupos de animales, según las diferentes condiciones experimentales. La muestra se obtuvo de ratas Sprague-Dawley que fueron estudiadas en dos estados basales (no entrenadas y entrenadas) y comparadas durante la fase de recuperación de una lesión por contracción excéntrica repetida (inducida a ratas entrenadas) los días 1, 3, 7 y 14 posteriores a la lesión muscular. Los tres grupos experimentales estudiados durante la recuperación de sus lesiones musculares fueron: ratas con recuperación pasiva (CTRL); ratas expuestas a IHH después del daño muscular (HYP); y ratas entrenadas que además de IHH, realizaron sesiones de ejercicio aeróbico ligero (EHYP). Los resultados obtenidos en los estudios, nos permiten extraer las siguientes conclusiones: 1. Después de dos semanas de tratamiento, la IHH en combinación con ejercicio aeróbico ligero en normoxia, muestra parámetros hemorreológicos alterados en comparación a las demás condiciones experimentales. 2. Aunque la respuesta eritropoyética provocada por la exposición IHH tiende a aumentar la viscosidad de la sangre en el grupo EHYP, otros parámetros microrreológicos tales como mayor elasticidad y menor tiempo de relajación pueden contribuir a compensar este aumento. 3. Los ajustes compensatorios reológicos pueden considerarse como positivos desde un punto de vista funcional, pues contribuyen a mantener la microcirculación normal y un suministro adecuado de oxígeno, nutrientes y agentes químicos a los tejidos durante su proceso de reparación después de daño sufrido en el músculo esquelético. 4. La tinción DyeCycle Violet se retiene selectivamente para las células CD34+, que permite la discriminación de los dos subconjuntos de células, denominadas internamente como CD34+/DCVhigh y CD34+/DCVlow, debido a una intensidad más brillante o atenuada de la tinción. 5. En el séptimo día de la recuperación después de una lesión muscular, el grupo EHYP aumentó claramente el número de progenitores CD34+/CD45neg y CD34+/CD45+. 6. El grupo HYP aunque no muestra un aumento en células progenitoras después de la lesión muscular, es altamente sensible a la expresión de células SP las primeras horas de exposición. 7. La exposición a IHH parece ser decisiva en la expresión de la población SP, aunque el estímulo inducido por el ejercicio mostró un efecto inverso sobre su cinética.

The general hypothesis of this PhD dissertation document is based on the possible favorable effects of a protocol of intermittent hypobaric hypoxia (IHH) combined with light aerobic exercise in normoxia. We have tested if such IHH program can elicit a beneficial effect on the regeneration of skeletal muscle damage and contribute to a faster recovery in this type of injury. However, the well-known hematopoietic action of hypoxia exposure and exercise can alter the erythrocyte mass and even the circulatory dynamic at microcirculatory level. We have focused on the rheological properties of blood, presence of circulating stem cells and the dynamics of bone marrow side population (SP) cells. The core of this thesis is composed by two main studies whose general objective are: 1. To determine if the erythropoietic response elicited by intermittent hypobaric hypoxia exposure can alter blood rheology and thus affect in any way the oxygen delivery to tissues. 2. To outline if the IHH exposure can help to increase the number of peripheral blood circulating progenitor cells (CD34+) and bone marrow side population stem cells, in order to establish the usefulness of this intervention for skeletal muscle repair. Male Sprague-Dawley rats were studied in two basal states: untrained and trained and compared with trained rats that suffered skeletal muscle injury (down-hill running until exhaustion) at four stages (1, 3, 7 and 14 days) during damage recovery. Three experimental groups of wounded trained rats were studied: rats with passive recovery (CTRL); rats exposed to IHH after muscle damage (HYP); and, rats that, in addition to IHH, performed light aerobic exercise sessions (EHYP). The results obtained in this thesis allow us to conclude that the IHH in combination with light aerobic exercise in normoxia showed a higher erythropoietic effect, but without threatening the perfusion of damaged muscle because advantageous hemorheological adjustments. DyeCycle® Violet staining is selectively retained into CD34 + cells, thus allowing to the discrimination of two subsets of cells, internally referred as CD34+/DCVhigh and CD34+/DCVlow cells. Finally, IHH in combination with light aerobic exercise increased the number of CD34+/CD45neg and CD34+/CD45+ cells on the 7th day in EHYP group, although the exercise-induced stimulus showed a reverse effect on SP kinetics.