O exercício físico mobiliza Células Progenitoras Endoteliais (CPE) para o sangue periférico. Entretanto, esse efeito parece depender de características do exercício, como duração e intensidade. O objetivo do presente trabalho foi verificar, por meio de revisão sistemática, o impacto de uma única sessão de exercício aeróbico sobre a mobilização de CPE em indivíduos sadios e os potenciais mecanismos envolvidos. A busca bibliográfica foi realizada nas bases de dados eletrônicas SciELO, LILACS, Cochrane, ClinicalTrials.gov, SPORTDiscus e Medline, em maio de 2011. Dos 178 estudos inicialmente identificados, 12 atenderam aos critérios de inclusão e foram classificados quanto à qualidade mediante critérios da escala PEDro. A magnitude e a duração da resposta de mobilização das CPE foram maiores após a realização de exercícios de longa/ultralonga duração e estão correlacionadas com níveis plasmáticos de fator de crescimento endotélio vascular (VEGF). O pico de mobilização dessas células em resposta a uma sessão de exercício máximo ou submáximo, com duração de até uma hora, ocorre no período imediatamente após o esforço até uma hora após sua interrupção. Um possível mecanismo é a biodisponibilidade do Óxido Nítrico (NO). A idade dos indivíduos e a intensidade do exercício parecem interferir na resposta de mobilização das CPE. Exercícios de longa/ultralonga duração promovem mobilização mais acentuada das CPE quando comparados a exercícios máximos ou submáximos. Os mecanismos envolvem a liberação do VEGF em exercícios de longa/ultralonga duração e a biodisponibilidade de NO em exercícios máximo e submáximo com até uma hora de duração.
IPrograma de Pós-Graduação em Ciências Cardiovasculares - Universidade Federal Fluminense, Niterói, RJ, Brasil
IIDepartamento de Fisiologia e Farmacologia - Universidade Federal Fluminense, Niterói, RJ, Brasil
O exercício físico mobiliza Células Progenitoras Endoteliais (CPE) para o sangue periférico. Entretanto, esse efeito parece depender de características do exercício, como duração e intensidade.
O objetivo do presente trabalho foi verificar, por meio de revisão sistemática, o impacto de uma única sessão de exercício aeróbico sobre a mobilização de CPE em indivíduos sadios e os potenciais mecanismos envolvidos.
A busca bibliográfica foi realizada nas bases de dados eletrônicas SciELO, LILACS, Cochrane, ClinicalTrials.gov, SPORTDiscus e Medline, em maio de 2011. Dos 178 estudos inicialmente identificados, 12 atenderam aos critérios de inclusão e foram classificados quanto à qualidade mediante critérios da escala PEDro.
A magnitude e a duração da resposta de mobilização das CPE foram maiores após a realização de exercícios de longa/ultralonga duração e estão correlacionadas com níveis plasmáticos de fator de crescimento endotélio vascular (VEGF). O pico de mobilização dessas células em resposta a uma sessão de exercício máximo ou submáximo, com duração de até uma hora, ocorre no período imediatamente após o esforço até uma hora após sua interrupção. Um possível mecanismo é a biodisponibilidade do Óxido Nítrico (NO). A idade dos indivíduos e a intensidade do exercício parecem interferir na resposta de mobilização das CPE.
Exercícios de longa/ultralonga duração promovem mobilização mais acentuada das CPE quando comparados a exercícios máximos ou submáximos. Os mecanismos envolvem a liberação do VEGF em exercícios de longa/ultralonga duração e a biodisponibilidade de NO em exercícios máximo e submáximo com até uma hora de duração.
As Células Progenitoras Endoteliais (CPE), descritas em 1997 por Asahara e cols.1, constituem uma população heterogênea de células circulantes no sangue periférico1 cuja origem encontra-se em múltiplos precursores, incluindo hemangioblastos1, precursores não hematopoiéticos, células monocíticas2 ou células-tronco residentes nos tecidos3. Essas células desempenham importante função no reparo vascular e na formação de novos vasos em razão de sua capacidade de proliferar, migrar, se diferenciar
As CPE são raras, representando cerca de 0,01% a 0,0001% da fração mononuclear no sangue periférico6. Entretanto, diversos estímulos são capazes de mobilizá-las da medula óssea, elevando-as temporariamente na circulação periférica, e dentre esses estímulos destaca-se o exercício físico7-9. Uma vez na circulação periférica, as CPE secretam fatores pró-angiogênicos, como o fator de crescimento de endotélio vascular (VEGF)10 e o fator estimulante de colônia de granulócitos (G-CSF)11, capazes de estimular paracrinamente os processos de neovasculogênese e angiogênese1.
A prática regular de exercícios físicos contribui para a redução de cerca de 30% da mortalidade por doenças cardiovasculares12. Como a diminuição de fatores de risco cardiometabólico clássicos como hiperlipidemia, hipertensão e resistência a insulina explica apenas aproximadamente 40% da redução da mortalidade induzida por exercícios13, variáveis relacionadas diretamente ao endotélio poderiam ajudar a explicar por que e como os exercícios físicos previnem, diminuem a progressão e reduzem a mortalidade decorrente da presença de doenças cardiovasculares14.
Um dos possíveis mecanismos envolvidos nesse processo é a mobilização de CPE para o sangue periférico9. Contudo, diferentes tipos, durações e intensidades de exercício podem promover distintas respostas e, consequentemente, alterar a biodisponibilidade e funcionalidade das CPE. Assim, revisamos de forma sistemática o impacto de uma sessão de exercício aeróbico na mobilização de CPE em indivíduos sadios e os possíveis mecanismos envolvidos nesse processo.
A busca bibliográfica foi realizada no mês de maio de 2011, por dois avaliadores independentes (JFRS e NGR) por meio das bases de dados eletrônicas SciELO, Cochrane, LILACS, ClinicalTrials.gov, SPORTDiscus e Medline. Os trabalhos foram consultados utilizando todos ou parte dos descritores identificados a seguir em inglês e sua correspondência em português:
Foram identificados 178 estudos em todas as bases de dados eletrônicas. Após aplicação dos termos
Mediante uma análise manual, foram excluídos estudos cujos participantes fossem crianças ou adolescentes (n = 02); acometidos por doença, inflamação, alteração metabólica ou fizessem uso de drogas (n = 27); estudos que não avaliassem a intervenção ou o desfecho de interesse, ou seja, a intervenção não fosse uma sessão única de exercício físico ou a população celular analisada não correspondesse ao perfil de CPE, conforme critérios de inclusão (n = 19); e estudo de revisão (n = 01) (
Quando o título e o
A qualidade dos estudos foi avaliada por meio da escala PEDro16, na qual estudos com um escore maior ou igual a quatro são classificados como de alta qualidade. Os critérios adotados foram: 1. Critérios de inclusão bem definidos; 2. Alocação aleatória entre os grupos; 3. Descrição das características demográficas e o tamanho da amostra (
Foram extraídos os seguintes dados de cada publicação: o nome do primeiro autor e o ano de publicação; os dados da população/demografia/tamanho da amostra; o momento de obtenção da amostra de sangue; as variáveis estudadas e o método pelo qual foram analisadas; o protocolo, a intensidade e o volume do exercício; e os resultados do estudo, com a correlação entre intervenção e desfecho.
O nível de treinamento dos participantes variou desde indivíduos denominados como não ativos ou sedentários17,18 até atletas que terminaram uma corrida de 246 km em até 36 horas19. Por essa razão, na presente revisão sistemática foi elaborada uma classificação baseada no volume de treinamento dos participantes de todos os estudos a fim de padronizar e qualificar os indivíduos em somente três níveis de condição física: Grupo sedentário, participantes cujo volume de treinamento aeróbio era inferior ou igual a uma vez por semana, com sessões de 20 minutos cada; Grupo ativo, praticantes de exercício aeróbio duas a três vezes por semana, com sessões de 20 minutos cada; Grupo treinado, participantes cujo volume de treinamento aeróbio era superior ou igual a quatro vezes por semana, com sessões de 30 minutos cada.
A resposta das CPE ao exercício pode variar de acordo com o tipo de protocolo utilizado7,8,20. Por isso, foram extraídos de cada estudo os dados referentes a intensidade, volume, duração e frequência de exercício físico utilizado, informações sobre valores percentuais da frequência cardíaca máxima, do consumo de oxigênio (VO2) máximo ou do limiar anaeróbio dos participantes, bem como a descrição dos autores sobre o protocolo de exercício utilizado, possibilitando a classificação dos exercícios em três categorias: 1. Exercício de longa/ultralonga duração (meia-maratona, maratona ou ultramaratona); 2. Exercício de intensidade máxima, normalmente de caráter progressivo atingindo o máximo do esforço e/ou VO2 máximo em torno de 5 a 20 minutos. São exemplos típicos o teste ergométrico convencional ou o teste cardiopulmonar de exercício (TCPE); e 3. Exercício de intensidade submáxima, normalmente utilizando como referência o percentual do limiar anaeróbio e/ou VO2 máximo e com duração máxima de uma hora. No presente estudo, a intensidade do exercício variou entre 80% e 100% do limiar anaeróbio ou superior a 75% do VO2 máximo.
Os 12 estudos incluídos foram classificados como de alta qualidade. Desses, sete eram do tipo transversal; quatro, do tipo longitudinal; e um, com ambos os delineamentos. Em todos os estudos incluídos, os procedimentos metodológicos adotados no dimensionamento e na seleção da amostra, as mensurações das variáveis e os aspectos éticos foram suficientemente descritos. A composição das amostras (total de 286 participantes) variou quanto à faixa etária, de 18 a 80 anos, e à condição física, de sedentários a treinados (
A maioria dos estudos relatou efeitos significativos do exercício de diferentes características sobre a mobilização de CPE para o sangue periférico. No entanto, o volume de treinamento ou condição física do participante não influenciou o número de CPE no momento pré-exercício17,18,21. Além disso, após uma sessão única de exercício submáximo, o número de CPE aumentou na circulação de participantes com maior volume de treinamento17, sugerindo a necessidade de um estímulo agudo perturbador no organismo para a mobilização das células progenitoras endoteliais.
Nas tabelas 2a-2c são apresentadas informações específicas sobre os estudos incluídos e ordenados como: 1. Exercício de longa/ultralonga duração (n = 4 estudos,
O aumento no número de células CD34+/KDR+ ou de UFC-CE após um exercício de longa/ultralonga duração (maratona/corrida de ultradistância) foi observado em três dos quatro estudos avaliados (
Em indivíduos treinados, o número de células CD34+/KDR+ aumentou, aproximadamente, duas vezes ao final de uma maratona (P < 0,005), enquanto o número de Células Angiogênicas Circulantes (CAC) aumentou, aproximadamente, três vezes (8,5 ± 1,9 vs. 30,2 ± 4,6 células/1x106 mononucleares; p < 0,0001), com retorno aos níveis basais na manhã do dia seguinte8 (10,9 ± 1,8 células/1x106 mononucleares). Também em homens treinados, o número de UFC-CE aumentou em torno de 11 vezes (44,5 ± 2,5 vs. 494,5 ± 27,9/mL) após o término de uma corrida de ultradistância (246 km) em até 36 horas, mantendo os níveis elevados até 48 horas (428,5 ± 31,5/mL; p < 0,0001) após o término da corrida19. Por sua vez, ainda em corredores treinados, o número de células CD34+/VEGFR2+ não se alterou após uma maratona7 (117,0 ± 8,0 vs. 128,0 ± 9,0 células/mL; p = 0,33). Uma sessão de exercício em cicloergômetro a 70% do limiar anaeróbio revelou aumento de 5,5 vezes para as células CD34+/KDR+ (p < 0,001) e de 3,5 vezes para as células CD133+/KDR+ a partir de 210 minutos de exercício (p < 0,001) de forma tempo dependente, com retorno aos níveis basais após 24 horas22. Os níveis de VEGF-C aumentaram no dia seguinte a uma maratona e foram maiores do que no exercício máximo (p < 0,05)8. Após 10 minutos de exercício em cicloergômetro22, os níveis plasmáticos de VEGF mostraram aumento máximo de 1,9 vez (79,8 ± 15,4 pg/mL vs. 132,6 ± 32,1 pg/mL; p < 0,05), apresentando correlação significativa com o número de células CD133+/KDR+ (
Quatro estudos avaliaram o efeito de uma sessão única de exercício máximo no número de CPE8,21,23,24 (
No estudo de Yang e cols.24 houve aumento significativo de células CD34+/KDR+ (p < 0,05) e de células lectina UEA1-FITC+/Dil-acLDL+ (p < 0,05) nos 30 minutos após a realização de um TCPE em esteira. Em indivíduos treinados, as células CD34+/KDR+ aumentaram três vezes (p < 0,01) após o término de uma corrida de 1.500 m8. Os níveis de CAC também aumentaram significativamente após a corrida de 1.500 m8 (p < 0,005). Resultados semelhantes foram mostrados por Van Craenenbroeck e cols.23, que revelaram aumento de 76% das células CD34+/KDR+ em jovens com idades de 24 ± 1 anos (15,4 ± 10,7 vs. 27,2 ± 13,7 células/mL; p = 0,01) e aumento de 69% em adultos com idades de 36 ± 9 anos (30,9 ± 14,6 vs. 52,5 ± 42,6 células/mL; p = 0,03); entretanto, não ocorreu mudança significativa no percentual de UFC-CE (11,9 ± 10,9 vs. 9,0 ± 8,3 UFC-CE; p = 0,2). Somente no estudo de Thijssen e cols.21 não houve mudança no número de CPE após TCPE entre jovens e idosos treinados e sedentários (p > 0,05).
Na maioria dos estudos não houve mudança significativa nos níveis plasmáticos de VEGF após sessão única de exercício máximo21,23,24, porém no estudo de Bonsignore e cols.8, os níveis plasmáticos de VEGF-C (7,3 ± 1,8 vs. 8,8 ± 1,7 pg/mL; p < 0,001) aumentaram após uma corrida de 1.500 m (tab. 2b).
O aumento dos níveis plasmáticos de Óxido Nítrico (NO) foi observado 30 minutos após a realização de um TCPE em esteira pelo estudo de Yang e cols.24 (p < 0,05). Além disso, a análise por regressão linear revelou correlação positiva (
Dos cinco trabalhos17,18,25-27 que avaliaram o efeito de uma sessão de exercício submáximo sobre o número de CPE ou de UFC-CE (
Apesar de Lockard e cols.18 não terem encontrado alteração no número de células CD34+/VEGFR2+ (p > 0,05) e nas UFC-CE (p > 0,05) após 30 minutos de exercício com intensidade de 75 ± 5% do VO2 máximo, a maioria dos estudos não parece corroborar esse achado. Jenkins e cols.17 mostraram que, em homens treinados, as UFC-CE aumentaram significativamente após 30 minutos de exercício submáximo (p = 0,02). O exercício moderado ou intenso (80% e 100% do limiar anaeróbico, respectivamente) de mesma duração aumentou o número de CPE circulantes (CD34+/VEGFR2+ e lectina UEA 1-FITC+/Dil-acLDL+) com pico de resposta entre 10 e 30 minutos após o término da sessão do exercício (p < 0,01). As UFC-CE também aumentaram após 30 minutos de corrida de alta intensidade27 (p < 0,05). Além disso, uma sessão de exercício em cicloergômetro, com duração de 30 minutos a 80% do limiar anaeróbico26, provocou o aumento do número de células CD34+/KDR+ e CD133+/CD34+/KDR+ em indivíduos caucasianos europeus (85,4 ± 1,3% e 73,9 ± 9,1%; respectivamente), bem como em asiáticos (53,2 ± 6,9% e 48,3 ± 8,8%; respectivamente) 20 minutos após o término da sessão. Em outro estudo25, uma sessão única de
Em homens treinados, o exercício reduziu, agudamente, os níveis de RNA mensageiro (RNAm) da NADPH oxidase (gp91phox) em UFC-CE17 (p = 0,02). Em homens ativos, houve aumento da produção de NO intracelular (p = 0,004) e redução da expressão da subunidade p47phox da NADPH oxidase (P < 0,05), mas sem diferença para outros marcadores de estresse oxidativo17 (p > 0,05). A infusão de L-NMMA, um inibidor da enzima óxido nítrico sintase (eNOS), reduziu o número de CPE (CD34+/KDR+: -3,3% vs. 68,4%; p < 0,001; CD133+/CD34+/KDR+: 0,7% vs. 71,4%; p < 0,001). Além disso, uma análise por regressão linear mostrou uma correlação positiva entre a vasodilatação mediada pelo fluxo e as células CD34+/KDR+ (
Recentes trabalhos15,24 demonstraram que a melhora da função endotelial induzida pelo exercício se deve, em parte, pela mobilização de CPE para a circulação periférica, onde atuam nos processos de neovascularização e de reparo endotelial15. Por essa razão, o exercício físico é um importante método para promover a saúde do sistema cardiovascular, tanto em indivíduos saudáveis28 quanto em indivíduos com fatores de risco cardiovascular29,30.
As maratonas, meia-maratonas e corridas de ultradistância são modelos de inflamação induzida que estimulam o aumento dos níveis circulantes de mediadores pró e anti-inflamatórios31, promovendo a liberação, a migração e a diferenciação das células-tronco da medula óssea32. Esse tipo de exercício também aumenta os níveis plasmáticos de citocinas e de marcadores de ativação endotelial, oferecendo uma oportunidade de se avaliar os mecanismos fisiológicos relacionados ao reparo vascular, antes que um dano tecidual irreversível tenha ocorrido33.
Os resultados mostraram que os exercícios de longa/ultralonga duração aumentam significativamente a concentração de células progenitoras, especialmente as endoteliais, e de leucócitos8,19,22. Os níveis plasmáticos de interleucina-6 mostraram-se elevados durante e após exercício de longa/ultralonga duração, evidenciando o seu caráter inflamatório8,19.
Ainda nesse contexto, os maiores níveis plasmáticos de VEGF foram verificados após esse tipo de exercício. Acredita-se que os níveis elevados desse fator estejam associados à presença de hipóxia nos tecidos nessas condições, o que favoreceria o estímulo de mobilização das CPE e o reparo endotelial. Portanto, esse aumento de VEGF parece demonstrar um mecanismo de adaptação fisiológica ao exercício de longa/ultralonga duração, e sugere que haja uma correlação positiva entre a intensidade do exercício e a liberação de fatores de crescimento8.
A duração do exercício, por sua vez, parece estar associada à permanência dos efeitos do mesmo sobre as CPE. Protocolos de exercício com aspecto extremo19 apresentaram respostas mais duradouras (até 48 horas após o término da sessão de exercício) do que maratonas (até 24 horas após o término da sessão de exercício)8.
Finalmente, acredita-se que a diferença de idade entre as populações dos estudos analisados possa explicar os resultados contraditórios obtidos, uma vez que a idade influencia o número e a funcionalidade das CPE34.
Os exercícios de intensidade máxima são caracterizados por um grande aumento no estresse de cisalhamento vascular35, o qual pode ser considerado um efeito subagudo do exercício físico28. A maioria dos resultados mostrou que uma única sessão de exercício máximo parece aumentar o número de CPE8,23,24, os níveis de NO plasmático24, bem como os níveis plasmáticos do VEGF-C8. Entretanto, uma correlação positiva foi encontrada apenas entre o aumento de CPE e os níveis de NO24. Além disso, a magnitude do incremento utilizado nos protocolos de exercícios parece contribuir para resultados mais significativos24.
Alguns estudos que utilizaram condições semelhantes de exercício e perfil populacional21,23,24 mostraram resultados muito diferentes para o número de CPE na condição basal. Ao menos parte dessa heterogeneidade decorre da ausência de um protocolo padronizado para a quantificação, identificação e análise das CPE. Por essa razão, torna-se difícil comparar e consolidar os resultados dos diferentes estudos, sendo esse o maior desafio metodológico no avanço do conhecimento nessa área.
Sessões de exercício de intensidade submáxima correspondem a sessões sucessivas que compõem o treinamento; portanto, o estudo das respostas fisiológicas a esse tipo de exercício pode contribuir para a compreensão do processo global de adaptação endotelial ao treinamento físico36.
Em jovens, o exercício de intensidade submáxima promoveu aumento significativo das UFC-CE, das CPE ou de colônias de célula endotelial de crescimento tardio. Além disso, verificou-se que os níveis de CPE circulantes não variaram em resposta a um exercício de maior intensidade e mesma duração27. Entretanto, um protocolo fatigante, que combina intensidade submáxima e maior duração (cerca de uma hora de duração), documentou um efeito mais duradouro do exercício sobre as CPE, sendo observado até 48 horas após o término da sessão. Além disso, esse protocolo se correlacionou fortemente com os níveis plasmáticos de VEGF (
Em razão da grande variabilidade interindividual encontrada, não foram verificadas diferenças significativas no número de CPE ou de UFC-CE após exercício, em atletas idosos18.
Quanto à influência da condição física sobre as CPE, os estudos são controversos. Jovens treinados17 mostraram aumento significativo de UFC-CE. No entanto, o aumento de células CD34+/KDR+ ou CD34+/VEGFR2+ foi observado tanto em indivíduos sedentários26 quanto em indivíduos treinados27.
O principal mecanismo envolvido na mobilização das CPE após a realização de exercício submáximo parece estar associado à biodisponibilidade de NO. Em homens ativos, o exercício promoveu uma diminuição da expressão da NADPH oxidase, importante fator causador de estresse oxidativo no sistema cardiovascular e um aumento dos níveis de NO intracelular nas UFC-CE17. Em indivíduos sedentários, o exercício promoveu redução significativa da mobilização de células CD34+/VEGFR2+ após o bloqueio da eNOS por infusão com L-NMMA26. Esses dados sugerem que a NADPH oxidase pode ser um dos mecanismos envolvidos na inibição da produção de NO intracelular nas UFC-CE17.
Até o momento, alguns estudos9,26,35 têm demonstrado um dos possíveis mecanismos pelo qual a produção de NO induzida agudamente pelo exercício contribui para o aumento de CPE. Nesses estudos, os autores propõem que o exercício promova aumento do estresse de cisalhamento no endotélio, elevando os níveis de cálcio intracelular e, consequentemente, ativando a eNOS. A ativação dessa enzima, por sua vez, promove o aumento do NO, a ativação da metaloproteinase 9 e a liberação do ligante Kit solúvel, sendo esse crucial para a mobilização de CPE da medula óssea para a circulação periférica26.
Apesar do fato de que um tecido isquêmico é por definição um tecido patológico e, por essa razão, está ausente em indivíduos saudáveis, os exercícios de longa e ultralonga duração são modelos de isquemia fisiológica, pois provocam mudanças no metabolismo glicolítico anaeróbio, além de gerar estresse oxidativo23. As espécies reativas do oxigênio são essenciais para a hipóxia37. O fator induzido por hipóxia-1 é ativado após sessões únicas de exercício38, estimulando a expressão gênica de importantes moléculas mobilizadoras de CPE, como o VEGF10. Na presença de VEGF ocorre a ativação da eNOS, o aumento do NO e, assim, a mobilização de CPE da medula óssea26. Além dessas condições, o NO também é a molécula-chave nos exercícios de menor duração e o aumento na sua biodisponibilidade parece depender, especialmente, de dois mecanismos: no primeiro, a ativação da proteína quinase 3 mediada pelo aumento do estresse de cisalhamento ativa a eNOS e essa aumenta a produção de NO39. No segundo mecanismo, o exercício reduz a expressão de NADPH, aumentando a biodisponibilidade de NO com consequente mobilização de CPE da medula óssea. Pelo exposto, podemos sugerir que as sessões únicas de exercício de intensidade e durações diferentes mobilizam as CPE para o sangue periférico por mecanismos diferentes entretanto, o NO parece ser uma molécula comum em ambas as vias de mobilização.
A mobilização de células progenitoras endoteliais foi mais acentuada no exercício de longa/ultralonga duração e parece estar associada aos níveis plasmáticos de fator de crescimento endotélio vascular. Enquanto os exercícios máximo e submáximo com até uma hora de duração provocam aumento, em menor magnitude, do número de células progenitoras endoteliais na circulação, porém o mecanismo principal de mobilização parece ser a biodisponibilidade de óxido nítrico.
Este trabalho teve o apoio financeiro das seguintes instituições: Capes, Faperj, CNPq, Finep e Labs D'Or.
Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.
O presente estudo foi financiado pelo Capes, Faperj, CNPq, Finep e Labs D'Or.
Este artigo é parte de tese de Doutorado de Natália Galito Rocha pela Universidade Federal Fluminense.
Antonio Claudio Lucas da Nóbrega Laboratório de Ciências do Exercício - Instituto Biomédico, Universidade Federal Fluminense Rua Professor Hernani Pires de Melo, 101 - Sala 106 24210-130, Niterói, RJ, Brasil E-mail:
Artigo recebido em 03/06/11; revisado recebido em 13/07/11; aceito em 18/07/11.
El ejercicio físico moviliza Células Progenitoras Endoteliales (CPE) hacia la sangre periférica. Entre tanto, ese efecto parece depender de características del ejercicio, como duración e intensidad. El objetivo de este estudio fue verificar, por medio de revisión sistemática, el impacto de una única sesión de ejercicio aeróbico sobre la Movilización de CPE en individuos sanos y los potenciales mecanismos envueltos. La búsqueda bibliográfica fue realizada en las bases de datos electrónicas SciELO, LILACS, Cochrane, ClinicalTrials.gov, SPORTDiscus y Medline, en mayo de 2011. De los 178 estudios inicialmente identificados, 12 respondieron a los criterios de inclusión y fueron clasificados en cuanto a la calidad mediante criterios de la escala PEDro. La magnitud y la duración de la respuesta de Movilización de las CPE fueron mayores después de la realización de ejercicios de larga/ultra larga duración y están correlacionadas con niveles plasmáticos de factor de crecimiento endotelio vascular (VEGF). El pico de Movilización de esas células en respuesta a una sesión de ejercicio máximo o submáximo, con duración de hasta una hora, ocurre en el período inmediatamente después del esfuerzo y hasta una hora después de su interrupción. Un posible mecanismo es la biodisponibilidad del Óxido Nítrico (NO). La edad de los individuos y la intensidad del ejercicio parecen interferir en la respuesta de Movilización de las CPE. Ejercicios de larga/ultra larga duración promueven Movilización más acentuada de las CPE cuando son comparados a ejercicios máximos o submáximos. Los mecanismos envuelven la liberación del VEGF en ejercicios de larga/ultra larga duración y la biodisponibilidad de NO en ejercicios máximo y submáximo con hasta una hora de duración.
IPrograma de Pós-Graduação em Ciências Cardiovasculares - Universidade Federal Fluminense, Niterói, RJ, Brasil
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Correspondencia
El ejercicio físico moviliza Células Progenitoras Endoteliales (CPE) hacia la sangre periférica. Entre tanto, ese efecto parece depender de características del ejercicio, como duración e intensidad.
El objetivo de este estudio fue verificar, por medio de revisión sistemática, el impacto de una única sesión de ejercicio aeróbico sobre la Movilización de CPE en individuos sanos y los potenciales mecanismos envueltos.
La búsqueda bibliográfica fue realizada en las bases de datos electrónicas SciELO, LILACS, Cochrane, ClinicalTrials.gov, SPORTDiscus y Medline, en mayo de 2011. De los 178 estudios inicialmente identificados, 12 respondieron a los criterios de inclusión y fueron clasificados en cuanto a la calidad mediante criterios de la escala PEDro.
La magnitud y la duración de la respuesta de Movilización de las CPE fueron mayores después de la realización de ejercicios de larga/ultra larga duración y están correlacionadas con niveles plasmáticos de factor de crecimiento endotelio vascular (VEGF). El pico de Movilización de esas células en respuesta a una sesión de ejercicio máximo o submáximo, con duración de hasta una hora, ocurre en el período inmediatamente después del esfuerzo y hasta una hora después de su interrupción. Un posible mecanismo es la biodisponibilidad del Óxido Nítrico (NO). La edad de los individuos y la intensidad del ejercicio parecen interferir en la respuesta de Movilización de las CPE.
Ejercicios de larga/ultra larga duración promueven Movilización más acentuada de las CPE cuando son comparados a ejercicios máximos o submáximos. Los mecanismos envuelven la liberación del VEGF en ejercicios de larga/ultra larga duración y la biodisponibilidad de NO en ejercicios máximo y submáximo con hasta una hora de duración.
Las Células Progenitoras Endoteliales (CPE), descriptas en 1997 por Asahara et al1, constituyen una población heterogénea de células circulantes en la sangre periférica1 cuyo origen se encuentra en múltiples precursores, incluyendo hemangioblastos1, precursores no hematopoyéticos, células monocíticas2 o células tronco residentes en los tejidos3. Esas células desempeñan una importante función en la reparación vascular y en la formación de nuevos vasos en razón de su capacidad de proliferar, migrar, diferenciarse
Las CPE son raras, representando cerca de 0,01% a 0,0001% de la fracción mononuclear en la sangre periférica6. Entre tanto, diversos estímulos son capaces de movilizarlas de la médula ósea, elevándolas temporalmente en la circulación periférica, y entre esos estímulos se destaca el ejercicio físico7-9. Una vez en la circulación periférica, las CPE secretan factores proangiogénicos, como el factor de crecimiento de endotelio vascular (VEGF)10 y el factor estimulante de colonia de granulocitos (G-CSF)11, capaces de estimular paracrinamente los procesos de neovasculogénesis y angiogénesis1.
La práctica regular de ejercicios físicos contribuye a la reducción de cerca de 30% de la mortalidad por enfermedades cardiovasculares12. Como la disminución de factores de riesgo cardiometabólicos clásicos como hiperlipidemia, hipertensión y resistencia la insulina explica apenas aproximadamente 40% de la reducción de la mortalidad inducida por ejercicios13, variables relacionadas directamente al endotelio podrían ayudar a explicar por que y como los ejercicios físicos previenen, disminuyen la progresión y reducen la mortalidad resultante de la presencia de enfermedades cardiovasculares14.
Uno de los posibles mecanismos envueltos en ese proceso es la Movilización de CPE a la sangre periférica9. Con todo, diferentes tipos, duraciones e intensidades de ejercicio pueden promover distintas respuestas y, consecuentemente, alterar la biodisponibilidad y funcionalidad de las CPE. Así, revisamos de forma sistemática el impacto de una sesión de ejercicio aeróbico en la Movilización de CPE en individuos sanos y los posibles mecanismos envueltos en ese proceso.
La búsqueda bibliográfica fue realizada en el mes de mayo de 2011, por dos evaluadores independientes (JFRS y NGR) por medio de las bases de datos electrónicas SciELO, Cochrane, LILACS, ClinicalTrials.gov, SPORTDiscus y Medline. Los trabajos fueron consultados utilizando todos o parte de los descriptores identificados a seguir en inglés y su correspondencia en portugués:
Fueron identificados 178 estudios en todas las bases de datos electrónicas. Después de aplicación de los términos
Mediante un análisis manual, fueron excluidos estudios cuyos participantes fuesen niños o adolescentes (n = 02); afectados por enfermedad, inflamación, alteración metabólica o hiciesen uso de drogas (n = 27); estudios que no evaluasen la intervención o el desenlace de interés, o sea, la intervención no fuese una sesión única de ejercicio físico o la población celular analizada no correspondiese al perfil de CPE, según criterios de inclusión (n = 19); y estudio de revisión (n = 01) (
Cuando el título y el
La calidad de los estudios fue evaluada por medio de la escala PEDro16, en la cual estudios con un escore mayor o igual a cuatro son clasificados como de alta calidad. Los criterios adoptados fueron: 1. Criterios de inclusión bien definidos; 2. Ubicación aleatoria entre los grupos; 3. Descripción de las características demográficas y el tamaño de la muestra (
Fueron extraídos los siguientes datos de cada publicación: el nombre del primer autor y el año de publicación; los datos de la población/demografía/tamaño de la muestra; el momento de obtención de la muestra de sangre; las variables estudiadas y el método por el cual fueron analizadas; el protocolo, la intensidad y el volumen del ejercicio; y los resultados del estudio, con la correlación entre intervención y desenlace.
El nivel de entrenamiento de los participantes varió desde individuos denominados como no activos o sedentarios17,18 hasta atletas que terminaron una carrera de 246 Km. en hasta 36 horas19. Por esa razón, en la presente revisión sistemática fue elaborada una clasificación basada en el volumen de entrenamiento de los participantes de todos los estudios a fin de estandarizar y calificar los individuos en solamente tres niveles de condición física: Grupo sedentario, participantes cuyo volumen de entrenamiento aeróbico era inferior o igual a una vez por semana, con sesiones de 20 minutos; Grupo activo, practicantes de ejercicio aeróbico dos a tres veces por semana, con sesiones de 20 minutos; Grupo entrenado, participantes cuyo volumen de entrenamiento aeróbico era superior o igual a cuatro veces por semana, con sesiones de 30 minutos.
La respuesta de las CPE al ejercicio puede variar de acuerdo con el tipo de protocolo utilizado7,8,20. Por eso, fueron extraídos de cada estudio los datos referentes a intensidad, volumen, duración y frecuencia de ejercicio físico utilizado, informaciones sobre valores porcentuales de la frecuencia cardíaca máxima, del consumo de oxígeno (VO2) máximo o del umbral anaeróbico de los participantes, así como la descripción de los autores sobre el protocolo de ejercicio utilizado, posibilitando la clasificación de los ejercicios en tres categorías: 1. Ejercicio de larga/ultra larga duración (medio maratón, maratón o ultra maratón); 2. Ejercicio de intensidad máxima, normalmente de carácter progresivo alcanzando el máximo del esfuerzo y/o VO2 máximo en alrededor de 5 a 20 minutos. Son ejemplos típicos el test ergométrico convencional o el test cardiopulmonar de ejercicio (TCPE); y 3. Ejercicio de intensidad submáxima, normalmente utilizando como referencia el porcentual del umbral anaeróbico y/o VO2 máximo y con duración máxima de una hora. En el presente estudio, la intensidad del ejercicio varió entre 80% y 100% del umbral anaeróbico o superior a 75% del VO2 máximo.
Los 12 estudios incluidos fueron clasificados como de alta calidad. De esos, siete eran del tipo transversal; cuatro, del tipo longitudinal; y uno, con ambos delineamientos. En todos los estudios incluidos, los procedimientos metodológicos adoptados en el dimensionamiento y en la selección de la muestra, las mediciones de las variables y los aspectos éticos fueron suficientemente descriptos. La composición de las muestras (en total 286 participantes) varió en cuanto a la franja etárea, de 18 a 80 años, y a la condición física, de sedentarios a entrenados (
La mayoría de los estudios relató efectos significativos del ejercicio de diferentes características sobre la Movilización de CPE a la sangre periférica. Mientras tanto, el volumen de entrenamiento o condición física del participante no influenció el número de CPE en el momento preejercicio17,18,21. Además de eso, después de una sesión única de ejercicio submáximo, el número de CPE aumentó en la circulación de participantes con mayor volumen de entrenamiento17, sugiriendo la necesidad de un estímulo agudo perturbador en el organismo para la Movilización de las células progenitoras endoteliales.
En las tablas 2a-2c son presentadas informaciones específicas sobre los estudios incluidos y ordenados como: 1. Ejercicio de larga/ultra larga duración (n = 4 estudios,
El aumento en el número de células CD34+/KDR+ o de UFC-CE después de un ejercicio de larga/ultra larga duración (maratón/carrera de ultra distancia) fue observado en tres de los cuatro estudios evaluados (
En individuo entrenados, el número de células CD34+/KDR+ aumentó, aproximadamente, dos veces al final de un maratón (p < 0,005), mientras el número de Células Angiogénicas Circulantes (CAC) aumentó, aproximadamente, tres veces (8,5 ± 1,9 vs. 30,2 ± 4,6 células/1x106 mononucleares; p < 0,0001), con retorno a los niveles basales en la mañana del día siguiente8 (10,9 ± 1,8 células/1x106 mononucleares). También en hombres entrenados, el número de UFC-CE aumentó en alrededor de 11 veces (44,5 ± 2,5 vs. 494,5 ± 27,9/mL) después del término de una carrera de ultra distancia (246 km) en hasta 36 horas, manteniendo los niveles elevados hasta 48 horas (428,5 ± 31,5/mL; p < 0,0001) después del término de la carrera19. A su vez, aun en corredores entrenados, el número de células CD34+/VEGFR2+ no se alteró después de un maratón7 (117,0 ± 8,0 vs. 128,0 ± 9,0 células/mL; p = 0,33). Una sesión de ejercicio en cicloergómetro a 70% del umbral anaeróbico reveló aumento de 5,5 veces para las células CD34+/KDR+ (p < 0,001) y de 3,5 veces para las células CD133+/KDR+ a partir de 210 minutos de ejercicio (p < 0,001) de forma tiempo dependiente, con retorno a los niveles basales después de 24 horas22. Los niveles de VEGF-C aumentaron en el día siguiente a un maratón y fueron mayores que en el ejercicio máximo (p < 0,05)8. Después de 10 minutos de ejercicio en cicloergómetro22, los niveles plasmáticos de VEGF mostraron aumento máximo de 1,9 vez (79,8 ± 15,4 pg/mL vs. 132,6 ± 32,1 pg/mL; p < 0,05), presentando correlación significativa con el número de células CD133+/KDR+ (
Cuatro estudios evaluaron el efecto de una sesión única de ejercicio máximo en el número de CPE8,21,23,24 (
En el estudio de Yang et al24 hubo aumento significativo de células CD34+/KDR+ (p < 0,05) y de células lectina UEA1-FITC+/Dil-acLDL+ (p < 0,05) en los 30 minutos después de la realización de un TCPE en cinta. En individuo entrenados, las células CD34+/KDR+ aumentaron tres veces (p < 0,01) después del término de una carrera de 1.500 m8. Los niveles de CAC también aumentaron significativamente después de la carrera de 1.500 m8 (p < 0,005). Resultados semejantes fueron mostrados por Van Craenenbroeck et al23, que revelaron aumento de 76% de las células CD34+/KDR+ en jóvenes con edades de 24 ± 1 años (15,4 ± 10,7 vs. 27,2 ± 13,7 células/mL; p = 0,01) y aumento de 69% en adultos con edades de 36 ± 9 años (30,9 ± 14,6 vs. 52,5 ± 42,6 células/mL; p = 0,03); entre tanto, no ocurrió cambio significativo en el porcentual de UFC-CE (11,9 ± 10,9 vs. 9,0 ± 8,3 UFC-CE; p = 0,2). Solamente en el estudio de Thijssen et al21 no hubo cambio en el número de CPE después de TCPE entre jóvenes y añosos entrenados y sedentarios (p > 0,05).
En la mayoría de los estudios no hubo cambio significativo en los niveles plasmáticos de VEGF después de sesión única de ejercicio máximo21,23,24, aunque en el estudio de Bonsignore et al8, los niveles plasmáticos de VEGF-C (7,3 ± 1,8 vs. 8,8 ± 1,7 pg/mL; p < 0,001) aumentaron después de una carrera de 1.500 m (
El aumento de los niveles plasmáticos de Óxido Nítrico (NO) fue observado 30 minutos después de la realización de un TCPE en cinta por el estudio de Yang et al24 (p < 0,05). Además de eso, el análisis por regresión lineal reveló correlación positiva (
De los cinco trabajos17,18,25-27 que evaluaron el efecto de una sesión de ejercicio submáximo sobre el número de CPE o de UFC-CE (
A pesar de que Lockard et al18 no hayan encontrado alteración en el número de células CD34+/VEGFR2+ (p > 0,05) y en las UFC-CE (p > 0,05) después de 30 minutos de ejercicio con intensidad de 75 ± 5% del VO2 máximo, la mayoría de los estudios no parece corroborar ese hallazgo. Jenkins et al17 mostraron que, en hombres entrenados, las UFC-CE aumentaron significativamente después de 30 minutos de ejercicio submáximo (p = 0,02). El ejercicio moderado o intenso (80% y 100% del umbral anaeróbico, respectivamente) de misma duración aumentó el número de CPE circulantes (CD34+/VEGFR2+ y lectina UEA 1-FITC+/Dil-acLDL+) con pico de respuesta entre 10 y 30 minutos después del término de la sesión del ejercicio (p < 0,01). Las UFC-CE también aumentaron después de 30 minutos de carrera de alta intensidad27 (p < 0,05). Además de eso, una sesión de ejercicio en cicloergómetro, con duración de 30 minutos a 80% del umbral anaeróbico26, provocó el aumento del número de células CD34+/KDR+ y CD133+/CD34+/KDR+ en individuo caucásicos europeos (85,4 ± 1,3% y 73,9 ± 9,1%; respectivamente), así como en asiáticos (53,2 ± 6,9% y 48,3 ± 8,8%; respectivamente) 20 minutos después del término de la sesión. En otro estudio25, una sesión única de
En hombres entrenados, el ejercicio redujo, agudamente, los niveles de RNA mensajero (RNAm) de la NADPH oxidasa (gp91phox) en UFC-CE17 (p = 0,02). En hombres activos, hubo aumento de la producción de NO intracelular (p = 0,004) y reducción de la expresión de la subunidad p47phox de la NADPH oxidasa (p < 0,05), pero sin diferencia para otros marcadores de estrés oxidativo17 (p > 0,05). La infusión de L-NMMA, un inhibidor de la enzima óxido nítrico sintasa (eNOS), redujo el número de CPE (CD34+/KDR+: -3,3% vs. 68,4%; p < 0,001; CD133+/CD34+/KDR+: 0,7% vs. 71,4%; p < 0,001). Además de eso, un análisis por regresión lineal mostró una correlación positiva entre la vasodilatación mediada por el flujo y las células CD34+/KDR+ (
Recientes trabajos15,24 demostraron que la mejora de la función endotelial inducida por el ejercicio se debe, en parte, por la Movilización de CPE para la circulación periférica, donde actúan en los procesos de neovascularización y de reparación endotelial15. Por esa razón, el ejercicio físico es un importante método para promover la salud del sistema cardiovascular, tanto en individuo sanos28 como en individuo con factores de riesgo cardiovascular29,30.
Los maratones, medio maratones y carreras de ultra distancia son modelos de inflamación inducida que estimulan el aumento de los niveles circulantes de mediadores pro y antiinflamatorios31, promoviendo la liberación, la migración y la diferenciación de las células tronco de la médula ósea32. Ese tipo de ejercicio también aumenta los niveles plasmáticos de citocinas y de marcadores de activación endotelial, ofreciendo una oportunidad de evaluar los mecanismos fisiológicos relacionados a la reparación vascular, antes que un daño tisular irreversible haya ocurrido33.
Los resultados mostraron que los ejercicios de larga/ultra larga duración aumentan significativamente la concentración de células progenitoras, especialmente las endoteliales, y de leucocitos8,19,22. Los niveles plasmáticos de interleucina-6 se mostraron elevados durante y después de ejercicio de larga/ultra larga duración, evidenciando su carácter inflamatorio8,19.
Aun en ese contexto, los mayores niveles plasmáticos de VEGF fueron verificados después de ese tipo de ejercicio. Se cree que los niveles elevados de ese factor estén asociados a la presencia de hipoxia en los tejidos en esas condiciones, lo que favorecería el estímulo de Movilización de las CPE y la reparación endotelial. Por lo tanto, ese aumento de VEGF parece demostrar un mecanismo de adaptación fisiológica al ejercicio de larga/ultra larga duración, y sugiere que hay una correlación positiva entre la intensidad del ejercicio y la liberación de factores de crecimiento8.
La duración del ejercicio, a su vez, parece estar asociada a la permanencia de los efectos del mismo sobre las CPE. Protocolos de ejercicio con aspecto extremo19 presentaron respuestas más duraderas (hasta 48 horas después del término de la sesión de ejercicio) que maratones (hasta 24 horas después del término de la sesión de ejercicio)8.
Finalmente, se cree que la diferencia de edad entre las poblaciones de los estudios analizados pueda explicar los resultados contradictorios obtenidos, una vez que la edad influencia el número y la funcionalidad de las CPE34.
Los ejercicios de intensidad máxima son caracterizados por un gran aumento en el estrés de corte vascular35, el cual puede ser considerado un efecto subagudo del ejercicio físico28. La mayoría de los resultados mostró que una única sesión de ejercicio máximo parece aumentar el número de CPE8,23,24, los niveles de NO plasmático24, así como los niveles plasmáticos del VEGF-C8. Entre tanto, una correlación positiva fue encontrada apenas entre el aumento de CPE y los niveles de NO 24. Además de eso, la magnitud del incremento utilizado en los protocolos de ejercicios parece contribuir a resultados más significativos24.
Algunos estudios que utilizaron condiciones semejantes de ejercicio y perfil poblacional21,23,24 mostraron resultados muy diferentes para el número de CPE en la condición basal. Al menos parte de esa heterogeneidad resulta de la ausencia de un protocolo estandarizado para la cuantificación, identificación y análisis de las CPE. Por esa razón, se vuelve difícil comparar y consolidar los resultados de los diferentes estudios, siendo ese el mayor desafío metodológico en el avance del conocimiento en esa área.
Sesiones de ejercicio de intensidad submáxima corresponden a sesiones sucesivas que componen el entrenamiento; por lo tanto, el estudio de las respuestas fisiológicas a ese tipo de ejercicio puede contribuir a la comprensión del proceso global de adaptación endotelial al entrenamiento físico36.
En jóvenes, el ejercicio de intensidad submáxima promovió aumento significativo de las UFC-CE, de las CPE o de colonias de célula endotelial de crecimiento tardío. Además de eso, se verificó que los niveles de CPE circulantes no variaron en respuesta a un ejercicio de mayor intensidad y misma duración27. Entre tanto, un protocolo fatigante, que combina intensidad submáxima y mayor duración (cerca de una hora de duración), documentó un efecto más duradero del ejercicio sobre las CPE, sendo observado hasta 48 horas después del término de la sesión. Además de eso, ese protocolo se correlacionó fuertemente con los niveles plasmáticos de VEGF (
En razón de la gran variabilidad interindividual encontrada, no fueron verificadas diferencias significativas en el número de CPE o de UFC-CE después de ejercicio, en atletas añosos18.
En cuanto a la influencia de la condición física sobre las CPE, los estudios son controvertidos. Jóvenes entrenados17 mostraron aumento significativo de UFC-CE. Mientras tanto, el aumento de células CD34+/KDR+ o CD34+/VEGFR2+ fue observado tanto en individuos sedentarios26 como en individuos entrenados27.
El principal mecanismo envuelto en la Movilización de las CPE después de la realización de ejercicio submáximo parece estar asociado a la biodisponibilidad de NO. En hombres activos, el ejercicio promovió una disminución de la expresión de la NADPH oxidasa, importante factor causador de estrés oxidativo en el sistema cardiovascular y un aumento de los niveles de NO intracelular en las UFC-CE17. En individuos sedentarios, el ejercicio promovió reducción significativa de la Movilización de células CD34+/VEGFR2+ después del bloqueo de la eNOS por infusión con L-NMMA26. Esos datos sugieren que la NADPH oxidasa puede ser uno de los mecanismos envueltos en la inhibición de la producción de NO intracelular en las UFC-CE17.
Hasta el momento, algunos estudios9,26,35 han demostrado uno de los posibles mecanismos por el cual la producción de NO inducida agudamente por el ejercicio contribuye al aumento de CPE. En esos estudios, los autores proponen que el ejercicio promueve aumento del estrés de corte en el endotelio, elevando los niveles de calcio intracelular y, consecuentemente, activando la eNOS. La activación de esa enzima, a su vez, promueve el aumento del NO, la activación de la metaloproteinasa 9 y la liberación del ligante Kit soluble, siendo este crucial para la Movilización de CPE de la médula ósea a la circulación periférica26.
A pesar del hecho de que un tejido isquémico es por definición un tejido patológico y, por esa razón, está ausente en individuo sanos, los ejercicios de larga y ultra larga duración son modelos de isquemia fisiológica, pues provocan cambios en el metabolismo glucolítico anaeróbico, además de generar estrés oxidativo23. Las especies reactivas del oxígeno son esenciales para la hipoxia37. El factor inducido por hipoxia-1 es activado después de sesiones únicas de ejercicio38, estimulando la expresión génica de importantes moléculas movilizadoras de CPE, como el VEGF10. En presencia de VEGF ocurre la activación de la eNOS, el aumento del NO y, así, la Movilización de CPE de la médula ósea26. Además de esas condiciones, el NO también es la molécula clave en los ejercicios de menor duración y el aumento en su biodisponibilidad parece depender, especialmente, de dos mecanismos: en el primero, la activación de la proteína quinasa 3 mediada por el aumento del estrés de corte activa la eNOS y esa aumenta la producción de NO39. En el segundo mecanismo, el ejercicio reduce la expresión de NADPH, aumentando la biodisponibilidad de NO con consecuente Movilización de CPE de la médula ósea. Por lo expuesto, podemos sugerir que las sesiones únicas de ejercicio de intensidad y duraciones diferentes movilizan las CPE a la sangre periférico por mecanismos diferentes entre tanto, el NO parece ser una molécula común en ambas vías de Movilización.
La Movilización de células progenitoras endoteliales fue más acentuada en el ejercicio de larga/ultra larga duración y parece estar asociada a los niveles plasmáticos de factor de crecimiento endotelio vascular. Mientras los ejercicios máximo y submáximo con hasta una hora de duración provocan aumento, en menor magnitud, del número de células progenitoras endoteliales en la circulación, aunque el mecanismo principal de Movilización parece ser la biodisponibilidad de óxido nítrico.
Este trabajo tuvo el apoyo financiero de las siguientes instituciones: Capes, Faperj, CNPq, Finep y Labs D'Or.
Declaro no haber conflicto de intereses pertinentes.
Capes, Faperj, CNPq, Finep y Labs D'Or financiarón el presente estudio.
Este artículo forma parte de tesis de Doctorado de Natália Galito Rocha, por la Universidade Federal Fluminense.
Physical exercise mobilizes endothelial progenitor cells (EPCs) to peripheral blood. However, this effect seems to depend on exercise characteristics, such as duration and intensity. The aim of this systematic review was to verify the impact of a single bout of aerobic exercise on the mobilization of EPCs in healthy individuals, and the potential mechanisms involved. The bibliographic search was conducted on the following electronic databases in May 2011: SciELO, LILACS, Cochrane, ClinicalTrials.gov, SPORTDiscus and Medline. Of the 178 articles initially identified, 12 met the inclusion criteria and were classified regarding quality according to the PEDro scale. The magnitude and duration of the EPC mobilization response were higher after long/ultralong duration exercises, and they are correlated with vascular endothelial growth factor (VEGF) plasma levels. The EPC mobilization peak in response to a maximal or submaximal single bout of exercise lasting up to one hour occurs immediately after the exercise or within the first hour after it. One possible mechanism is nitric oxide (NO) bioavailability. The individuals' age and exercise intensity seem to interfere with the EPC mobilization response. Long/ultralong duration exercises promote more pronounced EPC mobilization as compared with maximal or submaximal exercises. The mechanisms involve VEGF release in long/ultralong duration exercises and NO bioavailability in maximal or submaximal exercises lasting less than one hour.
IPrograma de Pós-Graduação em Ciências Cardiovasculares - Universidade Federal Fluminense, Niterói, RJ, Brasil
IIDepartamento de Fisiologia e Farmacologia - Universidade Federal Fluminense, Niterói, RJ, Brasil
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Physical exercise mobilizes endothelial progenitor cells (EPCs) to peripheral blood. However, this effect seems to depend on exercise characteristics, such as duration and intensity.
The aim of this systematic review was to verify the impact of a single bout of aerobic exercise on the mobilization of EPCs in healthy individuals, and the potential mechanisms involved.
The bibliographic search was conducted on the following electronic databases in May 2011: SciELO, LILACS, Cochrane, ClinicalTrials.gov, SPORTDiscus and Medline. Of the 178 articles initially identified, 12 met the inclusion criteria and were classified regarding quality according to the PEDro scale.
The magnitude and duration of the EPC mobilization response were higher after long/ultralong duration exercises, and they are correlated with vascular endothelial growth factor (VEGF) plasma levels. The EPC mobilization peak in response to a maximal or submaximal single bout of exercise lasting up to one hour occurs immediately after the exercise or within the first hour after it. One possible mechanism is nitric oxide (NO) bioavailability. The individuals' age and exercise intensity seem to interfere with the EPC mobilization response.
Long/ultralong duration exercises promote more pronounced EPC mobilization as compared with maximal or submaximal exercises. The mechanisms involve VEGF release in long/ultralong duration exercises and NO bioavailability in maximal or submaximal exercises lasting less than one hour.
Endothelial progenitor cells (EPCs), described in 1997 by Asahara et al1, constitute a heterogeneous population of circulating cells in peripheral blood1. Their origin is found in multiple precursors, such as hemangioblasts1, non-hematopoietic precursors, monocytic cells2, or tissue-resident stem cells3. Endothelial progenitor cells play an important role in vascular repair and new vessel formation, because of their capacity to proliferate, migrate, differentiate
Endothelial progenitor cells are rare, representing approximately 0.01% to 0.0001% of the mononuclear fraction in peripheral blood6. However, several stimuli, such as physical exercise, can mobilize them from bone marrow, temporarily increasing their number in peripheral circulation7-9. In the peripheral circulation, EPCs secret pro-angiogenic factors, such as vascular endothelial growth factor (VEGF)10 and granulocyte colony stimulating factor (G-CSF)11, which are capable of paracrine stimulation of neovasculogenesis and angiogenesis1.
The regular practice of physical exercise contributes to an approximate 30% reduction in mortality due to cardiovascular diseases12. Because the reduction in classical cardiometabolic risk factors, such as hyperlipidemia, hypertension and insulin resistance, explains only approximately 40% of the exercise-induced reduction in mortality13, variables directly related to the endothelium could explain why and how physical exercise prevents and decreases the progression of disease, and reduces cardiovascular mortality14.
One of the possible mechanisms involved in that process is EPC mobilization to peripheral blood9. However, different exercise types, durations and intensities can promote distinct responses, and, thus, alter the bioavailability and functionality of EPCs. Thus, the impact of a bout of aerobic exercise on EPC mobilization in healthy individuals and the possible mechanisms involved in the process were systematically reviewed.
Bibliographic search was performed in May 2011 by two independent examiners (JFRS and NGR) by use of the following electronic databases: SciELO, Cochrane, LILACS, ClinicalTrials.gov, SPORTDiscus, and Medline. The studies were assessed by use of all or part of the following descriptors in English or their Portuguese correspondents:
From all electronic databases searched, 178 studies were identified. After applying the terms
Through manual analysis, studies with the following characteristics were excluded: children or adolescents as participants (n = 02); participants affected by disease, inflammation, or metabolic change, and those on drugs (n = 27); studies assessing neither the intervention nor the outcome of interest, that is, if the intervention was not one single physical exercise bout, or the cell population analyzed did not correspond to the EPC profile, according to inclusion criteria (n = 19); and review studies (n = 01) (Figure 1).
When the title and abstract of the study suggested its potential eligibility for inclusion, a copy of the complete text was obtained and the study was classified according to the following five inclusion criteria: 1. year of publication: from 1997, date of the first publication about EPCs; 2. study designs: cohort, cross-sectional, clinical trials, controlled clinical trials, and randomized controlled clinical trials; 3. study population: healthy adults (humans or animals); 4. intervention: one aerobic physical exercise bout; and 5. outcome of interest: quantitative assessment of EPCs, characterized as positive for CD133 (AC133) or CD34 (sca-1) and VEGFR2 (KDR or flk-1), or endothelial cell colony forming units (EC-CFUs)15.
The quality of the studies was assessed by use of the PEDro scale16, according to which studies with a score equal to or higher than four are classified as of high quality. The criteria adopted were as follows: 1. well-defined inclusion criteria; 2. random allocation into groups; 3. description of the demographic characteristics and size of the sample (
The following data were obtained from each publication: name of the first author and year of publication; population data, demography and size of the sample; blood sample collection time; variables studied and the method through which they were analyzed; the protocol, intensity and volume of exercise; and the results of the study, with correlation between intervention and outcome.
The exercise training level of the participants ranged from non-active or sedentary17,18 to athletes who finished a 246-km foot race in up to 36 hours19. Thus, in the present systematic review, a classification based on the volume of exercise training of the participants of all studies was elaborated to standardize and classify the individuals into only three levels of physical fitness as follows: sedentary group, participants whose volume of aerobic training was lower than or equal to once a week, with 20-minute bouts each; active group, those that practiced aerobic exercise twice or three times a week, with 20-minute bouts each; trained group, participants whose volume of aerobic training was greater than or equal to four times a week, with 30-minute bouts each.
The response of EPCs to exercise can vary according to the type of protocol used7,8,20. Thus, the following data were obtained from each study: intensity, volume, duration, and frequency of physical exercise training; percentage values of maximal heart rate, maximal oxygen consumption (VO2) and anaerobic threshold of participants; authors' description of the exercise protocol used, enabling the classification of the exercises into the following three categories: 1. long/ultralong duration exercise (half-marathon, marathon or ultramarathon training); 2. maximal intensity exercise, usually progressive and reaching maximal effort and/or maximal VO2 in 5 to 20 minutes. e.g. typical examples are the conventional exercise test or cardiopulmonary exercise test (CPET); and 3. Submaximal intensity exercise, usually using a percentage of the anaerobic threshold and/or maximal VO2 as reference, and with maximal duration of one hour. In the present study, exercise intensity ranged from 80% to 100% of the anaerobic threshold or exceeded 75% of the maximal VO2.
The 12 studies included were classified as of high quality and were as follows: seven cross-sectional studies; four longitudinal studies; and one study with both designs. In all studies included, the methodological procedures adopted in dimensioning and selecting the samples, the measurements of the variables, and the ethical aspects were sufficiently described. The composition of the samples (total of 286 participants) varied in age, from 18 to 80 years, and physical condition, from sedentary to trained (
Most studies reported significant effects of different types of exercises on the mobilization of EPCs to peripheral blood. However, neither the volume of training nor the physical condition of the participants has influenced the number of EPCs prior to exercise17,18,21. In addition, after one single bout of submaximal exercise, the number of EPCs increased in the blood stream of the participants with a higher volume of training17, suggesting that EPC mobilization requires an acute disturbing stimulus in the organism.
Tables 2a-2c show specific information about the studies included, which were classified as: 1. long/ultralong duration exercise (n = 4 studies,
An increase in the number of CD34+/KDR+ cells or EC-CFUs after long/ultralong duration exercise (marathon/ultra-distance running) was observed in three of the four studies assessed (
In trained individuals, the number of CD34+/KDR+ cells increased approximately twice at the end of a marathon (p < 0.005), while the number of circulating angiogenic cells (CAC) increased approximately three times (8.5 ± 1.9 vs. 30.2 ± 4.6 cells/1x106 mononuclear cells; p < 0.0001), with a return to baseline levels on the next morning8 (10.9 ± 1.8 cells/1x106 mononuclear cells). In addition, in trained men, the number of EC-CFUs increased by 11-fold (44.5 ± 2.5 vs. 494.5 ± 27.9/mL) at the end of an ultra-distance foot race (246 km) in up to 36 hours, and remained increased for 48 hours (428.5 ± 31.5/mL; p < 00001) after the end of the race19. In addition, in trained runners, the number of CD34+/VEGFR2+ cells did not change after a marathon7 (117.0 ± 8.0 vs. 128.0 ± 9.0 cells/mL; p = 0.33). One exercise bout on the cycle ergometer at 70% of the anaerobic threshold revealed a 5.5-fold increase in CD34+/KDR+ cells (p < 0.001) and a 3.5-fold increase in CD133+/KDR+ cells from 210 minutes of exercise (p < 0.001) in a time-dependent way, with return to baseline levels after 24 hours22. The VEGF-C levels increased on the day following a marathon and were greater than those of maximal exercise (p < 0.05)8. Ten minutes after exercising on the cycle ergometer22, VEGF plasma levels showed a 1.9-fold maximal increase (79.8 ± 15.4 pg/mL vs. 132.6 ± 32.1 pg/mL; p < 0.05), which significantly correlated with the number of CD133+/KDR+ cells (
Four studies assessed the effect of one single bout of maximal exercise on the number of EPCs8,21,23,24 (
Yang et al24 have reported a significant increase in CD34+/KDR+ cells (p < 0.05) and UEA-1 lectin-FITC+/Dil-acLDL+ cells (p < 0.05) 30 minutes after a CPET on the treadmill. In trained individuals, the number of CD34+/KDR+ cells has increased three times (p < 0.01) after the end of a 1,500-m foot race8. The levels of CAC have also increased significantly after a 1,500-m foot race8 (p < 0.005). Similar results have been shown by Van Craenenbroeck et al23, who have reported a 76% increase in CD34+/KDR+ cells in young individuals aged 24 ± 1 years (15.4 ± 10.7 vs. 27.2 ± 13.7 cells/mL; p = 0.01) and a 69% increase in adults aged 36 ± 9 years (30.9 ± 14.6 vs. 52.5 ± 42.6 cells/mL; p = 0.03); however, no significant change was observed in the percentage of EC-CFUs (11.9 ± 10.9 vs. 9.0 ± 8.3; p = 0.2). Only Thijssen et al21 have reported no change in the number of EPCs after CPET in trained and sedentary young and elderly individuals (p > 0.05).
Most studies have shown no significant change in VEGF plasma levels after one single bout of maximal exercise21,23,24; however, Bonsignore et al8 have reported an increase in VEGF-C plasma levels (7.3 ± 1.8 vs. 8.8 ± 1.7 pg/mL; p < 0,001) after a 1,500-m foot race (
According to the study by Yang et al24, an increase in nitric oxide (NO) plasma levels has been observed 30 minutes after a treadmill CPET (p < 0.05). In addition, linear regression analysis has revealed a positive correlation (
Of the five studies17,18,25-27 assessing the effect of one bout of submaximal exercise on the number of EPCs or of EC-CFUs (
Although Lockard et al18 have found no alteration in the number of CD34+/VEGFR2+ cells (p > 0.05) and EC-CFUs (p > 0.05) 30 minutes after an exercise with intensity of 75% ± 5% of maximal VO2, most studies do not seem to support that finding. Jenkins et al17 have shown that, in trained men, EC-CFUs increased significantly 30 minutes after submaximal exercise (p = 0.02). Moderate or intense exercise (80% and 100% of the anaerobic threshold, respectively) of same duration has increased the number of circulating EPCs (CD34+/VEGFR2+ and UEA-1 lectin-FITC+/Dil-acLDL+ cells), with a peak response between 10 and 30 minutes after the end of the exercise bout (p < 0.01). The number of EC-CFUs has also increased 30 minutes after high-intensity running27 (p < 0.05). In addition, one cycle ergometer exercise bout, lasting 30 minutes and at 80% of the anaerobic threshold26, caused an increase in the number of CD34+/KDR+ and CD133+/CD34+/KDR+ cells in European Caucasians (85.4 ± 1.3% and 73.9 ± 9.1%; respectively) and in Asians (53.2 ± 6.9% and 48.3 ± 8.8%; respectively) 20 minutes after the end of the exercise bout. In another study25, one single bout of spinning exercise, with mean duration of 44.3 ± 3.4 minutes and heart rate ranging from 77% to 95% of maximal heart rate, could double the number of late outgrowth endothelial cell colonies, another type of EPC colony. In addition, VEGF levels have shown a significant correlation with the number of late outgrowth endothelial cell colonies (
In trained men, exercise has acutely reduced the messenger RNA (mRNA) levels of NADPH oxidase (gp91phox) in EC-CFUs17 (p = 0.02). Active men showed an increased production of intracellular NO (p = 0.004) and a reduced expression of the p47phox subunit of NADPH oxidase (p < 0.05), but with no difference for other oxidative stress markers17 (p > 0.05). The infusion of L-NMMA, an inhibitor of the endothelial nitric oxide synthase (eNOS), has reduced the number of EPCs (CD34+/KDR+: -3.3% vs. 68.4%; p < 0.001; CD133+/CD34+/KDR+: 0.7% vs. 71.4%; p < 0.001). In addition, linear regression analysis has shown a positive correlation between flow-mediated vasodilation and CD34+/KDR+ (
Recent studies15,24 have shown that the exercise-induced improvement in endothelial function is mainly due to the mobilization of EPCs to the peripheral circulation, where they participate in the processes of neovascularization and endothelial repair15. Thus, physical exercise is an important method to promote health for cardiovascular system in both healthy individuals28 and those with cardiovascular risk factors29,30.
Marathons, half-marathons, and ultramarathons are models of induced inflammation that stimulate the increase in the circulating levels of pro- and anti-inflammatory mediators31, promoting the release, migration and differentiation of bone marrow stem cells32. That type of exercise also increases the plasma levels of cytokines and endothelial activation markers, providing an opportunity to assess the physiological mechanisms related to vascular repair, before an irreversible tissue damage has occurred33.
Long/ultralong duration exercises have shown to significantly increase the concentration of progenitor cells, especially the endothelial ones, and leukocytes8,19,22. Interleucin-6 plasma levels have increased during and after long/ultralong duration exercises, evidencing their inflammatory character8,19.
In addition, the highest VEGF plasma levels have been observed after that type of exercise. Elevated VEGF levels have been believed to associate with the presence of tissue hypoxia, favoring the stimulus of EPC mobilization and endothelial repair. Thus, that increase in VEGF seems to demonstrate a mechanism of physiological adaptation to long/ultralong duration exercise, suggesting the existence of a positive correlation between exercise intensity and the release of growth factors8.
Exercise duration, on its turn, seems to be associated with the permanence of the exercise effects on EPC. Protocols of extreme exercises19 have shown longer-lasting responses (up to 48 hours after the end of the exercise bout) than marathons do (up to 24 hours after the end of the exercise bout)8.
Finally, the difference in age between the populations studied is believed to explain the controversial results obtained, because age influences the number and function of EPCs34.
Maximal intensity exercises are characterized by a large increase in vascular shear stress35, which can be considered a subacute effect of physical exercise28. Most results have shown that one single maximal exercise bout seems to increase the number of EPCs8,23,24, NO plasma levels24, and VEGF-C plasma levels8. However, a positive correlation has been found only between the increase in the number of EPCs and NO levels24. In addition, the magnitude of the increment used in exercise protocols seems to contribute to more significant results24.
Some studies using similar conditions of exercise and population profile21,23,24 have shown very different results for the number of EPCs at baseline condition. At least part of that heterogeneity is due to the absence of a standardized protocol to quantify, identify and analyze EPCs. Thus, comparing and consolidating the results of the different studies is difficult, and that constitutes the greatest methodological challenge to knowledge advance in that area.
Successive submaximal intensity exercise bouts comprise the training; thus, the study of the physiological responses to that type of exercise can contribute to the understanding of the global process of endothelial adaptation to physical training36.
In young individuals, submaximal intensity exercise has caused a significant increase in EC-CFUs, EPCs and late outgrowth endothelial cell colonies. In addition, circulating EPC levels have not varied in response to a greater intensity exercise of same duration27. However, a strenuous protocol, combining submaximal intensity and longer duration (approximately one hour), has shown a longer-lasting effect of exercise on EPCs, observed up to 48 hours after the end of exercise bout. In addition, that protocol has strongly correlated with VEGF plasma levels (
Because of the large interindividual variability found, no significant difference in the number of EPCs or EC-CFUs has been observed after exercise in elderly athletes18.
Studies are controversial regarding the influence of physical condition on EPCs. Trained youngsters17 have shown a significant increase in EC-CFUs. However, an increase in CD34+/KDR+ or CD34+/VEGFR2+ cells has been observed in both sedentary26 and trained individuals27.
The major mechanism involved in EPC mobilization after performing a submaximal exercise seems to be associated with NO bioavailability. In active men, exercise has caused a reduction in the expression of NADPH oxidase, an important cause of oxidative stress on the cardiovascular system, and an increase in intracellular NO levels in EC-CFUs17. In sedentary individuals, exercise has caused a significant reduction in the mobilization of CD34+/VEGFR2+ cells after eNOS blockade with L-NMMA infusion26. Those data suggest that NADPH oxidase might be one of the mechanisms involved in the inhibition of intracellular NO production in EC-CFUs17.
So far, some studies9,26,35 have shown one of the possible mechanisms by which acutely exercise-induced NO production contributes to increase EPCs. In those studies, the authors have proposed that exercise promotes an increase in endothelial shear stress, elevating intracellular calcium levels, and, consequently, activating eNOS. The activation of that enzyme, on its turn, promotes NO increase, metalloproteinase 9 activation, and the release of the soluble kit ligand, which is crucial for the mobilization of EPCs from the bone marrow to peripheral circulation26.
Despite the fact that an ischemic tissue is by definition a pathological tissue, and, thus, lacks in healthy individuals, long and ultralong duration exercises are models of physiological ischemia, because they cause changes in the anaerobic glycolytic metabolism, in addition to generating oxidative stress23. Oxygen reactive species are essential for hypoxia37. Hypoxia inducible factor-1 is activated after single exercise bouts38, stimulating the gene expression of important EPC mobilizing molecules, such as VEGF10. In the presence of VEGF, eNOS activation and NO increase occur, thus mobilizing EPCs from bone marrow26. In addition, NO is also the key molecule in shorter-duration exercises, and the increase in its availability seems to depend especially on two mechanisms: in the first, the activation of protein kinase 3 mediated by the increase in shear stress activates eNOS, which increases NO production39. In the second mechanism, exercise reduces NADPH expression, increasing NO bioavailability, and, consequently, EPC mobilization from the bone marrow occurs. Considering that, one can suggest that single exercise bouts of different intensities and durations mobilize EPCs to peripheral blood through different mechanisms; however, NO seems to be a molecule common to both mobilization pathways.
The mobilization of endothelial progenitor cells was more marked in long/ultralong duration exercises and seems to be associated with the vascular endothelial growth factor plasma levels. Maximal exercises and submaximal exercises lasting less than one hour cause a lower magnitude increase in the number of circulating endothelial progenitor cells, and their main mechanism of mobilization seems to be nitric oxide bioavailability.
This study was financially supported by the following institutions: Capes, Faperj, CNPq, Finep, and Labs D'Or.
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
This study was funded by Capes, Faperj, CNPq, Finep, and Labs D'Or.
This article is part of the thesis of Doctoral submitted by Natália Galito Rocha, from Universidade Federal Fluminense.