Arenberggebouw – Arenbergstraat 5 – 1000 Brussel Tel: 02 209 47 21 – Fax: 02 209 47 15
Is de prestatie op hoogte genetisch bepaald? AUTEURS
MASSCHELEIN E., HESPEL P., THOMIS M.
REDACTEUR
BLOEMEN D.
INSTITUUT
Katholieke Universiteit Leuven, Faculteit Bewegingsen Revalidatiewetenschappen (FaBeR), Onderzoeksgroep Inspanningsfysiologie
ABSTRACT Binnen de onderzoeksgroep Inspanningsfysiologie aan de KU Leuven werd de rol van genetische factoren in de aanpassingen op hoogte onderzocht. Hiervoor werd gebruik gemaakt van een eeneiig tweeling design. Tweelingstudies geven waardevolle informatie over de rol van genetische factoren. Wij toonden als eerste aan dat er een grote gelijkenis is binnen tweelingparen in de daling in maximale zuurstofopname (VO2max) op hoogte (correlatie = 0.80, P < 0.05). Dit impliceert dat genetische factoren een belangrijke rol spelen in de uithoudingsprestatie op hoogte. Daarnaast vonden wij dat de respons in zuurstofsaturatie en hartfrequentie op hoogte beïnvloed werd door genetische factoren. Tevens werd er een grote gelijkenis gevonden binnen tweelingparen wat betreft het ontwikkelen van hoogteziekte. Met deze studie staan we een stapje dichter bij het voorspellen van hoogtegevoeligheid. Verder hebben we een eerste stap gezet naar genetische varianten die de verschillen in de respons op hoogte kunnen helpen verklaren om zo een genetisch profiel op te maken van ‘goede’ versus ‘slechte’ aanpassing aan hoogte.
Sleutelwoorden
Hoogte, tweelingen, VO2max, hoogteziekte
Datum
01/01/2014
Contactadres
[email protected]
Disclaimer: Het hierna bijgevoegde product mag enkel voor persoonlijk gebruik worden afgehaald. Indien men wenst te dupliceren of te gebruiken in eigen werk, moet de bovenvermelde contactpersoon steeds verwittigd worden. Verder is een correcte bronvermelding altijd verplicht!!!
Is de prestatie op hoogte genetisch bepaald? – Onderzoeksgroep Inspanningsfysiologie – KU Leuven – Januari 2014
Is de prestatie op hoogte genetisch bepaald?
1. Inleiding
en een dodelijke afloop kennen (Basnyat
Tal van individuen trotseren jaarlijks het hooggebergte
voor
recreatieve
professionele
redenen,
& Murdoch, 2003).
of
bijvoorbeeld
2. Inter-individuele variabiliteit in
tijdens skiën of het beklimmen van de
respons op hoogte
hoogste bergtoppen van deze aarde.
Individuen vertonen echter een grote
Blootstelling aan grote hoogte gaat
inter-individuele
gepaard
de
fysiologische aanpassingen op hoogte
zuurstofspanning in de ingeademde
(Bartsch et al., 2004). Bijvoorbeeld in de
lucht
een
context van alpinisme slagen slechts
verminderde atmosferische luchtdruk.
enkelingen er in om op extreme hoogte
Bijgevolg
nog intense inspanningen te leveren,
met
(PiO2)
een
als
is
er
zuurstoftoevoer
daling
gevolg
een
naar
van
van
verminderde
in
de
werkende
terwijl anderen reeds op matige hoogte
weefsels, inclusief de skeletspier. Deze
ernstige vormen van niet-aangepast
toestand
genoemd.
functioneren vertonen (Grocott et al.,
verminderde
2009; Martin et al., 2010). In de context
zuurstofbeschikbaarheid ter hoogte van
van hoogtestages zien we dat niet alle
de spieren is het leveren van een
atleten
inspanning
terugkeren, een gunstig effect op hun
wordt
Wegens
de
variabiliteit
‘hypoxie’
de
moeilijker
en
zal
de
inspanningscapaciteit verminderden.
die
van
een
hoogtestage
prestatievermogen hebben (Chapman et al., 1998; Bonetti & Hopkins, 2009).
Bergbeklimmers kunnen ook te kampen
Klassiek worden deze atleten ‘non-
krijgen met enkele ziekteverschijnselen
responders’
genoemd
waaronder hoofdpijn, duizeligheid en
tegenstelling
tot
misselijkheid. Deze verschijnselen staan
prestaties
beter
trainingskamp
bekend
onder
de
naam
‘hoogteziekte’. In extreme vormen kunnen
wél
de
en atleten
verbeteren op
dit
na
hoogte:
in
wiens een de
‘responders’.
deze leiden tot long- en hersenoedeem
2
Is de prestatie op hoogte genetisch bepaald? – Onderzoeksgroep Inspanningsfysiologie – KU Leuven – Januari 2014
3. Tweelingstudies
Sinds de jaren 1900 zijn fysiologen steeds op zoek geweest om deze
Binnen
verschillen
Inspanningsfysiologie
verklaren.
in
hoogte-respons
Ondanks
tal
te van
de
onderzoeksgroep aan
de
KU
Leuven werd de rol van genetische
onderzoeken is men er nog steeds niet in
factoren
geslaagd om te voorspellen of iemand
aanpassingen op hoogte onderzocht.
zich ‘goed’ of ‘slecht’ aanpast op hoogte.
Hiervoor werd gebruik gemaakt van een
in
eeneiig
de
fysiologische
tweeling
De grote inter-individuele variabiliteit
Tweelingstudies
in de fysiologische respons op hoogte
informatie over de rol van genetische
stimuleerde het onderzoek betreffende
factoren.
de invloed van genetische (erfelijke)
genetisch volledig identiek. Dit biedt de
factoren. Tot op heden is er slechts
mogelijkheid om te onderzoeken of
weinig overtuigende wetenschappelijke
genetische factoren belangrijk zijn door
evidentie voor een genetische invloed.
middel van de ‘intra-paar’ (binnen
Uit
tweelingkoppels)
epidemiologische
studies
bij
geven
design.
Eeneiige
waardevolle
tweelingen
versus
zijn
‘inter-paar’
Hooglanders in Tibet, Ethiopië en de
(tussen tweelingkoppels) verschillen te
Andes die al duizenden jaren boven de
vergelijken. In de literatuur wordt dit
1500m leven, is gebleken dat er een
benoemd met de term ‘genotype x
evolutie opgetreden is en er grote
omgevingsinteractie’ (Eaves, 1976). Een
populatieverschillen
‘genotype
x
omgevingsinteractie
effect’
in
de
aan
het
refereert naar een ‘fenotype’ of uiterlijk
leven in het hooggebergte. Hieruit kan
kenmerk dat wijzigt onder invloed van
besloten worden dat genetische factoren
een omgevingsstimulus (hier hypoxie)
mogelijks een rol spelen (Beall, 2006;
en waarvan de respons significant
Beall,
er
bepaald is door het genotype. In Figuur
varianten
1 wordt dit geïllustreerd. In het linker
gevonden die geassocieerd zijn met
paneel zijn er verschillen in reacties,
hoogteziekte (MacInnis et al., 2010).
maar
fysiologische
2007).
verschillende
zijn
aanpassingen
Inmiddels genetische
werden
reageert
ieder
tweelingpaar
identiek op de (hoogte)prikkel wat betekent dat genen een belangrijk rol
3
Is de prestatie op hoogte genetisch bepaald? – Onderzoeksgroep Inspanningsfysiologie – KU Leuven – Januari 2014
spelen, men spreekt van een genotype x
binnen
omgevingsinteractie
toename
effect.
In
het
tweelingparen in
respons
in
VO2max-
op
training
rechter paneel reageren de leden van
(correlatie = 0.77) (Bouchard et al.,
ieder tweelingpaar sterk verschillend
1990a). Bijvoorbeeld de verandering in
waaruit je kan afleiden dat genen geen
lichaamsgewicht
als
invloed hebben.
overvoeding
dieet
of
gevolg
van
blijkt
een
belangrijke genetische basis te hebben. Onderzoekers
overvoedden
12
mannelijke eeneiige tweelingen met 1000 kcal per dag voor een periode van 100 Figuur 1. Genotype x omgevingsinteractie
dagen.
De
gemiddelde
gewichtstoename was 8.1 kg, maar varieerde aanzienlijk tussen de 4.3 en
Een dergelijk eeneiig tweelingdesign is
13.3 kg. Echter binnen de tweelingparen
reeds eerder succesvol gebruikt in
was er een sterke overeenkomst in
trainings- en dieetstudies. Bijvoorbeeld
gewichtstoename
heeft
(Bouchard et al., 1990b).
onderzoek
bij
tweelingen
(correlatie
=
0.55)
aangetoond dat VO2max (maximale zuurstofopname), dé parameter voor uithoudingsprestatie, staat
van
genetische
onder invloed factoren.
In
4. ‘Twins @ Everest’ Wij onderzochten de rol van genetische in
de
cardiorespiratoire
sommige studies tot 93%. Dus het is
aanpassingen
op
hoogte
absoluut geen toeval dat de broertjes
symptomen
Borlée beide op internationaal niveau
(Project Twins@Everest) (Masschelein et
presteren. Bouchard et al. voerde een
al.).
onderzoek uit op 10 mannelijke eeneiige
tweelingparen werden gerekruteerd in
tweelingen waarbij ze een intensief
Vlaanderen. Alle deelnemers waren: 1)
uithoudingstrainingsschema
mannelijke
volgden
factoren
van
Dertien
acute
de
hoogteziekte
mannelijke
eeneiige
en
eeneiige
tweelingen;
2)
gedurende 20-weken. Voor en na de
tussen 18 en 35 jaar oud; 3) niet-roker; 4)
trainingsperiode werd VO2max bepaald
in
en men zag een sterke overeenkomst
cardiovasculaire of respiratoire ziekte);
goede
gezondheid
(geen
4
Is de prestatie op hoogte genetisch bepaald? – Onderzoeksgroep Inspanningsfysiologie – KU Leuven – Januari 2014
en 5) waren gedurende een periode van
meer vol konden houden. Gedurende de
6 maanden voorafgaand aan de studie
testsessie werd o.a. hartfrequentie en
niet blootgesteld aan een hoogte boven
zuurstofsaturatie
de 1500m. De tweelingen namen deel
hemoglobine verzadigd met zuurstof in
aan 2 identieke experimentele testsessies
het
met een tussenperiode van 2 weken.
pulsoximeter gemeten. Tevens werd in
Tijdens een eerste testsessie werden ze
de eindfase van de maximale fietstest
blootgesteld
aan
ademhalingsgassen gemeten met een
omgevingslucht
vergelijkbaar
normale met
arterieel
bepaald.
een
Louise
testsessie
blootgesteld
aan
omgevingslucht
een van
werden
ze
bloed)
ergospirometriesysteem
zeeniveau (20.9% O2 (zuurstof)). Tijdens tweede
(percentage
Daarnaast Vragenlijst
van
d.m.v.
en
werd
een
VO2max de
Lake
afgenomen;
een
zuurstofarme
eenvoudige vragenlijst die symptomen
10.7%
zoals hoofdpijn,
O2,
maag-darmklachten,
vergelijkbaar met het ‘Base Camp’ van
vermoeidheid en duizeligheid inherent
de
aan hoogteziekte scoort.
Mount
Everest
Beklimming
op
5300m hoogte. 5. Resultaten Blootstelling aan grote hoogte ging gepaard met een gemiddelde daling in VO2max van 40%. Echter de individuele daling in VO2max varieerde van -24 tot 56%. Wij toonden als eerste aan dat er een Tijdens beide sessies werd onder andere een rustmeting en een maximale fietstest tot uitputting uitgevoerd. Dit laatste betreft
een
test
met
trapsgewijze
stijgende intensiteit; de startbelasting
grote
gelijkenis
is
binnen
tweelingparen in de daling in VO2max op hoogte (correlatie = 0.80, P < 0.05); Figuur 2). Dit impliceert dat genetische factoren een belangrijke rol spelen in de uithoudingsprestatie op hoogte.
bedroeg 50 Watt en werd iedere minuut met 20 Watt verhoogd tot ze het ondanks verbale aanmoediging niet 5
Is de prestatie op hoogte genetisch bepaald? – Onderzoeksgroep Inspanningsfysiologie – KU Leuven – Januari 2014
Bloostelling aan grote hoogte ging ook
delta VO2max (l/min) op hoogte
-3
Twin A
gepaard met milde symptomen van acute hoogteziekte. Bij 7 van de 26
-2
subjecten was er sprake van acute hoogteziekte bepaalde op basis van de
-1
correlatie = 0.80 P < 0.05 Twin B
0 0
-1
-2
-3
delta VO2max (l/min) op hoogte Figuur 2. Overeenkomst in daling in VO2max in respons op hoogte. Elk punt geeft een tweelingpaar (A
Lake Louise vragenlijst. In het bijzonder dient opgemerkt te worden dat onder de subjecten
die
ziek
werden
er
2
tweelingparen waren. Een statistische test toonde aan dat er ook hier een
en B) weer. De tweelingen dichtst bij de diagonale lijn,
samenhang was binnen tweelingparen
zijn de tweelingen die de meest vergelijkbare respons
voor het ontwikkelen van hoogteziekte
vertoonden.
(correlatie = 0.65 , P < 0.05).
Daarnaast vonden wij dat de daling in zuurstofsaturatie beïnvloed werd door
6. Conclusies
genetische factoren. Tijdens rust daalde
Deze studie toont als eerste aan dat
de
fysiologische adaptaties op hoogte mede
zuurstofsaturatie
met
een
gemiddelde van 22% en varieerde tussen
de
-15
en
-32%;
bepaald zijn door genetische factoren.
tijdens
inspanning met 28% en varieerde tussen
Inzicht in de fysiologie aan de grenzen
-21 en -35%. De daling in saturatie
van menselijke tolerantie voor hypoxie
vertoonde
gelijkenissen
is een waardig doel op zich, maar kan
binnen de tweelingparen (correlatie rust
bovendien niet alleen voor gezonde,
= 0.74, P < 0.05; correlatie inspanning =
maar ook voor patiëntenpopulaties van
0.81, P < 0.05). Ook hartfrequentie bleek
groot
sterk genetisch bepaald te zijn. Tijdens
pathologische
zowel rust als inspanning werd een
chronische
sterke
obstructieve slaapapneu en anemie zijn
ook
grote
overeenkomst
gevonden
belang
zijn.
Verschillende
aandoeningen obstructieve
zoals
longziekte,
(correlatie rust = 0.72, P < 0.05; correlatie
ook geassocieerd met weefselhypoxie.
inspanning = 0.87, P < 0.05).
Voor atleten kan deze kennis een aanpassing
van
hun
6
Is de prestatie op hoogte genetisch bepaald? – Onderzoeksgroep Inspanningsfysiologie – KU Leuven – Januari 2014
trainingsprogramma
(financiële/tijds-
investering in hoogtestages of andere
Andean high-altitude natives. Proc Natl Acad Sci U S A 104 Suppl 1, 8655-8660.
trainingsprogramma’s) inhouden. Bonetti DL & Hopkins WG (2009). SeaMet deze studie staan we een stapje
level exercise performance following
dichter
adaptation to hypoxia: a meta-analysis.
bij
het
hoogtegevoeligheid.
voorspellen In
een
van
verdere
Sports Med 39, 107-127.
studie gaan we dan ook op zoek naar genetische varianten die de verschillen
Bouchard C, Perusse L, & Leblanc C
in de respons op hoogte kunnen helpen
(1990a).
verklaren om zo een genetisch profiel op
experimental research to test for the
te maken van ‘goede’ versus ‘slechte’
presence of a genotype-environment
aanpassing aan hoogte.
interaction
Using
effect.
MZ
Acta
twins
Genet
in
Med
Gemellol (Roma ) 39, 85-89. 7. Referenties Bartsch P, Bailey DM, Berger MM,
Bouchard C, Tremblay A, Despres JP,
Knauth M, & Baumgartner RW (2004).
Nadeau A, Lupien PJ, Theriault G,
Acute mountain sickness: controversies
Dussault J, Moorjani S, Pinault S, &
and advances. High Alt Med Biol 5, 110-
Fournier G (1990b). The response to
124.
long-term
overfeeding
in
identical
twins. N Engl J Med 322, 1477-1482. Basnyat B & Murdoch DR (2003). Highaltitude illness. Lancet 361, 1967-1974.
Chapman RF, Stray-Gundersen J, & Levine BD (1998). Individual variation
Beall CM (2006). Andean, Tibetan, and
in response to altitude training. J Appl
Ethiopian patterns of adaptation to
Physiol 85, 1448-1456.
high-altitude hypoxia. Integr Comp Biol 46, 18-24.
Eaves LJ (1976). Human behavioural genetics, pp. 184-189. Proc Roy Soc Med.
Beall
CM
functional
(2007).
Two
adaptation:
routes
Tibetan
to and
7
Is de prestatie op hoogte genetisch bepaald? – Onderzoeksgroep Inspanningsfysiologie – KU Leuven – Januari 2014
Grocott MP, Martin DS, Levett DZ, McMorrow
R,
Windsor
J,
&
Montgomery HE (2009). Arterial blood gases and oxygen content in climbers on Mount Everest. N Engl J Med 360, 140149.
MacInnis MJ, Koehle MS, & Rupert JL (2010). Evidence for a genetic basis for altitude illness: 2010 update. High Alt Med Biol 11, 349-368.
Martin DS, Levett DZ, Grocott MP, & Montgomery HE (2010). Variation in human performance in the hypoxic mountain environment. Exp Physiol 95, 463-470.
Masschelein E, Van Thienen R, Thomis M, & Hespel P (2014). High twin resemblance for sensitivity to hypoxia. Med Sci Sports Exerc. Under review
8
