English Title: Squats on a vibration platform: effects on muscle fiber recruitment and changes in gene expression

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Abstract

Vibrationsplatten, die über die Beine Vibrationen in den ganzen Körper leiten, werden sowohl im Bereich der Prävention und Rehabilitation als auch im Breiten- und Hochleistungssport eingesetzt. Die sich aus den vielfältigen Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Belastungscharakteristik ergebenden heterogenen Studiendesigns führen zu einer widersprüchlichen Datenlage und schränken die Vergleichbarkeit unterschiedlicher Untersuchungen ein. Daher konnte bisher nicht geklärt werden, ob es sich bei der durch ein Vibrationstraining (VIB) hervorgerufenen Steigerung der Bein- und/oder Sprungkraft um eine neuromuskuläre oder morphologische Anpassungserscheinung handelt. In der vorliegenden Studie sollten die akuten Effekte eines konventionellen Kniebeugetrainings (KON) mit Zusatzlast und eines VIB auf die myoelektrische Aktivität, die kapilläre Laktat-Konzentration und die Genexpression verschiedener Marker (Hypertrophie, Atrophie, Inflammation, Glukose-Stoffwechsel) im Musculus (M.) vastus lateralis analysiert werden. Dazu absolvierten 14 Freizeitsportler in einem Cross-Over-Design und in randomisierter Reihenfolge im Abstand von zehn Tagen zwei Trainingseinheiten (1 × konventionell [KON] und 1 × mit Vibration [VIB]) jeweils 5 × 10 Kniebeugen und einer Langhantel als Zusatzlast. Die myoelektrische Aktivität wurde während des Trainings über vom M. vastus lateralis abgeleitete Elektromyogramme bestimmt. Die Laktat-Konzentration wurde in Kapillarblutproben aus dem Ohrläppchen vor Trainingsbeginn sowie eine, drei und fünf Minuten nach Belastungsende bestimmt. Für die Genexpressionsmessungen wurden eine Stunde vor sowie eine, vier und 24 Stunden nach den Übungseinheiten Muskelbiopsieproben aus dem M. vastus lateralis entnommen. Es zeigte sich eine signifikant höhere mittlere myoelektrische Aktivität (15 %, p < 0,05) während des VIB (62 ± 4 % MVC) als während des KON (47 ± 2 % MVC). Der Anstieg der kapillären Laktat-Konzentration war nach dem VIB (3,0 ± 0,3 mmol/L) im Mittel signifikant (p < 0,05) höher als nach dem KON (1,6 ± 0,3 mmol/L). Die mRNA-Expression des Atrophiemarkers TRIM-63 (tripartite motif-containing 63) und des Inflammationsmarkers IL-8RA (Interleukin-8 Rezeptor alpha) war 24 Stunden nach der Belastung in der VIB-Gruppe signifikant geringer als in der KON-Gruppe (TRIM-63: 30 %, p = 0,04; IL-8RA: 102 %, p = 0,02). Dagegen lag die Genexpression des Interleukin-6 Rezeptors (IL-6R) vier Stunden nach Belastung in der VIB-Gruppe signifikant höher als in der KON-Gruppe (p = 0,03). In der vorliegenden Studie konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass eine während eines KON zusätzlich einwirkende Ganzkörpervibration einen signifikanten Anstieg der myoelektrischen Aktivität und des Laktat-Gehalts im Kapillarblut hervorruft. Diese Resultate sprechen für eine im Vergleich zum KON erhöhte Muskelfaserrekrutierung während eines VIB. 95 % der untersuchten Veränderungen der mRNA-Expression (19 Zielgene × 3 Zeitpunkte) nach VIB und nach KON verliefen parallel. Möglicherweise wurden daher die belastungsinduzierten Veränderungen der Expressionsprofile der Marker-mRNAs durch traumainduzierte Veränderungen im Rahmen der wiederholten Muskelbiopsieprobennahmen überdeckt.

Translation of abstract (English)

Vibration platforms that transmit vibrations throughout the body via the legs are used both in the fields of prevention and rehabilitation and in popular and high-performance sports. The possibility of comparison between different studies is limited, however, by the heterogeneous study designs that arise from the wide range of options for influencing exercise characteristics and the contradictory mass of data that results. That is why it has not previously been possible to determine whether the increase in leg strength and/or jumping power achieved through vibration training (“VIB”) is a phenomenon of neuromuscular or of morphological adaptation. The purpose of this study was to analyze the acute effects of conventional squats (“KON”) with an additional weight and of VIB on myoelectrical activity, capillary lactate concentration and the gene expression of various markers (hypertrophy, atrophy, inflammation, glucose metabolism) in the vastus lateralis muscle. To this end, 14 recreational athletes completed two training units (one conventional [KON] and one with vibration [VIB]), each comprising 5 x 10 squats with a barbell for additional weight, with a cross-over design and in randomized sequence with a ten-day interval. Myoelectrical activity was determined during the session using electromyograms of the vastus lateralis muscle. Lactate concentration was measured using capillary blood samples from the earlobe before starting the session, and again one, three and five minutes following the end of the exercise. For the measurements of gene expression, muscle biopsy samples were taken from the vastus lateralis muscle one hour before the exercise units, and one, four and 24 hours afterwards. Mean myoelectrical activity was significantly higher (15%, p < 0.05) during VIB (62 ± 4% MVC) than during KON (47 ± 2% MVC). The increase in capillary lactate concentration was, on average, significantly higher (p < 0.05) following VIB (3.0 ± 0.3 mmol/l) than following KON (1.6 ± 0.3 mmol/l). The mRNA expression of the atrophy marker TRIM-63 (tripartite motif-containing 63) and the inflammation marker IL-8RA (interleukin-8 receptor alpha) was significantly lower in the VIB group than in the KON group 24 hours following the exercise (TRIM-63: 30%, p = 0.04; IL-8RA: 102%, p = 0.02). Conversely, gene expression of the interleukin-6 receptor (IL-6R) four hours after exercise was significantly higher in the VIB group than in the KON group (p = 0.03). This study shows for the first time that additional whole-body vibration during KON generates a significant increase in myoelectrical activity and lactate content in capillary blood. These results suggest that VIB involves increased muscle fiber recruitment compared to KON. Ninety-five percent of the investigated changes in mRNA expression (19 target genes at three different times) occurred in parallel following both VIB and KON. It is therefore possible that the exercise-induced changes in the expression profiles of the marker mRNA were masked by trauma-induced changes associated with the repeated muscle biopsy sampling.