PREDICCION DE LA CANTIDAD DE CARBOHIDRATOS UTILIZADOS DURANTE EL EJERCICIO

Artículo completo
Introducción

Una de las mejores maneras de mantener la salud física es llevar un adecuado estilo de vida que incluya la práctica de ejercicios en forma regular. En pacientes con diabetes tipo 1, se considera demostrado que el ejercicio incrementa la sensibilidad a la insulina^1,2 y que puede ser útil, junto con la dieta y la terapia con insulina, para alcanzar y mantener un mejor control metabólico.^3,4 No obstante, la falta de regulación insulínica durante el ejercicio conduce a frecuentes desequilibrios metabólicos, lo que desalienta a los pacientes a realizar actividad física en forma regular.⁵ En la actualidad, se consideran estrategias empíricas para prevenir la hipoglucemia.^3,6,7 Dichas estrategias incluyen la planificación del ejercicio, modificaciones en la dosis de insulina o el consumo extra de carbohidratos. Sin embargo, en varias circunstancias, el ejercicio surge de manera espontánea y la modificación de la dosis de insulina no puede planificarse e implementarse por anticipado. Esto determina una mayor importancia de la ingestión de glucosa adicional para prevenir la hipoglucemia.

Recientemente se estudió en detalle la relación entre la concentración de insulina, la cantidad de carbohidratos utilizados como combustible durante el ejercicio y la cantidad de carbohidratos adicionales necesarios para prevenir la aparición de hipoglucemia.⁸ En particular, hallamos que en pacientes con diabetes tipo 1 el porcentaje de carbohidratos empleado como combustible, que debe ser cubierto a través de la alimentación para evitar la hipoglucemia, disminuye en relación con el incremento de tiempo transcurrido desde la última inyección de insulina. Podría plantearse que la posibilidad de estimar la cantidad de carbohidratos oxidados durante el ejercicio puede determinar mejoría en los consejos dados a los pacientes para que se ejerciten en forma regular.

Los ácidos grasos y los carbohidratos son los sustratos principales para la producción de energía en el músculo esquelético durante el ejercicio aeróbico en seres humanos bien alimentados. Su contribución relativa a la producción total de energía es función de la intensidad del ejercicio.^9-12 A su vez, por debajo del umbral anaeróbico, tanto el consumo de oxígeno como la frecuencia cardíaca aumentan en forma lineal durante el ejercicio en función de la intensidad.¹³ Por lo tanto, planteamos la hipótesis de que a partir del análisis cuantitativo de estas relaciones, es posible determinar la cantidad de glucosa oxidada durante el ejercicio por latido cardíaco, lo que definimos como “pulso de glucosa”.

El objetivo del presente estudio fue verificar la posibilidad de emplear la frecuencia cardíaca para estimar la cantidad de glucosa oxidada durante el ejercicio en pacientes con diabetes tipo 1 así como en controles sanos apareados.

Métodos

Participantes

Dieron su consentimiento voluntario para participar en este estudio luego de ser informados respecto de su naturaleza, propósito y posibles riesgos, 15 pacientes con diabetes tipo 1 (9 hombres, 6 mujeres; hemoglobina glucosilada (HbA_1c) 6 ± 1.2%, valores de referencia 4%-6%)¹⁴ con edades comprendidas entre 18 y 45 años (promedio 38 ± 6 años) y 15 sujetos sanos (9 hombres, 6 mujeres; 34 ± 7 años). La duración de la diabetes fue de 17 ± 8 años y la dosis media de insulina fue de 0.52 ± 0.18 UI·kg^-1·día^-1. El peso corporal y la altura promedio fueron 71 ± 9 kg y 175 ± 9 cm en pacientes diabéticos frente a 70 ± 9 kg y 175 ± 8 cm en voluntarios sanos (índice de masa corporal [IMC] 23 ± 2 kg·m^-2 frente a 23 ± 2 kg·m^-2).

El estudio fue aprobado por el Comité de Etica local y realizado de acuerdo con los principios expresados en la Declaración de Helsinki.

Los criterios de inclusión comprendieron: ausencia de signos clínicos de complicaciones crónicas (tasa de excreción de albúmina, evaluación ocular, variabilidad de la frecuencia cardíaca con la respiración profunda, tasa de Valsalva y tasa de la prueba de inclinación [tilt test]), ausencia de otra medicación además de la insulina y automonitoreo para mantener un buen equilibrio metabólico.

Protocolo experimental

Veinticuatro horas antes del estudio y durante el día del experimento, los pacientes debían mantener su dieta y dosis de insulina habitual y registrar todos los valores de glucemia. De acuerdo con los hábitos de actividad referidos por los pacientes, éstos fueron clasificados como: “entrenados aeróbicamente” (8 pacientes, 7 sanos) los sujetos que realizaban ejercicios en forma regular al menos 30 minutos durante 3 días a la semana, o “sedentarios” (7 pacientes, 8 sanos) aquellos que se ejercitaban en forma ocasional. Todos los voluntarios debían evitar realizar ejercicios extenuantes antes y durante el día del estudio. Todas las sesiones del estudio fueron realizadas durante al menos 2 horas luego de comer.

Treinta minutos antes del inicio del ejercicio, se administró a los pacientes diabéticos una cantidad extra de carbohidratos (principalmente azúcar, gotas de azúcar o galletas), calculada de acuerdo con nuestra experiencia previa.⁸ Durante el ejercicio se administraron carbohidratos en forma adicional (aproximadamente 5 g cada vez) para prevenir la disminución de la glucemia por debajo de 6 mmol·l^-1. En promedio, se administró a los pacientes una cantidad total de 19.6 ± 11.6 g de carbohidratos antes o durante el estudio. No se administraron carbohidratos a los controles.

El experimento comprendió 4 ejercicios realizados en un cicloergómetro (Ergomed 839E, Monark, Vansbro, Suecia), cada uno de 10 minutos de duración (por una duración total del ejercicio de aproximadamente 40 minutos). Se aumentó la intensidad que correspondió con 0.7, 1.0, 1.5 y 2.0 W·kg^-1 de peso corporal y 0.7, 0.95, 1.25 y 1.75 W·kg^-1 de peso corporal en hombres y mujeres, respectivamente.

Cada 15 segundos se midió el consumo de oxígeno (VO₂min), la producción de dióxido de carbono (VCO₂min) y la frecuencia cardíaca (FC) mediante el empleo de una unidad metabólica (K4, Cosmed, Roma, Italia) en reposo y durante los últimos 5 minutos de cada intensidad de ejercicio¹⁵ que fueron promediados durante los últimos 2 minutos.

La glucemia fue evaluada antes del ejercicio y en intervalos de 5 minutos durante el ejercicio con tiras reactivas (Glucotrend, Roche Diagnostics, Basilea, Suiza). Tres minutos después del final del estudio se tomó una muestra de sangre capilar para determinar las concentraciones de lactato mediante el empleo de tiras reactivas apropiadas (Accusport, Boeringher, Manheim, Alemania).

Cálculos

El cociente respiratorio, considerado equivalente a la tasa de intercambio respiratorio (TIR), fue calculado como la relación entre el consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono.¹⁶ Se consideró que la utilización neta de proteínas no contribuyó en grado significativo a la producción de energía durante el ejercicio,¹³ por lo que las tasas de oxidación de la glucosa (GLU_ox) fueron calculadas mediante la aplicación de ecuaciones de uso frecuente.¹⁷ Para cada sujeto se calcularon las siguientes regresiones: i) frecuencia cardíaca frente a VO₂min, ii) VO₂min frente a TIR, iii) TIR frente a tasa de oxidación de la glucosa y, finalmente, iv) FC frente a GLU_ox. Para las dos últimas regresiones se descartaron los valores correspondientes a la mayor intensidad del ejercicio cuando la concentración sanguínea de lactato posejercicio excedía los 4 mmol(#183;l^-1, que fue considerado como umbral anaeróbico.

Se calculó el pulso de glucosa, es decir, la relación entre GLU_ox expresada por unidad de peso corporal y la frecuencia cardíaca expresada como el porcentaje de la frecuencia cardíaca teórica máxima (FC_máx = 220 - edad).¹⁶

Análisis estadístico

Los datos fueron tratados de acuerdo con los métodos estadísticos estándar mediante el programa SPSS versión 6.1. Se aplicó el análisis de covarianza (ANCOVA) para investigar las diferencias entre los grupos con el objetivo de ajustar los resultados del análisis de varianza para las relaciones lineales entre la variable dependiente (tasa de oxidación de la glucosa) y la covariable (frecuencia cardíaca). Fue considerado estadísticamente significativo un valor de p < 0.05. Los valores fueron expresados como media ± desvío estándar (DE).

Resultados

Todas las relaciones ejemplicadas en la figura 1 (FC vs. VO₂min, VO₂min vs. TIR, TIR vs. GLU_ox, y FC vs. GLU_ox) resultaron estadísticamente significativas (R > 0.90, p < 0.05) en pacientes con diabetes tipo 1 y en sujetos controles sanos. La tabla I resume los parámetros individuales de la relación lineal entre GLU_ox y FC de acuerdo con el hábito de entrenamiento referido por los participantes.

Figura 1. Panel superior derecho: consumo de oxígeno (VO₂, l·min^-1) vs. frecuencia cardíaca (FC, lpm). Panel superior izquierdo: VO₂ vs. tasa de intercambio respiratorio (TIR). Panel inferior izquierdo: TIR vs. tasa de oxidación de la glucosa (GLU_ox, g·min^-1). Panel inferior derecho: frecuencia cardíaca vs. GLU_ox.

En la figura 2, la GLU_ox expresada por unidad de peso corporal es graficada en función del porcentaje de la frecuencia cardíaca teórica máxima (panel A). No se hallaron diferencias significativas para la GLU_ox entre hombres y mujeres (ANCOVA, efecto del sexo, F = 0.07, p = no significativa [NS]) o entre los pacientes y los sujetos sanos (ANCOVA, efecto de grupo, F = 0.06, p = NS), mientras que los hábitos de entrenamiento referidos por los participantes tuvieron un efecto significativo (ANCOVA, efecto del entrenamiento, F = 9.3, p < 0.005). El Panel B de la misma figura muestra la GLU_ox de los pacientes diabéticos de acuerdo con sus hábitos de entrenamiento. Se observaron diferencias significativas entre las dos relaciones parciales (ANCOVA, efecto del entrenamiento, F = 108, p < 0.001), y los pacientes sedentarios mostraron mayores tasas de oxidación de glucosa. Puede describirse la GLU_ox expresada como mg · min^-1 por unidad de masa corporal mediante las siguientes ecuaciones:

GLU_ox = 0.504 (± 0.268) · %FC_máx - 22.11 (± 17.50)

GLU_ox = 0.679 (± 0.322) · %FC_máx - 22.05 (± 18.68)

para pacientes entrenados (n = 36; R = 0.888), para pacientes sedentarios (n = 29; R = 0.909). Ambas resultaron altamente significativas (F > 127, p < 0.001 en ambos casos).

Figura 2. Panel A. Tasa de oxidación de la glucosa (mg·min^-1·kg^-1) de pacientes con diabetes tipo 1 (círculos negros) y sujetos sanos (círculos blancos) en función del porcentaje de frecuencia cardíaca máxima teórica. Panel B. La tasa de oxidación de la glucosa (mg·min^-1·kg^-1) de los pacientes con diabetes tipo 1 entrenados aeróbicamente (rombos negros) es inferior en comparación con la de los pacientes sedentarios (rombos blancos). Ambas presentan correlación lineal con el porcentaje de frecuencia cardíaca máxima teórica (para los detalles, véase el texto).

Discusión

Un incremento de la intensidad del ejercicio se asocia con aumento global de la oxidación de la glucosa,¹⁰ mientras que la oxidación de ácidos grasos es mayor durante el ejercicio de intensidad leve a moderada.¹¹ El concepto del “cruce”, introducido por Brooks y col.,¹⁸ define la intensidad de trabajo sobre la cual la energía derivada de la oxidación de la glucosa predomina sobre la derivada de la oxidación de ácidos grasos. Recientemente se confirmaron mediante técnicas isotópicas los efectos del incremento de la intensidad del ejercicio sobre el empleo de combustibles por el músculo.¹⁹ Se observó menor dependencia del empleo de carbohidratos durante el ejercicio luego del entrenamiento de resistencia,²⁰ con un aumento concomitante de la oxidación de ácidos grasos.^9,21,22 Se estudió la interacción entre la oxidación de los lípidos y de la glucosa aun cuando las condiciones metabólicas de los voluntarios fueron modificadas mediante la infusión de soluciones lipídicas^23,24 o por la administración de carbohidratos antes del ejercicio.^25,26 Además, como los carbohidratos parecen tener un efecto ergogénico, se realizaron múltiples investigaciones acerca de los efectos sobre el rendimiento de la administración de estos compuestos antes o durante el ejercicio.^27-31

Los resultados del presente estudio confirman y amplían estudios previos y demuestran que es posible estimar la GLU_ox a partir de la frecuencia cardíaca. Los coeficientes de correlación entre la frecuencia cardíaca y la GLU_ox resultaron superiores a 0.95 en todos los voluntarios, tanto sanos como con diabetes tipo 1. Esto señala una correlación altamente significativa entre ambas variables. Esta relación es la base del concepto del “pulso de glucosa”, definido como la tasa de oxidación de la glucosa expresada por unidad de frecuencia cardíaca. La validez del pulso de glucosa no debería extenderse más allá de la frecuencia cardíaca más elevada hasta la cual puede estimarse la tasa de oxidación de la glucosa mediante calorimetría indirecta.

De hecho, las ecuaciones estequiométricas empleadas para estimar la tasa de oxidación de la glucosa mediante calorimetría indirecta se basan en la presunción de que todo el VO₂min y el VCO₂min se originan de la oxidación completa de glucosa y ácidos grasos.

Sin embargo, mientras que el VO₂min refleja en forma precisa la captación tisular de oxígeno, el VCO₂min es una estimación confiable de la producción tisular de CO₂ sólo en presencia de un pool estable de bicarbonato. De hecho, durante el ejercicio anaeróbico, los iones de hidrógeno libres liberados durante la glucólisis son tamponados por el bicarbonato para formar ácido carbónico, que, a su vez, es convertido en H₂O y CO₂, con incremento de los niveles pulmonares de VO₂min.

La glucólisis aumentada puede potencialmente provocar sobreestimación de la tasa de oxidación de la glucosa.

No obstante, Romijn y col. evaluaron la validez de la calorimetría indirecta a niveles elevados de intensidad³² mediante la comparación entre los valores estimados con un método isotópico en el aliento, que calcula la oxidación de grasas y carbohidratos en forma independiente de las mediciones de VCO₂min. Estos autores muestran que las tasas de oxidación de la glucosa y de los lípidos no fueron significativamente diferentes entre ambos métodos hasta 80%-85% del VO₂min máximo, que es cercano a las intensidades más elevadas investigadas en el presente estudio.

Además, en el presente trabajo, los valores correspondientes a la intensidad de ejercicio más elevada no fueron considerados cuando el nivel de lactato posejercicio excediera 4 mmol·l^-1.

Por tanto, confiamos en que el pulso de glucosa calculado constituye una estimación razonable del verdadero valor de oxidación de la glucosa por latido cardíaco.

Los combustibles de elección para el ejercicio dependen del intervalo de tiempo transcurrido desde la última comida, lo que puede tener influencia sobre la tasa de oxidación de la glucosa determinada por el método de pulso de glucosa.

Sin embargo, se demostró que un intervalo de tiempo prolongado entre la última comida (8 a 12 hs de ayuno) se asocia con una menor tasa de oxidación de la glucosa durante el ejercicio, mientras que no se observaron diferencias significativas hasta 6 horas de ayuno.³³ Esta observación tiene mucha importancia en particular en pacientes insulinodependientes, debido a que éstos suelen requerir una colación con carbohidratos entre dos comidas consecutivas para evitar episodios de hipoglucemia.

En pacientes con diabetes tipo 1 no obesos, sin neuropatía autonómica, las ecuaciones presentadas en este trabajo pueden ser utilizadas para calcular la GLU_ox durante el ejercicio a partir de la frecuencia cardíaca, fácilmente medible.

Para prevenir la hipoglucemia relacionada con el ejercicio, un porcentaje de la cantidad total de glucosa oxidada durante el ejercicio –que debe ser aportada por los alimentos– presenta relación lineal con la concentración de insulina.⁸

A partir de esto y de las relaciones entre la frecuencia cardíaca y la tasa de oxidación de la glucosa, nosotros diseñamos un software específico (ECRES, Exercise Carbohydrate Requirement Estimating Software)³⁴ para que los pacientes puedan estimar la cantidad de carbohidratos necesarios para prevenir la hipoglucemia inducida por el ejercicio, siempre y cuando se conozcan la terapia habitual, los hábitos de entrenamiento y las características del ejercicio propiamente dicho.

En conclusión, en pacientes con diabetes tipo 1 no obesos sin neuropatía autonómica, el “pulso de glucosa” definido como la tasa de oxidación de la glucosa expresada por unidad de frecuencia cardíaca podría ser una herramienta útil para calcular la cantidad de carbohidratos de la dieta necesarios para evitar la hipoglucemia durante el ejercicio.

Bibliografía del artículo
1. Stallknecht B, Larsen JJ, Mikines KJ, Simonsen L, Bulow J, Galbo H. Effect of training on insulin sensitivity of glucose uptake and lipolysis in human adipose tissue. Am J Physiol 2000; 279:E376-E385.
2. Landt K, Campaigne B, James F, Sperling M. Effect of exercise training on insulin sensitivity in adolescents with Type I diabetes. Diabetes Care 1985; 8:461-465.
3. American Diabetes Association. Diabetes Mellitus and Exercise. Diabetes Care 1997; 20:1908-1912.
4. Rowland T, Swabda LA, Biggs DE, Burke EJ, Reiter EO. Glycemic control with physical training in insulin-dependent diabetes mellitus. Am J Dis Child 1985; 139:307-310.
5. MacDonald MJ. Postexercise late-onset hypoglycemia in insulin-dependent diabetic patients. Diabetes Care 1987; 10:584-588.
6. Kemmer FW. Prevention of hypoglycemia during exercise in type I diabetes. Diabetes Care 1992; 15:1732-1735.
7. Landry GL, Allen DB. Diabetes mellitus and exercise. Clin Sport Med 1992; 11:403-418.
8. Francescato MP, Geat M, Fusi S, Stupar G, Noacco C, Cattin L. Carbohydrate requirement and insulin concentration during moderate exercise in type 1 diabetic patients. Metabolism 2004; 53:1126-1130.
9. Bergman BC, Brooks GA. Respiratory gas-exchange ratios during graded exercise in fed and fasted trained and untrained men. J Appl Physiol 1999; 86:479-487.
10. Pirnay F, Crielaard JM, Pallikarakis N, et al. Fate of exogenous glucose during exercise of different intensities in humans. J Appl Physiol 1982; 53:1620-1624.
11. Romijn JA, Coyle EF, Sidossis LS, et al. Regulation of endogenous fat and carbohydrate metabolism in relation to exercise intensity and duration. Am J Physiol 1993; 265:E380-E391.
12. Romijn JA, Coyle EF, Sidossis LS, Rosenblatt J, Wolfe RR. Substrate metabolism during different exercise intensities in endurance-trained women. J Appl Physiol 2000; 88:1707-1714.
13. Astrand PO, Rodahl K, Dahl HA, Stromme SB. Textbook of work physiology. Physiological bases of exercise. McGraw Hill Series in Health Education, Physical Education and Recreation. Fourth Edition. 2003, Windsor (Canada): Human Kinetics.
14. Sacks DB, Bruns DE, Goldstein DE, Maclaren NK, McDonald JM, Parrott M. Guidelines and recommendations for laboratory analysis in the diagnosis and management of diabetes mellitus. Clin Chem 2002; 48:436-472.
15. Hausswirth C, Bigard A, Le Chevalier J. The Cosmed K4 telemetry system as an accurate device for oxygen uptake measurements during exercise. Int J Sports Med 1997; 18:449-453.
16. McArdle WD, Katch FI, Katch VL. Essentials of Exercise Physiology. 2nd ed. 2000, Philadelphia, PA: Lippincott Williams & Wilkins.
17. Frayn KN. Calculation of substrate oxidation rates in vivo from gaseous exchange. J Appl Physiol 1983; 55:628-634.
18. Brooks GA, Mercier J. Balance of carbohydrate and lipid utilization during exercise: the "crossover" concept. J Appl Physiol 1994; 76:2253-2261.
19. Van Loon LJC, Greenhaff PL, Constantin-Teodosiu D, Saris WHM, Wagenmakers AJM. The effects of increasing exercise intensity on muscle fuel utilisation in humans. J Physiol (Lond) 2001; 536:295-304.
20. Coggan AR, Kohrt WM, Spina RJ, Bier DM, Holloszy JO. Endurance training decreases plasma glucose turnover and oxidation during moderate-intensity exercise in men. J Appl Physiol 1990; 68:990-996.
21. Turcotte LP, Richter EA, Kiens B. Increased plasma FFA uptake and oxidation during prolonged exercise in trained vs. untrained humans. Am J Physiol Endocrinol Metab 1992; 262:E791-E799.
22. Hurley BF, Nemeth PM, Martin III WH, Hagberg JM, Dalsky GP, Holloszy JO. Muscle triglyceride utilization during exercise: effect of training. J Appl Physiol 1986; 60:562-567.
23. Matzinger O, Schneiter P, Tappy L. Effect of fatty acids on exercise plus insulin-induced glucose utilization in trained and sedentary subjects. Am J Physiol Endocrinol Metab 2002; 282:E125-E131.
24. Ravussin E, Bogardus C, Scheidegger K, Lagrange B, Horton ED, Horton ES. Effect of elevated FFA on carbohydrate and lipid oxidation during prolonged exercise in humans. J Appl Physiol 1986; 60:893-900.
25. Achten J, Jeukendrup AE. The effect of pre-exercise carbohydrate feedings on the intensity that elicits maximal fat oxidation. J Sports Sci 2003; 21:1017-1024.
26. Coyle EF, Jeukendrup AE, Wagenmakers AJM, Saris WHM. Fatty acid oxidation is directly regulated by carbohydrate metabolism during exercise. Am J Physiol 1997; 273:E268-275.
27. McConell GK, Canny BJ, Daddo MC, Nance MJ, Snow RJ. Effect of carbohydrate ingestion on glucose kinetics and muscle metabolism during intense endurance exercise. J Appl Physiol 2000; 89:1690-1698.
28. Jeukendrup AE, Raben A, Gijsen A, et al. Glucose kinetics during prolonged exercise in highly trained human subjects: effect of glucose ingestion. J Physiol (Lond) 1999; 515:579-589.
29. Caron A, Lavoie C, Péronnet F, Hillaire-Marcel C, Massicotte D. Oxidation of 13C glucose ingested before and/or during prolonged exercise. Eur J Appl Physiol 2004; 91:217-223.
30. Utter AC, Kang J, Nieman DC, et al. Carbohydrate supplementation and perceived exertion during prolonged running. Med Sci Sport Exer 2004; 36:1036-1041.
31. Jeukendrup AE. Carbohydrate intake during exercise and performance. Nutrition 2004; 20:669-677.
32. Romijn JA, Coyle EF, Hibbert J, Wolfe RR. Comparison of indirect calorimetry and a new breath 13C/12C ratio method during strenuous exercise. Am J Physiol 1992; 263:64-71.
33. Montain SJ, HopperMK, Coggan AR, Coyle EF. Exercise metabolism at different time intervals after a meal. J Appl Physiol 1991; 70:882-888.
34. Francescato MP, Geat M, Tosoratti E, Noacco C. ECRES, a software to prevent the exercise induced hypoglycaemia in type 1 diabetic patients: preliminary results. In: Book of Abstracts. 11th annual Congress of the European College of Sport Science. 5-8 July 2006, Lausanne (Switzerland).