Valutare le risposte fisiologiche a seguito della supplementazione di aria con una concentrazione elevata di ossigeno tramite il prodotto UltraOxy in diverse tipologie di soggetti e attività fisiche.

Oltre a ciò, si è cercato di definire modalità e mezzi pratici di supplementazione durante la pratica sportiva.

To assess physiological responses to high-concentration, supplemental oxygen from the product UltraOxy in several types of subject and physical activity.

In addition, the study aimed to define practical means and methods for supplementation during sports activities.

Ad oggi in letteratura scientifica esistono poche ricerche riguardanti la supplementazione di ossigeno tramite dispositivi portatili.

Alcuni studi hanno osservato miglioramenti della performance in somministrazioni di aria iperossica tramite maschere con strumentazioni stazionarie (Cardinale, 2018); le poche ricerche condotte non hanno indagato approfonditamente le risposte fisiologiche e le modalità di applicazione di questa sostanza.

La supplementazione di ossigeno è stata spesso associata a terapie cliniche in pazienti neurologici o con problematiche respiratorie (White, 2013).

La performance sportiva è legata sia al miglioramento del risultato in gara che al miglioramento delle capacità di recupero nel breve, medio e lungo periodo tra le competizioni.

Il miglioramento della performance e l’ossigeno sono spesso messi in relazione con i cambiamenti fisiologici dovuti all’esercizio in altitudine oppure con le metodologie di alterazione della pressione parziale tramite camere iperbariche (Bailey,1997; Wilber, 2004).

Al contrario la supplementazione di ossigeno tramite dispositivi portatili potrebbe essere un nuovo approccio metodologico sia in ambito sportivo che clinico, osservando soprattutto le ultime ricerche effettuate con strumentazioni stazionarie.

Ad oggi pochi studi riportano delle linee guida sulle modalità di supplementazione in termini di tempo di applicazione e numero di insufflazioni.

Alcuni studi hanno solamente sottolineato come le variazioni fisiologiche fossero dipendenti dalla più elevata concentrazione di O2 inalato oppure hanno evidenziato miglioramenti in termini di lavoro svolto (Heller, 1995), così come concentrazioni tissutali maggiori portino ad un recupero più rapido soprattutto in attività intermittenti (Nummela, 2002), senza però studiare gli aggiustamenti cardiorespiratori e metabolici.

Indagare pertanto le risposte fisiologiche e cardiorespiratorie, oltre a definire dei mezzi e metodi per prescrivere una supplementazione efficace, si rivela un’interessante area di studio.

To date, few research studies in the scientific literature concern oxygen supplementation via portable devices.

In some studies, improved performance has been observed with administration of hyperoxic air via masks with stationary apparatus (Cardinale, 2018). The few studies that have been conducted have not investigated in depth the physiological response to and the methods of application of this substance.

Oxygen supplementation has often been associated with clinical therapy for neurological patients or patients with respiratory problems (White, 2013).

Sports performance is linked to improved competition results, as well as enhanced recovery capabilities in the short, medium and long term between competitions.

Enhanced performance and oxygen are often associated with the physiological changes that occur as a result of altitude training or due to methods that alter partial pressure through hyperbaric chambers (Bailey, 1997; Wilber, 2004).

Conversely, oxygen supplementation delivered through portable devices could become a new methodological approach in both sports and clinical practice, especially given the latest research carried out using stationary apparatus.

Few studies have provided supplementation guidelines for application times and number of inhalations. Some studies have only highlighted that physiological variations depend on the higher concentration of O₂ inhaled or have shown improvements in terms of work performed (Heller, 1995), or that higher tissue concentrations lead to faster recovery, especially in intermittent activities (Nummela, 2002), although without studying cardiorespiratory and metabolic adjustments.

Thus, one interesting area of study is investigating physiological and cardiorespiratory responses, in addition to defining the means and methods for prescribing effective supplementation.

Il protocollo sperimentale ha preso in considerazione diverse tipologie di sport con relativi modelli prestativi di riferimento. Sono stati scelti per lo studio le seguenti attività sportive: Calcio, Endurance (Corsa, Ciclismo) e CrossFit.

Soggetti:

La popolazione studiata aveva al suo interno sia soggetti di sesso maschile che femminile, tutti con buon condizionamento fisica di partenza (+1 anno di allenamenti nello sport praticato), in condizioni atletiche ideali (+3 allenamenti/week) e senza infortuni recenti.

Hanno partecipato allo studio 20 atleti di cui: 6 calciatori, 6 CrossFitter (3 uomini e 3 donne) e 8 atleti di Endurance (6 uomini e 2 donne).

L’età media dei soggetti è stata di 30 ± 5 anni, con altezza media di 177,5 ± 7,3 cm ed un peso medio di 75,2 ± 8,6 Kg

The experimental protocol considered several types of sport and their related performance models. The following sports activities were selected for the study: Football/soccer, Endurance (running, cycling) and CrossFit.

Subjects:

The study population comprised male and female subjects, all in good physical condition at baseline (+1 year of training in the relevant sport), in ideal athletic condition (+3 training sessions/week), with no recent injuries.

The study included 20 athletes: 6 footballers, 6 CrossFitters (3 men and 3 women) and 8 endurance athletes (6 men and 2 women).

The mean age was 30 ± 5 years. Mean height was 177.5 ± 7.3 cm and mean weight 75.2 ± 8.6 Kg.

Complessivamente nello studio sono stati valutati 20 soggetti.

Tutti e 20 i partecipanti hanno eseguito un test BASALE (T0), senza utilizzare alcuna forma di supplemento e con le stesse modalità di esercizio della successiva prova fatta con il supplemento di Aria respirabile 21% O2 oppure Ossigeno respirabile (UltraOxy).

Il consumo di ossigeno medio delle prove è stato di 40,7 ± 5,2 e 46,0 ± 6,3 ml/Kg/min nelle due prove BASALE T0 mentre di 39,4 ± 5,1 e 46,2 ± 6,0 ml/Kg/min nelle due prove Texp (ARIA e O2; 8 x BREATH).

Il valore medio dei parametri cardiorespiratori e metabolici delle prove BASALE (T0), Texp (ARIA) e di Texp (O2; 8 x BREATH) è riportato nella tabella di seguito.

Tra la condizione BASALE (T0) v Texp (ARIA) non è stata trovata alcuna differenza significativa nei parametri studiati.

Nel confronto tra la condizione BASALE (T0) e la Texp (8 x BREATH O2) sono risultati significativamente differenti (entrambi p < 0,01) il parametro ventilatorio di RF (freq. respiratoria) e di TAU (cinetica del sistema respiratorio).

Il valore complessivo medio di RF è stato di 47,3 ± 10,1 (T0) mentre di 43,6 ± 9,0 nella Texp (O2, 8 x BREATH).

Le TAU sono risultate invece pari a 49,8 ± 12,8 sec (T0) e 42,1 ± 12,7 sec nella Texp (O2, 8 x BREATH).

A total of 20 subjects were assessed in the study.

All 20 participants performed a test at BASELINE (T₀), receiving no supplements and with the same exercise procedures as used in the subsequent test performed with supplementation of 21% O₂ breathable air or pure breathable oxygen (UltraOxy).

The mean oxygen uptake in the tests was 40.7 ± 5.2 and 46.0 ± 6.3 ml/kg/min in the two BASELINE T₀ tests, and 39.4 ± 5.1 and 46.2 ± 6.0 ml/kg/min in the two Texp tests (AIR and O₂; 8 BREATHS).

The mean value of the cardiorespiratory and metabolic parameters in the BASELINE (T₀), Texp (Air) and Texp (O₂; 8 BREATHS) tests is shown in the table below.

No significant difference in the parameters was found between BASELINE (T₀) and Texp (Air).

On comparison of BASELINE (T₀) and Texp (8 BREATHS O₂), the ventilation parameter RF (respiratory frequency) and TAU (respiratory system kinetics) were significantly different (both p < 0.01).

The mean total value for RF was 47.3 ± 10.1 (T₀), and 43.6 ± 9.0 in Texp (O₂, 8 BREATHS).

TAU was 49.8 ± 12.8 sec (T₀) and 42.1 ± 12.7 sec in Texp (O₂, 8 BREATHS).

L’obiettivo dello studio sperimentale è stato quello di misurare le risposte fisiologiche a seguito della supplementazione di ossigeno tramite bombola portatile UltraOxy in diverse tipologie di soggetti e sport. Inoltre, si è cercato di definire se un preciso protocollo sperimentale di applicabilità di UltraOxy (8 respiri entrambi PRE – DURANTE esercizio) durante la pratica sportiva fosse più efficace rispetto ad un altro.
L’osservazione degli adattamenti è stata fatta in acuto (all’interno dell’arco temporale di esercizio) durante l’esecuzione di diverse forme di attività fisica.

A tal proposito è importante dare indicazione che l’uso di supplementi di ossigeno tramite inalazione è escluso dalla lista dei metodi proibiti

Ad oggi alcune aziende stanno investendo in questo settore anche se la letteratura in questo campo metodologico è assai scarna e solo recentemente sono state riportate alcune evidenze riguardo il miglioramento delle prestazioni fisiche mediante l’utilizzo di supplementi di aria altamente concentrata di ossigeno.
Gli studi più recenti hanno analizzato gli adattamenti fisiologici in seguito alla supplementazione di aria iper-ossigenata rispetto alle variazioni di lattato ematico, SpO2 e FC. Oltre a questi, vengono spesso indagate la percezione dello sforzo (RPE) e la capacità cognitiva.

Alcuni studi invece hanno valutato le risposte post-esercizio in termini di stress ossidativo-infiammatorio. La maggior parte degli studi ha riportato evidenze seppur senza indagare approfonditamente la componente cardiorespiratoria.

Il presente studio pilota è il primo ad aver misurato le risposte cardiorespiratorie alla somministrazione tramite inalazione di ossigeno respirabile.

In acuto è possibile osservare come la cinetica di attivazione dell’apparato respiratorio e la frequenza respiratoria dei soggetti siano significativamente inferiori nel gruppo Texp (O2; 8x BREATH) rispetto al controllo BASALE T0.

In generale, il corpo regola la frequenza respiratoria in modo dinamico per mantenere un equilibrio tra l’apporto di ossigeno e l’eliminazione di anidride carbonica, garantendo così una corretta funzione dell’organismo.

Sappiamo che questa regolazione risponde a stimoli di tipo nervoso o chimico.

La regolazione avviene principalmente attraverso il sistema nervoso in base alle esigenze del corpo in termini di apporto di ossigeno e rimozione di anidride carbonica.

Il centro respiratorio, situato nel tronco encefalico, gioca un ruolo chiave in questo processo.

L’ipotesi del presente studio è che laddove la condizione sperimentale prevedeva l’insufflazione di aria iper-concentrata di ossigeno (O2), in sufficienti quantità e flussi (8 x BREATH), vi è stato un apporto tale di ossigeno da modulare il controllo nervoso periferico (legato alla componente chimica) di risposta respiratoria.

Infatti, il parametro di RF, frequenza respiratoria è risultato significativamente inferiore (p < 0,01) nella condizione BASALE T0 47,3 ± 10,1 (T0) rispetto al Texp (O2; 8x BREATH) 43,6 ± 9,0.

È importante notare che solamente la condizione 8 x BREATH ha permesso di apportare un quantitativo minimo di aria iper-ossigenata in grado di modificare le risposte respiratorie neuro-mediate in quanto probabilmente tale flusso e quantità (circa 30-40 sec di inspirazione) sono sufficientemente efficaci.

Il numero di insufflazioni è in linea con alcuni studi che hanno riportato anch’essi miglioramenti prestativi sfruttando metodi simili (8 respiri / 30-45sec).

Questa risposta adattiva alla diminuzione degli atti respiratori al minuto si è associata anche alla presenza di TAU, cinetiche di risposta del VO2 più rapide e significativamente differenti sempre nel gruppo sperimentale rispetto al controllo, (49,8 ± 12,8 sec BASALE (T0) e 42,1 ± 12,7 sec nella Texp (8x BREATH O2); p < 0,01).

La “TAU” del consumo di ossigeno (o “time constant” del consumo di ossigeno) si riferisce infatti a un parametro utilizzato per descrivere la risposta dinamica del sistema di consumo di ossigeno in risposta a cambiamenti di input o stimoli.

Matematicamente rappresenta il tempo necessario per il consumo di ossigeno di un organismo per raggiungere il 63,2% della variazione totale in risposta a una perturbazione, che nel nostro studio va associata alla supplementazione di aria con ossigeno iper-concentrato.
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La TAU è influenzata da diversi fattori, tra cui la genetica, l’età, il livello di allenamento, la salute del soggetto e la specificità dell’esercizio fisico svolto.

Per quanto riguarda il meccanismo di controllo della cinetica del VO2, sono state proposte 2 ipotesi opposte.

Una di queste suggerisce che il tasso di aumento di VO2 all’inizio dell’esercizio è limitato dalla capacità di consegna di ossigeno al muscolo attivo.

L’altra ipotesi suggerisce che la capacità dell’uso dell’ossigeno nell’esercizio muscolare agisce come il fattore limite del tasso aumento del VO2.

Queste ipotesi sono ancora in discussione, sicuramente dal punto di vista sportivo e della salute è stato dimostrato come TAU più basse e rapide siano associabili a migliori prestazioni (Dupont, 2005; Dupont, 2010), minori debiti di ossigeno (EPOC) e soprattutto tempi di recupero più veloci grazie ad un’accelerata risposta adattiva (Xu, 1999).

Esempi di TAU di alcuni soggetti testati:

The aim of this study was to measure physiological responses to supplemental oxygen from a portable canister of UltraOxy in different types of subjects and sports. Additionally, the study aimed to determine whether a specific experimental protocol involving application of UltraOxy (8 breaths before and during exercise) was more effective than another. The adaptations were observed in the acute setting (within the exercise period) during different forms of physical activity.

It is important to mention that supplemental oxygen delivered by inhalation is not on the list of prohibited methods.

Some companies are currently investing in this area, despite a lack of extensive literature on the matter and that it is only recently that evidence has emerged that high-concentration oxygen supplements can enhance physical performance.
Recent studies have analysed physiological adaptations, in terms of changes in blood lactate, SpO₂ and HR, after supplementation with hyper-oxygenated air. Rating of perceived exertion (RPE) and cognitive capacity are often investigated in addition to these.

Some studies have evaluated post-exercise responses in terms of oxidative and inflammatory stress. Most studies provide evidence, albeit without in-depth investigation of the cardiorespiratory component.

This pilot study is the first to measure cardiorespiratory responses to administration of breathable oxygen by inhalation.

In the acute setting, it is possible to observe that the uptake kinetics of the respiratory system and respiratory frequency in the study subjects are significantly lower in the Texp (O₂; 8 BREATHS) tests than in the BASELINE T₀ control.

Generally speaking, the body regulates respiratory frequency dynamically in order to maintain the balance between oxygen intake and carbon dioxide elimination, thereby ensuring the correct functioning of the body.

We know that this regulation responds to nervous or chemical stimuli.

Regulation primarily takes place through the nervous system, depending on the body’s requirements in terms of oxygen intake and carbon dioxide clearance.

The respiratory centre, located in the brain stem, plays a key role in this process.

The hypothesis in this study is that when the test condition involved inhalation of air with hyper-concentrated oxygen (O₂) at sufficient quantities and flow rates (8 BREATHS), oxygen intake was sufficient to modulate the peripheral nervous system’s control (linked to the chemical component) of the respiratory response.

Indeed, RF (respiratory frequency) was significantly lower (P < 0.01) at BASELINE T₀ with 47.3 ± 10.1 (T₀) than at Texp (O₂; 8 BREATHS) with 43.6 ± 9.0.

It is important to note that only the 8 BREATHS test condition led to a minimum intake of hyper-oxygenated air that was sufficient to modify nerve-mediated respiratory responses, as this flow rate and quantity (approximately 30-40 sec. inhalation) are probably sufficiently effective.

The number of inhalations is in line with other studies that have reported performance improvements using similar methods (8 breaths / 30-45 sec).

This adaptive response to the decrease in breaths per minute was also associated with the presence of TAU, faster and significantly different VO₂ response kinetics, still in the experimental group, than in the control (49.8 ± 12.8 sec BASELINE (T₀) and 42.1 ± 12.7 sec in the Texp test (8 BREATHS O₂); p < 0.01).

The TAU (time constant) for oxygen uptake is a parameter used to describe the dynamic response of the oxygen uptake system to input changes or stimuli.

Mathematically it represents the time it takes for a body’s oxygen uptake to reach 63.2% of the total variation in response to a disturbance, which in our study is associated with supplementation with air containing hyper-concentrated oxygen.

TAU is affected by several factors, including genetics, age, level of training, the health of the subject and the specificity of the exercise performed.

Two opposing hypotheses have been suggested regarding the control mechanism for VO₂ kinetics.

One is that the rate of increase of VO₂ at the start of the exercise is restricted by the ability to deliver oxygen to the active muscle.

The other hypothesis is that the ability to use oxygen in the muscle exercise acts as the limit factor on the rate of increase of VO₂.

These hypotheses are still under discussion. It has certainly been shown in the sports and health fields that lower and faster TAUs may be associated with better performance (Dupont, 2005; Dupont, 2010), lower oxygen debt (EPOC) and, above all, faster recovery times, thanks to an accelerated adaptive response (Xu, 1999).

Examples of TAUs of some tested subjects: