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Contreras--Briceño et al. Kinesiología (2021) 40(1): 42-49 Kinesiología ISSN: 0716-4173

ARTÍCULO ORIGINAL

Asociación entre el Material Particulado y la Función Pulmonar durante el Ejercicio en Sujetos Físicamente Activos

Felipe Contreras-Briceño1; Maximiliano Espinosa-Ramírez1; Daniel Álvarez Oyarce1,2; Catalina Vidal Moreno1,2;

Antonia Espinoza León1,2; Teresa Correa Echeñique1,2; Cynthia Rojas-Muñoz1.

Resumen Introducción: El material particulado (MP) es una mezcla de partículas potencialmente peligrosas debido a su capacidad de penetrar el sistema respiratorio. La cantidad de MP que ingresa al organismo depende de su concentración ambiental, tiempo de exposición y la ventilación pulmonar. Esta última aumenta fisiológicamente durante el ejercicio físico. Objetivo: Determinar la asociación entre el MP y la función pulmonar en sujetos jóvenes físicamente activos durante el ejercicio físico. Métodos: Los participantes completaron un protocolo de actividad física en condiciones ambientales con concentraciones de MP habituales durante 4 días consecutivos (24-km). La función pulmonar fue evaluada antes (día-0) y después de una exposición aguda (día-1, post 6-km) y exposición prolongada (día-4, post 24-km). Para determinar la correlación entre los niveles de MP y las variables de función pulmonar, se aplicó la prueba de correlación de Spearman. El nivel de significancia se estableció en p<0.05. Resultados: La función pulmonar, evaluada a través de las variables de espirometría de volumen espiratorio forzado al primer segundo (VEF1), su relación con la capacidad vital forzada (VEF1/CVF) y flujo espiratorio medio (FEF25-75%), se asoció inversamente con las concentraciones de MP en el día-1 (p <0.05), pero no en el día-4 (p>0.05). Conclusión: Este estudio encontró que a mayor dosis efectiva de MP inhalado, mayor es la disminución en variables de función pulmonar evaluadas con espirometría. Este efecto fué más notorio posterior a la exposición aguda que a la exposición prolongada, infiriendo una posible habituación por parte del sistema respiratorio a la inhalación permanente de material particulado. Palabras claves: Contaminación; Material particulado; Actividad física; Función pulmonar; Ejercicio.

Introducción La contaminación ambiental se ha convertido en

un problema creciente a nivel mundial principalmente en sectores urbanos localizados geográficamente en zonas con escasa renovación del aire como es Santiago de Chile1. Tal es su importancia, que la Organización Mundial de la Salud (OMS) lo declara el mayor factor de riesgo ambiental con efectos nocivos en la salud, reportándose incrementos en las exacerbaciones de patologías respiratorias, número de consultas médicas y hospitalización de pacientes con enfermedades crónicas2,3.

Un tipo de contaminante ambiental es el Material Particulado (MP), el que consiste en una mezcla de

partículas líquidas y sólidas emitidas por fuentes contaminantes como la combustión de gasoil y tráfico automotriz, entre otros1. El MP se categoriza en base al diámetro aerodinámico expresado en micrómetros (µm), existiendo partículas gruesas (MP10), finas (MP2,5) y ultrafinas (MP0,1), siendo estas dos últimas capaces de llegar a zonas respiratorias periféricas, alcanzando incluso regiones alveolares desde donde pueden difundir a la circulación sistémica4,5, favoreciendo la génesis de patologías como hipertensión arterial, diabetes mellitus y enfermedad coronaria, entre otras6.

La exposición a MP se ha asociado al desarrollo de hiperreactividad bronquial y resistencia e inflamación de la vía aérea, provocando un aumento del trabajo respiratorio y fatiga muscular respiratoria en población infantil y adulta7-9. Cuando

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estos cambios se mantienen en el tiempo, incrementan el riesgo de inflamación crónica y remodelación de la vía aérea, reduciendo la frecuencia del batido ciliar del epitelio respiratorio y alterando el aclaramiento mucociliar2. En este contexto, la cantidad de MP que ingresa al sistema respiratorio y que es capaz de generar alteraciones morfológicas y fisiológicas es conocida como dosis efectiva, la que depende directamente del tiempo de exposición a los contaminantes, de la concentración de éstos en el aire y de la ventilación pulmonar (V̇E) del sujeto, por lo que frente a cualquier aumento en estas variables mayor será el depósito de MP en el sistema respiratorio10. El incremento en V̇E es una respuesta fisiológica durante la realización de ejercicio físico, y está condicionado al aumento en la frecuencia respiratoria (FR) y/o del volumen corriente (VC). Sumado a estos cambios en la V̇E, durante la actividad física y con el fin de incrementar el flujo inspiratorio, se modifica el patrón respiratorio predominando la entrada de aire a nivel bucal, provocando que el aire inspirado no sea filtrado ni humidificado adecuadamente en el epitelio nasal, irritando la vía aérea y favoreciendo el ingreso de MP7. En este sentido, la literatura reporta que durante un ejercicio de moderada intensidad estandarizado a una tasa de V̇E de 25 L·min-1 durante 1 hora, el número de partículas depositadas en la vía aérea distal y territorio alveolar aumenta 4.5 veces en comparación al reposo11.

Según nuestra búsqueda de información, no existen reportes en Chile que hayan explorado el efecto de los niveles de concentración de MP, tiempo de exposición y ventilación pulmonar, sobre la función pulmonar de sujetos sanos que practican actividad física de forma regular en ambiente exterior u outdoor. En virtud de lo anterior, el propósito de este estudio fue determinar la asociación entre el material particulado y la función pulmonar de adultos jóvenes físicamente activos posterior al desarrollo de ejercicio físico.

Métodos Se realizó un estudio exploratorio, longitudinal, cuasiexperimental de tipo caso-control. Participantes

Se invitó a participar del estudio a sujetos jóvenes físicamente activos, a través de redes sociales, canales oficiales de la universidad y

afiches ubicados al interior del Campus San Joaquín de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Como criterios de inclusión se consideró un rango etario entre 18 y 44 años, actividad física regular según los criterios establecidos por la OMS (al menos 150 minutos semanales de actividad física de intensidad moderada a intensa)12, y la práctica de ésta al aire libre de forma habitual (outdoor). Se excluyó del estudio a todo participante que realizara deporte competitivo, consumiera antioxidantes o apoyo nutricional, drogas lícitas e ilícitas, antecedentes mórbidos como enfermedades respiratorias, cardiovasculares, metabólicas o musculo-esqueléticas, y/o hubiera cursado un proceso infeccioso o inflamatorio al menos 2 semanas previas a la realización de este estudio. Se les solicitó a todos los participantes no variar el nivel de actividad física, hábitos nutricionales y de sueño durante el periodo de investigación.

Diseño experimental Se aplicó un protocolo de ejercicio físico en condiciones ambientales de aire libre u outdoor durante los meses de septiembre y noviembre de 2019, que presentó una concentración de material particulado ambiental habitual para los participantes.

La intervención tuvo una duración de 5 días. En el día 0, se realizaron las mediciones basales de función pulmonar a los participantes consistente en espirometría y fuerza muscular inspiratoria. Además, y con el objetivo de caracterizar la capacidad aeróbica máxima (V̇O2-máx) y variables cardio-ventilatorias (frecuencia cardiaca (FC), ventilación pulmonar (V̇E), frecuencia respiratoria (FR) y volumen corriente (VC)) durante el esfuerzo físico se realizó el test cardiopulmonar (MasterScreen® Jaeger, Würzburg, Alemania). Posteriormente, durante los 4 días consecutivos siguientes, los participantes realizaron ejercicio aeróbico de trote de 6 kilómetros diarios en la pista atlética del Campus San Joaquín de la Pontificia Universidad Católica de Chile (Macul, Región Metropolitana), al 70% de su frecuencia cardíaca máxima (70% FCM) calculada mediante la fórmula 220-edad, monitoreada a través de pulsómetro (Nonin Inc., Plymouth, MN, EE.UU) y con escala de Borg Modificada (intensidad 6-7). Con el fin de medir el impacto de la exposición aguda (día-1) y prolongada (día-4) respecto a la inhalación del MP, se realizó una nueva espirometría y pimometría en los días 1 y 4 (figura 1).

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Variables de estudio

Función pulmonar La función pulmonar se midió a través de

espirometría (capacidad vital forzada (CVF), volumen espiratorio forzado al primer segundo (VEF1), relación VEF1/CVF y flujo espiratorio medio (FEF25-75%)), medidas con el espirómetro Micromedical ML3500 (Carefusion®, San Diego, EEUU) siguiendo las normas de la American Thoraxic Society (ATS) y la European Respiratory Society (ERS)13. Para la evaluación, se consideró un máximo de 8 intentos, considerando un mínimo de 3 pruebas aceptables y reproducibles, de las cuales se seleccionó la mejor curva.

Fuerza muscular inspiratoria

La fuerza muscular inspiratoria se midió a través de la presión inspiratoria máxima (pimometría, PIM), utilizando un pimómetro digital MicroRPM® (Carefusion, San Diego, EE.UU). Para la medición se consideró un máximo de 8 intentos técnicamente satisfactorios, considerando la más alta de tres mediciones con menos de un 10% de variabilidad o con una diferencia de 5 cmH2O entre ellas14.

Consumo de oxígeno máximo (�̇�O2-máx)

Para medir el V̇O2-máx. se realizó un test cardiopulmonar en cinta rodante (HP-Cosmos®), utilizando los protocolos establecidos en guías internacionales (American College Sports Medicine (ACSM) y European College Sports Science

(ECSS)) respecto a los criterios de detención previamente establecidos (ej. frecuencia cardiaca máxima, sensación subjetiva de esfuerzo, etc.)15. Su determinación se basó en análisis respiración-por-respiración de gases exhalados (MasterScren®, Jaeger, Würzburg, Alemania).

Material Particulado (MP)

El nivel de MP fue registrado a través del dispositivo Aerocet 831 (Met One Instruments®, California, EE.UU) (Figura 2), un contador de partículas de dispersión láser que informa cinco rangos de densidad de partículas en µg·m-3 (MP1, MP2,5, MP4, MP10 y total de partículas suspendidas (TSP)), las cuales atraviesan un rayo láser y dispersan la luz según su tamaño16. Aerocet 831® posee una adecuada validez y confiabilidad de medición en comparación a otros dispositivos de uso habitual17.

Tamaño muestral

El tamaño de la muestra fue calculado en base a la variable espirométrica CVF, donde se consideró el promedio y desviación estándar de un estudio previo que determinó su disminución posterior al ejercicio físico en condiciones con material particulado elevado9; considerando una potencia estadística del 80% (1-beta), nivel de confianza o seguridad (1-alfa) 95%, precisión de 25 mL (valor mínimo de la diferencia que se desea detectar), y varianza de la variable cuantitativa que tiene el grupo de referencia. En base a lo anterior, se determinó un tamaño muestral de 19 participantes.

Figura 1. Diseño experimental

Figura 2. Instrumento de medición de material particulado Aerocet 831®.

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Con la finalidad de asegurar este tamaño y considerando una pérdida del 10% de los datos en el momento del análisis, se esperaba reclutar un total de 21 participantes, sin embargo dado el contexto socio-sanitario del país los datos del presente estudio representan a 8 participantes.

Análisis estadístico

Los datos obtenidos de las variables dependientes de espirometría (VEF1, CVF, VEF1/CVF, FEF25-75) y fuerza muscular respiratoria (PIM) se contrastaron con la prueba de normalidad de Shapiro-Wilk. Aquellas con distribución normal, fueron expresadas como media y desviación estándar; mientras que aquellas no normales como mediana y rango intercuartílico. Para determinar la correlación entre los niveles de MP y las variables de función pulmonar, se aplicó la prueba de correlación de Spearman. El nivel de significancia estadística se estableció en p<0.05. El software estadístico utilizado fue GrapPad PRISM® 8.0 (GrapPad Prism Software Inc., San Diego, CA, EE.UU).

Normas éticas

Este proyecto fue aprobado por el Comité de Ética en Seres Humanos de la Pontificia Universidad Católica de Chile (proyecto número 190422014) considerando la Declaración de Helsinki (1975). Todos los participantes fueron informados verbalmente y por escrito acerca del estudio antes de obtener la firma del consentimiento informado.

Resultados Un total de 8 sujetos (7 hombres) participaron

voluntariamente del estudio. Todos correspondían a sujetos físicamente activos y realizaban actividades como correr, ciclismo, y gimnasia aeróbica de forma recreativa no competitiva siguiendo los criterios de la OMS (12). Las variables de caracterización de la muestra se presentan como mediana (mínimo/máximo) (Tabla 1).

Función pulmonar

El resumen de las variables de función pulmonar se presenta en la Tabla 2.

Se encontró que el FEF25-75% se asoció inversamente a las concentraciones de MP2.5 (rho: -

0.91, p: 0.008), MP4 (rho: -0.97, p<0.001) y MP10 (rho: -0.87, p: 0.007), y similar tendencia con MP1 (rho: -0.68, p: 0.07) (Figura 3).

Tabla 1. Caracterización de los participantes.

Tabla 2. Registro de las variables de función pulmonar.

Figura 3. Correlación entre la concentración de MP y la variable de función pulmonar FEF25-75% (día-1).

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La relación VEF1/CVF se asoció inversamente a MP2.5 (rho: -0.84, p:0.01), MP4 (rho: -0.84, p:0.01) y MP10 (rho: -0.84, p:0.01), con similar tendencia en MP1 (rho: -0.65, p:0.07) (Figura 4).

En relación a la exposición prolongada (basal vs.

día-4) hubo similar tendencia en las asociaciones para MP2.5 (rho: -0.62, p:0.08) y MP10 (rho: -0.63, p:0.07) (Figura 5).

La asociación entre los cambios (∆) basal vs día-1 en la relación VEF1/CVF con la cantidad inhalada de MP2.5 y MP10 fue inversa (rho: -0.84, p:0.01; y rho: -0.84, p:0.01, respectivamente). Respecto a los cambios (∆) basal vs día-4 en la misma relación no hubo asociación respecto a MP2.5 (p:0.12) y MP10 (p:0.23) (Figura 6).

Discusión

Este estudio encontró que la cantidad inhalada de material particulado en un protocolo de ejercicio físico de intensidad moderada disminuye los valores de las variables evaluadas mediante espirometría (función pulmonar) en sujetos sanos físicamente activos. Al respecto, la disminución de la relación VEF1/CVF indica una obstrucción de la vía aérea de grueso calibre mientras que la disminución de FEF25-75% indica obstrucción de la vía aérea pequeña, asociándose con MP de menor diámetro aerodinámico, el cual es capaz de alcanzar territorios más periféricos del sistema respiratorio2. Estos resultados son comparables con literatura previa que muestra que la combinación de ejercicio

Figura 4. Correlación entre la concentración de MP y la variable de función pulmonar VEF1/CVF (día-1).

Figura 5. Correlación entre la concentración de MP y la variable de función pulmonar VEF1/CVF (día-4).

Figura 6. Asociación entre la cantidad inhalada de MP2.5 y MP10 y los cambios (Δ) en la relación VEF1/CVF, para la exposición aguda (basal vs día 1, Día 1) y acumulado (basal vs día-4, Día 4).

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y contaminantes del aire afecta la salud y el rendimiento deportivo18,19.

Diversos autores han planteado los mecanismos a través de los cuales el MP disminuye la función pulmonar, destacando así el aumento del estrés oxidativo por medio de la destrucción de antioxidantes y el incremento en la producción de especies químicas reactivas respiratorias (RS), así como también el incremento de parámetros inflamatorios (IL-6, derivados del ácido araquidónico, entre otros), aspectos que pueden estar implicados en la obstrucción de la vía aérea20,21. Al respecto, Kubesch, et al., evaluó la función pulmonar y la inflamación de la vía aérea en 28 sujetos sanos de 18 a 60 años, encontrando una asociación directa entre la actividad física realizada en ambientes con elevado nivel de MP con los niveles de óxido nítrico exhalado (eNO), siendo éste un marcador de inflamación de la vía aérea22.

En nuestro estudio, tanto para la exposición aguda (día-1) como “acumulada” (día-4) se encontró disminución en la relación VEF1/CVF posterior al desarrollo de ejercicio físico. Sin embargo, al visualizar los cambios entre ambos días, se evidencia un efecto de menor magnitud en el día-4. Al respecto, la literatura ha reportado una respuesta “protectora” del sistema respiratorio asociada a la exposición crónica por ejercicio físico, lo que favorece las habituaciones a las condiciones ambientales en las que el ejercicio se desarrolla. Esto ocurriría gracias al efecto antiinflamatorio y antioxidante mediado por el ejercicio aeróbico, donde se ha demostrado una inhibición sustancial del aumento de especies químicas reactivas respiratorias (RS) provocado por la inhalación de material particulado18,19. En esta línea, Laeremans, et al., evaluó a 122 sujetos sanos físicamente activos encontrando aumento en la función pulmonar posterior a la realización de ejercicio aeróbico en ambientes con elevada concentración de contaminantes23. Así mismo, Wagner, et al., evaluó mediante espirometría a 16 sujetos de similares características posterior a un protocolo de ejercicio aeróbico de intensidad moderada en ambientes con elevada y baja concentración de contaminantes, encontrando un leve aumento del VEF1 en el ambiente con mayores niveles de MP24. Estos hallazgos refuerzan la idea de acuerdo con otros estudios respecto a que el entrenamiento ejerce un efecto “protector” frente a las consecuencias deletéreas de la contaminación, sin embargo, no se puede aseverar en su totalidad que sea la exclusiva inhalación de MP la variable que induce estos

cambios, ya que las condiciones ambientales de alta temperatura y humedad relativa ejercen un rol similar25.

Este estudio fue realizado en sujetos físicamente activos según los criterios de la OMS, por lo que en sujetos inactivos y/o sedentarios sería esperable encontrar un efecto agudo de mayor magnitud sobre el deterioro de la función pulmonar, lo que estaría fundamentado en que esta población carece de los efectos “protectores” del ejercicio físico regular, lo que adquiere aún mayor relevancia considerando el incremento progresivo que han tenido los niveles de sedentarismo en Chile y la creciente concentración de contaminantes que experimentan numerosas ciudades en nuestro país26; sin embargo, este aspecto requiere ser investigado en futuros estudios. En ese contexto, un estudio de campo realizado por los autores de este estudio registró los niveles de MP entre los meses de mayo-julio de 2019 (Tabla 3), encontrando que la concentración de material particulado durante la intervención alcanzó solo entre un 33 y un 66% aproximadamente de los niveles encontrados durante la época de invierno. Esto es relevante de considerar ya que sería esperable que la realización de actividad física durante dichos meses impacte aún más sobre la función pulmonar, debido a las mayores concentraciones ambientales de contaminantes y con ello un incremento de la dosis efectiva resultante.

Dentro de las limitaciones de este estudio,

destaca el bajo número de participantes evaluados, lo que limita la extrapolación de los resultados de la investigación a otras poblaciones. Además, faltó mayor igualdad de participantes de ambos sexos, pues solo evaluamos a 7 hombres y 1 mujer, lo que le confiere un cierto sesgo en la interpretación de los hallazgos. Finalmente, el diseño experimental de esta investigación carece de un grupo control, lo cual limitó el estudio aislado del efecto del material

Tabla 3. Valores de MP registrados durante la intervención y en los meses de invierno.

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particulado y el ejercicio físico respecto a los efectos de este último por sí solo.

Por otro lado, dentro de las fortalezas de este estudio, destaca la aplicabilidad de sus resultados como información que sustenta la toma de decisiones frente a la implementación de intervenciones kinesiológicas, así como también a la creación de normas y políticas públicas relacionadas con el control de la calidad del aire, donde se establezca por ejemplo, una restricción deportiva en ambientes outdoor durante los meses de invierno donde las concentraciones de MP son elevadas y podrían generar mayor impacto negativo sobre la función pulmonar. Así mismo, los resultados de este estudio refuerzan la idea de contar con un marco legal con énfasis sanitario que regule la producción de contaminantes de empresas y transporte, con el fin de reducir los niveles ambientales de MP, especialmente en aquellos meses y lugares donde se realizan actividades sociales de índole deportivo como maratones, cicletadas, entre otras.

Conclusiones

Este estudio encontró que a mayor dosis efectiva de MP inhalado, mayor fue la disminución en variables de función pulmonar en 8 sujetos físicamente activos. Este efecto fue más notorio posterior a la exposición aguda que a la exposición prolongada, infiriendo una posible habituación por parte del sistema respiratorio a la inhalación permanente de material particulado. Futuros estudios son necesarios para estudiar en profundidad esta asociación con un número muestral mayor y donde se utilice un grupo control para el estudio aislado de las variables involucradas en esta investigación.

Agradecimientos

A todos los participantes de este estudio y al personal técnico del Laboratorio de Fisiología del Ejercicio de la Pontificia Universidad Católica de Chile por el apoyo en la ejecución de las evaluaciones.

Financiamiento

Este estudio no recibió financiamiento de ninguna fuente.

Conflicto de interés

Todos los autores del presente estudio declaran no tener conflicto de interés.

Detalles de los autores

1 Laboratorio de Fisiología del Ejercicio, Carrera de Kinesiología, Departamento de Ciencias de la Salud, Facultad de Medicina, Pontificia Universidad Católica de Chile. Av. Vicuña Mackenna 4860, Santiago de Chile. Código postal 7820436.

2 Estudiantes de Kinesiología, Departamento de Ciencias de la Salud, Facultad de Medicina, Pontificia Universidad Católica de Chile. Av. Vicuña Mackenna 4860, Santiago de Chile. Código postal 7820436

Correspondencia a:

Felipe Contreras Briceño, P.T; MSc; PhD. Edificio Ciencias de la Salud (Kinesiología), Campus San Joaquín, Av. Vicuña Mackenna #4860, Santiago de Chile. E-mail: fcontrerasb@uc.cl.

Recibido: Diciembre 2020

Publicado: Marzo 2021

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