The impact of different aquatic exercise programs on cardiometabolic markers in community dwelling elderly

Abstract

The elderly population is constantly growing worldwide. A large part of this population is affected by cardiometabolic diseases which make individuals more fragile and, consequently, with less autonomy. Scientific evidence has shown that the regular practice of physical exercise is an effective tool for the prevention and treatment of various pathologies associated with the aging process. However, physical exercise in water has been gaining popularity in this age group. Due to the specific properties of water, exercising in this environment becomes safer and more pleasurable. However, there are still few studies that have tested the impact of physical exercise programs in an aquatic environment in elderly. Thus, the main objective of this study was to test the impact of different physical exercise programs in an aquatic environment, on risk markers of cardiometabolic diseases, in community dwelling elderly. The sample consisted of 102 participants who were randomly allocated into four groups: continuous aerobic exercise program (AerG) (n=25, 71.44±4.84 years); aerobic interval exercise program (IntG) (n=28, 72.64±5.22 years); combined exercise program (ComG) (n=29, 71.90±5.67 years); and control group (CG) (n=20, 73.60±5.25 years). Participants in AerG, IntG and ComG participated in three different physical exercise programs in aquatic environments for 28 weeks, while CG participants maintained their usual routines (without any systematic physical exercise) for the same period of time. All participants were evaluated on a broad set of cardiometabolic markers, pre and post-intervention. This thesis is organized into 5 studies: The first study is the study protocol, which aimed to briefly describe the entire methodological process used to carry out this research. The second study consisted of a cross-sectional analysis of baseline data and aimed to verify the association between aerobic capacity, handgrip strength and cognition with risk markers for cardiometabolic diseases and mental health in community dwelling elderly. The results showed that aerobic capacity was associated with markers of functional fitness (muscle strength of the lower and upper limbs, handgrip strength, flexibility of the lower and upper limbs, and agility and dynamic balance), cardiovascular (intima-media thickness of the carotid arteries, peak systolic velocity and peak diastolic velocity), biochemical (tumor necrosis factor, granulocytes and lymphocytes), cognitive function (Mini Mental State Examination) and mental health (Geriatric Depression Scale, Life Satisfaction Scale and EuroQol). Handgrip strength was associated with anthropometric measures (height, weight, lean body mass and fat mass), functional fitness (aerobic capacity, muscle strength of the lower and upper limbs, agility and dynamic balance), biochemical markers (hematocrit, erythrocytes, hemoglobin concentration, glucose, cholesterol total and high-density lipoprotein), cognitive function (Mini Mental State Examination) and mental health (Rosenberg Self Esteem Scale, Geriatric Depression Scale, EuroQol and Perceived Stress Scale). And cognitive function was associated with anthropometric measures (legs circumference), physical fitness (muscle strength of the lower and upper limbs, handgrip strength, aerobic capacity, flexibility of the upper limbs, and agility and dynamic balance), cardiovascular (intima-media thickness of the carotid arteries) and biochemical markers (adenosine diphosphate), and mental health (Geriatric Depression Scale and EuroQol). These results suggest that aerobic capacity, handgrip strength and cognition may be associated with risk markers for cardiometabolic diseases. The third study aimed to verify the effects of different physical exercise programs in an aquatic environment on body composition, functional fitness and cognitive function in community dwelling elderly. The results showed statistically significant differences in body composition after intervention for the percentage of fat mass, percentage of lean body mass and waist circumference in AerG, for body mass index, percentage of fat and lean body mass, and lower limb perimeter in IntG, and for body mas, percentage of fat and lean body mass, and perimeters of the lower limbs in ComG. In functional fitness, statistically significant differences were found for aerobic capacity and muscle strength in AerG, for aerobic capacity, flexibility and muscle strength in IntG, and muscle strength in ComG. In cognitive function, significant differences were observed for the Mini-Mental States Examination test in ComG. These results show the beneficial effects of physical exercise in an aquatic environment on body composition, functional fitness and cognition in community dwelling elderly. The combined program was potentially shown to be more beneficial on body composition and cognition, while the aerobic interval program was shown to be more effective on functional fitness. The fourth study investigated the effects of different physical exercise programs in the aquatic environment on the immune profile in community-dwelling elderly. The results showed that after the intervention there were statistically significant differences for several hematological variables in AerG, IntG and ComG. Regarding immunological variables, statistically significant differences were found for IL-10 in AerG, for TNF-α and TNF-α/IL-10 ratio in IntG, and for TNF-α and IL-1ß/IL-1ra ratio in ComG . The results of this study suggest that physical exercise in an aquatic environment can cause beneficial changes in the immune profile in elderly participants, by providing a lower pro-inflammatory profile. Aerobic interval exercise program and combined exercise program appear to be most effective in decreasing low-grade chronic inflammation by producing higher levels of anti-inflammatory cytokines. However, differences between exercise groups were small and may not be clinically significant. In the fifth study, we aimed to verify the effects of different programs of physical exercise in the aquatic environment on the intima-media thickness of the carotid arteries, hemodynamic parameters and biomarkers of cardiovascular diseases. Regarding the carotid artery intima-media thickness, after the intervention, statistically significant differences were observed for diastolic diameter in AerG, for peak-systolic velocity in IntG and diastolic diameters and endo-diastolic velocity in ComG. Regarding the blood pressure, significant differences were found for systolic and diastolic blood pressure in AerG, for diastolic blood pressure in IntG, systolic and diastolic blood pressure, and heart rate in ComG. In the metabolic profile, significant differences were observed for glycemia in AerG and IntG. Regarding the chemokines, significant differences were found for MCP-1 and MIP-1α in AerG, and MCP-1 in ComG, after the intervention. These data suggest that physical exercise in an aquatic environment can improve cardiovascular health, regardless of the type of program. The programs of aerobic characteristics (combined program and continuous aerobic program) seem to have a more beneficial effect in the reduction of cardiovascular risk markers. The results of this thesis showed that exercise in an aquatic environment can provide beneficial changes in most of the variables analyzed, evidencing that the practice of exercise in this environment can be considered an effective tool in the prevention and treatment of cardiometabolic diseases, in community dwelling elderly, and that it can be used as an alternative to the practice of physical exercise on land.

A população idosa está em constante crescimento a nível mundial. Grande parte dessa população é afetada por doenças cardiometabólicas, que torna os indivíduos mais fragilizados e consequentemente com menos autonomia. Evidências científicas têm mostrado que a prática regular de exercício físico é uma ferramenta eficaz para a prevenção e tratamento para várias patologias associadas ao processo do envelhecimento. Entretanto, o exercício físico em meio aquático tem vindo a ganhar popularidade nesta faixa etária. Devido às propriedades específicas da água, a prática de exercício neste meio torna-se mais segura e prazerosa. No entanto ainda existem poucos estudos que testaram o impacto de programas de exercício físico em meio aquático na população idosa. Assim o objetivo principal deste estudo foi testar o impacto de diferentes programas de exercício físico em meio aquático, em marcadores de risco de doenças cardiometabólicas, em idosos residentes na comunidade. A amostra foi constituída por 102 participantes que foram alocados aleatoriamente em quatro grupos: programa de exercício aeróbio contínuo (AerG) (n=25, 71.44±4.84 anos); programa de exercício intervalado aeróbio (IntG) (n=28, 72.64±5.22 anos); programa de exercício combinado (ComG) (n=29, 71.90±5,67 anos); e grupo de controlo (CG) (n=20, 73.60±5.25 anos). Os participantes do AerG, IntG e ComG participaram em três programas diferentes de exercício físico em meio aquático durante 28 semanas, enquanto os participantes do CG mantiveram as suas rotinas habituais (sem qualquer prática de exercício físico sistemático) durante o mesmo período de tempo. Todos os participantes foram avaliados num conjunto alargado de marcadores de risco cardiometabólico, pré e pós intervenção. Esta tese esta organizada em 5 estudos: O primeiro estudo é o protocolo de estudo, que teve como finalidade descrever sucintamente todo o processo metodológico utilizado para a realização desta investigação. O segundo estudo consistiu na análise transversal dos dados de linha base e teve como objetivo verificar a associação entre a capacidade aeróbia, força de preensão manual e cognição com marcadores de risco de doenças cardiometabólicas e saúde mental, em idosos residentes na comunidade. Os resultados mostraram que a capacidade aeróbia foi associada a marcadores de aptidão funcional (i.e., força muscular dos membros inferiores e superiores, força de preensão manual, flexibilidade dos membros inferiores e superiores, e agilidade e equilíbrio dinâmico), cardiovasculares (i.e., espessura íntima e média das artérias carótidas, velocidade pico sistólica e velocidade pico diastólica), bioquímicos (i.e., Factor de necrose tumoral, granulócitos e linfócitos), função cognitiva (i.e., Mini Mental State Examination) e saúde mental (i.e., Escala de Depressão Geriátrica, Escala de Satisfação com a Vida e EuroQol). A força de preensão manual foi associada a medidas antropométricas (altura, peso, massa corporal magra e massa gorda), aptidão funcional (capacidade aeróbia, força muscular dos membros inferiores e superiores, e agilidade e equilíbrio dinâmico), marcadores bioquímicos (hematócrito, eritrócitos, concentração de hemoglobina, glicose, colesterol total e lipoproteína de alta densidade), função cognitiva (Mini Mental State Examination) e saúde mental (Escala de Auto Estima de Rosenberg, Escala de Depresão Geriátrica, EuroQol e Escala de Strees Percebido). E a função cognitiva foi associada a medidas antropométricas (perímetro dos membros inferiores), aptidão física (força muscular dos membros inferiores e superiores, força de preensão manual, capacidade aeróbia, flexibilidade dos membros superiores, e agilidade equilíbrio dinâmico), marcadores cardiovasculares (espessura íntima e média das artérias carótidas) e bioquímicos (difosfato de adenosina) e saúde mental (Escala de Depressão Geriátrica e EuroQol). Estes resultados sugerem que a capacidade aeróbia, força de preensão manual e cognição podem estar associadas a marcadores de risco de doenças cardiometabólicas. O terceiro estudo teve como objetivo verificar os efeitos de diferentes programas de exercício físico em meio aquático na composição corporal, aptidão funcional e função cognitiva, em idosos residentes na comunidade. Os resultados mostraram diferenças estatisticamente significativas na composição corporal após intervenção para a percentagem de massa gorda, percentagem de massa muscular e perímetro da cintura no AerG, para índice de massa corporal, percentagem de massa gorda e muscular, e perímetro do membro inferior no IntG, e para peso, percentagem de massa gorda e muscular, e perímetros dos membros inferiores no ComG. Na aptidão funcional foram verificadas diferenças estatisticamente significativas para a capacidade aeróbia e força muscular no AerG, para capacidade aeróbia, flexibilidade e força muscular no IntG, e para a força muscular ComG. Na função cognitiva foram verificadas diferenças significativas para o teste Mini Mental States Examination no ComG. Estes resultados evidenciam os efeitos benéficos do exercício físico em meio aquático na composição corporal, aptidão funcional e na cognição, em idosos residentes na comunidade. O programa combinado mostrou ser potencialmente mais benéfico na composição corporal e cognição, enquanto o programa intervalado aeróbio mostrou ser mais eficaz na aptidão funcional. O quarto estudo investigou os efeitos de diferentes programas de exercício físico em meio aquático no perfil imunológico, em idosos residentes na comunidade. Os resultados mostraram, que após a intervenção foram verificadas diferenças estatisticamente significativas para várias variáveis hematológicas no AerG, IntG e ComG. Em relação às variáveis imunológicas, foram encontradas diferenças estatisticamente significativas para IL-10 no AerG, para TNF-α e rácio TNF-α/IL-10 no IntG, e para TNF-α e rácio IL-1ß/IL- 1ra no ComG. Os resultados deste estudo sugerem que o exercício físico em meio aquático pode provocar alterações benéficas no perfil imunológico em participantes idosos, ao proporcionar um menor perfil pró-inflamatório. O programa de exercício intervalado aeróbio e o programa de exercício combinado, parecem ser mais eficazes, diminuindo a inflamação crônica de baixo grau através da produção de níveis mais elevados de citocinas anti-inflamatórias. No entanto as diferenças entre os grupos de exercício foram pequenas e podem não ter significado clínico. No quinto estudo objetivámos verificar os efeitos de diferentes programas de exercício físico em meio aquático na espessura intima-media das artérias carótidas, parâmetros hemodinâmicos e em biomarcadores de doenças cardiovasculares. Em relação à espessura intima-média das artérias carótidas, após intervenção, foram verificadas diferenças estatisticamente significativas para diâmetro diastólico no AerG, para velocidade pico-sistólico no IntG e para diâmetros diastólico e velocidade endo-diastólica no ComG. Na pressão arterial, foram encontradas diferenças significativas para a pressão arterial sistólica e diastólica no AerG, para a pressão arterial diastólica no IntG, e para a pressão arterial sistólica e diastólica, e frequência cardíaca no ComG. No perfil metabólico foram verificadas diferenças significativas para a glicémia no AerG e IntG. Relativamente às quimiocinas, diferenças significativas foram verificadas para MCP-1 e MIP-1α no AerG, e para MCP-1 no ComG, após intervenção. Estes dados sugerem que o exercício físico em meio aquático pode melhorar a saúde cardiovascular, independentemente do tipo de programa. Os programas de caraterísticas aeróbias (programa combinado e programa aeróbio contínuo) parecem ter um efeito mais benéfico na redução de marcadores de risco cardiovascular. Os resultados desta tese mostraram que o exercício em meio aquático proporcionou alterações benéficas na maioria das variáveis analisadas, evidenciando que a prática de exercício neste meio pode ser considerada uma ferramenta eficaz na prevenção e tratamento de doenças cardiometabólicas, em idosos residentes na comunidade, e que pode ser utilizada em alternativa à prática de exercício físico em meio terrestre.