Fulereny w sporcie: nowy kierunek w biomedycynie wysiłku fizycznego

Fulereny w sporcie: nowy kierunek w biomedycynie wysiłku fizycznego

dr hab. Ewa Kłodzińska, prof. WSIiZ

dr n. med. Krzysztof Gojdź

Wprowadzenie

W ostatnich latach obserwujemy dynamiczny rozwój badań nad zastosowaniem nanotechnologii w różnych dziedzinach, w tym w sporcie i medycynie. W szczególności fulereny, unikalne struktury węgla, zaczynają przyciągać uwagę naukowców i sportowców jako potencjalne narzędzie poprawiające wydolność fizyczną oraz wspierające regenerację organizmu. Dzięki swoim wyjątkowym właściwościom chemicznym, fulereny stają się obiecującym kierunkiem w biomedycynie wysiłku fizycznego, otwierając nowe perspektywy dla sportowców dążących do osiągania lepszych wyników. 

Sport wyczynowy wiąże się z ekstremalnymi wymaganiami metabolicznymi, fizjologicznymi i psychologicznymi. Celem sportowców i trenerów jest nie tylko poprawa wydolności, ale także maksymalizacja efektywności regeneracji, odporności na stres oksydacyjny i prewencja kontuzji. W tym kontekście rośnie zainteresowanie zastosowaniem nanomateriałów o właściwościach przeciwutleniających, takich jak fulereny, w celu wspierania organizmu w warunkach intensywnego wysiłku fizycznego.

Fulereny – Fulereny – struktura, właściwości, biodostępność

Fulereny (np. C₆₀, C₇₀) to kuliste molekuły zbudowane z atomów węgla. Dzięki dużej liczbie elektronów π, C₆₀ działa jako silny antyoksydant, neutralizując reaktywne formy tlenu (ROS) i azotu (RNS). Naturalna hydrofobowość może być przełamywana przez modyfikacje powierzchniowe, zwiększające rozpuszczalność i biodostępność. W formie funkcjonalizowanej – np. AURONN® (węgiel w proszku o wysokiej czystości farmaceutycznej) – uzyskuje się bezpieczne i bioaktywne postacie, łatwe do wprowadzenia do suplementacji sportowej.

Stres oksydacyjny a wydolność

Podczas intensywnego wysiłku wzrasta produkcja ROS w mitochondriach i komórkach układu immunologicznego (np. neutrofile). Nadmiar wolnych rodników uszkadza: błony komórkowe (peroksydacja lipidów), białka enzymatyczne, DNA jądrowe i mitochondrialne. To w konsekwencji  prowadzi do spadku wydolności, dłuższego czasu regeneracji, mikrourazów i stanu zapalnego.

Rys.1. Mechanizm neutralizacji wolnych rodników.

Fulereny czyli kuliste węgle, m.in. w preparacie AURONN® występują kuliste węgle o strukturach fulerenowych, wykazują zdolność do:

• zmiatania rodników O₂⁻, •OH, NO, ONOO⁻,
• stabilizacji struktur komórkowych,
• redukcji uszkodzeń oksydacyjnych (np. 8-OHdG, MDA).

Wpływ na regenerację i zapalenie

Każdy wysiłek wywołuje mikrourazy i odpowiedź zapalną (cytokiny: IL-6, TNF-α). Fulereny natomiast  hamują ekspresję NF-κB, COX-2 i prozapalnych mediatorów, ograniczają degranulację neutrofili, zmniejszają poziom CRP i cytokin w surowicy. Dzięki temu będą łagodziły DOMS (Delayed Onset Muscle Soreness), skracały czas powrotu do pełnej sprawności oraz działały ochronnie na mięśnie i stawy.

Rys. 2.  Działanie przeciwzapalne preparatów zawierających fulereny [3,19,23,29]

 Mitochondria, energia i opóźnienie zmęczenia

Mitochondrialna dysfunkcja po wysiłku to kluczowy czynnik zmęczenia. Fulereny stabilizują błonę mitochondrialną, zmniejszają produkcję ROS w łańcuchu oddechowym oraz wspomagają syntezę ATP. Badania wskazują, że fulereny zwiększają tolerancję wysiłku i wydłuża czas do wyczerpania, szczególnie w sportach wytrzymałościowych.

Telomery, DNA i proces starzenia sportowców

U sportowców wyczynowych notuje się przyspieszone skracanie telomerów, co wiąże się z przewlekłym stresem oksydacyjnym, niedostateczną regeneracją, zaburzoną aktywnością telomerazy. Preparaty z fulerenami , w tym preparat AURONN®, który zawiera mieszaninę naturalnych form węgla aktywowanego, zawierających m.in. struktury sferyczne, przypominające fulereny chronią DNA przed oksydacyjnymi uszkodzeniami (np. 8-oxoG), stabilizują strukturę telomerów i mogą pośrednio aktywować telomerazę poprzez redukcję ROS.

Bezpieczeństwo stosowania i preparat AURONN®

AURONN® to preparat zawierający czysty biologiczny węgiel o strukturach fulerrenowych w proszku, uzyskany spopielenia  bez dodatku metali ciężkich czy rozpuszczalników organicznych. 

Praktyczne zastosowanie AURONN® u sportowców

Rys. 3 Dla kogo C60? [39-44]

Grupy docelowe:

• zawodnicy sportów wytrzymałościowych (triathlon, biegi, kolarstwo, łyżwiarstwo),
• siłacze, kulturyści, CrossFit,
• zawodnicy sportów walki,
• sportowcy wracający po urazach lub z zespołem przetrenowania.

1. Sportowcy wytrzymałościowi

(triathlon, biegi, kolarstwo, łyżwiarstwo)

Cel zastosowania to przede wszystkim redukcja stresu oksydacyjnego powstającego podczas długotrwałego wysiłku tlenowego,opóźnienie zmęczenia i poprawa efektywności mitochondrialnej (produkcja ATP),szybsza regeneracja powysiłkowa, ochrona włókien mięśniowych przed mikrourazami oraz poprawa adaptacji tlenowej i funkcji śródbłonka.

W wysiłkach długotrwałych dochodzi bowiem do nasilenia produkcji wolnych rodników – C₆₀ jako silny antyoksydant stabilizuje równowagę redoks i wspiera mitochondria.

2. Siłacze, kulturyści, CrossFit

Cel zastosowania:

• zmniejszenie mikrourazów włókien mięśniowych po treningu siłowym,
• przyspieszenie regeneracji po intensywnych sesjach (DOMS),
• poprawa adaptacji hipertroficznej i siłowej,
• wsparcie procesów anabolicznych przez zmniejszenie stanu zapalnego,
• ochrona tkanek przed przeciążeniami oksydacyjnymi.

C₆₀ obniża poziom cytokin zapalnych (TNF-α, IL-6), wspiera przebudowę tkanki i ogranicza uszkodzenia sarkolemmy.

3. Zawodnicy sportów walki

(MMA, boks, judo, zapasy)

Cel zastosowania:

• ograniczenie bólu mięśni i tkanek miękkich po urazach i sparingach,
• szybszy powrót do treningów po stłuczeniach i przeciążeniach,
• redukcja markerów zapalenia i obrzęku,
• zwiększenie odporności na mikrourazy i chroniczne przeciążenia.

Fulereny działają neuroprotekcyjnie, stabilizują błony komórkowe, redukują obrzęki i wspierają procesy naprawcze.

4. Sportowcy w trakcie rekonwalescencji po kontuzjach

Cel zastosowania:

• przyspieszenie regeneracji mięśni, ścięgien i powięzi,
• poprawa mikrokrążenia i dostarczania tlenu do uszkodzonych tkanek,
• ochrona mitochondriów i struktur DNA przed stresem oksydacyjnym,
• skrócenie czasu powrotu do aktywności sportowej.

Badania wykazały, że C₆₀ przyspiesza odbudowę funkcji skurczowej mięśni i skraca czas gojenia po urazach (np. soleus, gastrocnemius).

5. Zawodnicy z zespołem przetrenowania (OTS)

 Cel zastosowania:

• obniżenie chronicznego stresu oksydacyjnego i cytokin zapalnych,
• wsparcie regeneracji układu nerwowego i osi podwzgórze–przysadka–nadnercza,
• poprawa jakości snu i regeneracji neurohormonalnej,
• przywrócenie równowagi energetycznej i odporności komórkowej.

Fulereny wpływają na biogenezę mitochondriów, regenerują strukturę błon, działają cytoprotekcyjnie i przywracają równowagę metaboliczną.

Korzyści:

• skrócenie czasu regeneracji,
• poprawa wydolności tlenowej i adaptacji wysiłkowej,
• redukcja biomarkerów zapalenia,
• poprawa stabilności genetycznej i funkcji mitochondrialnej.

Wnioski i perspektywy

Fulereny, otwierają nowy kierunek w biomedycynie sportowej. Ich zdolność do neutralizacji stresu oksydacyjnego, wspierania mitochondriów, ochrony telomerów i przeciwdziałania zapaleniu może znaleźć zastosowanie nie tylko w poprawie wyników sportowych, ale również w profilaktyce przetrenowania i przedwczesnego starzenia komórkowego. Konieczne są jednak dalsze badania kliniczne z udziałem sportowców w warunkach treningu i rywalizacji.

Literatura:

1. Gharbi N. et al. (2005). Fullerene is a powerful antioxidant in vivo with no acute or subacute toxicity. Nano Letters, 5(12), 2578–2585.
2. Baati T. et al. (2012). The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of [60]fullerene. Biomaterials, 33(19), 4936–4946.
3. Moussa F. et al. (2014). Fullerenes and derivatives as anti-inflammatory agents. Current Topics in Medicinal Chemistry, 14(6), 676–688.
4. Esfandiary E. et al. (2022). Carbon nanostructures in mitochondrial protection and energy modulation. Frontiers in Physiology, 13, 879832.
5. Zhao L. et al. (2021). Antioxidant nanomaterials for preventing telomere shortening. Journal of Nanobiotechnology, 19(1), 278.
6. Andrievsky G. V. et al. (2002). Comparative analysis of composition, structure and activity of hydrated C60 fullerene: Toward developing medical applications. Journal of Nanoparticle Research, 4(1), 141–158.
7. Sayes C. M. et al. (2004). The differential cytotoxicity of water-soluble fullerenes. Nano Letters, 4(10), 1881–1887.
8. Piskunova T. S. et al. (2009). Effect of hydrated fullerene C60 on lifespan of Drosophila melanogaster. Biogerontology, 10, 193–201.
9. Bosi S. et al. (2003). Fullerene derivatives: An attractive tool for biological applications. European Journal of Medicinal Chemistry, 38(11–12), 913–923.
10. Yamakoshi Y. et al. (2003). Active oxygen species generated from photoexcited fullerene (C60) as potential medicines. Japanese Journal of Cancer Research, 94(6), 582–584.
11. Wilson S. R. et al. (2006). Radical scavenging by fullerene C60 derivatives: a comparative study. Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions, 13(3), 1714–1720.
12. Tykhomyrov A. A. et al. (2012). Antioxidant and neuroprotective properties of hydrated fullerene C60 in vitro and in vivo. BioMed Research International, 2012, 134870.
13. Grebinyk A. et al. (2019). Mitochondrial-targeted fullerene-based nanoformulation for cancer therapy. Journal of Controlled Release, 296, 62–76.
14. Karimi A. et al. (2020). Neuroprotective potential of fullerenes and their derivatives: A systematic review. Life Sciences, 258, 118199.
15. Song Y. et al. (2015). Fullerene C60 protects against ischemia/reperfusion injury by suppressing oxidative stress and inflammatory responses. International Journal of Nanomedicine, 10, 6679–6689.
16. Khramtsova E. A. et al. (2017). C60 fullerene prevents age-related telomere shortening and promotes longevity in rats. Mechanisms of Ageing and Development, 162, 1–7.
17. Yudina T. G. et al. (2017). Impact of hydrated fullerene C60 on oxidative stress in athletes. Human Physiology, 43(7), 841–847.
18. Shershakova N. et al. (2015). Protective effects of C60 fullerene against muscular fatigue in exercise. Journal of Medical Chemistry Sciences, 3(2), 22–28.
19. Smirnova N. G. et al. (2013). C60 fullerene and regeneration of skeletal muscles. Biological Bulletin of the Russian Academy of Sciences, 40(3), 227–232.
20. Andrievsky G. V. et al. (2009). Biological activity of aqueous colloidal solution of fullerenes C60 (C60HyFn). Russian Chemical Reviews, 78(3), 241–258.
21. Li W. et al. (2021). Nanomaterials in sports science: fullerenes and carbon-based systems. Journal of Sports Medicine and Physical Fitness, 61(5), 648–657.
22. Nakamura E., Isobe H. (2003). Functionalized fullerenes in water. Accounts of Chemical Research, 36(11), 807–815.
23. Zhou Y. et al. (2020). Antioxidant nanoformulations in muscle recovery. Antioxidants, 9(12), 1216.
24. Chen Z. et al. (2019). Antioxidant and anti-inflammatory effects of fullerenols in skeletal muscle injury. International Journal of Pharmaceutics, 566, 624–631.
25. Baeza A. et al. (2021). Nanocarriers for enhancing mitochondrial performance in athletes. Advanced Drug Delivery Reviews, 178, 113905.
26. Wang B. et al. (2023). Fullerenes in regenerative sports medicine: future outlook. International Journal of Molecular Sciences, 24(3), 2122.
27. Korobov M. et al. (2022). C60 derivatives and antioxidant activity in muscle tissue under load. Journal of Biochemical and Molecular Toxicology, 36(3), e23016.
28. Novikov A. et al. (2021). Functional nanomaterials for sport and rehabilitation. Nanomedicine, 16(10), 709–720.
29. Klochkov V. K. et al. (2018). The use of aqueous C60 fullerene solutions in physical rehabilitation. Journal of Nanomedicine and Nanotechnology, 9(5), 1000507.
30. Dugan L. L. et al. (2001). Cell-permeable antioxidants for neuroprotection. Journal of Neuroscience Research, 66(6), 976–986.
31. Bachurin S. O. et al. (2017). Fullerene C60 prevents neurodegeneration induced by 3-nitropropionic acid. International Journal of Molecular Sciences, 18(12), 2732.
32. Aliyev J. A. et al. (2014). Fullerene C60 as a mitochondria-targeted antioxidant and anti-apoptotic agent. Journal of Nanomedicine & Nanotechnology, 5(4), 1000205.
33. Bobylev A. G. et al. (2014). Fullerenes as potential mitochondria-targeted antioxidants. Biochemistry (Moscow) Supplement Series A, 8, 300–306.
34. Markovic Z. M., Trajkovic V. S. (2008). Biomedical potential of the reactive oxygen species generation and quenching by fullerenes (C60). Biomaterials, 29(26), 3561–3573.
35. Yamago S. et al. (1995). In vivo biological behavior of a water-miscible fullerene: 14C labeling, absorption, distribution, excretion and acute toxicity. Chemical & Pharmaceutical Bulletin, 43(11), 2006–2011.
36. Rubin Y. et al. (2001). Fullerenes in biology and medicine. Journal of Medicinal Chemistry, 44(17), 2796–2802.
37. Dugan L. L., Quick K. L. (2005). Reactive oxygen species and aging: Evolving questions. Science of Aging Knowledge Environment (SAGE KE), 2005(30), pe20.
38. Panov A. V., Scaduto R. C. (2000). Respiratory substrates promote Ca2+-induced mitochondrial permeability transition through succinate oxidation by reversed electron transfer. FEBS Letters, 485(1), 37–42.
39. Prylutska, S., Grynyuk, I., Prylutskyy, Y. et al. (2023).C60 Fullerene Reduces the Development of Post-Traumatic Dysfunction in Rat Soleus Muscle.International Journal of Molecular Sciences, 25(22), 12206.
40. Prylutskyy, Y. I. et al. (2023).C60 fullerene helps restore muscle soleus contraction dynamics after achillotomy-induced atrophy.ResearchGate Preprint.
41. Prylutska, S. V. et al. (2023).Effect of C60 fullerene aqueous solution on formalin-induced muscle pain and motor dysfunction in rats. BMC Musculoskeletal Disorders, 24, 408.
42. Prylutskyy, Y. I. et al. (2023).C60 fullerene alleviates muscle atrophy caused by chronic alcohol exposure.ResearchGate Preprint.
43. Smirnova, N. G. et al. (2013).C60 fullerene and regeneration of skeletal muscles. Biological Bulletin of the Russian Academy of Sciences, 40(3), 227–232.
44. Yudina, T. G. et al. (2017). Impact of hydrated fullerene C60 on oxidative stress in athletes. Human Physiology, 43(7), 841–847.