Exercise-induced stress behavior, gut-microbiota-brain axis and diet: A systematic review for athletes

Abstract

Fatigue, mood disturbances, under performance and gastrointestinal distress are common among athletes during training and competition. The psychosocial and physical demands during intense exercise can initiate a stress response activating the sympathetic-adrenomedullary and hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA) axes, resulting in the release of stress and catabolic hormones, inflammatory cytokines and microbial molecules. The gut is home to trillions of microorganisms that have fundamental roles in many aspects of human biology, including metabolism, endocrine, neuronal and immune function. The gut microbiome and its influence on host behavior, intestinal barrier and immune function are believed to be a critical aspect of the brain-gut axis. Recent evidence in murine models shows that there is a high correlation between physical and emotional stress during exercise and changes in gastrointestinal microbiota composition. For instance, induced exercise-stress decreased cecal levels of Turicibacter spp and increased Ruminococcus gnavus, which have well defined roles in intestinal mucus degradation and immune function. Diet is known to dramatically modulate the composition of the gut microbiota. Due to the considerable complexity of stress responses in elite athletes (from leaky gut to increased catabolism and depression), defining standard diet regimes is difficult. However, some preliminary experimental data obtained from studies using probiotics and prebiotics studies show some interesting results, indicating that the microbiota acts like an endocrine organ (e.g. secreting serotonin, dopamine or other neurotransmitters) and may control the HPA axis in athletes. What is troubling is that dietary recommendations for elite athletes are primarily based on a low consumption of plant polysaccharides, which is associated with reduced microbiota diversity and functionality (e.g. less synthesis of byproducts such as short chain fatty acids and neurotransmitters). As more elite athletes suffer from psychological and gastrointestinal conditions that can be linked to the gut, targeting the microbiota therapeutically may need to be incorporated in athletes' diets that take into consideration dietary fiber as well as microbial taxa not currently present in athlete's gut.

La fatiga, las alteraciones del estado de ánimo, el bajo rendimiento y el malestar gastrointestinal son comunes entre los atletas durante el entrenamiento y la competición. Las demandas psicosociales y físicas durante el ejercicio intenso pueden iniciar una respuesta al estrés activando los ejes simpático-adreno-medular e hipotálamo-hipófiso-suprarrenal (HPA), lo que resulta en la liberación de estrés y hormonas catabólicas, citoquinas inflamatorias y moléculas microbianas. El intestino es el hogar de trillones de microorganismos que tienen un papel fundamental en muchos aspectos de la biología humana, incluyendo el metabolismo, la función endocrina, neuronal e inmune. Se cree que el microbioma intestinal y su influencia en el comportamiento del huésped, la barrera intestinal y la función inmune son un aspecto crítico del eje cerebro-intestino. La evidencia reciente en modelos murinos muestra que existe una alta correlación entre el estrés físico y emocional durante el ejercicio y los cambios en la composición de la microbiota gastrointestinal. Por ejemplo, el estrés inducido por el ejercicio disminuyó los niveles cecales de Turicibacter spp y aumentó Ruminococcus gnavus, que tienen papeles bien definidos en la degradación del moco intestinal y la función inmune. Se sabe que la dieta modula drásticamente la composición de la microbiota intestinal. Debido a la considerable complejidad de las respuestas de estrés en los atletas de élite (desde el intestino permeable hasta el aumento del catabolismo y la depresión), la definición de regímenes de dieta estándar es difícil. Sin embargo, algunos datos experimentales preliminares obtenidos de estudios que usan probióticos y estudios prebióticos muestran algunos resultados interesantes, que indican que la microbiota actúa como un órgano endocrino (por ejemplo, secretando serotonina, dopamina u otros neurotransmisores) y pueden controlar el eje HPA en atletas. Lo que es preocupante es que las recomendaciones dietéticas para atletas de élite se basan principalmente en un bajo consumo de polisacáridos de plantas, lo que está asociado con una diversidad y funcionalidad de microbiota reducida (por ejemplo, menos síntesis de subproductos como ácidos grasos de cadena corta y neurotransmisores). A medida que más atletas de élite sufren condiciones psicológicas y gastrointestinales que pueden vincularse con el intestino, es posible que sea necesario incorporar terapéuticamente la microbiota terapéuticamente en las dietas de los atletas que toman en consideración la fibra dietética y los taxones microbianos que actualmente no están presentes en el intestino del atleta.c

La fatiga, les alteracions de l'estat d'ànim, el baix rendiment i el malestar gastrointestinal són comuns entre els atletes durant l'entrenament i la competició. Les demandes psicosocials i físiques durant l'exercici intens poden iniciar una resposta a l'estrès activant els eixos simpàtic-adreno-medul·lar i hipotàlem-hipòfiso-adrenal (HPA), el que resulta en l'alliberament d'estrès i hormones catabòliques, citoquines inflamatòries i molècules microbianes . L'intestí és la llar de trilions de microorganismes que tenen un paper fonamental en molts aspectes de la biologia humana, incloent el metabolisme, la funció endocrina, neuronal i immune. Es creu que el microbioma intestinal i la seva influència en el comportament de l'hoste, la barrera intestinal i la funció immune són un aspecte crític de l'eix cervell-intestí. L'evidència recent en models murins mostra que hi ha una alta correlació entre l'estrès físic i emocional durant l'exercici i els canvis en la composició de la microbiota gastrointestinal. Per exemple, l'estrès induït per l'exercici va disminuir els nivells cecals de Turicibacter spp i va augmentar Ruminococcus gnavus, que tenen papers ben definits en la degradació del moc intestinal i la funció immune. Se sap que la dieta modula dràsticament la composició de la microbiota intestinal. A causa de la considerable complexitat de les respostes d'estrès en els atletes d'elit (des de l'intestí permeable fins a l'augment del catabolisme i la depressió), la definició de règims de dieta estàndard és difícil. No obstant això, algunes dades experimentals preliminars obtingudes d'estudis que fan servir probiòtics i estudis prebiòtics mostren alguns resultats interessants, que indiquen que la microbiota actua com un òrgan endocrí (per exemple, secretant serotonina, dopamina o altres neurotransmissors) i poden controlar l'eix HPA en atletes. El que és preocupant és que les recomanacions dietètiques per a atletes d'elit es basen principalment en un baix consum de polisacàrids de plantes, el que està associat amb una diversitat i funcionalitat de microbiota reduïda (per exemple, menys síntesi de subproductes com a àcids grassos de cadena curta i neurotransmissors). A mesura que més atletes d'elit pateixen condicions psicològiques i gastrointestinals que poden vincular-se amb l'intestí, és possible que sigui necessari incorporar terapèuticament la microbiota terapèuticament en les dietes dels atletes que prenen en consideració la fibra dietètica i els taxons microbians que actualment no estan presents en l'intestí de l'atleta.