Wake up and smell the coffee: caffeine supplementation and exercise performance—an umbrella review of 21 published meta-analyses
카페인 보충과 운동 수행능력: 21개 메타분석의 우산 리뷰
Jozo Grgic, Pavle Mikulic, Brad J. Schoenfeld, Craig Pickering, David J. Bishop and Zeljko Pedisic · 2020
Abstract 초록
카페인(caffeine)은 스포츠 영양학에서 가장 광범위하게 소비되고 광범위하게 연구된 에르고제닉 보조제 중 하나이다. 본 우산 리뷰(umbrella review)는 근력, 근지구력, 무산소 파워, 유산소 지구력, 종목 특이적 과제를 포함한 광범위한 운동 수행 능력 결과에 걸쳐 카페인 보충의 효과를 검토한 21편의 발표된 메타분석 결과를 종합하였다.
카페인 보충은 검토된 모든 주요 운동 양식에 걸쳐 수행 능력을 일관되고 의미 있게 개선하였다. 근력에서는 소~중간 크기의 효과 크기가 관찰되었으며, 상체 근력이 하체 근력보다 다소 더 반응적인 것으로 나타났다. 무산소 파워 출력 및 고강도 단거리 수행 능력은 신뢰할 수 있는 개선을 보였으며, 지구력 수행 능력은 탈진 시간(time-to-exhaustion) 및 타임 트라이얼(time trial) 결과에서 일관된 향상을 보였다 [1].
용량-반응 관계 분석 결과, 운동 30~60분 전에 체중 kg당 3~6 mg을 투여하는 것이 효과적인 범위를 나타내었으며, 6 mg/kg 이상에서는 추가적인 이점이 거의 없고 고용량에서 이상 반응의 빈도가 더 높았다. 중요한 점은, 에르고제닉 효과가 습관적인 카페인 소비자에서도 지속되었으며, 이는 내성이 수행 능력 향상 반응을 완전히 감쇠시킨다는 초기의 가정에 도전한다 [2].
권장 용량에서의 이상 반응은 일반적으로 빈맥, 불안, 위장 불편감 등 경미한 수준이었다. 운동 후 수면의 질에 대한 영향은 오후 또는 저녁에 훈련하거나 경기하는 선수들에게 특히 중요한 고려 사항으로 부각되었다. 이러한 결과는 카페인이 수행 능력 지향 개인을 위한 근거 기반 보충 전략에 포함될 가치가 있는 증거 기반 에르고제닉 보조제임을 확인시켜준다.
참고문헌
[1] Grgic J, et al. Wake up and smell the coffee: caffeine supplementation and exercise performance. Br J Sports Med. 2020;54(11):681–688.
[2] Doherty M, Smith PM. Effects of caffeine ingestion on exercise testing: a meta-analysis. Int J Sport Nutr Exerc Metab. 2004;14(6):626–646.
Introduction 서론
카페인(caffeine, 1,3,7-트리메틸크산틴)은 커피, 차, 코코아, 그 외 다수의 식물 원료에서 자연적으로 발생하는 크산틴 알칼로이드이다. 카페인은 세계에서 가장 광범위하게 소비되는 향정신성 물질로, 전 세계 커피 소비만으로도 하루 20억 잔을 초과한다. 스포츠 및 운동의 맥락에서 카페인은 100년 이상 연구되어 왔으며, 현재 스포츠 과학 문헌에서 가장 강력하게 뒷받침되는 에르고제닉 보조제 중 하나로 인정받고 있다 [1].
카페인의 수행 능력 향상 효과를 뒷받침하는 주요 약리학적 기전은 아데노신(adenosine) 수용체, 특히 A₁ 및 A₂A 아형에 대한 비선택적 길항 작용이다. 아데노신은 운동 중의 축적이 노력과 피로의 지각에 기여하는 내인성 신경 조절 물질이다. 중추신경계 및 말초 조직에서 아데노신 수용체를 경쟁적으로 차단함으로써 카페인은 지각된 노력(perceived exertion)의 상승을 감쇠시키고, 더 큰 운동 단위 동원을 촉진하며, 고강도 노력 중 통증 내성을 향상시킬 수 있다 [2]. 이차적 기전으로는 카테콜아민(catecholamine) 분비 증가, 당원 분해(glycogenolysis) 향상, 그리고 수축 단백질 칼슘 동력학에 대한 직접적인 효과가 있으나, 이러한 말초 기전의 상대적 기여는 여전히 논쟁 중이다.
카페인은 2004년 세계반도핑기구(WADA) 금지 목록에서 제외되었으며, 이는 광범위한 식이 유병률과 용량-반응 특성에 대한 발전된 과학적 이해를 반영한다. 그럼에도 불구하고 WADA는 카페인 사용을 계속 모니터링하고 있으며, 소변 내 12 µg/mL를 초과하는 농도는 일부 관할 기관에서 조사를 받을 수 있다 [3].
광범위한 1차 문헌에도 불구하고, 개별 메타분석은 범위, 방법론 및 결론 면에서 다양하였다. 여러 메타분석에 걸쳐 근거를 종합하는 우산 리뷰(umbrella review) 접근법은 이용 가능한 근거 기반에 대해 가장 포괄적이고 방법론적으로 강력한 종합을 도출할 기회를 제공한다.
참고문헌
[1] Fredholm BB, et al. Actions of caffeine in the brain with special reference to factors that contribute to its widespread use. Pharmacol Rev. 1999;51(1):83–133.
[2] Davis JM, Zhao Z, Stock HS, Mehl KA, Buggy J, Hand GA. Central nervous system effects of caffeine and adenosine on fatigue. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2003;284(2):R399–R404.
[3] World Anti-Doping Agency. The Prohibited List. Montreal: WADA; 2021.
Methods 방법
우산 리뷰 설계
카페인 보충이 운동 수행 능력에 미치는 효과를 검토한 기존 메타분석을 체계적으로 종합하기 위해 우산 리뷰(umbrella review) 방법론을 적용하였다. 이 접근법은 개별 연구 데이터를 종합하는 1차 메타분석과 달리 기존 메타분석의 결과를 종합하는 것으로, 여러 수행 능력 영역에 걸쳐 근거 전경의 고차원적 종합을 가능하게 한다 [1].
검색 전략
데이터베이스 개설 시점부터 2019년 12월까지 PubMed, EMBASE, SPORTDiscus에서 체계적인 검색을 수행하였다. 검색 전략은 카페인 및 그 동의어와 메타분석, 체계적 문헌고찰, 운동 또는 경기 수행 능력에 관한 용어를 결합하였다. 언어 제한은 적용하지 않았으나, 포함된 모든 메타분석은 영어로 발표된 것이었다. 확인된 문헌의 참고문헌 목록을 수기로 검색하여 추가로 적격한 리뷰를 발굴하였다.
포함 및 제외 기준
메타분석은 다음 기준을 모두 충족하는 경우 포함되었다: (1) 허용된 가이드라인에 부합하는 체계적 검색 및 통합 절차 사용; (2) 카페인 보충을 1차 중재로 검토; (3) 무작위 대조 시험을 1차 포함 연구 설계로 포함; (4) 최소한 하나의 운동 수행 능력 결과에 대한 정량적 요약 추정치 보고. 카페인 효과의 격리를 불가능하게 하는 다른 성분과의 카페인 병용을 검토한 리뷰는 제외되었다 [2].
데이터 추출 및 질 평가
두 명의 연구자가 독립적으로 포함된 1차 연구 수, 참가자 특성, 카페인 용량 및 시기, 운동 결과, 신뢰구간이 포함된 효과 크기 추정치 등의 데이터를 추출하였다. 각 메타분석의 방법론적 질은 AMSTAR-2(체계적 문헌고찰 평가 도구) 기구를 사용하여 수행 및 보고 질을 비판적으로 평가하였다 [3].
참고문헌
[1] Aromataris E, Fernandez R, Godfrey CM, Holly C, Khalil H, Tungpunkom P. Summarizing systematic reviews. Int J Evid Based Healthc. 2015;13(3):132–140.
[2] Shea BJ, et al. AMSTAR 2: a critical appraisal tool for systematic reviews. BMJ. 2017;358:j4008.
[3] Moher D, et al. Preferred reporting items for systematic reviews and meta-analyses: the PRISMA statement. BMJ. 2009;339:b2535.
Results 결과
포함된 메타분석의 특성
1994년에서 2019년 사이에 발표된 21편의 메타분석이 포함 기준을 충족하였으며, 총 310개의 1차 무작위 대조 시험과 약 4,800명의 고유 참가자를 포괄하였다. 포함된 리뷰는 최대 근력 및 파워에서 최대하(submaximal) 지구력, 단거리 수행 능력, 종목 특이적 과제에 이르기까지 검토된 운동 영역 면에서 이질적이었다. AMSTAR-2 질 평가는 포함된 메타분석의 대부분에서 중간에서 높은 수준이었으며, 주요 한계는 일부 초기 리뷰에서 재원 출처의 불완전한 보고와 잠재적 언어 편향이었다 [1].
근력 및 파워
최대 수의적 수축 근력을 검토한 메타분석은 카페인 보충으로 인한 소~중간 크기의 일관된 개선을 보였다(SMD 범위: 0.19–0.38). 상체 근력이 하체 근력보다 다소 더 반응적인 것으로 나타났으며, 이는 아데노신 수용체 밀도 또는 운동 단위 특성의 차이를 반영할 수 있다. 윈게이트(Wingate) 무산소 검사에서의 최대 파워 출력은 통합 분석 전반에 걸쳐 약 3~7%의 신뢰할 수 있는 개선을 보였다 [2].
지구력 수행 능력
카페인 보충은 검토된 모든 탈진 시간(time-to-exhaustion) 및 타임 트라이얼(time trial) 프로토콜에서 지구력 수행 능력의 강력한 개선을 가져왔다. 사이클링 및 달리기 탈진 시간에 대한 통합 효과는 중간~큰 크기의 효과를 보였으며(SMD: 0.37–0.60), 이 결과 지표를 격리한 분석에서는 타임 트라이얼 수행 능력 개선이 2.0~4.3%로 보고되었다.
용량, 시기 및 내성
운동 30~60분 전에 체중 kg당 3~6 mg을 투여하는 것이 여러 수행 능력 영역에 걸쳐 일관되게 에르고제닉 효과를 나타냈다. 6 mg/kg 이상에서 추가적인 효과에 대한 근거는 제한적이었으며, 이상 반응 빈도가 증가하였다. 습관적인 카페인 소비자는 대부분의 분석에서 비소비자와 비교할 만한 수행 능력 효과를 보였다 [3].
참고문헌
[1] Grgic J, et al. Br J Sports Med. 2020;54(11):681–688.
[2] Grgic J, Grgic I, Pickering C, et al. Wake up and smell the coffee: caffeine supplementation and strength performance. Br J Sports Med. 2019;54(11).
[3] Lara B, et al. Time course of tolerance to the performance benefits of caffeine. PLoS One. 2019;14(1):e0210275.
Discussion 고찰
본 우산 리뷰의 결과는 카페인을 광범위 스펙트럼 에르고제닉 보조제로 지지하는 근거 기반을 강화하고 확장한다. 일부 보충제가 특정 운동 양식이나 집단에만 효과가 국한되는 것과 달리, 카페인은 근력, 파워, 고강도 간헐적 수행 능력, 그리고 유산소 지구력을 포함한 놀랍도록 광범위한 운동 유형에 걸쳐 수행 능력 이점을 제공하는 것으로 나타난다. 이러한 교차 양식 효능은 중추신경계에서의 카페인의 주요 작용 기전과 일치하며, 여기서 아데노신 수용체 길항 작용은 특정 대사적 요구와 크게 무관하게 노력과 피로의 지각을 조절한다 [1].
개인 변이성 및 유전적 고려사항
집단 수준 추정치의 주목할 만한 한계는 카페인에 대한 반응의 상당한 개인 변이성이다. 의미 있는 비율의 개인이 감소하거나 부재한 에르고제닉 반응을 보이는 반면, 일부는 특히 고용량에서 수행 능력 저하를 경험할 수 있다. 주요 카페인 대사 효소를 암호화하는 CYP1A2 유전자와 A₂A 아데노신 수용체를 암호화하는 ADORA2A 유전자의 유전적 다형성(genetic polymorphisms)이 개인 간 반응 변이성의 잠재적 조절 인자로 확인되었다 [2]. 이러한 유전적 맥락은 1차 연구 전반에 걸쳐 일관성 없는 결과를 부분적으로 설명할 수 있으며, 집단 수준의 권고사항을 개별 선수에게 적용할 때 고려되어야 한다.
수면 및 회복 고려사항
카페인의 반감기는 3~7시간이며, 간에서의 대사에 관한 개인차에 의해 영향을 받는다. 오후 또는 저녁에 훈련하거나 경기하는 선수는 급성 수행 능력 이점과 잠재적인 수면의 질 및 수면 시간의 방해 사이에서 진정한 상충 관계에 직면한다. 수면이 회복, 적응, 익일 수행 능력에 미치는 중요성이 확립된 점을 감안할 때, 선수들은 수면 일정에 상대적으로 카페인 사용 시기를 신중하게 고려해야 한다 [3].
실제적 권고사항
운동 30~60분 전에 체중 kg당 3~6 mg의 용량이 근거로 뒷받침된다. 카페인에 익숙하지 않은 개인은 이 범위의 하한에서 시작하여 내성과 반응에 따라 점진적으로 증량해야 한다. 무수 카페인(anhydrous caffeine) 캡슐과 커피는 동등한 용량에서 동등하게 효과적인 전달 형태로 나타났다.
참고문헌
[1] Pickering C, Grgic J. Caffeine and exercise: what next? Sports Med. 2019;49(7):1007–1030.
[2] Pickering C, Kiely J. Are the current guidelines on caffeine use in sport optimal for everyone? Sports Med. 2018;48(1):7–16.
[3] Drake C, Roehrs T, Shambroom J, Roth T. Caffeine effects on sleep taken 0, 3, or 6 hours before going to bed. J Clin Sleep Med. 2013;9(11):1195–1200.