Apoptóza kosterního svalstva a fyzická výkonnost; Oxidativní poškození a opravy RNA/DNA ve stárnoucích lidských svalech

Konkrétní cíle:

Konkrétní cíl 1. Stanovit rozsah svalové apoptózy během stárnutí u mladých zdravých kontrol a u vysoce funkčních a nízkofunkčních starších subjektů. Výzkumníci předpokládají, že pozorovaná úroveň apoptózy svalových buněk je spojena s fyzickým postižením. Vyšetřovatelé přijmou kohortu deseti mladých kontrolních subjektů (ve věku 20-35 let). Výzkumníci také naberou a rozvrství kohortu čtyřiceti starších osob (věk 70-99 let) do dvou odlišných kategorií podle stanovených kritérií na základě jejich úrovně fyzické výkonnosti. Subjekty se souhrnným výkonnostním skóre ≥ 11 na baterii s krátkou fyzickou výkonností (SPPB) (66) budou považovány za vysoce funkční. Naopak subjekty se souhrnným výkonnostním skóre ≤ 7 budou považovány za málo fungující. Kromě SPPB provedou vyšetřovatelé také test síly stisku ruky a izokinetický test extenzoru kolena a zavedou 3D zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) k přesné kvantifikaci kontraktilní oblasti kvadricepsu. Vyšetřovatelé získají svalovou biopsii pro každý subjekt, aby určili závažnost apoptózy pomocí biochemických a histologických analýz (viz Metody). Zdravotní postižení bude posuzováno pomocí dotazníku pro sebereportáž. Vyšetřovatelé tedy určí rozsah svalové apoptózy a vědci to budou moci korelovat s úrovní fyzického postižení a svalové hmoty.

Specifický cíl 2. Objasnit roli Poly(ADP-ribóza)polymerázy 1 (PARP-1) a faktoru indukujícího apoptózu (AIF) při indukci apoptózy v lidském kosterním svalu. Výzkumníci předpokládají, že pozorovaná ztráta buněk v důsledku apoptózy souvisí hlavně s mechanismem nezávislým na kaspáze. Výzkumníci nedávno prokázali, že aktivace mitochondriální kaspázově nezávislé dráhy apoptózy může hrát důležitější roli než kaspázově závislá dráha při přispívání k smrti jaderných buněk (67). Kromě toho vědci předpokládají, že dráha apoptózy PARP-1/AIF by mohla být zapojena do procesu úbytku svalů souvisejícího s věkem. Výzkumníci kvantitativně vyhodnotí PARP-1 a AIF a korelují tato měření s rozsahem svalové apoptózy.

Specifický cíl 3. Posoudit roli dysfunkce mitochondrií a energetického selhání ve svalové apoptóze, sarkopenii a invaliditě. Výzkumníci předpokládají, že mitochondriální dysfunkce a výsledná snížená produkce adenosintrifosfátu (ATP) je v příčinné souvislosti se sarkopenií, pravděpodobně spuštěním programu apoptózy. Odhaduje se, že průměrná produkce ATP ve čtyřhlavém svalu starých lidských subjektů je přibližně 50 % produkce mladších subjektů (68) a předpokládá se, že energetické selhání může vyvolat apoptózu (58). V souladu s těmito zjištěními výzkumníci nedávno zjistili, že u krysího svalu gastrocnemia se obsah ATP a rychlost produkce ATP s věkem snížily o ~50 % (59). Výzkumníci budou kvantitativně hodnotit obsah ATP v myocytech spolu s klíčovými mitochondriálními metabolickými enzymy, jmenovitě citrátsyntázou, cytochrom-c-oxidázou (COX), ATPázou a akonitázou. Výzkumníci budou korelovat tyto parametry s úrovní apoptózy a s mírami fyzické výkonnosti, invalidity a svalové hmoty.

Specifický cíl 4. Korelovat změny fyzické funkce a svalové hmoty se svalovou apoptózou a biochemickými parametry při sledování (longitudinální studie). Po 4 letech budou subjekty ve vysoce výkonné skupině přehodnoceny na míru svalové apoptózy, aktivitu PARP-1 a AIF a produkci energie. Vyšetřovatelé budou korelovat tyto parametry s měřením fyzického výkonu a svalové hmoty hodnocené pomocí MRI, stejně jako s vlastním postižením. Výzkumníci tak budou schopni přímo korelovat případný pokles fyzické výkonnosti, svalové hmoty a funkčního stavu v tomto velmi vysokém věku se změnami svalové apoptózy a biochemických parametrů.

Výzkumný plán:

Pomocí průřezového designu (věk 20-35 a 70-99 let) budou výzkumníci kvantifikovat úroveň apoptózy ve svalu vastus lateralis u zdravé populace (viz kritéria pro zařazení/vyloučení). Apoptóza nenahraditelných postmitotických buněk může být důležitým mechanismem ve vývoji sarkopenie a nebyla zkoumána u zdravých lidí s věkem. Řada chronických onemocnění dokumentovala případy apoptózy v lidském kosterním svalu; tj. chronická plicní onemocnění (69,70) a pacienti se srdečním selháním (69,71,72). Je však nezbytné stanovit základní hladiny apoptózy u relativně zdravých lidí před přistoupením ke složitějším stavům, jako jsou chorobné stavy a křehkost. Kromě toho vědci určí sílu extenzorů kolena, objem myocytů, extracelulární prostor a myonukleární doménu (průřezová svalová plocha/jádro) kvantifikací počtu jader v průřezové ploše svalu. Tento specifický cíl stanoví základní úrovně apoptózy a vyhodnotí standardní opatření pro hodnocení sarkopenie.

Studovat design. Abychom dosáhli našich cílů, navrhují výzkumníci dvě samostatné, ale vzájemně se doplňující studie

1. Aby bylo možné získat přehled o změnách potenciálu apoptózy s věkem a jeho příspěvku ke ztrátě svalové hmoty a síly, budou výzkumníci kvantifikovat úroveň apoptózy ve svalu vastus lateralis u mladých lidí (věk 20-35 let; N = 20), staří vysoce funkční (věk 70-99 let; N = 25) a staří nízkofunkční (věk 70-99 let; N = 20) subjekty. U účastníků studie bude provedena svalová biopsie a vyšetření magnetickou rezonancí pro kvadrifikaci kontraktilní oblasti kvadricepsu. Svalová síla bude hodnocena testem síly stisku ruky a izokinetickým testem extenzoru kolena.
2. Předběžné údaje o příspěvku apoptózy kosterního svalstva k sarkopenii, ztrátě fyzických funkcí v pokročilém věku budou shromážděny kvantifikací rozsahu svalové apoptózy ve svalu vastus lateralis starých (věk 70-99 let), vysoce funkčních (N = 25 ) a nízkofunkční (N = 20) subjekty spolu s měřením svalové hmoty (MRI), svalové síly (test úchopu a extenze kolena) a celkového fyzického výkonu (Short Physical Performance Battery, SPPB (67)). Kromě toho budou výzkumníci shromažďovat předběžná data týkající se úlohy apoptózy řízené mitochondriemi při úbytku svalů a funkční ztrátě ve stáří.

Všem účastníkům studie bude provedena krátká fyzická zkouška a budou zaznamenány hlavní biologické příznaky (tělesná hmotnost, výška, tělesná teplota, krevní tlak a puls). Bude také zadán základní dotazník týkající se zdravotní anamnézy účastníků

Po čtyřech letech budou staří účastníci přehodnoceni z hlediska fyzické výkonnosti, funkčního stavu svalové hmoty (MRI), svalové apoptózy a biochemických parametrů. Aby bylo možné získat informace o změnách fyzického výkonu a funkčního stavu v průběhu času a maximalizovat retenci, bude pro staré účastníky naplánována každoroční návštěva využívající SPPB, testování úchopu rukou a extenzorů kolen.