Vliv cvičebního tréninku na expresi proteinů v tkáni kosterního svalstva po cvičení u onemocnění periferních tepen

Proč je tento klinický problém důležitý?

Onemocnění periferních tepen (PAD) je hlavním zdravotním problémem v Austrálii s prevalencí 15 % u mužů ve věku nad 65 let. Přímé náklady na zdravotní péči PAD v Austrálii byly v roce 1994 180 milionů dolarů, z čehož 78 % bylo spojeno s hospitalizacemi. PAD je také markerem pokročilého kardiovaskulárního onemocnění (CVD) zahrnujícího koronární, cerebrální, renální a aortální cévy; s 2-3krát zvýšeným rizikem mortality související s KVO. V letech 2006-2007 bylo 25 813 hospitalizací a 2 163 úmrtí důsledkem PAD (Australian Institute of Health and Welfare 2009). Stárnoucí australská populace a prevalence PAD se zvyšuje (Australian Institute of Health and Welfare 2009), národní roční výdaje na zdravotnictví na kardiovaskulární onemocnění pravděpodobně porostou a výrazně překročí 5,4 miliardy dolarů vynaložených v letech 2000-01 (Australian Bureau of Statistics 2006 ). Nejčastějším příznakem mírné až středně těžké PAD je intermitentní klaudikace (IC), definovaná jako bolest a křeče vyvolané chůzí v jedné nebo obou nohách (nejčastěji lýtkách), které se zmírňují klidem. Primární a nejúčinnější léčba u lidí s intermitentní klaudikací je zaměřena na zlepšení schopnosti chůze a funkčního stavu.

Co je již známo o účinku cvičení na intermitentní klaudikace?

Příznivé účinky pohybového tréninku jako léčby byly potvrzeny v několika randomizovaných kontrolovaných studiích. Optimální forma cvičení stále není objasněna. Mechanismy zlepšení klaudikace cvičením jsou do značné míry neznámé. Ačkoli cvičení stimuluje ischemicko-reperfuzní (I-R) inzult, opakované cvičení může vyvolat adaptivní reakci na tento I-R inzult. Další potenciální témata zahrnují vliv cvičení na stimulaci nebo inhibici angiogeneze a/nebo syntézu svalových proteinů.

Ačkoli hlavní příčinou IC je snížený průtok krve do dolních končetin ve vztahu ke zvýšené potřebě během cvičení, patofyziologie IC není zcela objasněna. Například hemodynamika končetin úzce nekoreluje s klinickým obrazem nebo omezením maximálního výkonu při cvičení. Hemodynamická měření závažnosti PAD, jako je kotník-pažní systolický krevní tlak index (ABI) a průtok krve tenzometrickou pletysmografií, jsou špatnými prediktory zátěžové kapacity u pacientů s IC.

Průřezové studie ukazují, že zánět je spojen s přítomností, progresí a závažností PAD. To může vysvětlit nadměrnou kardiovaskulární mortalitu (nejméně 50 % po 10 letech), pozorovanou u těchto pacientů. Vliv cvičení na klaudikaci byl nejvíce studován u zánětlivých markerů v periferní krvi.

Jaký význam má měření exprese proteinů ve svalové tkáni?

Zatímco biomarkery periferní krve pomáhají v pochopení systémových projevů klaudikace, neodráží to, co se děje ve svalech a mikrocirkulaci. Většina změn v expresi proteinů je příliš nenápadná na to, aby byla detekována v periferní krvi. Snadnost získání neodpovídá snadnému výslechu. Dynamický rozsah proteinů v séru činí analýzu velmi náročnou, protože proteiny s vysokým zastoupením mají tendenci maskovat proteiny s nižším zastoupením; zatímco malý počet proteinů včetně albuminu, beta 2-makroglobulinu, transferinu a imunoglobulinů může představovat více než 90 % sérových proteinů11.

Proteinový komplement buňky nebo tkáně je dynamický a odráží věk, životní cyklus a podmínky, kterým je buňka vystavena, nebo specifický chorobný stav. Je jasné, že u většiny onemocnění jsou proteiny vystaveny četným změnám včetně posttranslačních modifikací a/nebo proteolytického štěpení; stejně tak u některých onemocnění dochází ke změně exprese proteinu. Messengerová ribonukleová kyselina (mRNA) je molekula kódující chemický plán pro protein. Přesto mikročipy zkoumající rozdílnou expresi mRNA neposkytnou informace o posttranslační modifikaci, takže jediný způsob, jak posoudit vliv proteinů, je na úrovni proteinů.

Některé studie zkoumaly rozdíl v histochemických a biochemických charakteristikách kosterního svalstva mezi pacienty s PAD a zdravými subjekty stejného věku. Většina studií svalové biopsie od pacientů s PAD prokázala změny v distribuci typu svalových vláken, denervaci a změny svalového metabolismu bez náhledu na expresi proteinů12, 13, 14. Existují značné důkazy, že metabolický stav kosterního svalstva je u pacientů s PAD narušen ve srovnání se zdravými kontrolami stejného věku. Mezi prvními pozorováními bylo neočekávané zjištění, že exprese a aktivita několika mitochondriálních enzymů se zvyšuje v kosterním svalstvu z končetin s PAD. Kosterní svaly u pacientů s IC se cvičením mění, ale současné důkazy nevrhají světlo na mechanismy změny nebo zda je změna u všech pacientů stejná. Už víme, že někteří pacienti se cvičením zlepšují, zatímco jiní ne. Nabízí se tedy otázka, zda existuje biologická rozmanitost v reakci těchto pacientů na cvičení.

Armstrong et al studovali poruchy kalciové homeostázy kosterního svalstva a navrhli, že by mohly hrát klíčovou roli ve vývoji svalového poškození způsobeného cvičením. Některé z okamžitých svalových změn po cvičení byly připisovány degradaci proteinů iniciovány nelysozomálními cysteinovými proteázami, jako je calpain. Zvýšení intracelulárního vápníku po cvičení může aktivovat calpainy. Svalová tkáň exprimuje tři odlišné calpainy, včetně dobře charakterizovaných všudypřítomných calpainů - m-calpain, μ-calpain a n-calpain. Wang et al dospěli ve studiích na zvířatech k závěru, že zvýšené hladiny proteázy m-calpain podporují svalové poranění, zatímco exprese kalpastatinového proteinu může vykonávat ochrannou funkci pro svalová poranění. To ještě nebylo zkoumáno ve studiích na lidech. Lze předpokládat, že hladiny calpastatinu a m-calpainu jsou důležité pro vysvětlení proměnlivé odpovědi na zátěž u IC a proč se někteří pacienti zlepšují a jiní ne.

Existuje několik protichůdných důkazů o prospěšnosti cvičení. Tsai et al zjistili, že normální tréninkový efekt na expresi genu glukózového transportéru 4 (GLUT4) byl zcela eliminován akutní i chronickou ischemií na pretranslační úrovni. Kromě toho bylo pozorováno, že chronická ischemií vyvolaná svalová atrofie je závažnější u krys trénovaných cvičením než u netrénovaných krys. Tento výsledek naznačuje, že u jedinců s narušenými mikrovaskulárními stavy nemusí být cvičební trénink přínosem pro udržení svalové hmoty. Účinek pohybového tréninku u lidských subjektů s IC (ischémií) je tedy teprve objasněn.

Víme, že všechny subjekty se liší svou kapacitou pro cvičení a pacienti s intermitentními klaudikacemi se neliší. Pacienti, kteří podstupují cvičení pro intermitentní klaudikace, by se lišili, pokud jde o expresi proteinů v důsledku cvičení. Z tohoto důvodu by pacienti fungovali jako vlastní kontrola pomocí biopsie z nepostiženého svalu každého jedince.

Otevřené hmotnostní spektroskopické vyšetření proteinů ve cvičícím kosterním svalu by poskytlo pohled na mechanistickou dráhu účinku cvičení při intermitentní klaudikaci.

Jaký je vztah mezi proteinovou expresí a zánětem při cvičení s intermitentní klaudikací?

Klinický model cvičení vyvolávajícího poranění ischemicko-reperfuzního typu byl podložen důkazy o markerech zánětu. Neutrofily jsou prvními buňkami, které se začnou hromadit ve tkáni v místě poranění, ničí nekrotickou tkáň prostřednictvím fagocytózy, přičemž pracují ve spojení s rezidentními makrofágy ze samotné svalové tkáně. Přítomnost neutrofilů byla dokumentována ve svalu po různých typech excentrického cvičení. Studie sledující funkci neutrofilů u klaudikantů prokázala zvýšenou aktivaci neutrofilů projevující se zvýšenou expresí shluku neutrofilních adhezních receptorů diferenciačního antigenu IIb (CD11b) a degranulaci projevující se zvýšením plazmatické neutrofilní elastázy. U těchto pacientů s intermitentní klaudikací k tomu došlo bezprostředně po cvičení. Stále není jasné, zda se to rovná trendu předpovídat výsledky.

Proteáza m-Calpain je chemotaktický faktor pro neutrofily a může hrát roli v lokální a systémové zánětlivé odpovědi. Takové adaptace v buněčných zánětlivých odpovědích již dříve popsal Kunimatsu et al. Společně s calpastatinem mohou tyto proteiny hrát klíčovou roli ve spojení mezi lokálním poškozením svalů, opravou a vyvoláním systémové zánětlivé reakce.

Chemická modifikace proteinů může hrát roli v patogenezi poruch od diabetu po aterosklerózu a ischemicko-reperfuzní poškození a možná až po proces stárnutí jako takový. Advanced Glycosylation End products (AGE) jsou konečné produkty glykosylačních reakcí, ve kterých se molekula cukru váže buď na molekulu proteinu nebo lipidu, aniž by enzym řídil reakci. Tvorba a akumulace AGE se podílí na progresi onemocnění souvisejících s věkem, zejména kardiovaskulárního onemocnění. Mají řadu patologických účinků, včetně inhibice vaskulární dilatace interferencí s oxidem dusnatým (endotelový relaxační faktor), vazby na makrofágy a endoteliální buňky za účelem indukce sekrece zánětlivých cytokinů a zvýšení oxidačního stresu. Předpokládáme, že cvičení stimuluje vychytávání glukózy endoteliálními buňkami a tím zvyšuje syntézu AGE. Zbývá určit, zda cvičení tento proces opět zesiluje nebo omezuje.

Cílem této studie je prozkoumat zánětlivé biomarkery, včetně interleukinu-6 (IL-6), neutrofilní elastázy a Advanced Glycated End-products s ​​proteiny, o kterých je známo, že ovlivňují poškození nebo opravu tkání (Calpains a Calpastatin), aby se určil účinek různých forem cvičení na tomto procesu, aby bylo možné určit

1. Je cvičení vhodné pro všechny pacienty? tj.

   1. Reagují všichni pacienti prozánětlivou odpovědí? a
   2. Vyvolává cvičení adaptivní reakci na toto u všech pacientů? nebo
   3. Stimuluje cvičení u některých pacientů I-R inzult, který není redukován cvičením?
   4. Jaká je místní tkáňová odezva na cvičení z hlediska poškození nebo opravy tkáně (měřeno analýzou bílkovin)
2. Jaká je nejlepší forma cvičení pro tyto vhodné pacienty?

3. Existuje biologická rozmanitost v reakci pacientů na cvičení z hlediska?

   1. Systémová zánětlivá odpověď (na základě IL-6, neutrofilní elastázy a AGE)?
   2. Lokální odpověď (na základě analýzy proteinů)?

4. Snižuje fyziologická odpověď na cvičení u těchto pacientů riziko morbidity/úmrtnosti související s KVO?

   A. Jak dokládají změny ve výsledných parametrech kardiopulmonálního zátěžového testování (CPET) a endoteliální funkce.

5. Je narušená funkce endotelu reverzibilní? A. Měřeno průtokem zprostředkovanou dilatací.

Kombinované použití dat ze systémové krve a místní svalové tkáně by pomohlo charakterizovat metabolické a funkční důsledky změn PAD v kosterním svalstvu souvisejících s věkem. Pomohlo by také identifikovat mechanistickou cestu, kterou cvičení působí na pacienta s intermitentní klaudikací.