Effekt af træning på proteinekspression i skeletmuskelvæv efter træning ved perifer arteriel sygdom

Hvorfor er dette kliniske problem vigtigt?

Perifer arteriel sygdom (PAD) er et stort sundhedsproblem i Australien, med en prævalens på 15% hos mænd over 65 år. De direkte sundhedsudgifter til PAD i Australien var $180 mio. i 1994, hvoraf 78% var forbundet med hospitalsindlæggelser. PAD er også en markør for avanceret kardiovaskulær sygdom (CVD), der involverer koronare, cerebrale, nyre- og aortakar; med en 2-3 gange øget risiko for CVD-relateret dødelighed. I 2006-2007 var 25.813 indlæggelser og 2.163 dødsfald et resultat af PAD (Australian Institute of Health and Welfare 2009). Den aldrende australske befolkning og forekomsten af ​​PAD stiger (Australian Institute of Health and Welfare 2009), de nationale årlige sundhedsudgifter til hjerte-kar-sygdomme vil sandsynligvis stige, hvilket vil overstige de 5,4 milliarder dollars brugt i 2000-01 (Australian Bureau of Statistics 2006) ). Det hyppigste symptom på mild til moderat PAD er claudicatio intermittens (IC), defineret som gang-inducerede smerter og kramper i et eller begge ben (oftest lægge), der lindres med hvile. Den primære og mest effektive behandling for mennesker med claudicatio intermittens er fokuseret på at forbedre gangevnen og funktionsstatus.

Hvad er allerede kendt om effekten af ​​træning ved claudicatio intermittens?

De gavnlige effekter af træningstræning som behandling er blevet bekræftet i flere randomiserede kontrollerede forsøg. Den optimale træningsform er stadig ikke klarlagt. Mekanismerne for forbedring af claudicatio med træning er stort set ukendte. Selvom træning stimulerer en iskæmisk-reperfusion (I-R) fornærmelse, kan gentagne træning producere en adaptiv reaktion på denne I-R fornærmelse. Andre potentielle temaer omfatter effekt af træning på at stimulere eller hæmme angiogenese og/eller muskelproteinsyntese.

Selvom hovedårsagen til IC er nedsat blodgennemstrømning til underekstremiteterne i forhold til øget efterspørgsel under træning, er patofysiologien af ​​IC ikke fuldstændigt forstået. For eksempel er hæmodynamik i lemmer ikke tæt korreleret med klinisk præsentation eller begrænsningerne i maksimal træningspræstation. Hæmodynamiske mål for sværhedsgraden af ​​PAD, såsom det ankel-brachiale systoliske blodtryksindeks (ABI) og blodgennemstrømning ved strain gauge plethysmografi, er dårlige forudsigere for træningskapacitet hos patienter med IC.

Tværsnitsundersøgelser indikerer, at inflammation er forbundet med tilstedeværelsen, progressionen og sværhedsgraden af ​​PAD. Dette kan forklare den øgede kardiovaskulære dødelighed (mindst 50 % efter 10 år), set hos disse patienter. Effekten af ​​træning på claudicatio er blevet mest undersøgt med inflammatoriske markører i perifert blod.

Hvad er vigtigheden af ​​at måle proteinekspression i muskelvæv?

Mens biomarkører fra perifert blod hjælper med at forstå de systemiske manifestationer af claudicatio, afspejler det ikke, hvad der sker i musklerne og mikrocirkulationen. De fleste af ændringerne i proteinekspression er for subtile til at kunne påvises i perifert blod. Nemheden af ​​erhvervelsen svarer ikke til letheden ved afhøringen. Det dynamiske udvalg af proteiner i serum gør analysen meget udfordrende, fordi proteiner med høj overflod har tendens til at maskere dem med lavere forekomst; mens et lille antal proteiner inklusive albumin, Beta 2-makroglobulin, transferrin og immunglobuliner kan repræsentere over 90 % af serumproteinerne11.

Proteinkomplementet i en celle eller et væv er dynamisk og afspejler den alder, livscyklus og tilstande cellen er udsat for eller en specifik sygdomstilstand. Det er klart, at i de fleste sygdomme udsættes proteiner for adskillige ændringer, herunder post-translationelle modifikationer og/eller proteolytisk spaltning; lige så meget i visse sygdomme er der ændring af proteinekspression. Messenger-ribonukleinsyre (mRNA) er det molekyle, der koder for det kemiske plan for et protein. Alligevel vil mikroarrays, der undersøger differentiel ekspression af mRNA, ikke give information om post-translationel modifikation, derfor er den eneste måde at vurdere proteinernes virkning på proteinniveau.

Nogle undersøgelser har undersøgt forskellen i skeletmusklers histokemiske og biokemiske karakteristika mellem patienter med PAD og raske aldersmatchede forsøgspersoner. De fleste undersøgelser af muskelbiopsi fra patienter med PAD har vist ændringer i muskelfibertypefordeling, denervering og ændringer i muskelmetabolisme uden indsigt i proteinekspression12, 13, 14. Der er betydelig evidens for, at den metaboliske status af skeletmuskulatur er forstyrret hos patienter med PAD sammenlignet med aldersmatchede raske kontroller. Blandt de tidligste observationer var det uventede fund, at ekspressionen og aktiviteten af ​​adskillige mitokondrielle enzymer øges i skeletmuskulaturen fra lemmer med PAD. Skeletmuskulaturen hos patienter med IC ændrer sig med træning, men den nuværende evidens kaster ikke lys over forandringsmekanismerne, eller om forandringen er den samme hos alle patienter. Vi ved allerede, at nogle patienter forbedrer sig med træning, mens andre ikke gør det. Der opstår således et spørgsmål om, hvorvidt der eksisterer en biodiversitet i disse patienters reaktion på træning.

Armstrong et al undersøgte forstyrrelser i calciumhomeostase af skeletmuskulatur og foreslog, at de kunne spille en nøglerolle i udviklingen af ​​træningsinduceret muskelskade. Nogle af de umiddelbare muskelændringer efter træning er blevet tilskrevet proteinnedbrydning er initieret af ikke-lysosomale cysteinproteaser, såsom calpain. Forhøjelsen i intracellulært calcium efter træning kan aktivere calpainerne. Muskelvæv udtrykker tre forskellige calpainer, herunder de velkarakteriserede allestedsnærværende calpainer - m-calpain, μ-calpain og n-calpain. Wang et al har i dyreforsøg konkluderet, at de øgede niveauer af proteasen m-calpain fremmer muskelskade, hvorimod calpastatin-proteinekspressionen kan udføre en beskyttende funktion mod muskelskade. Dette er endnu ikke undersøgt i humane undersøgelser. Det kan antages, at niveauerne af calpastatin og m-calpain er vigtige for at forklare den variable respons på træning i IC, og hvorfor nogle patienter forbedres, og andre ikke.

Der er nogle modstridende beviser for fordelene ved motion. Tsai et al har fundet, at den normale træningseffekt på glukosetransporter 4 (GLUT4)-genekspressionen blev fuldstændig elimineret af både akut og kronisk iskæmi på det præ-translationelle niveau. Desuden blev den kronisk iskæmi-inducerede muskelatrofi set at være mere alvorlig hos de træningstrænede rotter end hos de utrænede rotter. Dette resultat tyder på, at for personer med nedsatte mikrovaskulære tilstande, kan træning ikke være gavnligt til at opretholde muskelmassen. Effekten af ​​træning hos mennesker med IC (iskæmi) er således endnu ikke klarlagt.

Vi ved, at alle forsøgspersoner er forskellige i deres evne til at træne, og patienter med claudicatio intermittens er ikke forskellige. Patienter, der gennemgår træning for claudicatio intermittens, ville være anderledes med hensyn til deres ekspression af proteiner på grund af træning. Af denne grund ville patienterne fungere som deres egne kontroller ved hjælp af en biopsi fra en upåvirket muskel hos hvert individ.

En åben massespektroskopiundersøgelse af proteiner i den trænende skeletmuskel ville give et indblik i den mekanistiske vej for træningseffekten ved claudicatio intermittens.

Hvad er sammenhængen mellem proteinekspression og inflammation i træningen med claudicatio intermittens?

Den kliniske model for træning, der inducerer en skade af typen iskæmi-reperfusion, er blevet underbygget af beviser for markører for inflammation. Neutrofiler er de første celler, der begynder at akkumulere i vævet på skadestedet og ødelægger nekrotisk væv gennem fagocytose, mens de arbejder sammen med residente makrofager fra selve muskelvævet. Neutrofil tilstedeværelse er blevet dokumenteret i muskler efter forskellige former for excentrisk træning. En undersøgelse, der kiggede på neutrofil funktion i motionerende claudicants, viste øget neutrofil aktivering manifest ved øget ekspression af neutrofil adhæsionsreceptor cluster af differentieringsantigen IIb (CD11b) og degranulation manifesteret ved en stigning i plasma neutrofil elastase. Dette skete umiddelbart efter træning hos disse patienter med claudicatio intermittens. Hvorvidt dette svarer til en tendens til at forudsige resultater er stadig ikke klart.

Proteasen m-Calpain er kemotaktisk faktor for neutrofiler og kan spille en rolle i det lokale og systemiske inflammatoriske respons. Sådanne tilpasninger i cellulære inflammatoriske responser er blevet rapporteret tidligere af Kunimatsu et al. Sammen med Calpastatin kan disse proteiner have en nøgle i forbindelsen mellem lokal muskelskade, reparation og inducering af et systemisk inflammatorisk respons.

Kemisk modifikation af proteiner kan spille en rolle i patogenesen af ​​lidelser lige fra diabetes til aterosklerose og iskæmi-reperfusionsskade og måske til selve ældningsprocessen. Advanced Glycosylation End products (AGEs) er slutprodukterne af glycosyleringsreaktioner, hvor et sukkermolekyle binder sig til enten et protein- eller lipidmolekyle uden et enzym til at kontrollere reaktionen. Dannelsen og akkumuleringen af ​​AGE'er har været impliceret i progressionen af ​​aldersrelateret sygdom, især kardiovaskulær sygdom. De har en række patologiske virkninger, herunder hæmning af vaskulær dilatation ved at interferere med nitrogenoxid (Endothelium Derived Relaxation factor), binder makrofager og endotelceller for at inducere sekretion af inflammatoriske cytokiner og øge oxidativt stress. Vi antager, at træning stimulerer glukoseoptagelsen af ​​endotelcellerne og øger syntesen af ​​AGE'er. Det mangler at blive afgjort, om træning igen forbedrer eller reducerer denne proces.

Formålet med denne undersøgelse er at undersøge inflammatoriske biomarkører, herunder Interleukin-6 (IL-6), Neutrophil elastase og Advanced Glycated End-produkter med proteiner, der vides at påvirke vævsskade eller reparation (Calpains og Calpastatin) for at bestemme effekten af ​​forskellige former af øvelse på denne proces, for at bestemme

1. Er motion passende for alle patienter? dvs.

   1. Reagerer alle patienter med en pro inflammatorisk respons? og
   2. Giver træning en adaptiv reaktion på dette hos alle patienter? eller
   3. Stimulerer træning en I-R-fornærmelse hos nogle patienter, som ikke reduceres ved træning?
   4. Hvad er den lokale vævsreaktion på træning i form af vævsskade eller reparation (målt ved proteinanalyse)
2. Hvad er den bedste træningsform for disse egnede patienter?

3. Er der en biodiversitet i patienters respons på motion mht

   1. Systemisk inflammatorisk respons (baseret på IL-6, Neutrophil Elastase & AGE'er)?
   2. Lokal respons (baseret på proteinanalyse)?

4. Reducerer den fysiologiske reaktion på træning hos disse patienter risikoen for CVD-relateret morbiditet/dødelighed?

   en. Som det fremgår af ændringer i kardiopulmonal træningstestning (CPET) udfaldsparametre og endotelfunktion.

5. Er nedsat endotelfunktion reversibel? en. Målt ved flow-medieret dilatation.

Den kombinerede brug af data fra systemisk blod og lokalt muskelvæv ville bidrage til at karakterisere de metaboliske og funktionelle konsekvenser af aldersrelaterede PAD-ændringer i skeletmuskulaturen. Det ville også hjælpe med at identificere en mekanistisk vej, hvorved træning udøver sin virkning på patienten med claudicatio intermittens.