Apoptose der Skelettmuskulatur und körperliche Leistungsfähigkeit; Oxidative RNA/DNA-Schädigung und Reparatur im gealterten menschlichen Muskel

Spezifische Ziele:

Spezifisches Ziel 1. Bestimmung des Ausmaßes der Muskelapoptose während des Alterns bei jungen, gesunden Kontrollpersonen sowie bei hoch- und funktionsschwachen älteren Probanden. Die Forscher nehmen an, dass das beobachtete Ausmaß der Muskelzell-Apoptose mit einer körperlichen Behinderung verbunden ist. Die Forscher werden eine Kohorte von zehn jungen Kontrollpersonen (Alter 20–35) rekrutieren. Die Forscher werden außerdem eine Kohorte von vierzig älteren Menschen (Alter 70–99 Jahre) rekrutieren und anhand festgelegter Kriterien basierend auf ihrem körperlichen Leistungsniveau in zwei verschiedene Kategorien einteilen. Probanden mit einem Gesamtleistungswert von ≥ 11 bei der Short Physical Performance Battery (SPPB) (66) gelten als hochfunktionell. Umgekehrt gelten Probanden mit einem Gesamtleistungswert von ≤ 7 als funktionsschwach. Zusätzlich zum SPPB werden die Forscher auch den Handgriffstärketest und den isokinetischen Kniestreckertest durchführen und eine 3D-Magnetresonanztomographie (MRT) durchführen, um den kontraktilen Bereich des Quadrizeps genau zu quantifizieren. Die Forscher erhalten für jedes Subjekt eine Muskelbiopsie, um den Schweregrad der Apoptose mithilfe biochemischer und histologischer Analysen zu bestimmen (siehe Methoden). Die Behinderung wird anhand eines Selbstauskunftsfragebogens beurteilt. Daher werden die Forscher das Ausmaß der Muskelapoptose bestimmen und die Forscher werden in der Lage sein, dies mit dem Grad der körperlichen Behinderung und der Muskelmasse zu korrelieren.

Spezifisches Ziel 2. Aufklärung der Rolle der Poly(ADP-Ribose)-Polymerase 1 (PARP-1) und des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF) bei der Induktion von Apoptose im menschlichen Skelettmuskel. Die Forscher gehen davon aus, dass der beobachtete Zellverlust aufgrund von Apoptose hauptsächlich mit einem Caspase-unabhängigen Mechanismus zusammenhängt. Die Forscher haben kürzlich gezeigt, dass die Aktivierung des mitochondrialen Caspase-unabhängigen Signalwegs der Apoptose möglicherweise eine wichtigere Rolle als der Caspase-abhängige Signalweg beim Beitrag zum Kernzelltod spielt (67). Darüber hinaus nehmen die Forscher an, dass der PARP-1/AIF-Weg der Apoptose am altersbedingten Muskelschwund beteiligt sein könnte. Die Forscher werden PARP-1 und AIF quantitativ bewerten und diese Messungen mit dem Ausmaß der Muskelapoptose korrelieren.

Spezifisches Ziel 3. Beurteilung der Rolle der Mitochondrien-Dysfunktion und des Energieversagens bei Muskelapoptose, Sarkopenie und Behinderung. Die Forscher vermuten, dass eine mitochondriale Dysfunktion und die daraus resultierende verminderte Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) ursächlich mit der Sarkopenie zusammenhängt, möglicherweise durch die Auslösung des Apoptoseprogramms. Es wurde geschätzt, dass die mittlere ATP-Produktion im Quadrizepsmuskel älterer Menschen etwa 50 % derjenigen jüngerer Menschen beträgt (68), und es wurde postuliert, dass ein Energieausfall Apoptose auslösen könnte (58). In Übereinstimmung mit diesen Erkenntnissen haben die Forscher kürzlich herausgefunden, dass im Gastrocnemius-Muskel von Ratten der ATP-Gehalt und die ATP-Produktionsrate mit zunehmendem Alter um etwa 50 % abnahmen (59). Die Forscher werden den ATP-Gehalt der Myozyten zusammen mit den wichtigsten mitochondrialen Stoffwechselenzymen quantitativ bewerten, nämlich Citratsynthase, Cytochrom-c-Oxidase (COX), ATPase und Aconitase. Die Forscher werden diese Parameter mit dem Grad der Apoptose und mit Messungen der körperlichen Leistungsfähigkeit, Behinderung und Muskelmasse korrelieren.

Spezifisches Ziel 4. Korrelation von Veränderungen der körperlichen Funktion und Muskelmasse mit Muskelapoptose und biochemischen Parametern bei der Nachuntersuchung (Längsschnittstudie). Nach 4 Jahren werden die Probanden der Hochleistungsgruppe erneut auf Muskelapoptoserate, PARP-1- und AIF-Aktivität und Energieproduktion untersucht. Die Forscher werden diese Parameter mit Messungen der körperlichen Leistungsfähigkeit und Muskelmasse korrelieren, die durch MRT beurteilt wurden, sowie mit selbstberichteter Behinderung. Daher werden die Forscher in der Lage sein, einen eventuellen Rückgang der körperlichen Leistungsfähigkeit, Muskelmasse und des Funktionsstatus in diesem sehr hohen Alter direkt mit Veränderungen der Muskelapoptose und der biochemischen Parameter zu korrelieren.

Forschungsplan:

Anhand eines Querschnittsdesigns (Alter 20–35 und 70–99 Jahre) werden die Forscher den Grad der Apoptose im Musculus Vastus lateralis in einer gesunden Population (siehe Einschluss-/Ausschlusskriterien) quantifizieren. Die Apoptose unersetzlicher postmitotischer Zellen könnte ein wichtiger Mechanismus bei der Entwicklung von Sarkopenie sein und wurde bei gesunden Menschen mit zunehmendem Alter nicht untersucht. Bei einer Vielzahl chronischer Krankheiten wurden Fälle von Apoptose im menschlichen Skelettmuskel dokumentiert; d. h. chronische Lungenerkrankungen (69,70) und Patienten mit Herzinsuffizienz (69,71,72). Es ist jedoch wichtig, die Apoptose-Grundwerte bei relativ gesunden Menschen zu ermitteln, bevor mit komplexeren Erkrankungen wie Krankheitszuständen und Gebrechlichkeit fortgefahren wird. Darüber hinaus bestimmen die Forscher die Stärke der Kniestrecker, das Myozytenvolumen, den zusätzlichen Zellraum und die myonukleäre Domäne (Muskelquerschnittsfläche/Kern) durch Quantifizierung der Anzahl der Kerne innerhalb einer Muskelquerschnittsfläche. Dieses spezifische Ziel besteht darin, die Grundwerte der Apoptose festzulegen und Standardmaßnahmen zur Beurteilung der Sarkopenie zu bewerten.

Studiendesign. Um unsere Ziele zu erreichen, schlagen die Forscher zwei getrennte, sich jedoch ergänzende Studien vor

1. Um Einblicke in Veränderungen des Apoptosepotentials mit dem Alter und seinen Beitrag zum Muskelmasse- und Kraftverlust zu gewinnen, werden die Forscher den Grad der Apoptose im Musculus Vastus lateralis bei jungen Menschen (Alter 20–35 Jahre; N = 20) quantifizieren. alte Personen mit hoher Funktionsfähigkeit (Alter 70–99 Jahre; N = 25) und alte Personen mit geringer Funktionsfähigkeit (Alter 70–99 Jahre; N = 20). Bei den Studienteilnehmern werden eine Muskelbiopsie und ein MRT-Scan zur Quantifizierung des kontraktilen Bereichs des Quadrizeps durchgeführt. Die Muskelkraft wird durch einen Handgriffkrafttest und den isokinetischen Kniestreckertest beurteilt.
2. Vorläufige Daten zum Beitrag der Apoptose der Skelettmuskulatur zur Sarkopenie und zum Verlust der körperlichen Funktion im fortgeschrittenen Alter werden durch Quantifizierung des Ausmaßes der Muskelapoptose im Musculus Vastus lateralis bei älteren Menschen (Alter 70–99 Jahre) mit hoher Funktionsfähigkeit (N = 25) erhoben ) und funktionsschwachen (N = 20) Probanden, zusammen mit Messungen der Muskelmasse (MRT), der Muskelkraft (Handgriff- und Kniestrecktest) und der gesamten körperlichen Leistungsfähigkeit (Short Physical Performance Battery, SPPB (67)). Darüber hinaus werden die Forscher vorläufige Daten zur Rolle der mitochondrial gesteuerten Apoptose beim Muskelschwund und Funktionsverlust im Alter sammeln.

Alle Studienteilnehmer werden einer kurzen körperlichen Untersuchung unterzogen und wichtige biologische Anzeichen (Körpergewicht, Stehhöhe, Körpertemperatur, Blutdruck und Puls) werden aufgezeichnet. Ein grundlegender Fragebogen zur Gesundheitsgeschichte der Teilnehmer wird ebenfalls verwaltet

Nach vier Jahren werden die alten Teilnehmer erneut auf körperliche Leistungsfähigkeit, Funktionsstatus der Muskelmasse (MRT), Muskelapoptose und biochemische Parameter untersucht. Die Behinderung wird auch anhand eines Fragebogens zur Selbsteinschätzung der Behinderung beurteilt. Um Informationen über Veränderungen der körperlichen Leistungsfähigkeit und des Funktionsstatus im Laufe der Zeit zu erhalten und die Speicherung zu maximieren, wird für die alten Teilnehmer ein jährlicher Besuch mit SPPB-, Handgriff- und Kniestreckertests geplant.