Auswirkung von körperlichem Training auf die Proteinexpression im Skelettmuskelgewebe nach körperlicher Betätigung bei peripherer arterieller Erkrankung

Warum ist dieses klinische Problem wichtig?

Die periphere arterielle Verschlusskrankheit (pAVK) ist in Australien ein großes Gesundheitsproblem mit einer Prävalenz von 15 % bei Männern über 65 Jahren. Die direkten Gesundheitskosten von pAVK in Australien beliefen sich 1994 auf 180 Millionen US-Dollar, wovon 78 % auf Krankenhausaufenthalte zurückzuführen waren. PAD ist auch ein Marker für fortgeschrittene Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD), die Koronar-, Gehirn-, Nieren- und Aortengefäße betreffen; mit einem um das Zwei- bis Dreifache erhöhten Risiko einer kardiovaskulären Mortalität. Im Zeitraum 2006–2007 waren 25.813 Krankenhauseinweisungen und 2.163 Todesfälle auf pAVK zurückzuführen (Australian Institute of Health and Welfare 2009). Aufgrund der alternden australischen Bevölkerung und der zunehmenden Prävalenz von pAVK (Australian Institute of Health and Welfare 2009) werden die nationalen jährlichen Gesundheitsausgaben für Herz-Kreislauf-Erkrankungen wahrscheinlich steigen und die 5,4 Milliarden Dollar, die im Zeitraum 2000-2001 ausgegeben wurden, deutlich übersteigen (Australian Bureau of Statistics 2006). ). Das häufigste Symptom einer leichten bis mittelschweren pAVK ist die Claudicatio intermittens (IC), definiert als beim Gehen verursachte Schmerzen und Krämpfe in einem oder beiden Beinen (am häufigsten in den Waden), die in Ruhe nachlassen. Die primäre und wirksamste Behandlung für Menschen mit Claudicatio intermittens konzentriert sich auf die Verbesserung der Gehfähigkeit und des Funktionsstatus.

Was ist bereits über die Wirkung von Bewegung bei Claudicatio intermittens bekannt?

Die positiven Auswirkungen von körperlichem Training als Behandlung wurden in mehreren randomisierten kontrollierten Studien bestätigt. Die optimale Trainingsform ist noch nicht geklärt. Die Mechanismen der Verbesserung der Claudicatio durch körperliche Betätigung sind weitgehend unbekannt. Obwohl körperliche Betätigung eine ischämische Reperfusionsstörung (I-R) stimuliert, kann wiederholte körperliche Betätigung eine adaptive Reaktion auf diese I-R-Belastung hervorrufen. Weitere mögliche Themen sind die Wirkung von körperlicher Betätigung auf die Stimulierung oder Hemmung der Angiogenese und/oder der Muskelproteinsynthese.

Obwohl die Hauptursache für IC eine verringerte Durchblutung der unteren Gliedmaßen im Verhältnis zu einer erhöhten Belastung während des Trainings ist, ist die Pathophysiologie von IC nicht vollständig geklärt. Beispielsweise korreliert die Hämodynamik der Gliedmaßen nicht eng mit dem klinischen Erscheinungsbild oder den Einschränkungen bei der Spitzenleistung bei körperlicher Betätigung. Hämodynamische Messungen des Schweregrads der pAVK, wie der knöchel-brachiale systolische Blutdruckindex (ABI) und der Blutfluss mittels Dehnungsmessstreifen-Plethysmographie, sind schlechte Prädiktoren für die körperliche Leistungsfähigkeit bei Patienten mit IC.

Querschnittsstudien weisen darauf hin, dass Entzündungen mit dem Vorhandensein, dem Fortschreiten und der Schwere einer pAVK zusammenhängen. Dies erklärt möglicherweise die erhöhte kardiovaskuläre Mortalität (mindestens 50 % nach 10 Jahren), die bei diesen Patienten beobachtet wurde. Die Auswirkung von körperlicher Betätigung auf die Claudicatio wurde am häufigsten anhand von Entzündungsmarkern im peripheren Blut untersucht.

Welche Bedeutung hat die Messung der Proteinexpression im Muskelgewebe?

Während periphere Blutbiomarker dabei helfen, die systemischen Manifestationen der Claudicatio zu verstehen, spiegeln sie nicht wider, was in den Muskeln und der Mikrozirkulation geschieht. Die meisten Veränderungen der Proteinexpression sind zu subtil, um im peripheren Blut nachgewiesen zu werden. Die Leichtigkeit der Erfassung entspricht nicht der Leichtigkeit der Befragung. Der dynamische Bereich der Proteine ​​im Serum macht die Analyse zu einer großen Herausforderung, da Proteine ​​mit hoher Häufigkeit dazu neigen, Proteine ​​mit geringerer Häufigkeit zu überdecken. während eine kleine Anzahl von Proteinen, darunter Albumin, Beta-2-Makroglobulin, Transferrin und Immunglobuline, über 90 % der Serumproteine ​​ausmachen können11.

Das Proteinkomplement einer Zelle oder eines Gewebes ist dynamisch und spiegelt das Alter, den Lebenszyklus und die Bedingungen wider, denen die Zelle ausgesetzt ist, oder einen bestimmten Krankheitszustand. Es ist klar, dass Proteine ​​bei den meisten Krankheiten zahlreichen Veränderungen unterliegen, einschließlich posttranslationaler Modifikationen und/oder proteolytischer Spaltung; Ebenso kommt es bei bestimmten Krankheiten zu einer Veränderung der Proteinexpression. Messenger-Ribonukleinsäure (mRNA) ist das Molekül, das den chemischen Bauplan eines Proteins kodiert. Die Mikroarrays, die die unterschiedliche Expression von mRNA untersuchen, liefern jedoch keine Informationen über posttranslationale Modifikationen, daher besteht die einzige Möglichkeit, die Wirkung der Proteine ​​zu beurteilen, auf der Proteinebene.

Einige Studien haben den Unterschied in den histochemischen und biochemischen Eigenschaften der Skelettmuskulatur zwischen Patienten mit pAVK und gesunden Probanden gleichen Alters untersucht. Die meisten Studien zur Muskelbiopsie von Patienten mit pAVK haben Veränderungen in der Muskelfasertypverteilung, Denervierung und Veränderungen im Muskelstoffwechsel gezeigt, ohne Einblick in die Proteinexpression12, 13, 14. Es gibt erhebliche Hinweise darauf, dass der Stoffwechselstatus der Skelettmuskulatur bei Patienten mit pAVK im Vergleich zu gleichaltrigen gesunden Kontrollpersonen gestört ist. Zu den frühesten Beobachtungen gehörte der unerwartete Befund, dass die Expression und Aktivität mehrerer mitochondrialer Enzyme in der Skelettmuskulatur von Gliedmaßen mit pAVK erhöht ist. Die Skelettmuskulatur bei Patienten mit IC verändert sich zwar durch körperliche Betätigung, aber die aktuellen Erkenntnisse geben keinen Aufschluss über die Mechanismen der Veränderung oder darüber, ob die Veränderung bei allen Patienten gleich ist. Wir wissen bereits, dass es einigen Patienten durch Bewegung besser geht, anderen jedoch nicht. Es stellt sich daher die Frage, ob es eine biologische Vielfalt in der Reaktion dieser Patienten auf körperliche Betätigung gibt.

Armstrong et al. untersuchten Störungen der Kalziumhomöostase der Skelettmuskulatur und schlugen vor, dass sie eine Schlüsselrolle bei der Entstehung von durch körperliche Betätigung verursachten Muskelschäden spielen könnten. Einige der unmittelbaren Muskelveränderungen nach dem Training werden auf den Proteinabbau zurückgeführt, der durch nicht-lysosomale Cysteinproteasen wie Calpain ausgelöst wird. Der Anstieg des intrazellulären Kalziums nach dem Training kann die Calpaine aktivieren. Muskelgewebe exprimiert drei verschiedene Calpaine, darunter die gut charakterisierten, allgegenwärtigen Calpaine – m-Calpain, μ-Calpain und n-Calpain. Wang et al. kamen in Tierversuchen zu dem Schluss, dass die erhöhten Konzentrationen der Protease m-Calpain Muskelschäden begünstigen, wohingegen die Expression des Calpastatin-Proteins eine Schutzfunktion bei Muskelschäden ausüben könnte. Dies wurde in Humanstudien noch nicht untersucht. Man kann die Hypothese aufstellen, dass die Calpastatin- und M-Calpain-Spiegel wichtig sind, um die variable Reaktion auf körperliche Betätigung bei IC zu erklären und zu erklären, warum es einigen Patienten besser geht und anderen nicht.

Es gibt einige widersprüchliche Beweise für den Nutzen von körperlicher Betätigung. Tsai et al. haben herausgefunden, dass der normale Trainingseffekt auf die Genexpression des Glukosetransporters 4 (GLUT4) sowohl durch akute als auch chronische Ischämie auf prätranslationaler Ebene vollständig eliminiert wurde. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die durch chronische Ischämie verursachte Muskelatrophie bei den trainierten Ratten schwerwiegender war als bei den untrainierten Ratten. Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass körperliches Training für Personen mit beeinträchtigten mikrovaskulären Erkrankungen möglicherweise nicht zum Erhalt der Muskelmasse beiträgt. Daher muss die Wirkung von körperlichem Training bei Menschen mit IC (Ischämie) noch geklärt werden.

Wir wissen, dass sich alle Probanden in ihrer körperlichen Leistungsfähigkeit unterscheiden und dass es bei Patienten mit Claudicatio intermittens nicht anders ist. Patienten, die sich wegen Claudicatio intermittens körperlich betätigen, unterscheiden sich hinsichtlich der Proteinexpression aufgrund der körperlichen Betätigung. Aus diesem Grund würden die Patienten durch eine Biopsie aus einem nicht betroffenen Muskel jedes Einzelnen als ihre eigenen Kontrollen fungieren.

Eine offene massenspektroskopische Untersuchung von Proteinen im trainierenden Skelettmuskel würde einen Einblick in den mechanistischen Weg des Trainingseffekts bei Claudicatio intermittens geben.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Proteinexpression und Entzündung bei körperlicher Betätigung mit Claudicatio intermittens?

Das klinische Modell, dass körperliche Betätigung eine Verletzung vom Typ Ischämie-Reperfusion auslöst, wurde durch den Nachweis von Entzündungsmarkern untermauert. Neutrophile sind die ersten Zellen, die sich im Gewebe an der Verletzungsstelle anzusammeln beginnen und nekrotisches Gewebe durch Phagozytose zerstören, während sie mit residenten Makrophagen aus dem Muskelgewebe selbst zusammenarbeiten. Das Vorhandensein von Neutrophilen im Muskel wurde nach verschiedenen Arten exzentrischer Übungen dokumentiert. Eine Studie zur Untersuchung der Neutrophilenfunktion bei körperlich aktiven Claudicants zeigte eine erhöhte Neutrophilenaktivierung, die sich in einer erhöhten Expression des Neutrophilen-Adhäsionsrezeptorclusters des Differenzierungsantigens IIb (CD11b) manifestierte, und eine Degranulation, die sich in einem Anstieg der Plasma-Neutrophilen-Elastase manifestierte. Bei diesen Patienten mit Claudicatio intermittens trat dies unmittelbar nach dem Training auf. Ob dies einem Trend zur Vorhersage von Ergebnissen gleichkommt, ist noch unklar.

Die Protease m-Calpain ist ein chemotaktischer Faktor für Neutrophile und könnte eine Rolle bei der lokalen und systemischen Entzündungsreaktion spielen. Solche Anpassungen der zellulären Entzündungsreaktionen wurden bereits früher von Kunimatsu et al. berichtet. Zusammen mit Calpastatin könnten diese Proteine ​​eine Schlüsselrolle bei der Verbindung zwischen lokaler Muskelschädigung, Reparatur und Auslösung einer systemischen Entzündungsreaktion spielen.

Chemische Modifikationen von Proteinen können eine Rolle bei der Pathogenese von Erkrankungen spielen, die von Diabetes über Atherosklerose und Ischämie-Reperfusionsschäden bis hin zum Alterungsprozess selbst reichen. Advanced Glycosylation End Products (AGEs) sind die Endprodukte von Glykosylierungsreaktionen, bei denen sich ein Zuckermolekül an ein Protein- oder Lipidmolekül bindet, ohne dass ein Enzym die Reaktion steuert. Die Bildung und Akkumulation von AGEs steht im Zusammenhang mit dem Fortschreiten altersbedingter Krankheiten, insbesondere Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Sie haben eine Reihe pathologischer Wirkungen, darunter die Hemmung der Gefäßerweiterung durch Beeinträchtigung von Stickstoffmonoxid (Endothelium Derived Relaxation Factor), die Bindung von Makrophagen und Endothelzellen, um die Sekretion entzündlicher Zytokine zu induzieren und den oxidativen Stress zu verstärken. Wir nehmen an, dass Bewegung die Glukoseaufnahme durch die Endothelzellen stimuliert und die Synthese von AGEs steigert. Es bleibt abzuwarten, ob körperliche Betätigung diesen Prozess noch einmal verstärkt oder verringert.

Ziel dieser Studie ist die Untersuchung entzündlicher Biomarker, darunter Interleukin-6 (IL-6), neutrophile Elastase und hochentwickelte glykierte Endprodukte mit Proteinen, von denen bekannt ist, dass sie Gewebeschäden oder -reparatur beeinflussen (Calpaine und Calpastatin), um die Wirkung verschiedener Formen zu bestimmen von Übung auf diesem Prozess, um zu bestimmen

1. Ist Bewegung für alle Patienten geeignet? d.h.

   1. Reagieren alle Patienten mit einer entzündungsfördernden Reaktion? Und
   2. Führt körperliche Betätigung bei allen Patienten zu einer adaptiven Reaktion darauf? oder
   3. Führt körperliche Betätigung bei manchen Patienten zu einem I-R-Schaden, der durch körperliches Training nicht reduziert wird?
   4. Wie reagiert das lokale Gewebe auf körperliche Betätigung im Hinblick auf Gewebeschädigung oder -reparatur (gemessen durch Proteinanalyse)?
2. Welches ist die beste Trainingsform für diese geeigneten Patienten?

3. Gibt es eine Artenvielfalt in der Reaktion der Patienten auf körperliche Betätigung?

   1. Systemische Entzündungsreaktion (basierend auf IL-6, Neutrophilen-Elastase und AGEs)?
   2. Lokale Reaktion (basierend auf Proteinanalyse)?

4. Verringert die physiologische Reaktion auf körperliche Betätigung bei diesen Patienten das Risiko einer kardiovaskulären Morbidität/Mortalität?

   A. Dies wird durch Veränderungen der Ergebnisparameter des kardiopulmonalen Belastungstests (CPET) und der Endothelfunktion belegt.

5. Ist eine beeinträchtigte Endothelfunktion reversibel? A. Gemessen durch flussvermittelte Dilatation.

Die kombinierte Nutzung von Daten aus systemischem Blut und lokalem Muskelgewebe würde dazu beitragen, die metabolischen und funktionellen Folgen altersbedingter pAVK-Veränderungen in der Skelettmuskulatur zu charakterisieren. Es würde auch helfen, einen mechanistischen Weg zu identifizieren, über den Bewegung ihre Wirkung auf den Patienten mit Claudicatio intermittens ausübt.