Übungsstudie zum Testen der verbesserten Energetik der Mitochondrien. Video: Integrierte Bereitstellung von Aktivitätstraining bei CKD (ESTEEM-VIDA)

Sarkopenie ist eine häufige Komplikation einer chronischen Nierenerkrankung. Sarkopenie wird durch eine verminderte Muskelmasse oder -funktion definiert und ist von zentraler Bedeutung für den Gebrechlichkeitsphänotyp, der mit Behinderung, Krankenhausaufenthalt und Tod einhergeht. Sarkopenie ist eine häufige und verheerende Komplikation einer chronischen Nierenerkrankung (CKD). Die Forscher und andere haben eine hohe Prävalenz körperlicher Gebrechlichkeit bei CNI-Patienten nachgewiesen, die nicht mit Dialyse behandelt wurden. Darüber hinaus haben die Forscher bei Personen mit chronischer Nierenerkrankung im Vergleich zu den vorhergesagten Werten eine Beeinträchtigung der körperlichen Leistungsfähigkeit der unteren Extremitäten um mehr als 30 % nachgewiesen. Die alternde Bevölkerungsgruppe unter CNE-Patienten wird zu einer erheblichen Belastung der öffentlichen Gesundheit in den USA führen, die auf Sarkopenie zurückzuführen ist. Im Jahr 2000 beliefen sich die durch Sarkopenie verursachten direkten Gesundheitskosten in den USA auf 18,5 Milliarden.

Sarkopenie ist mit gesundheitsschädlichen Folgen verbunden. Sarkopenie bei älteren Erwachsenen ist durchweg mit verminderter körperlicher Leistungsfähigkeit, Behinderung, Stürzen, Krankenhausaufenthalten und Mortalität verbunden. Eine beeinträchtigte körperliche Leistungsfähigkeit der unteren Extremitäten, gemessen durch objektive Tests, ist mit der Gesamtmortalität bei CNI-Patienten, die nicht mit Dialyse behandelt werden, verbunden, und diese Zusammenhänge sind stärker ausgeprägt als die für herkömmliche Risikofaktoren. Die Skelettmuskulatur ist der Hauptort der peripheren Glukoseverwertung und lindert oxidativen Stress und Endothelschäden, die mit akuter postprandialer Hyperglykämie einhergehen. Durch diese Mechanismen kann Sarkopenie zu Stoffwechselstörungen wie Insulinresistenz, oxidativem Stress und endothelialer Dysfunktion beitragen, die zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen.

Mitochondriale Dysfunktion ist von zentraler Bedeutung für Funktionsstörungen der Skelettmuskulatur. Mitochondrien der Skelettmuskulatur sind für die effiziente Energiegewinnung (ATP) aus Sauerstoff und den normalen Fettstoffwechsel notwendig. Unter normalen Bedingungen nutzt der Muskel den Großteil des zugeführten Sauerstoffs effizient, sodass nur 0,2 % des mitochondrialen Sauerstoffs in reaktive oxidative Spezies (ROS) umgewandelt werden. In pathologischen Situationen kommt es zu einer Entkopplung von Sauerstoffverbrauch und ATP-Erzeugung, was zu einem erhöhten Sauerstoffverbrauch und einer verringerten ATP-Produktion führt, was wiederum zu erhöhtem ROS und oxidativem Stress führt. Die Entkopplung von Sauerstoff und ATP-Erzeugung wirkt sich direkt auf die Funktion der Skelettmuskulatur aus. Eine verminderte Effizienz der ATP-Erzeugung wurde mit einer verminderten Muskelkraft und neuerdings auch mit einer verminderten Ganggeschwindigkeit bei älteren Erwachsenen in Verbindung gebracht.

Magnetresonanzspektroskopie und optische Spektroskopie (MRS/OS) liefern neuartige, nicht-invasive und Echtzeit-Einblicke in die Mitochondrienfunktion der menschlichen Skelettmuskulatur. MRS/OS ist eine neuartige Technik, die die maximale mitochondriale ATP-Produktion in vivo nach akuten Anfällen von Ischämie, die durch körperliche Betätigung hervorgerufen werden, unter Verwendung von Phosphor-MRS (31P MRS) misst. Die Erholungsrate von Phosphokreatinin nach Beendigung des Trainings wird verwendet, um die Rate der aeroben mitochondrialen ATP-Resynthese über der der basalen anaeroben glykolytischen ATP-Produktion zu charakterisieren. Durch die Kombination dieser Technik mit optischer Spektroskopie nach dem Training zur Messung des Sauerstofftransports von Hämoglobin zu Myoglobin innerhalb des Muskels sind die Forscher in der Lage, das Verhältnis der Kopplungseffizienz zwischen der ATP-Erzeugung pro Einheit Sauerstoffverbrauch genau zu bestimmen. Mitochondriale Dysfunktionen der Skelettmuskulatur, gemessen anhand der ATP-Erzeugungskapazität und der Kopplungseffizienz, wurden mit Alterungsprozessen und Insulinresistenz in Verbindung gebracht. Darüber hinaus haben Studien an gesunden Probanden gezeigt, dass Muskelleistung und Müdigkeit eher mit der Fähigkeit zur ATP-Resynthese als mit der Laktatkonzentration zusammenhängen.

Vorläufige MRS/OS-Ergebnisse deuten auf eine tiefgreifend veränderte Mitochondrienfunktion bei CNI-Patienten hin. Frühere experimentelle Studien legen nahe, dass Urämie bei Dialysepatienten die Skelettmuskelstruktur und die Mitochondrienfunktion beeinflusst. Oxidative Schäden sind bei chronischer Nierenerkrankung weit verbreitet, was durch erhöhte Biomarker für oxidativen Stress und Veränderungen bei Glutathion, einem wichtigen Antioxidans, belegt wird. Frühere kleine Studien an nicht-diabetischen CNE-Patienten deuten auf eine Beeinträchtigung der Ex-vivo-Mitochondrienfunktion durch eine Verringerung der mitochondrialen Enzymaktivität hin. Basierend auf diesen Erkenntnissen verwendeten die Forscher einen neuartigen, nicht-invasiven, funktionellen MRS/OS-Assay, um die Mitochondrienfunktion in vivo zu charakterisieren. Vorläufige Ergebnisse bei nicht-diabetischen CNI-Patienten deuten auf ein deutlich verringertes ATP-Sauerstoff-Verhältnis im Vergleich zu Kontrollpersonen hin. Dieser Befund legt nahe, dass eine veränderte mitochondriale Energetik ein möglicher zentraler Mechanismus ist, der Stoffwechselstörungen und beeinträchtigte körperliche Funktionen bei chronischer Nierenerkrankung miteinander verbindet, und begründet die Hypothese, dass mitochondriale Dysfunktion mit oxidativem Stress, Insulinresistenz und eingeschränkter körperlicher Funktion bei chronischer Nierenerkrankung verbunden ist.

Sport kann die mitochondriale Dysfunktion, die Insulinresistenz und die körperliche Leistungsfähigkeit bei chronischer Nierenerkrankung verbessern. Studien zu sportlicher Betätigung bei Nicht-CNI-Patienten mit Diabetes und Insulinresistenz haben gezeigt, dass durch körperliche Betätigung bedingte Verbesserungen der mitochondrialen Biogenese mit einer verbesserten Insulinsensitivität sowie einem verringerten mitochondrialen oxidativen Stress einhergehen. Tierstudien deuten darauf hin, dass Bewegung die Autophagie stimuliert, was zur Entfernung defekter und ineffizienter Mitochondrien führt, was zu einem gesunden Mitochondriennetzwerk und einer verbesserten Insulinsensitivität führt. Das Hauptziel dieser Studie besteht darin, die Auswirkungen von kombiniertem Widerstand und Aerobic-Training auf Funktionsstörungen der Skelettmuskulatur zu untersuchen. Angesichts der vorläufigen Daten des Forschers, die einen starken Zusammenhang zwischen Sarkopenie und Mortalität bei CKD belegen, sind wirksame Interventionen, die sich auf die körperliche Funktion auswirken können, dringend erforderlich, um die Gesundheitsergebnisse der Patienten zu verbessern.