Biologische Mechanismen zur Schmerzvariation nach körperlicher Aktivität bei Arthrose

Arthrose (OA) im Knie ist durch chronisch entzündliche Schmerzen gekennzeichnet, die nicht unbedingt mit dem Ausmaß der Gelenkschädigung verbunden sind.1 Klinische Praxisrichtlinien empfehlen körperliche Aktivität (PA) bei Arthroseschmerzen,2 aber die Aufnahme von PA bei Erwachsenen mit Arthrose ist sehr hoch niedrig.3 Ein Grund dafür ist, dass PA zwar die Schmerzen bei Erwachsenen mit Arthrose der unteren Extremitäten reduzieren kann,4,5, dass dies jedoch unterschiedlich ist und die Schmerzempfindlichkeit bei etwa der Hälfte der Erwachsenen mit Arthrose verringert, bei der anderen Hälfte jedoch tatsächlich die Schmerzempfindlichkeit erhöht.6 Darüber hinaus ergab eine aktuelle Metaanalyse, dass die Ausübung einer einzelnen Art von PA (z. B. Aerobic-Übungen oder Krafttraining) reduzieren OA-Knieschmerzen, es gab jedoch große Heterogenität in den Ergebnissen, die nicht durch Alter, Geschlecht, BMI, Ausrichtung des Knies, Schwere der Erkrankung oder Ausgangsschmerzen erklärt werden konnten.5 Eines der Ziele der Entwicklung individualisierter PA-Interventionen für Erwachsene mit Arthrose besteht darin, die Mechanismen aufzuklären, durch die PA Arthroseschmerzen reduziert und bei wem PA die Schmerzen am effektivsten lindert.

Aerobe körperliche Aktivität wie Gehen erhöht die zelluläre Kapazität zur Energieerzeugung (ATP-Produktion) durch oxidative Phosphorylierung um das bis zu Zweifache, indem sie die mitochondriale Biogenese stimuliert.7,8 Dieses Phänomen tritt nicht nur in der Skelettmuskulatur7, sondern auch in Gehirnzellen,9,10 Leberzellen,9,11,12 Fettgewebe,13 Nierenzellen12 und Leukozyten14 auf, was darauf hindeutet, dass PA wahrscheinlich den Stoffwechselbedarf systemisch erhöht. Darüber hinaus wird angenommen, dass PA adaptive Veränderungen in der Aktivität und/oder Häufigkeit von Proteinen hervorruft, die an Prozessen im Zusammenhang mit der Mitochondrienfunktion beteiligt sind.8 Mitochondriale Funktion, einschließlich Energieerzeugung durch oxidative Phosphorylierung; Entzündung; und mitochondriale Proteinexpression sind Schlüsselmerkmale bei Arthrose15,16 und chronisch entzündlichen Schmerzen.17,18 Tiermodelle für entzündliche Schmerzen zeigen eine zelluläre Stoffwechselverschiebung von der oxidativen Phosphorylierung zur Glykolyse in chronischen Entzündungszuständen über die Pyruvatdehydrogenasekinase 2/4 (PKD2/4)-Pyruvatdehydrogenase (PDH)-Milchsäure-Achse.19 Dies führt zu einer Erhöhung der Milchsäureproduktion im betroffenen Bereich. Die daraus resultierende saure Mikroumgebung verstärkt die nozizeptive Reaktion durch die Rekrutierung zusätzlicher proalgetischer proinflammatorischer Zytokine, die „Nozizeptoren und spinale Glia aktivieren, um jeweils periphere und zentrale Sensibilisierungen zu verursachen“.19 Daher kann eine Verbesserung der Fähigkeit zur ATP-Erzeugung durch oxidative Phosphorylierung und die damit verbundene Verringerung der Glykolyse die Schmerzempfindlichkeit verringern. Während jedoch zahlreiche Tier- und Korrelationsdaten einen starken Zusammenhang zwischen oxidativem Potenzial und Schmerzfolgen belegen, bleiben experimentelle Belege für Ursache und Wirkung spärlich, insbesondere beim Menschen.8

Die Forscher gehen davon aus, dass individuelle Unterschiede in der systemischen zellulären bioenergetischen Funktion, Entzündung und Proteinexpression die Wirkung von PA beeinflussen, um die Schmerzempfindlichkeit bei Erwachsenen mit Knie-OA zu reduzieren. Der Zweck dieser quasi-experimentellen Pilotstudie besteht darin, die mitochondriale Bioenergetik (oxidative Phosphorylierung, Mitochondriengehalt) in Blutplättchen, Entzündungen (Zytokine) und Proteinexpression als Mechanismen für die Variation der Schmerzempfindlichkeit unmittelbar nach 30 Minuten Gehen (d. h. „akut“) und nach sechs Wochen dreimal wöchentlichem Gehen für 30 Minuten (d. h. „langfristig“) bei Erwachsenen mit Knie-Arthrose. Die Forscher werden die folgenden spezifischen Ziele und Hypothesen in einer Stichprobe von 40 Erwachsenen mit radiologischen Anzeichen einer Hüft- oder Knie-Arthrose und 20 gesunden Kontrollpersonen gleichen Alters/Geschlechts ansprechen:

Ziel 1: Untersuchung der Auswirkungen eines sechswöchigen (drei Tage/Woche) Gehprogramms auf die Schmerzschwellen bei Erwachsenen mit Knie-OA im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen H1.1: Die Schmerzempfindlichkeit (quantitative sensorische Tests) nimmt bei etwa 50 % zu bei Erwachsenen mit Arthrose und Rückgang bei etwa 50 % der Erwachsenen mit Arthrose nach akuter und langfristiger PA.

H1.2: Die Schmerzempfindlichkeit nimmt bei gesunden Kontrollpersonen nach akuter und langfristiger PA ab.

Ziel 2: Testen der Rolle der mitochondrialen Bioenergetik (oxidative Phosphorylierung, Mitochondriengehalt) als Mechanismus für die Variation der Schmerzempfindlichkeit nach PA bei älteren Erwachsenen mit Knie-OA.

H2.1: Die Schmerzempfindlichkeit ist zu Studienbeginn, nach akuter PA und Langzeit-PA negativ mit der Mitochondrienfunktion (oxidative Phosphorylierung, Mitochondriengehalt) in Blutplättchen verbunden. H2.2: Gesunde Kontrollpersonen haben eine höhere Kapazität zur oxidativen Phosphorylierung in Blutplättchen als OA-Teilnehmer .

Ziel 3: Testen der Rolle von Entzündungen als Mechanismus für die Variation der Schmerzempfindlichkeit nach körperlicher Aktivität bei älteren Erwachsenen mit Knie-Arthrose.

H3.1: Schmerzempfindlichkeit steht in positivem Zusammenhang mit erhöhten zirkulierenden proinflammatorischen Zytokinen (c-reaktives Protein, Interleukin (IL)-1, IL-1β, IL-6, IL-10, Tumornekrosefaktor (TNF)-α, PGES). zu Studienbeginn, nach akuter und langfristiger PA.

Ziel 4: Hypothesen über die Rolle der Proteomik bei der Variation der Schmerzempfindlichkeit nach körperlicher Aktivität (unmittelbar nach und nach sechswöchigem Gehprogramm) zu erstellen. Veränderungen in der Proteinexpression hängen von der Halbwertszeit des exprimierten Proteins ab, die zwischen Minuten bis Tage.8 Daher ist es wichtig, adaptive Veränderungen der Proteinexpression sowohl kurzzeitig (Minuten/Tag nach PA) als auch langfristig (Tage/Wochen zwischen körperlichen Aktivitätsanfällen) zu untersuchen.