Kann zusätzliches Leucin die durch Nichtgebrauch verursachte Muskelatrophie ausgleichen? (LEU-DIMA)

Es ist allgemein bekannt, dass die Skelettmuskelmasse mit gesundem Alter fortschreitend abnimmt, ein Phänomen, das gemeinhin als Sarkopenie bezeichnet wird. Dies führt mit der Zeit zu einem Verlust der funktionellen Selbständigkeit und einem erhöhten Risiko, eine Komorbidität zu entwickeln. Jüngste Schätzungen gehen davon aus, dass 30 % der 75- bis 84-Jährigen an Sarkopenie leiden. Da die Bevölkerung über 85 schnell wächst, stellt die Sarkopenie eine erhebliche sozioökonomische Belastung für die Gesundheitsdienste dar. Aus physiologischer Sicht hängt der Erhalt der Muskelmasse von einem feinen Gleichgewicht zwischen Muskelproteinsynthese (MPS) und Abbaurate (MPB) ab. Im Alter ist die MPS-Antwort auf die Ernährung beeinträchtigt (als „anabole Resistenz“ bezeichnet), wodurch die Muskeln in einem chronischen katabolischen Zustand verbleiben und letztendlich das Fortschreiten der Sarkopenie unterstützt wird.

Der altersbedingte anabole Muskelwiderstand kann auf eine Anhäufung von Inaktivitäts-/Nichtgebrauchsperioden zurückzuführen sein, die sowohl bei jungen als auch bei alten Menschen stark mit einem Rückgang der Muskelmasse (Atrophie) verbunden sind. Tatsächlich ist der damit verbundene Verlust an Muskelmasse am schnellsten zu Beginn des Muskelstillstands, wobei ein signifikanter Rückgang der Muskelmasse nach nur 5 Tagen des Nichtgebrauchs eintritt. Dies ist von besonderer Bedeutung, da die durchschnittliche Krankenhausaufenthaltsdauer bei älteren Personen 5-6 Tage beträgt. Die durch Nichtgebrauch induzierte Muskeldekonditionierung wird einem Rückgang des MPS als Reaktion auf die Ernährung und möglicherweise einem erhöhten MPB zugeschrieben. Daher kann eine Häufung dieser Phasen des Nichtgebrauchs im Laufe des Lebens zu einer Beschleunigung des Verlaufs der Sarkopenie führen, die häufig mit dem Alter zu beobachten ist. Folglich sollten sich Ernährungsstrategien zur Maximierung einer gesunden muskuloskelettalen Alterung auf die Linderung der Dysregulation des Muskelstoffwechsels während kurzzeitiger Nichtbenutzung konzentrieren.

Ein Ansatz, um dem Muskelabbau während kurzzeitiger Nichtbenutzung entgegenzuwirken, besteht darin, den Verzehr von Nahrungsprotein zu erhöhen. Tatsächlich ist eine ausreichende Proteinaufnahme eine Notwendigkeit für den Muskel, um in einer positiven Nettoproteinbilanz zu bleiben, wobei die Bedeutung dieser Ernährungsintervention in Zeiten der Nichtbeanspruchung zunimmt. Dieser Ansatz ist jedoch nicht immer praktikabel, da das Aktivitätsniveau in Zeiten der Nichtbenutzung stärker eingeschränkt ist und es daher weniger wahrscheinlich ist, dass Personen eine angemessene Nahrungsaufnahme zu sich nehmen. Ein praktikablerer Ansatz könnte darin bestehen, die anabole Potenz suboptimaler Proteindosen durch Supplementierung mit der Aminosäure Leucin zu verstärken. Leucin ist einzigartig in seiner Fähigkeit, das Proteingleichgewicht stärker als jede andere Aminosäure durch Stimulation von MPS und Unterdrückung von MPB zu erhöhen. Leucin bietet eine starke antikatabole Wirkung während der Ruhigstellung der Hinterbeine bei Ratten, die beim Menschen noch untersucht werden muss. Daher ist es klar, dass Leucin eine praktikable Strategie darstellt, um die Dysregulation von MPS und MPB auszugleichen und die muskuloskelettale Gesundheit während kurzzeitiger Nichtbenutzung sowohl bei jungen als auch bei alten Personen zu erhalten, und daher weitere Untersuchungen rechtfertigt.

Teilnehmer:

Vierundzwanzig gesunde (nicht fettleibige, nicht diabetische, Nichtraucher) Männer im Alter von 18 bis 35 Jahren werden für die Teilnahme an der Studie rekrutiert. Die aktuelle Studie wird eine placebokontrollierte Doppelblindstudie mit zwei Interventionsgruppen sein, in der die Teilnehmer nach dem Zufallsprinzip einer unilateralen 7-tägigen ergänzenden Behandlung mit Leucin (LEU; n=12) oder Placebo (PLA; n=12) zugeteilt werden Bein Immobilisierung. Die Teilnehmer sind aktiv, aber sportlich untrainiert (d.h. Bewegung ≤3x/Woche). Alle Studienverfahren werden klar erklärt und die Teilnehmer geben eine schriftliche Einverständniserklärung ab, bevor sie Basismessungen erhalten.

Einschreibung:

Die Teilnehmer werden an die School of Sport, Exercise and Rehabilitation Sciences der University of Birmingham eingeladen. Bei der Ankunft erklärt ein an der Studie beteiligter Forscher dem Teilnehmer das Studiendesign und die Interventionen. Die Teilnehmer erhalten die Möglichkeit, Fragen zur Studie zu stellen, und erhalten Zeit, um zu entscheiden, ob sie teilnehmen möchten oder nicht. Wenn der Teilnehmer mit der Teilnahme einverstanden ist, wird er gebeten, eine Einverständniserklärung zu unterschreiben und einen Gesundheitsfragebogen auszufüllen. Wenn der Teilnehmer gegangen ist, wird der Teilnehmer nach dem Zufallsprinzip in die Leucin- oder Placebogruppe eingeteilt. Die Teilnehmer werden gebeten, ein dreitägiges Ernährungstagebuch auszufüllen, um die gewohnheitsmäßige Nahrungsaufnahme zu beurteilen.

Vorläufige Einschätzungen:

Nach der Erklärung der Studie und dem Einholen der Einverständniserklärung melden sich die Teilnehmer um 08:00 Uhr bis 09:00 Uhr im Labor, nachdem sie 10 Stunden lang gefastet und 24 Stunden lang auf starke körperliche Betätigung und Alkohol verzichtet haben. Die grundlegende Muskelfunktion der Teilnehmer wird durch Messungen der maximalen isometrischen und isokinetischen Kraft der Kniestreck- und -beugemuskeln unter Verwendung eines isokinetischen Dynamometers erfasst. Nach dem Krafttest werden die Ermittler den Personen ein dreitägiges Ernährungstagebuch und einen Aktivitätsmonitor zur Verfügung stellen. Drei Tage nach den grundlegenden Kraftmessungen melden sich die Teilnehmer nach 10-stündigem Fasten über Nacht erneut um 08:00-09:00 Uhr im Labor. Die Teilnehmer werden in leichter Kleidung auf einer digitalen Waage auf 0,1 kg genau gewogen. Duale Röntgenabsorptiometrie (DXA) und Ultraschalluntersuchungen werden durchgeführt, um die Zusammensetzung des Oberschenkels (Fett und fettfreie Masse) zu bestimmen.

Immobilisierung:

Am Morgen zwischen 08:00 und 09:00 Uhr nach den vorläufigen Bewertungen werden die Teilnehmer 7 Tage lang einer einseitigen Beinimmobilisierung unterzogen. Ein einzelnes Bein wird zufällig ausgewählt (links/rechts ausbalanciert) und in eine Ganzbein-Knieorthese eingesetzt. Die Teilnehmer werden mit Krücken gehen und täglich Knöchelübungen durchführen, um das Risiko einer tiefen Venenthrombose zu minimieren, wie von einem qualifizierten Physiotherapeuten angegeben. Die Teilnehmer dürfen die Knieorthese auch während der Nachtruhe entfernen. Ein ausgebildeter Physiotherapeut wird den Teilnehmer in die sichere Verwendung von Krücken (z. B. Treppensteigen) einweisen. Während jeder Hauptmahlzeit in der Immobilisierungsperiode nehmen die Teilnehmer 5 g eines pulverförmigen LEU- oder PLA-Ergänzungsmittels mit 250-300 ml Wasser zu sich, was innerhalb der sicheren Grenzen liegt. Die Nahrungsaufnahme wird während der Immobilisierungsperiode gemäß der Gesamtkalorienaufnahme der Person (abgeleitet aus standardisierten Gleichungen) mit einer Makronährstoffzusammensetzung von 55 % Kohlenhydraten, 30 % Fett und 15 % Protein kontrolliert. Die Gesamtmenge der aufgenommenen Proteine ​​entspricht 1,0 g/kg/Tag. Das Aktivitätsniveau der Teilnehmer wird während der 7 Tage über einen am Handgelenk getragenen Aktivitätsmonitor überwacht.

Experimentelle Versuche:

Am Morgen, der das Ende der 7-tägigen Immobilisierungsperiode markiert, melden sich die Teilnehmer nach einem Fasten über Nacht um 06:00-07:00 Uhr im Labor. Ultraschall- und DXA-Bewertungen werden wiederholt, unmittelbar danach wird ein Katheter in eine Unterarmvene beider Arme eingeführt für i) häufige Blutentnahmen bei -150, -90, 0, 20, 40, 60, 80, 120, 180, 240 Minuten des experimentellen Versuchs (insgesamt etwa 100 ml) und ii) eine kontinuierliche Infusion eines stabilen Isotopen-Aminosäure-Tracers (L-[Ring] 13C6-Phenylalanin). Die Teilnehmer bleiben während der gesamten Studie in Rückenlage. Nach 150-minütiger Infusion wird unter örtlicher Betäubung eine Muskelbiopsie aus dem Quadrizeps-Muskel immobilisierter und nicht immobilisierter Beine entnommen. Anschließend nehmen die Teilnehmer ein 20-g-Milchproteingetränk zu sich. Weitere Biopsien werden von beiden Beinen nach 270-minütiger und 390-minütiger Infusion entnommen. Somit werden während des Versuchs insgesamt 6 invasive Muskelbiopsien (3 von jedem Bein) entnommen, wobei jede Biopsie aus einem separaten Einschnitt mit einem Abstand von ∼ 3 cm entnommen wird. Dieses zweistufige Infusionsdesign mit stabilen Isotopen ermöglicht eine effiziente Bewertung von MPS beim Übergang von post-absorptiven (0-120 min) zu postprandialen Bedingungen (120-240 min). Die Beinkraft wird einen Tag nach der stabilen Isotopeninfusion zwischen 08:00 und 09:00 Uhr nach 10-stündigem Fasten neu bewertet, um jegliche störende Wirkung einer vorherigen Kontraktion auf den Muskelproteinumsatz zu vermeiden.

Datenanalyse:

Um die myofibrilläre und mitochondriale Proteinsynthese zu berechnen, werden die Forscher typische ausgeklügelte Massenspektrometrietechniken anwenden, um die Isotopen-Tracer-Anreicherung in biopsieisolierten Muskelproteinen und Plasma zu bestimmen. Intramuskuläre „anabole Signale“ (im mTORC1-Signalweg) und „katabole“ Signale werden mittels Western Blot und q-rtPCR-Analyse bestimmt. Hochauflösende Respirometrie wird auch verwendet, um die mitochondriale Funktion von durch Biopsie isoliertem Skelettmuskelgewebe sowohl in den Kontroll- als auch in den immobilisierten Gliedmaßen zu beurteilen.