Mikrovaskuläre Dysfunktion bei Fettleibigkeit

Es werden 25 fettleibige Männer und Frauen der Klasse 2 und höher [Body-Mass-Index (BMI) > 35 kg/m2, Taillenumfang > 40 Zoll (Männer) oder > 35 Zoll (Frauen)] (18–45 Jahre) teilnehmen diese Experimente. Personen unter 18 Jahren werden aufgrund des invasiven Charakters des Protokolls nicht untersucht. Personen über 45 Jahre werden aufgrund des altersbedingten Rückgangs der Endothelfunktion nicht untersucht. Es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich Rasse, Geschlecht oder sozioökonomischem Status. Frauen befinden sich in der Prämenopause, erhalten eine kombinierte hormonelle Verhütungstherapie aus Östrogen und Gestagen (orale Pille, transdermales Pflaster oder Vaginalring) und werden innerhalb der siebentägigen inaktiven (Placebo-)Phase der hormonellen Verhütungstherapie (vergleichbar mit der frühen Follikelphase) untersucht dem normalen Menstruationszyklus; bestätigt durch Östradiol-Blutanalysen). Aufgrund der bekannten positiven Auswirkungen von Östradiol auf die Endothelfunktion ist es wichtig, bei der Untersuchung der Frauen während der Phase der hormonellen Verhütungstherapie mit den niedrigsten Plasma-Östradiolkonzentrationen eine einheitliche Untersuchung sicherzustellen. Personen mit sitzender Adipositas sind in den letzten 6 Monaten gewichtsstabil und leiden unter dem metabolischen Syndrom. Das metabolische Syndrom wird anhand der am häufigsten verwendeten Kriterien für das metabolische Syndrom aus dem dritten Bericht des Expertengremiums des National Cholesterol Education Program zur Erkennung, Bewertung und Behandlung von hohem Cholesterinspiegel im Blut bei Erwachsenen (Erwachsenenbehandlungsgremium III) definiert. Personen mit dem Metabolischen Syndrom haben mindestens drei der folgenden Symptome: 1) Zentrale Fettleibigkeit, gemessen am Taillenumfang (Männer > 40 Zoll; Frauen > 35 Zoll); 2) Nüchternbluttriglyceride > 150 mg/dl; 3) HDL-Cholesterin im Blut bei Männern <40 mg/dl und Frauen <50 mg/dl; 4) Blutdruck > 130/85 mmHg; 5) Nüchternblutzucker > 110 mg/dl und (nicht gemäß ATP III) ein 2-Stunden-GTT-Glukosewert von 140–200 mg/dl.

Vor der Teilnahme an dieser Studie werden die Probanden einer Anamnese, einer körperlichen Untersuchung und einem Screening auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Typ-2-Diabetes unterzogen. Die Auswertungen bestehen aus einem abgestuften Belastungstest auf dem Laufband, einer Blutchemie, einer Analyse der Körperzusammensetzung mittels Dual-Röntgen-Absorptiometrie (DXA) und einer Messung des minimalen Taillenumfangs (zwischen dem Schwertfortsatz und dem Nabel).

Ausschlüsse: Probanden, die an einem gezielten Ausdauertraining teilnehmen (>20 Min./Tag, >1 Tag/Woche), werden ausgeschlossen. Frauen vor der Menopause dürfen nicht schwanger sein oder stillen und müssen im vergangenen Jahr regelmäßige Menstruationszyklen gehabt haben. Alle Probanden werden auf kardiovaskuläre und periphere Gefäßerkrankungen untersucht. Personen, die Medikamente einnehmen, die den zentralen oder peripheren Kreislauf beeinträchtigen können, nichtsteroidale entzündungshemmende Mittel oder Serotonin-Wiederaufnahmehemmer einnehmen, die rauchen oder Tabak kauen, an Diabetes (Nüchternblutzucker > 125 mg/dl) oder Bluthochdruck > 160/95 mmHg leiden (Personen). Patienten mit Diabetes und hohem Bluthochdruck werden ausgeschlossen, um eine einheitlichere Gruppe von Personen mit metabolischem Syndrom, Herzinsuffizienz, Angina pectoris oder peripherer Gefäßerkrankung zu erhalten. Personen mit Anzeichen schwerwiegender Arrhythmien und/oder akuter Myokardischämie, die sich in einer ST-Segment-Senkung von 1 mm oder mehr in Ruhe oder während des Trainings widerspiegeln, werden ausgeschlossen. Personen mit chronischen Infektionen, Lähmungen aufgrund eines Schlaganfalls, fortgeschrittener Parkinson-Krankheit, schwerer rheumatoider Arthritis oder anderen schwerwiegenden orthopädischen Problemen, die die Durchführung der Übungsaufgaben verhindern würden, werden ausgeschlossen. Den Probanden ist die Einnahme von Antioxidantien, Kräutern oder Vitaminpräparaten mindestens 2 Wochen vor der Untersuchung nicht gestattet, da einige dieser Wirkstoffe nachweislich die endothelabhängige Vasodilatation verbessern. Den Probanden ist es am Tag des Experiments nicht gestattet, Koffein zu sich zu nehmen. Probanden werden ausgeschlossen, wenn sich das Gewicht während des Trainingsprogramms um mehr als 5 % ändert oder wenn ihre Trainingstreue unter 90 % der Trainingseinheiten oder der gesamten Trainingszeit liegt.

Zeitrahmen: Die Probanden werden in den Monaten 3 bis 28 dieses Stipendiums rekrutiert, überprüft, eingeschrieben und getestet. Die Rekrutierungsverfahren für Probanden und die Beschaffung der benötigten Materialien werden in den ersten zwei Monaten des Projekts durchgeführt. Zusätzliche Rekrutierungen sowie Screenings und Tests von Probanden werden in den folgenden 25 Monaten in 1-Monats-Zyklen mit einer Rate von etwa 1 pro Zyklus erfolgen. Daher werden 25 Mikrodialyseexperimente an den Teilnehmern sowohl vor als auch nach 8 Wochen Training durchgeführt, also insgesamt 50 Mikrodialyseexperimente. Dieser Plan sieht daher während der Testmonate durchschnittlich zwei Mikrodialysetests pro Monat vor. Die Prüfung dieser Probanden umfasst sechs Stunden für das Mikrodialyseverfahren. Die biochemische Analyse von Proben erfordert etwa sechs Stunden pro Experiment und die Datenreduktion weitere fünf Stunden pro Experiment. Zusätzliche Zeit (fünf Stunden pro Woche) ist für die Rekrutierung von Probanden, die Vorprüfung und die Nachbereitung erforderlich. Die Rekrutierungs- und Prüfungsziele sind daher realistisch angesichts des zugewiesenen Personals und des prozentualen Aufwands, gepaart mit Personal und Ressourcen, die nicht dem Zuschuss zugerechnet werden.

Mikrodialyse (vor und nach dem Training):

Die Probanden melden sich nach einem Fasten über Nacht beim Hickner-Labor. Während sich die Probanden ruhig ausruhen, wird über Nacht eine nüchterne Blutentnahme aus einer Ellenbeuge entnommen, um auf traditionelle (Insulin, Glukose, Lipide, c-reaktives Protein) und nicht-traditionelle [(Zytokine TNF-alpha, IL-6, IL-13, interzelluläres Adhäsionsmolekül-1 (ICAM-1), vaskuläres Adhäsionsmolekül-1 (VCAM-1) und P-Selectin] Risiko-/Entzündungsmarker für kardiometabolische Erkrankungen im Blut unter Verwendung von ELISAs von EMD Millipore oder unserem klinischen Analysegerät (Beckman Access-Systeme). Darüber hinaus wird Plasmaglutathion (GSH/GSSG) mit einem Kit von Percipio Biosciences (Bioxytech GSH/GSSG) als Marker für systemischen oxidativen Stress analysiert.

Mikrodialyseverfahren Sieben Mikrodialysesonden (CMA 20: 10 mm * 0,5 mm 20 Kilodalton-Cutoff-Membran, 5 cm Sondenschaftlänge, Einlassschlauch und Auslassschlauch 20 cm; CMA/Microdialysis, Stockholm, Schweden) werden perkutan im Abstand von 3 cm in den Vastus eingeführt lateralis der Muskelgruppe des Quadrizeps femoris (3-4 Sonden pro Bein) unter Verwendung einer sterilen Technik unter örtlicher Betäubung (1 % Lidocain). Die Sonden werden mit der entsprechenden Lösung mit einer Geschwindigkeit von 2,0 µL/min unter Verwendung von CMA/102-Mikroinfusionspumpen (CMA/Microdialysis, Stockholm, Schweden) gemäß dem Zeitplan in Tabelle 2 perfundiert.

Die Kontrollperfusionslösung besteht aus einer sterilen Kochsalzlösung mit 5 mM Ethanol (für Blutfluss-/mikrovaskuläre Austauschmessungen). Zwei der Sonden werden zunächst mit dieser Kontrolllösung perfundiert, während die anderen Sonden mit NADPH-Oxidase-Inhibitoren perfundiert werden. Die Probanden ruhen sich 60 Minuten lang im Sitzen aus, um sich vom Einführen der Sonde zu erholen und das Perfusat mit der lokalen Umgebung ins Gleichgewicht zu bringen. Phase 1: Drei 10-minütige Dialysatproben werden in den darauffolgenden 30 Minuten in verschlossenen 150-µL-Polyethylen-Sammelfläschchen gesammelt, um den basalen Nährstofffluss in Abwesenheit (Sonde 1) und Vorhandensein (Sonden 3-7) der NADPH-Oxidase-Inhibitoren zu bestimmen. und als Intra-Sonden-Kontrollzeitraum vor der SNP-Perfusion (Sonde 2) zu dienen. Phase 2: Die Perfusatlösungen in der zweiten Sonde werden dann so geändert, dass sie die Kontrolllösung plus 50 mM Natriumnitroprussid enthalten (SNP: zur Kontrolle nicht endothelabhängiger Veränderungen). Zur Messung der In-vivo-H2O2-Produktion werden dem Perfusat in den anderen Sonden 100 µM Amplex UltraRed und 1 U/ml Meerrettichperoxidase (HRP) zugesetzt. Anschließend werden in den folgenden 60 Minuten drei 20-minütige Dialysatproben entnommen, um diese Messungen in Abwesenheit von Superoxiddismutase durchzuführen. Phase 3: 10 U/ml Superoxiddismutase (SOD) werden dann zu den Amplex UltraRed/HRP-haltigen Perfusaten hinzugefügt. Anschließend werden in den folgenden 60 Minuten drei 20-minütige Dialysatproben entnommen, um Messungen der Wirkung von SNP, 1 mM Apocynin, 100 nM MitoTempo, 100 uM MitoTempo+Apocynin, 100 nM GKT 137831 oder 100 nM GKT 137831+Apocynin in Abwesenheit von zu ermöglichen SOD. Phase 4: Die Perfusatlösungen in den Sonden zwei bis sieben werden dann so geändert, dass sie die Kontrolllösung plus entweder 50 mM Ach (zur Bestimmung endothelabhängiger Veränderungen) oder 50 mM ACh + entweder 1 mM Apocynin, 100 nM MitoTempo, 100 uM MitoTempo+ enthalten Apocynin, 100 nM GKT 137831 oder 100 nM GKT 137831+Apocynin (um festzustellen, ob die Hemmung der NADPH-Oxidase oder der mitochondrialen ROS-Produktion die endothelabhängige Reaktion verbessert). Anschließend werden die Sonden 60 Minuten lang perfundiert, um einen Ausgleich mit der lokalen Umgebung zu ermöglichen. Anschließend werden in den folgenden 30 Minuten drei zehnminütige Proben entnommen, um die Auswirkungen von ACH auf den Nährstofffluss in Gegenwart und Abwesenheit von NADPH-Oxidase oder mitochondrialer ROS-Hemmung zu bestimmen. Für jede Probe, bei der Amplex UltraRed und HRP dem Perfusionsmedium zugesetzt werden, werden 30 µL Dialysat sofort im Laborfluorometer auf H2O2 gemessen. Für jede Probe, bei der der Blutfluss gemessen wird, wird das Dialysat bei 4 °C gelagert und innerhalb von 24 Stunden auf Ethanol (für Blutfluss/mikrovaskulären Austausch) analysiert. Alle Perfusate und Dialysate werden vor Lichteinwirkung geschützt.

Mikrodialyse-Ethanol-Abfluss-/Zufluss-Verhältnis Ethanol (5 mM) wird in das Perfusionsmedium aufgenommen, um den Nährstoffblutfluss/mikrovaskulären Austausch im Bereich der Mikrodialysesonde zu überwachen, wie in unseren früheren Veröffentlichungen 30-32 beschrieben.

Bestimmung der aeroben Spitzenkapazität (vor und nach dem Training):

Alle Probanden führen bei der Aufnahme in die Studie und erneut nach Abschluss des Trainingsprogramms einen standardisierten Maximalbelastungstest auf einem Laufband durch. Die Probanden passen Geschwindigkeit und Steigung individuell an (3–6 km·h-1, 0–5 %), während einer 5-minütigen Aufwärmphase. Nach der Aufwärmphase werden die ausgeatmeten O2- und CO2-Werte des Probanden kontinuierlich mittels Open-Circuit-Spirometrie überwacht (TrueOne 2400; Parvomedics; Salt Lake City, UT). Der VO2peak-Test wird mithilfe eines Rampenprotokolls durchgeführt, bei dem die Geschwindigkeit konstant bleibt und die Steigung alle zwei Minuten um 2 % erhöht wird, bis VO2peak erreicht ist. Die Startgeschwindigkeit wird individuell an die Aufwärmgeschwindigkeit und Herzfrequenz angepasst, mit dem Ziel, innerhalb von 8–12 Minuten den VO2peak zu erreichen.

Trainingsprotokoll Alle Teilnehmer führen acht Wochen lang dreimal pro Woche an nicht aufeinanderfolgenden Tagen ein Aerobic-Intervalltraining durch. Die Übung besteht aus Gehen/Laufen einer Steigung auf einem Laufband. Die Probanden wärmen sich 10 Minuten lang bei 70 % der maximalen Herzfrequenz auf (Herzfrequenzmaximum, bestimmt während des VO2peak-Tests), bevor sie vier 4-Minuten-Intervalle bei 90 % der Herzfrequenzmaximum mit einer 3-minütigen aktiven Erholung bei 70 % der Herzfrequenzmaximum zwischen den Intervallen durchführen eine 5-minütige Abkühlphase, was einer Gesamtübungszeit von 40 Minuten entspricht.

Bestimmung der Körperzusammensetzung Fettfreie Masse, Fettmasse und Körperfettanteil werden mithilfe der Dual-Energy-Röntgenabsorptiometrie (DXA; GE Lunar Prodigy Advance, Madison WI) bestimmt. Zur Berechnung des Body-Mass-Index (BMI: kg/m2) werden Körpermasse und Körpergröße gemessen. Der minimale Taillen- und der maximale Hüftumfang werden ebenfalls gemessen, um möglicherweise als Kovariate in statistischen Analysen verwendet zu werden, da das Verhältnis von Körpergröße zu Körpergröße und Taillenumfang mit dem Risiko kardiometabolischer Erkrankungen zusammenhängt.

Muskelmarker für oxidativen Stress:

Daher werden bei denjenigen Teilnehmern, die dem Biopsieverfahren zustimmen, vor und nach dem Training Biopsien im Ruhezustand entnommen. Perkutane Muskelbiopsien werden aus dem Vastus lateralis der Quadrizeps-femoris-Muskelgruppe (wird Anpassungen an das vorgeschlagene Übungstraining unterzogen) unter Verwendung steriler Verfahren und nach Verabreichung einer Lokalanästhesie (1 % Lidocain) entnommen.