Auswirkungen von akutem Energiedefizit und Aerobic-Übungen auf die Muskelqualität

Begründung der Recherche:

Abnehmstrategien, die allein auf Energierestriktion setzen, können zu einer Beeinträchtigung der Muskelmasse führen, was auch die Gesundheit von Personen mit Stoffwechselstörungen, wie z. B. Typ-2-Diabetikern, weiter beeinträchtigen kann. Skelettmuskelmasse und -funktion sind der Schlüssel zur Aufrechterhaltung eines gesunden Stoffwechsels und der Lebensqualität während der gesamten Lebensspanne. Die Kombination aus Bewegung und Kalorienreduzierung ist eine wirksame Maßnahme zur Reduzierung des Körpergewichts und zur Verbesserung des Stoffwechsels und des Gesundheitszustands gesunder, übergewichtiger und fettleibiger Personen. Die Forscher haben zuvor gezeigt, dass die Proteinsynthese der Skelettmuskulatur durch Energieeinschränkung reduziert wird und dass Widerstandsübungen diesen negativen Effekt umkehren können. Aerobic-Übungen können auch die Muskelproteinsynthese stimulieren und die Muskelqualität verbessern, indem sie die mitochondriale Proteinsynthese steigern. Dennoch ist nicht genau geklärt, wie ein Energiedefizit zusätzlich zu Aerobic-Übungen die Qualität der Skelettmuskulatur moduliert. Darüber hinaus haben sich bestehende Studien nur mit der gemischten (unspezifischen) Proteinsynthese verschiedener intrazellulärer Kompartimente befasst, ohne Einzelheiten darüber zu liefern, wie die Proteinsynthese für bestimmte Proteine ​​reguliert wird.

Dieses Projekt wird neue Daten liefern, um die Mechanismen hinter der positiven Wirkung von Energieeinschränkung und begleitendem Aerobic-Training auf die Qualität der Skelettmuskulatur zu entschlüsseln.

Aerobic-Übungen allein sind eine gut etablierte Intervention zur Steigerung der Mitochondrienkapazität und der Skelettmuskelfunktion, aber die Auswirkungen einer überlagerten Energieeinschränkung während der Durchführung von Aerobic-Übungen auf die Skelettmuskulatur sind nicht gut charakterisiert. Jüngste Erkenntnisse bei Rhesusaffen, deren Physiologie der des Menschen sehr ähnlich ist, haben gezeigt, dass eine lebenslange Kalorienrestriktion einen tiefgreifenden positiven Effekt auf die Skelettmuskulatur hat. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Kalorienrestriktion nicht nur den kontraktilen Muskelgehalt aufrechterhält, sondern auch den altersbedingten Rückgang des Mitochondriengehalts und der Kapazität der Skelettmuskulatur verhindert. Allerdings war die körperliche Aktivität in dieser Studie nicht kontrolliert und schien in der Gruppe mit Kalorienrestriktion höher zu sein, was einen wichtigen Störfaktor darstellte. Die Forschung am Menschen, die sich mit ähnlichen Fragen befasste, war bisher weniger eindeutig. Ein ausgeprägter Gewichtsverlust allein durch Energieeinschränkung (10 % des Gesamtkörpergewichts in ca. 7,5 Wochen) führt bei adipösen Frauen zu einer Abnahme des Muskel-Mitochondriengehalts. Im krassen Gegensatz dazu zeigte die Anwendung einer milderen Einschränkung von 25 % der Gesamtenergie allein oder in Kombination mit Bewegung über 6 Monate bei übergewichtigen Personen in beiden Gruppen eine erhöhte Expression von Genen, die für mitochondriale Proteine ​​kodieren. Trotz dieser vielversprechenden Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass Gewichtsverlust in Kombination mit Bewegung den Stoffwechsel der Skelettmuskulatur verbessert, gibt es derzeit keine aussagekräftigen Daten, die den Einsatz von gleichzeitiger Energieeinschränkung und Aerobic-Übungen mit einer detaillierten Analyse ihrer physiologischen und molekularen Auswirkungen belegen in Menschen.

Die hier vorgeschlagene Studie wird einen kurzen Zeitraum streng kontrollierter körperlicher Betätigung und Nahrungsaufnahme umfassen, um zu zeigen, dass ein Energiedefizit bei der Durchführung von Aerobic-Übungen zu weiteren Vorteilen für die Anpassung des Muskelstoffwechsels führt. Das aktuelle Projekt baut auf früheren und aktuellen Forschungsergebnissen des Forschers auf, um diese Frage direkt zu beantworten. Diese Forschung hat gezeigt, dass Widerstandstraining bei einem täglichen Energiedefizit von 30 % den Rückgang der gemischten (unspezifischen) myofibrillären Proteinsynthese ausgleicht, der bei einem Energiedefizit allein beobachtet wird. Darüber hinaus hat die Forschung des Forschers gezeigt, dass Aerobic-Übungen bestimmte Proteine ​​in den Mitochondrien der Skelettmuskulatur bei Nagetieren hochreguliert; dass das Lipidtröpfchenprofil der Skelettmuskulatur auf Bewegung und Ernährung reagiert; dass die Ernährung die zelluläre Reaktion auf Aerobic-Übungen moduliert und, was noch wichtiger ist; dass Aerobic-Übungen nach einem kurzfristigen (~14 Stunden) Energiedefizit die Marker der mitochondrialen Biogenese im Skelettmuskel hochregulieren und die Stoffwechselkontrolle beim Menschen verbessern können.

Ziele und Hypothese:

Die primäre Forschungsfrage im Zusammenhang mit dieser Studie lautet: „Was ist die kombinierte Wirkung eines Energiedefizits und eines Aerobic-Trainings auf die Muskelqualität (Syntheseraten einzelner, sarkoplasmatischer und mitochondrialer Proteine) und die intramuskuläre Lipiddynamik über einen Zeitraum von fünf Tagen bei gesunden Menschen?“ Männer?'

Weitere Ziele:

1. Identifizieren Sie die Mechanismen, durch die ein kurzfristiges Energiedefizit (erreicht durch gleichzeitige Energieeinschränkung und körperliche Betätigung) den Proteinumsatz (Synthese, Abbau und Fülle) der einzelnen Muskeln, die intramuskuläre Lipiddynamik, Metaboliten und den Muskelglykogengehalt während der Gewichtsabnahme regulieren kann.
2. Bereitstellung neuer Beweise für die Fähigkeit einer kartoffelbasierten Ernährung als wirksame Nährstoffquelle zur Förderung positiver Anpassungen der Skelettmuskulatur und des Stoffwechsels während der Gewichtsabnahme.

Studienhypothese:

Eine kurzfristige Energieeinschränkung bei gleichzeitiger Aerobic-Übung erhöht die Qualität und Quantität der Skelettmuskelproteine ​​im Zusammenhang mit der Mitochondrienkapazität, verbessert das intrazelluläre Lipidtröpfchenprofil der Skelettmuskulatur und moduliert im Vergleich zu körperlicher Betätigung ohne Energiedefizit die im Blut übertragenen Marker für die Stoffwechselgesundheit.

Studienmethoden:

Die Teilnehmer werden zunächst Tests zur Charakterisierung durchführen (siehe unten), gefolgt von einer 5-tägigen Basisbewertung (Tage -5 bis -1) und zwei aufeinanderfolgenden 5-tägigen Perioden kontrollierten Trainings zur Steigerung der oxidativen Kapazität (3 Tage Aerobic-Training pro Periode). 15 kcal/kg FFM/Tag (Energieverbrauch beim Laufen) und Energieaufnahme (insgesamt 15 Tage, mit einer Testsitzung am 16. Morgen). Dadurch werden Zustände der Energiebilanz (EB; Energieverfügbarkeit – EA – 45 kcal/kg fettfreie Masse (FFM)/Tag) erreicht, die für die Gewichtserhaltung erforderlich ist (Tage 1–5), gefolgt von einem Energiedefizit (ED; EA 10). kcal/kg FFM/Tag), erforderlich für die Gewichtsabnahme an den Tagen 6 – 10. Dieses experimentelle Design sowie die Energieaufnahme und -ausgabe reproduzieren das, was die Forscher zuvor verwendet haben, um andere physiologische Auswirkungen von ED auf die Skelettmuskulatur erfolgreich zu bestimmen. Fünf Tage EB und EA ermöglichen eine strenge Kontrolle der Nahrungsaufnahme und reichen aus, um Veränderungen der wichtigsten untersuchten Parameter festzustellen.

Die Charakterisierungstests der Teilnehmer finden ca. 15 Tage vor Beginn der Basisbewertung statt, um die Einhaltung der Einschlusskriterien, des Fitnessniveaus (maximaler Sauerstoffverbrauch und Laktatschwelle [über Kapillarproben aus Fingerabdrücken]) und der Körperzusammensetzung festzustellen. Bei der Basisuntersuchung wird einem ruhenden Muskel vor der Einnahme des Tracers Deuteriumoxid (D2O) über die folgenden 15 Tage eine Biopsie aus dem Vastus lateralis (Quadrizeps) entnommen, um eine dynamische proteomische Profilierung der Skelettmuskulatur zu ermöglichen. Pro Teilnehmer werden insgesamt 4 Biopsien entnommen, was im Einklang mit der vorherigen Forschung des Prüfarztes steht. Die Basisbewertung wird zur Anreicherung von D2O für den dynamischen Proteom-Profiling-Assay verwendet und stellt sicher, dass die regelmäßige körperliche Aktivität von Personen den Anforderungen der Studie entspricht. Während jedes 5-tägigen Versuchszeitraums wurden Muskelbiopsien (Tage -5, 1, 6 und 11), tägliche Speichelproben (nicht stimuliert, zu Hause gesammelt) und regelmäßige venöse Blutproben (Tage -5, 1, 3, 5, 6, 8, 10 und 11) werden zur Beurteilung des dynamischen Proteomprofils, des fasertypspezifischen Lipidtröpfchenprofils, des Glykogens und D2O der Skelettmuskulatur sowie von durch Blut übertragenen Hormonen und Metaboliten im Zusammenhang mit der Gewichtsabnahme gesammelt. Die Stoffwechselrate im Ruhezustand (RMR; ermittelt mittels indirekter Kalorimetrie) und die Beurteilung der Körperzusammensetzung werden mithilfe von dualen Röntgenabsorptiometrie-Scans (DXA) an den Tagen -5, 1, 6 und 11 des Eingriffs durchgeführt. Bei jedem Laborbesuch (Tage -5, 1, 3, 5, 6, 8, 10 und 11) wird auch eine bioelektrische Impedanzanalyse (BIA) zur Beurteilung der Körperzusammensetzung eingesetzt.

Ernährungsinterventionen und Energiebilanz:

Die Diät richtet sich nach der Referenz-Tagesnährstoffzufuhr, um etwa 60, 20 bzw. 20 % der Energie aus Kohlenhydraten, Fett und Eiweiß bereitzustellen. Den Fördervorgaben entsprechend wird der Anteil der Gesamtenergie aus kartoffelbasierten Quellen bei EB >60 % und bei ED >65 % betragen. Kartoffeln werden auf verschiedene Arten gekocht, die keine nennenswerte Energiemenge zuführen, z. B. gekocht, in der Mikrowelle erhitzt, gebacken usw.

Manipulation der Energieverfügbarkeit:

Die Energieverfügbarkeit (EA), die als Energieaufnahme minus Energieaufwand durch Training definiert ist – normalisiert auf fettfreie Masse – wird als Schlüsselparameter zur Bestimmung der Energiebilanz verwendet. Die Forscher sind die ersten, die gezeigt haben, dass Werte unter 30 kcal/kg/FFM die Reaktionen der Skelettmuskulatur modulieren können, was im Einklang mit anderen Untersuchungen zu einer Reihe von Stoffwechselreaktionen auf EA steht. Basierend auf dieser aktuellen Studie, bei der etwa 14 Stunden lang 20 kcal/kg FFM/Tag verwendet wurden, führt die aktuelle Intervention über einen längeren Zeitraum zu einem ausgeprägteren Energiedefizit. Die durchschnittliche Energieaufnahme über die 5 Tage für einen durchschnittlichen Teilnehmer mit 85 kg (70 kg FFM) beträgt 3780 kcal/Tag für EB und 1330 kcal/Tag für ED. Dadurch wird über den Zeitraum von 5 Tagen ein kumulatives Energiedefizit von ungefähr 12.250 kcal erreicht, was zu einem Verlust von ca. 1,5 kg Körpermasse aus Nettogewebe führt, vorausgesetzt, dass ca. 7.450 kcal erforderlich sind, um 1 kg Nettogewebe zu verlieren. Der Wasserverlust macht zusätzlich ca. 1 kg des Körpergewichtsverlusts aus, was auf einen Rückgang der endogenen Kohlenhydratspeicher (Glykogen), an die sich Wasser bindet, sowie auf Wasserschwankungen aufgrund von Natriumveränderungen zurückzuführen ist. Das Glykogen der Skelettmuskulatur ist ebenfalls ein Regulator der Muskelqualitätsaspekte und wird ebenfalls untersucht.

Fächer. Eine normale Population wird es den Forschern ermöglichen, die physiologischen Reaktionen auf diesen Eingriff zu bestimmen. Zehn junge (18-40 Jahre) gesunde, regelmäßig Sport treibende Männer mit einem Körperfettanteil ~18-26 %.

Qualität:

Bei den mit dieser Studie und der Überprüfung des Studienprotokolls verbundenen Forschern handelt es sich ausschließlich um Mitarbeiter (oder Doktoranden) des Liverpool John Moores University Research Institute for Sport & Exercise Sciences (RISES). Im Jahr 2014 reichte die RISES (LJMU) 34,75 VZÄ (Vollzeitäquivalent) bei Unit of Assessment 26 (UoA26) ein und erreichte einen GPA (Notendurchschnitt) von 3,57. Mit dem zweiten Platz beim GPA in der UoA wurde RISES zum führenden Zentrum für die Qualität der Sport- und Bewegungswissenschaftsforschung im Vereinigten Königreich (4* – 61 % aller Aktivitäten weltweit führend, 3* – 36 % aller Aktivitäten international ausgezeichneter Standard). RISES hat die größte Menge an 4*-Ergebnissen (n=60) in der UoA eingereicht, 90 % der Wirkungsaktivität wurden mit 4* bewertet und 100 % der Umwelt wurden mit 4* bewertet. Wichtig ist, dass RISES von 1.911 Einsendungen in allen 36 UoA-Studiengängen im gesamten Vereinigten Königreich den 11. Platz für den GPA erreichte, der bei REF2014 erreicht wurde, womit RISES (LJMU) in den Ranglisten für diese Metrik neben Oxford, UCL, LSE und Cambridge liegt.