Efecto del entrenamiento físico sobre la expresión de proteínas en el tejido muscular esquelético después del ejercicio en la enfermedad arterial periférica

¿Por qué es importante este problema clínico?

La enfermedad arterial periférica (PAD) es un problema de salud importante en Australia, con una prevalencia del 15% en hombres mayores de 65 años. El coste sanitario directo de la EAP en Australia fue de 180 millones de dólares en 1994, de los cuales el 78 % estaba asociado a hospitalizaciones. PAD también es un marcador de enfermedad cardiovascular avanzada (CVD) que involucra vasos coronarios, cerebrales, renales y aórticos; con un riesgo 2-3 veces mayor de mortalidad relacionada con ECV. En 2006-2007, 25.813 hospitalizaciones y 2.163 muertes fueron el resultado de PAD (Instituto Australiano de Salud y Bienestar 2009). El envejecimiento de la población australiana y la prevalencia de la EAP aumentan (Australian Institute of Health and Welfare 2009), es probable que aumente el gasto sanitario nacional anual en enfermedades cardiovasculares, superando con creces los 5400 millones de dólares gastados en 2000-01 (Australian Bureau of Statistics 2006 ). El síntoma más frecuente de la EAP de leve a moderada es la claudicación intermitente (CI), definida como dolor y calambres inducidos por caminar en una o ambas piernas (con mayor frecuencia en las pantorrillas) que se alivia con el reposo. El tratamiento principal y más eficaz para las personas con claudicación intermitente se centra en mejorar la capacidad para caminar y el estado funcional.

¿Qué se sabe ya sobre el efecto del ejercicio en la claudicación intermitente?

Los efectos beneficiosos del entrenamiento físico como tratamiento se han confirmado en varios ensayos controlados aleatorios. La forma óptima de ejercicio aún no ha sido dilucidada. Los mecanismos de mejora de la claudicación con el ejercicio son en gran parte desconocidos. Aunque el ejercicio estimula un insulto de reperfusión isquémica (I-R), el ejercicio repetitivo puede producir una respuesta adaptativa a este insulto de I-R. Otros temas potenciales incluyen el efecto del ejercicio sobre la estimulación o inhibición de la angiogénesis y/o la síntesis de proteínas musculares.

Aunque la causa principal de la CI es la reducción del flujo sanguíneo a las extremidades inferiores en relación con el aumento de la demanda durante el ejercicio, la fisiopatología de la CI no se comprende por completo. Por ejemplo, la hemodinámica de las extremidades no se correlaciona estrechamente con la presentación clínica o las limitaciones en el rendimiento máximo del ejercicio. Las medidas hemodinámicas de la gravedad de la EAP, como el índice de presión arterial sistólica (ITB) tobillo-brazo y el flujo sanguíneo mediante pletismografía con galgas extensométricas, son malos predictores de la capacidad de ejercicio en pacientes con CI.

Estudios transversales indican que la inflamación está asociada con la presencia, progresión y severidad de la EAP. Esto puede explicar el exceso de mortalidad cardiovascular (al menos el 50% a los 10 años) observado en estos pacientes. El efecto del ejercicio sobre la claudicación ha sido más estudiado con marcadores inflamatorios en sangre periférica.

¿Cuál es la importancia de medir la expresión de proteínas en el tejido muscular?

Si bien los biomarcadores de sangre periférica ayudan a comprender las manifestaciones sistémicas de la claudicación, no reflejan lo que sucede en los músculos y la microcirculación. La mayoría de los cambios en la expresión de proteínas son demasiado sutiles para ser detectados en sangre periférica. La facilidad de adquisición no se corresponde con la facilidad de interrogación. El rango dinámico de las proteínas en el suero hace que el análisis sea muy desafiante porque las proteínas de gran abundancia tienden a enmascarar las de menor abundancia; mientras que un pequeño número de proteínas, incluidas la albúmina, la beta 2-macroglobulina, la transferrina y las inmunoglobulinas, pueden representar más del 90 % de las proteínas séricas11.

El complemento proteico de una célula o tejido es dinámico y refleja la edad, el ciclo de vida y las condiciones a las que está sujeta la célula o un estado de enfermedad específico. Está claro que en la mayoría de las enfermedades, las proteínas están sujetas a numerosos cambios que incluyen modificaciones postraduccionales y/o escisión proteolítica; igualmente en ciertas enfermedades, hay alteración de la expresión de proteínas. El ácido ribonucleico mensajero (ARNm) es la molécula que codifica el modelo químico de una proteína. Sin embargo, los microarrays que examinan la expresión diferencial del ARNm no proporcionarán información sobre la modificación postraduccional, por lo que la única forma de evaluar el impacto de las proteínas es a nivel de proteína.

Algunos estudios han investigado la diferencia en las características histoquímicas y bioquímicas del músculo esquelético entre pacientes con EAP y sujetos sanos de la misma edad. La mayoría de los estudios de biopsia muscular de pacientes con EAP han demostrado alteraciones en la distribución del tipo de fibra muscular, denervación y alteraciones en el metabolismo muscular sin conocer la expresión de proteínas12, 13, 14. Existe evidencia considerable de que el estado metabólico del músculo esquelético está alterado en pacientes con EAP en comparación con controles sanos de la misma edad. Entre las primeras observaciones estuvo el hallazgo inesperado de que la expresión y la actividad de varias enzimas mitocondriales aumentan en el músculo esquelético de las extremidades con EAP. Los músculos esqueléticos en pacientes con CI cambian con el ejercicio, pero la evidencia actual no arroja luz sobre los mecanismos de cambio o si el cambio es el mismo en todos los pacientes. Ya sabemos que algunos pacientes mejoran con el ejercicio mientras que otros no. Por lo tanto, surge la pregunta de si existe una biodiversidad en la respuesta de estos pacientes al ejercicio.

Armstrong et al estudiaron las alteraciones en la homeostasis del calcio del músculo esquelético y sugirieron que podrían desempeñar un papel clave en el desarrollo del daño muscular inducido por el ejercicio. Algunos de los cambios musculares inmediatos después del ejercicio se han atribuido a la degradación de proteínas iniciada por cisteína proteasas no lisosomales, como la calpaína. La elevación del calcio intracelular post-ejercicio puede activar las calpaínas. El tejido muscular expresa tres calpaínas distintas, incluidas las calpaínas ubicuas bien caracterizadas: m-calpaína, μ-calpaína y n-calpaína. Wang et al han concluido, en estudios con animales, que el aumento de los niveles de la proteasa m-calpaína promueve la lesión muscular, mientras que la expresión de la proteína calpastatina podría desempeñar una función protectora para la lesión muscular. Esto aún no ha sido investigado en estudios humanos. Se puede plantear la hipótesis de que los niveles de calpastatina y m-calpaína son importantes para explicar la respuesta variable al ejercicio en la CI y por qué algunos pacientes mejoran y otros no.

Existe cierta evidencia contradictoria sobre el beneficio del ejercicio. Tsai et al han descubierto que el efecto del entrenamiento normal sobre la expresión del gen del transportador de glucosa 4 (GLUT4) se eliminó por completo tanto por la isquemia aguda como por la crónica a nivel pretraduccional. Además, se observó que la atrofia muscular inducida por isquemia crónica era más grave en las ratas entrenadas con ejercicio que en las ratas no entrenadas. Este resultado sugiere que para las personas con condiciones microvasculares deterioradas, el entrenamiento físico podría no ser beneficioso para mantener la masa muscular. Por lo tanto, el efecto del entrenamiento físico en sujetos humanos con CI (isquemia) aún no se ha dilucidado.

Sabemos que todos los sujetos difieren en su capacidad de ejercicio y los pacientes con claudicación intermitente no son diferentes. Los pacientes que realizan ejercicio por claudicación intermitente, serían diferentes en cuanto a su expresión de proteínas debidas al ejercicio. Por ello, los pacientes actuarían como sus propios controles mediante una biopsia de un músculo no afectado de cada individuo.

Un examen de espectroscopia de masas abierto de proteínas en el músculo esquelético en ejercicio daría una idea de la vía mecánica del efecto del ejercicio en la claudicación intermitente.

¿Cuál es la relación entre la expresión de proteínas y la inflamación en el ejercicio con claudicación intermitente?

El modelo clínico de ejercicio que induce una lesión de tipo isquemia-reperfusión ha sido corroborado por la evidencia de marcadores de inflamación. Los neutrófilos son las primeras células que comienzan a acumularse en el tejido en el sitio de la lesión, destruyendo el tejido necrótico a través de la fagocitosis mientras trabajan en conjunto con los macrófagos residentes del propio tejido muscular. Se ha documentado la presencia de neutrófilos en el músculo después de varios tipos de ejercicio excéntrico. Un estudio que analizó la función de los neutrófilos en claudicantes que hacían ejercicio mostró una mayor activación de los neutrófilos que se manifiesta por una mayor expresión del grupo de receptores de adhesión de neutrófilos del antígeno de diferenciación IIb (CD11b) y una desgranulación que se manifiesta por un aumento en la elastasa de los neutrófilos en plasma. Esto ocurrió inmediatamente después del ejercicio en estos pacientes con claudicación intermitente. Aún no está claro si esto equivale a una tendencia para predecir los resultados.

La proteasa m-Calpain es un factor quimiotáctico para los neutrófilos y puede desempeñar un papel en la respuesta inflamatoria local y sistémica. Tales adaptaciones en las respuestas inflamatorias celulares han sido reportadas anteriormente por Kunimatsu et al. Junto con la calpastatina, estas proteínas pueden ser clave en el vínculo entre el daño muscular local, la reparación y la inducción de una respuesta inflamatoria sistémica.

La modificación química de las proteínas puede desempeñar un papel en la patogenia de trastornos que van desde la diabetes hasta la aterosclerosis y la lesión por isquemia-reperfusión y quizás hasta el propio proceso de envejecimiento. Los productos finales de glicosilación avanzada (AGE) son los productos finales de las reacciones de glicosilación en las que una molécula de azúcar se une a una molécula de proteína o lípido sin una enzima para controlar la reacción. La formación y acumulación de AGE se ha implicado en la progresión de enfermedades relacionadas con la edad, en particular, enfermedades cardiovasculares. Tienen una variedad de efectos patológicos, incluida la inhibición de la dilatación vascular al interferir con el óxido nítrico (factor de relajación derivado del endotelio), la unión de macrófagos y células endoteliales para inducir la secreción de citocinas inflamatorias y aumentar el estrés oxidativo. Nuestra hipótesis es que el ejercicio estimula la captación de glucosa por las células endoteliales aumentando la síntesis de AGE. Queda por determinar si el ejercicio nuevamente mejora o reduce este proceso.

El objetivo de este estudio es examinar los biomarcadores inflamatorios, incluida la interleucina-6 (IL-6), la elastasa de neutrófilos y los productos finales de glicosilados avanzados con proteínas conocidas por influir en el daño o la reparación de los tejidos (calpaínas y calpastatina) para determinar el efecto de diferentes formas. de ejercicio sobre este proceso, a fin de determinar

1. ¿El ejercicio es apropiado para todos los pacientes? es decir.

   1. ¿Todos los pacientes responden con una respuesta proinflamatoria? y
   2. ¿El ejercicio produce una respuesta adaptativa a esto en todos los pacientes? o
   3. ¿El ejercicio estimula un insulto I-R en algunos pacientes que no se reduce con el entrenamiento físico?
   4. ¿Cuál es la respuesta del tejido local al ejercicio en términos de daño o reparación del tejido (medido por análisis de proteínas)
2. ¿Cuál es la mejor forma de ejercicio para estos pacientes adecuados?

3. ¿Existe una diversidad en la respuesta de los pacientes al ejercicio en términos de

   1. ¿Respuesta inflamatoria sistémica (basada en IL-6, elastasa de neutrófilos y AGE)?
   2. ¿Respuesta local (basada en el análisis de proteínas)?

4. ¿La respuesta fisiológica al ejercicio en estos pacientes reduce el riesgo de morbilidad/mortalidad relacionada con ECV?

   a. Como lo demuestran los cambios en los parámetros de resultado de la prueba de ejercicio cardiopulmonar (CPET) y la función endotelial.

5. ¿El deterioro de la función endotelial es reversible? a. Medido por dilatación mediada por flujo.

El uso combinado de datos de sangre sistémica y tejido muscular local ayudaría a caracterizar las consecuencias metabólicas y funcionales de los cambios de PAD asociados con la edad en el músculo esquelético. También ayudaría a identificar una vía mecánica por la cual el ejercicio ejerce su efecto sobre el paciente con claudicación intermitente.