Harjoittelun vaikutus proteiinin ilmentymiseen luustolihaskudoksessa harjoituksen jälkeen ääreisvaltimosairauksissa

Miksi tämä kliininen ongelma on tärkeä?

Perifeerinen valtimotauti (PAD) on suuri terveysongelma Australiassa, ja sen esiintyvyys on 15 % yli 65-vuotiaista miehistä. PAD:n suorat terveydenhuoltokustannukset Australiassa olivat 180 miljoonaa dollaria vuonna 1994, josta 78 % liittyi sairaalahoitoihin. PAD on myös merkki edenneelle sydän- ja verisuonitaudille (CVD), johon liittyy sepelvaltimo-, aivo-, munuais- ja aorttasuonit; 2-3-kertainen sydän- ja verisuonitautiin liittyvä kuolleisuusriski. Vuosina 2006–2007 25 813 sairaalahoitoa ja 2 163 kuolemaa johtui PAD:sta (Australian Institute of Health and Welfare 2009). Australian väestön ikääntyminen ja PAD:n esiintyvyys lisääntyy (Australian Institute of Health and Welfare 2009), kansalliset vuosittaiset sydän- ja verisuonisairauksien terveydenhuoltomenot todennäköisesti kasvavat ylittäen huomattavasti vuosina 2000-2001 käytetyt 5,4 miljardia dollaria (Australian Bureau of Statistics 2006). ). Yleisin lievän tai keskivaikean PAD:n oire on ajoittainen lonkka (IC), joka määritellään kävelyn aiheuttamaksi kipuksi ja kouristukseksi toisessa tai molemmissa jaloissa (useimmiten pohkeissa), joka helpottuu levolla. Ensisijainen ja tehokkain hoito henkilöille, joilla on ajoittaista kylkyyttä, keskittyy kävelykyvyn ja toimintatilan parantamiseen.

Mitä jo tiedetään harjoituksen vaikutuksesta jaksoittaiseen horjumiseen?

Harjoittelun hyödylliset vaikutukset hoitona on vahvistettu useissa satunnaistetuissa kontrolloiduissa tutkimuksissa. Optimaalista harjoitusmuotoa ei ole vielä selvitetty. Mekanismeja, jotka parantavat kyynärhäiriöitä harjoituksen myötä, ovat suurelta osin tuntemattomia. Vaikka harjoittelu stimuloi iskeemis-reperfuusio (I-R) -kohtausta, toistuva harjoittelu voi tuottaa mukautuvan vasteen tähän I-R-kohtaukseen. Muita mahdollisia teemoja ovat harjoituksen vaikutus angiogeneesin ja/tai lihasproteiinisynteesin stimulointiin tai estoon.

Vaikka IC:n pääasiallinen syy on vähentynyt verenvirtaus alaraajoihin verrattuna lisääntyneeseen tarpeeseen harjoituksen aikana, IC:n patofysiologiaa ei täysin ymmärretä. Esimerkiksi raajan hemodynamiikka ei korreloi läheisesti kliinisen esityksen tai huippusuorituskyvyn rajoitusten kanssa. PAD:n vakavuuden hemodynaamiset mittaukset, kuten nilkka-olkavarren systolinen verenpaineindeksi (ABI) ja verenvirtaus venymämittarin pletysmografialla, ovat huonoja IC-potilaiden harjoituskyvyn ennustajia.

Poikkileikkaustutkimukset osoittavat, että tulehdus liittyy PAD:n esiintymiseen, etenemiseen ja vaikeusasteeseen. Tämä saattaa selittää näillä potilailla havaitun ylimääräisen kardiovaskulaarikuolleisuuden (vähintään 50 % 10 vuoden kohdalla). Harjoittelun vaikutusta kyynärpäähän on eniten tutkittu perifeerisen veren tulehdusmarkkereilla.

Mikä on proteiinin ilmentymisen mittaamisen merkitys lihaskudoksessa?

Vaikka ääreisveren biomarkkerit auttavat ymmärtämään kludikaation systeemisiä ilmenemismuotoja, se ei heijasta sitä, mitä lihaksissa ja mikroverenkierrossa tapahtuu. Suurin osa proteiinin ilmentymisen muutoksista on liian hienovaraisia ​​havaittaviksi ääreisveressä. Hankinnan helppous ei vastaa kuulustelun helppoutta. Seerumin proteiinien dynaaminen valikoima tekee analysoinnista erittäin haastavaa, koska runsaasti esiintyvät proteiinit pyrkivät peittämään alhaisemman runsaan proteiinit; kun taas pieni määrä proteiineja, mukaan lukien albumiini, beeta-2-makroglobuliini, transferriini ja immunoglobuliinit, voi edustaa yli 90 % seerumin proteiineista11.

Solun tai kudoksen proteiinikomplementti on dynaaminen ja heijastaa ikää, elinkaarta ja olosuhteita, joille solu altistuu, tai tiettyä sairaustilaa. On selvää, että useimmissa sairauksissa proteiinit altistuvat lukuisille muutoksille, mukaan lukien translaation jälkeiset modifikaatiot ja/tai proteolyyttinen pilkkoutuminen; samoin tietyissä sairauksissa proteiinin ilmentyminen muuttuu. Viestiribonukleiinihappo (mRNA) on molekyyli, joka koodaa proteiinin kemiallista suunnitelmaa. Silti mRNA:n differentiaalista ilmentymistä tutkivat mikroryhmät eivät anna tietoa translaation jälkeisestä modifikaatiosta, joten ainoa tapa arvioida proteiinien vaikutus on proteiinitasolla.

Jotkut tutkimukset ovat tutkineet eroja luustolihasten histokemiallisissa ja biokemiallisissa ominaisuuksissa PAD-potilaiden ja terveiden samanikäisten henkilöiden välillä. Suurin osa PAD-potilaiden lihasbiopsiatutkimuksista on osoittanut muutoksia lihassäikeen tyypin jakautumisessa, denervaatiossa ja muutoksia lihasten aineenvaihdunnassa ilman käsitystä proteiinien ilmentymisestä12, 13, 14. On olemassa huomattavaa näyttöä siitä, että luurankolihasten metabolinen tila on häiriintynyt potilailla, joilla on PAD, verrattuna ikäisiin terveisiin kontrolleihin. Varhaisimpien havaintojen joukossa oli odottamaton havainto, että useiden mitokondrioiden entsyymien ilmentyminen ja aktiivisuus lisääntyvät PAD-potilaiden raajojen luustolihaksissa. IC-potilaiden luustolihakset muuttuvat liikunnan myötä, mutta nykyinen näyttö ei anna valoa muutosmekanismeihin tai onko muutos sama kaikilla potilailla. Tiedämme jo, että jotkut potilaat paranevat liikunnan myötä, kun taas toiset eivät. Näin ollen herää kysymys, onko näiden potilaiden vasteessa liikuntaan biologista monimuotoisuutta.

Armstrong ym. tutkivat luurankolihasten kalsiumin homeostaasin häiriöitä ja ehdottivat, että niillä voisi olla keskeinen rooli harjoituksen aiheuttamien lihasvaurioiden kehittymisessä. Jotkut harjoituksen jälkeisistä välittömistä lihasmuutoksista on katsottu johtuvan proteiinien hajoamisesta ei-lysosomaalisten kysteiiniproteaasien, kuten kalpaiinin, käynnistämiä. Solunsisäisen kalsiumin nousu harjoituksen jälkeen voi aktivoida kalpaiinit. Lihaskudos ilmentää kolmea erillistä kalpaiinia, mukaan lukien hyvin karakterisoidut kaikkialla esiintyvät kalpaiinit - m-kalpaiini, μ-kalpaiini ja n-kalpaiini. Wang ym. ovat tulleet eläintutkimuksissa siihen tulokseen, että proteaasin m-kalpaiinin lisääntyneet tasot edistävät lihasvaurioita, kun taas kalpastatiiniproteiinin ilmentyminen saattaa suorittaa suojaavan toiminnon lihasvaurioita vastaan. Tätä ei ole vielä tutkittu ihmistutkimuksissa. Voidaan olettaa, että kalpastatiinin ja m-kalpaiinin tasot ovat tärkeitä selitettäessä vaihtelevaa vastetta liikuntaan IC:ssä ja miksi jotkut potilaat paranevat ja toiset eivät.

Harjoittelun hyödyistä on ristiriitaisia ​​todisteita. Tsai ym. ovat havainneet, että normaali harjoitusvaikutus glukoosinkuljettaja 4:n (GLUT4) geenin ilmentymiseen eliminoitui täysin sekä akuutin että kroonisen iskemian vuoksi translaatiota edeltävällä tasolla. Lisäksi kroonisen iskemian aiheuttaman lihasatrofian havaittiin olevan vakavampi harjoittetuilla rotilla kuin kouluttamattomilla rotilla. Tämä tulos viittaa siihen, että henkilöille, joilla on heikentynyt mikrovaskulaarinen sairaus, harjoittelu ei ehkä ole hyödyllistä lihasmassan ylläpitämisessä. Näin ollen harjoittelun vaikutusta ihmisiin, joilla on IC (iskemia), ei ole vielä selvitetty.

Tiedämme, että kaikilla koehenkilöillä on erilaisia ​​harjoituskykyjä, eivätkä potilaat, joilla on ajoittainen selkkaus, eroa toisistaan. Potilaat, jotka harjoittelevat jaksoittaisen horjumisen vuoksi, olisivat erilaisia ​​proteiinien ilmentymisen suhteen liikunnan vuoksi. Tästä syystä potilaat toimivat omina kontrollinaan kunkin yksilön vahingoittumattomasta lihaksesta otetun biopsian avulla.

Harjoittavan luustolihaksen proteiinien avoin massaspektroskopiatutkimus antaisi käsityksen harjoitusvaikutuksen mekanistisesta reitistä jaksoittaisessa horjumisessa.

Mikä on proteiinin ilmentymisen ja tulehduksen välinen suhde harjoituksessa, jossa on ajoittainen kyynärhäiriö?

Iskemia-reperfuusiotyyppistä vauriota aiheuttavan harjoituksen kliininen malli on todistettu tulehdusmerkkiaineilla. Neutrofiilit ovat ensimmäisiä soluja, jotka alkavat kerääntyä kudokseen vauriokohdassa ja tuhoavat nekroottista kudosta fagosytoosin kautta samalla kun ne toimivat yhdessä itse lihaskudoksesta peräisin olevien makrofagien kanssa. Neutrofiilien esiintyminen lihaksissa on dokumentoitu erilaisten eksentrinen harjoitusten jälkeen. Tutkimus, jossa tarkasteltiin neutrofiilien toimintaa harjoittettaessa rauhoittumista, osoitti lisääntynyttä neutrofiilien aktivaatiota, joka ilmeni erilaistumisantigeenin IIb (CD11b) neutrofiilien adheesioreseptoriklusterin lisääntyneenä ilmentymisenä ja degranulaatiota, joka ilmeni plasman neutrofiilien elastaasin lisääntymisenä. Tämä tapahtui välittömästi harjoituksen jälkeen näillä potilailla, joilla oli ajoittainen kylmys. Vielä ei ole selvää, vastaako tämä trendiä ennustaa tuloksia.

Proteaasi m-Calpain on kemotaktinen tekijä neutrofiileille ja sillä voi olla rooli paikallisessa ja systeemisessä tulehdusvasteessa. Kunimatsu et ai. Yhdessä Calpastatinin kanssa nämä proteiinit voivat olla avainasemassa paikallisten lihasvaurioiden, korjaamisen ja systeemisen tulehdusvasteen indusoinnin välillä.

Proteiinien kemiallisella modifikaatiolla voi olla rooli sairauksien patogeneesissä diabeteksesta ateroskleroosiin ja iskemia-reperfuusiovaurioon ja ehkä itse ikääntymisprosessiin. Advanced Glycosylation End products (AGE:t) ovat lopputuotteita glykosylaatioreaktioista, joissa sokerimolekyyli sitoutuu joko proteiini- tai lipidimolekyyliin ilman entsyymiä reaktion säätelemiseksi. AGE:iden muodostuminen ja kertyminen on liitetty ikääntymiseen liittyvien sairauksien, erityisesti sydän- ja verisuonitautien, etenemiseen. Niillä on useita patologisia vaikutuksia, mukaan lukien verisuonten laajentumisen estäminen häiritsemällä typpioksidia (Endothelium Derived Relaxation Factor), sitomalla makrofageja ja endoteelisoluja tulehduksellisten sytokiinien erittymisen indusoimiseksi ja oksidatiivisen stressin lisäämiseksi. Oletamme, että liikunta stimuloi glukoosin ottoa endoteelisoluissa, mikä lisää AGE:n synteesiä. On vielä selvitettävä, tehostaako vai vähentääkö liikunta jälleen tätä prosessia.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on tutkia tulehduksellisia biomarkkereita, mukaan lukien interleukiini-6 (IL-6), neutrofiilien elastaasi ja Advanced Glycated -lopputuotteet, joissa on proteiineja, joiden tiedetään vaikuttavan kudosvaurioihin tai korjaamiseen (Calpains ja Calpastatin), jotta voidaan määrittää eri muotojen vaikutus. tämän prosessin harjoittamisen määrittämiseksi

1. Sopiiko liikunta kaikille potilaille? eli

   1. Vastaavatko kaikki potilaat pro-inflammatorisella vasteella? ja
   2. Tuottaako harjoitus mukautuvan vasteen tähän kaikille potilaille? tai
   3. Stimuloiko harjoitus joillakin potilailla I-R-infarktia, jota harjoittelu ei vähennä?
   4. Mikä on paikallinen kudosvaste harjoitteluun kudosvaurion tai korjauksen kannalta (proteiinianalyysillä mitattuna)
2. Mikä on paras liikuntamuoto näille sopiville potilaille?

3. Onko potilaiden vasteessa liikuntaan biologista monimuotoisuutta

   1. Systeeminen tulehdusvaste (perustuu IL-6:een, neutrofiilien elastaasiin ja AGE:ihin)?
   2. Paikallinen vaste (proteiinianalyysin perusteella)?

4. Vähentääkö näiden potilaiden fysiologinen vaste liikuntaan sydän- ja verisuonitautiin liittyvän sairastuvuuden/kuolleisuuden riskiä?

   a. Tämän osoittavat muutokset kardiopulmonaalisten rasitustestien (CPET) tulosparametreissa ja endoteelin toiminnassa.

5. Onko endoteelin vajaatoiminta palautuva? a. Virtausvälitteisellä dilataatiolla mitattuna.

Systeemisestä verestä ja paikallisesta lihaskudoksesta saatujen tietojen yhdistetty käyttö auttaisi luonnehtimaan ikään liittyvien PAD-muutosten metabolisia ja toiminnallisia seurauksia luustolihaksissa. Se auttaisi myös tunnistamaan mekaanisen reitin, jolla harjoittelu vaikuttaa potilaaseen, jolla on ajoittainen selkeys.