Effetto dell'esercizio fisico sull'espressione proteica nel tessuto muscolare scheletrico dopo l'esercizio nella malattia arteriosa periferica

Perché questo problema clinico è importante?

La malattia arteriosa periferica (PAD) è un grave problema di salute in Australia, con una prevalenza del 15% nei maschi di età superiore ai 65 anni. Il costo sanitario diretto della PAD in Australia è stato di 180 milioni di dollari nel 1994, di cui il 78% associato a ricoveri. La PAD è anche un marcatore di malattia cardiovascolare avanzata (CVD) che coinvolge i vasi coronarici, cerebrali, renali e aortici; con un aumento di 2-3 volte del rischio di mortalità correlata a malattie cardiovascolari. Nel 2006-2007, 25.813 ricoveri e 2.163 decessi sono stati il ​​risultato del PAD (Australian Institute of Health and Welfare 2009). L'invecchiamento della popolazione australiana e la prevalenza della PAD aumentano (Australian Institute of Health and Welfare 2009), la spesa sanitaria annuale nazionale per le malattie cardiovascolari è destinata ad aumentare, superando ampiamente i 5,4 miliardi di dollari spesi nel 2000-01 (Australian Bureau of Statistics 2006 ). Il sintomo più frequente di PAD da lieve a moderata è la claudicatio intermittente (IC), definita come dolore e crampi indotti dalla deambulazione in una o entrambe le gambe (il più delle volte polpacci) che si alleviano con il riposo. Il trattamento principale e più efficace per le persone con claudicatio intermittens si concentra sul miglioramento della capacità di deambulazione e dello stato funzionale.

Cosa si sa già sull'effetto dell'esercizio nella claudicatio intermittente?

Gli effetti benefici dell'esercizio fisico come trattamento sono stati confermati in numerosi studi controllati randomizzati. La forma ottimale di esercizio non è stata ancora chiarita. I meccanismi di miglioramento della claudicatio con l'esercizio sono in gran parte sconosciuti. Sebbene l'esercizio stimoli un insulto da riperfusione ischemica (IR), l'esercizio ripetitivo può produrre una risposta adattativa a questo insulto IR. Altri potenziali temi includono l'effetto dell'esercizio sulla stimolazione o l'inibizione dell'angiogenesi e/o della sintesi proteica muscolare.

Sebbene la causa principale dell'IC sia la riduzione del flusso sanguigno agli arti inferiori rispetto all'aumento della domanda durante l'esercizio, la fisiopatologia dell'IC non è completamente compresa. Ad esempio, l'emodinamica degli arti non è strettamente correlata alla presentazione clinica o alle limitazioni nelle prestazioni massime dell'esercizio. Le misure emodinamiche della gravità della PAD, come l'indice della pressione arteriosa sistolica caviglia-braccio (ABI) e il flusso sanguigno mediante pletismografia con estensimetro, sono scarsi predittori della capacità di esercizio nei pazienti con IC.

Studi trasversali indicano che l'infiammazione è associata alla presenza, alla progressione e alla gravità della PAD. Ciò potrebbe spiegare l'eccesso di mortalità cardiovascolare (almeno il 50% a 10 anni) osservato in questi pazienti. L'effetto dell'esercizio sulla claudicatio è stato maggiormente studiato con marcatori infiammatori nel sangue periferico.

Qual è l'importanza di misurare l'espressione proteica nel tessuto muscolare?

Mentre i biomarcatori del sangue periferico aiutano a comprendere le manifestazioni sistemiche della claudicatio, non riflettono ciò che sta accadendo nei muscoli e nella microcircolazione. La maggior parte dei cambiamenti nell'espressione proteica sono troppo sottili per essere rilevati nel sangue periferico. La facilità di acquisizione non corrisponde alla facilità di interrogatorio. La gamma dinamica delle proteine ​​nel siero rende l'analisi molto impegnativa perché le proteine ​​​​ad alta abbondanza tendono a mascherare quelle di minore abbondanza; mentre un piccolo numero di proteine ​​tra cui albumina, beta 2-macroglobulina, transferrina e immunoglobuline può rappresentare oltre il 90% delle proteine ​​sieriche11.

Il complemento proteico di una cellula o di un tessuto è dinamico e riflette l'età, il ciclo di vita e le condizioni a cui è soggetta la cellula o uno specifico stato patologico. È chiaro che nella maggior parte delle malattie le proteine ​​sono soggette a numerosi cambiamenti tra cui modificazioni post-traduzionali e/o scissione proteolitica; ugualmente in alcune malattie, vi è un'alterazione dell'espressione proteica. L'acido ribonucleico messaggero (mRNA) è la molecola che codifica il modello chimico di una proteina. Tuttavia i microarray che esaminano l'espressione differenziale dell'mRNA non forniranno informazioni sulla modifica post-traduzionale, quindi l'unico modo per valutare l'impatto delle proteine ​​è a livello proteico.

Alcuni studi hanno indagato la differenza nelle caratteristiche istochimiche e biochimiche del muscolo scheletrico tra pazienti con PAD e soggetti sani della stessa età. La maggior parte degli studi sulla biopsia muscolare di pazienti con PAD ha dimostrato alterazioni nella distribuzione del tipo di fibra muscolare, denervazione e alterazioni nel metabolismo muscolare senza alcuna comprensione dell'espressione proteica12, 13, 14. Esistono prove considerevoli che lo stato metabolico del muscolo scheletrico è perturbato nei pazienti con PAD rispetto ai controlli sani di pari età. Tra le prime osservazioni c'è stata la scoperta inaspettata che l'espressione e l'attività di diversi enzimi mitocondriali sono aumentate nel muscolo scheletrico degli arti con PAD. I muscoli scheletrici nei pazienti con IC cambiano con l'esercizio ma le prove attuali non fanno luce sui meccanismi di cambiamento o se il cambiamento è lo stesso in tutti i pazienti. Sappiamo già che alcuni pazienti migliorano con l'esercizio mentre altri no. Sorge quindi la domanda se esista una biodiversità nella risposta di questi pazienti all'esercizio.

Armstrong et al hanno studiato i disturbi nell'omeostasi del calcio del muscolo scheletrico e hanno suggerito che potrebbero svolgere un ruolo chiave nello sviluppo del danno muscolare indotto dall'esercizio. Alcuni dei cambiamenti muscolari immediati dopo l'esercizio sono stati attribuiti alla degradazione proteica avviata da proteasi cisteiniche non lisosomiali, come la calpaina. L'aumento del calcio intracellulare post-esercizio può attivare le calpaine. Il tessuto muscolare esprime tre calpaine distinte, comprese le calpaine ubiquitarie ben caratterizzate: m-calpaina, μ-calpaina e n-calpaina. Wang et al hanno concluso, in studi sugli animali, che l'aumento dei livelli della proteasi m-calpaina promuove il danno muscolare mentre l'espressione della proteina calpastatina potrebbe svolgere una funzione protettiva per il danno muscolare. Questo non è stato ancora studiato negli studi sull'uomo. Si può ipotizzare che i livelli di calpastatina e m-calpaina siano importanti per spiegare la risposta variabile all'esercizio in IC e perché alcuni pazienti migliorano e altri no.

Ci sono alcune prove contrastanti sul beneficio dell'esercizio. Tsai et al hanno scoperto che il normale effetto dell'allenamento sull'espressione genica del trasportatore del glucosio 4 (GLUT4) è stato completamente eliminato dall'ischemia acuta e cronica a livello pre-traduzionale. Inoltre, l'atrofia muscolare indotta da ischemia cronica è risultata più grave nei ratti allenati rispetto a quelli non allenati. Questo risultato suggerisce che per le persone con condizioni microvascolari compromesse, l'esercizio fisico potrebbe non essere utile per mantenere la massa muscolare. Pertanto, l'effetto dell'esercizio fisico in soggetti umani con IC (ischemia) deve ancora essere chiarito.

Sappiamo che tutti i soggetti differiscono nella loro capacità di esercizio e i pazienti con claudicatio intermittens non sono diversi. I pazienti sottoposti a esercizio per claudicatio intermittens sarebbero diversi in termini di espressione di proteine ​​dovute all'esercizio. Per questo motivo, i pazienti agirebbero come propri controlli per mezzo di una biopsia da un muscolo sano di ciascun individuo.

Un esame spettroscopico di massa aperto delle proteine ​​nel muscolo scheletrico in esercizio darebbe un'idea del percorso meccanicistico dell'effetto dell'esercizio nella claudicatio intermittente.

Qual è la relazione tra espressione proteica e infiammazione nell'esercizio con claudicatio intermittens?

Il modello clinico dell'esercizio che induce una lesione di tipo ischemia-riperfusione è stato corroborato dall'evidenza di marcatori di infiammazione. I neutrofili sono le prime cellule ad accumularsi nel tessuto nel sito della lesione, distruggendo il tessuto necrotico attraverso la fagocitosi mentre lavorano insieme ai macrofagi residenti del tessuto muscolare stesso. La presenza di neutrofili è stata documentata nel muscolo dopo vari tipi di esercizio eccentrico. Uno studio che ha esaminato la funzione dei neutrofili nell'esercizio dei claudicanti ha mostrato un aumento dell'attivazione dei neutrofili manifestato da una maggiore espressione del cluster del recettore dell'adesione dei neutrofili dell'antigene di differenziazione IIb (CD11b) e la degranulazione manifestata da un aumento dell'elastasi dei neutrofili plasmatici. Ciò si è verificato immediatamente dopo l'esercizio in questi pazienti con claudicatio intermittens. Non è ancora chiaro se ciò equivalga a una tendenza a prevedere i risultati.

La proteasi m-calpaina è un fattore chemiotattico per i neutrofili e può svolgere un ruolo nella risposta infiammatoria locale e sistemica. Tali adattamenti nelle risposte infiammatorie cellulari sono stati riportati in precedenza da Kunimatsu et al. Insieme alla calpastatina, queste proteine ​​possono rappresentare una chiave nel legame tra danno muscolare locale, riparazione e induzione di una risposta infiammatoria sistemica.

La modificazione chimica delle proteine ​​può svolgere un ruolo nella patogenesi di disturbi che vanno dal diabete all'aterosclerosi e al danno da ischemia-riperfusione e forse allo stesso processo di invecchiamento. I prodotti finali della glicosilazione avanzata (AGE) sono i prodotti finali delle reazioni di glicosilazione in cui una molecola di zucchero si lega a una molecola proteica o lipidica senza un enzima per controllare la reazione. La formazione e l'accumulo di AGE è stato implicato nella progressione delle malattie legate all'età, in particolare le malattie cardiovascolari. Hanno una serie di effetti patologici, tra cui l'inibizione della dilatazione vascolare interferendo con l'ossido nitrico (fattore di rilassamento derivato dall'endotelio), legando i macrofagi e le cellule endoteliali per indurre la secrezione di citochine infiammatorie e aumentando lo stress ossidativo. Ipotizziamo che l'esercizio stimola l'assorbimento del glucosio da parte delle cellule endoteliali aumentando la sintesi di AGE. Resta da stabilire se l'esercizio fisico migliora o riduce nuovamente questo processo.

Lo scopo di questo studio è esaminare i biomarcatori infiammatori, tra cui l'interleuchina-6 (IL-6), l'elastasi neutrofila e i prodotti finali glicati avanzati con proteine ​​note per influenzare il danno o la riparazione dei tessuti (calpaine e calpastatina) per determinare l'effetto di diverse forme di esercizio su questo processo, al fine di determinare

1. L'esercizio fisico è appropriato per tutti i pazienti? cioè.

   1. Tutti i pazienti rispondono con una risposta pro infiammatoria? E
   2. L'esercizio produce una risposta adattativa a questo in tutti i pazienti? O
   3. L'esercizio stimola un insulto IR in alcuni pazienti che non viene ridotto dall'esercizio fisico?
   4. Qual è la risposta tissutale locale all'esercizio in termini di danno o riparazione tissutale (misurata dall'analisi delle proteine)
2. Qual è la migliore forma di esercizio per questi pazienti idonei?

3. C'è una biodiversità nella risposta dei pazienti all'esercizio in termini di

   1. Risposta infiammatoria sistemica (basata su IL-6, elastasi neutrofila e AGE)?
   2. Risposta locale (basata sull'analisi delle proteine)?

4. La risposta fisiologica all'esercizio in questi pazienti riduce il rischio di morbilità/mortalità correlata alle CVD?

   UN. Come evidenziato dai cambiamenti nei parametri di esito del test da sforzo cardiopolmonare (CPET) e nella funzione endoteliale.

5. La compromissione della funzione endoteliale è reversibile? UN. Come misurato dalla dilatazione flusso-mediata.

L'uso combinato di dati provenienti dal sangue sistemico e dal tessuto muscolare locale aiuterebbe a caratterizzare le conseguenze metaboliche e funzionali dei cambiamenti della PAD associati all'età nel muscolo scheletrico. Aiuterebbe anche a identificare un percorso meccanicistico attraverso il quale l'esercizio esercita il suo effetto sul paziente con claudicatio intermittens.