Effetti del deficit energetico acuto e dell'esercizio aerobico sulla qualità muscolare

Giustificazione della ricerca:

Le strategie di perdita di peso che utilizzano solo la restrizione energetica possono portare a una riduzione della massa muscolare, che può anche compromettere ulteriormente la salute delle persone con condizioni metaboliche, come i diabetici di tipo 2. La massa e la funzione dei muscoli scheletrici sono fondamentali per mantenere un metabolismo sano e una qualità della vita per tutta la durata della vita. La combinazione di esercizio e restrizione calorica è un potente intervento per ridurre il peso corporeo e migliorare il metabolismo e lo stato di salute di soggetti sani, in sovrappeso e obesi. I ricercatori hanno precedentemente dimostrato che la sintesi proteica del muscolo scheletrico è ridotta con la restrizione energetica e che l'esercizio di tipo di resistenza può invertire questo effetto negativo. L'esercizio di tipo aerobico ha anche la capacità di stimolare la sintesi proteica muscolare e migliorare la qualità del muscolo aumentando la sintesi proteica mitocondriale. Tuttavia, il modo in cui il deficit energetico sovrapposto all'esercizio aerobico modula la qualità del muscolo scheletrico non è ben caratterizzato. Inoltre, gli studi esistenti hanno esaminato solo la sintesi proteica mista (non specifica) di diversi compartimenti intracellulari senza fornire dettagli su come è regolata la sintesi proteica per proteine ​​specifiche.

Questo progetto fornirà nuovi dati per svelare i meccanismi alla base dell'effetto positivo della restrizione energetica e del concomitante esercizio aerobico sulla qualità del muscolo scheletrico.

L'esercizio aerobico da solo è un intervento consolidato per aumentare la capacità mitocondriale e la funzione del muscolo scheletrico, ma l'effetto sul muscolo scheletrico della sovrapposizione della restrizione energetica durante l'esecuzione dell'esercizio aerobico non è ben caratterizzato. Recenti scoperte nelle scimmie Rhesus, la cui fisiologia risponde in modo molto simile a quella degli esseri umani, hanno dimostrato che la restrizione calorica per tutta la vita ha un profondo effetto positivo sul muscolo scheletrico. Questi risultati mostrano che la restrizione calorica non solo mantiene il contenuto contrattile del muscolo, ma salva anche il declino correlato all'età del contenuto e della capacità mitocondriale del muscolo scheletrico. Tuttavia, l'attività fisica in questo studio non era controllata e sembrava essere più alta nel gruppo con restrizione calorica, rappresentando un importante fattore di confusione. La ricerca sugli esseri umani che affronta domande simili finora è stata meno chiara. La perdita di peso pronunciata attraverso la sola restrizione energetica (10% del peso corporeo totale in ~ 7,5 settimane) nelle donne obese porta a una diminuzione del contenuto mitocondriale muscolare. In netto contrasto, l'utilizzo di una restrizione più lieve del 25% dell'energia totale da sola o combinata con l'esercizio durante 6 mesi in individui in sovrappeso ha mostrato una maggiore espressione di geni che codificano per le proteine ​​mitocondriali in entrambi i gruppi. Tuttavia, nonostante questi risultati promettenti suggeriscano che la perdita di peso combinata con l'esercizio migliorerà il metabolismo del muscolo scheletrico, attualmente non ci sono dati solidi per fornire supporto sull'uso concomitante di restrizione energetica ed esercizio aerobico con un'analisi approfondita dei suoi effetti fisiologici e molecolari negli umani.

Lo studio qui proposto includerà un breve periodo di esercizio strettamente controllato e assunzione dietetica per dimostrare che il deficit energetico durante l'esecuzione di esercizi aerobici si traduce in ulteriori benefici per l'adattamento metabolico muscolare. L'attuale progetto si basa sui risultati della ricerca precedente e recente del ricercatore per affrontare direttamente questa domanda. Questa ricerca ha dimostrato che l'esercizio di resistenza durante il 30% di deficit energetico giornaliero salva la diminuzione della sintesi proteica miofibrillare mista (non specifica) osservata con il solo deficit energetico. Inoltre, la ricerca del ricercatore ha dimostrato che l'esercizio aerobico aumenta la regolazione di specifiche proteine ​​nei mitocondri del muscolo scheletrico nei roditori; che il profilo delle goccioline lipidiche del muscolo scheletrico è sensibile all'esercizio e alla nutrizione; che la nutrizione modula la risposta cellulare all'esercizio aerobico e, cosa importante; che l'esercizio aerobico dopo un deficit energetico a breve termine (~ 14 ore) può aumentare i marcatori della biogenesi mitocondriale nel muscolo scheletrico e migliorare il controllo metabolico negli esseri umani.

Obiettivi e ipotesi:

La principale domanda di ricerca associata a questo studio è: "Qual è l'effetto combinato di un deficit energetico e di un allenamento aerobico sulla qualità muscolare (tassi di sintesi delle proteine ​​individuali, sarcoplasmatiche e mitocondriali) e sulla dinamica dei lipidi intramuscolari in un periodo di cinque giorni in soggetti sani?" maschi?'

Ulteriori obiettivi:

1. Identificare i meccanismi attraverso i quali un deficit energetico a breve termine (raggiunto attraverso la concomitante restrizione energetica ed esercizio fisico) può regolare il ricambio proteico muscolare individuale (sintesi, scomposizione e abbondanza), la dinamica dei lipidi intramuscolari, i metaboliti e il contenuto di glicogeno muscolare durante la perdita di peso.
2. Fornire nuove prove della capacità di una dieta a base di patate come fonte efficace di nutrienti per promuovere il muscolo scheletrico positivo e gli adattamenti metabolici durante la perdita di peso.

Ipotesi di studio:

La restrizione energetica a breve termine con l'esercizio aerobico concomitante aumenterà la qualità e la quantità delle proteine ​​del muscolo scheletrico correlate alla capacità mitocondriale, migliorerà il profilo delle goccioline lipidiche intracellulari del muscolo scheletrico e modulerà i marcatori ematici della salute metabolica rispetto all'esercizio senza deficit energetico.

Metodi di studio:

I partecipanti eseguiranno prima i test per la caratterizzazione (dettagliati di seguito) seguiti da una valutazione di base di 5 giorni (giorni da -5 a -1) e due periodi consecutivi di 5 giorni di esercizio controllato per aumentare la capacità ossidativa (3 giorni di esercizio aerobico per periodo, 15 kcal/kg FFM/giorno di dispendio energetico in corsa) e l'apporto energetico (15 giorni in totale, con una sessione di test la mattina 16). Ciò consentirà di raggiungere stati di bilancio energetico (EB; disponibilità di energia - EA - 45 kcal/kg di massa magra (FFM)/giorno), necessari per il mantenimento del peso (giorni 1 - 5), seguito da deficit energetico (ED; EA 10 kcal/kg FFM/giorno), necessario per la perdita di peso nei giorni 6 - 10. Questo disegno sperimentale, così come l'assunzione e il dispendio energetico, replica ciò che i ricercatori hanno precedentemente utilizzato per determinare con successo altri effetti fisiologici dell'ED sul muscolo scheletrico. Cinque giorni di EB ed EA consentiranno uno stretto controllo dell'assunzione dietetica e saranno sufficienti per rilevare i cambiamenti nei principali parametri oggetto di indagine.

I test di caratterizzazione dei partecipanti saranno ~ 15 giorni prima dell'inizio della valutazione di base per determinare la conformità con i criteri di inclusione, i livelli di forma fisica (consumo massimo di ossigeno e soglia del lattato [tramite campioni capillari prelevati dal dito]) e la composizione corporea. Alla valutazione di base verrà prelevata una biopsia di un muscolo a riposo dal vasto laterale (quadricipite), prima dell'ingestione del tracciante ossido di deuterio (D2O) nei successivi 15 giorni per consentire il profilo proteomico dinamico del muscolo scheletrico. Verranno prelevate un totale di 4 biopsie per partecipante, il che è in linea con la ricerca precedente dello sperimentatore. La valutazione di base viene utilizzata per l'arricchimento di D2O per il test di profilazione proteomica dinamica e per garantire che l'attività fisica regolare degli individui corrisponda ai requisiti dello studio. Durante ogni periodo sperimentale di 5 giorni, biopsie muscolari (giorni -5, 1, 6 e 11), campioni giornalieri di saliva (non stimolati, raccolti a casa) e regolari campioni di sangue venoso (giorni -5, 1, 3, 5, 6, 8, 10 e 11) saranno raccolti per la valutazione del profilo proteomico dinamico, del profilo delle goccioline lipidiche specifiche del tipo di fibra, del glicogeno del muscolo scheletrico e della D2O e degli ormoni e dei metaboliti del sangue correlati alla perdita di peso. Il tasso metabolico a riposo (RMR; valutato tramite calorimetria indiretta) e la valutazione della composizione corporea saranno condotti utilizzando due scansioni di assorbimetria a raggi X (DXA) nei giorni -5, 1, 6 e 11 dell'intervento. Verrà utilizzata anche l'analisi dell'impedenza bioelettrica (BIA) per valutare la composizione corporea ad ogni visita di laboratorio (giorni -5, 1, 3, 5, 6, 8, 10 e 11).

Interventi dietetici e bilancio energetico:

La dieta seguirà l'assunzione giornaliera di riferimento di nutrienti per fornire rispettivamente ~ 60, 20 e 20% di energia da carboidrati, grassi e proteine. In linea con i requisiti di finanziamento, la percentuale di energia totale da fonti a base di patate sarà >60% durante EB e >65% durante ED. Le patate saranno cotte in una gamma di modi diversi che non aggiungono una quantità significativa di energia come bollite, al microonde, al forno, ecc.

Manipolazione della disponibilità energetica:

La disponibilità di energia (EA), che è definita come l'apporto energetico meno il dispendio energetico dall'esercizio - normalizzato alla massa magra - viene utilizzata come parametro chiave per determinare il bilancio energetico. I ricercatori sono i primi ad aver dimostrato che valori inferiori a 30 kcal/kg/FFM possono modulare le risposte dei muscoli scheletrici, il che è in linea con altre ricerche su una serie di risposte metaboliche all'EA. Sulla base di questa recente ricerca, che ha utilizzato 20 kcal/kg FFM/giorno per ~14 ore, l'attuale intervento indurrà un deficit energetico più pronunciato più a lungo. L'apporto energetico medio nei 5 giorni per un partecipante medio di 85 kg (70 kg FFM) sarà di 3780 kcal/giorno per EB e 1330 kcal/giorno ED. Ciò consentirà di raggiungere un deficit energetico cumulativo approssimativo di 12250 kcal nel periodo di 5 giorni, con conseguente perdita di circa ~ 1,5 kg di massa corporea dal tessuto netto, dato che sono necessarie ~ 7450 kcal per perdere 1 kg di tessuto netto. La perdita d'acqua rappresenterà un ulteriore ~ ​​1 kg della perdita di peso corporeo che sarà una conseguenza di una diminuzione delle riserve di carboidrati endogeni (glicogeno), a cui si lega l'acqua, nonché fluttuazione dell'acqua dovuta ai cambiamenti di sodio. Anche il glicogeno del muscolo scheletrico è un regolatore degli aspetti qualitativi del muscolo e sarà oggetto di indagine.

Soggetti. Una popolazione normale consentirà ai ricercatori di determinare le risposte fisiologiche a questo intervento. Dieci uomini giovani (18-40 anni) in buona salute, che si esercitano regolarmente con una percentuale di grasso corporeo di circa il 18-26%.

Qualità:

I ricercatori associati a questo studio e associati alla revisione del protocollo di studio sono tutti membri del personale (o uno studente di dottorato) all'interno del Liverpool John Moores University Research Institute for Sport & Exercise Sciences (RISES). Nel 2014 RISES (LJMU) ha presentato 34,75 FTE (equivalente a tempo pieno) all'Unità di valutazione 26 (UoA26) e ha raggiunto un GPA (Grade Point Average) di 3,57. Al secondo posto su GPA nell'UoA, RISES è diventato il principale centro per la qualità della ricerca sulle scienze motorie e sportive nel Regno Unito (4 * - 61% di tutte le attività leader a livello mondiale, 3 * - 36% di tutte le attività standard eccellente a livello internazionale). RISES ha presentato il maggior volume di uscite 4* (n=60) nell'UoA, ha avuto il 90% dell'attività di impatto valutata a 4* e ha avuto il 100% dell'ambiente valutato come 4*. È importante sottolineare che su 1.911 candidature in tutti i RISES di 36 UoA è arrivato 11° in tutto il Regno Unito per GPA raggiunto a REF2014, mettendo RISES (LJMU) tra Oxford, UCL, LSE e Cambridge nelle classifiche per questa metrica.