末梢動脈疾患における運動後の骨格筋組織のタンパク質発現に対する運動トレーニングの効果

この臨床問題がなぜ重要なのでしょうか?

末梢動脈疾患 (PAD) はオーストラリアの主要な健康問題であり、65 歳以上の男性の有病率は 15% です。 オーストラリアにおける PAD の直接医療費は 1994 年に 1 億 8,000 万ドルで、そのうち 78% が入院に関連していました。 PAD は、冠状動脈、脳、腎臓、大動脈の血管が関与する進行性心血管疾患 (CVD) のマーカーでもあります。 CVD関連死亡リスクが2～3倍増加します。 2006 年から 2007 年には、25,813 人が入院し、2,163 人が死亡しました (オーストラリア保健福祉研究所、2009)。 オーストラリアの人口の高齢化とPADの有病率の増加(オーストラリア保健福祉研究所、2009年)により、心血管疾患に対する国民の年間医療支出は増加する可能性があり、2000年から2001年に支出された54億ドルを大幅に上回ります(オーストラリア統計局、2006年) ）。 軽度から中等度の PAD で最も頻繁に見られる症状は間欠性跛行 (IC) です。これは、歩行によって引き起こされる片脚または両脚 (ふくらはぎが最も多い) の痛みとけいれんとして定義され、休息すると軽減されます。 間欠性跛行の患者に対する主かつ最も効果的な治療法は、歩行能力と機能状態を改善することに焦点を当てています。

間欠性跛行における運動の効果について、すでにわかっていることは何ですか?

治療としての運動トレーニングの有益な効果は、いくつかのランダム化比較試験で確認されています。 最適な運動方法はまだ解明されていません。 運動による跛行の改善メカニズムはほとんどわかっていません。 運動は虚血再灌流（I-R）損傷を刺激しますが、反復運動はこの I-R 損傷に対する適応反応を引き起こす可能性があります。 他の潜在的なテーマには、血管新生および/または筋タンパク質合成の刺激または阻害に対する運動の影響が含まれます。

IC の主な原因は、運動中の需要の増加に比べて下肢への血流の減少ですが、IC の病態生理学は完全には理解されていません。 たとえば、四肢の血行動態は、臨床症状やピーク時の運動パフォーマンスの制限と密接な相関関係はありません。 足首上腕収縮期血圧指数（ABI）やひずみゲージプレチスモグラフィーによる血流などのPADの重症度の血行動態測定は、IC患者の運動能力の予測因子としては不十分です。

横断研究では、炎症が PAD の存在、進行、重症度と関連していることが示されています。 これは、これらの患者に見られる超過心血管死亡率（10年で少なくとも50％）を説明できる可能性があります。 跛行に対する運動の影響は、末梢血中の炎症マーカーを使って最も研究されています。

筋肉組織におけるタンパク質発現を測定することの重要性は何ですか?

末梢血バイオマーカーは跛行の全身症状を理解するのに役立ちますが、筋肉や微小循環で何が起こっているかを反映していません。 タンパク質発現の変化のほとんどは、末梢血では検出できないほど微細です。 入手の容易さは尋問の容易さとは一致しません。 血清中のタンパク質のダイナミックレンジは、存在量の多いタンパク質が存在量の少ないタンパク質を覆い隠す傾向があるため、分析を非常に困難にします。一方、アルブミン、ベータ 2 マクログロブリン、トランスフェリン、免疫グロブリンなどの少数のタンパク質が血清タンパク質の 90% 以上を占める可能性があります 11。

細胞または組織のタンパク質補体は動的であり、年齢、ライフサイクル、および細胞がさらされる状態または特定の疾患状態を反映します。 ほとんどの疾患において、タンパク質は翻訳後修飾やタンパク質分解による切断などの数多くの変化を受けることは明らかです。同様に、特定の疾患ではタンパク質発現の変化が見られます。 メッセンジャーリボ核酸 (mRNA) は、タンパク質の化学設計図をコードする分子です。 しかし、mRNA の発現差を調べるマイクロアレイでは翻訳後修飾に関する情報は得られないため、タンパク質の影響を評価する唯一の方法はタンパク質レベルで行うことです。

いくつかの研究では、PAD患者と同年齢の健康な被験者の間の骨格筋の組織化学的および生化学的特徴の違いを調査しています。 PAD患者の筋生検に関する研究のほとんどは、タンパク質発現についての洞察はなく、筋線維タイプの分布の変化、除神経、筋肉代謝の変化を実証しています12、13、14。 PAD患者では、年齢が一致した健康な対照者と比較して、骨格筋の代謝状態が乱れているというかなりの証拠がある。 最も初期の観察の中には、いくつかのミトコンドリア酵素の発現と活性が、PAD のある四肢の骨格筋で増加しているという予想外の発見がありました。 IC 患者の骨格筋は運動によって変化しますが、現在の証拠では変化のメカニズムや、変化がすべての患者で同じであるかどうかについては明らかにされていません。 運動によって症状が改善する患者もいれば、改善しない患者もいることはすでにわかっています。 したがって、運動に対するこれらの患者の反応に生物多様性が存在するかどうかという疑問が生じます。

Armstrongらは、骨格筋のカルシウム恒常性の障害を研究し、それらが運動誘発性の筋肉損傷の発症に重要な役割を果たしている可能性があることを示唆した。 運動直後の筋肉の変化の一部は、カルパインなどの非リソソームシステインプロテアーゼによって開始されるタンパク質分解に起因すると考えられています。 運動後の細胞内カルシウムの上昇により、カルパインが活性化されます。 筋肉組織は、よく特徴付けられている遍在性カルパインである m-カルパイン、μ-カルパイン、および n-カルパインを含む 3 つの異なるカルパインを発現します。 Wangらは、動物実験で、プロテアーゼm-カルパインのレベルの増加が筋肉損傷を促進する一方、カルパスタチンタンパク質の発現が筋肉損傷に対する保護機能を実行する可能性があると結論付けた。 これは人体研究ではまだ調査されていません。 カルパスタチンと m-カルパインのレベルは、IC における運動に対するさまざまな反応と、一部の患者で改善する患者と改善しない患者の理由を説明する上で重要であると仮説を立てることができます。

運動の利点については矛盾する証拠がいくつかあります。 Tsaiらは、グルコーストランスポーター4（GLUT4）遺伝子発現に対する通常のトレーニング効果が、急性および慢性虚血の両方によって翻訳前レベルで完全に消失することを発見した。 さらに、慢性虚血誘発性筋萎縮は、訓練されていないラットよりも運動訓練されたラットでより重篤であることが見られた。 この結果は、微小血管障害のある人にとって、運動トレーニングは筋肉量の維持に有益ではない可能性があることを示唆しています。 したがって、IC（虚血）を患っているヒト被験者における運動トレーニングの効果はまだ解明されていません。

すべての被験者の運動能力は異なり、間欠性跛行の患者も例外ではありません。 間欠性跛行のために運動を受けている患者は、運動によるタンパク質の発現の点で異なります。 このため、患者は、各個人の影響を受けていない筋肉からの生検を用いて、自分自身の対照として行動することになる。

運動中の骨格筋中のタンパク質のオープンエンド質量分析検査は、間欠性跛行における運動効果の機構的経路についての洞察を与えるであろう。

間欠性跛行の運動におけるタンパク質発現と炎症との関係は何ですか?

虚血再灌流型損傷を誘発する運動の臨床モデルは、炎症マーカーの証拠によって実証されています。 好中球は、損傷部位の組織に蓄積し始める最初の細胞であり、筋肉組織自体の常在マクロファージと連携しながら、食作用によって壊死組織を破壊します。 さまざまな種類のエキセントリックな運動後の筋肉に好中球が存在することが記録されています。 運動中の跛行患者における好中球の機能を調べた研究では、分化抗原 IIb (CD11b) の好中球接着受容体クラスターの発現増加によって現れる好中球活性化の増加と、血漿好中球エラスターゼの増加によって現れる脱顆粒が示されました。 これは、間欠性跛行患者の運動直後に起こりました。 これが結果を予測する傾向に相当するかどうかはまだ明らかではありません。

プロテアーゼ m-カルパインは好中球の走化性因子であり、局所的および全身的な炎症反応に役割を果たしている可能性があります。 細胞炎症反応におけるこのような適応は、Kunimatsuらによって以前に報告されている。 これらのタンパク質は、カルパスタチンとともに、局所的な筋肉の損傷、修復、全身性炎症反応の誘発の間の関連において鍵を握っている可能性があります。

タンパク質の化学的修飾は、糖尿病からアテローム性動脈硬化症、虚血再灌流障害に至るまでの疾患の発症、そしておそらくは老化プロセス自体に役割を果たしている可能性があります。 高度グリコシル化最終産物 (AGE) は、反応を制御する酵素なしで糖分子がタンパク質または脂質分子に結合するグリコシル化反応の最終産物です。 AGE の形成と蓄積は、加齢関連疾患、特に心血管疾患の進行に関与していると考えられています。 これらは、一酸化窒素 (内皮由来弛緩因子) を妨害することによる血管拡張の阻害、マクロファージと内皮細胞に結合して炎症性サイトカインの分泌を誘導すること、酸化ストレスを高めることなど、さまざまな病理学的効果を持っています。 私たちは、運動が内皮細胞によるグルコースの取り込みを刺激し、AGEの合成を増加させると仮説を立てています。 運動がこのプロセスを再び促進するのか、それとも減少させるのかはまだ判明していません。

この研究の目的は、インターロイキン 6 (IL-6)、好中球エラスターゼ、組織の損傷または修復に影響を与えることが知られているタンパク質 (カルパインおよびカルパスタチン) を含む高度な糖化最終産物などの炎症性バイオマーカーを調べて、さまざまな形態の効果を判定することです。を決定するために、このプロセスに関する演習を行う

1. 運動はすべての患者にとって適切ですか? つまり

   1. すべての患者が炎症促進反応を示しますか? と
   2. 運動はすべての患者にこれに対する適応的な反応をもたらすのでしょうか? また
   3. 一部の患者では、運動トレーニングによって軽減されない I-R 障害が運動により刺激されますか?
   4. 組織の損傷または修復の観点から、運動に対する局所組織の反応はどのようなものですか (タンパク質分析によって測定)
2. これらの適切な患者にとって最適な運動方法は何でしょうか?

3. 運動に対する患者の反応には生物多様性があるか?

   1. 全身性炎症反応 (IL-6、好中球エラスターゼ、AGE に基づく)?
   2. 局所的な反応 (タンパク質分析に基づく)?

4. これらの患者の運動に対する生理学的反応は、CVD関連の罹患率/死亡率のリスクを軽減しますか?

   ａ． 心肺運動負荷試験（CPET）の結果パラメーターと内皮機能の変化によって証明されています。

5. 内皮機能障害は可逆的ですか? ａ． 流れを介した拡張によって測定。

全身血液と局所筋肉組織からのデータを組み合わせて使用​​すると、加齢に伴う骨格筋の PAD 変化の代謝的および機能的影響を特徴付けるのに役立ちます。 また、運動が間欠性跛行の患者に影響を与えるメカニズムの経路を特定するのにも役立つだろう。