Effect van inspanningstraining op eiwitexpressie in skeletspierweefsel na inspanning bij perifere arteriële ziekte

Waarom is dit klinische probleem belangrijk?

Perifere arteriële ziekte (PAD) is een groot gezondheidsprobleem in Australië, met een prevalentie van 15% bij mannen ouder dan 65 jaar. De directe gezondheidszorgkosten van PAD in Australië bedroegen $ 180 miljoen in 1994, waarvan 78% verband hield met ziekenhuisopnames. PAD is ook een marker voor gevorderde cardiovasculaire aandoeningen (CVD) waarbij coronaire, cerebrale, nier- en aortavaten betrokken zijn; met een 2-3 maal verhoogd risico op HVZ-gerelateerde mortaliteit. In 2006-2007 waren 25.813 ziekenhuisopnames en 2.163 sterfgevallen het gevolg van PAD (Australian Institute of Health and Welfare 2009). Door de vergrijzing van de Australische bevolking en de prevalentie van PAD neemt toe (Australian Institute of Health and Welfare 2009), de nationale jaarlijkse gezondheidsuitgaven voor hart- en vaatziekten zullen waarschijnlijk toenemen, tot veel meer dan de 5,4 miljard dollar die in 2000-2001 werd uitgegeven (Australian Bureau of Statistics 2006 ). Het meest voorkomende symptoom van milde tot matige PAD is claudicatio intermittens (IC), gedefinieerd als door lopen veroorzaakte pijn en kramp in een of beide benen (meestal kuiten) die wordt verlicht door rust. De primaire en meest effectieve behandeling voor mensen met claudicatio intermittens is gericht op het verbeteren van het loopvermogen en de functionele status.

Wat is er al bekend over het effect van bewegen bij claudicatio intermittens?

De gunstige effecten van lichaamsbeweging als behandeling zijn bevestigd in verschillende gerandomiseerde gecontroleerde studies. De optimale vorm van lichaamsbeweging is nog steeds niet opgehelderd. De mechanismen van verbetering van claudicatio door inspanning zijn grotendeels onbekend. Hoewel lichaamsbeweging een ischemische reperfusie (I-R) aanval stimuleert, kan herhaalde oefening een adaptieve reactie op deze IR aanval veroorzaken. Andere mogelijke thema's zijn het effect van lichaamsbeweging op het stimuleren of remmen van angiogenese en/of spiereiwitsynthese.

Hoewel de belangrijkste oorzaak van IC een verminderde bloedtoevoer naar de onderste ledematen is in verhouding tot een grotere belasting tijdens inspanning, is de pathofysiologie van IC niet helemaal duidelijk. De hemodynamica van de ledematen is bijvoorbeeld niet nauw gecorreleerd met de klinische presentatie of de beperkingen in de maximale inspanningsprestaties. Hemodynamische metingen van de ernst van PAD, zoals de enkel-arm systolische bloeddrukindex (ABI) en bloedstroom door rekstrookjeplethysmografie, zijn slechte voorspellers van inspanningscapaciteit bij patiënten met IC.

Cross-sectionele onderzoeken geven aan dat ontsteking geassocieerd is met de aanwezigheid, progressie en ernst van PAD. Dit kan de hogere cardiovasculaire mortaliteit (minstens 50% na 10 jaar) verklaren die bij deze patiënten wordt waargenomen. Het effect van lichaamsbeweging op claudicatio is het meest bestudeerd met ontstekingsmarkers in perifeer bloed.

Wat is het belang van het meten van eiwitexpressie in spierweefsel?

Hoewel biomarkers in perifeer bloed helpen bij het begrijpen van de systemische manifestaties van claudicatio, geeft het niet weer wat er gebeurt in de spieren en de microcirculatie. De meeste veranderingen in eiwitexpressie zijn te subtiel om in perifeer bloed te worden gedetecteerd. Het gemak van acquisitie komt niet overeen met het gemak van ondervraging. Het dynamische bereik van eiwitten in serum maakt analyse erg uitdagend, omdat eiwitten met een hoge abundantie de neiging hebben om die met een lagere abundantie te maskeren; terwijl een klein aantal eiwitten, waaronder albumine, bèta-2-macroglobuline, transferrine en immunoglobulinen, meer dan 90% van de serumeiwitten kunnen vertegenwoordigen11.

Het eiwitcomplement van een cel of weefsel is dynamisch en weerspiegelt de leeftijd, levenscyclus en omstandigheden waaraan de cel wordt blootgesteld of een specifieke ziektetoestand. Het is duidelijk dat eiwitten bij de meeste ziekten worden onderworpen aan talloze veranderingen, waaronder posttranslationele modificaties en/of proteolytische splitsing; evenzo is er bij bepaalde ziekten een wijziging van de eiwitexpressie. Messenger ribonucleïnezuur (mRNA) is het molecuul dat codeert voor de chemische blauwdruk voor een eiwit. Maar de micro-arrays die differentiële expressie van mRNA onderzoeken, zullen geen informatie geven over post-translationele modificatie, daarom is de enige manier om de impact van de eiwitten te beoordelen op eiwitniveau.

Sommige onderzoeken hebben het verschil onderzocht in histochemische en biochemische kenmerken van skeletspieren tussen patiënten met PAD en gezonde proefpersonen van dezelfde leeftijd. De meeste onderzoeken naar spierbiopten van patiënten met PAV hebben veranderingen in de verdeling van het spiervezeltype, denervatie en veranderingen in het spiermetabolisme aangetoond zonder inzicht in eiwitexpressie12, 13, 14. Er is aanzienlijk bewijs dat de metabole status van skeletspieren verstoord is bij patiënten met PAD in vergelijking met gezonde controles van dezelfde leeftijd. Een van de vroegste waarnemingen was de onverwachte bevinding dat de expressie en activiteit van verschillende mitochondriale enzymen verhoogd zijn in skeletspieren van ledematen met PAD. De skeletspieren bij patiënten met IC veranderen wel bij inspanning, maar het huidige bewijsmateriaal werpt geen licht op de mechanismen van verandering of dat de verandering bij alle patiënten hetzelfde is. We weten al dat sommige patiënten beter worden door lichaamsbeweging, terwijl andere dat niet doen. De vraag rijst dus of er een biodiversiteit bestaat in de reactie van deze patiënten op lichaamsbeweging.

Armstrong et al. bestudeerden stoornissen in de calciumhomeostase van skeletspieren en suggereerden dat deze een sleutelrol zouden kunnen spelen bij de ontwikkeling van door inspanning veroorzaakte spierbeschadiging. Sommige van de onmiddellijke spierveranderingen na inspanning worden toegeschreven aan eiwitafbraak en worden geïnitieerd door niet-lysosomale cysteïneproteasen, zoals calpaïne. De verhoging van intracellulair calcium na het sporten kan de calpaïnes activeren. Spierweefsel brengt drie verschillende calpaïnes tot expressie, waaronder de goed gekarakteriseerde alomtegenwoordige calpaïnes - m-calpaïne, μ-calpaïne en n-calpaïne. Wang et al. hebben in dierstudies geconcludeerd dat de verhoogde niveaus van het protease m-calpaïne spierletsel bevorderen, terwijl de expressie van het calpastatine-eiwit mogelijk een beschermende functie heeft voor spierletsel. Dit is nog niet onderzocht in humane studies. Er kan worden verondersteld dat de niveaus van calpastatine en m-calpaïne belangrijk zijn bij het verklaren van de variabele respons op inspanning op de IC en waarom sommige patiënten verbeteren en andere niet.

Er is enig tegenstrijdig bewijs over het voordeel van lichaamsbeweging. Tsai et al hebben ontdekt dat het normale trainingseffect op de genexpressie van glucosetransporter 4 (GLUT4) volledig werd geëlimineerd door zowel acute als chronische ischemie op het pre-translationele niveau. Bovendien bleek de chronische ischemie-geïnduceerde spieratrofie ernstiger te zijn bij de door inspanning getrainde ratten dan bij de ongetrainde ratten. Dit resultaat suggereert dat voor personen met verminderde microvasculaire aandoeningen, lichaamsbeweging misschien niet gunstig is voor het behoud van spiermassa. Het effect van oefentraining bij mensen met IC (ischemie) moet dus nog worden opgehelderd.

We weten dat alle proefpersonen verschillen in hun vermogen om te oefenen en patiënten met claudicatio intermittens zijn niet anders. Patiënten die lichaamsbeweging ondergaan voor claudicatio intermittens, zouden anders zijn in termen van hun expressie van eiwitten als gevolg van lichaamsbeweging. Om deze reden zouden patiënten fungeren als hun eigen controles door middel van een biopsie van een onaangetaste spier van elk individu.

Een open einde massaspectroscopie-onderzoek van eiwitten in de skeletspier tijdens inspanning zou inzicht geven in de mechanistische weg van het inspanningseffect bij claudicatio intermittens.

Wat is de relatie tussen eiwitexpressie en ontsteking bij inspanning met claudicatio intermittens?

Het klinische model van inspanning die een ischemie-reperfusie-type letsel veroorzaakt, is gestaafd door bewijs van ontstekingsmarkers. Neutrofielen zijn de eerste cellen die zich ophopen in het weefsel op de plaats van de verwonding, waarbij ze necrotisch weefsel vernietigen door middel van fagocytose, terwijl ze samenwerken met residente macrofagen uit het spierweefsel zelf. De aanwezigheid van neutrofielen is gedocumenteerd in spieren na verschillende soorten excentrische oefeningen. Een onderzoek naar de functie van neutrofielen bij het uitoefenen van claudicants toonde een verhoogde activering van neutrofielen die zich manifesteert door verhoogde expressie van het neutrofieladhesiereceptorcluster van differentiatie-antigeen IIb (CD11b) en degranulatie die zich manifesteert door een toename van plasma-neutrofiel-elastase. Dit gebeurde onmiddellijk na inspanning bij deze patiënten met claudicatio intermittens. Of dit gelijk staat aan een trend om uitkomsten te voorspellen, is nog steeds niet duidelijk.

Het protease m-Calpain is een chemotactische factor voor neutrofielen en kan een rol spelen bij de lokale en systemische ontstekingsreactie. Dergelijke aanpassingen in cellulaire ontstekingsreacties zijn eerder gemeld door Kunimatsu et al. Samen met calpastatine zouden deze eiwitten een sleutel kunnen zijn in het verband tussen lokale spierbeschadiging, herstel en het opwekken van een systemische ontstekingsreactie.

Chemische modificatie van eiwitten kan een rol spelen bij de pathogenese van aandoeningen variërend van diabetes tot atherosclerose en ischemie-reperfusieletsel en misschien wel tot het verouderingsproces zelf. Advanced Glycosylation End products (AGE's) zijn de eindproducten van glycosyleringsreacties waarbij een suikermolecuul zich bindt aan een eiwit- of lipidemolecuul zonder dat een enzym de reactie regelt. De vorming en accumulatie van AGE's is betrokken bij de progressie van leeftijdsgerelateerde ziekten, in het bijzonder hart- en vaatziekten. Ze hebben een reeks pathologische effecten, waaronder remming van vasculaire dilatatie door interferentie met stikstofmonoxide (Endothelium Derived Relaxation factor), binding van macrofagen en endotheelcellen om de secretie van inflammatoire cytokines te induceren en oxidatieve stress te versterken. Onze hypothese is dat lichaamsbeweging de opname van glucose door de endotheelcellen stimuleert en de synthese van AGE's verhoogt. Het moet nog worden bepaald of oefening opnieuw dit proces verbetert of vermindert.

Het doel van deze studie is het onderzoeken van inflammatoire biomarkers, waaronder interleukine-6 ​​(IL-6), neutrofiel elastase en geavanceerde geglyceerde eindproducten met eiwitten waarvan bekend is dat ze weefselbeschadiging of -herstel beïnvloeden (calpaïnes en calpastatine) om het effect van verschillende vormen te bepalen. van oefening op dit proces, om te bepalen

1. Is lichaamsbeweging geschikt voor alle patiënten? d.w.z.

   1. Reageren alle patiënten met een pro-inflammatoire respons? En
   2. Produceert oefening een adaptieve reactie hierop bij alle patiënten? of
   3. Stimuleert lichaamsbeweging bij sommige patiënten een I-R-beschadiging die niet wordt verminderd door oefentraining?
   4. Wat is de lokale weefselreactie op inspanning in termen van weefselbeschadiging of -herstel (zoals gemeten door eiwitanalyse)
2. Wat is de beste vorm van lichaamsbeweging voor deze geschikte patiënten?

3. Is er een biodiversiteit in de reactie van patiënten op lichaamsbeweging in termen van

   1. Systemische ontstekingsreactie (gebaseerd op IL-6, Neutrofiel Elastase & AGE's)?
   2. Lokale respons (gebaseerd op eiwitanalyse)?

4. Vermindert de fysiologische reactie op lichaamsbeweging bij deze patiënten het risico op HVZ-gerelateerde morbiditeit/mortaliteit?

   A. Zoals blijkt uit veranderingen in de uitkomstparameters van de cardiopulmonale inspanningstest (CPET) en de endotheliale functie.

5. Is een verminderde endotheliale functie omkeerbaar? A. Zoals gemeten door stromingsgemedieerde dilatatie.

Het gecombineerde gebruik van gegevens uit systemisch bloed en lokaal spierweefsel zou helpen om de metabole en functionele gevolgen van leeftijdsgebonden PAD-veranderingen in skeletspieren te karakteriseren. Het zou ook helpen om een ​​mechanistisch pad te identificeren waardoor oefening zijn effect uitoefent op de patiënt met claudicatio intermittens.