Muskelgjenvekst under fysisk rehabilitering og aminosyretilskudd

Målet med dette translasjonsforskningsprosjektet er å identifisere nøkkelmekanismer involvert i regulering av skjelettmuskeltap og gjenvekst etter total kneartroplastikk (TKA). Total kneartroplastikk induserer betydelig reduksjon i muskelmasse og styrke, som er direkte ansvarlig for redusert funksjon, spesielt funksjonell uavhengighet. Slike reduksjoner i muskelstyrke og volum og dagliglivets aktiviteter (å reise seg fra en stol, gå i trapper og gå) kan vedvare i opptil 2 år.

Atrofi er et direkte resultat av en ubalanse mellom muskelproteinsyntese og nedbrytning. Imidlertid er det to ganske forskjellige mekanismer som fører til muskeltap: akselerert proteinnedbrytning (f. brannskader), primært som følge av stressresponsen, eller redusert proteinsyntese (f.eks. immobilisering). Ved alvorlig stress øker faktisk muskelproteinsyntesen, men ikke tilstrekkelig til å hindre muskeltap, og anabole stimuli, som for eksempel ernæring, kan ikke motvirke muskelatrofi. På den annen side kan redusert proteinsyntese fra inaktivitet stimuleres av ernæring og trening, og derved redusere eller forhindre atrofi. Foreløpig vet vi ikke hvilken tilstand som dominerer etter TKA: kirurgisk stressindusert katabolisme eller immobilitetsassosiert syntesefall. Det som ikke er kjent er hvilken signalvei som dominerer etter TKA; stressindusert katabolisme eller immobilitetsreduksjon i syntese. Målet vårt er å finne ut hvilken modell (stress eller inaktivitet) som står for det akutte og raske muskeltapet etter TKA for å bedre fokusere rehabiliteringsinnsatsen.

Vår generelle hypotese er at quadricepsatrofi etter TKA-operasjon først og fremst skyldes inaktivitet, som kan motvirkes av fysioterapi (PT) og tilskudd av essensielle aminosyrer (EAA). Målet vårt er å avgrense de grunnleggende mekanismene som ligger til grunn for muskeltap med TKA, og basert på denne nye informasjonen, finne nye rehabiliteringsstrategier for å akselerere utvinning av normal funksjon fra TKA.

Derfor er planen vår å teste følgende spesifikke hypotese hos eldre voksne:

1. TKA induserer en akutt og alvorlig netto proteinkatabolisme ved å redusere muskelproteinsyntesen
2. TKA-indusert katabolisme dempes ved inntak av EAA
3. EAA-tilskudd etter PT vil stimulere muskelproteinsyntese og mTOR-signalering i større grad enn PT med placebo
4. EAA-tilskudd under TKA PT-rehabilitering vil forbedre muskelstyrke, muskelvolum og funksjonelle resultater i større grad enn PT med Placebo

For å teste vår spesifikke hypotese vil vi ta for oss følgende spesifikke mål:

1. For å avgjøre om TKA-kirurgi reduserer muskelproteinsyntesen og/eller øker muskelproteinnedbrytningen
2. For å avgjøre om muskelproteinsyntesen økes akutt ved inntak av EAA etter TKA-operasjon
3. For å bestemme om muskelproteinsyntese og mTOR-signalering vil bli stimulert av PT-rehabilitering og forbedret av EAA-tilskudd
4. For å avgjøre om EAA-tilskudd under TKA med tradisjonell PT i 6 uker forbedrer muskelstyrke, muskelvolum og funksjonelle resultater. Denne søknaden vil gi foreløpige data for innsending av en R01-bevilgning for ytterligere å bestemme mekanismene som fører til vellykket tilbakeføring av quadriceps muskelstyrke og funksjon etter TKA. Essensielle aminosyrer er rimelige, godt tolerert og lett fordøyelige og har vist seg å uavhengig stimulere muskelproteinsyntese og komponenter i den anabole mTOR-signalveien. Målet mitt om å øke muskelstyrken og funksjonell mobilitet er spesifikt skissert i National Center for Medical Rehabilitation Research Seven Priority Areas og er i tråd med NIHs veikart og prioriteringer, og vil hjelpe oss å forstå muskelproteinmetabolismen under fysioterapirehabilitering. Ved å ta i bruk et mekanismedrevet, translasjonsforskningsdesign som kobler endringer i cellesignalering med funksjonelle utfallsmål (celle → system → funksjon) vil vi fange opp sentrale fysiologiske hendelser som er ansvarlige for regulering av muskelmasse og funksjon etter TKA.