Effekt av treningstrening på proteinuttrykk i skjelettmuskelvev etter trening ved perifer arteriell sykdom

Hvorfor er dette kliniske problemet viktig?

Perifer arteriell sykdom (PAD) er et stort helseproblem i Australia, med en prevalens på 15 % hos menn over 65 år. De direkte helsekostnadene for PAD i Australia var 180 millioner dollar i 1994, hvorav 78 % var assosiert med sykehusinnleggelser. PAD er også en markør for avansert kardiovaskulær sykdom (CVD) som involverer koronar-, cerebrale, nyre- og aortakar; med 2-3 ganger økt risiko for CVD-relatert dødelighet. I 2006-2007 var 25 813 sykehusinnleggelser og 2 163 dødsfall et resultat av PAD (Australian Institute of Health and Welfare 2009). Den aldrende australske befolkningen og prevalensen av PAD øker (Australian Institute of Health and Welfare 2009), de nasjonale årlige helseutgiftene til hjerte- og karsykdommer vil sannsynligvis øke, og overskride de 5,4 milliarder dollar som ble brukt i 2000-01 (Australian Bureau of Statistics 2006) ). Det hyppigste symptomet på mild til moderat PAD er claudicatio intermittens (IC), definert som gang-induserte smerter og kramper i ett eller begge ben (oftest legger) som lindres med hvile. Den primære og mest effektive behandlingen for personer med claudicatio intermittens er fokusert på å forbedre gangevne og funksjonsstatus.

Hva er allerede kjent om effekten av trening ved claudicatio intermittens?

De gunstige effektene av treningstrening som behandling er bekreftet i flere randomiserte kontrollerte studier. Den optimale treningsformen er fortsatt ikke avklart. Mekanismene for forbedring av claudicatio med trening er stort sett ukjente. Selv om trening stimulerer en iskemisk reperfusjon (I-R) fornærmelse, kan repeterende trening gi en adaptiv respons på denne I-R fornærmelsen. Andre potensielle temaer inkluderer effekten av trening på å stimulere eller hemme angiogenese og/eller muskelproteinsyntese.

Selv om hovedårsaken til IC er redusert blodstrøm til underekstremitetene i forhold til økt etterspørsel under trening, er ikke patofysiologien til IC fullstendig forstått. For eksempel korrelerer ikke lemmerhemodynamikk nært med klinisk presentasjon eller begrensningene i maksimal treningsytelse. Hemodynamiske mål på alvorlighetsgraden av PAD, slik som ankel-brachial systolisk blodtrykksindeks (ABI) og blodstrøm ved strain gauge plethysmography, er dårlige prediktorer for treningskapasitet hos pasienter med IC.

Tverrsnittsstudier indikerer at betennelse er assosiert med tilstedeværelse, progresjon og alvorlighetsgrad av PAD. Dette kan forklare den overskytende kardiovaskulære dødeligheten (minst 50 % ved 10 år), sett hos disse pasientene. Effekten av trening på claudicatio er mest studert med inflammatoriske markører i perifert blod.

Hva er viktigheten av å måle proteinuttrykk i muskelvev?

Mens biomarkører for perifert blod hjelper til med å forstå de systemiske manifestasjonene av claudicatio, reflekterer det ikke hva som skjer i musklene og mikrosirkulasjonen. De fleste endringene i proteinuttrykk er for subtile til å bli oppdaget i perifert blod. Anskaffelsesvennligheten tilsvarer ikke lettheten ved avhør. Det dynamiske spekteret av proteiner i serum gjør analyse svært utfordrende fordi proteiner med høy mengde har en tendens til å maskere de med lavere mengde; mens et lite antall proteiner inkludert albumin, Beta 2-makroglobulin, transferrin og immunglobuliner kan representere over 90 % av serumproteinene11.

Proteinkomplementet til en celle eller vev er dynamisk og gjenspeiler alderen, livssyklusen og tilstandene cellen er utsatt for eller en spesifikk sykdomstilstand. Det er klart at i de fleste sykdommer utsettes proteiner for mange endringer, inkludert post-translasjonelle modifikasjoner og/eller proteolytisk spaltning; like ved visse sykdommer er det endring av proteinuttrykk. Messenger-ribonukleinsyre (mRNA) er molekylet som koder for den kjemiske planen for et protein. Likevel vil mikroarrayene som undersøker differensiell ekspresjon av mRNA ikke gi informasjon om post-translasjonell modifikasjon, derfor er den eneste måten å vurdere effekten av proteinene på proteinnivå.

Noen studier har undersøkt forskjellen i histokjemiske og biokjemiske egenskaper til skjelettmuskulatur mellom pasienter med PAD og friske alderstilpassede personer. De fleste studiene av muskelbiopsi fra pasienter med PAD har vist endringer i muskelfibertypedistribusjon, denervering og endringer i muskelmetabolisme uten innsikt i proteinuttrykk12, 13, 14. Det er betydelig bevis på at den metabolske statusen til skjelettmuskulatur er forstyrret hos pasienter med PAD sammenlignet med alderstilpassede friske kontroller. Blant de tidligste observasjonene var det uventede funnet at uttrykket og aktiviteten til flere mitokondrielle enzymer er økt i skjelettmuskulaturen fra lemmer med PAD. Skjelettmuskulaturen hos pasienter med IC endres med trening, men dagens bevis kaster ikke lys over mekanismene for endring eller om endringen er den samme hos alle pasienter. Vi vet allerede at noen pasienter forbedrer seg med trening mens andre ikke gjør det. Det oppstår derfor et spørsmål om det eksisterer et biologisk mangfold i disse pasientenes respons på trening.

Armstrong et al studerte forstyrrelser i kalsiumhomeostase av skjelettmuskulatur og antydet at de kan spille en nøkkelrolle i utviklingen av treningsindusert muskelskade. Noen av de umiddelbare muskelendringene etter trening har blitt tilskrevet proteinnedbrytning er initiert av ikke-lysosomale cysteinproteaser, slik som calpain. Økningen i intracellulært kalsium etter trening kan aktivere calpains. Muskelvev uttrykker tre distinkte calpains, inkludert de velkarakteriserte allestedsnærværende calpainene - m-calpain, μ-calpain og n-calpain. Wang et al har i dyrestudier konkludert med at de økte nivåene av proteasen m-calpain fremmer muskelskade, mens calpastatin-proteinuttrykket kan utføre en beskyttende funksjon for muskelskade. Dette er ennå ikke undersøkt i studier på mennesker. Det kan antas at nivåene av calpastatin og m-calpain er viktige for å forklare den variable responsen på trening i IC og hvorfor noen pasienter forbedrer seg og andre ikke.

Det er noen motstridende bevis på fordelen med trening. Tsai et al har funnet at den normale treningseffekten på glukosetransportør 4 (GLUT4) genuttrykk ble fullstendig eliminert av både akutt og kronisk iskemi på pre-translasjonelt nivå. I tillegg ble den kroniske iskemi-induserte muskelatrofien sett å være mer alvorlig hos treningstrene rotter enn hos utrente. Dette resultatet antyder at for personer med nedsatte mikrovaskulære forhold, kan trening ikke være gunstig for å opprettholde muskelmassen. Dermed er effekten av trening hos mennesker med IC (iskemi) ennå ikke klarlagt.

Vi vet at alle fag er forskjellige når det gjelder treningskapasitet, og pasienter med claudicatio intermittens er ikke forskjellige. Pasienter som gjennomgår trening for claudicatio intermittens, vil være annerledes når det gjelder ekspresjon av proteiner på grunn av trening. Av denne grunn vil pasienter fungere som sine egne kontroller ved hjelp av en biopsi fra en upåvirket muskel hos hvert individ.

En åpen massespektroskopiundersøkelse av proteiner i den trenende skjelettmuskelen ville gi et innblikk i den mekanistiske veien til treningseffekten ved claudicatio intermittens.

Hva er forholdet mellom proteinuttrykk og betennelse i trening med claudicatio intermittens?

Den kliniske modellen for trening som induserer en skade av iskemi-reperfusjonstype har blitt underbygget av bevis på markører for betennelse. Nøytrofiler er de første cellene som begynner å samle seg i vevet på skadestedet, og ødelegger nekrotisk vev gjennom fagocytose mens de arbeider sammen med fastboende makrofager fra selve muskelvevet. Nøytrofil tilstedeværelse er dokumentert i muskler etter ulike typer eksentrisk trening. En studie som så på nøytrofilfunksjon ved trening av claudicants, viste økt nøytrofilaktivering manifest ved økt ekspresjon av nøytrofiladhesjonsreseptorklyngen av differensieringsantigen IIb (CD11b) og degranulering manifestert ved en økning i plasmanøytrofil elastase. Dette skjedde umiddelbart etter trening hos disse pasientene med claudicatio intermittens. Hvorvidt dette tilsvarer en trend for å forutsi utfall er fortsatt ikke klart.

Proteasen m-Calpain er kjemotaktisk faktor for nøytrofiler og kan spille en rolle i den lokale og systemiske inflammatoriske responsen. Slike tilpasninger i cellulære inflammatoriske responser har blitt rapportert tidligere av Kunimatsu et al. Sammen med Calpastatin kan disse proteinene ha en nøkkel i sammenhengen mellom lokal muskelskade, reparasjon og indusering av en systemisk inflammatorisk respons.

Kjemisk modifisering av proteiner kan spille en rolle i patogenesen av lidelser som spenner fra diabetes til aterosklerose og iskemi-reperfusjonsskade og kanskje til selve aldringsprosessen. Advanced Glycosylation End products (AGEs) er sluttproduktene av glykosyleringsreaksjoner der et sukkermolekyl binder seg til enten et protein- eller lipidmolekyl uten et enzym for å kontrollere reaksjonen. Dannelsen og akkumuleringen av AGE har vært involvert i utviklingen av aldersrelatert sykdom, spesielt hjerte- og karsykdommer. De har en rekke patologiske effekter, inkludert hemming av vaskulær dilatasjon ved å forstyrre nitrogenoksid (Endotelium Derived Relaxation factor), binder makrofager og endotelceller for å indusere sekresjon av inflammatoriske cytokiner og forsterke oksidativt stress. Vi antar at trening stimulerer glukoseopptaket av endotelcellene og øker syntesen av AGE. Det gjenstår å avgjøre om trening igjen forbedrer eller reduserer denne prosessen.

Målet med denne studien er å undersøke inflammatoriske biomarkører, inkludert Interleukin-6 (IL-6), Neutrophil elastase og Advanced Glycated End-produkter med proteiner kjent for å påvirke vevsskade eller reparasjon (Calpains og Calpastatin) for å bestemme effekten av forskjellige former øvelse på denne prosessen, for å bestemme

1. Er trening passende for alle pasienter? dvs.

   1. Reagerer alle pasienter med en pro inflammatorisk respons? og
   2. Gir trening en adaptiv respons på dette hos alle pasienter? eller
   3. Stimulerer trening en I-R-fornærmelse hos noen pasienter som ikke reduseres ved trening?
   4. Hva er den lokale vevsresponsen på trening når det gjelder vevsskade eller reparasjon (målt ved proteinanalyse)
2. Hva er den beste treningsformen for disse passende pasientene?

3. Er det et biologisk mangfold i pasienters respons på trening mht

   1. Systemisk inflammatorisk respons (basert på IL-6, Neutrophil Elastase & AGE)?
   2. Lokal respons (basert på proteinanalyse)?

4. Reduserer den fysiologiske responsen på trening hos disse pasientene risikoen for CVD-relatert sykelighet/dødelighet?

   en. Som bevist av endringer i kardiopulmonal treningstesting (CPET) utfallsparametere og endotelfunksjon.

5. Er nedsatt endotelfunksjon reversibel? en. Målt ved strømningsmediert dilatasjon.

Den kombinerte bruken av data fra systemisk blod og lokalt muskelvev vil bidra til å karakterisere de metabolske og funksjonelle konsekvensene av aldersassosierte PAD-endringer i skjelettmuskulaturen. Det vil også hjelpe å identifisere en mekanistisk vei der trening utøver sin effekt på pasienten med claudicatio intermittens.