Effekter av akutt energiunderskudd og aerob trening på muskelkvalitet

Begrunnelse for forskningen:

Vekttapsstrategier som bruker energibegrensning alene kan føre til nedsatt muskelmasse, noe som også kan svekke helsen ytterligere til individer med metabolske forhold, som type 2 diabetikere. Skjelettmuskelmasse og funksjon er nøkkelen til å opprettholde et sunt stoffskifte og livskvalitet gjennom hele livet. Kombinasjonen av trening og kalorirestriksjon er en kraftig intervensjon for å redusere kroppsvekten og forbedre stoffskiftet og helsestatusen til friske, overvektige og overvektige individer. Etterforskerne har tidligere vist at proteinsyntesen i skjelettmuskulaturen reduseres med energibegrensning og at trening av motstandstypen kan reversere denne negative effekten. Aerob trening har også kapasitet til å stimulere muskelproteinsyntese og forbedre muskelkvaliteten ved å øke mitokondriell proteinsyntese. Ikke desto mindre, hvordan energiunderskudd lagt på toppen av aerob trening modulerer skjelettmuskelkvaliteten er ikke godt karakterisert. Videre har eksisterende studier kun sett på blandet (uspesifikk) proteinsyntese av forskjellige intracellulære rom uten å gi detaljer om hvordan proteinsyntese for spesifikke proteiner er regulert.

Dette prosjektet vil gi nye data for å avdekke mekanismene bak den positive effekten av energibegrensning og samtidig aerob trening på skjelettmuskelkvaliteten.

Aerob trening alene er en veletablert intervensjon for å øke mitokondriell kapasitet og skjelettmuskelfunksjon, men effekten på skjelettmuskulaturen av overliggende energibegrensninger mens du utfører aerob trening er ikke godt karakterisert. Nylige funn hos Rhesus-aper, hvis fysiologi svarer på en veldig lik måte som hos mennesker, har vist at livslang kalorirestriksjon har en dyp positiv effekt på skjelettmuskulaturen. Disse funnene viser at kalorirestriksjon ikke bare opprettholder det kontraktile innholdet i muskelen, men også redder den aldersrelaterte nedgangen i skjelettmuskulaturens mitokondrieinnhold og -kapasitet. Fysisk aktivitet i denne studien ble imidlertid ikke kontrollert og så ut til å være høyere i gruppen med kalorirestriksjoner, noe som representerer en viktig forvirrende faktor. Forskning på mennesker som tar opp lignende spørsmål så langt har vært mindre tydelig. Uttalt vekttap gjennom energibegrensning alene (10 % total kroppsvekt i ~7,5 uker) hos overvektige kvinner fører til en reduksjon i muskelmitokondrieinnhold. I sterk kontrast viste bruk av en mildere begrensning på 25 % av total energi alene eller kombinert med trening i løpet av 6 måneder hos overvektige individer økt ekspresjon av gener som koder for mitokondrielle proteiner i begge grupper. Til tross for disse lovende funnene som tyder på at vekttap kombinert med trening vil forbedre skjelettmuskelmetabolismen, er det foreløpig ingen sterke data som kan gi støtte for bruk av samtidig energibegrensning og aerob trening med en grundig analyse av dens fysiologiske og molekylære effekter. hos mennesker.

Den foreslåtte studien her vil inkludere en kort periode med tett kontrollert trening og diettinntak for å vise at energiunderskudd mens du utfører aerob trening resulterer i ytterligere fordeler for muskelmetabolsk tilpasning. Det nåværende prosjektet bygger på etterforskerens tidligere og nyere forskningsresultater for å ta direkte opp dette spørsmålet. Denne forskningen har vist at motstandstrening under 30 % daglig energiunderskudd redder nedgangen i blandet (uspesifikk) myofibrillær proteinsyntese observert med energiunderskudd alene. Videre har etterforskerens forskning vist at aerob trening oppregulerer spesifikke proteiner i skjelettmuskelmitokondrier hos gnagere; at lipiddråpeprofilen i skjelettmuskulaturen reagerer på trening og ernæring; at ernæring modulerer den cellulære responsen på aerob trening og, viktigere; at aerob trening etter kortvarig (~14 timer) energiunderskudd kan oppregulere markører for mitokondriell biogenese i skjelettmuskulatur og forbedre metabolsk kontroll hos mennesker.

Mål og hypotese:

Det primære forskningsspørsmålet knyttet til denne studien er: 'Hva er den kombinerte effekten av et energiunderskudd og aerob treningstrening på muskelkvalitet (syntesehastigheter av individuelle, sarkoplasmatiske og mitokondrielle proteiner) og intramuskulær lipiddynamikk over en fem-dagers periode hos friske menn?'

Ytterligere mål:

1. Identifiser mekanismene som et kortsiktig energiunderskudd (oppnådd gjennom samtidig energibegrensning og trening) kan regulere individuell muskelproteinomsetning (syntese, nedbrytning og overflod), intramuskulær lipiddynamikk, metabolitter og muskelglykogeninnhold under vekttap.
2. Gi nye bevis for kapasiteten til et potetbasert kosthold som en effektiv kilde til næringsstoffer for å fremme positive skjelettmuskulatur og metabolske tilpasninger under vekttap.

Studiehypotese:

Kortvarig energibegrensning med samtidig aerob trening vil øke kvaliteten og kvantiteten av skjelettmuskelproteiner relatert til mitokondriell kapasitet, forbedre skjelettmuskulaturens intracellulære lipiddråpeprofil og modulere blodbårne markører for metabolsk helse sammenlignet med trening uten energiunderskudd.

Studiemetoder:

Deltakerne vil først foreta testing for karakterisering (detaljert nedenfor) etterfulgt av en 5-dagers baseline-vurdering (dager -5 til -1) og to påfølgende 5-dagers perioder med kontrollert trening for å øke oksidativ kapasitet (3 dager med aerobic trening per periode, 15 kcal/kg FFM/dag energiforbruk løping) og energiinntak (15 dager totalt, med en testøkt morgen 16.). Dette vil oppnå tilstander av energibalanse (EB; energitilgjengelighet - EA - 45 kcal/kg fettfri masse (FFM)/dag), nødvendig for vektvedlikehold (dag 1 - 5), etterfulgt av energiunderskudd (ED; EA 10 kcal/kg FFM/dag), nødvendig for vekttap på dag 6 - 10. Dette eksperimentelle designet, så vel som energiinntak og -forbruk, gjengir det etterforskerne tidligere har brukt for å lykkes med å bestemme andre fysiologiske effekter av ED på skjelettmuskulaturen. Fem dager med EB og EA vil tillate tett kontroll av kostinntaket og vil være tilstrekkelig til å oppdage endringer i hovedparametrene som undersøkes.

Deltakerkarakteriseringstesting vil være ~15 dager før starten av baseline-vurderingen for å fastslå samsvar med inklusjonskriterier, kondisjonsnivåer (maksimalt oksygenforbruk og laktatterskel [via fingerstikk kapillærprøver]) og kroppssammensetning. Ved baselinevurdering vil en hvilemuskel bli tatt en biopsi fra vastus lateralis (quadriceps), før inntak av sporstoffet deuteriumoksid (D2O) gjennom de følgende 15 dagene for å tillate dynamisk proteomisk profilering av skjelettmuskulaturen. Det vil bli tatt totalt 4 biopsier per deltaker, noe som er i tråd med etterforskerens tidligere forskning. Baseline-vurderingen brukes til anrikning av D2O for dynamisk proteomisk profileringsanalyse og for å sikre regelmessig fysisk aktivitet hos individer som samsvarer med studiens krav. Gjennom hver 5-dagers eksperimentell periode, muskelbiopsier (dag -5, 1, 6 og 11), daglige spyttprøver (ikke-stimulert, samlet inn hjemme) og vanlige venøse blodprøver (dager -5, 1, 3, 5, 6, 8, 10 og 11) vil bli samlet inn for vurdering av dynamisk proteomisk profilering, fibertypespesifikk lipiddråpeprofilering, skjelettmuskelglykogen og D2O, og blodbårne hormoner og metabolitter relatert til vekttap. Resting Metabolic Rate (RMR; vurdert via indirekte kalorimetri) og vurdering av kroppssammensetning vil bli utført ved å bruke doble røntgenabsorptiometri (DXA) skanninger på dag -5, 1, 6 og 11 av intervensjonen. Bioelektrisk impedansanalyse (BIA) vil også bli brukt for å vurdere kroppssammensetning ved hvert laboratoriebesøk (dager -5, 1, 3, 5, 6, 8, 10 og 11).

Kosttiltak og energibalanse:

Kostholdet vil følge det daglige referanseinntaket av næringsstoffer for å gi ~60, 20 og 20 % energi fra henholdsvis karbohydrater, fett og protein. I tråd med finansieringskrav vil prosentandelen av total energi fra potetbaserte kilder være >60 % under EB og >65 % under ED. Poteter vil bli tilberedt på en rekke forskjellige måter som ikke tilfører betydelig mengde energi, for eksempel kokt, mikrobølgeovn, bakt, etc.

Manipulering av energitilgjengelighet:

Energitilgjengelighet (EA), som er definert som energiinntak minus energiforbruk fra trening – normalisert til fettfri masse – brukes som en nøkkelparameter for å bestemme energibalansen. Etterforskerne er de første som har vist at verdier under 30 kcal/kg/FFM kan modulere skjelettmuskelresponser, noe som er i tråd med annen forskning på en rekke metabolske responser på EA. Basert på denne nyere forskningen, som brukte 20 kcal/kg FFM/dag i ~14 timer, vil den nåværende intervensjonen indusere et mer uttalt energiunderskudd i lengre tid. Gjennomsnittlig energiinntak over de 5 dagene for en gjennomsnittlig 85 kg (70 kg FFM) deltaker vil være 3780 kcal/dag for EB og 1330 kcal/dag ED. Dette vil oppnå et omtrentlig kumulativt energiunderskudd på 12250 kcal over en 5-dagers periode, noe som resulterer i ca. ~1,5 kg kroppsmassetap fra nettvev, gitt at ~7450 kcal er nødvendig for å miste 1 kg nettovev. Vanntap vil utgjøre ytterligere ~1 kg av tapet i kroppsvekt som vil være en konsekvens av en reduksjon i endogene karbohydratlagre (glykogen), som vann binder seg til, samt vannfluktuasjoner på grunn av natriumforandringer. Skjelettmuskelglykogen er også en regulator av muskelkvalitative aspekter og vil også bli undersøkt.

Emner. En normal populasjon vil tillate forskerne å bestemme de fysiologiske responsene på denne intervensjonen. Ti unge (18-40 år) sunne, regelmessig trenende menn med en kroppsfettprosent ~18-26%.

Kvalitet:

Forskeren som er tilknyttet denne studien og tilknyttet gjennomgangen av studieprotokollen er alle ansatte (eller en PhD-student) ved Liverpool John Moores University Research Institute for Sport & Exercise Sciences (RISES). I 2014 sendte RISES (LJMU) inn 34,75 FTE (heltidsekvivalenter) til Unit of Assessment 26 (UoA26) og oppnådde en GPA (Grade Point Average) på 3,57. Plassert på andreplass på GPA i UoA, ble RISES det ledende senteret for Sport and Exercise Science Research Quality i Storbritannia (4* - 61% av all aktivitet verdensledende, 3* - 36% av all aktivitet internasjonalt utmerket standard). RISES leverte det største volumet på 4* utganger (n=60) i UoA, hadde 90 % av påvirkningsaktiviteten vurdert til 4* og hadde 100 % av miljøet vurdert til 4*. Viktigere, av 1 911 innleveringer i alle 36 UoA's RISES kom på 11. plass i hele Storbritannia for GPA oppnådd ved REF2014, og satte RISES (LJMU) blant Oxford, UCL, LSE og Cambridge i ligatabellene for denne beregningen.