Wpływ treningu wysiłkowego na ekspresję białek w tkance mięśni szkieletowych po wysiłku fizycznym w chorobie tętnic obwodowych

Dlaczego ten problem kliniczny jest ważny?

Choroba tętnic obwodowych (PAD) jest poważnym problemem zdrowotnym w Australii, z częstością występowania wynoszącą 15% u mężczyzn w wieku powyżej 65 lat. Bezpośredni koszt opieki zdrowotnej PAD w Australii wyniósł 180 mln USD w 1994 r., z czego 78% było związane z hospitalizacjami. PAD jest również markerem zaawansowanej choroby sercowo-naczyniowej (CVD) obejmującej naczynia wieńcowe, mózgowe, nerkowe i aortalne; z 2-3-krotnym wzrostem ryzyka zgonu z powodu CVD. W latach 2006-2007 25 813 hospitalizacji i 2163 zgonów było wynikiem PAD (Australian Institute of Health and Welfare 2009). Starzejąca się populacja Australii i częstość występowania PAD wzrasta (Australian Institute of Health and Welfare 2009), krajowe roczne wydatki na zdrowie związane z chorobami układu krążenia prawdopodobnie wzrosną, znacznie przekraczając 5,4 miliarda dolarów wydanych w latach 2000-01 (Australian Bureau of Statistics 2006 ). Najczęstszym objawem łagodnej do umiarkowanej PAD jest chromanie przestankowe (IC), definiowane jako ból i skurcze jednej lub obu nóg (najczęściej łydek) wywołane chodzeniem, które ustępują po odpoczynku. Podstawowe i najskuteczniejsze leczenie osób z chromaniem przestankowym koncentruje się na poprawie zdolności chodzenia i stanu funkcjonalnego.

Co już wiadomo na temat wpływu ćwiczeń na chromanie przestankowe?

Korzystne efekty treningu fizycznego jako leczenia zostały potwierdzone w kilku randomizowanych kontrolowanych badaniach. Optymalna forma ćwiczeń nadal nie została wyjaśniona. Mechanizmy poprawy chromania pod wpływem ćwiczeń są w dużej mierze nieznane. Chociaż ćwiczenia stymulują uraz niedokrwienno-reperfuzyjny (IR), powtarzające się ćwiczenia mogą wytworzyć odpowiedź adaptacyjną na to uszkodzenie I-R. Inne potencjalne tematy obejmują wpływ ćwiczeń na stymulację lub hamowanie angiogenezy i/lub syntezy białek mięśniowych.

Chociaż główną przyczyną IC jest zmniejszony przepływ krwi do kończyn dolnych w stosunku do zwiększonego zapotrzebowania podczas ćwiczeń, patofizjologia IC nie jest w pełni poznana. Na przykład hemodynamika kończyn nie koreluje ściśle z obrazem klinicznym ani ograniczeniami w szczytowej wydajności wysiłkowej. Pomiary hemodynamiczne ciężkości PAD, takie jak wskaźnik kostkowo-ramiennego skurczowego ciśnienia krwi (ABI) i przepływ krwi za pomocą pletyzmografii tensometrycznej, są słabymi czynnikami prognostycznymi wydolności wysiłkowej u pacjentów z IC.

Badania przekrojowe wskazują, że stan zapalny jest związany z obecnością, progresją i ciężkością PAD. Może to wyjaśniać zwiększoną śmiertelność z przyczyn sercowo-naczyniowych (co najmniej 50% po 10 latach) obserwowaną u tych pacjentów. Wpływ ćwiczeń na chromanie był najczęściej badany za pomocą markerów stanu zapalnego we krwi obwodowej.

Jakie znaczenie ma pomiar ekspresji białek w tkance mięśniowej?

Chociaż biomarkery krwi obwodowej pomagają w zrozumieniu ogólnoustrojowych objawów chromania, nie odzwierciedlają one tego, co dzieje się w mięśniach i mikrokrążeniu. Większość zmian w ekspresji białek jest zbyt subtelna, aby można je było wykryć we krwi obwodowej. Łatwość pozyskania nie odpowiada łatwości przesłuchania. Dynamiczny zakres białek w surowicy sprawia, że ​​analiza jest bardzo trudna, ponieważ białka o dużej zawartości mają tendencję do maskowania białek o mniejszej zawartości; podczas gdy niewielka liczba białek, w tym albumina, beta-2-makroglobulina, transferyna i immunoglobuliny, może stanowić ponad 90% białek surowicy11.

Uzupełnienie białka w komórce lub tkance jest dynamiczne i odzwierciedla wiek, cykl życiowy i warunki, którym podlega komórka lub określony stan chorobowy. Oczywiste jest, że w większości chorób białka podlegają licznym zmianom, w tym modyfikacjom potranslacyjnym i/lub cięciu proteolitycznemu; podobnie w niektórych chorobach dochodzi do zmiany ekspresji białek. Informacyjny kwas rybonukleinowy (mRNA) to cząsteczka kodująca schemat chemiczny białka. Jednak mikromacierze badające zróżnicowaną ekspresję mRNA nie dostarczą informacji na temat modyfikacji potranslacyjnych, dlatego jedynym sposobem oceny wpływu białek jest ocena na poziomie białek.

W niektórych badaniach oceniano różnice w charakterystyce histochemicznej i biochemicznej mięśni szkieletowych między pacjentami z PAD a osobami zdrowymi w tym samym wieku. Większość badań dotyczących biopsji mięśni od pacjentów z PAD wykazała zmiany w rozmieszczeniu włókien mięśniowych, odnerwienie i zmiany w metabolizmie mięśni bez wglądu w ekspresję białek12,13,14. Istnieje wiele dowodów na to, że status metaboliczny mięśni szkieletowych jest zaburzony u pacjentów z PAD w porównaniu ze zdrową grupą kontrolną w tym samym wieku. Wśród najwcześniejszych obserwacji było nieoczekiwane odkrycie, że ekspresja i aktywność kilku enzymów mitochondrialnych jest zwiększona w mięśniach szkieletowych kończyn z PAD. Mięśnie szkieletowe u pacjentów z IC zmieniają się wraz z wysiłkiem fizycznym, ale obecne dowody nie rzucają światła na mechanizmy zmian ani na to, czy zmiana jest taka sama u wszystkich pacjentów. Wiemy już, że niektórzy pacjenci poprawiają się dzięki ćwiczeniom, a inni nie. Powstaje zatem pytanie, czy istnieje różnorodność biologiczna w odpowiedzi tych pacjentów na ćwiczenia.

Armstrong i wsp. badali zaburzenia homeostazy wapnia w mięśniach szkieletowych i zasugerowali, że mogą one odgrywać kluczową rolę w rozwoju uszkodzeń mięśni wywołanych wysiłkiem fizycznym. Niektóre z natychmiastowych zmian w mięśniach po wysiłku przypisuje się degradacji białek, która jest inicjowana przez nielizosomalne proteazy cysteinowe, takie jak kalpaina. Wzrost wewnątrzkomórkowego wapnia po wysiłku fizycznym może aktywować kalpainy. Tkanka mięśniowa wyraża trzy różne kalpainy, w tym dobrze scharakteryzowane wszechobecne kalpainy - m-calpain, μ-calpain i n-calpain. Wang i wsp. wywnioskowali w badaniach na zwierzętach, że zwiększone poziomy proteazy m-kalpainy sprzyjają uszkodzeniu mięśni, podczas gdy ekspresja białka kalpastatyny może pełnić funkcję ochronną przed uszkodzeniem mięśni. Nie zostało to jeszcze zbadane w badaniach na ludziach. Można postawić hipotezę, że poziomy kalpastatyny i m-kalpainy są ważne w wyjaśnianiu zmiennej odpowiedzi na ćwiczenia w IC i dlaczego niektórzy pacjenci poprawiają się, a inni nie.

Istnieją sprzeczne dowody na korzyści płynące z ćwiczeń. Tsai i wsp. odkryli, że normalny wpływ treningu na ekspresję genu transportera glukozy 4 (GLUT4) został całkowicie wyeliminowany zarówno przez ostre, jak i przewlekłe niedokrwienie na poziomie przedtranslacyjnym. Ponadto zaobserwowano, że przewlekły zanik mięśni wywołany niedokrwieniem był cięższy u szczurów wytrenowanych niż u szczurów nietrenujących. Wynik ten sugeruje, że w przypadku osób z zaburzeniami mikrokrążenia trening fizyczny może nie być korzystny w utrzymaniu masy mięśniowej. Zatem wpływ treningu fizycznego na ludzi z IC (niedokrwieniem) nie został jeszcze wyjaśniony.

Wiemy, że wszyscy badani różnią się zdolnością do ćwiczeń, a pacjenci z chromaniem przestankowym nie różnią się. Pacjenci poddawani ćwiczeniom z powodu chromania przestankowego różniliby się pod względem ekspresji białek w wyniku ćwiczeń. Z tego powodu pacjenci działaliby jako własne kontrole za pomocą biopsji z nienaruszonego mięśnia każdej osoby.

Otwarte badanie spektroskopii mas białek w ćwiczącym mięśniu szkieletowym dałoby wgląd w mechanistyczną ścieżkę efektu ćwiczeń w chromaniu przestankowym.

Jaki jest związek między ekspresją białka a stanem zapalnym w wysiłku fizycznym z chromaniem przestankowym?

Kliniczny model ćwiczeń indukujących uraz typu niedokrwienno-reperfuzyjnego został potwierdzony dowodami markerów stanu zapalnego. Neutrofile są pierwszymi komórkami, które zaczynają gromadzić się w tkance w miejscu urazu, niszcząc martwiczą tkankę poprzez fagocytozę, pracując w połączeniu z rezydującymi makrofagami z samej tkanki mięśniowej. Obecność neutrofili została udokumentowana w mięśniach po różnego rodzaju ćwiczeniach ekscentrycznych. Badanie oceniające funkcję neutrofili u ćwiczących chorych na chromanie wykazało zwiększoną aktywację neutrofili objawiającą się zwiększoną ekspresją klastra receptora adhezyjnego neutrofilów antygenu różnicowania IIb (CD11b) i degranulację objawiającą się wzrostem elastazy neutrofili w osoczu. Nastąpiło to natychmiast po wysiłku u tych pacjentów z chromaniem przestankowym. Nadal nie jest jasne, czy odpowiada to trendowi przewidywania wyników.

Proteaza m-Calpain jest czynnikiem chemotaktycznym dla neutrofili i może odgrywać rolę w miejscowej i ogólnoustrojowej odpowiedzi zapalnej. Takie adaptacje w komórkowych odpowiedziach zapalnych zostały wcześniej opisane przez Kunimatsu i in. Wraz z kalpastatyną białka te mogą odgrywać kluczową rolę w powiązaniu między miejscowym uszkodzeniem mięśni, naprawą i indukowaniem ogólnoustrojowej odpowiedzi zapalnej.

Chemiczna modyfikacja białek może odgrywać rolę w patogenezie zaburzeń, od cukrzycy po miażdżycę tętnic i uszkodzenia niedokrwienno-reperfuzyjne, a być może także sam proces starzenia. Zaawansowane produkty końcowe glikozylacji (AGE) to końcowe produkty reakcji glikozylacji, w których cząsteczka cukru wiąże się z cząsteczką białka lub lipidu bez enzymu kontrolującego reakcję. Tworzenie i gromadzenie się AGE jest związane z postępem choroby związanej z wiekiem, w szczególności choroby sercowo-naczyniowej. Mają szereg efektów patologicznych, w tym hamowanie rozszerzania naczyń poprzez ingerencję w tlenek azotu (czynnik relaksacji pochodzenia śródbłonka), wiązanie makrofagów i komórek śródbłonka w celu indukowania wydzielania cytokin zapalnych i nasilenia stresu oksydacyjnego. Stawiamy hipotezę, że ćwiczenia stymulują wychwyt glukozy przez komórki śródbłonka, zwiększając syntezę AGE. Pozostaje do ustalenia, czy ćwiczenia ponownie wzmacniają lub zmniejszają ten proces.

Celem tego badania jest zbadanie biomarkerów stanu zapalnego, w tym interleukiny-6 (IL-6), elastazy neutrofilowej i produktów końcowych zaawansowanej glikacji z białkami, o których wiadomo, że wpływają na uszkodzenie lub naprawę tkanek (Calpainy i kalpastatyna), aby określić wpływ różnych form wykonywania tego procesu, w celu ustalenia

1. Czy ćwiczenia są odpowiednie dla wszystkich pacjentów? tj.

   1. Czy wszyscy pacjenci odpowiadają reakcją prozapalną? I
   2. Czy ćwiczenia wywołują adaptacyjną odpowiedź na to u wszystkich pacjentów? Lub
   3. Czy ćwiczenia stymulują u niektórych pacjentów uraz I-R, którego nie zmniejszają ćwiczenia fizyczne?
   4. Jaka jest lokalna reakcja tkanki na ćwiczenia pod względem uszkodzenia lub naprawy tkanki (mierzona analizą białek)
2. Jaka jest najlepsza forma ćwiczeń dla tych odpowiednich pacjentów?

3. Czy istnieje różnorodność biologiczna w reakcjach pacjentów na ćwiczenia pod względem

   1. Ogólnoustrojowa odpowiedź zapalna (oparta na IL-6, elastazie neutrofilowej i AGE)?
   2. Lokalna odpowiedź (na podstawie analizy białek)?

4. Czy reakcja fizjologiczna na wysiłek fizyczny u tych pacjentów zmniejsza ryzyko zachorowalności/śmiertelności związanej z CVD?

   A. Dowodem na to są zmiany parametrów wyników testu wysiłkowego krążeniowo-oddechowego (CPET) i funkcji śródbłonka.

5. Czy upośledzona funkcja śródbłonka jest odwracalna? A. Jak zmierzono za pomocą dylatacji zależnej od przepływu.

Łączne wykorzystanie danych z krwi ogólnoustrojowej i lokalnej tkanki mięśniowej pomogłoby scharakteryzować metaboliczne i funkcjonalne konsekwencje związanych z wiekiem zmian PAD w mięśniach szkieletowych. Pomogłoby to również zidentyfikować mechanistyczną ścieżkę, za pomocą której ćwiczenia wywierają wpływ na pacjenta z chromaniem przestankowym.