Czy suplementacja leucyny może zrekompensować zanik mięśni wywołany nieużywaniem? (LEU-DIMA)

Powszechnie wiadomo, że masa mięśni szkieletowych stopniowo zmniejsza się wraz ze zdrowym starzeniem się, co jest zjawiskiem powszechnie określanym jako sarkopenia. Z czasem prowadzi to do utraty niezależności funkcjonalnej i zwiększa ryzyko rozwoju chorób współistniejących. Ostatnie szacunki wskazują, że 30% osób w wieku 75-84 lat cierpi na sarkopenię. Ponieważ populacja w wieku 85 lat i więcej szybko się powiększa, sarkopenia stanowi znaczne obciążenie społeczno-ekonomiczne dla usług opieki zdrowotnej. Z fizjologicznego punktu widzenia utrzymanie masy mięśniowej zależy od zachowania równowagi między szybkością syntezy białek mięśniowych (MPS) a tempem ich rozpadu (MPB). W starszym wieku odpowiedź MPS na odżywianie jest upośledzona (określana jako „oporność anaboliczna”), pozostawiając mięśnie w przewlekłym stanie katabolicznym i ostatecznie sprzyjając postępowi sarkopenii.

Związany z wiekiem opór anaboliczny mięśni może wynikać z nagromadzenia okresów bezczynności/nieużywania, które są silnie związane ze spadkiem masy mięśniowej (atrofią) zarówno u osób młodych, jak i starszych. W rzeczywistości związana z tym utrata masy mięśniowej jest najszybsza na początku nieużywania mięśni, przy czym znaczny spadek masy mięśniowej występuje już po 5 dniach nieużywania. Ma to szczególne znaczenie, ponieważ średni czas hospitalizacji osób starszych wynosi 5-6 dni. Dekondycjonowanie mięśni wywołane nieużywaniem przypisuje się spadkowi MPS w odpowiedzi na odżywianie i potencjalnie podwyższonemu MPB. Dlatego kumulacja tych okresów nieużywania przez całe życie może prowadzić do przyspieszenia trajektorii sarkopenii, która jest powszechnie obserwowana wraz z wiekiem. W związku z tym strategie żywieniowe mające na celu maksymalizację zdrowego starzenia się układu mięśniowo-szkieletowego powinny koncentrować się na łagodzeniu rozregulowania metabolicznego mięśni podczas krótkotrwałego nieużywania.

Jednym ze sposobów przeciwdziałania degradacji mięśni podczas krótkotrwałego nieużywania jest zwiększenie spożycia białka w diecie. W rzeczywistości odpowiednie spożycie białka jest konieczne, aby mięśnie pozostały w dodatnim bilansie białkowym netto, przy czym znaczenie tej interwencji żywieniowej wzrasta w okresach nieużywania. Jednak takie podejście nie zawsze jest wykonalne, ponieważ poziomy aktywności są bardziej ograniczone w okresach nieużywania, a zatem istnieje mniejsze prawdopodobieństwo, że osoby spożywają odpowiednią ilość składników odżywczych. Bardziej wykonalnym podejściem może być zwiększenie siły anabolicznej suboptymalnych dawek białka poprzez suplementację aminokwasu, leucyny. Leucyna jest wyjątkowa pod względem zdolności do zwiększania równowagi białkowej bardziej niż jakikolwiek inny aminokwas poprzez stymulację MPS i tłumienie MPB. Leucyna zapewnia silne działanie antykataboliczne podczas unieruchamiania kończyn tylnych u szczurów, co nie zostało jeszcze zbadane na ludziach. Dlatego jasne jest, że leucyna stanowi realną strategię kompensacji rozregulowania MPS i MPB oraz zachowania zdrowia układu mięśniowo-szkieletowego podczas krótkotrwałego nieużywania zarówno u młodych, jak i starszych osób, a zatem uzasadnia dalsze badania.

Uczestnicy:

Do badania zostanie zrekrutowanych dwudziestu czterech zdrowych (nieotyłych, nie chorujących na cukrzycę, niepalących) mężczyzn w wieku 18-35 lat. Obecne badanie będzie kontrolowanym placebo, podwójnie ślepym badaniem z dwiema grupami interwencyjnymi, w których uczestnicy zostaną losowo przydzieleni do otrzymywania dodatkowej leucyny (LEU; n=12) lub placebo (PLA; n=12) podczas 7 dni jednostronnego unieruchomienie nóg. Uczestnicy będą aktywni, ale niedoświadczeni sportowo (tj. ćwiczenia ≤3x/tydz.). Wszystkie procedury badania zostaną jasno wyjaśnione, a uczestnicy wyrażą pisemną świadomą zgodę przed uzyskaniem podstawowych pomiarów.

Zapisy:

Uczestnicy zostaną zaproszeni do Szkoły Nauk o Sporcie, Ćwiczeniach i Rehabilitacji Uniwersytetu w Birmingham. Po przybyciu badacz zaangażowany w badanie wyjaśni uczestnikowi projekt badania i interwencje. Uczestnicy będą mieli możliwość zadawania wszelkich pytań związanych z badaniem i będą mieli czas na podjęcie decyzji, czy wziąć udział, czy też nie. W przypadku chęci udziału uczestnik zostanie poproszony o podpisanie formularza zgody oraz wypełnienie ankiety dotyczącej stanu zdrowia. Gdy uczestnik wyjdzie, zostanie losowo przydzielony do grupy otrzymującej leucynę lub placebo. Uczestnicy zostaną poproszeni o wypełnienie trzydniowego dziennika diety w celu oceny zwyczajowego spożycia pokarmu.

Wstępne oceny:

Po wyjaśnieniu badania i uzyskaniu świadomej zgody, uczestnicy zgłoszą się do laboratorium o godzinie 08:00-09:00 po poście przez 10 godzin i powstrzymaniu się od intensywnych ćwiczeń fizycznych i alkoholu przez 24 godziny wcześniej. Podstawowa funkcja mięśni uczestników zostanie uzyskana poprzez pomiary maksymalnej siły izometrycznej i izokinetycznej mięśni prostowników i zginaczy kolana za pomocą dynamometru izokinetycznego. Po przeprowadzeniu testów wytrzymałościowych badacze dostarczą osobom trzydniowy dziennik diety i monitor aktywności. Trzy dni po pomiarach siły wyjściowej uczestnicy ponownie zgłoszą się do laboratorium w godzinach 08:00-09:00 po 10-godzinnym poście. Uczestnicy zostaną zważeni na wadze cyfrowej z dokładnością do 0,1 kg w lekkim ubraniu. Przeprowadzona zostanie podwójna absorpcjometria rentgenowska (DXA) oraz badanie ultrasonograficzne w celu określenia składu uda (masa tłuszczowa i beztłuszczowa).

Unieruchomienie:

O godzinie 08:00-09:00 rano po wstępnych ocenach uczestnicy przejdą 7 dni jednostronnego unieruchomienia nóg. Pojedyncza noga zostanie wybrana losowo (z przeciwwagą lewa/prawa) i umieszczona w pełnej ortezie kolana. Uczestnicy będą poruszać się o kulach i wykonywać codzienne ćwiczenia stawu skokowego, aby zminimalizować ryzyko wystąpienia zakrzepicy żył głębokich, zgodnie ze wskazaniami wykwalifikowanego fizjoterapeuty. Uczestnicy będą mogli również zdjąć ortezę kolana podczas nocnego snu. Przeszkolony fizjoterapeuta poinstruuje uczestnika w zakresie bezpiecznego korzystania z kul (np. wchodzenie po schodach). Podczas każdego głównego posiłku w okresie unieruchomienia uczestnicy spożywają 5 g suplementu LEU lub PLA w proszku z 250-300 ml wody, co mieści się w bezpiecznych granicach. Spożycie pokarmu będzie kontrolowane przez cały okres unieruchomienia, zgodnie z całkowitym spożyciem kalorii przez osobnika (wyprowadzonym ze standardowych równań), przy składzie makroskładników odżywczych 55% węglowodanów, 30% tłuszczu i 15% białka. Całkowita ilość spożywanego białka wyniesie 1,0 g/kg/dzień. Poziom aktywności uczestnika będzie monitorowany przez 7 dni za pomocą monitora aktywności noszonego na nadgarstku.

Próby eksperymentalne:

Rano, na koniec 7-dniowego okresu unieruchomienia, uczestnicy zgłoszą się do laboratorium o godzinie 06:00-07:00 po nocnym poście. Badania USG i DXA zostaną powtórzone, bezpośrednio po których zostanie wprowadzony cewnik do żyły przedramienia obu ramion w celu i) częstego pobierania krwi w temperaturze -150, -90, 0, 20, 40, 60, 80, 120, 180, 240 minut próby eksperymentalnej (łącznie ~100 ml) i ii) ciągłą infuzję znacznika stabilnego izotopu aminokwasu (L-[pierścień]13C6 fenyloalaniny). Uczestnicy pozostaną w pozycji leżącej przez cały czas trwania próby. Po 150 minutach wlewu zostanie pobrana biopsja mięśnia czworogłowego uda unieruchomionej i nieunieruchomionej kończyny dolnej w znieczuleniu miejscowym. Następnie uczestnicy spożywają 20 g mlecznego napoju białkowego. Dalsze biopsje będą pobierane z obu nóg po 270-minutowej i 390-minutowej infuzji. Tak więc podczas badania zostanie uzyskanych łącznie 6 inwazyjnych biopsji mięśni (3 z każdej nogi), przy czym każda biopsja zostanie uzyskana z oddzielnego nacięcia oddalonego od siebie o około 3 cm. Ten dwuetapowy projekt wlewu stabilnych izotopów umożliwia skuteczną ocenę MPS w przejściu ze stanu poabsorpcyjnego (0-120 min) do stanu poposiłkowego (120-240 min). Siła nóg zostanie ponownie oceniona dzień po infuzji stabilnego izotopu o godzinie 08:00-09:00 po 10-godzinnym poście, aby uniknąć wpływu wcześniejszego skurczu na obrót białkami mięśniowymi.

Analiza danych:

Aby obliczyć syntezę białek miofibrylarnych i mitochondrialnych, badacze zastosują typowe wyrafinowane techniki spektrometrii mas w celu określenia wzbogacenia izotopowego znacznika w białka mięśniowe i osocze wyizolowane z biopsji. Domięśniowe „sygnały anaboliczne” (w szlaku mTORC1) i sygnały „kataboliczne” zostaną określone za pomocą analizy Western blot i q-rtPCR. Respirometria o wysokiej rozdzielczości zostanie również wykorzystana do oceny funkcji mitochondriów wyizolowanej z biopsji tkanki mięśni szkieletowych zarówno w kończynach kontrolnych, jak i unieruchomionych.