Wpływ ostrego deficytu energii i ćwiczeń aerobowych na jakość mięśni

Uzasadnienie badania:

Strategie odchudzania, które wykorzystują wyłącznie ograniczenie energii, mogą prowadzić do upośledzenia masy mięśniowej, co może dodatkowo pogorszyć stan zdrowia osób z chorobami metabolicznymi, takimi jak cukrzyca typu 2. Masa i funkcja mięśni szkieletowych są kluczem do utrzymania zdrowego metabolizmu i jakości życia przez całe życie. Połączenie ćwiczeń i ograniczenia kalorii jest skuteczną interwencją w redukcji masy ciała i poprawie metabolizmu oraz stanu zdrowia osób zdrowych, z nadwagą i otyłością. Badacze wykazali wcześniej, że synteza białek mięśni szkieletowych jest zmniejszona przy ograniczeniu energii i że ćwiczenia oporowe mogą odwrócić ten negatywny efekt. Ćwiczenia aerobowe mają również zdolność stymulowania syntezy białek mięśniowych i poprawy jakości mięśni poprzez zwiększenie syntezy białek mitochondrialnych. Niemniej jednak, w jaki sposób deficyt energii nałożony na ćwiczenia aerobowe moduluje jakość mięśni szkieletowych, nie jest dobrze scharakteryzowany. Co więcej, istniejące badania dotyczyły jedynie mieszanej (niespecyficznej) syntezy białek różnych przedziałów wewnątrzkomórkowych bez podania szczegółów na temat regulacji syntezy białek dla określonych białek.

Ten projekt dostarczy nowych danych, aby odkryć mechanizmy stojące za pozytywnym wpływem ograniczenia energii i towarzyszących mu ćwiczeń aerobowych na jakość mięśni szkieletowych.

Same ćwiczenia aerobowe są dobrze ugruntowaną interwencją mającą na celu zwiększenie pojemności mitochondriów i funkcji mięśni szkieletowych, ale wpływ ograniczeń energetycznych na mięśnie szkieletowe podczas wykonywania ćwiczeń aerobowych nie jest dobrze scharakteryzowany. Niedawne odkrycia na małpach rezus, których fizjologia reaguje w bardzo podobny sposób jak u ludzi, wykazały, że ograniczenie kalorii przez całe życie ma głęboki pozytywny wpływ na mięśnie szkieletowe. Odkrycia te pokazują, że ograniczenie kalorii nie tylko utrzymuje kurczliwą zawartość mięśni, ale także ratuje związany z wiekiem spadek zawartości i pojemności mitochondriów mięśni szkieletowych. Jednak aktywność fizyczna w tym badaniu nie była kontrolowana i wydawała się być wyższa w grupie z ograniczeniem kalorycznym, co stanowi ważny czynnik zakłócający. Dotychczasowe badania na ludziach dotyczące podobnych pytań były mniej jasne. Wyraźna utrata masy ciała spowodowana samym ograniczeniem energii (10% całkowitej masy ciała w ciągu ~7,5 tygodnia) u otyłych kobiet prowadzi do zmniejszenia zawartości mitochondriów w mięśniach. W przeciwieństwie do tego, zastosowanie łagodniejszego ograniczenia 25% całkowitej energii samodzielnie lub w połączeniu z ćwiczeniami przez 6 miesięcy u osób z nadwagą wykazało zwiększoną ekspresję genów kodujących białka mitochondrialne w obu grupach. Jednak pomimo tych obiecujących wyników sugerujących, że utrata masy ciała w połączeniu z ćwiczeniami poprawi metabolizm mięśni szkieletowych, obecnie nie ma mocnych danych potwierdzających stosowanie jednoczesnego ograniczenia energii i ćwiczeń aerobowych wraz z dogłębną analizą ich skutków fizjologicznych i molekularnych w ludziach.

Proponowane tutaj badanie obejmie krótki okres ściśle kontrolowanych ćwiczeń i diety, aby wykazać, że deficyt energii podczas wykonywania ćwiczeń aerobowych skutkuje dalszymi korzyściami w adaptacji metabolicznej mięśni. Obecny projekt opiera się na wcześniejszych i ostatnich wynikach badań badacza, aby bezpośrednio odpowiedzieć na to pytanie. Badania te wykazały, że ćwiczenia oporowe podczas 30% dziennego deficytu energetycznego ratują spadek mieszanej (niespecyficznej) syntezy białek miofibrylarnych obserwowany przy samym deficycie energetycznym. Co więcej, badania badacza wykazały, że ćwiczenia aerobowe regulują w górę określone białka w mitochondriach mięśni szkieletowych u gryzoni; że profil kropli lipidów w mięśniach szkieletowych reaguje na ćwiczenia i odżywianie; że odżywianie moduluje odpowiedź komórkową na ćwiczenia aerobowe i, co ważne; że ćwiczenia aerobowe po krótkotrwałym (~14 godzin) deficycie energetycznym mogą zwiększyć poziom markerów biogenezy mitochondriów w mięśniach szkieletowych i poprawić kontrolę metaboliczną u ludzi.

Cele i hipotezy:

Podstawowe pytanie badawcze związane z tym badaniem brzmi: „Jaki jest połączony wpływ deficytu energetycznego i ćwiczeń aerobowych na jakość mięśni (tempo syntezy poszczególnych białek sarkoplazmatycznych i mitochondrialnych) oraz dynamikę lipidów wewnątrzmięśniowych w okresie pięciu dni u zdrowych mężczyźni?

Dalsze cele:

1. Zidentyfikuj mechanizmy, dzięki którym krótkotrwały deficyt energii (osiągnięty poprzez jednoczesne ograniczenie energii i ćwiczenia) może regulować indywidualny obrót białkami mięśniowymi (synteza, rozpad i obfitość), wewnątrzmięśniową dynamikę lipidów, metabolity i zawartość glikogenu mięśniowego podczas odchudzania.
2. Dostarczenie nowych dowodów na zdolność diety opartej na ziemniakach jako skutecznego źródła składników odżywczych w celu promowania pozytywnych adaptacji mięśni szkieletowych i metabolicznych podczas utraty wagi.

Hipoteza badawcza:

Krótkoterminowe ograniczenie energii z towarzyszącymi ćwiczeniami aerobowymi zwiększy jakość i ilość białek mięśni szkieletowych związanych z pojemnością mitochondriów, poprawi profil kropli lipidów wewnątrzkomórkowych mięśni szkieletowych i zmodyfikuje przenoszone przez krew markery zdrowia metabolicznego w porównaniu z ćwiczeniami bez deficytu energetycznego.

Metody nauki:

Uczestnicy najpierw podejmą testy w celu charakterystyki (szczegóły poniżej), a następnie 5-dniową ocenę linii bazowej (dni -5 do -1) i dwa kolejne 5-dniowe okresy kontrolowanych ćwiczeń w celu zwiększenia zdolności oksydacyjnej (3 dni ćwiczeń aerobowych na okres, 15 kcal/kg FFM/dzień wydatek energetyczny bieganie) i spożycie energii (łącznie 15 dni, z sesją testową 16 rano). Pozwoli to osiągnąć stany bilansu energetycznego (EB; dostępność energii - EA - 45 kcal/kg masy beztłuszczowej (KKM)/dzień), wymagane do utrzymania wagi (dni 1 - 5), następnie deficyt energetyczny (ED; EA 10 kcal/kg FFM/dzień), wymagane do utraty wagi w dniach 6 - 10. Ten eksperymentalny projekt, jak również pobór i wydatek energetyczny, powiela to, co badacze wykorzystali wcześniej do pomyślnego określenia innych fizjologicznych skutków zaburzeń erekcji na mięśnie szkieletowe. Pięć dni EB i EA pozwoli na ścisłą kontrolę spożycia pokarmu i będzie wystarczające do wykrycia zmian w głównych badanych parametrach.

Badanie charakterystyki uczestnika odbędzie się ~15 dni przed rozpoczęciem oceny wyjściowej w celu określenia zgodności z kryteriami włączenia, poziomami sprawności (maksymalne zużycie tlenu i próg mleczanowy [poprzez próbki kapilar pobrane z palca]) oraz skład ciała. Podczas oceny początkowej spoczynkowego mięśnia zostanie pobrana biopsja z mięśnia obszernego bocznego (mięsień czworogłowy uda), przed spożyciem wskaźnika tlenku deuteru (D2O) przez następne 15 dni, aby umożliwić dynamiczne profilowanie proteomiczne mięśnia szkieletowego. W sumie od każdego uczestnika zostaną pobrane 4 biopsje, co jest zgodne z wcześniejszymi badaniami badacza. Ocena wyjściowa służy do wzbogacenia D2O do dynamicznego profilowania proteomicznego i zapewnienia regularnej aktywności fizycznej osobników zgodnie z wymaganiami badania. W każdym 5-dniowym okresie eksperymentalnym biopsje mięśni (dni -5, 1, 6 i 11), codzienne próbki śliny (niestymulowane, pobierane w domu) oraz regularne próbki krwi żylnej (dni -5, 1, 3, 5, 6, 8, 10 i 11) zostaną zebrane w celu oceny dynamicznego profilowania proteomicznego, profilowania kropli lipidów specyficznych dla typu włókna, glikogenu mięśni szkieletowych i D2O oraz hormonów przenoszonych przez krew i metabolitów związanych z utratą masy ciała. Spoczynkowa przemiana materii (RMR; oceniana za pomocą kalorymetrii pośredniej) i ocena składu ciała zostaną przeprowadzone przy użyciu podwójnej absorpcjometrii rentgenowskiej (DXA) w dniach -5, 1, 6 i 11 interwencji. Analiza impedancji bioelektrycznej (BIA) zostanie również wykorzystana do oceny składu ciała podczas każdej wizyty w laboratorium (dni -5, 1, 3, 5, 6, 8, 10 i 11).

Interwencje dietetyczne i bilans energetyczny:

Dieta będzie zgodna z referencyjnym dziennym spożyciem składników odżywczych, aby zapewnić odpowiednio ~60, 20 i 20% energii z węglowodanów, tłuszczu i białka. Zgodnie z wymogami finansowania, procent całkowitej energii ze źródeł opartych na ziemniakach wyniesie >60% w okresie EB i >65% w okresie ED. Ziemniaki będą gotowane na wiele różnych sposobów, które nie dodają znacznej ilości energii, takich jak gotowanie, podgrzewanie w kuchence mikrofalowej, pieczenie itp.

Manipulacja dostępnością energii:

Dostępność energii (EA), która jest zdefiniowana jako pobór energii minus wydatek energetyczny z ćwiczeń – znormalizowany do masy beztłuszczowej – jest używany jako kluczowy parametr do określenia bilansu energetycznego. Badacze jako pierwsi wykazali, że wartości poniżej 30 kcal/kg/FFM mogą modulować reakcje mięśni szkieletowych, co jest zgodne z innymi badaniami dotyczącymi szeregu odpowiedzi metabolicznych na EA. W oparciu o te ostatnie badania, w których stosowano 20 kcal/kg FFM/dzień przez ~14 godzin, obecna interwencja spowoduje wyraźniejszy deficyt energii na dłużej. Średnie spożycie energii w ciągu 5 dni dla przeciętnego uczestnika o wadze 85 kg (70 kg FFM) wyniesie 3780 kcal/dzień dla EB i 1330 kcal/dzień ED. Pozwoli to osiągnąć przybliżony skumulowany deficyt energetyczny wynoszący 12250 kcal w okresie 5 dni, co skutkuje utratą około ~1,5 kg masy ciała z tkanki netto, biorąc pod uwagę, że do utraty 1 kg tkanki netto potrzeba ~7450 kcal. Utrata wody będzie stanowić dodatkowy ~1 kg utraty masy ciała, co będzie konsekwencją zmniejszenia zapasów endogennych węglowodanów (glikogenu), z którymi wiąże się woda, a także fluktuacji wody w wyniku przemian sodu. Glikogen w mięśniach szkieletowych jest również regulatorem aspektów jakościowych mięśni i również zostanie zbadany.

Przedmioty. Normalna populacja pozwoli naukowcom określić reakcje fizjologiczne na tę interwencję. Dziesięciu młodych (18-40 lat) zdrowych, regularnie ćwiczących mężczyzn z procentową zawartością tkanki tłuszczowej ~18-26%.

Jakość:

Badaczami powiązanymi z tym badaniem i przeglądem protokołu badania są wszyscy członkowie personelu (lub doktoranci) w Instytucie Badawczym Nauk o Sporcie i Ćwiczeniach Uniwersytetu im. Johna Mooresa w Liverpoolu (RISES). W 2014 RISES (LJMU) przesłał 34,75 EPC (ekwiwalent pełnego czasu pracy) do Unit of Assessment 26 (UoA26) i osiągnął GPA (średnia ocen) 3,57. Umieszczony na drugim miejscu w rankingu GPA w UoA, RISES stał się wiodącym ośrodkiem badań jakości sportu i ćwiczeń fizycznych w Wielkiej Brytanii (4* - 61% wszystkich wiodących na świecie działań, 3* - 36% wszystkich działań o doskonałym standardzie międzynarodowym). RISES dostarczył największą liczbę 4* wyników (n=60) w UoA, miał 90% aktywności oddziaływania ocenionej na 4* i miał 100% środowiska ocenionego na 4*. Co ważne, spośród 1911 zgłoszeń we wszystkich 36 RISES UoA zajął 11. miejsce w całej Wielkiej Brytanii pod względem GPA osiągniętego w REF2014, umieszczając RISES (LJMU) wśród Oxfordu, UCL, LSE i Cambridge w tabelach ligowych dla tego wskaźnika.