Влияние физических упражнений на экспрессию белка в тканях скелетных мышц после упражнений при заболеваниях периферических артерий

Почему эта клиническая проблема важна?

Болезнь периферических артерий (PAD) является серьезной проблемой здравоохранения в Австралии, с распространенностью 15% среди мужчин в возрасте старше 65 лет. Прямые затраты на здравоохранение при ЗПА в Австралии в 1994 году составили 180 миллионов долларов, из которых 78% были связаны с госпитализациями. ЗПА также является маркером прогрессирующего сердечно-сосудистого заболевания (ССЗ), поражающего коронарные, церебральные, почечные и аортальные сосуды; с 2-3-кратным увеличением риска смертности от сердечно-сосудистых заболеваний. В 2006-2007 гг. 25 813 случаев госпитализации и 2 163 случая смерти были результатом ЗПА (Австралийский институт здравоохранения и социального обеспечения, 2009 г.). Стареющее австралийское население и распространенность ЗПА увеличиваются (Австралийский институт здравоохранения и социального обеспечения, 2009 г.), ежегодные национальные расходы на здравоохранение на сердечно-сосудистые заболевания, вероятно, увеличатся, значительно превысив 5,4 миллиарда долларов, потраченных в 2000–2001 гг. (Австралийское бюро статистики, 2006 г.). ). Наиболее частым симптомом ЗПА легкой и средней степени тяжести является перемежающаяся хромота (ПХ), определяемая как вызванная ходьбой боль и судороги в одной или обеих ногах (чаще всего в икрах), которые уменьшаются в покое. Основное и наиболее эффективное лечение людей с перемежающейся хромотой направлено на улучшение способности ходить и функционального состояния.

Что уже известно о влиянии физических упражнений на перемежающуюся хромоту?

Благотворное влияние физических упражнений как лечения было подтверждено в нескольких рандомизированных контролируемых исследованиях. Оптимальная форма упражнений до сих пор не выяснена. Механизмы улучшения хромоты с помощью физических упражнений в значительной степени неизвестны. Хотя упражнения стимулируют ишемически-реперфузионный (И-Р) инсульт, повторяющиеся упражнения могут вызывать адаптивный ответ на этот ишемический-реперфузионный инсульт. Другие потенциальные темы включают влияние физических упражнений на стимуляцию или ингибирование ангиогенеза и/или синтеза мышечного белка.

Хотя основной причиной ИЦ является снижение притока крови к нижним конечностям по сравнению с увеличением потребности во время физических упражнений, патофизиология ИЦ до конца не изучена. Например, гемодинамика конечностей не коррелирует тесно с клинической картиной или ограничениями в максимальной физической нагрузке. Гемодинамические показатели тяжести ЗПА, такие как лодыжечно-плечевой индекс систолического артериального давления (ЛПИ) и кровоток с помощью тензометрической плетизмографии, являются плохими предикторами переносимости физической нагрузки у пациентов с ИЦ.

Поперечные исследования показывают, что воспаление связано с наличием, прогрессированием и тяжестью ЗПА. Это может объяснить повышенную сердечно-сосудистую смертность (по крайней мере, 50% за 10 лет), наблюдаемую у этих пациентов. Влияние физических упражнений на хромоту наиболее изучено с маркерами воспаления в периферической крови.

В чем важность измерения экспрессии белка в мышечной ткани?

Хотя биомаркеры периферической крови помогают понять системные проявления хромоты, они не отражают того, что происходит в мышцах и микроциркуляции. Большинство изменений в экспрессии белков слишком малозаметны, чтобы их можно было обнаружить в периферической крови. Легкость приобретения не соответствует легкости допроса. Динамический диапазон белков в сыворотке делает анализ очень сложным, поскольку белки с высоким содержанием имеют тенденцию маскировать белки с меньшим содержанием; в то время как небольшое количество белков, включая альбумин, бета-2-макроглобулин, трансферрин и иммуноглобулины, может составлять более 90% белков сыворотки11.

Белковый состав клетки или ткани динамичен и отражает возраст, жизненный цикл и условия, которым подвергается клетка, или конкретное болезненное состояние. Понятно, что при большинстве заболеваний белки подвергаются многочисленным изменениям, включая посттрансляционные модификации и/или протеолитическое расщепление; в равной степени при некоторых заболеваниях происходит изменение экспрессии белка. Рибонуклеиновая кислота-мессенджер (мРНК) представляет собой молекулу, кодирующую химическую схему белка. Тем не менее, микроматрицы, изучающие дифференциальную экспрессию мРНК, не предоставят информацию о посттрансляционной модификации, поэтому единственный способ оценить влияние белков - на уровне белков.

В некоторых исследованиях изучались различия в гистохимических и биохимических характеристиках скелетных мышц между пациентами с ЗПА и здоровыми людьми того же возраста. Большинство исследований биопсии мышц у пациентов с ЗПА продемонстрировали изменения в распределении типов мышечных волокон, денервацию и изменения в мышечном метаболизме без понимания экспрессии белков12, 13, 14. Имеются убедительные доказательства того, что метаболический статус скелетных мышц нарушен у пациентов с ЗПА по сравнению с контрольной группой того же возраста. Среди самых ранних наблюдений было неожиданное открытие того, что экспрессия и активность нескольких митохондриальных ферментов повышены в скелетных мышцах конечностей с ЗПА. Скелетные мышцы у пациентов с интерстициальным циститом меняются при физической нагрузке, но текущие данные не проливают свет на механизмы изменений или на то, одинаковы ли эти изменения у всех пациентов. Мы уже знаем, что у одних пациентов упражнения улучшаются, а у других нет. Таким образом, возникает вопрос, существует ли биоразнообразие в реакции этих пациентов на упражнения.

Армстронг и др. изучали нарушения гомеостаза кальция в скелетных мышцах и предположили, что они могут играть ключевую роль в развитии повреждения мышц, вызванного физической нагрузкой. Некоторые немедленные мышечные изменения после тренировки объясняются расщеплением белка, инициируемым нелизосомальными цистеиновыми протеазами, такими как кальпаин. Повышение уровня внутриклеточного кальция после тренировки может активировать кальпаины. Мышечная ткань экспрессирует три различных кальпаина, включая хорошо охарактеризованные вездесущие кальпаины - м-кальпаин, мю-кальпаин и н-кальпаин. Wang et al. в исследованиях на животных пришли к выводу, что повышенный уровень протеазы m-calpain способствует повреждению мышц, тогда как экспрессия белка кальпастатина может выполнять защитную функцию при повреждении мышц. Это еще не было исследовано в исследованиях на людях. Можно предположить, что уровни кальпастатина и м-кальпаина играют важную роль в объяснении вариабельного ответа на физическую нагрузку при интерстициальном цистите и того, почему у одних пациентов наблюдается улучшение, а у других нет.

Существуют противоречивые данные о пользе физических упражнений. Tsai и соавт. обнаружили, что обычное тренировочное воздействие на экспрессию гена транспортера глюкозы 4 (GLUT4) полностью устраняется как острой, так и хронической ишемией на претрансляционном уровне. Кроме того, мышечная атрофия, вызванная хронической ишемией, была более выраженной у тренированных крыс, чем у нетренированных. Этот результат свидетельствует о том, что для людей с нарушениями микроциркуляторного русла физические упражнения могут оказаться бесполезными для поддержания мышечной массы. Таким образом, влияние физических упражнений на людей с ИЦ (ишемией) еще предстоит выяснить.

Мы знаем, что все субъекты различаются по способности выполнять физические упражнения, и пациенты с перемежающейся хромотой ничем не отличаются. У пациентов, выполняющих физические упражнения по поводу перемежающейся хромоты, уровень экспрессии белков, вызванный физическими упражнениями, будет отличаться. По этой причине пациенты будут действовать в качестве собственного контроля посредством биопсии из непораженной мышцы каждого человека.

Открытое масс-спектроскопическое исследование белков в тренируемых скелетных мышцах могло бы дать представление о механистическом пути эффекта физической нагрузки при перемежающейся хромоте.

Какова связь между экспрессией белка и воспалением при физической нагрузке при перемежающейся хромоте?

Клиническая модель физической нагрузки, вызывающая повреждение по типу ишемии-реперфузии, была подтверждена наличием маркеров воспаления. Нейтрофилы являются первыми клетками, которые начинают накапливаться в ткани в месте повреждения, разрушая некротизированную ткань посредством фагоцитоза, работая совместно с резидентными макрофагами из самой мышечной ткани. Присутствие нейтрофилов было зарегистрировано в мышцах после различных типов эксцентрических упражнений. Исследование, изучающее функцию нейтрофилов у тренирующихся больных хромотой, показало повышенную активацию нейтрофилов, проявляющуюся повышенной экспрессией кластера рецепторов адгезии нейтрофилов дифференцировочного антигена IIb (CD11b), и дегрануляцию, проявляющуюся увеличением эластазы нейтрофилов в плазме. Это произошло сразу после физической нагрузки у этих пациентов с перемежающейся хромотой. Приравнивается ли это к тенденции предсказывать результаты, до сих пор неясно.

Протеаза m-Calpain является хемотаксическим фактором для нейтрофилов и может играть роль в местной и системной воспалительной реакции. О таких адаптациях клеточных воспалительных реакций ранее сообщали Kunimatsu et al. Вместе с кальпастатином эти белки могут играть ключевую роль в связи между локальным повреждением мышц, восстановлением и индукцией системной воспалительной реакции.

Химическая модификация белков может играть роль в патогенезе различных заболеваний, от диабета до атеросклероза и ишемически-реперфузионных повреждений, и, возможно, в самом процессе старения. Конечные продукты расширенного гликозилирования (AGE) — это конечные продукты реакций гликозилирования, в которых молекула сахара связывается либо с молекулой белка, либо с молекулой липида без фермента, контролирующего реакцию. Образование и накопление КПГ связано с прогрессированием возрастных заболеваний, в частности сердечно-сосудистых заболеваний. Они обладают рядом патологических эффектов, включая ингибирование расширения сосудов за счет вмешательства в оксид азота (фактор релаксации эндотелия), связывание макрофагов и эндотелиальных клеток для индукции секреции воспалительных цитокинов и усиления окислительного стресса. Мы предполагаем, что физические упражнения стимулируют поглощение глюкозы эндотелиальными клетками, увеличивая синтез КПГ. Остается определить, усиливают ли физические упражнения этот процесс или ослабляют его.

Целью данного исследования является изучение воспалительных биомаркеров, включая интерлейкин-6 (ИЛ-6), нейтрофильную эластазу и конечные продукты повышенного гликозилирования с белками, которые, как известно, влияют на повреждение или восстановление тканей (калпаины и кальпастатин), чтобы определить эффект различных форм. упражнения на этот процесс, чтобы определить

1. Всем ли пациентам подходят упражнения? то есть

   1. Все ли пациенты реагируют провоспалительной реакцией? и
   2. Вызывают ли упражнения адаптивный ответ на это у всех пациентов? или
   3. Стимулируют ли физические упражнения инсульт у некоторых пациентов, который не уменьшается при выполнении упражнений?
   4. Какова локальная реакция тканей на физическую нагрузку с точки зрения повреждения или восстановления тканей (согласно анализу белков)
2. Какова наилучшая форма упражнений для этих подходящих пациентов?

3. Существует ли биоразнообразие в реакции пациентов на физические упражнения с точки зрения

   1. Системный воспалительный ответ (на основе IL-6, нейтрофильной эластазы и AGE)?
   2. Местный ответ (на основе анализа белка)?

4. Снижает ли физиологический ответ на физические упражнения у этих пациентов риск заболеваемости/смертности, связанной с сердечно-сосудистыми заболеваниями?

   а. О чем свидетельствуют изменения показателей сердечно-легочного нагрузочного теста (КПНТ) и функции эндотелия.

5. Является ли нарушение функции эндотелия обратимым? а. Согласно измерению дилатации, опосредованной потоком.

Комбинированное использование данных из системной крови и местной мышечной ткани поможет охарактеризовать метаболические и функциональные последствия возрастных изменений ЗПА в скелетных мышцах. Это также помогло бы определить механистический путь, посредством которого упражнения оказывают свое влияние на пациента с перемежающейся хромотой.