Effekt av träning på proteinuttryck i skelettmuskelvävnad efter träning vid perifer arteriell sjukdom

Varför är detta kliniska problem viktigt?

Perifer arteriell sjukdom (PAD) är ett stort hälsoproblem i Australien, med en prevalens på 15 % hos män över 65 år. Den direkta hälsovårdskostnaden för PAD i Australien var 180 miljoner USD 1994, varav 78 % var förknippad med sjukhusvistelser. PAD är också en markör för avancerad kardiovaskulär sjukdom (CVD) som involverar kranskärl, cerebrala, njur- och aortakärl; med en 2-3 gånger ökad risk för CVD-relaterad dödlighet. Under 2006-2007 var 25 813 sjukhusinläggningar och 2 163 dödsfall ett resultat av PAD (Australian Institute of Health and Welfare 2009). Den åldrande australiensiska befolkningen och prevalensen av PAD ökar (Australian Institute of Health and Welfare 2009), de nationella årliga hälsoutgifterna för hjärt- och kärlsjukdomar kommer sannolikt att öka och kraftigt överstiga de 5,4 miljarder dollar som spenderades 2000-01 (Australian Bureau of Statistics 2006) ). Det vanligaste symtomet på mild till måttlig PAD är claudicatio intermittens (IC), definierad som gång-inducerad smärta och kramper i ett eller båda benen (oftast vader) som lindras med vila. Den primära och mest effektiva behandlingen för personer med claudicatio intermittens är inriktad på att förbättra gångförmågan och funktionsstatus.

Vad är redan känt om effekten av träning vid claudicatio intermittens?

De gynnsamma effekterna av träning som behandling har bekräftats i flera randomiserade kontrollerade studier. Den optimala träningsformen har fortfarande inte klarlagts. Mekanismerna för förbättring av claudicatio med träning är i stort sett okända. Även om träning stimulerar en ischemisk reperfusion (I-R) förolämpning, kan upprepad träning ge ett adaptivt svar på denna I-R förolämpning. Andra potentiella teman inkluderar effekten av träning på att stimulera eller hämma angiogenes och/eller muskelproteinsyntes.

Även om den huvudsakliga orsaken till IC är minskat blodflöde till de nedre extremiteterna i förhållande till ökad efterfrågan under träning, är patofysiologin för IC inte helt klarlagd. Hemodynamik i extremiteterna är till exempel inte nära korrelerad med klinisk presentation eller begränsningarna i maximal träningsprestation. Hemodynamiska mått på svårighetsgraden av PAD, såsom ankel-brachialt systoliskt blodtrycksindex (ABI) och blodflöde genom strain gauge plethysmography, är dåliga prediktorer för träningskapacitet hos patienter med IC.

Tvärsnittsstudier indikerar att inflammation är associerad med förekomst, progression och svårighetsgrad av PAD. Detta kan förklara den ökade kardiovaskulära dödligheten (minst 50 % vid 10 år), som ses hos dessa patienter. Effekten av träning på claudicatio har studerats mest med inflammatoriska markörer i perifert blod.

Vad är betydelsen av att mäta proteinuttryck i muskelvävnad?

Medan biomarkörer från perifert blod hjälper till att förstå de systemiska manifestationerna av claudicatio, återspeglar det inte vad som händer i musklerna och mikrocirkulationen. De flesta förändringarna i proteinuttryck är för subtila för att kunna detekteras i perifert blod. Lättheten att förvärva motsvarar inte lättheten att förhöra. Det dynamiska utbudet av proteiner i serum gör analysen mycket utmanande eftersom proteiner med hög förekomst tenderar att maskera de med lägre mängd; medan ett litet antal proteiner inklusive albumin, Beta 2-makroglobulin, transferrin och immunglobuliner kan representera över 90 % av serumproteinerna11.

Proteinkomplementet i en cell eller vävnad är dynamiskt och återspeglar åldern, livscykeln och tillstånd som cellen utsätts för eller ett specifikt sjukdomstillstånd. Det är tydligt att i de flesta sjukdomar utsätts proteiner för många förändringar inklusive post-translationella modifieringar och/eller proteolytisk klyvning; Likaså vid vissa sjukdomar sker en förändring av proteinuttrycket. Messenger-ribonukleinsyra (mRNA) är den molekyl som kodar för den kemiska ritningen för ett protein. Ändå kommer mikromatriserna som undersöker differentiellt uttryck av mRNA inte att ge information om posttranslationell modifiering, därför är det enda sättet att bedöma proteinernas inverkan på proteinnivå.

Vissa studier har undersökt skillnaden i histokemiska och biokemiska egenskaper hos skelettmuskler mellan patienter med PAD och friska åldersmatchade försökspersoner. De flesta studier av muskelbiopsi från patienter med PAD har visat förändringar i muskelfibertypsfördelning, denervering och förändringar i muskelmetabolism utan insikt i proteinuttryck12, 13, 14. Det finns betydande bevis för att skelettmuskulaturens metaboliska status är störd hos patienter med PAD jämfört med åldersmatchade friska kontroller. Bland de tidigaste observationerna var det oväntade fyndet att uttrycket och aktiviteten av flera mitokondriella enzymer ökar i skelettmuskulaturen från extremiteter med PAD. Skelettmusklerna hos patienter med IC förändras med träning, men de nuvarande bevisen belyser inte förändringsmekanismerna eller om förändringen är densamma hos alla patienter. Vi vet redan att vissa patienter förbättras med träning medan andra inte gör det. En fråga uppstår därför om det finns en biologisk mångfald i dessa patienters reaktion på träning.

Armstrong et al studerade störningar i kalciumhomeostas av skelettmuskler och föreslog att de kan spela en nyckelroll i utvecklingen av träningsinducerad muskelskada. Vissa av de omedelbara muskelförändringarna efter träning har tillskrivits proteinnedbrytning initieras av icke-lysosomala cysteinproteaser, såsom calpain. Förhöjningen av intracellulärt kalcium efter träning kan aktivera calpainerna. Muskelvävnad uttrycker tre distinkta calpainer, inklusive de välkarakteriserade allestädes närvarande calpainerna - m-calpain, μ-calpain och n-calpain. Wang et al har i djurstudier dragit slutsatsen att de ökade nivåerna av proteaset m-calpain främjar muskelskada medan kalpastatinproteinuttrycket kan utföra en skyddande funktion för muskelskada. Detta har ännu inte undersökts i humanstudier. Det kan antas att nivåerna av calpastatin och m-calpain är viktiga för att förklara det varierande svaret på träning i IC och varför vissa patienter förbättras och andra inte.

Det finns vissa motstridiga bevis på fördelen med träning. Tsai et al har funnit att den normala träningseffekten på genuttrycket av glukostransportör 4 (GLUT4) helt eliminerades av både akut och kronisk ischemi på pre-translationell nivå. Dessutom sågs den kroniska ischemi-inducerade muskelatrofin vara allvarligare hos de träningstränade råttorna än hos de otränade råttorna. Detta resultat tyder på att för individer med nedsatt mikrovaskulära tillstånd, kanske träning inte är fördelaktigt för att bibehålla muskelmassan. Följaktligen är effekten av träning hos människor med IC (ischemi) ännu inte klarlagd.

Vi vet att alla ämnen skiljer sig åt i sin träningsförmåga och patienter med claudicatio intermittens är inte olika. Patienter som genomgår träning för claudicatio intermittens skulle vara annorlunda när det gäller deras uttryck av proteiner på grund av träning. Av denna anledning skulle patienterna fungera som sina egna kontroller med hjälp av en biopsi från en opåverkad muskel hos varje individ.

En öppen masspektroskopiundersökning av proteiner i den tränande skelettmuskeln skulle ge en inblick i den mekanistiska vägen för träningseffekten vid claudicatio intermittens.

Vad är sambandet mellan proteinuttryck och inflammation vid träning med claudicatio intermittens?

Den kliniska modellen för träning som inducerar en skada av ischemi-reperfusionstyp har styrkts av bevis på inflammationsmarkörer. Neutrofiler är de första cellerna som börjar ackumuleras i vävnaden på skadestället och förstör nekrotisk vävnad genom fagocytos samtidigt som de arbetar tillsammans med residenta makrofager från själva muskelvävnaden. Neutrofil närvaro har dokumenterats i muskler efter olika typer av excentrisk träning. En studie som tittade på neutrofilfunktion i tränande claudicanter visade ökad neutrofilaktivering som manifesterades genom ökat uttryck av neutrofiladhesionsreceptorklustret av differentieringsantigen IIb (CD11b) och degranulering som manifesterades genom en ökning av plasmaneutrofilelastas. Detta inträffade omedelbart efter träning hos dessa patienter med claudicatio intermittens. Huruvida detta motsvarar en trend att förutsäga utfall är fortfarande inte klart.

Proteaset m-Calpain är kemotaktisk faktor för neutrofiler och kan spela en roll i det lokala och systemiska inflammatoriska svaret. Sådana anpassningar av cellulära inflammatoriska svar har rapporterats tidigare av Kunimatsu et al. Tillsammans med Calpastatin kan dessa proteiner ha en nyckel i sambandet mellan lokal muskelskada, reparation och inducering av ett systemiskt inflammatoriskt svar.

Kemisk modifiering av proteiner kan spela en roll i patogenesen av sjukdomar som sträcker sig från diabetes till ateroskleros och ischemi-reperfusionsskada och kanske till själva åldringsprocessen. Advanced Glycosylation End products (AGEs) är slutprodukterna av glykosyleringsreaktioner där en sockermolekyl binder till antingen ett protein eller en lipidmolekyl utan ett enzym för att kontrollera reaktionen. Bildandet och ackumuleringen av AGE har varit inblandad i utvecklingen av åldersrelaterad sjukdom, i synnerhet kardiovaskulär sjukdom. De har en rad patologiska effekter, inklusive hämning av vaskulär dilatation genom att interferera med kväveoxid (Endotelium Derived Relaxation factor), binder makrofager och endotelceller för att inducera utsöndring av inflammatoriska cytokiner och förstärka oxidativ stress. Vi antar att träning stimulerar glukosupptaget av endotelcellerna och ökar syntesen av AGE. Det återstår att avgöra om träning igen förbättrar eller minskar denna process.

Syftet med denna studie är att undersöka inflammatoriska biomarkörer, inklusive Interleukin-6 (IL-6), Neutrophil elastase och Advanced Glycated End-produkter med proteiner som är kända för att påverka vävnadsskada eller reparation (Calpains och Calpastatin) för att bestämma effekten av olika former av övning på denna process, för att avgöra

1. Är träning lämplig för alla patienter? dvs.

   1. Svarar alla patienter med ett pro inflammatoriskt svar? och
   2. Ger träning ett adaptivt svar på detta hos alla patienter? eller
   3. Stimulerar träning en I-R-förolämpning hos vissa patienter som inte reduceras av träningsträning?
   4. Vad är det lokala vävnadssvaret på träning när det gäller vävnadsskada eller reparation (mätt med proteinanalys)
2. Vilken är den bästa träningsformen för dessa lämpliga patienter?

3. Finns det en biologisk mångfald i patienters respons på träning i form av

   1. Systemiskt inflammatoriskt svar (baserat på IL-6, Neutrophil Elastase & AGE)?
   2. Lokal respons (baserat på proteinanalys)?

4. Minskar det fysiologiska svaret på träning hos dessa patienter risken för CVD-relaterad sjuklighet/mortalitet?

   a. Som framgår av förändringar i kardiopulmonell träningstestning (CPET) resultatparametrar och endotelfunktion.

5. Är nedsatt endotelfunktion reversibel? a. Uppmätt genom flödesmedierad dilatation.

Den kombinerade användningen av data från systemiskt blod och lokal muskelvävnad skulle hjälpa till att karakterisera de metabola och funktionella konsekvenserna av åldersrelaterade PAD-förändringar i skelettmuskulaturen. Det skulle också hjälpa att identifiera en mekanistisk väg genom vilken träning utövar sin effekt på patienten med claudicatio intermittens.