Kan kompletterande leucin kompensera muskelatrofi orsakad av ur bruk? (LEU-DIMA)

Det är väl etablerat att skelettmuskelmassan gradvis minskar med hälsosamt åldrande, ett fenomen som vanligtvis kallas sarkopeni. Övertid leder detta till förlust av funktionellt oberoende och ger en ökad risk för att utveckla en samsjuklighet. Nya uppskattningar tyder på att 30 % av de i åldern 75-84 år lider av sarkopeni. Eftersom befolkningen över 85 år växer snabbt, innebär sarkopeni en betydande socioekonomisk börda för hälso- och sjukvården. Ur ett fysiologiskt perspektiv är upprätthållandet av muskelmassa beroende av en fin balans mellan muskelproteinsyntes (MPS) och nedbrytningshastighet (MPB). I hög ålder försämras MPS-responsen på näring (kallad "anabol resistens"), vilket lämnar muskler i ett kroniskt kataboliskt tillstånd och underbygger i slutändan utvecklingen av sarkopeni.

Åldersassocierad muskelanabol resistens kan härröra från en ackumulering av perioder av inaktivitet/missbruk, som är starkt förknippade med en minskning av muskelmassa (atrofi) hos både unga och gamla. Faktum är att den associerade förlusten av muskelmassa är den snabbaste vid början av muskelavbrott, med betydande minskningar i muskelmassa som inträffar efter bara 5 dagars uranvändning. Detta är särskilt viktigt eftersom den genomsnittliga längden av sjukhusvistelse hos äldre individer på 5-6 dagar. Obruksinducerad muskeldekonditionering tillskrivs minskningar i MPS som svar på näring, och potentiellt en förhöjd MPB. Därför kan en ackumulering av dessa perioder av obruk under en livstid leda till en acceleration i sarkopenins bana som vanligtvis ses med åldrande. Följaktligen bör näringsstrategier för att maximera hälsosamt muskuloskeletalt åldrande fokusera på att lindra muskelmetabolisk dysreglering under kortvarig användning.

Ett tillvägagångssätt för att motverka muskelförsämring under kortvarig användning är att öka proteinkonsumtionen i kosten. Faktum är att ett tillräckligt proteinintag är en nödvändighet för att muskler ska förbli i en positiv nettoproteinbalans, med vikten av denna näringsinsats som ökar under perioder då de inte används. Detta tillvägagångssätt är dock inte alltid genomförbart eftersom aktivitetsnivåerna är mer begränsade under perioder då de inte används och individer därför är mindre benägna att konsumera tillräckligt näringsintag. Ett mer genomförbart tillvägagångssätt kan vara att förbättra den anabola styrkan hos suboptimala proteindoser genom tillskott med aminosyran leucin. Leucin är unik i sin förmåga att öka proteinbalansen mer än någon annan aminosyra genom stimulering av MPS och undertryckande av MPB. Leucin ger en stark anti-katabolisk effekt under immobilisering av bakbenen hos råttor, som ännu inte har undersökts på människor. Därför är det tydligt att leucin representerar en gångbar strategi för att kompensera för dysregleringen av MPS och MPB och bevara muskuloskeletala hälsa under kortvarig användning hos både unga och gamla individer och därför motiverar ytterligare utredning.

Deltagare:

Tjugofyra friska (icke-överviktiga, icke-diabetiker, icke-rökare) män i åldern 18-35 år kommer att rekryteras för att delta i studien. Den aktuella studien kommer att vara en placebokontrollerad dubbelblind studie med två interventionsgrupper, där deltagarna kommer att slumpmässigt tilldelas leucin (LEU; n=12) eller placebo (PLA; n=12) under 7 dagars unilateral immobilisering av ben. Deltagarna kommer att vara aktiva, men atletiskt otränade (dvs. träning ≤3x/vecka). Alla studieprocedurer kommer att förklaras tydligt och deltagarna kommer att ge skriftligt informerat samtycke innan de erhåller baslinjemått.

Inskrivning:

Deltagarna kommer att bjudas in till University of Birminghams School of Sport, Exercise and Rehabilitation Sciences. Vid ankomsten kommer en forskare som är involverad i studien att förklara studiedesignen och interventionerna för deltagaren. Deltagarna kommer att ges möjlighet att ställa frågor relaterade till studien och kommer att få tid att bestämma sig för om de vill delta eller inte. Om deltagaren gärna vill delta kommer deltagaren att bli ombedd att underteckna ett samtyckesformulär och fylla i ett hälsofrågeformulär. När deltagaren har lämnat, kommer deltagaren att kategoriseras slumpmässigt till leucin- eller placebogruppen. Deltagarna kommer att uppmanas att fylla i en tredagars dietdagbok för att bedöma vanligt kostintag.

Preliminära bedömningar:

Efter förklaring av studien och inhämtande av informerat samtycke kommer deltagarna att rapportera till laboratoriet kl. 08.00-09.00 efter att ha fastat i 10 timmar och avstått från intensiv träning och alkohol under 24 timmar tidigare. Deltagarnas baslinje muskelfunktion kommer att förvärvas genom mätningar av maximal isometrisk och isokinetisk styrka hos knästräckare och flexormuskler med hjälp av en isokinetisk dynamometer. Efter styrketester kommer utredarna att ge individer en tredagars dietdagbok och en aktivitetsmonitor. Tre dagar efter baslinjestyrkemätningarna kommer deltagarna återigen att rapportera till laboratoriet kl. 08.00-09.00 efter en 10 timmars fasta över natten. Deltagarna kommer att vägas på en digital våg till närmaste 0,1 kg i lätta kläder. Dubbel röntgenabsorptiometri (DXA) och ultraljudsskanningar kommer att utföras för att bestämma lårets sammansättning (fett- och fettfri massa).

Immobilisering:

Klockan 0800-0900 på morgonen efter preliminära bedömningar kommer deltagarna att genomgå 7 dagars unilateral benimmobilisering. Ett enstaka ben kommer att väljas slumpmässigt (motvikt vänster/höger) och placeras i ett knästöd för hela benen. Deltagarna kommer att ambulera med hjälp av kryckor och utföra dagliga fotledsövningar för att minimera risken för djup ventrombos, enligt indikation av en kvalificerad sjukgymnast. Deltagarna kommer också att tillåtas att ta bort knästödet under nattens sömn. En utbildad sjukgymnast kommer att instruera deltagaren om säker användning av kryckor (d.v.s. att gå i trappor). Under varje huvudmåltid under immobiliseringsperioden kommer deltagarna att konsumera 5 g av ett pulveriserat LEU- eller PLA-tillskott med 250-300 ml vatten, vilket är inom de säkra gränserna. Kostintaget kommer att kontrolleras under hela immobiliseringsperioden enligt individens totala kaloriintag (som härrör från standardiserade ekvationer), med en makronäringsämnessammansättning av 55% kolhydrater, 30% fett och 15% protein. Den totala mängden proteinintag kommer att motsvara 1,0 g/kg/dag. Deltagarens aktivitetsnivåer kommer att övervakas under 7-dagarsperioden genom en handledsburen aktivitetsmonitor.

Experimentella försök:

På morgonen som markerar slutet på den sju dagar långa immobiliseringsperioden kommer deltagarna att rapportera till laboratoriet kl. 06.00-07.00 efter en fasta över natten. Ultraljuds- och DXA-bedömningar kommer att upprepas, omedelbart efter vilket en kateter kommer att föras in i en underarmsven på båda armarna för i) frekvent blodprovtagning vid -150, -90, 0, 20, 40, 60, 80, 120, 180, 240 minuter av den experimentella prövningen (~100 ml totalt) och ii) en kontinuerlig infusion av en stabil isotop aminosyraspårare (L-[ring] 13C6 fenylalanin). Deltagarna kommer att förbli i ryggläge under hela försöket. Efter 150 minuters infusion kommer en muskelbiopsi att tas från quadricepsmuskeln på immobiliserade och icke-immobiliserade ben under lokalbedövning. Deltagarna kommer sedan att konsumera en 20 g mjölkproteindryck. Ytterligare biopsier kommer att erhållas från båda benen efter 270 minuter och 390 minuter av infusion. Således kommer totalt 6 invasiva muskelbiopsier att erhållas under försöket (3 från varje ben), med varje biopsi erhållen från ett separat snitt med ett avstånd på ~3 cm från varandra. Denna tvåstegs stabilisotopinfusionsdesign möjliggör effektiv bedömning av MPS i övergången från post-absorptiva (0-120 min) till postprandiala förhållanden (120-240 min). Benstyrkan kommer att omvärderas en dag efter den stabila isotopinfusionen kl. 08.00-09.00 efter en 10 timmars fasta för att undvika interferenseffekter av tidigare sammandragningar på muskelproteinomsättningen.

Dataanalys:

För att beräkna myofibrillär och mitokondriell proteinsyntes kommer forskarna att anta typiska sofistikerade masspektrometritekniker för att bestämma isotopisk spårämnesanrikning i biopsiisolerade muskelproteiner och plasma. Intramuskulära "anabola signaler" (i mTORC1-vägen) och "katabola" signaler kommer att bestämmas via western blöt och q-rtPCR-analys. Högupplöst respirometri kommer också att användas för att bedöma mitokondriell funktion hos biopsiisolerad skelettmuskelvävnad i både kontroll och immobiliserade extremiteter.