运动训练对运动后外周动脉疾病骨骼肌组织蛋白质表达的影响

为什么这个临床问题很重要？

外周动脉疾病 (PAD) 是澳大利亚的一个主要健康问题，在 65 岁以上的男性中患病率为 15%。 1994 年澳大利亚 PAD 的直接医疗保健费用为 1.8 亿美元，其中 78% 与住院有关。 PAD 也是涉及冠状动脉、大脑、肾脏和主动脉血管的晚期心血管疾病 (CVD) 的标志；与 CVD 相关的死亡风险增加 2-3 倍。 2006-2007 年，PAD 导致 25,813 人住院和 2,163 人死亡（澳大利亚健康与福利研究所 2009）。 澳大利亚人口老龄化和 PAD 患病率增加（澳大利亚卫生和福利研究所 2009），全国每年用于心血管疾病的卫生支出很可能增加，大大超过 2000-01 年花费的 54 亿美元（澳大利亚统计局 2006） ). 轻度至中度 PAD 最常见的症状是间歇性跛行 (IC)，定义为步行引起的单腿或双腿（最常见的是小腿）疼痛和痉挛，休息后会缓解。 间歇性跛行患者最主要和最有效的治疗方法是改善行走能力和功能状态。

关于运动对间歇性跛行的影响，已知哪些信息？

几项随机对照试验已经证实了运动训练作为一种治疗方法的有益效果。 最佳的锻炼方式仍未阐明。 运动改善跛行的机制在很大程度上是未知的。 尽管运动会刺激缺血再灌注 (I-R) 损伤，但重复运动可能会对这种 I-R 损伤产生适应性反应。 其他潜在主题包括运动对刺激或抑制血管生成和/或肌肉蛋白质合成的影响。

尽管 IC 的主要原因是与运动期间需求增加相关的下肢血流量减少，但 IC 的病理生理学尚不完全清楚。 例如，肢体血流动力学与临床表现或峰值运动表现的限制不密切相关。 PAD 严重程度的血液动力学指标，例如踝臂收缩压指数 (ABI) 和通过应变计体积描记法测量的血流量，是 IC 患者运动能力的不良预测指标。

横断面研究表明炎症与 PAD 的存在、进展和严重程度相关。 这可能解释了在这些患者中观察到的过度心血管死亡率（10 年时至少 50%）。 运动对跛行影响的研究最多的是外周血中的炎症标志物。

测量肌肉组织中蛋白质表达的重要性是什么？

虽然外周血生物标志物有助于了解跛行的全身表现，但它并不能反映肌肉和微循环中发生的情况。 大多数蛋白质表达的变化都非常细微，无法在外周血中检测到。 获取的容易程度并不对应于审讯的容易程度。 血清中蛋白质的动态范围使分析非常具有挑战性，因为高丰度蛋白质往往会掩盖低丰度蛋白质；而包括白蛋白、β2-巨球蛋白、转铁蛋白和免疫球蛋白在内的少量蛋白质可能占血清蛋白质的 90% 以上11。

细胞或组织的蛋白质补体是动态的，反映了细胞所处的年龄、生命周期和条件或特定的疾病状态。 很明显，在大多数疾病中，蛋白质会发生许多变化，包括翻译后修饰和/或蛋白水解切割；同样，在某些疾病中，蛋白质表达也会发生改变。 信使核糖核酸 (mRNA) 是编码蛋白质化学蓝图的分子。 然而，检查 mRNA 差异表达的微阵列不会提供有关翻译后修饰的信息，因此评估蛋白质影响的唯一方法是在蛋白质水平上。

一些研究调查了 PAD 患者和健康年龄匹配受试者之间骨骼肌组织化学和生化特征的差异。 大多数对 PAD 患者肌肉活检的研究表明，肌肉纤维类型分布、去神经支配和肌肉代谢发生改变，但没有深入了解蛋白质表达 12、13、14。 有相当多的证据表明，与年龄匹配的健康对照相比，PAD 患者的骨骼肌代谢状态受到干扰。 在最早的观察中，有一个意外发现，即患有 PAD 的四肢骨骼肌中几种线粒体酶的表达和活性增加。 IC 患者的骨骼肌确实会随着运动而发生变化，但目前的证据并未阐明变化的机制，也没有阐明变化是否在所有患者中都相同。 我们确实已经知道，一些患者通过运动会有所改善，而另一些则不会。 因此出现了一个问题，即这些患者对运动的反应是否存在生物多样性。

Armstrong 等人研究了骨骼肌钙稳态的紊乱，并提出它们可能在运动引起的肌肉损伤的发展中发挥关键作用。 一些运动后立即发生的肌肉变化归因于蛋白质降解，而蛋白质降解是由非溶酶体半胱氨酸蛋白酶（如钙蛋白酶）引发的。 运动后细胞内钙的升高可以激活钙蛋白酶。 肌肉组织表达三种不同的钙蛋白酶，包括充分表征的普遍存在的钙蛋白酶——m-钙蛋白酶、μ-钙蛋白酶和n-钙蛋白酶。 Wang 等人在动物研究中得出结论，蛋白酶 m-calpain 水平升高会促进肌肉损伤，而 calpastatin 蛋白表达可能对肌肉损伤发挥保护作用。 这尚未在人体研究中进行过调查。 可以假设 calpastatin 和 m-calpain 的水平对于解释 IC 中对运动的不同反应以及为什么一些患者改善而其他患者没有改善很重要。

关于锻炼的好处，存在一些相互矛盾的证据。 Tsai 等人发现，正常训练对葡萄糖转运蛋白 4 (GLUT4) 基因表达的影响在翻译前水平被急性和慢性局部缺血完全消除。 此外，慢性缺血引起的肌肉萎缩在经过运动训练的大鼠中比在未经训练的大鼠中更为严重。 这一结果表明，对于微血管状况受损的个体，运动训练可能无助于维持肌肉质量。 因此，运动训练对患有 IC（局部缺血）的人类受试者的影响尚待阐明。

我们知道所有受试者的运动能力都不同，间歇性跛行患者也不例外。 因间歇性跛行而接受锻炼的患者，由于锻炼而在蛋白质表达方面会有所不同。 出于这个原因，患者将通过对每个人未受影响的肌肉进行活检来作为他们自己的对照。

对运动骨骼肌中的蛋白质进行开放式质谱检查，可以深入了解间歇性跛行中运动效应的机制途径。

间歇性跛行运动中蛋白表达与炎症的关系是什么？

运动诱发缺血再灌注型损伤的临床模型已通过炎症标志物的证据得到证实。 中性粒细胞是第一个开始在受伤部位的组织中积聚的细胞，通过吞噬作用破坏坏死组织，同时与肌肉组织本身的常驻巨噬细胞一起工作。 在各种类型的离心运动后，肌肉中已记录到嗜中性粒细胞的存在。 一项研究中性粒细胞在运动性跛行中的功能研究表明，中性粒细胞活化增加表现为分化抗原 IIb (CD11b) 的中性粒细胞粘附受体簇的表达增加，脱颗粒表现为血浆中性粒细胞弹性蛋白酶的增加。 这些间歇性跛行患者在运动后立即发生这种情况。 这是否等同于预测结果的趋势仍不清楚。

蛋白酶 m-钙蛋白酶是中性粒细胞的趋化因子，可能在局部和全身炎症反应中发挥作用。 Kunimatsu 等人早些时候报道了细胞炎症反应的这种适应。 与 Calpastatin 一起，这些蛋白质可能在局部肌肉损伤、修复和诱导全身炎症反应之间的联系中起着关键作用。

蛋白质的化学修饰可能在从糖尿病到动脉粥样硬化和缺血再灌注损伤以及可能对衰老过程本身的疾病的发病机制中发挥作用。 高级糖基化终产物 (AGE) 是糖基化反应的终产物，在糖基化反应中，糖分子与蛋白质或脂质分子结合，无需酶来控制反应。 AGEs 的形成和积累与年龄相关疾病，特别是心血管疾病的进展有关。 它们具有一系列病理作用，包括通过干扰一氧化氮（内皮衍生松弛因子）抑制血管扩张、结合巨噬细胞和内皮细胞以诱导炎性细胞因子的分泌和增强氧化应激。 我们假设运动会刺激内皮细胞摄取葡萄糖，从而增加 AGE 的合成。 运动是否会再次增强或减少这一过程仍有待确定。

本研究的目的是检查炎症生物标志物，包括白细胞介素 6 (IL-6)、中性粒细胞弹性蛋白酶和高级糖化终产物以及已知影响组织损伤或修复的蛋白质（钙蛋白酶和钙蛋白酶抑制素）以确定不同形式的影响对这个过程进行练习，以确定

1. 锻炼适合所有患者吗？ IE。

   1. 是否所有患者都会产生促炎反应？ 和
   2. 运动是否会对所有患者产生适应性反应？ 或者
   3. 运动是否会刺激某些患者的 I-R 损伤，而运动训练不会减轻这种损伤？
   4. 就组织损伤或修复而言，局部组织对运动的反应是什么（通过蛋白质分析测量）
2. 适合这些患者的最佳运动方式是什么？

3. 患者对运动的反应是否存在多样性

   1. 全身炎症反应（基于 IL-6、中性粒细胞弹性蛋白酶和 AGE's）？
   2. 局部反应（基于蛋白质分析）？

4. 这些患者对运动的生理反应是否会降低 CVD 相关发病率/死亡率的风险？

   A。 心肺运动试验 (CPET) 结果参数和内皮功能的变化证明了这一点。

5. 内皮功能受损是否可逆？ A。 通过流量介导的扩张测量。

综合使用全身血液和局部肌肉组织的数据将有助于表征年龄相关的骨骼肌 PAD 变化的代谢和功能后果。 它还将有助于确定运动对间歇性跛行患者产生影响的机制途径。