Киджин Ким

Катедра по физическо възпитание, Колеж по физическо възпитание, Университет Keimyung, Daegu 42601, Корея.

Найюнг Ан

Катедра по физическо възпитание, Колеж по физическо възпитание, Университет Keimyung, Daegu 42601, Корея.

Сурюн Юнг

Департамент по физическо възпитание, Колеж по физическо възпитание, Университет Keimyung, Daegu 42601, Корея.

Парк Соли

Катедра по физическо възпитание, Колеж по физическо възпитание, Университет Keimyung, Daegu 42601, Корея.

Резюме

Целта на това проучване е да се изследват ефектите от тренировъчно трениране с изкачване по стълби върху митохондриална биогенеза и ER стрес на сърдечния мускул при плъхове на средна възраст, предизвикани от диета с високо съдържание на мазнини. Индуцирахме затлъстяване за период от 6 седмици при 40 мъжки плъхове Sprague-Dawley на възраст около 50 седмици и бяхме разделени на случаен принцип в четири експериментални групи: чау, HFD, упражнения + HFD и упражнения + чау. Упражняващите се групи преминаха високоинтензивно периодично обучение, използвайки изкачване по стълба и упражнения с тежести 3 дни/седмица в продължение на общо 8 седмици. Диетата с високо съдържание на мазнини и едновременното упражнение не доведоха до значително намаляване на телесното тегло, но предизвикаха значително намаляване на теглото на висцералните мазнини (p Ключови думи: Стареене, сърдечен мускул, ER стрес, затлъстяване, предизвикано от диета с високо съдържание на мазнини, упражнения за катерене по стълби, биогенеза на митохондриите

ВЪВЕДЕНИЕ

Остаряването води до структурно и функционално разграждане на сърдечните мускули, придружено от намалена контрактилитет и мускулна маса. Загубата на клетки или реактивната хипертрофия при остаряло сърце води до функционална дегенерация, което води до евентуални дефекти в сърдечната функция [1]. Промените в мускулните клетки по време на процеса на стареене се дължат главно на метаболитни промени от качествени и количествени промени в митохондриите, колебания в нивата на факторите на оксидативен стрес в клетките, промени в сигналната структура на Ca 2+ и трансформацията на мускулите от тип II влакна до мускулни влакна тип I [2]. Тъй като 95% от енергията, необходима за свиване на сърдечния мускул, се доставя чрез митохондриално дишане, тези метаболитни промени имат значително влияние върху сърдечната дисфункция и могат да доведат до появата на сърдечна недостатъчност [3]. По този начин повишаването на митохондриалната биогенеза на сърцето е от решаващо значение за поддържане на сърдечната функция и предотвратяване на сърдечни заболявания.

Наред със стареенето, затлъстяването е друг ключов рисков фактор за сърдечно-съдови заболявания. Затлъстелите хора имат повишени нива на свободни мастни киселини в плазмата, с последващо активиране на стреса на ендоплазмен ретикулум (ER) и хроничен възпалителен отговор с негативни ефекти върху състоянието на сърцето [4]. ER стресът е силно свързан с различни сърдечно-съдови заболявания, включително сърдечна недостатъчност, артериосклероза и исхемични сърдечни заболявания [5,6,7]. Неотдавнашно проучване показа, че повишеният ER стрес води до 2,4-кратно намаляване на митохондриалната биогенеза [8]. Добре известно е, че сигналната пътека при ER стрес е медиирана от три основни ER стрес сензора, които са PKR-подобна ER киназа (PERK), инозитол, изискващ ензим 1 (IRE1) и активиращ транскрипционен фактор 6 (ATF6). PERK от тях е ключов ER сензор за стрес и молекулярен медиатор на сайтовете за контакт с ER-митохондриите, необходим за регулиране на междуорганеларна кръстосана реч при индуцирана от ROS клетъчна смърт, роля, която не се споделя с други ER сензори за стрес, като IRE1 [9]. Следователно, PERK и проапоптотичният C/EBP хомоложен протеин (CHOP), надолу по веригата на PERK, са ключови фактори за разбиране на връзката между ER стрес и неизправност на митохондриите, причинени от затлъстяването, но те не са ясно разбрани.

Един от най-ефективните методи за стимулиране на митохондриалната биогенеза в мускулната тъкан е чрез програма за упражнения. По-конкретно е доказано, че тренировките с висока интензивност или дългосрочни упражнения увеличават броя и качеството на митохондриите [10,11]. Предишни проучвания показват, че тренировките за издръжливост при пациенти в напреднала възраст са увеличили пика на VO2 [12,13,14], митохондриалното количество [15], активността на оксидазата [12,14], скоростта на синтез на мускулен протеин [16,17], гена на митохондриалния протеин преписи [13] и номера на копие на митохондриална ДНК [18]. Освен това физическите упражнения показват, че намаляват нивата на оксиди [19] и предпазват мускулните клетки чрез увеличаване на активността на антиоксидантните ензими [20,21,23], което е свързано с активираните от пероксизома пролифератор рецептори β/δ (PPARδ) [ 24,25,26]. PPARδ е основен медиатор за намаляване на ER стреса в аортите на затлъстели мишки [27] и е необходим за упражнения за отслабване на ER стреса [28], следователно тези открития ни доведоха до предположението, че PPARδ, предизвикан от упражнения, намалява ER стреса в сърдечната дейност мускул, причинен от индуцирано от затлъстяване ROS.

Целта на настоящото проучване беше да се определят ефектите на PPARδ върху митохондриалните ензими и PERK/проапоптотичния C/EBP хомологичен протеинов (CHOP) път, ключов ER стрес път, в сърдечния мускул на диета, индуцирана с високо съдържание на мазнини плъхове на средна възраст, които са изпълнявали високоинтензивно прекъсващо обучение с помощта на стълби и тежести. Резултатите от това проучване очакват да предоставят ключови доказателства в подкрепа на ползите от тренировките за поддържане на сърдечно-съдовото здраве и предотвратяване на сърдечни заболявания чрез механизъм за засилване на свързаното със затлъстяването намаляване на митохондриалната биогенеза.

МЕТОДИ

Субекти

След едноседмичен адаптационен период 40 мъже на средна възраст (

50-годишни) Плъховете Sprague-Dawley са закупени и са принудени да затлъстяват с 6-седмична диета с високо съдържание на мазнини (съответно 30%, 50% и 20% калории от въглехидрати, мазнини и протеини). След индуциране на затлъстяването плъховете бяха разделени на случаен принцип в четири групи: групата с нормална чау диета (диета с високо съдържание на протеини, състояща се съответно от 64,5%, 11,8% и 23,5% калории от въглехидрати, мазнини и протеини; 3,2 kcal/g ); диетичната група с високо съдържание на мазнини (5,1 kcal/g); групата за чау + упражнения; и групата с високо съдържание на мазнини + упражнения. Режимът на лечение продължи общо 8 седмици. Упражняващите се групи преминаха високоинтензивно периодично обучение, използвайки упражнение за изкачване по стълба 3 дни в седмицата. Диетата на чау-диетата премина от първоначалната диета с високо съдържание на мазнини към диетата с чау, за да намали общия калориен прием и консумацията на мазнини.

Плъховете от всички групи получавали едновременно добавки от витамини (22 g/kg Teklad витамин микс № 40077), минерали (51 g/kg Teklad минерален микс № 170915), метионин (5 g/kg, Teklad Premier № 10850) и холин хлорид (1,3 g/kg) [29]. Питейната вода се осигурява ad libitum под формата на вторична йонообменна вода. Всички плъхове са били отглеждани поотделно по време на размножителния период и цикълът ден-нощ е бил 12 часа. Температурата и относителната влажност се поддържат около 24 ± 1 ℃ и 60%, съответно. Дизайнът на изследването е одобрен от Комитета по етика на изследванията на животните към Медицинското училище в Университета Кеймюнг (KM-2012-30R).

Упражнение за изкачване по стълба

За адаптация, плъховете бяха тренирани в упражнението за катерене по стълбата през първата седмица, като се използва 1-метрова стълба, позиционирана под наклон от 75 °, без да се добавя тежест към опашката. След този адаптационен период, тежести от 30

Към опашките се добавят 50% телесна маса и теглото или броят на повторенията непрекъснато се увеличава по време на експерименталния период. За първия набор се добавя тегло от 70% телесно тегло от 2-рата седмица до края. 80% тегло се добавя за 2-ри и 3-ти сет, 90% тегло се добавя за 4-ти и 5-ти сет и 100% тегло се добавя за 6-и до 8-ми сетове. Този протокол за упражняване на съпротива срещу гризачи е последван или модифициран от протокола на Kraemer et al. [30]. Имаше 8 повторения на сет, с 2 минути почивка между сетовете. Честотата на упражнението за изкачване по стълба беше 3 дни в седмицата [31,32].

Екстракция и анализ на тъкани

Статистически анализ

упражнение

(А) Промени в телесното тегло след 8-седмична интервенция. α Значително различен от CD, CE (p + значително различен от CD, CE (p * Значително различен от CD, CE, FE (p Фиг. 2, нивата на митохондриалните ензими са особено значително по-високи в групата с диета чау + упражнения в сравнение с тези в останалите три групи (p + Значително различно от CD, FD (p * Значително различно от CD, FD, FE (p Фиг. 3).

(A) + Значително различен от CD (p * Значително различен от CD, CE, FE (p + Значително различен от CD, FE (p * Значително различен от CD, CE, FE (p 70% за 5 дни и не е установено) ефект от това краткосрочно обучение за издръжливост върху експресията на свързаните със стрес протеини в сърдечния мускул, като GRP78, GRP94 или калретикулин. Въпреки това, Gonzalez et al. [39] съобщават, че обучението за издръжливост в продължение на 3 месеца води до значително повишена експресия на GRP78 в мускула на soleus и extensor digitorum longus GRP78 и GRP94 са ER шаперони, които предпазват миокардните клетки срещу увреждане (т.е. клетъчна смърт), предизвикано от миокардна исхемия при активиране [40,41]. Ефектът от упражненията върху ER стресът все още е неясен, което изисква непрекъснати и подробни проучвания, за да се определят основните механизми.

Това намаление беше още по-голямо в групата с по-нисък калориен прием поради преминаването от диета с високо съдържание на мазнини към диета с чау с едновременно упражнение. Тези резултати показват, че периодичното обучение по упражнения за катерене по стълба, съчетано с намален прием на калории, може да отслаби нивата на свързаните със стрес протеини на ER, които биха предизвикали увреждане на миокарда. Въпреки това няма влияние върху упражненията или диетата върху нивата на GRP78, което е протеин, свързан със защитата на миокарда. Предишни проучвания съобщават, че острите физически упражнения значително повишават нивото на GRP78 в черния дроб, но ефектите върху други тъкани не са последователни [64]. По подобен начин в нашето проучване няма промяна в експресията на GRP78 в сърдечната тъкан, въпреки че са възможни промени в други тъкани.

Резултатите от настоящото проучване показват, че промените в факторите, свързани със стреса на ER, причинени от периодично обучение с висока интензивност в контекста на стареенето, не играят съществена роля в активирането на митохондриалната биогенеза или че тези промени са взаимно независими една от друга . Въпреки това, като се вземат предвид предишни констатации, които предполагат, че ER стресът може да доведе до потискане на митохондриалната биогенеза [65], от решаващо значение е ясно да се идентифицира тази потенциална асоциация чрез допълнителни анализи на индукцията на реактивни кислородни видове и свързаните с отбраната фактори [66]. Освен това рутинните упражнения, използвани в това проучване, т.е. добавяне на тежести към опашката с изкачване по стълба, се считат за прекъсващ високоинтензивен тип тренировка и е възможно постоянството в стимулацията от упражнението да не е било достатъчно, за да промени PGC -1α ниво в сърдечния мускул. И накрая, използването на плъхове на средна възраст, а не на млади, здрави плъхове също трябва да се вземе предвид при тълкуването на тези резултати. Следователно, заедно със специфичните за възрастта и тъканите промени, асоциациите между ER стрес, PPARδ и PGC-1α трябва да бъдат идентифицирани чрез бъдещи проучвания.

Едно особено интересно откритие на това проучване е, че преминаването на плъхове със затлъстяване, индуцирани с високо съдържание на мазнини, на чау-диета в продължение на 8 седмици причинява значително намаляване на телесното тегло и теглото на висцералните мазнини, но не засяга митохондриалната биогенеза на миокарда. Civitarese et al. [67] анализира ефекта от диетата (т.е. намален прием на калории) или обучението за издръжливост в продължение на 6 месеца върху митохондриалната биогенеза на скелетната мускулатура при 36 затлъстели хора и твърди, че намаленият калориен прием подобрява митохондриалната функция. Въпреки това, противоречиви резултати са получени от проучвания върху животни, оценяващи ефектите от намаления калориен прием върху митохондриалната биогенеза на скелетната мускулатура [68,69,70,71]. Освен това, дори сред проучвания върху хора, има много доклади, които не показват повишаване на активирането на окислителните ензими при затлъстели лица след загуба на тегло [72,73].

Резултатите показват, че 8 седмици упражнение за изкачване по стълба увеличават митохондриалната биогенеза в сърдечния мускул на плъхове със затлъстяване на средна възраст. Въпреки че няма разлика в механизма за насърчаване на биогенезата на митохондриите (т.е. нивото на протеин PGC-1α) сред различните групи, 8 седмици от упражнението за изкачване по стълба значително намаляват факторите, свързани със стреса на ER, които от своя страна инхибират биогенезата фактори (фиг. 5). Въпреки че данните ни не са достатъчни, за да се направи някакво заключение относно тези ефекти в този момент, поне за сърдечния мускул, резултатите въпреки това показват, че едновременното стимулиране от тренировъчни упражнения е по-ефективно за защита на сърдечния мускул в сравнение със схема за отслабване, която е изцяло зависи от диетата и намаления калориен прием. В това проучване обаче използвахме плъхове със затлъстяване на средна възраст, а не плъхове със сърдечни дефекти. Следователно бъдещите проучвания, фокусирани върху субекти или модели със сърдечни дефекти, трябва да помогнат да се даде по-ясно обяснение на ефектите от тренировъчните упражнения и диетата за енергиен контрол върху защитата на сърдечния мускул.

Предлагаме хипотеза, че едновременното стимулиране от тренировъчни тренировки е по-ефективно чрез инхибиране на експресията на PERK и CHOP или активиране на PGC-1α и PPARb за защита на сърдечния мускул в сравнение със схема за отслабване, която е изцяло зависима от диетата и намалена калориен прием. Въпреки това не бихме могли да предположим значителната връзка между PGC-1α и PPARβ и експресията на активиращия GRP78.

ПРИЗНАВАНИЯ

Това изследване беше подкрепено от Bisa Research Grant на университета Keimyung през 2015 г.

Бележки под линия

Принос на автора: С. П. извърши експеримент с животни и анализ на Уестърн блотинг. S.J. тълкува данни и пише ръкописа. Н.А. и К.К. проектирано проучване и преработена статия.

КОНФЛИКТИ НА ИНТЕРЕСИ: Авторите не декларират конфликт на интереси.