Училище за битови и екологични науки A08, Университет в Сидни, Сидни, Австралия

Адрес за заявки за препечатване и друга кореспонденция: F. Seebacher, Училище за бит и науки за околната среда A08, Унив. от Сидни, Сидни, NSW 2006, Австралия (имейл: [имейл защитен]).

Център за спорт, упражнения и науки за живота, Факултет по здравеопазване и науки за живота, Университет Ковънтри, Ковънтри, Великобритания

Резюме

НОВО И ЗАБЕЛЕЖИТЕЛНО Затлъстяването може да има отрицателен ефект върху мускулната функция и по този начин да компрометира мобилността. Въпреки че аеробните упражнения имат много физиологични предимства при индивиди със затлъстяване и с нормално тегло, ние показваме, че при аеробните упражнения при риба зебра аеробните упражнения не подобряват индуцираното от затлъстяването намаляване на мускулната контрактилна функция. Комбинацията между различни режими на упражнения може да бъде по-ефективна от аеробните упражнения самостоятелно.

Скелетните мускули са най-големият орган в тялото на гръбначните животни и оказва дълбоко влияние върху метаболитните фенотипове, стойка и подвижност (2). Затлъстяването може да има отрицателен ефект върху мускулната съкратителна функция, чрез нарушаване на цикличността на калция и сигнализиране от AMP-активирана протеин киназа (AMPK) (37), както и чрез вътремиоцелуларно натрупване на липиди (7, 35). В резултат на това може да има преминаване от бавни към бързи мускулни влакна и намаляване на производството на сила и мощността на скелетните мускули (36, 38). Преди използвахме риба зебра (Данио рерио) като модел модел и установи, че затлъстяването води до намаляване на мускулната мощност (когато се нормализира до мускулна маса), производството на сила на площ на напречното сечение и степента на мускулна релаксация. Тези промени бяха придружени от намаляване на локомоторните характеристики. Интересното е, че тези намаления на мускулната съкратителна функция не са отменени от загуба на тегло (31). Следователно загубата на тегло сама по себе си не винаги е достатъчна намеса за лечение на неблагоприятния ефект на затлъстяването върху мускулната контрактилна функция (1).

Проучете животни и лечения.

Всички процедури бяха извършени с одобрението на Комитета по етика на животните към Университета в Сидни (одобрение № 723). Възрастен данио [Данио рерио; средна дължина = 0,035 ± 0,00023 (SE) m; ~ 6 месеца на възраст] са получени от търговски доставчик (Livefish, Bundaberg, Австралия) и се поддържат в пластмасови резервоари (600 × 450 × 250 mm; 1-2 риби на литър) с дехлорирана вода при 22 ° C и 12:12 -h фотопериод на тъмна светлина в продължение на 2 седмици преди експериментиране и хранене с търговски рибни люспи (Wardley's, Hartz Mountain Company, Secaucus, NJ; 46% протеин, 6% мазнини). След 2 седмици рибите бяха разпределени на случаен принцип в една от експерименталните групи. Експериментът включва два независими фактора, диета с три нива (затлъстяване, постно, затлъстяване) и упражнения с две нива (упражнения и контрол). Рибите се държат в кръгли контейнери (0,39 m диаметър × 0,15 m дълбочина) с централна колона, която създава пръстеновидна форма (0,15 m широчина). Всички резервоари съдържаха потопяема помпа, която беше включена при упражненията, но не и при контролните процедури (виж по-долу). Във всеки резервоар имаше 10–15 риби и имаше пет резервоара за всяка комбинация от упражнения за затлъстяване ×.

Диетичните процедури се състоят от различни честоти на хранене и включват следните нива: 1) хранени до сито веднъж на ден в продължение на 6 дни на седмица за 9-10 седмици. Ние наричаме това лечение „постно“; 2) хранени до ситост 3 пъти на ден в продължение на 6 дни в седмицата и веднъж на ден на 7-мия ден в продължение на 9–10 седмици („затлъстели“); и 3) хранени като затлъстели риби в продължение на 4-5 седмици и след това преминали към постна диета в продължение на 4-5 седмици (затлъстели). За подпроби от 10–15 риби на обработка направихме снимки (с камера Exilim, Casio, Япония), за да определим стандартната дължина (в ImageJ Software, NIH) и претеглихме рибата в началото на лечението и отново по това време когато затлъстелите слаби риби са преминали към постна диета. Ние претеглихме и измерихме всички експериментални риби в края на обработките непосредствено преди измерванията. Индексът на телесна маса (ИТМ) се различава значително между леченията (вж. По-долу), но има известно припокриване в ИТМ между леченията, където например най-тежките постни риби попадат в обхвата на най-леките затлъстели риби.

Упражнявахме риба в продължение на 30 минути на ден и помпите създадоха поток от 0,08 m/s (2-3 телесни дължини/s), когато се включиха (12). Нашите предишни данни за разходите за транспорт при зебрата показват, че този дебит увеличава скоростта на метаболизма до 3-4 пъти повече от скоростта на покой (20). Ние проверихме, че рибите при обработката на потока се упражняват значително повече от рибите в неподвижна вода, като заснемат групи риби със същата плътност като тази, използвана за експерименти (10–15 риби във всяка от н = 10 резервоара) с включени и изключени помпи. От видеоклиповете сме преброили честотите на ритъма на опашката (в софтуера Tracker Video Analysis, https://physlets.org/tracker/) от пет произволно избрани риби на резервоар с включени и изключени помпи. При изключени помпи честотите на биене на опашката бяха 55,5 ± 0,6 (SE) удара/мин, които се увеличиха до 170,7 ± 1,1 (SE) удара/мин с включени помпи.

Изпълнение на плуването.

Мускулна биомеханика.

Риба (н = 10 на група за лечение) са били евтаназирани чрез дислокация на шийката на матката. Кожата беше отстранена и участък от рострални (предни гръбни) мускулни влакна с дължина от пет до седем миотома беше дисектиран от едната страна на рибата в охладен (3. Общата средна площ на напречното сечение (± SE) на всички мускулни препарати е 2,65 ± 0,17 mm 2. След това се изчислява максимална изометрична мускулна сила на площ на напречното сечение на мускула (kN/m 2) за всеки тетаничен отговор като максимална тетанична сила в рамките на изпитване, разделена на средна площ на напречното сечение.

Концентрации на тежки вериги на миозин.

Съхранихме мускулни проби (от н = 8 риби на лечение), събрани по време на дисекциите за измерване на мускулната механика при -80 ° C. За анализите, мускулни проби се хомогенизират (в TissueLyser LT; Qiagen, Venlo, Холандия) в девет обема RIPA буфер (консистенция в mmol/l: 20 Tris · Cl, pH 7,5, 150 NaCl, 1 EDTA, 1 EGTA, 1% NP40, 1% натриев дезоксихолат) и разтвор на инхибитор на протеаза и фосфатаза (пълна, без EDTA; Roche Life Sciences, Германия). Идентифицирането и количественото определяне на изоформите на бавна и бърза миозинова тежка верига (MHC) се извършва чрез капилярна електрофореза в проста уестърн система „Wes“ (ProteinSimple), следвайки инструкциите на производителя. Антителата (всички от Развитие на проучванията Hybridoma Bank, University of Iowa, Iowa City, IA), които използвахме бяха: EB165 за определяне на бързи концентрации на MHC; BA-F8 за определяне на бавни концентрации на МНС; и 12G10 (α-тубулин) като вътрешен контрол. Ние изразихме нормализирани концентрации на MHC чрез разделяне на пикове на MHC на пикове на α-тубулин, измерени за същата проба на същата плака. Концентрациите на протеинови екстракти се определят с помощта на комплект за анализ на Брадфорд (Sigma-Aldrich, Castle Hill, Австралия) следвайки инструкциите на производителя.

Статистически анализ.

Таблица 1. Обобщение на статистическите резултати

Зависими променливи Затлъстяване1 Упражнение2Ex × O1Индекс на телесна маса87

подобрява

Фиг. 1.Индекс на телесна маса (ИТМ) на различните групи на лечение. ИТМ е значително по-голям при затлъстели (O) риби в сравнение с слаби (L) или затлъстели (OL) риби. Третирането при упражнения (черни ленти) не се различава от контролното (сиви ленти). Значителните разлики между нивата на лечението на затлъстяването (определени чрез пермутационен анализ) са обозначени с хоризонтални ленти с различни букви. Показани са средства ± SE, а размерите на пробите са 15–17 риби от смесен пол на група за лечение.

Като цяло ИТМ на рибите в този експеримент е по-нисък, отколкото в нашия предишен експеримент, където ИТМ е постно = 0,055 ± 0,0029 (SE), затлъстяване = 0,075 ± 0,0044 (SE) и затлъстяване = 0,052 ± 0,0019 (SE) ( 31).

Упражненията не подобряват индуцираното от затлъстяването намаляване на мускулните контрактилни свойства.

Упражнението няма значително влияние върху производството на тетанична сила/единица площ на мускула (Таблица 1). Затлъстяването обаче доведе до значително намаляване на производството на мускулна сила/единица площ, което показва намаляване на качеството на мускулите (Таблица 1). Последващите тестове върху пределни средни показаха, че затлъстелите риби имат значително по-ниска сила на производство/единица площ от постнитеP = 0,007), но затлъстелите слаби риби не се различават от нито една постна (P = 0,11) или затлъстяване (P = 0,14) риба (фиг. 2A).

Фиг. 2.Мускулна механика в различните групи на лечение. Максималната тетанична сила/площта на напречното сечение на мускулите е значително по-голяма при слаби (L) в сравнение със затлъстели (O) риби. Рибите със затлъстяване (OL) не се различават от никоя от другите групи (A). Лечението на затлъстяването е имало значителен ефект върху мускулната контракция (Б.) и релаксация (° С), но устойчивостта на умора не се повлиява значително нито от затлъстяване, нито от упражнения (д) (упражнение = черни ленти, контрол = сиви ленти). Значителните разлики между нивата на лечението на затлъстяването са обозначени с хоризонтални ленти с различни букви. Данните бяха анализирани чрез пермутационен анализ и са показани средни стойности ± SE; размерите на пробите са 10 риби от смесен пол на група за лечение.

Затлъстяването причинява значително намаляване на степента на свиване на мускулите, но физическото натоварване или тяхното взаимодействие не влияят върху степента на свиване (Таблица 1; Фиг. 2Б.). Постните риби не се различават значително от затлъстелите (P = 0,27), а затлъстелите слаби риби също не се различават от затлъстелите риби (P = 0,073). Скоростта на свиване на постните риби е значително по-голяма, отколкото при затлъстелите риби (P = 0,0032).

Подобно на степента на свиване, затлъстяването значително намалява степента на релаксация, но нито упражненията, нито взаимодействието между затлъстяването и упражненията влияят върху степента на релаксация (Таблица 1; Фиг. 2° С). Степента на релаксация на постните риби не се различава значително от рибите със затлъстяване (P = 0,064), но са значително по-големи от тези на затлъстелите риби (P = 0,0038). Затлъстелите слаби риби не се различават от затлъстелите риби (P = 0,15).

Нито затлъстяването, нито физическото натоварване, нито тяхното взаимодействие са оказали значителен ефект върху устойчивостта на умора (Таблица 1; Фиг. 2д).

Изпълнението на плуването не се повлиява от затлъстяването или упражненията.

Нито затлъстяването, нито физическото натоварване, нито тяхното взаимодействие са оказали значителен ефект върху Ucrit (Таблица 1; Фиг. 3A). Тези резултати противоречат на нашите по-ранни резултати (31) и ние изследвахме дали по-ниският ИТМ в настоящия експеримент може да е допринесъл за това несъответствие чрез регресиране на плувните показатели спрямо ИТМ в слабите и затлъстели групи от двата експеримента (Фиг. 3Б.). Имаше значителни различия между индивидите както в слабите, така и в затлъстелите групи. В диапазона от стойности в слабата група Ucrit не се променя с ИТМ, докато има значително намаление на Ucrit с увеличаване на BMI в групата със затлъстяване (P

Фиг. 3.Ефектът на затлъстяването върху плувните показатели. Ефективността на плуването (Ucrit) в настоящото проучване не се повлиява от упражненията (A; упражнение = черни ленти, контрол = сиви ленти) или затлъстяване (L = постно, O = затлъстело, OL = затлъстело). Комбиниране на данни от затлъстели и постни риби от настоящото проучване (2018) с нашите по-рано публикувани данни (2017; Реф. 31) (Б.) показва, че Ucrit не се е променил с увеличаване на ИТМ в диапазона от стойности в рамките на постната група [диаманти (постно 2017), кръгове (постно 2018) и черна линия на регресия]. Въпреки това, Ucrit намалява значително с увеличаване на ИТМ при затлъстелите риби [сиви триъгълници (затлъстели 2017), отворени триъгълници (затлъстели 2018) и сива линия на регресия]. По-ниските стойности на ИТМ на рибите в настоящото проучване, съчетани със значителни вариации между отделните индивиди, могат да обяснят защо не открихме ефект на затлъстяването върху плувните показатели в настоящото проучване; средният ИТМ (SE) за двете проучвания [2017 (Реф. 31) и 2018 (настоящо проучване)] са посочени в долния панел. Данните бяха анализирани чрез пермутационен анализ и са показани средни стойности ± SE; размерите на пробите са 15–16 риби от смесен пол на група за лечение в A, и 27–30 риби от смесен пол на група за лечение в Б..

Съставът на тежката верига на миозин не се променя при затлъстяване или упражнения.

Подобно на плувните резултати, затлъстяването и упражненията или тяхното взаимодействие не повлияват значително концентрациите на MHC или тяхното съотношение (Таблица 1; Фиг. 4). Отново този резултат противоречи на по-ранната ни констатация (31), показваща, че затлъстяването е имало значителен ефект върху концентрациите на MHC. ИТМ за рибите, използвани за откриване на MHC, беше сходен в нашите две проучвания [постно: 0,040 ± 0,0010 (SE) (Реф. 31), 0,042 ± 0,0017 (SE) (настоящо проучване); затлъстяване: 0,061 ± 0,0024 (SE) (Спр. 31), 0,058 ± 0,0011 (SE) (настоящо проучване)]. Използването на увеличен размер на пробата чрез комбиниране на данни от двете проучвания показва, че затлъстяването намалява бавните концентрации на тежки вериги на миозин (P = 0,024; Фиг. 4д), където постните риби са имали по-висока концентрация от затлъстелите или затлъстелите риби. Затлъстяването обаче не е имало статистически забележим ефект върху бързите концентрации на MHC или съотношението между бавен и бърз MHC в комбинирания набор от данни (и двете P > 0,10; Фиг. 4, Е. и F).

Фиг. 4.Съдържание на тежка верига на миозин. Няма ефект от упражненията (светлосиви колони A – C), или лечение на затлъстяване (L = постно, O = затлъстяване, OL = затлъстяване) на бавно (A) или бързо (Б.) концентрации на тежки вериги на миозин (MHC, нормализирани до α-тубулин) или тяхното съотношение (бавно: бързо, ° С). Комбиниране на данни от този експеримент с предварително публикуваните ни данни (Реф. 31) за лечение на затлъстяване (D – F) показва, че има статистически значимо намаление (обозначено със звездичка в D) в бавните концентрации на MHC в O (триъгълници) и OL (обърнати триъгълници) в сравнение с контрола (кръгове). Данните бяха анализирани чрез пермутационен анализ и са показани средни стойности ± SE; размерите на пробите са 8 риби от смесен пол на група за лечение в A – C, и 14 риби от смесен пол в D – F.

Доказахме, че затлъстяването намалява мускулната контрактилна функция и че загубата на тегло не отменя този ефект. Аеробните упражнения не облекчават ефектите от затлъстяването и не подобряват мускулната контрактилна функция след загуба на тегло. Ефектите от мускулната съкратителна функция обаче не се отразяват от промени в двигателните характеристики, които не намаляват при затлъстяване. Последният резултат е в противоречие с нашето предишно проучване (31) и анализирането на комбинираните набори от данни разкрива интересен модел: локомоторните характеристики намаляват постепенно с увеличаване на ИТМ. По същия начин, концентрациите на MHC не се променят при затлъстяване и упражнения в този експеримент, но комбинираните данни от двете проучвания показват, че затлъстелите и затлъстелите риби имат по-нисък бавен MHC, както се очаква от литературата. Заедно тези данни показват, че съкратителната функция на мускулите е най-чувствителна към увеличаване на теглото, но промените са независими от концентрациите на MHC и не засягат локомоторните показатели поне при „нисък“ ИТМ със затлъстяване. В тези данни има и предпазлива история: ако не повторим част от по-ранния експеримент и по този начин увеличихме размера на пробите и обхвата на стойностите на ИТМ, нямаше да открием основните модели.

Съкратителната функция на изолирания мускул може да бъде повлияна от активността на протеините, работещи с калций, като дихидропиридинови и рианодинови рецептори и сарко/ендоплазмен ретикулум АТФаза (SERCA), в допълнение към състава на тежката верига на миозина. Следователно предполагаме, че ефектите от затлъстяването върху работата с калций в скелетните мускули могат да обяснят намаляването на контрактилната функция по подобен начин, както при сърдечния мускул (14). Това предположение е разумно, тъй като затлъстяването при нашите рибки зебра забавя скоростта на свиване и релаксация, които са до голяма степен медиирани от освобождаването на калций от саркоплазматичния ретикулум чрез рианодинови рецептори и ресекстрацията на калций в саркоплазмен ретикулум от SERCA, съответно (13, 30).

Затлъстяването променя кинематиката на цялото тяло и ставите, което може да доведе до физическо увреждане и намалена подвижност. Тези ефекти се медиират от увеличената телесна маса, както и от намаляването на качеството на мускулите (3, 36, 37). Следователно е важно да се обърне намаляването на мускулната контрактилна функция, за да се поддържа качеството на живот и да се предотврати усложняването на патофизиологичните състояния при затлъстели индивиди, особено с нарастващата възраст (37). Упражнението е един от най-обещаващите подходи както за медииране на загуба на тегло, така и за поддържане на мускулната функция (34). Нашите данни показват, при данио, че кратките периоди на ежедневни аеробни упражнения може да не са достатъчни за запазване на качеството на мускулите. Важна бъдеща посока ще бъде определянето на комбинацията от режими на упражнения, които ще подобрят мускулната функция, а по-интензивните упражнения като интервални тренировки изглеждат обещаващи.

Тази работа е подкрепена от австралийския изследователски съвет Discovery Grant DP180103036 на F. Seebacher.