Elizaveta V Menshikova

1 Divizia de Endocrinologie și Metabolism, Departamentul de Medicină, Universitatea din Pittsburgh, Pennsylvania

Vladimir B Ritov

1 Divizia de Endocrinologie și Metabolism, Departamentul de Medicină, Universitatea din Pittsburgh, Pennsylvania

John J Dube

1 Divizia de Endocrinologie și Metabolism, Departamentul de Medicină, Universitatea din Pittsburgh, Pennsylvania

Francesca Amati

1 Divizia de Endocrinologie și Metabolism, Departamentul de Medicină, Universitatea din Pittsburgh, Pennsylvania

Maja Stefanovic-Racic

1 Divizia de Endocrinologie și Metabolism, Departamentul de Medicină, Universitatea din Pittsburgh, Pennsylvania

Frederico G S Toledo

1 Divizia de Endocrinologie și Metabolism, Departamentul de Medicină, Universitatea din Pittsburgh, Pennsylvania

Paul M Coen

1 Divizia de Endocrinologie și Metabolism, Departamentul de Medicină, Universitatea din Pittsburgh, Pennsylvania

2 Institutul de Cercetare Translațională pentru Metabolism și Diabet, Spitalul Florida, Sanford - Burnham Medical Research Institute, Orlando

Bret H Goodpaster

1 Divizia de Endocrinologie și Metabolism, Departamentul de Medicină, Universitatea din Pittsburgh, Pennsylvania

2 Institutul de Cercetare Translațională pentru Metabolism și Diabet, Spitalul Florida, Sanford - Burnham Medical Research Institute, Orlando

Abstract

fundal

S-a raportat că rezistența la insulină a mușchilor scheletici și capacitatea mitocondrială redusă sunt afectate de îmbătrânire. Scopul acestui studiu a fost de a compara efectele pierderii în greutate induse de restricția de calorii și exercițiului fizic asupra rezistenței la insulină, conținutul mitocondrial al mușchilor scheletici și activitățile enzimei mitocondriale la persoanele obeze cu supraponderalitate.

Metode

Ratele de eliminare a glucozei (Rd) stimulate de insulină au fost determinate utilizând clema euglicemică hiperinsulinemică înainte și după finalizarea a 16 săptămâni de restricție calorică pentru a induce pierderea în greutate (N = 7) sau exerciții moderate (N = 10). Densitatea volumului mitocondrial, conținutul de membrană mitocondrială (cardiolipină) și activitățile lanțului de transport de electroni (NADH-oxidază sensibilă la rotenonă), ciclul acidului tricarboxilic (TCA) (citrat sintază) și calea β-oxidării (β-hidroxiacil CoA dehidrogenază; β- HAD) au fost măsurate în biopsiile percutanate ale vastului lateral înainte și după intervenții.

Rezultate

Rd s-a îmbunătățit în mod similar (18,2% ± 9,0%, p Cuvinte cheie: Absorbție de glucoză, metabolism muscular, îmbătrânire umană, restricție calorică, obezitate

Rezistența la insulină a mușchilor scheletici (IR) a fost legată de etiologia diabetului de tip 2 (T2D) atât la îmbătrânire (1), cât și la obezitate (2). Deși cauzele exacte ale IR rămân inexplicabile, excesul de aprovizionare nutrițională cronică, adică supraponderalitatea și obezitatea, este considerat a fi un factor important în dezvoltarea IR (3). În plus, activitatea fizică insuficientă (4) sau modificările specifice legate de vârstă ale metabolismului glucozei și ale funcției mitocondriilor (5,6) sunt asociate cu IR. Pierderea în greutate indusă de restricția moderată a caloriilor (CR) sau exercițiile cronice duce la o scădere semnificativă a insulinei plasmatice și îmbunătățește sensibilitatea la insulină la persoanele obeze de vârstă mijlocie sau persoanele în vârstă supraponderale (4,7).

S-a raportat că transportul glucozei dependent de insulină este strâns asociat cu metabolismul oxidativ al mușchilor scheletici. Fibrele musculare scheletice de tip oxidativ scăzut au un conținut redus de transportor de glucoză Glut 4 și sensibilitate redusă la insulină în comparație cu fibrele oxidative ridicate (8). Exercițiul crește semnificativ atât conținutul Glut 4, cât și conținutul mitocondrial în mușchiul scheletic uman (9,10). Expresia excesivă a PGC-1β în mușchiul scheletic crește capacitatea oxidativă a țesuturilor și ameliorează efectul de suprimare a dietei bogate în grăsimi asupra transportului glucozei dependent de insulină (10). Obezitatea și T2D sunt asociate cu remodelarea mitocondriilor, așa cum este indicat de modificări multiple în activitățile proteomei mitocondriale și ale activității enzimei mitocondriale (11-13).

Se știe puțin despre efectele CR asupra mitocondriilor la oamenii mai în vârstă. Studiul CALERIE a raportat că, în timp ce pierderea în greutate indusă de CR crește conținutul de ADN mitocondrial în mușchiul scheletic, activitățile enzimelor mitocondriale nu au fost crescute (14). Cu toate acestea, acest studiu a fost limitat la subiecții de vârstă mijlocie. Pierderea în greutate indusă de chirurgia bariatrică nu a crescut markerii conținutului mitocondrial la adulții de vârstă mijlocie, dar a îmbunătățit aspectele calitative ale respirației mitocondriale (15). Nu suntem conștienți de niciun studiu care să fi examinat în mod specific efectele pierderii în greutate induse de CR asupra mitocondriilor mușchilor scheletici la subiecții mai în vârstă. Mai mult, aproape toate studiile privind mitocondriile și îmbătrânirea au fost limitate la una sau două măsuri ale conținutului sau funcției mitocondriale și, prin urmare, nu au luat în considerare efectele diferențiale potențiale asupra diferitelor componente ale energiei mitocondriale care includ β-oxidarea, acidul tricarboxilic (TCA) ciclu și lanțul de transport al electronilor.

Pe lângă pierderea masei musculare și a calității asociate îmbătrânirii (16), există și creșteri ale adipozității. Având în vedere că peste 70% dintre bărbații și femeile din Statele Unite cu vârsta de peste 60 de ani sunt fie supraponderali, fie obezi (17), este esențial să se evalueze efectele specifice ale exercițiilor fizice și ale pierderii în greutate induse de CR asupra mitocondriilor la persoanele în vârstă, supraponderale și obeze. oameni. Prin urmare, acest studiu a examinat efectele separate ale pierderii în greutate induse de CR și exercițiul fizic asupra mai multor aspecte ale conținutului și performanței mitocondriilor evaluate de profilarea enzimei mitocondriilor la nivelul mușchilor scheletici umani. Un scop explorator a fost de a evalua dacă modificările diferiților parametri ai conținutului și performanței mitocondriale, inclusiv speciile moleculare de cardiolipină, ciclul TCA, lanțul de transport al electronilor sau activitățile de β-oxidare, sunt asociate cu o sensibilitate îmbunătățită la insulină cu o pierdere în greutate indusă de CR sau exercițiu.

Metode de studiu și proiectare

Participanți

Șaptesprezece supraponderali până la obezi moderat (indicele de masă corporală [IMC] = 28,0-32,0 kg/m 2) bărbați și femei cu vârsta cuprinsă între 60-75 de ani au fost recrutați din zonele metropolitane și învecinate din Pittsburgh. Studiul a fost aprobat de Universitatea din Pittsburgh Institutional Review Board și s-a obținut un consimțământ informat în scris de la fiecare voluntar. Participanții au fost luați în considerare pentru acest studiu dacă (a) nu au avut antecedente de boli cardiovasculare semnificative clinic; (b) a avut o tensiune arterială sistolică în repaus de 150 mmHg sau mai mică și o tensiune arterială diastolică de 95 mmHg sau mai mică; (c) au fost nefumători; (d) a avut o greutate stabilă (fără creștere sau pierdere de> 6 kg în 6 luni); și (e) au fost sedentare (participând în prezent la exerciții aerobe 120 mg/dL sau 2 ore glucoză> 200 mg/dl obținute în timpul unui test standard de toleranță la glucoză orală de 75 g ([OGTT]). Caracteristicile clinice de bază ale participanților la studiu sunt prezentate în Tabelul 1. Intervențiile au durat 16 săptămâni după evaluările inițiale de bază.

tabelul 1.

Modificări ale greutății, compoziției corpului, capacității aerobe maxime, chimiei sângelui și aderenței la intervenția exercițiului

Exercițiu Pierderea de greutatePrePostPrePost
N 10 7
Sex (F/M)6/4 4/3
Stare metabolică (IGT/NGT)4/6 7/0 a
Vârstă68,0 ± 1,5 67,6 ± 2,0
Greutate (kg)84,2 ± 3,282,2 ± 3,0 b 87,4 ± 3,879,7 ± 3,5 b
IMC30,4 ± 0,829,8 ± 0,8 b 31,7 ± 1,328,9 ± 1,3 b
Greutate grasă (kg)35,6 ± 2,132,4 ± 2,0 b 38,0 ± 2,332,4 ± 2,7 b
FFM (kg)45,7 ± 2,746,3 ± 2,945,7 ± 3,243,9 ± 2,9 b
Glucoza de post (mg/dL)92,7 ± 5,191,6 ± 3,5104,0 ± 5,5 c 98,1 ± 2,5
HBA1c (%)5,66 ± 0,095,84 ± 0,126,03 ± 0,13 c 5,81 ± 0,13
Insulina de post (μU/ml)5,31 ± 0,515,37 ± 0,898,08 ± 3,054,62 ± 1,45 b
VO2max (mL/kgFFM/min)35,9 ± 2,038,7 ± 2,3 b 28,00 ± 2,32 c 30,8 ± 1,98
Timp per sesiune de exerciții (min/sesiune) 39,3 ± 0,8
Sesiuni pe săptămână 3,68 ± 0,3
Exercitarea cheltuielilor de energie pe sesiune (Kcal/sesiune) 273 ± 28,2
Cheltuieli energetice pe săptămână (Kcal/săptămână) 1016 ± 144

Notă: IMC = indicele masei corporale; FFM = Masă fără grăsimi. Valorile sunt medii ± SEM.

Efectele intervenției asupra sensibilității la insulină, a aptitudinii fizice și a compoziției corpului

Sensibilitatea la insulină (Rd) s-a îmbunătățit cu 1,25 mg/kgFFM/min (18,9% ± 9,8%) cu pierderea în greutate CR și cu 0,86 mg/kgFFM/min (18,3% ± 8,2%) cu intervenții de efort (Figura 1, ambele p Tabelul 1, p> .05). Intervenția de exercițiu a crescut capacitatea cardiovasculară, dovadă fiind o creștere modestă, dar semnificativă a VO2max (p Tabelul 1, p> 0,05). Pierderea în greutate a redus greutatea corporală și grăsimea corporală într-o măsură mai mare comparativ cu exercițiile fizice (p Figura 2A, p> .05). În mod similar, exercițiul a crescut semnificativ conținutul de cardiolipină (22,5% ± 13,4%, p Figura 2B, p> 0,05). Forma moleculară predominantă a cardiolipinei în mușchii scheletici umani este cardiolipina tetralinoleoil (TL-CL) (21) care a reprezentat

Efectele intervenției asupra activităților enzimatice mitocondriale

Exercițiul fizic și pierderea în greutate indusă de CR au crescut activitatea citratului sintază normalizată la biopsia CK (Time Effect, Figura 3B, p Figura 3A și andC, C, p> 0,05). Pentru a examina în continuare dacă intervențiile respective au avut sau nu efecte specifice asupra acestor activități enzimatice selectate ale ciclului TCA mitocondrial, β-oxidare sau lanțului de transport al electronilor, s-au calculat rapoarte simple. Exercițiul a crescut semnificativ raporturile NADH-oxidază/citrat sintază și β-HAD/citrat sintază (Figura 4A și B, B, ambele p. 05), indicând o creștere proporțional mai mare indusă de efort atât în ​​activitatea totală a lanțului de transport de electroni. și β-HAD relativ la citrat sintază. O analiză de corelație a fost efectuată în cadrul fiecărui grup individual și cu toți participanții combinați pentru a examina dacă modificarea măsurătorilor mitocondriale (conținut și activitate) este legată de îmbunătățiri ale sensibilității la insulină. Am constatat, totuși, că niciunul dintre modificările conținutului sau funcției mitocondriale nu a fost asociat cu sensibilitatea îmbunătățită la insulină indusă de aceste intervenții (toate p> .05).

pierderea

Efectul intervențiilor de exerciții fizice sau de restricție a caloriilor asupra markerilor masei mitocondriale și ale activității lanțului de transport al electronilor în biopsia mușchilor scheletici de la persoanele sedentare în vârstă. Biopsiile au fost analizate înainte (pre) și după intervenții (post). Activitățile totale de β-HAD (A), citrat sintază (B) și rotenonă sensibilă la nicotinamidă adenină dinucleotidă (NADH) oxidază (C) în biopsii au fost normalizate la activitatea creatin kinazei (CK). Citratul Synthase, β-HAD și NADH: Activitățile oxidare-oxidazei O2 au fost normalizate la activitatea CK pentru a controla conținutul de fibre musculare. Datele reprezintă media ± SEM. φ p 2 = .56, p Facchini F, Hua N, Abbasi F, Reaven G. Rezistența la insulină ca predictor al bolilor legate de vârstă. J Clin Endocrinol Metab. 2001; 86: 3574–3578. doi: 10.1210/jcem.86.8.7763 [PubMed] [Google Scholar]