A fizikai aktivitás és a fogyás okozta változások az elhízott férfiak és nők intermio-fibrilláris mitokondriumainak morfológiájában

Frederico GS Toledo, Simon Watkins, David E. Kelley, A fizikai aktivitás és a fogyás okozta változások az elhízott férfiak és nők intermio-fibrilláris mitokondriumainak morfológiájában, The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 91. évfolyam, 8. szám, 2006. augusztus 1., 3224–3227. Oldal, https://doi.org/10.1210/jc.2006-0002

Absztrakt

Kontextus: Elhízás esetén a vázizom inzulinrezisztenciája kisebb mitokondriumokkal társulhat.

Célkitűzés: Célunk az volt, hogy megvizsgáljuk az életmód-módosító beavatkozás hatását a vázizom mitokondriumainak tartalmára és morfológiájára, valamint annak kapcsolatát az elhízott, inzulinrezisztens egyéneknél.

Tervezés: Ebben a prospektív intervenciós vizsgálatban az intermyofibrilláris mitokondriális tartalmat és méretet transzmissziós elektronmikroszkóppal számszerűsítettük, a vastus lateralis izmok biopsziás mintáinak kvantitatív morfometriai elemzésével. A szisztémás inzulinérzékenységet euglikémiás hiperinsulinémiás bilincsekkel mértük.

Beállítás: A tanulmány egy egyetemi klinikai kutatóközpontban zajlott.

Résztvevők: Tizenegy ülő, túlsúlyos/elhízott, cukorbetegséggel nem rendelkező önkéntes vett részt a vizsgálatban.

Közbelépés: A beavatkozás 16 hét aerob edzést tartalmazott, étrendi korlátozással 500-1000 kcal/d.

Főbb eredményintézkedések: Értékeltük a mitokondriális tartalom és méret változását, valamint az inzulinérzékenység változását.

Eredmények: A mitokondrium által elfoglalt myofiber térfogat százalékos aránya szignifikánsan, 3,70 ± 0,31-ről 4,87 ± 0,33% -ra nőtt a beavatkozás után (P = 0,01). Az átlagos egyéni növekedés 42,5 ± 18,1% volt. Megváltozott az átlagos keresztmetszeti mitokondriális terület is, amely a kiindulási értékről 0,078 ± 0,007-ről 0,091 ± 0,007 μm 2-re nőtt (P

EMBERI TÖLKÖZÉSBEN fokozott a lipidfelhalmozódás a vázizomban, ez a tulajdonság jól korrelál az inzulinrezisztenciával. Az izomban megnövekedett lipidfelhalmozódás etiológiája még nem teljesen tisztázott. A csökkent mitokondriális oxidatív kapacitást feltételezik, hogy járulékos tényező, és kimutatták, hogy korrelál a szisztémás inzulinrezisztenciával (1-3). Transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM) alatt a vázizmok intermyofibrilláris mitokondriumai elhízás és 2-es típusú diabetes mellitus esetén lényegesen kisebbek, ami az elektrontranszportlánc (ETC) csökkent aktivitásával is összefüggésben van (3). Ezek a megfigyelések azt mutatják, hogy a gyenge mitokondriális kapacitás összefügg az inzulinrezisztenciával. A beavatkozásoknak a csökkent oxidatív kapacitás és az inzulinrezisztencia kapcsolatára gyakorolt hatásáról azonban nagyon kevés tanulmány készült.

A mitokondriális tartalom és morfológia változhat az energiaigény változásával (4, 5). A vázizomzatban az oxidatív kapacitás alakíthatóságát a testmozgás hatására az izom plaszticitásának klasszikus példájaként tekintjük, alkalmazkodva az energiafelhasználás változásához (4, 6, 7). Például a TEM és a kvantitatív képelemzés segítségével magasabb mitokondriális sűrűséget figyeltek meg fizikailag aktív egyéneknél (8–10).

A közelmúltban laboratóriumunk beszámolt egy kombinált étkezési fogyás és a testedzés beavatkozásának eredményeiről a vázizomzat oxidációs képességére elhízott egyéneknél (11–13). A legfontosabb megállapítások a szisztémás inzulinérzékenység és a vázizom ETC aktivitásának növekedése voltak (13), annak ellenére, hogy a rost-típusú eloszlás nem változott (12). Arra a következtetésre jutottak, hogy az elhízásban jelentős megtartott képesség van a vázizom oxidatív képességének növelésére. Azt azonban, hogy egy ilyen funkcionális plaszticitás együtt jár-e a miofibrilláris mitokondriális tartalom és morfológia módosulásával, korábban nem foglalkoztak. A szakirodalom áttekintése során azt tapasztaltuk, hogy az elhízott, mozgásszegény személyek életmódbeli módosításainak mitokondriális tartalmára és morfológiájára gyakorolt hatásáról nem számoltak be. A jelentés célja annak a hipotézisnek a vizsgálata volt, hogy a mitokondriális tartalmat és morfológiát befolyásolja az elhízás életmódbeli változása, valamint annak feltárása, hogy fennáll-e összefüggés az inzulinérzékenységgel. Itt közöljük az ilyen beavatkozás eredményeit a mitokondriumokon, amelyeket a TEM izomszövetből elemzett.

Tantárgyak és módszerek

Kutatási önkéntesek

Ülő, súlystabil, nem cukorbeteg önkénteseket, akiknek a testtömeg-indexe (BMI) meghaladja a 27 kg/m 2-t, tájékozott beleegyezés után toborozták, amint arról korábban beszámoltunk (11). A jelentés adatai a kohorsz 11 alanyától (hat férfi és öt nő) származnak, akiknek elegendő izommintájuk volt a TEM elemzéshez.

A beavatkozás előtti metabolikus, aerob fitnesz- és testösszetétel-vizsgálatok, valamint az izombiopszia után az önkéntesek 16 hetes életmód-módosító programba léptek a korábban leírtak szerint (11). Röviden, az önkéntesek hetente több mint két testmozgáson vettek részt (a maximális pulzus 60–70% -a). A napi kalóriabevitel 500-1000 kcal-kal csökkent, táplálkozási szakemberek orientációjával. Az intervenció előtti méréseket a beavatkozás befejezése után megismételtük.

Az alanyokat az anyagcsere-vizsgálatok előtti éjszakán fekvőbeteg ágyba helyezték és standardizált vacsorát kaptak (7 kcal/kg, 50% szénhidrát, 20% fehérje és 30% zsír), majd egy éjszakán át tartó éhgyomorra 12–14 órát, amelynek során vizeletgyűjtést nyertek a fehérje oxidációjának becsléséhez. Az éhomi légzési hányadost (RQ) közvetett kalorimetriával határoztuk meg egy nyílt áramkörű spirometria metabolikus kapucnis rendszerrel (DeltaTrac, Anaheim, Kalifornia) az inzulin infúziót megelőző 30 perc alatt és a bilincs utolsó 30 percében. Az inzulinérzékenységet euglikémiás bilincsekkel határoztuk meg, és ezt egy átlagos glükózinfúziós sebességként fejezzük ki egy 4 órás inzulininfúzió utolsó 30 percében (40 mU/m 2 · perc). A zsír- és a sovány tömeget kettős energiájú röntgenabszorpciós módszerrel (Lunar-DPX-L, Madison, WI) határoztuk meg. A maximális oxigénfogyasztást (VO2 max) inkrementális protokoll alkalmazásával mértük elektronikusan fékezett ciklus ergométeren.

A perkután tűbiopsziával nyert vastus lateralis izom egy részét apró darabokra vágtuk (1 × 1 × 2 mm), 2,5% glutáraldehidben rögzítettük, 1% osmium-tetroxidban utólag rögzítettük, dehidratáltuk és Eponba ágyazottuk a TEM-hez. Minden mintához 10 véletlenszerű, független hosszanti képet készítettünk intermyofibrillaris régiókról × 36 000-nél (JEM-1210; JEOL-Ltd., Tokió, Japán). A mitokondriális térfogatsűrűség, vagyis a mitokondriumok által elfoglalt sejttérfogat arányának mérésére digitális morfometriát és a klasszikus sztereológia pontmintavételi technikáját alkalmaztuk (14, 15). Röviden: minden egyes mikrográfon rácsot rajzoltunk 144 egyenlő és szimmetrikusan elosztott kereszteződési ponttal. Az egyes mikrográfiák térfogatsűrűségét a mitokondriumokkal fedett pontok százalékos arányaként számítottuk ki a miofiber citoszolos rekeszben található összes rácspont számából. A mitokondriális keresztmetszeti területet digitális képalkotó szoftverrel (Metamorph 6.3; Molecular Devices Corp., Sunnyvale, CA) határoztuk meg. Az egyes minták mind a 10 mikrográfiájában mitokondriális területeket mértünk (átlag, 73; tartomány, 42–134). A numerikus sűrűséget, azaz az egyes mitokondriális profilok gyakoriságát a citoplazma területére számítva a térfogatsűrűség és az átlagos mitokondriális terület hányadosaként számítottuk (14, 15).

Statisztika

Az átlag ± sem értéket alkalmaztuk, hacsak másképp nem jelezzük, a P 1. táblázattal)

A fogyás és a fizikai aktivitás beavatkozása előtti és utáni jellemzők, testösszetételi paraméterek és inzulinérzékenység

Az eredmények 11 alany (hat férfi, öt nő) átlag ± sd-je. LBM, sovány testtömeg; NS, nem jelentős; Rd, glükóz ártalmatlanítás stabil állapotú hiperinsulinémiás körülmények között a szorító alatt.

A fogyás és a fizikai aktivitás beavatkozása előtti és utáni jellemzők, testösszetételi paraméterek és inzulinérzékenység

A beavatkozásra reagálva jelentősen csökkent a súly, a BMI és a zsírtömeg. Egy éjszakai böjt után jelentős javulás volt tapasztalható az aerob fitneszben (VO2 max), az inzulinérzékenységben és a zsír oxidációjában, ami az éhomi RQ csökkenésében is megmutatkozott.

Izom mitokondrium

Az átlagos mitokondriális térfogatsűrűség (Vm), vagyis a mitokondrium által elfoglalt izomrost frakciója a kiindulási értéknél 3,70 ± 0,31% volt. Ez az érték intervenció után 4,87 ± 0,33% -ra nőtt (P = 0,01), alanyonként átlagosan 42,5 ± 18,3% -kal. Az átlagos mitokondriális terület szintén nőtt a beavatkozás után, 0,078 ± 0,007-ről 0,091 ± 0,007 μm 2-re (P 2 (P = 0,056). A nemnek nem volt hatása, mivel a beavatkozásból eredő Vm változások hasonlóak voltak a férfiak között (34%) és nők (29%) (az adatokat nem közöljük). A VO2 max és az inzulinérzékenység változásai szintén összehasonlíthatók voltak. Reprezentatív mikrográfiákat mutatunk be az 1A.

A, A vázizom reprezentatív transzmissziós elektronmikroszkópos felvétele, amelyet egy önkéntestől kaptak a beavatkozás előtt és után. A beavatkozás után nagyobb és nagyobb mennyiségű intermyofibrilláris mitokondrium figyelhető meg. B, Korrelációs diagram az inzulinérzékenység változásai között, amelyet a sovány testtömegre (LBM) korrigált glükóz infúziós sebesség változásában fejezünk ki, és az egyénen belüli megfelelő Vm változás. C, korrelációs diagram az inzulinérzékenység és a mitokondriális terület változásai között.

Élettani összefüggések

Megvizsgáltuk, hogy mely élettani paraméterek vetítik előre a legjobban a Vm (ΔVm) változását. Az inzulinérzékenység változása volt az egyetlen előrejelző (1B. Ábra). Nem volt statisztikailag szignifikáns összefüggés a ΔVm és a VO2 max, a zsírtömeg, a zsírtömeg százaléka, a BMI és az éhomi RQ változásai között. Ezen változók közül a mitokondriális terület változása korrelált az inzulinérzékenység változásával (r = 0,68; P 1C ábra) és kevésbé a százalékos zsírtömeggel (r = −0,61; P = 0,04) és a BMI-vel (r = −0,61); P = 0,04). Az edzésenként elköltött kalóriák átlagos száma nem korrelált a Vm vagy a mitokondriális terület változásával.

Vita

Vizsgálatunk fontos aspektusa a mitokondriális atrófia megerősítése az elhízásban. A beavatkozás előtt a mitokondriális terület (0,077 μm 2) közel azonos volt a korábban megfigyelt területtel (0,076 μm 2) egy másik elhízott önkéntesekkel végzett vizsgálatban (3). Összehasonlításképpen: az átlagos terület 0,114 μm 2 -nek tűnt sovány alanyokban ugyanabban a vizsgálatban (3). Az irodalom áttekintése során ez a normális mitokondriális méret meglehetősen hasonló a normál fiatal férfiaknál (0,111 ± 0,060 μm 2) (17) és egészséges felnőtteknél (0,102 ± 0,01 μm 2) (18). Adataink tehát azt mutatják, hogy az elhízásnál a mitokondriális méret atrófiája van, de az életmód módosítása jelentősen megfordíthatja azt.

A vázizomzatban a mitokondriumok összekapcsolódhatnak hálózatként (19, 20). Így az egyes mitokondriális számok közvetlen számlálása (numerikus sűrűség) nem biztos, hogy pontosan kifejezi a mitokondriális tartalmat. Ezért Vm-et hagyományosan a mitokondriális tartalom pontosabb kifejezésére alkalmazták (5, 8, 9). Megállapítottuk, hogy az elhízásban a Vm az életmód módosítása után növekszik annak eredményeként, hogy a mitokondriumok egyre nagyobbak és egyre nagyobbak lesznek. A numerikus sűrűség szerény 17,5 ± 9,86% -os növekedését tapasztaltuk, ez a szám figyelemre méltóan összhangban áll a mitokondriális DNS szerény 16 ± 8% -os növekedésével, amelyet korábban ebben a beavatkozásban közöltek (13). Ezek a megfigyelések azt mutatják, hogy az elhízásnál az edzés utáni egyéni mitokondriális proliferáció a mitokondriális biogenezis kisebb elemét képviseli, alábecsülve a mitokondriális tartalom teljes növekedését.

Összegzésként megállapítottuk, hogy a súlycsökkenéssel járó aerob edzés megfordítja az elhízás során a vázizom mitokondrium ultrastrukturális atrófiáját, amely moduláció szorosan összefügg a szisztémás inzulinérzékenységgel.

Köszönetnyilvánítás

Ezt a vizsgálatot az Országos Egészségügyi Intézetek Országos Cukorbetegség, Emésztési és Vesebetegségek Intézete (DK49200), az Elhízás és Táplálkozás Kutatóközpont (P30DK462) és a Pittsburghi Egyetem Általános Klinikai Kutatóközpont (5 M01RR00056) támogatta.