A fokozott fizikai aktivitás nem javítja az elhízás okozta izomminőség csökkenését a zebrafish-ban (Danio rerio)

Élet- és Környezettudományi Iskola A08, Sydney Egyetem, Sydney, Ausztrália

Az újranyomtatási kérelmek és egyéb levelezések címe: F. Seebacher, Élet- és Környezettudományi Iskola A08, Univ. of Sydney, Sydney, NSW 2006, Ausztrália (e-mail: [email protected]).

Sport-, Testmozgás- és Élettudományi Központ, Egészség- és Élettudományi Kar, Coventry Egyetem, Coventry, Egyesült Királyság

Absztrakt

ÚJ és figyelemre méltó Az elhízás negatívan befolyásolhatja az izom működését, és ezáltal veszélyeztetheti a mobilitást. Annak ellenére, hogy az aerob testmozgásnak számos élettani előnye van elhízott és normál testsúlyú egyéneknél, kimutattuk, hogy a zebrafish-ban az aerob testmozgás nem javítja az elhízás okozta izomösszehúzódási funkció csökkenését. A különböző testmozgási módok kombinációja hatékonyabb lehet, mint önmagában az aerob edzés.

A vázizom a gerinces test legnagyobb szerve, és mélyen befolyásolja az anyagcsere fenotípusait, a testtartást és a mobilitást (2). Az elhízás negatívan befolyásolhatja az izomösszehúzódás működését azáltal, hogy megzavarja a kalcium-ciklust és az AMP-aktivált protein-kináz (AMPK) által történő jelátvitelt (37), valamint az intramyocelluláris lipidfelhalmozódást (7, 35). Ennek eredményeként áttérhet a lassú és a gyors izomrostokra, és csökkenhet a vázizom erőtermelése és teljesítménye (36, 38). Korábban zebrafish-t (Danio rerio) mint faj, és megállapította, hogy az elhízás az izomteljesítmény (az izomtömegre normalizálva), a keresztmetszeti területenkénti erőtermelés és az izomlazítás arányának csökkenéséhez vezetett. Ezeket a változásokat a mozgásszervi teljesítmény csökkenése kísérte. Érdekes módon ezeket az izomösszehúzódási funkciók csökkenését nem fordította meg a súlycsökkenés (31). Ennélfogva a súlycsökkenés önmagában nem mindig elegendő beavatkozás az elhízás izomösszehúzódási funkcióra gyakorolt ​​káros hatásainak kezelésére (1).

Tanulmányi állatok és kezelések.

Minden eljárást a Sydney-i Egyetem Állatetikai Bizottságának jóváhagyásával hajtottak végre (jóváhagyási szám: 723). Felnőtt zebrafish [Danio rerio; átlagos hosszúság = 0,035 ± 0,00023 (SE) m; Mo6 hónappal ezelőtt] kereskedelmi szállítótól (Livefish, Bundaberg, Ausztrália) szereztük be, és műanyag tartályokban (600 × 450 × 250 mm; 1-2 hal/liter) tartottuk deklórozott vízzel 22 ° C-on és 12:12 -h sötétfényes fotoperiódus 2 hétig a kísérletezés előtt, és kereskedelmi halpelyhekkel táplálják (Wardley's, Hartz Mountain Company, Secaucus, NJ; 46% fehérje, 6% zsír). 2 hét múlva halakat véletlenszerűen kiosztottunk az egyik kísérleti csoportba. A kísérlet két egymástól független tényezőt tartalmazott, a háromszintű étrendet (elhízott, sovány, elhízott-sovány) és a két szintű testmozgást (testmozgás és kontroll). A halakat kör alakú tartályokban (0,39 m átmérő × 0,15 m mélységben) tartottuk, egy középső oszloppal, amely gyűrűt hozott létre (0,15 m szélesség). Minden tartály tartalmazott egy merülő szivattyút, amely be volt kapcsolva az edzéskezeléseknél, de a kontroll kezeléseknél nem (lásd alább). Minden tartályban 10–15 hal volt, és minden egyes elhízás × testmozgás kezelés kombinációra öt tartály került.

A diétás kezelések az etetés különböző gyakoriságaiból álltak, és a következő szinteket tartalmazták: 1) telítettséggel tápláljuk naponta egyszer, 6 héten keresztül, hétenként 9-10 hétig. Ezt a kezelést „soványnak” nevezzük; 2) telítettséggel táplálják naponta 3-szor, heti 6 napon át, és naponta egyszer a 7. napon 9–10 hétig („elhízottak”); és 3) 4–5 hétig elhízott halakként táplálkozott, majd 4–5 hétig kövér étrendre váltott (elhízott-sovány). Kezelésenként 10–15 hal részmintáihoz fényképeket készítettünk (Exilim kamerával, Casio, Japán), hogy meghatározzuk a szokásos hosszúságot (az ImageJ Software-ben, NIH), és lemértük a halakat a kezelések kezdetén, és akkor is. amikor az elhízott sovány halakat átállították a sovány étrendre. A kezelések végén közvetlenül a mérések elvégzése előtt lemértük és megmértük az összes kísérleti halat. A testtömeg-index (BMI) szignifikánsan különbözött a kezelések között (lásd alább), de a BMI némi átfedést mutatott a kezelések között, ahol például a legnehezebb sovány halak a legkönnyebb elhízott halak tartományába esnek.

Naponta 30 percet gyakoroltunk halat, és a szivattyúk bekapcsoláskor ~ 0,08 m/s (2-3 testhossz/s) áramlást hoztak létre (12). Korábbi adataink a zebrafish szállítási költségeiről azt mutatják, hogy ez az áramlási sebesség a metabolikus sebességet a nyugalmi sebesség 3-4-szeresére növeli (20). Megállapítottuk, hogy az áramlási kezelés során a halak lényegesen többet gyakoroltak, mint az állóvízben halak, azáltal, hogy ugyanolyan sűrűségű filmcsoportokat filmeztek, mint a kísérletek (10–15 hal n = 10 tartály) be- és kikapcsolt szivattyúkkal. A videókból megszámoltuk a farokverés frekvenciáit (a Tracker Video Analysis szoftverben, https://physlets.org/tracker/), öt tankonként véletlenszerűen kiválasztott halból, a szivattyúk be- és kikapcsolásával. Kikapcsolt szivattyúk mellett a farokverés frekvenciája 55,5 ± 0,6 (SE) ütés/perc volt, ami 170,7 ± 1,1 (SE) ütésre/percre nőtt bekapcsolt szivattyúk mellett.

Úszási teljesítmény.

Izombiomechanika.

Hal (n = 10 kezelési csoportonként) méhnyak diszlokációval eutanizáltuk. A bőrt eltávolítottuk, és a hal egyik oldaláról lehűtött állapotban (5–7 myotome hosszúságú) rostralis (elülső háti) izomrostot hasítottunk (3. Az összes izomkészítmény átlagos átlagos keresztmetszeti területe (± SE). 2,65 ± 0,17 mm 2. Az izom keresztmetszeti területenkénti maximális izometrikus izomerőjét (kN/m 2) ezután minden tetanikus válaszra kiszámítottuk, mint egy kísérlet során a maximális tetanikus erőt elosztva az átlagos keresztmetszeti területtel.

A miozin nehézlánc-koncentrációi.

Izommintákat tároltunk ( n = 8 hal/kezelés), amelyet a boncoláskor gyűjtöttünk az izommechanikai mérésekhez −80 ° C-on. A vizsgálatokhoz az izommintákat (TissueLyser LT; Qiagen, Venlo, Hollandia) kilenc térfogat RIPA pufferben homogenizáltuk (konzisztencia mmol/l-ben: 20 Tris · Cl, pH 7,5, 150 NaCl, 1 EDTA, 1 EGTA, 1% NP40, 1% nátrium-dezoxikolát) és proteáz- és foszfatáz-inhibitor koktél (c⊖mplete, EDTA-mentes; Roche Life Sciences, Németország) oldat. A lassú és gyors miozin nehézlánc (MHC) izoformák azonosítását és mennyiségi meghatározását kapilláris elektroforézissel végeztük egy „Wes” egyszerű nyugati rendszerben (ProteinSimple) a gyártó utasításainak betartásával. Az általunk használt antitestek (mindegyik a Developmental Studies Hybridoma Bank-tól, Iowa Egyetem, Iowa City, IA) a következők voltak: EB165 a gyors MHC-koncentrációk meghatározásához; BA-F8 a lassú MHC-koncentrációk meghatározásához; és 12G10 (a-tubulin) belső kontrollként. A normalizált MHC-koncentrációkat úgy fejeztük ki, hogy az MHC-csúcsokat elosztottuk az ugyanazon a mintán ugyanazon a lemezen mért α-tubulin csúcsokkal. A fehérjekivonatok koncentrációit Bradford assay kit (Sigma-Aldrich, Castle Hill, Ausztrália) segítségével határoztuk meg a gyártó utasításainak betartásával.

Statisztikai analízis.

1. táblázat: A statisztikai eredmények összefoglalása

Függő változókObesity1Exercise2Ex × O1Testtömeg-index87

elhízás

1. ábra.A különböző kezelési csoportok testtömeg-indexe (BMI). A BMI szignifikánsan nagyobb volt az elhízott (O) halakban, mint a sovány (L) vagy az elhízott-sovány (OL) halakban. A gyakorlat (fekete sávok) kezelése nem különbözött a kontrolltól (szürke sávok). Az elhízás kezelésének szintjei közötti jelentős különbségeket (permutációs analízissel meghatározva) különböző betűkkel ellátott vízszintes sávok jelzik. A ± ± SE értékeket mutatjuk be, a minták mérete pedig 15–17 vegyes nemű hal kezelési csoportonként.

Összességében a halak BMI-je ebben a kísérletben alacsonyabb volt, mint előző kísérletünkben, ahol a BMI sovány = 0,055 ± 0,0029 (SE), elhízott = 0,075 ± 0,0044 (SE) és elhízott-sovány = 0,052 ± 0,0019 (SE) ( 31).

A testmozgás nem javította az elhízás okozta izomösszehúzódási tulajdonságok csökkenését.

A testmozgás nem volt jelentős hatással a tetanikus erőtermelésre/az izom egységnyi területére (1. táblázat). Az elhízás azonban jelentősen csökkentette az izomerő termelését/egységnyi területet, ami az izom minőségének csökkenését jelzi (1. táblázat). A marginális átlagok utólagos tesztjei azt mutatták, hogy az elhízott halak erőteljesítménye/egységnyi terület jelentősen alacsonyabb, mint a sovány halaké (P = 0,007), de az elhízott sovány halak nem különböztek egyiküktől sem (P = 0,11) vagy elhízott (P = 0,14) hal (2. ábraA).

2. ábra.Izommechanika a különböző kezelési csoportokban. A csúcs-tetanikus erő/izom keresztmetszeti terület szignifikánsan nagyobb volt sovány (L) esetén, mint az elhízott (O) halak. Az elhízott sovány (OL) halak nem különböztek a többi csoporttól (A). Az elhízás kezelése jelentős hatással volt az izmok összehúzódására (B) és relaxáció (C) arányát, de a fáradtsági ellenállást sem az elhízás, sem a testmozgás nem befolyásolta jelentősen (D) (gyakorlat = fekete sávok, kontroll = szürke sávok). Az elhízás kezelésének szintjei közötti jelentős különbségeket a különböző betűkkel ellátott vízszintes sávok jelzik. Az adatokat permutációs analízissel elemeztük, és az átlag ± SE látható; a mintaméretek kezelési csoportonként 10 vegyes nemű hal.

Az elhízás jelentősen csökkentette az izomösszehúzódási arányokat, de a testmozgás vagy ezek kölcsönhatása nem befolyásolta az összehúzódási arányokat (1. táblázat; 2. ábraB). A sovány halak nem különböztek szignifikánsan az elhízott sovány halaktól (P = 0,27), és az elhízott sovány halak sem különböztek az elhízott halaktól (P = 0,073). A sovány halak összehúzódási aránya lényegesen nagyobb volt, mint az elhízott halaknál (P = 0,0032).

A kontrakciós arányhoz hasonlóan az elhízás is jelentősen csökkentette a relaxációs arányokat, de sem a testmozgás, sem az elhízás és a testmozgás nem befolyásolta a relaxációs arányokat (1. táblázat; 2. ábraC). A sovány halak relaxációs aránya nem különbözött szignifikánsan az elhízott sovány halaktól (P = 0,064), de szignifikánsan nagyobbak voltak, mint az elhízott halak (P = 0,0038). Az elhízott sovány halak nem különböztek az elhízott halaktól (P = 0,15).

Sem az elhízás, sem a testmozgás, sem ezek kölcsönhatása nem volt jelentős hatással a fáradtsági ellenállásra (1. táblázat; 2. ábraD).

Az úszási teljesítményt nem befolyásolta az elhízás vagy a testmozgás.

Sem az elhízás, sem a testmozgás, sem ezek kölcsönhatása nem volt jelentős hatással az Ucritre (1. táblázat; 3. ábraA). Ezek az eredmények ellentmondanak korábbi eredményeinknek (31), és megvizsgáltuk, hogy a jelen kísérlet alacsonyabb BMI-e hozzájárulhatott-e ehhez az eltéréshez azáltal, hogy mindkét kísérletben visszaszorította a BMI-vel szembeni úszási teljesítményt a sovány és elhízott csoportokban (3. ábraB). Jelentős eltérések mutatkoztak az egyének között mind a sovány, mind az elhízott csoportokban. A sovány csoporton belüli értéktartományon belül az Ucrit nem változott a BMI-vel, míg az elhízott csoporton belül az Ucrit szignifikánsan csökkent a BMI növekedésével (P

3. ábra.Az elhízás hatása az úszási teljesítményre. A jelen vizsgálat úszási teljesítményét (Ucrit) a testmozgás nem befolyásolta (A; edzéskezelés = fekete sávok, kontroll = szürke sávok) vagy elhízás (L = sovány, O = elhízott, OL = elhízott-sovány). A jelen tanulmány (2018) elhízott és sovány halainak adatait egyesítve a korábban közzétett adatainkkal (2017; 31. hivatkozás) (B) azt mutatja, hogy az Ucrit nem változott a BMI növekedésével a sovány csoporton belüli értéktartományon belül [gyémántok (sovány 2017), körök (sovány 2018) és fekete regressziós vonal]. Az Ucrit azonban jelentősen csökkent az elhízott halak BMI-jének növekedésével [szürke töltött háromszögek (elhízott 2017), nyitott háromszögek (elhízott 2018) és szürke regressziós vonal]. A halak BMI-jének alacsonyabb értékei a jelen tanulmányban, az egyesek közötti jelentős eltérésekkel kombinálva megmagyarázhatják, miért nem észleltük az elhízás hatását az úszási teljesítményre ebben a tanulmányban; A két vizsgálat [2017 (31. hivatkozás) és 2018 (jelenlegi tanulmány)] átlagos BMI-je (SE) az alsó panelen van feltüntetve. Az adatokat permutációs analízissel elemeztük, és az átlag ± SE látható; a mintaméretek kezelési csoportonként 15-16 vegyes nemű halak A, és kezelési csoportonként 27–30 vegyes nemű hal B.

A miozin nehézlánc-összetétele nem változott az elhízás vagy a testmozgás hatására.

Az úszási teljesítményhez hasonlóan az elhízás és a testmozgás, illetve ezek kölcsönhatása sem befolyásolta szignifikánsan az MHC-koncentrációt vagy azok arányát (1. táblázat; 4. ábra). Ez az eredmény megint ellentmond korábbi megállapításunknak (31), amely azt mutatja, hogy az elhízás jelentős hatással volt az MHC koncentrációira. Az MHC kimutatására használt halak BMI-je két vizsgálatunkban hasonló volt [sovány: 0,040 ± 0,0010 (SE) (31. hivatkozás), 0,042 ± 0,0017 (SE) (jelen tanulmány); elhízott: 0,061 ± 0,0024 (SE) (31. hivatkozás), 0.058 ± 0.0011 (SE) (jelen tanulmány)]. Ugyanakkor a megnövekedett mintaméret alkalmazása mindkét vizsgálat adatainak kombinálásával azt mutatta, hogy az elhízás csökkentette a lassú miozin nehézlánc-koncentrációit (P = 0,024; 4. ábraD), ahol a sovány halak koncentrációja nagyobb volt, mint az elhízott vagy az elhízott sovány halaké. Az elhízásnak azonban nem volt statisztikailag kimutatható hatása a gyors MHC-koncentrációkra vagy a lassú és gyors MHC közötti arányra az együttes adatsorban (mindkettő P > 0,10; 4. ábra, E és F).

4. ábra.A miozin nehézlánc-tartalma. A testmozgásnak nem volt hatása (világosszürke oszlopok A – C), vagy az elhízás kezelése (L = sovány, O = elhízott, OL = elhízott-sovány) lassú (A), vagy gyorsan (B) miozin nehézlánc koncentrációi (MHC, normalizálva az α-tubulinra), vagy ezek aránya (lassú: gyors, C). Ennek a kísérletnek az adatait egyesítve az elhízás kezelésére vonatkozó korábban közzétett adatainkkal (31. hivatkozás) (D – F) azt jelzi, hogy az O (háromszögek) és az OL (fordított háromszögek) kezelésnél (körök) összehasonlítva statisztikailag szignifikáns csökkenés tapasztalható (D-ben csillaggal jelölt) a lassú MHC-koncentráció. Az adatokat permutációs analízissel elemeztük, és az átlag ± SE látható; a mintaméretek kezelési csoportonként 8 vegyes nemű hal A – C, és 14 vegyes nemű hal D – F.

Megmutattuk, hogy az elhízás csökkenti az izom összehúzódási funkcióját, és hogy a fogyás nem fordítja meg ezt a hatást. Az aerob testmozgás nem enyhítette az elhízás hatásait, és nem javította az izom összehúzódási funkcióját a fogyás után. Az izomösszehúzódás működésének hatásait azonban nem tükrözték a mozgásszervi teljesítmény változásai, amelyek az elhízással nem csökkentek. Ez utóbbi eredmény eltér a korábbi tanulmányunktól (31), és az egyesített adatsorok elemzése érdekes mintázatot tárt fel: a mozgásszervi teljesítmény fokozatosan csökken a BMI növekedésével. Hasonlóképpen, az MHC koncentrációja nem változott az elhízás és a testmozgás függvényében ebben a kísérletben, de mindkét vizsgálat összesített adatai azt mutatják, hogy az elhízott és az elhízott és sovány halak alacsonyabb MHC-vel rendelkeznek, amint azt az irodalom elvárja. Ezek az adatok együttesen azt jelzik, hogy az izom kontraktilis funkciója a legérzékenyebb a súlygyarapodásra, de a változások függetlenek az MHC koncentrációjától, és legalább „alacsony” elhízott BMI mellett nem befolyásolják a mozgásszervi teljesítményt. Ezekben az adatokban van egy figyelmeztető mese is: ha nem ismételnénk meg a korábbi kísérlet egy részét, és ezáltal megnövekedne a mintaméret és a BMI-értékek tartománya, akkor nem észlelnénk az alapul szolgáló mintákat.

Az izolált izom kontraktilis működését a miozin nehézlánc-összetétele mellett befolyásolhatja a kalcium-kezelő fehérjék, például a dihidropiridin és a ryanodin receptorok, valamint a sarco/endoplazmatikus retikulum ATPáz (SERCA) aktivitása. Ezért azt javasoljuk, hogy az elhízás kalciumkezelésre gyakorolt ​​hatása a vázizmokban hasonlóan magyarázhatja a kontraktilis funkció csökkenését, mint a szívizomban (14). Ez a javaslat ésszerű, mert a zebrafish-ban az elhízás lelassította az összehúzódást és a relaxációs sebességet, amelyet nagyrészt a sarcoplazmatikus retikulumból a ryanodin receptorokon keresztül történő kalcium felszabadulás, valamint a SERCA által a szarkoplazmatikus retikulumba történő kalcium-reszekestráció közvetít (13, 30).

Az elhízás megváltoztatja az egész test és az ízület kinematikáját, ami fizikai fogyatékossághoz és csökkent mozgékonysághoz vezethet. Ezeket a hatásokat a megnövekedett testtömeg, valamint az izomminőség csökkenése közvetíti (3, 36, 37). Ezért fontos az izmok összehúzódási funkciójának csökkenését visszafordítani az életminőség fenntartása és az elhízott alanyok bonyolult patofiziológiai állapotainak megelőzése érdekében, különösen az életkor növekedésével (37). A testmozgás az egyik legígéretesebb megközelítés mind a fogyás közvetítésére, mind az izomműködés fenntartására (34). Adataink azt mutatják, hogy a zebrafish esetében a napi aerob testmozgás rövid időszaka nem elegendő az izom minőségének megőrzéséhez. Fontos jövőbeli irány lesz meghatározni az izmok működését javító edzésprogramok kombinációját, és az intenzívebb testmozgás, például az intervall edzés ígéretesnek tűnik.

Ezt a munkát az Ausztrál Kutatási Tanács Discovery Grant DP180103036 támogatásával támogatta F. Seebacher.