Фредерико GS Толедо, Саймън Уоткинс, Дейвид Е. Кели, промени, предизвикани от физическа активност и загуба на тегло в морфологията на интермиофибриларните митохондрии при затлъстели мъже и жени, Вестник по клинична ендокринология и метаболизъм, том 91, брой 8, 1 август 2006 г., Страници 3224–3227, https://doi.org/10.1210/jc.2006-0002

промени

Резюме

Контекст: При затлъстяване, инсулиновата резистентност на скелетните мускули може да бъде свързана с по-малки митохондрии.

Обективен: Нашата цел беше да изследваме ефекта от интервенция за промяна на начина на живот върху съдържанието и морфологията на скелетните мускулни митохондрии и връзката му с инсулиновата чувствителност при затлъстели, инсулинорезистентни субекти.

Дизайн: В това проспективно интервенционно проучване, съдържанието и размерът на миохондриалните митохондриални интермиофибрили са определени количествено чрез трансмисионна електронна микроскопия с количествен морфометричен анализ на биопсични проби от мускула на ogromus lateralis. Системната инсулинова чувствителност се измерва с евгликемични хиперинсулинемични скоби.

Настройка: Проучването се проведе в университетски център за клинични изследвания.

Участници: В проучването са участвали единадесет заседнали доброволци с наднормено тегло/затлъстяване без диабет.

Интервенция: Интервенцията включва 16 седмици аеробни тренировки с диетични ограничения от 500-1000 kcal/d.

Основни изходни мерки: Оценихме промените в съдържанието и размера на митохондриите и промените в чувствителността към инсулин.

Резултати: Процентът от обема на миофибър, зает от митохондриите, значително се е увеличил от 3,70 ± 0,31 до 4,87 ± 0,33% след интервенция (P = 0,01). Средното индивидуално увеличение е 42,5 ± 18,1%. Налице е и промяна в средната площ на напречното сечение на митохондриите, нарастваща от изходната линия от 0,078 ± 0,007 до 0,091 ± 0,007 μm 2 (P

При човешко затлъстяване се наблюдава повишено натрупване на липиди в скелетните мускули, характеристика, която корелира добре с инсулиновата резистентност. Етиологията на увеличеното натрупване на липиди в мускулите все още не е напълно изяснена. Намаленият оксидативен капацитет на митохондриите се предполага, че допринася за фактор и е доказано, че корелира със системната инсулинова резистентност (1-3). При трансмисионна електронна микроскопия (ТЕМ) скелетните мускулни интермиофибриларни митохондрии са значително по-малки при затлъстяване и захарен диабет тип 2, което също е свързано с намалена активност на електронната транспортна верига (ETC) (3). Тези наблюдения показват, че лошият митохондриален капацитет е свързан с инсулинова резистентност. Съществуват обаче много малко изследвания за въздействието на интервенциите върху връзката между намален оксидативен капацитет и инсулинова резистентност.

Съдържанието и морфологията на митохондриите могат да варират в зависимост от промените в енергийните нужди (4, 5). В скелетните мускули пластичността на окислителния капацитет в отговор на упражненията се счита за класически пример за пластичност на мускулите при адаптация към промени в енергийните разходи (4, 6, 7). Например, използвайки ТЕМ и количествен анализ на изображението, се наблюдава по-висока митохондриална плътност при физически активни индивиди (8–10).

Наскоро нашата лаборатория съобщи резултатите от комбинирана диетична загуба на тегло и интервенция за физическо обучение върху окислителната способност на скелетните мускули при затлъстели индивиди (11-13). Основни констатации, отбелязани, са повишаване на системната чувствителност към инсулин и ETC активност на скелетните мускули (13), въпреки че разпределението на фибрите не се променя (12). Беше заключено, че при затлъстяването има значителна запазена способност за увеличаване на окислителната способност на скелетните мускули. Обаче дали подобна функционална пластичност е придружена от модулация на миофибриларното митохондриално съдържание и морфология не е разглеждано преди това. В преглед на литературата установихме, че въздействието на модификациите на начина на живот върху съдържанието и морфологията на митохондриите при затлъстели, заседнали пациенти не е докладвано. Целта на този доклад беше да се изследва хипотезата, че съдържанието и морфологията на митохондриите се влияят от модификация на начина на живот при затлъстяване и да се изследва дали съществува връзка с чувствителността към инсулин. Тук докладваме резултатите от такава интервенция върху митохондрии, анализирани от ТЕМ от мускулна тъкан.

Предмети и методи

Изследвайте доброволци

Заседнали, стабилни в теглото, недиабетни доброволци с индекс на телесна маса (ИТМ) над 27 kg/m 2 са били наети след информирано съгласие, както беше съобщено по-рано (11). Данните в този доклад са от 11 субекта (шест мъже и пет жени) от тази кохорта, които са имали достатъчно мускулни проби за ТЕМ анализ.

След превенция на метаболитни, аеробни фитнес и проучвания на телесния състав и мускулна биопсия, доброволците са влезли в 16-седмична програма за промяна на начина на живот, както е описано по-рано (11). Накратко, доброволците участваха в повече от две упражнения на седмица (60–70% от максималния пулс). Ежедневният калориен прием е намален с 500-1000 ккал с ориентация от диетолозите. Измерванията за превенция се повтарят след приключване на интервенцията.

Субектите са били допуснати до стационарно легло вечер преди метаболитни изследвания и са получили стандартизирана вечеря (7 kcal/kg, 50% въглехидрати, 20% протеини и 30% мазнини), последвано от период на гладно за една нощ от 12-14 часа, по време на което е получено събиране на урина за оценка на протеиновото окисление. Коефициентът на дишане на гладно (RQ) се определя чрез индиректна калориметрия, като се използва система за метаболитни абсорбатори със спирометрия с отворен кръг (DeltaTrac, Anaheim, CA) в продължение на 30 минути преди инфузионната инфузия и през последните 30 минути на скобата. Инсулиновата чувствителност се определя с помощта на евгликемични скоби и се изразява като средна скорост на инфузия на глюкоза през последните 30 минути на 4-часова инфузия на инсулин (40 mU/m 2 · min). Мазнините и слабата маса бяха оценени чрез рентгенова абсорбциометрия с двойна енергия (Lunar-DPX-L, Madison, WI). Максималната консумация на кислород (VO2 max) е измерена с помощта на инкрементален протокол на електронно спирачен велоергометър.

Част мускул от огромен латералис, получен чрез перкутанна иглена биопсия, беше нарязан на малки парченца (1 × 1 × 2 mm), фиксиран в 2,5% глутаралдехид, постфиксиран в 1% осмиев тетроксид, дехидратиран и вграден в Epon за ТЕМ. За всяка проба бяха направени 10 произволни, независими надлъжни изображения на интермиофибриларни области при × 36 000 (JEM-1210; JEOL-Ltd., Токио, Япония). За да измерим обемната плътност на митохондриите, т.е. частта от клетъчния обем, заета от митохондриите, използвахме цифрова морфометрия и техника за точково вземане на проби от класическата стереология (14, 15). Накратко, на всяка микрофотография беше нарисувана решетка със 144 еднакво и симетрично разположени точки на пресичане. Обемната плътност за всяка микрография се изчислява като процент на точки, насложени от митохондрии от общия брой решетъчни точки, съдържащи се в миофибърното цитозолно отделение. Площта на напречното сечение на митохондриите се определя чрез софтуер за цифрово изобразяване (Metamorph 6.3; Molecular Devices Corp., Сънивейл, Калифорния). Измерихме митохондриалните области във всичките 10 микрографии на всяка проба (средно, 73; диапазон, 42-134). Числената плътност, т.е. честотата на отделните митохондриални профили на площ от цитоплазмата, беше изчислена като коефициент на обемна плътност и средна митохондриална площ (14, 15).

Статистика

Използвани са средни стойности ± sem, освен ако не е посочено друго, с P таблица 1)

Характеристики, параметри на телесния състав и чувствителност към инсулин преди и след намесата за отслабване и физическа активност

Резултатите са средни ± sd от 11 субекта (шест мъже, пет жени). LBM, чиста телесна маса; NS, без значение; Rd, изхвърляне на глюкоза при стационарни хиперинсулинемични условия по време на скобата.

Характеристики, параметри на телесния състав и чувствителност към инсулин преди и след намесата за отслабване и физическа активност

Резултатите са средни ± sd от 11 субекта (шест мъже, пет жени). LBM, чиста телесна маса; NS, без значение; Rd, изхвърляне на глюкоза при стационарни хиперинсулинемични условия по време на скобата.

В отговор на интервенцията имаше значително намаляване на теглото, ИТМ и мастната маса. Налице са значителни подобрения в аеробната годност (VO2 max), инсулиновата чувствителност и окисляването на мазнините след едно нощно гладуване, което се отразява в намаляване на RQ на гладно.

Мускулни митохондрии

Средната обемна плътност на митохондриите (Vm), т.е.фракцията на мускулните влакна, заети от митохондриите, е била 3,70 ± 0,31% на изходно ниво. Тази стойност се е увеличила до 4,87 ± 0,33% след интервенция (P = 0,01), със средно увеличение от 42,5 ± 18,3% на субект. Средната митохондриална площ също се е увеличила след интервенция, от 0,078 ± 0,007 на 0,091 ± 0,007 μm 2 (P 2 (P = 0,056). Няма ефект на пола, тъй като промените в Vm в резултат на интервенция са сходни при мъжете (34%) и жени (29%) (данните не са показани). Промените в VO2 max и чувствителността към инсулин също са сравними. Представителни микрографии са показани на фиг. 1А.

A, Представителни електронни микроснимки на скелетни мускули, получени от доброволец преди и след намеса. След интервенция могат да се наблюдават по-големи и по-обилни интермиофибриларни митохондрии. B, График на корелация между промените в инсулиновата чувствителност, изразени като промяна в скоростта на инфузия на глюкоза, коригирана за чиста телесна маса (LBM), спрямо съответната промяна в Vm в рамките на субекта. С, График на корелация между промените в инсулиновата чувствителност и митохондриалната област.

A, Представителни електронни микроснимки на скелетни мускули, получени от доброволец преди и след намеса. След интервенция могат да се наблюдават по-големи и по-обилни интермиофибриларни митохондрии. B, График на корелация между промените в инсулиновата чувствителност, изразени като промяна в скоростта на инфузия на глюкоза, коригирана за чиста телесна маса (LBM), спрямо съответната промяна в Vm в рамките на субекта. С, График на корелация между промените в инсулиновата чувствителност и митохондриалната област.

Физиологични корелати

Изследвахме кои физиологични параметри най-добре прогнозират промени в Vm (ΔVm). Промяната в чувствителността към инсулин е единственият предиктор (фиг. 1В). Няма статистически значими корелации между ΔVm и промени в VO2 max, маслена маса, процентна мастна маса, ИТМ и RQ на гладно. Сред тези променливи промяната в митохондриалната област корелира с промяната в инсулиновата чувствителност (r = 0,68; P Фиг. 1C) и по-малко с процентната маса на мазнините (r = -0,61; P = 0,04) и ИТМ (r = -0,61; P = 0,04). Средният брой калории, изразходвани за упражнение, не корелира с промени в Vm или митохондриална област.

Дискусия

Важен аспект на нашето изследване е потвърждаването на митохондриалната атрофия при затлъстяване. Преди интервенцията, митохондриалната област (0,077 μm 2) е почти идентична с тази, наблюдавана по-рано (0,076 μm 2) в друго проучване със затлъстели доброволци (3). За сравнение, средната площ изглежда е 0,114 μm 2 при слаби субекти в същото проучване (3). В преглед на литературата този нормален размер на митохондриите е доста сходен с този, съобщен при нормални млади мъже (0,111 ± 0,060 μm 2) (17) и здрави възрастни (0,102 ± 0,01 μm 2) (18). По този начин нашите данни показват, че при затлъстяването има атрофия на размера на митохондриите, но модификацията на начина на живот може значително да го обърне.

В скелетните мускули митохондриите могат да бъдат свързани помежду си като мрежа (19, 20). По този начин директното преброяване на отделни митохондриални фигури (числена плътност) може да не изразява точно съдържанието на митохондриите. Следователно Vm традиционно се използва за по-точно изразяване на митохондриалното съдържание (5, 8, 9). Открихме, че при затлъстяване Vm се увеличава след модификация на начина на живот в резултат на митохондриите, които стават едновременно по-големи и по-многобройни. Установихме умерено увеличение от 17,5 ± 9,86% в числената плътност, цифра, която съвпада съвместно с умереното увеличение от 16 ± 8% в митохондриалната ДНК, съобщена по-рано в тази интервенция (13). Тези наблюдения показват, че при затлъстяване индивидуалната митохондриална пролиферация след тренировка представлява второстепенен компонент на митохондриалната биогенеза, подценявайки общото увеличение на митохондриалното съдържание.

В заключение установихме, че аеробните тренировки с отслабване обръщат ултраструктурната атрофия на скелетните мускулни митохондрии при затлъстяване, модулация, която изглежда тясно свързана със системната инсулинова чувствителност.

Благодарности

Това разследване беше подкрепено от финансиране от Националния институт по здравеопазване Национален институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания (DK49200), от Центъра за изследване на затлъстяването и храненето (P30DK462) и от Общия клиничен изследователски център на Университета в Питсбърг (5 M01RR00056).