Effect of inflammation on muscle protein synthesis and breakdown in the aged human skeletal muscle

Abstract

Introduction: The development of chronic, low-grade systemic inflammation in the elderly (inflammaging) has been shown to increase the risk for chronic diseases and geriatric syndromes while it has been also associated with accelerated skeletal muscle wasting, strength loss and functional impairments.Aim: The aim of the present thesis was i) to examine whether anabolic signaling, activation of amino acid transporters, ribosome biogenesis and proteasome activity in the aged skeletal muscle are affected by low-grade systemic inflammation in the fasted state and following exercise and protein feeding, and ii) to investigate differences in habitual physical activity, dietary intake, physical performance and blood indices of oxidative stress and antioxidant status among elderly men with low and elevated low-grade systemic inflammation.Methods: Forty-four male adults aged 63-75 years who complied with the inclusion criteria were included in the study. Initially they were screened for systemic levels of hs-CRP and then had their anthropometric profile, body composition, sarcopenia status and functional performance assessed. Habitual physical activity and daily dietary intake were assessed over a 7-day period using accelerometry and diet recalls, respectively. Of these 44 individuals, 12 with high systemic inflammation (HSI: hs-CRP: > 1.0 mg/L) and 12 with low (LSI: hs-CRP: ≤ 1.0 mg/L) were included in the clinical trial. On the experimental day, participants performed 8 sets of 10 repetitions at 70% of 1RM on a knee-extension machine and immediately after they ingested a whey protein bolus. Muscle biopsy samples were collected before exercise (fasted state) and at 3h following protein ingestion. Blood samples were collected before exercise and every 30 minutes during the 3-hour postprandial period.Results: In the fasted state, HSI exhibited higher chymotrypsin-like activity, protein carbonyl concentration and phosphorylated IKKα/β, by 40%, 47% and 37%, respectively, as compared to LSI (P < 0.05). No differences were detected among groups in terms of trypsin-like activity, protein expression of the proteasome β-subunits, nuclei levels of Nrf2 and 3-nitrotyrosine levels. In addition, a significant correlation (P < 0.05) was observed between hs-CRP levels and chymotrypsin like activity. At 3h following protein ingestion, chymotrypsin-like activity increased in HSI and LSI by 44% (P < 0.05) and 86% (P < 0.05), respectively (without group differences), while trypsin-like activity increased only LSI by 38% (P < 0.05). Protein carbonyls decreased in HSI by 31% (P < 0.05) while Nrf2 increased only LSI by 28% (P < 0.05). Protein expression of β and βi proteasome subunits as well as 3-nitrotyrosine levels and phosphorylation of IKKα/β remained unaltered in the postprandial period in both groups. Moreover, rpS6 phosphorylation increased only in LSI at 3h after protein ingestion (by 1.5 fold, P < 0.05) and the rise was significantly higher compared to that in HSI (P < 0.05). Protein expression of amino acid transporters and ribosome biogenesis indices demonstrated no changes in either group. In addition, at baseline LSI was more physically active than HSI performing more steps by 30% (P < 0.05) and spending more time in MVPA by 42% (P < 0.05). Also, LSI demonstrated higher antioxidant vitamin intake (P < 0.05) that was accompanied by increased plasma antioxidant capacity (by 60%, P < 0.05), as compared to HSI.Conclusions: The results of the present thesis indicate that inflammaging is characterized by a pro-oxidative environment and increased proteasome activity in the fasted state, and by reduced translation efficiency following protein feeding. Moreover, higher physical activity level and increased antioxidant consumption on a daily basis are discriminant factors of inflammaging and healthy aging and therefore, may considered as crucial, lifestyle-based factors that may prevent the development of low-grade systemic inflammation.

Εισαγωγή: Η ανάπτυξη χρόνιας συστημικής φλεγμονής σε άτομα τρίτης ηλικίας (inflammaging), έχει δειχθεί ότι αυξάνει το κίνδυνο εμφάνισης χρόνιων ασθενειών και γηριατρικών συνδρόμων, ενώ έχει συσχετιστεί και με ταχύτερη απώλεια μυϊκής μάζας, δύναμης και λειτουργικής ικανότητας.Σκοπός: Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν α) να εξετάσει εάν η διέγερση του αναβολικού σηματοδοτικού μονοπατιού, η ενεργοποίηση των μεταφορέων αμινοξέων, η ριβοσωμική βιογένεση και η ενεργότητα του πρωτεασώματος στο σκελετικό μυ ηλικιωμένων ατόμων επηρεάζονται από τη χρόνια συστημική φλεγμονή σε κατάσταση νηστείας καθώς και μετά από συνδυασμό άσκησης και κατανάλωσης πρωτεΐνης, και β) να διερευνήσει τις πιθανές διαφορές στα επίπεδα φυσικής δραστηριότητας, στη διατροφική πρόσληψη, στη φυσική απόδοση καθώς και σε δείκτες οξειδωτικού στρες και αντιοξειδωτικής ικανότητας, μεταξύ ηλικιωμένων ανδρών με χαμηλή και υψηλή χρόνια συστημική φλεγμονή.Μεθοδολογία: 44 άνδρες εθελοντές ηλικίας 63-75 ετών οι οποίοι πληρούσαν τα κριτήρια συμμετοχής, συμπεριλήφθηκαν στη μελέτη. Αρχικά, υποβλήθηκαν σε αιμοληψία για τον προσδιορισμό των επιπέδων hs-CRP στην κυκλοφορία και στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε αξιολόγηση του σωματικού ύψους και βάρους, της σύστασης σώματος, του επιπέδου σαρκοπενίας και της φυσικής απόδοσης. Επιπλέον αξιολογήθηκαν η φυσική δραστηριότητα και η διατροφική πρόσληψη για 7 συνεχόμενες ημέρες με χρήση επιταχυνσιομέτρων και διατροφικών ημερολογίων, αντίστοιχα. Από τους 44 συμμετέχοντες, 12 με υψηλή χρόνια συστημική φλεγμονή (υψηλή ΧΣΦ: hs-CRP: > 1.0 mg/L) και 12 με χαμηλή (χαμηλή ΧΣΦ: hs-CRP: ≤ 1.0 mg/L) έλαβαν μέρος στην κλινική δοκιμασία. Την ημέρα της κλινικής δοκιμασίας, οι συμμετέχοντες εκτέλεσαν 8 σετ των 10 επαναλήψεων στο 70% της 1ΜΕ στο μηχάνημα εκτάσεις γονάτων και αμέσως μετά κατανάλωναν συμπλήρωμα πρωτεΐνης ορού γάλακτος, σε μία δόση. Δείγματα μυός (μυϊκές βιοψίες) συλλέχθηκαν πριν την άσκηση (σε κατάσταση νηστείας) καθώς και στις 3 ώρες μετά τη λήψη του συμπληρώματος πρωτεΐνης. Αιμοληψίες πραγματοποιήθηκαν πριν την άσκηση και κάθε 30 λεπτά για 3 ώρες μετά την κατανάλωση του συμπληρώματος πρωτεΐνης.Αποτελέσματα: Στην κατάσταση νηστείας , η ομάδα υψηλής ΧΣΦ παρουσίασε υψηλότερη ενεργότητα χυμοθρυψίνης, μεγαλύτερη συγκέντρωση πρωτεϊνικών καρβονυλίων και μεγαλύτερη ποσότητα φωσφορυλιωμένης κινάσης ΙΚΚα/β, κατά 40%, 47% και 37%, αντίστοιχα, σε σύγκριση με την ομάδα χαμηλής ΧΣΦ (P < 0.05). Δεν παρατηρήθηκαν διαφορές μεταξύ των δύο ομάδων όσον αφορά την ενεργότητα τρυψίνης, την έκφραση των β υπομονάδων του πρωτεασώματος και του ανοσοπρωτεασώματος, τα επίπεδα του Nrf2 στον πυρήνα καθώς και τα επίπεδα 3-νιτροτυροσίνης. Επίσης, σημαντική συσχέτιση εντοπίστηκε μεταξύ των επιπέδων hs-CRP και της ενεργότητας χυμοθρυψίνης (P < 0.05) σε κατάσταση νηστείας. Στις 3 ώρες μετά την κατανάλωση του συμπληρώματος πρωτεΐνης, η ενεργότητα χυμοθρυψίνης αυξήθηκε σημαντικά και στις δυο ομάδες (υψηλή ΧΣΦ: +44%, χαμηλή ΧΣΦ: +86%, P < 0.05), χωρίς να διαφέρουν μεταξύ τους, ενώ η ενεργότητα της τρυψίνης αυξήθηκε μόνο στην ομάδα χαμηλής ΧΣΦ κατά 38% (P < 0.05). Η συγκέντρωση πρωτεϊνικών καρβονυλίων μειώθηκε κατά 31% στην ομάδα υψηλής ΧΣΦ (P < 0.05), ενώ τα επίπεδα του Nrf2 αυξήθηκαν σημαντικά μόνο την ομάδα χαμηλής ΧΣΦ (+28%, P < 0.05). Η έκφραση των β υπομονάδων του πρωτεασώματος και των αντίστοιχων βi του ανοσοπρωτεασώματος καθώς και τα επίπεδα 3-νιτροτυροσίνης και φωσφορυλιωμένης κινάσης ΙΚΚα/β παρέμειναν αμετάβλητα μετά την κατανάλωση της πρωτεΐνης. Επιπλέον, η φωσφορυλίωση της ριβοσωμικής πρωτεΐνης rpS6 αυξήθηκε σημαντικά στις 3 ώρες μετά τη λήψη του συμπληρώματος πρωτεΐνης μόνο στην ομάδα χαμηλής ΧΣΦ (+ 1.5 φορά, P < 0.05) και τα επίπεδά της διέφεραν σημαντικά από εκείνα της ομάδας υψηλής ΧΣΦ (P < 0.05). Η έκφραση των μεταφορέων αμινοξέων αλλά και η ενεργοποίηση δεικτών ριβοσωμικής βιογένεσης δεν παρουσίασαν σημαντικές μεταβολές σε καμία απ’ τις δυο ομάδες. Οι δυο ομάδες ωστόσο, διέφεραν σημαντικά μεταξύ τους όσον αφορά τα επίπεδα φυσικής δραστηριότητας, με την ομάδα χαμηλής ΧΣΦ να εκτελεί περισσότερα βήματα (+ 30%, P < 0.05) και να δαπανά περισσότερο χρόνο σε μέτρια-προς-υψηλής έντασης δραστηριότητες (+ 42%, P < 0.05) σε σύγκριση με την ομάδα υψηλής ΧΣΦ. Επίσης, η ομάδα χαμηλής ΧΣΦ παρουσίασε υψηλότερη πρόσληψη αντιοξειδωτικών βιταμινών σε σχέση με την ομάδα υψηλής ΧΣΦ (P < 0.05)η οποία συνοδευόταν και από υψηλότερη αντιοξειδωτική ικανότητα στο πλάσμα (+ 60%, P < 0.05). Συμπεράσματα: Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής υποδεικνύουν ότι τα ηλικιωμένα άτομα με υψηλή ΧΣΦ χαρακτηρίζονται από αυξημένα επίπεδα οξειδωμένων πρωτεϊνών και αυξημένη ενεργοποίηση του πρωτεολυτικού μηχανισμού του πρωτεασώματος στο μυ, σε κατάσταση νηστείας, καθώς επίσης και από μειωμένη μεταφραστική δραστηριότητα στο ριβόσωμα, στη μεταγευματική περίοδο. Επιπλέον, μεγαλύτερα επίπεδα φυσικής δραστηριότητας σε ημερήσια βάση και μεγαλύτερη πρόσληψη αντιοξειδωτικών βιταμινών μέσω της διατροφής φαίνεται ότι διαφοροποιούν τα άτομα με χαμηλή και υψηλή ΧΣΦ, και επομένως θα πρέπει θεωρούνται καθοριστικοί παράγοντες για την υγεία στα άτομα τρίτης ηλικίας, οι οποίοι μπορούν να επιδράσουν ανασταλτικά στην εκδήλωση ΧΣΦ.