نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 گروه فیزیولوژی ورزشی، دانشکده تربیتبدنی و علوم ورزشی، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 گروه فیزیولوژی ورزشی، دانشکده علوم انسانی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.
3 گروه علوم ورزشی، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه ولیعصر، رفسنجان، استان کرمان، ایران.
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Background and Aims Understanding the involved mechanisms in muscle atrophy can help develop new treatment methods for atrophic conditions. Skeletal muscle atrophy via biochemical and transcriptional pathways can increase the expression of some muscle atrophy related genes. The present study aims to assess the effect of reduced physical activity by the spinal nerve ligation (SNL) after a period of resistance, endurance and combined exercises on the expression of MuRF-1 and Atrogin-1 genes in male rats.
Methods In this experimental study, 30 male Wistar rats were randomly divided into four groups: Control+SNL, combined exercise+SNL, endurance exercise+SNL, and resistance training+SNL. The exercises were performed for six weeks. After this period, the protocol of reduced physical activity by the SNL was implemented for four weeks. At the end, soleus muscle was isolated and the expression levels of MuRF-1 and Atrogin-1 genes were measured by real-time polymerase chain reaction technique. To examine the gene expression differences between the groups, analysis of variance and Tukey’s post hoc test were used. The significant level was set at 0.05.
Results The results showed that the expression of MuRF-1 gene in the combined exercise+SNL and resistance training+SNL groups was significantly lower than in the control group (P<0.05). The Atrogin-1 gene expression was significantly reduced only in the combined exercise+SNL group compared to the control group (P<0.05).
Conclusion It seems that the rats with resistance training are more resistant to SNL-induced atrophy than the group with endurance exercise.
کلیدواژهها [English]
Introduction
Muscle atrophy can be due to the lack of physical activity for a long time. Some factors such as gravity-free environments, decreased blood flow in the tissues, poor nutrition, and denervation of a muscle attribute to muscle atrophy. Muscle atrophy occurs when protein degradation exceeds protein synthesis. Muscle atrophy can lead to poor quality of life, inability to perform daily tasks, and fatigue as well as some diseases such as osteoporosis and diabetes. Research evidence suggests that a number of events occur in skeletal muscles to maintain a pure protein balance. Skeletal muscles have a very high plasticity in response to mechanical loads. Mechanical unloading in rodents has been shown to reduce muscle mass, cross-sectional area of myofibrils, and force generation. Hence, understanding the involved mechanisms in muscle atrophy can help develop new treatment methods to deal with muscle atrophy.
Skeletal muscles atrophy via biochemical and transcriptional pathways increases to the expression of some genes called atrogene. These genes are for the ubiquitin-proteasome system that provide a mechanism for the selective degradation of regulatory and structural proteins. Although the major pathways of protein degradation are mediated by calpins, caspases, autophagy-lysosomal pathways, and the ubiquitin-proteasome pathway, the protein degradation by the ubiquitin-proteasome system plays an important role in muscle atrophy. In muscle atrophy, the MuRF1 and MAFbx (Atrogin-1) genes have been reported to be up-regulated in animal and human models. These genes encode ubiquitin E3 ligases. It seems that rats without MuRF-1 Atrogin-1 are phenotypically similar to their normal peers; however, after denervation, these animals show little self-protection to muscle atrophy. Transcription factor FOXO3a can bind to DNA sequences in the promoter region of Atrogin-1 and Bnip3. Activation of these genes by FOXO3a, along with other myogenic factors, causes the onset of muscle atrophy.
Studies have shown that eight weeks of resistance training with an intensity of 85-95% 1RM can increase the expression of MuRF-1 and Atrogin-1 in the hypertrophic phase, but reduces it in the atrophic phase. On the other hand, it has been shown that after 3 months of resistance training, the expression of MuRF-1 and Atrogin-1 decreased. Furthermore, one session of resistance training for 10 weeks compared to endurance training has been reported to increase MuRF-1 and Atrogin-1 expression. Based on this, the regulation of MuRF-1 and Atrogin-1 genes seems to be dependent on the type and intensity of exercise. Overall, based on these findings, it can be said that the MuRF-1 and Atrogin-1 genes are valid markers for muscle atrophy. However, comprehensive information is not available about the effects of reduced physical activity after exercise on the muscle atrophy.
The method of reducing physical activity by the spinal nerve ligation (SNL) causes muscle atrophy, reduces muscle mass, and possibly affects the expression of genes involved in muscle atrophy. The present study aims to assess the effect of reduced physical activity by SNL after a period of resistance, endurance and combined exercises on the expression of MuRF-1 and Atrogin-1 genes in the soleus muscle of Wistar rats. The questions are whether the MuRF-1 and Atrogin-1 have a role in the inactivity period, and whether exercise-induced adaptation can be effective in preventing or reducing muscle atrophy caused by reduced physical activity.
Materials and Methods
In the current experimental study, 30 male Wistar rats were randomly divided into four groups: Control + SNL, combined exercise + SNL, endurance exercise + SNL, and resistance training + SNL. The exercises were performed for six weeks. The endurance exercise was performed at moderate intensity (60-70% of VO2 max) on a treadmill for six weeks, four sessions per week. For resistance training, the animals climb a one-meter ladder with a slope of 85 degrees while the weights were attached to the animals’ tail by a cylinder. This training was performed for six weeks. The resistance training sessions were held in the morning (9 o’clock) and in the evening (2 o’clock) once every three days. Rats performed three sets with five repetitions in each session. The rest interval was two minutes between sets and one minute between repetitions. If necessary, an electric shock (0.2-0.3 mA) was used to stimulate the rats to climb the ladder. In the first week, 50% of the animals’ body weight was used with a gradual increase in the weights during the training program. The combined training program included three weeks of resistance training and three weeks of endurance exercise.
After the training period, the protocol of reduced physical activity by SNL was implemented for four weeks. The SNL is a method that is widely used to study the mechanisms of neuropathic pain and the effect of drugs and pain-related behaviors. To implement this model, the rats were first anesthetized with sodium pentobarbital. Then, their fifth lumbar spinal nerve was tightly ligated according to Kim and Chang’s method. At the end of study, soleus muscle was isolated and the expression levels of the MuRF-1 and Atrogin-1 were measured by real-time polymerase chain reaction technique. To determine the gene expression differences between the groups, analysis of variance and Tukey’s post hoc test were used. The significant level was set at 0.05.
Results
The results showed that the expression of MuRF-1 gene in the combined exercise+SNL and resistance training + SNL groups was significantly lower than in control group (P<0.05). Moreover, the Atrogin-1 gene expression was significantly reduced only in the combined exercise + SNL group compared to the control group (P<0.05).
Discussion
According to the results of the present study, it seems that rats with resistance training were more resistant to SNL-induced atrophy than the group that performed endurance exercise. These results indicate that the resistance training is an important factor in preventing the increased expression of atrophic genes such as MuRF-1 and Atrogin-1 involved in SNL-induced muscle atrophy. Therefore, it the resistance training should be included in the rehabilitation program of patients with reduced physical activity.
Ethical Considerations
Compliance with ethical guidelines
In conducting the research, ethical considerations were considered according to the instructions of the ethics committee of Kerman University of Medical Sciences and the code of ethics was received under the number IR.KMU.REC.1399.190.
Funding
This article is taken from Mehdi Madaghi's doctoral thesis under the guidance of Reza Karakhanlou and the advice of Mohammad Ali Azarbaijani in the Department of Sports Physiology, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
Authors' contributions
All authors contributed equally in preparing all parts of the research.
Conflict of interest
The authors declared no conflict of interest.
Acknowledgments
The authors of this research sincerely thank the staff of the Physiology and Neuroscience Research Center of Kerman University of Medical Sciences.
مقدمه
آتروفی عضلانی ناشی از استفاده نکردن طولانیمدت از عضله و به دلایل مختلفی رخ میدهد. برخی شرایط نظیر محیطهای بدون جاذبه، کم شدن جریان خون در بافتها، تغذیه ناکافی و قطع عصب یک عضله بهعنوان دلایل آتروفی عضلانی نام برده شدند [1]. آتروفی عضلانی زمانی اتفاق میافتد که تخریب پروتئین بیش از سنتز آن باشد. ضعف و آتروفی عضلانی میتواند به کیفیت پایین زندگی منجر شود. همچنین آتروفی عضلانی میتواند باعث ایجاد ناتوانی در انجام کارهای روزانه، خستگی و برخی از بیماریها نظیر پوکی استخوان و دیابت شود [2].
عضله اسکلتی با توجه به سطح فعالیت خود ازطریق تغییر در توده عضله، بیان پروتئینهای عضلانی و تغییر در نوع تار ازنظر انقباضی و متابولیک سازگار میشود. شواهد پژوهشی نشان میدهد دستهای از رویدادها در عضله اسکلتی اتفاق میافتد تا بتوانند تعادل خالص پروتئینی را حفظ کنند [3]. عضله اسکلتی شکلپذیری بسیار بالایی در پاسخ به بارهای مکانیکی دارد. مطالعات نشان داد بیبار کردن مکانیکی در جوندگان موجب کاهش توده عضلانی، سطح مقطع عرضی میوفیبریلها و تولید نیرو میشود [3، 4]. بنابراین شناخت سازوکارهای درگیر در آتروفی عضله به توسعه روشهای درمانی جدید برای مقابله با آتروفی عضلانی ناشی از بیتحرکی کمک خواهد کرد.
در آتروفی عضلانی بیان دستهای از ژنها به نام آتروژین، افزایش مییابد. این ژنها اجزای سیستم یوبیکوئیتین پروتئازوم هستند که برای تجزیه انتخابی پروتئینهای تنظیمی و ساختاری سازوکار فراهم میآورند [5]. اگرچه مسیرهای اصلی تجزیه پروتئینها توسط کالپینها، کاسپیزها، مسیر اتوفاژیلیزوزومی و مسیر یوبیکوئیتین پروتئازوم واسطهگری میشود، بااینحال تجزیه پروتئینها بهواسطه سیستم یوبیکوئیتین پروتئازوم نقش بسیار مهمی در آتروفی عضلانی دارد [6].
گزارش شده است که در شرایط مختلف آتروفی عضلانی، ژنهای ژنهای مورف-1 و امایاف-باکس (آتروژین-1) در مدلهای حیوانی و انسانی بهصورت افزایشی تنظیم میشوند [7]. این ژنها، لیگازهای یوبیکوئیتینE3 را رمزگذاری میکنند، درحالیکه در شرایط طبیعی بهنظر میرسد موشهای صحرایی بدون مورف-1 و آتروژین-1 ازنظر فنوتیپ با انواع معمولی آنها یکسان هستند، بااینحال بعد از عصببرداری، این حیوانات در مقابل آتروفی عضلانی اندکی از خود محافظت نشان میدهند [8].
محققان، برخی سازوکارهای آتروفی عضلانی را پیشنهاد دادند. برای مثال، فاکتور رونویسی FOXO3a میتواند به توالی DNA در ناحیه پروموتور آتروژین-1 و بنیپ3 متصل شود [9]. فعال شدن این ژنها بهوسیله FOXO3a، همراه با دیگر فاکتورهای مایوژنیک موجب شروع آتروفی عضلانی میشود [10]. ازسویدیگر، فاکتور شبه رشدی انسولین ازطریق مسیر پروتئین کیناز B-هدف پستانداران راپامایسین نقش مهمی در سنتز پروتئینهای عضلات اسکلتی ایفا میکند [11] و غیرفعال شدن این مسیر میتواند منجر به آتروفی عضلانی شود. همچنین غیرفعال شدن مسیر IGF1-PI3K-AKT با افزایش سطوح آتروژین-1 و مورف-1 در ارتباط است [12].
در مورد تأثیر تمرینات مختلف ورزشی بر بیان ژنهای آتروژین-1 و مورف-1 نتایج متناقضی وجود دارد. نشان داده شده است 8 هفته تمرین مقاومتی با شدت 85 تا 95 درصد 1 تکرار بیشینه، میزان مورف-1 و آتروژین-1 را در مرحله هایپرتروفی، افزایش، اما در مرحله آتروفی کاهش میدهد [13]. ازسویدیگر، نلو ایدی زانچی و همکاران نشان دادند به دنبال 1 دوره 3 ماهه تمرین مقاومتی، بیان ژنهای مورف-1 و آتروژین-1 در گروه تمرین مقاومتی کاهش مییابد [14]. هنریک ماسچر و همکاران در پژوهش خود پس از 1 جلسه تمرین مقاومتی در بیان اسید ریبونوکلئیک پیامرسان مورف-1 افزایش معناداری مشاهده کردند. بااینحال در پژوهش آنها در بیان اسید ریبونوکلئیک پیامرسان آتروژین-1 تغییر معناداری دیده نشد [15].
ازسویدیگر، گزارش شده که 1 جلسه فعالیت استقامتی نسبت به فعالیت مقاومتی، در افرادی که به مدت 10 هفته تحت تمرین (استقامتی یا مقاومتی) بودهاند، بیان پروتئینهای مورف-1 و آتروژین-1 را افزایش میدهد [16]. برایناساس، بهنظر میرسد که تنظیم مورف-1 و آتروژین-1 به نوع و شدت تمرین بستگی دارد. درمجموع و با توجه به این یافتهها میتوان گفت ژنهای مورف-1 و آتروژین-1 نشانگرهای معتبری برای آتروفی عضلانی هستند.
بااینحال، در زمینه تأثیر کاهش فعالیت بدنی پس از تمرین ورزشی بر میزان آتروفی عضلانی، اطلاعات جامعی در دسترس نیست. روش کاهش فعالیت بدنی بهوسیله بستن عصب نخاعی سبب آتروفی عضلانی و کاهش توده عضلانی میشود [17] و احتمالاً بیان ژنهای مؤثر در آتروفی عضلانی را تحت تأثیر قرار میدهد.
درنتیجه در پژوهش حاضر، اثر کاهش فعالیت بدنی پس از یک دوره تمرین مقاومتی، استقامتی و ترکیبی بر بیان ژنهای مورف-1 و آتروژین-1 بهعنوان عوامل محرک آتروفی عضلانی بررسی شد و پژوهشگران بهدنبال پاسخ به این سؤال بودند که آیا پروتئینهای مورف-1 و آتروژین-1 در دوره بیتمرینی نقش خواهند داشت و آیا سازگاری احتمالی ایجادشده در اثر تمرین ورزشی میتواند در پیشگیری یا کاهش آتروفی عضلانی ناشی از کاهش فعالیت بدنی در عضله نعلی موشهای صحرایی مؤثر باشد؟
مواد و روشها
این مطالعه از نوع بنیادی و به روش تجربی بر روی 30 سر موش صحرایی 8 هفتهای نر بالغ از نژاد ویستار در محدوده وزنی 250±20 گرم در دانشگاه علومپزشکی کرمان انجام شد. برای آشنایی با محیط حیوانخانه، حیوانات پس از خریداری در شرایط دمایی 22±4 درجه سانتیگراد و تحت چرخه 12:12 ساعت تاریکیروشنایی در آزمایشگاه حیوانات نگهداری و با غذای ویژه و آب تغذیه میشدند. موشهای صحرایی بهطور تصادفی به 4 گروه تقسیم شده و هر روز به وضعیت بهداشتی آنها رسیدگی میشد. حیوانات در سراسر دوره پژوهش توسط 2 نفر جابهجا و دستکاری شد و تمام فرایندهای پژوهش حاضر مطابق با اصول اخلاقی کار با حیوانات که توسط کمیته اخلاق دانشگاه بررسی و تأیید شده بود، انجام شد.
گروههای پژوهش
نمونههای حیوانی بهطور تصادفی به 4 گروه تقسیم شدند. تقسیمبندی گروهها به این صورت بود: 1. گروه کنترل/کاهش فعالیت بدنی (7=n)، 2. گروه تمرین ترکیبی/کاهش فعالیت بدنی (7=n)، 3. گروه تمرین استقامتی/کاهش فعالیت بدنی (8=n) و 4. گروه تمرین مقاومتی/کاهش فعالیت بدنی (8=n). گروههای تمرین ترکیبی/کاهش فعالیت بدنی، تمرین استقامتی/کاهش فعالیت بدنی و تمرین مقاومتی/کاهش فعالیت بدنی 6 هفته در برنامه تمرینی مخصوص خود (تمرین مقاومتی، استقامتی و ترکیبی) شرکت کردند. حیوانات گروه کنترل/کاهش فعالیت بدنی در این مدت هیچگونه فعالیت ورزشی انجام ندادند. پس از این مدت، پروتکل کاهش فعالیت بدنی 4 هفته بر روی گروههای پژوهش اجرا شد. در پایان، موشهای صحرایی تشریح شدند و بافتبرداری برای انجام آزمایشات سلولی و مولکولی بهعمل آمد.
پروتکل تمرین استقامتی
در آغاز و پیش از برنامه تمرین اصلی، حیوانات گروه تمرین استقامتی/کاهش فعالیت بدنی بهمنظور آشناسازی، 5 روز در هفته، 10 تا 15 دقیقه و با سرعت 10 متر در دقیقه روی نوارگردان مخصوص جوندگان راه رفتند. برای تمرین استقامتی در پژوهش حاضر از شدت تمرینی متوسط (60 تا 70 درصد اکسیژن مصرفی بیشینه) استفاده شد. بدینصورت که گروه تمرین استقامتی/کاهش فعالیت بدنی روی نوارگردان 6 هفته و هر هفته 4 جلسه در معرض تمرین استقامتی قرار گرفتند. سرعت و مدت تمرین بهتدریج افزایش مییافت (جدول شماره 1).
برای رسیدن سازگاریهای بهدستآمده به حالت یکنواخت، تمام متغیرهای تمرینی در هفته پایانی (هفته ششم) ثابت نگه داشته شد [18]. برای تبدیل سرعت نوارگردان به اکسیژن مصرفی بیشینه از روش مطالعه هویدال و همکاران استفاده شد. برایناساس، هر موش صحرایی ابتدا ۱۰ دقیقه و با سرعت ۱۰ متر بر دقیقه و شیب ۱۰ درجه مرحله گرمکردن را سپری کرد. سپس آزمون فزاینده ورزشی آغاز شد. در این مرحله، شیب نوارگردان ثابت و ۲۵ درجه بود. هر 2 دقیقه سرعت نوارگردان 0/03 متر بر ثانیه (حدود 8-1/2 متر بر دقیقه) بهطور خودکار افزایش یافت تا زمانی که موش صحرایی قادر به ادامه فعالیت ورزشی نبود. ملاک توانایی نداشتن برای ادامه فعالیت، 3 بار افتادن روی شوک یا خروج از نوارگردان بود. مدت زمان فعالیت، کل فاصله دویدهشده، سرعت نهایی کسبشده، میزان کار انجامشده و لاکتات خون برای هر موش محاسبه شد. سپس میزان VO2peak طبق فرمول 1-Y=162x بهدست آمد (Vo2=Y پاسخ (per min 0/75 ml/kg)؛ x= سرعت دویدن (m/s)) [19].تمرین مقاومتی
در مرحله آشنایی با تمرین مقاومتی، موشهای صحرایی گروه تمرین مقاومتی/کاهش فعالیت بدنی 3 روز و هر روز 10 تا 15 دقیقه با روش چگونگی صعود از نردبان آشنا شدند. تمرین مقاومتی به این صورت بود که وزنههای موردنظر ازطریق سیلندر به دم حیوان متصل شد و حیوان در این حالت از نردبان بالا میرفت. این تمرین 6 هفته و بهصورت صعود همراه با وزنه از نردبان 1 متری و با شیب 85 درجه انجام میشد. جلسات تمرینی در 2 نوبت صبح (ساعت 9) و عصر (ساعت 2) و هر 3 روز 1 بار انجام میشد.
موشهای صحرایی در هر جلسه، 3 سِت 5 تکراری انجام میدادند. فاصله استراحتی بین سِتها، 2 دقیقه و بین تکرارها 1 دقیقه بود. در مواقع ضروری از شوک الکتریکی (0/3-0/2 میلیآمپر) برای تحریک موشهای صحرایی به بالا رفتن از نردبان استفاده میشد. نحوه افزایش بار بدینصورت بود که در هفته اول 50 درصد وزن بدن حیوان استفاده شد و افزایش تدریجی بار در طول برنامه تمرینی اعمال میشد [20].
تمرین ترکیبی
برنامه تمرین ترکیبی بدینصورت بود که حیوانات گروه تمرین ترکیبی/کاهش فعالیت بدنی بهصورت ترکیبی، 3 هفته تمرین استقاومتی و 3 هفته تمرین مقاومتی را انجام میدادند. مرحله آشناسازی هم بهصورتی که در برنامه تمرین استقامتی و مقاومتی توضیح داده شد، برای این گروه اعمال شد.
پروتکل کاهش فعالیت بدنی با استفاده از مدل لیگاسیون عصب نخاعی
مدل لیگاسیون عصب نخاعی روشی است که بهطور گسترده برای مطالعه سازوکارهای درد نوروپاتیک، تأثیر داروها و رفتارهای مرتبط با درد استفاده میشود. برای ایجاد این مدل، ابتدا موشهای صحرایی با سدیم پنتوباربیتول (60 میلیگرم در هر کیلوگرم وزن بدن بهصورت درونصفاقی) بیهوش شدند و سپس عصب پنجم کمری نخاعی آنها براساس روش کیم و چانگ [21] بهطور محکم گره زده شد. مدت پروتکل کاهش فعالیت بدنی، 4 هفته بود. بهطور خلاصه در این روش، پس از اطمینان از بیهوشی حیوان، عضلات بینمهرهای در سطح مهره چهارم کمری و دوم خاجی جدا و زائده عرضی مهره ششم کمری برداشته شد. سپس عصب پنجم کمری سمت چپ نخاع مشخص و با ظرافت خاصی از اعصاب مجاور جدا شد. عصب پنجم کمری بهطور محکم با استفاده از نخ مخصوص (ساخت کشور ژاپن)، دقیقاً در انتهای دیستال جهت اطمینان از ایجاد اختلال در تمام فیبرها گره زده شد. این روش جهت جلوگیری از آسیب به عصب چهارم کمری، با دقت بسیار بالایی انجام شد. در گروه کنترل نیز پوست و عضله در ناحیه بالای ران برش داده شد و پس از نمایان شدن عصب سیاتیک، پوست و عضله بدون دستکاری عصب با نخ بخیه 0/4 سیلک بخیه زده شد.
روش استخراج بافت
حیوانات پس از 14 روز قرار گرفتن در شرایط تعلیق، با استفاده از کلروفرم بیهوش و بلافاصله وزنکشی شدند و سپس در شرایط کاملاً استریل و با استفاده از تیغ جراحی و ایجاد برش در قسمت خلفی ساق پای حیوانات، عضله نعلی با قطع تاندون پروگزیمال و دیستال استخراج شد و با ترازوی آزمایشگاهی (دقت 0/0001؛ AND مدل GR ساخت کشور ژاپن) وزن شده و بلافاصله در نیتروژن مایع منجمد و تا انجام آزمایشات سلولی و مولکولی در فریزر نگهداری شد.
استخراج RNA و سنتز cDNA
حدود 50 میلیگرم بافت عضله نعلی برای استخراج توتال آر ان ای به نسبت 1 به 10 در معرف کیازول لیزیز هموژن شد. بهمنظور برداشتن اجزای پروتئینی، محصول در دمای C° 4، 10 دقیقه، 12000 دور سانتریفیوژ شد. سپس به نسبت 1 به 5/0 با کلروفرم مخلوط و 15 ثانیه بهشدت تکان داده شد. محصول در C° 4، 15 دقیقه، 12000 دور سانتریفیوژ و بخش معدنی و آبی از هم جدا شد. سپس بخش محتوای RNA برداشته و با نسبت 1 به 0/5 با ایزوپروپانول مخلوط و 10 دقیقه در دمای اتاق رها و سپس در C° 4، 10 دقیقه، 12000 دور سانتریفیوژ شد. در ادامه، پلت حاوی RNA در اتانول شستوشو و در 20 میکرولیتر آب RNAS-Free حل شد.
همچنین غلظت RNA (با استفاده از دستگاه اپندورف آلمان) سنجیده و نسبت 260 به 280 بین 1/8 تا 2 بهعنوان تخلیص مطلوب تعریف شد. سنتز cDNA با استفاده از یک میکروگرم از RNA و با استفاده از کیت سنتز cDNA ساخت فرمنتاز و آنزیم MMulv انجام شد.
ریل تایم پیسیآر
اندازهگیری سطوح بیان ژنهای مرتبط بهوسیله روش پیسیآر کمّی با استفاده از پریمیکس سایبر گرین-2 انجام شد (بیوسیستمهای کاربردی USAA). مخلوط واکنش در حجم نهایی 20 میکرولیتر و هر واکنش بهصورت تکراری انجام شد. شرکت ماکروژن طراحی پرایمرها را براساس اطلاعات ژنها در بانک ژنی مرکز ملی اطلاعات بیوتکنولوژی انجام داد. توالی پرایمرهای استفادهشده در پژوهش در جدول شماره 2 گزارش شدهاست. در ضمن از بتا اکتین بهعنوان ژن کنترل استفاده شد. برنامه دمایی استفادهشده در ریل تایم پیسیآر شامل: C°95، 10 دقیقه، C°95، 15 ثانیه، C°60، 1 دقیقه (تکرار 40 چرخه) است. میزان بیان ژنهای موردنظر نیز با روش CT∆∆-2 اندازهگیری شد.
روش آماری
از آمار توصیفی برای توصیف دادهها و از آمار استنباطی جهت آزمون فرضیههای پژوهش استفاده شد. در بخش آمار استنباطی برای بررسی طبیعی بودن دادهها و نیز همگن بودن واریانسها بهترتیب آزمونهای کولموگروفاسمیرنف و لوِن استفاده شد. پس از احراز این مفروضهها، جهت تعیین معناداری تفاوت در بیان ژنها از آزمون تحلیل واریانس دوراهه و آزمون تعقیبی توکی در سطع معناداری 0/05 و با نرمافزارSPSS نسخه 20 استفاده شد.
یافتهها
نتایج تغییرات بیان ژنهای مورف-1 و آتروژین-1 در گروههای پژوهشی در تصاویر شماره 1 و 2 نشان داده شدهاست. نتایج تجزیهوتحلیل آماری نشان داد میزان بیان ژن مورف-1 در گروه تمرین ترکیبی/کاهش فعالیت بدنی نسبت به گروه کنترل/ اهش فعالیت بدنی و همچنین در گروه تمرین مقاومتی/کاهش فعالیت بدنی نسبت به گروه کنترل / کاهش فعالیت بدنی بهطور معناداری کمتر است (001/P<0). بااینحال، سایر گروههای پژوهش با یکدیگر تفاوت معناداری نداشتند. ازسویدیگر، در مورد ژن آتروژین-1، نتایج نشان داد تنها گروه تمرین ترکیبی/کاهش فعالیت بدنی نسبت به گروه کنترل/کاهش فعالیت بدنی کاهش معناداری دارد (001/P<0) و تفاوت میان دیگر گروههای پژوهش معنادار نبود.
بحث
کاهش فعالیت بدنی و بیتحرکی از دلایل اصلی ایجاد آتروفی عضلانی است. پژوهش حاضر جزء معدود بررسیهایی است که نقش کاهش فعالیت بدنی به شیوه لیگاسیون عصب نخاعی را بر بیان ژنهای مورف-1 و آتروژین-1 بهعنوان مهمترین شاخصهای آتروفی عضلانی پس از یک دوره تمرین ورزشی ارزیابی کرد. در پژوهش پیشرو، ایجاد مدل کاهش فعالیت بدنی به افزایش پاتولوژیک در بیان ژنهای مورف-1 و آتروژین-1 در گروه کنترل/کاهش فعالیت بدنی منجر شد.
علاوهبراین، نتایج این پژوهش نشاندهنده کاهش بیان ژن مورف-1 در گروههای تمرین ترکیبی/کاهش فعالیت بدنی و تمرین مقاومتی/کاهش فعالیت بدنی و همچنین کاهش بیان ژن آتروژین-1 در گروه تمرین ترکیبی/کاهش فعالیت بدنی نسب به گروه کنترل/کاهش فعالیت بدنی بود. ازسویدیگر، کاهش بیان ژنهای مورف-1 و آتروژین-1 در گروه تمرین استقامتی/کاهش فعالیت بدنی نسبت به گروه کنترل/کاهش فعالیت بدنی مشاهده شد، اما معنادار نبود.
این یافتهها نشان میدهد تمرین ترکیبی و مقاومتی نسبت به تمرین استقامتی به تعدیل بیان افزایشیافته ژنهای مورف-1 و آتروژین-1 منجر میشود و عامل بسیار مهمی در پیشگیری از آتروفی عضلانی ناشی از کاهش فعالیت بدنی است. از سازوکارهای ناشی از تمرین مقاومتی که باعث رشد عضلانی و پیشگیری از آتروفی عضلانی میشود، میتوان به فعالسازی مسیر هدف پستانداری راپامایسین-پروتئین کیناز B یاAKT- و شبه انسولین-1 اشاره کرد [22]. همچنین در آتروفی عضلانی ناشی از عدم فعالیت، مسیرهدف پستانداری راپامایسین-پروتئین کیناز B یاAKT- و شبه انسولین-1 یکی از مسیرهای سیگنالینگ مهم است و نقش مهمی در سنتز پروتئین دارد. بیان شد مهار مسیر هدف پستانداری راپامایسین-پروتئین کیناز B یاAKT- موجب بیان افزایشی FoxO و تخریب پروتئین در بافت عضلانی میشود [12].
معکوس شدن مسیرهای آتروفیک در اثر تمرین مقاومتی به خوبی اثبات شده است. گزارش شده است 12 هفته تمرین مقاومتی در موش صحرایی منجر به فعالسازی مسیر پروتئین کیناز B یا AKT میشود [23]. ازسویدیگر، مهار مسیر IGF1-PI3K-AKT با افزایش بیان ژنهای مورف-1 و آتروژین-1 در ارتباط است [12، 24]. در این مورد پیشنهاد شده است که در شرایط آنابولیک، پروتئین کیناز B یا AKT به سرکوب FoxO منجر میشود و درنتیجه آتروفی عضلانی نیز مهار میشود. در مدلهای حیوانی نشان داده شد بیشفعالی FoxO سبب کاهش حجم عضلانی شده و بهنظر میرسد با افزایش مورف-1 و آتروژین-1 در ارتباط است [25].
ازسویدیگر، گزارش شد چنانچه میزان بیان شبه انسولین-1 افزایش یابد، فسفوریلاسیون پروتئین کیناز B یا AKT در عضله بیتحرک افزایش یافته و این امر به پیشگیری از تحلیل توده عضلانی منجر میشود [26]. همچنین نشان داد تمرین مقاومتی با کاهش بیان ژن مورف-1 و آتروژین-1 از آتروفی عضلانی جلوگیری میکند [27]. از دیگر سازوکارهای پیشنهادی مرتبط با تمرین مقاومتی که به افزایش توده عضلانی منجر میشود، بیان گیرنده فعالشده با تکثیرکننده پراکسی زوم، کواکتیواتور گاما 1-آلفا است که فاکتورهای مربوط به هایپرتروفی عضله اسکلتی را تنظیم و هماهنگ میکند [28].
بیان گیرنده فعالشده با تکثیرکننده پراکسی زوم، کواکتیواتور گاما 1-آلفا تا حد زیادی از آتروفی عضلات در برابر شرایط گرسنگی، بیباری مکانیکی و قطع عصب جلوگیری میکند. این اثر محافظتی میتواند نشان دهد چگونه تمرینات مقاومتی با القای بیان بیان گیرنده فعالشده با تکثیرکننده پراکسی زوم، کواکتیواتور گاما 1-آلفا میتواند باعث حفظ توده عضلانی و به تأخیر افتادن آتروفی عضلانی شود [29]. عملکرد مهم بیان گیرنده فعالشده با تکثیرکننده پراکسی زوم، کواکتیواتور گاما 1-آلفا در تأثیرگذاری بر اندازه تارهای عضلانی و مهار آتروفی، نقش تثبیتشده آن را در تعیین نوع تار عضلانی [30]، محتوای میتوکندریایی و ظرفیت اکسیداتیو [31] و همچنین سایر سازگاریهای ناشی از فعالیتهای ورزشی [32] تکمیل میکند. هرچند در پژوهش حاضر به بررسی تغییرات بیان گیرنده فعالشده با تکثیرکننده پراکسی زوم، کواکتیواتور گاما 1-آلفا پرداخته نشد، بااینحال بیان شد بیان گیرنده فعالشده با تکثیرکننده پراکسی زوم، کواکتیواتور گاما 1-آلفا بهعنوان یک حسگر اصلی فعالیت عضلانی عمل میکند و بهنظر میرسد کاهش بیان آن، نقش مهمی در افزایش بیان ژنهای مورف-1 و آتروژین-1 دارد [33].
در پژوهشهای انجامشده، سازوکارهای ناشی از تمرین استقامتی بر فاکتورهای مرتبط با آتروفی عضلانی به خوبی نشان داده شده است. مرادی و همکاران نشان دادند 8 هفته تمرین استقامتی با افزایش بیان ژنهای مورف-1 و آترژین-1 میتواند منجر به آتروفی در عضلات شود [27]. در این راستا، به نقش پروتئینهای پروتئین جعبه سرچنگالی در ایجاد آتروفی عضلانی اشاره شده است. مطالعات اخیر نشان داد پروتئین جعبه سرچنگالی1 و پروتئین جعبه سرچنگالی3 در سازگاری عضلات اسکلتی ناشی از تمرینات استقامتی نقش دارند. برای مثال، نشان داده شد بیان ژن پروتئین جعبه سرچنگالی3 پس از یک دوی ماراتن افزایش مییابد.
همچنین مطابق با این یافته، گزارش شد برخی از مارکرهای اتوفاژیک، سطوح mRNA MuRF1 و فعالیت زیرواحد β2 پروتئازوم پس از تمرین استقامتی طولانیمدت افزایش مییابد. برخی از این سازگاریها هنگام فعالیت استقامتی با شدت متوسط نیز رخ میدهد. برایناساس، افزایش مسیرهای کاتابولیک تنظیمشده توسط پروتئین جعبه سرچنگالی1 و پروتئین جعبه سرچنگالی3 میتواند اسیدهای آمینه را بهعنوان یک بستر انرژی جایگزین در طول تمرین استقامتی فراهم کند و به کاهش میزان پروتئینهای عضلانی منجر شود [34].
علاوهبراین، نتایج سایر تحقیقات نیز نشان میدهد سطح مورف-1 و آتروژین-1 و همچنین فعالیت پروتئازومها (کالپین و کاتپسین) بلافاصله پس از تمرین استقامتی افزایش مییابد [27]. بااینحال، در برخی پژوهشها عنوان شد تمرین استقامتی باعث تنظیم کاهشی بیان ژن مورف-1 و آتروژین-1 در شرایط دیابت میشود. در موشهای صحرایی دیابتی نشان داده شد 8 هفته تمرین استقامتی به کاهش بیان مورف-1 و آتروژین-1 منجر میشود و این کاهشها مرتبط با کاهش استرس اکسیداتیو ناشی از تمرین استقامتی است [35].
این یافتهها در تضاد با یافتههای پژوهش حاضر است. از دلایل این تناقض میتوان به دیابتی بودن آزمودنیهای پژوهش مذکور اشاره کرد، چراکه نشان داده شد دیابت بهصورت پاتولوژیک، به افزایش بیان ژن مورف-1 و فعالیت ورزشی استقامتی باعث کاهش آن منجر میشود [36].
گزارش شد بیان آتروژین-1 بهطور مستقل از نوع تمرین (استقامتی یا مقاومتی) افزایش مییابد، اما بیان مورف-1 تنها پس از تمرین استقامتی افزایش مییابد و نه تمرین مقاومتی. همچنین پیشنهاد شد سیگنالهای داخل سلولی ناشی از تمرینات استقامتی و مقاومتی به تنظیم افزایشی نشانگرهای مولکولی مسیر یوبیکوئیتین پروتئازوم منجر میشود که این افزایشها در تمرینات استقامتی بیشتر است. این نتایج نشان میدهد سازگاریهای ناشی از تمرینات استقامتی نسبت به تمرینات مقاومتی، بیشتر به فرایندهای تخریب پروتئین در مسیر یوبیکوئیتین پروتئازوم متکی است. افزایش کلی ناشی از تمرین استقامتی و مقاومتی در میزان مورف-1 و آتروژین-1 نشان میدهد این سیستمها منحصراً به فرایندهای آتروفی محدود نمیشوند، اما ممکن است برای تغییر و تبدیل پروتئینها و سازگاری با تمرینات ورزشی مهم باشند [16].
پاسخهای پروتئولیتیک عضله اسکلتی به تمرین مقاومتی معمولاً در افراد تمرینکرده نسبت به افراد غیرفعال کمتر دیده میشود [37]. ازسویدیگر، تمرین استقامتی ممکن است بهشدت کاتابولیک باشد، بهویژه پس از جذب مواد غذایی، چراکه احتمالاً پروتئولیزها هنگام انجام تمرین استقامتی افزایش مییابند تا از انرژی موردنیاز عضلات اسکلتی فعال حمایت شود [38]. برخی از پژوهشگران پاسخ اتوفاژی لیزوزومال و واسطههای یوبیکوئیتین پروتئازوم به تمرین استقامتی را بررسی کردند. برای مثال، تنظیم افزایشی بیان ژن کاتپسین-ال (آنزیم اتوفاژی) پس از 1 جلسه تمرین استقامتی سنگین (200 کیلومتر) در مقایسه با حالت استراحتی مشاهده شدهاست.
این یافتهها با افزایش همزمان در بیان اجزای یوبیکوئیتین پروتئازوم، بهویژه مورف-1 و آتروژین-1 همراه بود [39]. لوئیس و همکاران نشان دادند بیان مورف-1 و آتروژین-1 طی 4 ساعت اول ریکاوری پس از تمرین استقامتی بهصورت افزایشی تنظیم میشود. این پاسخ، یک پاسخ پروتئولیتیک قویتر نسبت به پاسخهای مشاهدهشده پس از تمرین مقاومتی بود [40]. تناقضهای موجود در یافتههای پژوهشی میتواند با مدتزمان، نوع و شدت تمرین و همچنین روشهای ارزیابی متغیرها مرتبط باشد.
در پژوهش حاضر بیان ژنهای مورف-1 و آتروژین-1در گروه تمرین ترکیبی/کاهش فعالیت بدنی نسبت به گروه کنترل/کاهش فعالیت بدنی، کاهش معناداری داشت که نشاندهنده تأثیر این شیوه تمرینی در پیشگیری از شرایط آتروفیک ناشی از کاهش فعالیت بدنی است. از سازوکارهای احتمالی ناشی از تمرین ترکیبی بر رشد عضلانی و همچنین پیشگیری از آتروفی، میتوان به اثرات ضدالتهابی و افزایش سنتز پروتئین عضلانی در اثر اینگونه تمرینات اشاره کرد [41].
در پژوهش بالدوسی و همکاران نشان داده شد مشارکت منظم در تمرینات ترکیبی با کاهش سایتوکینهای التهابی سیستمیک، ازجمله IL-6 و TNF-α در مقایسه با تمرین استقامتی، بیشترین اثرات ضدالتهابی را دارد [42]. همچنین سازوکارهای سلولی و مولکولی وجود دارد که زمینهساز تأثیر تمرینات ورزشی بر متابولیسم پروتئین هستند. تمرین ترکیبی میتواند سنتز پروتئین عضلانی را مستقیماً ازطریق مسیر وابسته به فسفاتیدیلینوزیتول-3-کیناز، پروتئین کینازB و هدف پستانداران راپامایسین تسریع کند. فعالسازی پروتئین کینازB، بیان پروتئین جعبه سرچنگالی آبشار سیگنالینگ پاییندست آن را مهار میکند. ازطرفدیگر، ممکن است کاهش سایتوکینهای التهابی در اثر تمرین ترکیبی، تخریب پروتئین عضلانی را کاهش دهد و به مهار آبشارهای سیگنالینگ وابسته به پروتئین جعبه سرچنگالی FOXO ازجمله رونویسی آتروژین و فعالسازی سیستم یوبیکویتینپروتئازوم منجر شود. درنتیجه، تعادل پروتئین در عضله اسکلتی مثبت خواهد بود و آتروفی عضلانی کاهش مییابد [41].
نتیجهگیری
با توجه به یافتههای پژوهش حاضر بهنظر میرسد موشهای صحرایی که در برنامه تمرینی آنها، تمرین مقاومتی (گروه تمرین مقاومتی و گروه تمرین ترکیبی) وجود داشت نسبت به گروهی که تنها تمرین استقامتی انجام دادند در برابر آتروفی ناشی از کاهش فعالیت بدنی مقاومتر هستند. این نتایج نشان میدهد تمرین مقاومتی، عامل مهمی در پیشگیری از افزایش بیان ژنهای درگیر در آتروفی عضلانی ناشی از کاهش فعالیت بدنی است.
برایناساس پیشنهاد میشود این نوع تمرینات در برنامههای توانبخشی بیماران و نیز افرادی که به هر دلیلی دچار کاهش فعالیت بدنی شدند، گنجانده شود. تعیین سازوکارهای دقیق در این زمینه، نیازمند بررسیهای بیشتری است.
از محدودیتهای این پژوهش میتوان به اندازهگیری نشدن فاکتورهایی مانند رشد پروتئین کینازB، شبه انسولین-1، گیرنده فعال شده با تکثیرکننده پراکسی زوم، کواکتیواتور گاما 1-آلفا و که نقش مهمی در آتروفی عضلانی دارند، اشاره کرد.
ملاحظات اخلاقی
پیروی از اصول اخلاق پژوهش
در اجرای پژوهش، ملاحظات اخلاقی مطابق با دستورالعمل کمیته اخلاق دانشگاه علومپزشکی کرمان درنظر گرفته شده و کد اخلاق به شماره IR.KMU.REC.1399.190 دریافت شده است.
حامی مالی
این مقاله برگرفته از پایاننامه دکتری مهدی مداحی با راهنمایی رضا قراخانلو و مشاوره محمدعلی آذربایجانی در گروه فیزیولوژی ورزشی، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران است.
مشارکت نویسندگان
تمام نویسندگان در آمادهسازی این مقاله مشارکت یکسان داشتهاند.
تعارض منافع
بنابر اظهار نویسندگان، این مقاله تعارض منافع ندارد.
تشکر و قدردانی
نویسندگان این پژوهش از کارکنان مرکز تحقیقات فیزیولوژی و علوم اعصاب دانشگاه علومپزشکی کرمان صمیمانه سپاسگزاری میکنند.
References