Skelettmuskelatrophie wird aufgrund ihrer primären (metabolischen Veränderungen) und sekundären Folgen (Kraftverlust, verminderte Autonomie) als wichtiges Problem der öffentlichen Gesundheit angesehen. Wie bekannt, wird der Atrophieprozess offensichtlich, wenn der Proteinabbau der Skelettmuskulatur über die Proteinsynthese während eines längeren Zeitraums erhöht wird., In diesem Zusammenhang scheint die Leucin-Supplementierung eine vielversprechende Antiatrophie-Therapie zu sein, die entweder durch Hemmung der Skelettmuskelproteolyse und/oder Erhöhung der Proteinsynthese wirkt, ein Effekt, der möglicherweise sowohl dosisabhängig als auch zustandsabhängig von der Skelettmuskelatrophie sein kann. Dieser Beitrag über die Auswirkungen von Leucin in der regulation der Proteolyse in der Skelettmuskulatur sowohl in-vitro-und in-vivo-Studien.,
Anti-Atrophie-Effekte der Leucin-Supplementierung
Die schonenden Proteineffekte der Leucin-Supplementierung sind seit den ersten Studien von Buse & Reid (1975) bekannt ., Aufgrund seiner isolierten Wirkung wird Leucin nicht nur als AA-konstituierendes Protein angesehen, sondern auch als physiopharmakologische Einheit, deren Verabreichung wichtige antikatabole Wirkungen fördern kann, wie z. B. die Abschwächung des Skelettmuskelkatabolismus während der Gewichtsabnahme, die Erleichterung eines Heilungsprozesses und die Verbesserung des Skelettmuskelproteinumsatzes bei älteren Personen .,
Im Allgemeinen zeigt die Leucin-Supplementierung konsistent eine Abnahme der Skelettmuskelproteolyse , wenn sie intravenös infundiert , mit dem gesamten Muskel inkubiert, mit Skelettmuskelzellen inkubiert und unter oraler Fütterung verabreicht wird . Es sollte beachtet werden, dass das Ausmaß der Hemmung je nach Art, pathologischem Zustand und insbesondere nach dem Atrophiemodell unterschiedlich ist., Wichtig ist, dass in Skelettmuskelzellkulturen auch die antiproteolytischen Wirkungen einer Leucin-Supplementierung auftreten, aber in diesem System scheint der dosisabhängige Leucin-Effekt im Vergleich zur gesamten Muskelinkubation auf einen niedrigen Konzentrationsbereich zu verlagern .
In chronischen Studien ist die Wirksamkeit der Leucin-Supplementierung nicht so gut belegt wie in akuten Studien, aber in dieser Ebene zeigt die Leucin-Supplementierung auch wichtige antiproteolytische Wirkungen. In der Tat, eine aktuelle Studie von Combaret et al. (2005) zeigte, dass orale chronische Leucin-Supplementierung (~0.,7 g/kg / Tag über einen Zeitraum von 10 Tagen) zeigten lang anhaltende hemmende Wirkungen auf die Skelettmuskelproteolyse um etwa ~30%, wodurch die defekte postprandiale Hemmung der proteasomabhängigen Proteolyse wiederhergestellt wurde. Eine von Ventrucci et al. durchgeführte Studie belegt auch den Nachweis einer durch Leucin-Supplementierung induzierten verminderten Proteolyse. (2004) zeigte, dass bei Krebs-Kachexie-Tumor-induzierten Ratten der Verzehr einer mit Leucin angereicherten Diät (3%) über einen Zeitraum von 20 Tagen den Proteinabbau in den Gastrocnemiusmuskeln um etwa 11% reduzierte und den Myosin-Schwerkettengehalt um rund 47% erhöhte., Kürzlich, mit dem gleichen Studiendesign, Eley et al. (2007) zeigte, dass der Verzehr von 1 g/kg/Tag BCAA für 12-15 Tage den Körpergewichtsverlust um etwa 33% unterdrückt und den Proteinabbau in den Soleus-Muskeln um etwa 62% verringert. Im Gegenteil, Sadiq et al. (2008) zeigte, dass bei Kälbern 5 Tage intravenöse Infusion von EAA (Rendering Leucin plasmatische Ebenen ~0,24 mM) unter Energie-und Proteindefizite verbesserte Stickstoffbilanz, aber die Skelettmuskelproteolyse wurde nicht abgeschwächt., Insgesamt zeigten chronische Studien eine Leucin-Supplementierung als wichtige Antiatrophie-Strategie, aber die fehlende Standardisierung in Bezug auf die (aufgenommene und absorbierte) Leucin-Supplementierungsdosis beeinträchtigt wichtige Schlussfolgerungen in Bezug auf das Ausmaß der Wirkung. Tabelle 1 fasst wichtige Studien zu den Leucin-Wirkungen auf die Skelettmuskelproteolyse sowohl bei Menschen als auch bei Tieren zusammen.,
Akute Leucin-Supplementierung: Beziehung zwischen Dosis und Wirkung
Um die Wirksamkeit der AA-Supplementierung zu erreichen, ist es notwendig, ihre Dosis-Wirkungs-Eigenschaften zu verstehen., In dieser Hinsicht hat die Gruppe von Michael Rennie wichtige Entdeckungen im Zusammenhang mit der Existenz einer krummlinigen Dosis-Wirkungs-Beziehung zwischen der extrazellulären EAA (insbesondere Leucin unter diesen) und der Proteinsynthese der menschlichen Skelettmuskulatur gemacht . Das Konzept ist, dass unter normalen Bedingungen eine einzelne Mahlzeit maximale Auswirkungen auf die Proteinsynthese zu fördern scheint. Dieser Befund basiert auf Studien, die sowohl an erwachsenen Ratten als auch an erwachsenen Menschen durchgeführt wurden und zeigen, dass die Leucinplasmakonzentration im PA-Zustand ungefähr 0 beträgt.,80% oder mehr erhöht, was Mittelwerte von 0,2 mM ergibt. Dieser Wert scheint in der Lage zu sein, maximale Erhöhungen der Proteinsynthese zu fördern und das System zu sättigen .
Wenn es um die Hemmung des Proteinabbaus geht, ist selbst in Tierversuchen viel weniger über diese Eigenschaft der Dosiswirkung bekannt. Die in der Literatur vorgestellten Ergebnisse zeigen Variationen, basierend auf der untersuchten Skelettmuskulatur, dem Isotop zur Messung des Proteinstoffwechsels und dem untersuchten System (in vitro vs in vivo Studien)., Eine tiefere Analyse dieser Studien, insbesondere In vitro-Studien (bei denen gleichzeitig die Proteinsynthese und der Proteinabbaustoffwechsel nachgewiesen werden können), zeigt jedoch trotz methodischer Unterschiede neue Ergebnisse. Daher ist eine Neuinterpretation dieser Studien gerechtfertigt, um ein neues Konzept über eine Leucin-Dosis-Wirkungs-Beziehung zu erstellen.,
In Skelettmuskelzellkulturen scheint das Fehlen von Aminosäuren (insbesondere Leucin) den Proteinabbau hauptsächlich durch die Aktivierung der lysosomenabhängigen Proteolyse zu kontrollieren Zusätzlich führt die Leucin-Supplementierung während ganzer Muskelinkubationen zu einer verminderten ATP-Ubiquitin-abhängigen proteolytischen Aktivität . Es gibt jedoch noch keine aktuellen mechanistischen Informationen darüber, wie das durch AA induzierte Ernährungssignal von der Muskelzelle (dh intrazellulär oder extrazellulär) wahrgenommen wird. Mehrere Studien von Mortimore and colleagues und Pösö et al., (1982) zeigte, dass in der Leber die zusätzliche zelluläre Konzentration von AA dosisabhängig die Hemmung der Proteolyse in den Leberzellen vorschreibt und dass Leucin unter AA der stärkste Inhibitor war.
In Bezug auf die Skelettmuskulatur ist die intrazelluläre AA-Konzentration in den meisten Studien nicht verfügbar., Basierend auf den extrazellulären AA-Konzentrationen (plasmatische Ebenen und/oder extrazelluläre Ebenen) kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die zur Steuerung der Proteinsynthese vorhandene Leucinkonzentration auch zur Kontrolle des Proteinabbaus verfügbar ist, unabhängig vom Mechanismus Prozess. Basierend auf dieser Annahme werden die Ergebnisse mehrerer Studien im Folgenden zusammengefasst. Sie legen nahe, dass die Leucindosis, die maximale Auswirkungen auf den Proteinabbau haben kann, höher sein kann als die, die maximale Auswirkungen auf die Proteinsynthese bei negativen Proteingleichgewichtsbedingungen haben kann., Dieser dosisabhängige Effekt scheint jedoch in Skelettmuskelzellkulturen nicht aufzutreten .
Tierversuche
In einer früheren Studie von 1977 zeigte Buse & Weigand, dass Rattenmembranmuskeln, die mit einer Leucinkonzentration von 0,5 mm inkubiert waren (doppelt so hoch wie die Leucinkonzentration im PP-Zustand), in der Lage waren, die Proteinsynthese der Skelettmuskulatur in 36-38% zu erhöhen. Dennoch wurde der Proteinabbau in 4 gehemmt.,7%, was darauf hinweist, dass eine hohe physiologische Leucinkonzentration in der Lage ist, sowohl die Proteinsynthese stark zu stimulieren als auch in geringerem Maße den Proteinabbau zu hemmen, selbst wenn keine hormonelle Versorgung vorliegt. In Übereinstimmung damit Tischler et al. (1982) , inkubierte Zwerchfellmuskeln der Ratte mit einer breiten Leucinkonzentration (von PA bis PP-Zustand). Sie beobachteten, dass eine Leucinkonzentration von 0,1 mm die Proteinsynthese der Skelettmuskulatur signifikant erhöhte. Diese gleiche Leucinkonzentration (0.,1 mM) beeinflusste nicht die Raten des Proteinabbaus, die nur verändert wurden, wenn die Leucinkonzentration auf einen Bereich von 0,2 bis 0,5 mm erhöht wurde. Innerhalb dieses Konzentrationsbereichs verringerte sich der Proteinabbau schrittweise um eine größere absolute Menge als die, die die Proteinsynthese stimulierte (Tabelle 1).
Um zu überprüfen, ob diese Ergebnisse nur beobachtet wurden, wenn AA in vitro verabreicht wurden, Kee et al., (2003) führte eine Studie unter Verwendung der Extensor digitorum longus-Muskeln durch, wobei die Nährstoffversorgung unter In-vivo-Bedingungen (infundiert) in Gegenwart endogener hormoneller Faktoren gewährleistet wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass in 48 h ausgehungerte Ratten, 4 h AA-infusion erhöhte die Leucin-Plasmaspiegel zu Werten von etwa 0,57 mM. Diese Erhöhung des Leucin-Plasmaspiegel war in der Lage die Wiederherstellung der insulin-und corticosteron Ebenen beobachteten Werten der kontrollierten Ratten, die gleichzeitig die Erhöhung der Skelett-Muskel-protein-Synthese in 55.6%., Bei gleicher Leucinkonzentration wurde jedoch die Skelettmuskelproteolyse auf nur 17, 9% verringert (Wert, der sich nicht statistisch von der verhungerten Gruppe unterscheidet), was darauf hindeutet, dass selbst bei hormonellen Faktoren die Leucinkonzentration, die die Proteinsynthese stimulieren kann, im Vergleich zum Proteinabbau abgeschwächt wird.
In einer anderen Studie analysierte Hong & Layman (1984) die Soleus-Muskeln von verhungerten Ratten (24 h und 72 h Fasten) inkubiert mit Leucin (0,5 mM)., Sie beobachteten, dass bei den 24 h-und 72 h-nüchternen Ratten die Proteinsynthese um 59% bzw. 24% erhöht wurde, der Proteinabbau jedoch unter Verwendung dieser Leucinkonzentration in den Soleus-Muskeln nicht verändert wurde. Im Gegenteil, Busquets et al. (2000) , inkubierten Ratten-Soleus-Muskeln mit einer höheren Leucinkonzentration von 5 mM und 10 mM. Sie beobachteten, dass die Skelettmuskelproteolyse in einer Dosis-Wirkungs-Weise gehemmt wurde, d. H. Leucinkonzentrationen von 5 mM verursachten eine Hemmung von 5,7% in der Proteolyse, während 10 mM eine Hemmung von 24,5% verursacht hatten., Diese Studie zeigt, dass eine Erhöhung der Leucinkonzentration auf Werte 10-20× die der in den anderen Studien beobachteten Werte zu einer Abnahme der Skelettmuskelproteolyse führen konnte, ein Ergebnis, das in Übereinstimmung mit einer anderen Studie von Mitchell et al. (2004), die beobachteten, dass inkubierende Skelettmuskelzellen mit einer Leucinkonzentration von 5 mM in der Lage waren, die Skelettmuskelproteolyse in 8-12% zu hemmen., Somit war ein Plateau für eine Leucinkonzentration im Zusammenhang mit der Hemmung des Skelettmuskelproteinabbaus unter In-vitro-Bedingungen noch nicht festgelegt, aber diese Studien legen nahe, dass eine Leucinkonzentration von 10-20× höher als die im PP-Zustand (~0,2 mM) ist immer noch in der Lage, seine antiproteolytischen Wirkungen auszuüben.,
Eine Einschränkung der obigen Studien bestand darin, dass, obwohl In-vitro-Messungen qualitativ die Proteinumsatzraten widerspiegeln, die in dem intakten Tier vor der Inkubationszeit vorhanden waren, der Proteinstoffwechsel, der im gesamten Muskel während In-vitro-Bedingungen gemessen wurde, auch in Kontrollmuskeln immer in einem ausgeprägten Zustand eines negativen Proteingleichgewichts war . Diese Situation könnte jedoch diejenige nachahmen, die in einem in vivo atrophischen Zustand beobachtet wurde, in dem der Abbau von Skelettmuskelproteinen über die Proteinsynthese erhöht ist ., Daher ist es unter bestimmten atrophischen Bedingungen möglich, dass die Menge an ergänztem Leucin, die in der Lage ist, die Muskelproteolyse maximal zu hemmen, größer ist als die Menge, die verwendet wird, um maximale Auswirkungen auf die Proteinsynthese zu erzeugen.
Humanstudien
Zur Zeit wurden genaue Methoden verwendet, um die Proteinsynthese in vivo zu messen, aber wenn das Problem Proteinabbau ist, haben verschiedene Methoden wichtige Einschränkungen aufgezeigt, insbesondere im Zusammenhang mit Proteinabbau in Muskeln., Zum Beispiel wurde die Urinausscheidung von 3-Methyl-Histidin (3-MH) in großem Umfang zur Schätzung des Muskelproteinabbaus sowohl bei Versuchstieren als auch beim Menschen verwendet . Der Grund für die Verwendung von 3-MH im Urin als Maß für die Skelettmuskelproteolyse ist, dass der Hauptanteil von 3-MH in Muskelaktin und Myosin vorhanden ist und 3-MH vor allem nicht für die Proteinsynthese wiederverwendet wird, da es sich um einen Index des Proteinabbaus handelt ., Die Spezifität der 3-MH-Ausscheidung im Urin wurde jedoch in Frage gestellt, insbesondere unter In-vivo-Bedingungen, da unter einigen atrophischen Bedingungen wie chirurgischen Traumata eine überproportionale Überproduktion von 3-MH aus nichtmuskulären Quellen beobachtet wurde . Eine weitere in vivo angewandte Methode zur Messung des Proteinabbaus besteht darin, dem Verlust der Radioaktivität aus Protein zu folgen, das zuvor durch die Verabreichung von Radioisotopentracer markiert wurde. Wenn diese Methode verwendet wird, besteht ein Hauptanliegen darin, dass radioaktives AA, das aus dem Proteinabbau stammt, in den Vorläuferpool gelangt und für die Proteinsynthese wiederverwendet wird., Ein solches Recycling von markiertem AA führt zu scheinbaren Abbauraten, die die wahren Abbauraten unterschätzen . Schließlich ist eine wichtige Frage der Beitrag des ganzen Körpers gegenüber Skelettmuskelgewebe in den Proteinabbauraten. Um diese Frage zu lösen, haben mehrere Studien am Menschen die Arteriovenous Net Balance (NB) – Technik verwendet, um die Raten der Proteinsynthese und des Proteinabbaus in Gliedmaßen (die hauptsächlich Muskeln sind) zu bewerten, und die Aminosäure Phenylalanin wurde verwendet, um Muskelprotein zu verfolgen, da es weder produziert noch metabolisiert wird Muskel., Mit dieser Technik kann der Muskelproteinabbau aus dem berechneten Wert für die Rate des Phenylalanin-Auftretens in der Vene während eines stetigen Zustands in der Konzentration von Blutaminosäuren geschätzt werden. Ein allgemeines Problem bei der Verwendung der Unterarm-oder beinarteriovenösen NB-Technik zur akuten Beurteilung des Muskelstoffwechsels besteht jedoch darin, dass dieser Ansatz praktische Einschränkungen aufweist, die mit der Zeit und dem erforderlichen Blut verbunden sind , und, was noch wichtiger ist, die Bewertung kurzlebiger Auswirkungen auf den Muskelproteinstoffwechsel nicht zulässt, was die Dosisreaktionsstudien der Proteolyse erschwert., Während es an zuverlässigen Methoden zur Messung des In-vivo-Proteinabbaus in der Skelettmuskulatur mangelt, kann der Proteinabbau im ganzen Körper aus dem Fluss radioaktiv markierter oder stabiler Isotope im Plasma oder Stickstoff im Urin geschätzt werden.
Mehrere Autoren haben gezeigt, dass sowohl Leucin als auch BCAA-Supplementierung (oral oder infundiert) in der Lage sind, die Proteinsynthese zu erhöhen oder den Proteinabbau beim Menschen zu verringern ., In den meisten Studien am Menschen gibt es eine allgemeine Tendenz zu zeigen, dass eine Leucin-Supplementierung in der Lage ist, proteinsparende Wirkungen zu fördern, hauptsächlich aufgrund der Hemmung des Proteinabbaus . Obwohl der Rückgang der Proteolyse in mehreren Studien aufzutreten schien, besteht kein Konsens über eine Dosis-Wirkungs-Beziehung. Für Beispiel, Tessari et al. (1987) infundierte eine AA-Lösung bei Probanden (PA-Zustand) für 180 min und erreichte leucinplasmatische Spiegel von 0,2 mM, und es wurden keine Auswirkungen auf die endogene Proteolyse-Unterdrückung gefunden, wohingegen Castellino et al., (1987) infundierte eine AA-Lösung (Probanden im PA-Zustand), die über einen Zeitraum von 180 min eine leucinplasmatische Konzentration von 0,28 mm ergab, und zeigte, dass der endogene Leucinfluss (ein Indikator für die Proteolyse) im Vergleich zur Basalperiode um 41,8% reduziert wurde. Diese Unterschiede können mit verschiedenen Methoden zusammenhängen, die zur Analyse des Proteinabbaus verwendet werden, wie von Matthews (2005) vorgeschlagen, oder sogar mit differentiellen Formen der Leucin/AA-Verabreichung in diesen Studien zusammenhängen, eine Einschränkung, die auch in Studien zur Untersuchung der Proteinsynthese der Skelettmuskulatur beobachtet wird.,
Wie oben erwähnt, besteht kein Konsens über eine Dosis-Wirkungs-Beziehung in Studien am Menschen im Zusammenhang mit Leucin-Supplementierung und Skelettmuskelproteolyse. Eine von Sherwin (1978) durchgeführte Studie zeigte jedoch, dass fettleibige Probanden, die 3 Tage Fasten unterzogen wurden, einen basalen Leucinspiegel zeigten, der sich im Vergleich zu kontrollierten Probanden in der PA-Periode fast verdoppelte (0, 22 mM), eine Leucinkonzentration, die normalerweise in der Lage ist, die Proteinsynthese der Skelettmuskulatur in der PP-Periode unter normalen Bedingungen maximal zu stimulieren., In dieser Studie erhöhte Leucin-Infusion die Leucin-Plasmakonzentration in 68% über den kontrollierten Probanden nach zwei Stunden Infusion und 124% über den kontrollierten Probanden nach 12 h (0, 81 mM) unter der gleichen Infusionsrate. Diese akute Leucininfusion (Tag 4 des Fastens) war immer noch in der Lage, die Stickstoffbilanz zu verbessern und am Tag nach der Infusion auf die vorherigen Werte zurückzukehren. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der Sollwert des Proteinumsatzstoffwechsels im Zusammenhang mit der infundierten Leucinkonzentration bei diesen Probanden nicht reguliert wurde., In dieser Studie wurde der Proteinabbau nicht durch Leucin-Infusion gehemmt (gemessen durch 3-Methyl-Histidin-Freisetzung), aber die Stickstoffbilanz wurde 23% nach 12 h Leucin-Infusion verbessert. Eine aktuelle Studie von Bohé et al. (2001) zeigte, dass beim Menschen die Infusion einer Lösung aus gemischtem AA in einer Rate, die eine leucinplasmatische Konzentration von 0, 4 mm ergab, die Proteinsynthese nur zwei Stunden lang stimulieren und nach dieser Zeit in basale Zustände zurückkehren konnte., Somit ist es möglich, dass die Hemmung des Skelettmuskelabbaus zumindest in nichtmuskulären Geweben auch während der 12 h Leucininfusion zur stickstoffsparenden Reaktion beitragen kann.
Vor kurzem wurde eine interessante Studie von Katsanos et al. (2006) verglich bei jungen und älteren Probanden den Verzehr einer Lösung zum Einnehmen, die aus EAA mit einer Leucinkonzentration von 26% (die ähnliche Leucinwerte im Molkenprotein enthielt) bestand, mit dem Verzehr einer mit Leucin angereicherten EAA-Lösung 41%, auf den Proteinstoffwechsel der Skelettmuskulatur., Sie beobachteten, dass bei jungen Probanden eine niedrig dosierte Leucin-Supplementierung (26%) die Proteinsynthese der Skelettmuskulatur erhöhen konnte, während bei älteren Probanden keine Wirkung beobachtet wurde (obwohl in beiden Gruppen ähnliche plasmatische Leucinspiegel erreicht wurden ~0.45 mM)., Wenn jedoch eine Mischung mit hoher Leucinkonzentration (41%) ergänzt wurde, erhöhte die ältere Gruppe die Proteinsynthese der Skelettmuskulatur auf vergleichbare Werte, die bei jungen Probanden beobachtet wurden, und stellte die fehlerhafte Ernährungsreaktion wieder her, die in einer niedrigen Leucin-Ergänzungsdosis beobachtet wurde (obwohl in beiden Gruppen wieder ähnliche plasmatische Leucinspiegel erreicht wurden ~0, 65 mM). Wichtig ist, dass nur ältere Probanden, die mit der 41% igen angereicherten Leucinlösung ergänzt wurden, eine starke Tendenz zur Hemmung des Proteinabbaus aufwiesen., Es ist möglich, dass bei älteren Menschen eine höhere Leucin-Supplementierungsdosis den Muskelproteinabbau noch stärker hemmen kann, aber diese Hypothese wurde noch nicht getestet.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Leucin-Supplementierung in Humanstudien eindeutig eine Hemmung der Skelettmuskelproteolyse induziert, und es gibt einige spärliche Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass die Leucinkonzentration, die den Proteinabbau verringern kann, größer sein kann als die, die die Proteinsynthese maximal stimulieren kann, insbesondere unter atrophischen Bedingungen.
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