Effects of exercise training on bone marrow metabolism

Bone marrow (BM) is the porous tissue found inside bones that consists of adipose tissue, hematopoietic cells, and other stem cells. BM adipose tissue has been shown to have high basal glucose uptake in humans, exceeding that of white adipose tissue. Obesity has been shown to suppress bone metabolism and increase the risk of insulin resistance and type 2 diabetes. Exercise training is known to improve bone mineral density and whole-body insulin sensitivity reducing the risk of type 2 diabetes. However, the effects of exercise training on BM metabolism remain unclear. The aim of this thesis was to study the effects of short-term and long-term exercise training on BM metabolism using positron emission tomography (PET). We studied the effects of two weeks of exercise training on BM glucose and free fatty acid metabolism in healthy and insulin resistant participants. We also studied the effects of six months of regular exercise training on BM glucose metabolism in monozygotic twin pairs that were discordant for body weight. Lastly, to gain insight into the mechanisms in more detail, we studied the effects of high-fat diet and exercise training on BM glucose metabolism in rats. We found that BM metabolism differs regarding anatomical location in both humans and rats, being higher in vertebrae and sternum and lower in long bones of the extremities. Already two weeks of exercise training improved BM glucose and free fatty acid metabolism regardless of glycemic status. Regular exercise training also improved femoral BM glucose metabolism. Interestingly lumbar vertebral BM glucose uptake was higher in participants with higher body weight and exercise training decreased lumbar vertebral BM metabolism even without reduction in weight. In rats, BM glucose metabolism was decreased by age but not significantly affected by the interventions. In conclusion, this thesis suggests that BM is metabolically active and responds to exercise training. The response depends on its biological function and anatomical location. Liikuntaharjoittelun vaikutukset luuytimen aineenvaihduntaan Luuydin on luiden sisällä olevaa huokoista kudosta, joka koostuu rasvasoluista, hematopoieettisista soluista, ja muista kantasoluista. Ihmisen luuytimen rasvasolut kuluttavat merkittäviä määriä sokeria, jopa enemmän kuin valkoisen rasvakudoksen solut. Ylipaino hidastaa luun aineenvaihduntaa ja lisää insuliiniresistenssin ja tyypin 2 diabeteksen kehittymisen riskiä. Liikuntaharjoittelun puolestaan tiedetään parantavan luun mineraalitiheyttä ja pienentävän tyypin 2 diabeteksen riskiä. Liikuntaharjoittelun vaikutuksista luuytimen aineenvaihduntaan tiedetään kuitenkin vasta vähän. Tässä väitöskirjassa tutkittiin lyhyt- ja pitkäkestoisen liikuntaharjoittelun vaikutuksia luuytimen aineenvaihduntaan positroniemissiotomografialla (PET). Tutkimme kahden viikon liikuntaharjoittelun vaikutuksia luuytimen sokeri- ja rasvahappoaineenvaihduntaan keski-ikäisillä ja vain vähän liikuntaa harrastaneilla terveillä koehenkilöillä sekä koehenkilöillä, joiden paastosokeri oli koholla tai sokerinsieto heikentynyt. Tutkimme myös kuuden kuukauden säännöllisen liikuntaharjoittelun vaikutuksia luuytimen sokeriaineenvaihduntaan identtisillä kaksosilla, joilla oli lähtötilanteessa painoero. Lisäksi tutkimme korkearasvaisen ruokavalion ja liikunnan vaikutuksia rottien luuytimen sokeriaineenvaihduntaan. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että luuytimen aineenvaihdunta vaihtelee luuston eri osissa sekä ihmisillä että rotilla, ollen korkeampi selkärangan nikamissa sekä rintalastassa ja matalampi raajojen pitkissä luissa. Jo kahden viikon liikuntaharjoittelu paransi luuytimen sokeri- ja rasvahappoaineenvaihduntaa riippumatta lähtötilanteen sokeritasapainosta. Myös säännöllinen liikuntaharjoittelu paransi reisiluun luuytimen sokeriaineenvaihduntaa. Lannenikamien luuytimen sokerinkulutus oli korkeampaa koehenkilöillä, jotka olivat lähtötilanteessa painavampia, mutta sokerin kulutus väheni liikunnan vaikutuksesta ilman muutoksia tutkittavien painossa. Rotilla luuytimen aineenvaihdunta hidastui iän myötä, mutta interventioilla ei ollut vaikutusta luuytimen sokerin kulutukseen. Yhteenvetona, luuydin on aineenvaihdunnallisesti aktiivista kudosta, joka reagoi fyysiseen aktiivisuuteen. Vaste riippuu luuytimen anatomisesta sijainnista ja biologisesta tehtävästä

Bone Marrow Metabolism Is Impaired in Insulin Resistance and Improves After Exercise Training

Bone marrow (BM) insulin sensitivity has been suggested to play an important role in bone health and whole-body insulin sensitivity. Exercise training improves bone mineral density, but little is known about the effects of training on BM metabolism. We studied the effects of sprint interval training (SIT) and moderate-intensity continuous training (MICT) on BM metabolism. 54 sedentary subjects (healthy n=28, insulin resistant (IR) n=26, aged=40-55) were randomized into two weeks of SIT or MICT. Femoral, lumbar and thoracic BM insulin-stimulated glucose uptake (GU) and fasting free fatty acid uptake (FFAU) were measured using positron-emission tomography. Bone turnover markers osteocalcin and procollagen type 1 N-terminal propeptide (PINP) were measured from plasma. At baseline, GU was highest in lumbar, followed by thoracic and lowest in femoral BM. FFAU was higher in lumbar and thoracic than in femoral BM. Femoral BM GU was higher in healthy compared to IR men and in females compared to males. BM FFAU was higher in healthy compared to IR men and higher in females than males. Exercise increased femoral BM GU similarly in all groups and decreased lumbar BM FFAU in men. Osteocalcin and PINP were lower in IR than healthy men and correlated positively with femoral BM GU and glycemic status. BM substrate uptake differs regarding anatomical location and is impaired in insulin resistance. Short-term exercise training improves BM metabolism in healthy and IR subjects. Bone turnover rate is decreased in insulin resistance and associates positively with BM metabolism and glycemic control

Systemic cross-talk between brain, gut, and peripheral tissues in glucose homeostasis : effects of exercise training (CROSSYS). Exercise training intervention in monozygotic twins discordant for body weight

Background: Obesity and physical inactivity are major global public health concerns, both of which increase the risk of insulin resistance and type 2 diabetes. Regulation of glucose homeostasis involves cross-talk between the central nervous system, peripheral tissues, and gut microbiota, and is affected by genetics. Systemic cross-talk between brain, gut, and peripheral tissues in glucose homeostasis: effects of exercise training (CROSSYS) aims to gain new systems-level understanding of the central metabolism in human body, and how exercise training affects this cross-talk. Methods: CROSSYS is an exercise training intervention, in which participants are monozygotic twins from pairs discordant for body mass index (BMI) and within a pair at least the other is overweight. Twins are recruited from three population-based longitudinal Finnish twin studies, including twins born in 1983-1987, 1975-1979, and 1945-1958. The participants undergo 6-month-long exercise intervention period, exercising four times a week (including endurance, strength, and high-intensity training). Before and after the exercise intervention, comprehensive measurements are performed in Turku PET Centre, Turku, Finland. The measurements include: two positron emission tomography studies (insulin-stimulated whole-body and tissue-specific glucose uptake and neuroinflammation), magnetic resonance imaging (brain morphology and function, quantification of body fat masses and organ volumes), magnetic resonance spectroscopy (quantification of fat within heart, pancreas, liver and tibialis anterior muscle), echocardiography, skeletal muscle and adipose tissue biopsies, a neuropsychological test battery as well as biosamples from blood, urine and stool. The participants also perform a maximal exercise capacity test and tests of muscular strength. Discussion: This study addresses the major public health problems related to modern lifestyle, obesity, and physical inactivity. An eminent strength of this project is the possibility to study monozygotic twin pairs that share the genome at the sequence level but are discordant for BMI that is a risk factor for metabolic impairments such as insulin resistance. Thus, this exercise training intervention elucidates the effects of obesity on metabolism and whether regular exercise training is able to reverse obesity-related impairments in metabolism in the absence of the confounding effects of genetic factors.Peer reviewe

Systemic cross-talk between brain, gut, and peripheral tissues in glucose homeostasis: effects of exercise training (CROSSYS). Exercise training intervention in monozygotic twins discordant for body weight

Background: Obesity and physical inactivity are major global public health concerns, both of which increase the risk of insulin resistance and type 2 diabetes. Regulation of glucose homeostasis involves cross-talk between the central nervous system, peripheral tissues, and gut microbiota, and is affected by genetics. Systemic cross-talk between brain, gut, and peripheral tissues in glucose homeostasis: effects of exercise training (CROSSYS) aims to gain new systems-level understanding of the central metabolism in human body, and how exercise training affects this cross-talk.Methods: CROSSYS is an exercise training intervention, in which participants are monozygotic twins from pairs discordant for body mass index (BMI) and within a pair at least the other is overweight. Twins are recruited from three population-based longitudinal Finnish twin studies, including twins born in 1983-1987, 1975-1979, and 1945-1958. The participants undergo 6-month-long exercise intervention period, exercising four times a week (including endurance, strength, and high-intensity training). Before and after the exercise intervention, comprehensive measurements are performed in Turku PET Centre, Turku, Finland. The measurements include: two positron emission tomography studies (insulin-stimulated whole-body and tissue-specific glucose uptake and neuroinflammation), magnetic resonance imaging (brain morphology and function, quantification of body fat masses and organ volumes), magnetic resonance spectroscopy (quantification of fat within heart, pancreas, liver and tibialis anterior muscle), echocardiography, skeletal muscle and adipose tissue biopsies, a neuropsychological test battery as well as biosamples from blood, urine and stool. The participants also perform a maximal exercise capacity test and tests of muscular strength.Discussion: This study addresses the major public health problems related to modern lifestyle, obesity, and physical inactivity. An eminent strength of this project is the possibility to study monozygotic twin pairs that share the genome at the sequence level but are discordant for BMI that is a risk factor for metabolic impairments such as insulin resistance. Thus, this exercise training intervention elucidates the effects of obesity on metabolism and whether regular exercise training is able to reverse obesity-related impairments in metabolism in the absence of the confounding effects of genetic factors

Polku Työelämätaitoihin - Malli lähiesimiehelle nuoren vastavalmistuneen työelämätaitojen edistämiseen

Muuttuva työelämä luo haasteita nuorten työelämätaidoille. Sekä vastavalmistuneet, että työnantajat kokevat, että nuorten työelämätaidot eivät vastaa muuttuvan työelämän vaatimuksiin. Digitalisaatio, taloudellinen epävarmuus ja globalisaatio tuovat tulevaisuudessa yhä enenevissä määrin muutoksia työpaikoille, mikä luo haasteita löytää päteviä työntekijöitä organisaatioihin. Hyvät työelämätaidot ovat keskeisessä asemassa nuorten työllistymisessä. Osaamisen johtamista hyödyntäen lähiesimies voi tukea nuorta työuran alussa sekä mahdollisesti sitouttaa nuorta organisaatioon. Työelämätaidoilla tarkoitetaan tässä opinnäytetyössä yleisiä ammattiin kuulumattomia taitoja kuten vuorovaikutustaitoja ja elämänhallintaan liittyviä taitoja. Opinnäytetyömme tarkoituksena on kuvata, miten lähiesimies voi tukea nuorta vastavalmistunutta tämän työelämätaitojen edistämisessä sekä kehittää malli nuoren työelämätaitojen tukemiseksi yhteistyössä lähiesimiesten kanssa. Opinnäytetyömme tavoitteena on kehittää malli lähiesimiehille nuorten vastavalmistuneiden työelämätaitojen kehittämiseen. Malli auttaa lähiesimiestä ohjaamaan vastavalmistunutta nuorta työelämätaitojen tunnistamisessa ja vahvistamisessa. Pitkän aikavälin kehitystavoite on vahvistaa nuorten työntekijöiden valmiuksia työelämässä sekä osaltaan lisätä sosiaali- ja terveysalan vetovoimaisuutta. Käytimme opinnäytetyössämme palvelumuotoilun menetelmiä sen asiakasnäkökulman painottamisen vuoksi. Aineisto kerättiin kahdessa työpajassa, joista ensimmäiseen osallistui vastavalmistuneita nuoria ja toiseen lähiesimiehiä. Lähiesimiesten aineistoa täydennettiin lisäksi yhdellä teemahaastattelulla. Aineisto analysoitiin sisällönanalyysillä. Analyysistä saatuja tuloksia ja teoriatietoa hyödyntäen kehitettiin lähiesimiehelle digitaalinen malli. Tutkimusosion tulosten mukaan lähiesimiehet voivat kehittää nuorten työelämätaitoja antamalla aktiivista tukea, suunnitelmallisuudella sekä avoimella vuorovaikutuksella. Nuori tarvitsee lähiesimieheltä aitoa läsnäoloa ja tukea eri tilanteisiin. Työelämätaidot kehittyvät tavoitteiden asettamisella ja niiden päivittämisellä sekä suunnitelmallisuudella heti töiden aloituksesta. Sekä lähiesimiehen että työyhteisön avoin viestintä antaa hyvän pohjan nuoren taitojen kehittymiselle. Työelämätaitojen kehittäminen lisää nuoren työhyvinvointia ja sitouttaa työpaikkaan. Opinnäytetyön tuloksena kehitetty Polku Työelämätaitoihin on konkreettinen ja joustava malli lähiesimiehelle nuoren ensimmäisen puolen vuoden ajaksi. Malli on digitaalinen ja sisältää ohjeita, miten lähiesimies voi tukea nuoren työelämätaitoja. Mallin käyttö varmistaa nuoren yksilöllisten tavoitteiden huomioimisen, kannustaa itsearviointiin sekä antaa jokapäiväisiä keinoja tukea nuorta. Mallia voi käyttää soveltaen nuoren tarpeet huomioiden

Bone marrow metabolism is affected by body weight and response to exercise training varies according to anatomical location

Peer reviewe