Aerobic function and skeletal muscle plasticity in health and disease

Abstract

In recent decades, chronic diseases have reached epidemic proportions in the industrialised world. A physically inactive lifestyle has been identified as a major factor causing maladaptations leading to coronary heart disease, stroke, hypertension, type 2 diabetes, osteoporosis, breast cancer, and colon cancer. Regular physical activity prevents the development of obesity and induces a multitude of favourable adaptations within skeletal muscle and the cardio-respiratory system, which have positive outcomes for both the prevention and treatment of metabolic diseases. Specifically, high aerobic function is related to physical activity whereas low aerobic function is related to physical inactivity and various metabolic diseases. In order to gain a better understanding of the mechanisms underlying aerobic function and skeletal muscle plasticity it is fundamental to identify which specific exercise stimuli leads to what molecular response, and how this molecular response relates to the structural, contractile, and metabolic adaptation. Thus, the present thesis was aimed at providing new insights into the mechanisms underlying aerobic function and skeletal muscle plasticity by using an integrative approach including cell culture, rodent, and human models. In a first study, in order to shed light upon the relationship of aerobic function and type 1 diabetes, we investigated factors that may limit oxidative capacity and aerobic exercise performance in young untrained women with type 1 diabetes. Calf muscle oxidative capacity was not different between untrained women with type 1 diabetes and healthy women of similar age and activity levels. Notably, HbA1c was negatively correlated with mitochondrial capacity in women with type 1 diabetes. Although HbA1c was negatively correlated with cardiac output in women with type 1 diabetes, maximal oxygen consumption, cardiac output, endurance capacity, skeletal muscle oxidative enzyme activity, and capillary-to-fibre ratio were not reduced in women with type 1 diabetes compared to healthy women. These results indicate that oxidative capacity depends on HbA1c in untrained women with type 1 diabetes but aerobic function is not reduced relative to untrained healthy women. Thus, it is important to accurately control glycaemic status in future studies investigating the aerobic function in patients with type 1 diabetes. In a second study, we aimed at establishing a cell culture model to closely recapitulate the plastic changes in gene expression as observed in aerobically trained skeletal muscles of mice. In electrically stimulated C2C12 mouse muscle cells the transcriptional adaptations were almost identical to those in endurance-trained skeletal muscles of mice, but differed from the acute effects of exercise on muscle gene expression. In addition, significant alterations in the expression of myofibrillar proteins indicated that this in vitro exercise model could be used to modulate the fibre-type of muscle cells in culture. Our data thus describe an experimental cell culture model for the study of at least some of the transcriptional aspects of skeletal muscle adaptation to physical activity. Typically, aerobic function can be improved by repeated endurance exercise but not by resistance exercise. To overcome the specificity of this adaptive response we aimed in a third study at designing a new resistance exercise model with superimposed stimuli to induce endurance type adaptations and to test its effectiveness in humans. Indeed, 5 weeks of whole-body vibration training with superimposed heavy resistance exercise and sustained vascular occlusion (VRO) increased capillary-to-fibre ratio, skeletal muscle oxidative enzyme activity, myosin heavy chain type 1 fibre proportion, and endurance capacity. In a fourth study, we analysed the molecular bases underlying these adaptations. A single bout of VRO increased the expression of vascular endothelial growth factor (VEGF) mRNA through reactive oxygen species (ROS)-activated peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α (PGC-1α) probably in a hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α) independent manner. In conclusion, modified high-intensity resistance exercise activates gene programmes typically linked to endurance exercise. In den letzten Jahrzehnten haben chronische Krankheiten in der industrialisierten Welt epidemieartig zugenommen. Ein körperlich inaktiver Lebensstil gilt als Hauptursache für viele verschiedene Krankheiten wie koronare Herzkrankheit, Schlaganfall, Bluthochdruck, Typ 2 Diabetes, Osteoporose, Brust- und Darmkrebs. Regelmässige körperliche Aktivität kann die Entstehung von Fettleibigkeit verhindern und zu vielen Anpassungen in der Skelettmuskulatur und im Herzkreislaufsystem führen und dadurch Stoffwechselerkrankungen entgegenwirken. Insbesondere hängt eine gute aerobe Muskelfunktion mit körperlicher Aktivität zusammen, währenddem eine verminderte aerobe Muskelfunktion mit körperlicher Inaktivität und vielen Stoffwechselerkrankungen in Zusammenhang gebracht wird. Um ein besseres Verständnis der Mechanismen der aeroben Muskelfunktion und -plastizität zu erhalten, ist es notwendig zu verstehen, welche spezifischen Trainingsreize zu welcher molekularen Antwort führen und welche molekularen Antworten welche strukturellen, kontraktilen und metabolischen Adaptationen verursachen. Aus diesem Grund bestand das Ziel der vorliegenden Arbeit darin, neue Erkenntnisse über die aerobe Muskelfunktion und -plastizität zu erlangen. Zu diesem Zweck haben wir in unseren Studien einen integrativen Ansatz gewählt und dabei Zellkultur-, Nagetier- und Humanmodelle angewendet. In der ersten Studie untersuchten wir den Zusammenhang zwischen aerober Muskelfunktion und Typ 1 Diabetes. Wir haben Faktoren, welche die oxidative Kapazität und aerobe Leistungsfähigkeit determinieren, in untrainierten jungen Frauen mit Typ 1 Diabetes gemessen und mit gesunden untrainierten Frauen im gleichen Alter verglichen. Die oxidative Kapazität im Unterschenkelmuskel hat sich zwischen untrainierten jungen Frauen mit Typ 1 Diabetes und gesunden untrainierten Frauen im gleichen Alter nicht unterschieden. Bemerkenswert ist, dass bei den Typ 1 Diabetikerinnen das HbA1c negativ mit der mitochondrialen Kapazität korrelierte. Obwohl bei den Typ 1 Diabetikerinnen das HbA1c auch mit dem Herzminutenvolumen negativ korrelierte, waren die maximale Sauerstoffaufnahme, Herzminutenvolumen, Aus- dauerleistungsfähigkeit, Aktivität von oxidativen Enzymen in der Skelettmuskulatur und das Verhältnis der Kapillaren zu den Skelettmuskelfasern, im Vergleich mit gleichaltrigen gesunden Frauen, nicht vermindert. Diese Ergebnisse zeigen auf, dass bei untrainierten Frauen mit Typ 1 Diabetes die oxidative Kapazität vom HbA1c abhängig ist, die aerobe Muskelfunktion verglichen mit gesunden untrainierten Frauen aber nicht vermindert ist. Daher ist es wichtig, in zukünftigen Studien das HbA1c sorgfältig zu kontrollieren, wenn man die aerobe Muskelfunktion untersuchen will. In einer zweiten Studie entwickelten wir ein Zellkulturmodell, in welchem wir die gleichen Genexpressionsveränderungen beobachten konnten, wie in Skelettmuskeln von ausdauertrainierten Mäusen. In elektrisch stimulierten C2C12 Mausmuskelzellen waren die transkriptionellen Adaptationen beinahe identisch mit denen in Skelettmuskeln von ausdauertrainierten Mäusen. Sie unterschieden sich aber von den akuten transkriptionellen Antworten in Skelettmuskeln von Mäusen. Zudem zeigten sich signifikante Veränderungen in der Expression von myofibrillären Proteinen. Unsere Studienergebnisse zeigen, dass wir dieses Zellkulturmodell dafür verwenden können, um transkriptionelle Veränderungen im Skelettmuskel nach körperlicher Aktivität und Veränderungen des Skelettmuskelfasertypus zu untersuchen. Üblicherweise kann die aerobe Muskelfunktion mit regelmässigem Ausdauertraining nicht aber mit Krafttraining verbessert werden. Um diese spezifischen Anpassungen zu umgehen, haben wir in einer dritten Studie ein neuartiges Trainingsmodell entwickelt. Unser Ziel war es, mit einem modifizierten Krafttraining Adaptionen hervorzurufen, welche normalerweise mit Ausdauertraining einhergehen. Das modifizierte Krafttraining bestand aus einer Kombination aus intensivem Vibrations- und Krafttraining mit gleichzeitig unterbundenem Blutfluss zu und aus den Beinen. Wir konnten zeigen, dass fünf Wochen modifiziertes Krafttraining zu einem erhöhten Verhältnis der Kapillaren zu den Skelettmuskelfasern führte und dies mit einer erhöhten Aktivität von oxidativen Enzymen in den Skelettmuskeln einherging. Zudem nahm der Anteil der Typ I Muskelfasern und die Ausdauerleistungsfähigkeit zu. In der vierten Studie untersuchten wir die molekularen Mechanismen, welche zu den beschriebenen Adaptationen führten. Ein einzelnes modifiziertes Krafttraining erhöhte die mRNA Expression von “vascular endothelial growth factor” (VEGF) und “peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α” (PGC-1α). Möglicherweise aktivierten “reactive oxygen species” (ROS) flussabwärts PGC-1α, welches weiter VEGF auf eine “hypoxia-inducible factor 1α” (HIF-1α) unabhängige Weise induzierte. Unsere Studienergebnisse belegen, dass ein modifiziertes hochintensives Krafttraining Genprogramme induzieren kann, welche üblicherweise nach Ausdauertraining beobachtet werden