Förbättrad styrka, kraft, muskel aerob kapacitet och glukos tolerans genom kortvarig progressiv styrketräning bland äldre människor
Summary
Effekten av kortvarig motståndsträning på äldre personer undersöktes genom samtidig användning av flera metoder. Jämfört med en kontrollgrupp sågs många förbättringar, inklusive muskel aerob kapacitet, glukos tolerans, styrka, kraft och muskelkvalitet ( dvs. protein involverat i cellsignalering och typ av komposition av muskelfibrer).
Abstract
Detta protokoll beskriver samtidig användning av ett brett spektrum av metoder för att undersöka muskel aerob kapacitet, glukos tolerans, styrka och kraft hos äldre personer som utför kortvarig motståndsträning (RET). Övervakad progressiv resistensutbildning i 1 h tre gånger i veckan under 8 veckor utfördes av RET-deltagare (71 ± 1 år, intervall 65-80). Jämfört med en kontrollgrupp utan träning visade RET förbättringar av de åtgärder som användes för att indikera styrka, kraft, glukostolerans och flera parametrar av muskel aerob kapacitet. Styrketräning utfördes i ett gym med endast robust träningsutrustning. En isokinetisk dynamometer för knäförlängningsstyrkan möjliggjorde mätningen av koncentrisk, excentrisk och statisk styrka, vilket ökade för RET-gruppen (8-12% efter versus förprov). Kraften (kraftutveckling, RFD) vid de initiala 0-30 msna visade också en ökning för RET-gruppen (52%). Ett glukostoleransprov med frittNt blodglukosmätningar visade endast förbättringar för RET-gruppen när det gäller blodglukosvärden efter 2 h (14%) och arean under kurvan (21%). Blodlipidprofilen förbättras också (8%). Från muskelbiopsiprover framställda med hjälp av histokemi ökade mängden fiber typ IIa och en trend mot en minskning av IIx i RET-gruppen återspeglade en förändring till en mer oxidativ profil vad gäller fiberkompositionen. Western blot (för bestämning av proteininnehållet som är relaterat till signaleringen för muskelproteinsyntes) visade en ökning av 69% i både Akt och mTOR i RET-gruppen; Detta visade också en ökning av mitokondriella proteiner för OXPHOS-komplex II och citratsyntas (båda ~ 30%) och för komplexa IV (90%), endast i RET-gruppen. Vi visar att denna typ av progressiv motståndsträning erbjuder olika förbättringar (t ex styrka, kraft, aerob kapacitet, glukos tolerans och plasma lipidprofil).
Introduction
Åldrande är förknippad med en förlust av muskelmassa (sarkopi), styrka och kraft. Minskad styrka, och förmodligen ännu viktigare, kraft, resulterar i immobilitet, ökad risk för skada och minskad livskvalitet. Motståndsträning är en välkänd strategi för att motverka sarkopati och försämrad muskelfunktion. En grov uppskattning av muskelstyrkan kan erhållas från belastningen eller antalet uppnådda upprepningar. Denna studie fick emellertid mer detaljerad och exakt information om muskelfunktionen med en isokinetisk dynamometer för att samla information om vridmomentet under isometrisk, koncentrisk och excentrisk sammandragning samt på kinetiken för kraftutveckling.
Aerob kapacitet, både på hela kroppsnivå (VO 2max ) och i skelettmuskeln, minskar hos äldre. Nedgången i hjärtfrekvensen med ålder förklarar en stor del av minskningen i VO 2max 1 , men minskad musRen oxidativ kapacitet, i stor utsträckning relaterad till minskad fysisk aktivitet 2 , bidrar. Nedsatt mitokondriell funktion kan också vara involverad i utvecklingen av sarkopati och insulinresistens 3 . Muskel aerob kapacitet uppskattades i muskelbiopsier genom biokemiska analyser av innehållet i mitokondriella enzymer och proteinkomplex som befinner sig både i matrisen ( dvs citratsyntas) och det inre mitokondriella membranet. Dessutom användes histokemiska tekniker för att mäta effekten av resistent träning på muskelmorfologi ( dvs fibertypsammansättning, fiber tvärsnittsarea och kapillärdensitet). En alternativ metod för att utvärdera muskel aerob kapacitet skulle vara att använda magnetisk resonansspektroskopi för att mäta hastigheten av kreatinfosfatresyntes efter träningsinducerad utarmning 4 . Denna metod ger en uppskattning av in vivo muskel aerob kapacitY men kan inte diskriminera mellan mitokondriell dysfunktion och cirkulationsstörningar. Dessutom begränsar de höga kostnaderna för utrustning användningen av denna teknik i de flesta laboratorier. Aerob kapacitet (VO 2max och mitokondriellitet) kan förbättras genom uthållighetsträning hos både unga och gamla 5 , 6 . Effekten av motståndsträning på dessa parametrar har dock undersökts mindre, särskilt hos äldre personer, och resultaten är motstridiga 7 , 8 , 9 , 10 .
Typ 2-diabetes är en utbredd sjukdom hos den äldre befolkningen. Fysisk inaktivitet och fetma är viktiga livsstilsrelaterade faktorer som förklarar den ökade incidensen av typ 2-diabetes. Aerob träning med låg intensitet rekommenderas ofta till patienter med nedsatt glukostolerans. Det är emellertid okLear hur styrketräning hos äldre påverkar glukostolerans / insulinkänslighet 11 , 12 . Det mest exakta sättet att mäta insulinkänsligheten är att använda glukosklämtekniken, där blodglukosen bibehålls konstant genom glukosinfusion under förhållanden med förhöjt insulin 13 . Nackdelarna med denna teknik är att det är tidskrävande och invasiv (arteriell kateterisering) och kräver speciella laboratorieanläggningar. I den här studien användes det muntliga glukostoleransprovet, vilket är vanligt inom hälsovårdsenheter. Denna metod är lämplig när flera ämnen ska undersökas under en begränsad tid.
Testningen och tidslinjen för försöksproceduren kan sammanfattas enligt följande. Använd tre separata dagar för testning före och efter en åtta veckorsperiod med samma arrangemang och ungefärliga tidsplaner (≥24 timmar mellan varje dag < Stark> Figur 1). På den första testdagen mäta: antropometriska data, såsom höjd, kroppsmassa, fettfri massa (FFM) och övre benets omkrets ( dvs. 15 cm ovanför apexpatellaen i en avslappnad bakre position); Submaximal cykelförmåga; Och knämuskelstyrka, som beskrivs i steg 4 och 5. Ta en muskelbiopsi från låret på den andra testdagen. För ytterligare beskrivningar, se steg 6.1. Testa oral glukostolerans (OGTT) på den sista testdagen. För ytterligare beskrivningar, se steg 7.1. Be alla deltagare att undvika kraftig fysisk aktivitet i 24 timmar och att snabba över natten före varje testdag. Be dem emellertid att undvika ansträngande fysisk aktivitet i 48 timmar före OGTT testdagen. Be dem att följa sin normala vardagliga fysiska aktivitet och kostvanor. Observera att före och efter ingrepp var båda gruppernas självrapporterade matintag och typ av livsmedel oförändrade.
Figimg "src =" / files / ftp_upload / 55518 / 55518fig1.jpg "/>
Figur 1: Experimentellt protokoll. Schematiskt diagram Tidpunkten mellan de tre före- och efterprov var liknande för varje ämne och var minst 24 timmar. Ytterligare detaljer ges i texten. Denna siffra har modifierats från Frank et al. Scand. J. Med. Sci. Sport . 2016: 26, 764-73. 28 Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Denna studie försökte undersöka effekten av kortvarig motståndsträning hos äldre på muskeloxidativ kapacitet och glukostolerans. Det andra syftet var att undersöka effekten på styrka, kraft och muskelkvalitativa förbättringar ( dvs. proteiner involverade i cellsignalering och komposition av muskelfibrer).
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna studie har ett antal tekniker använts för att undersöka effekterna av kortvarig progressiv resistensutbildning på äldre individs muskelfunktion / morfologi, aerob kapacitet och glukos tolerans. Huvudfyndet var att jämfört med en kontrollgrupp uppstod många förbättringar i muskel aerob kapacitet, glukos tolerans, styrka, kraft och muskelkvalitet ( dvs. protein involverat i cellsignalering och muskelfiberkomposition). En ökning visades exempelvis för: statisk, excentrisk och koncentrisk maxima…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna är tacksamma till Andrée Nienkerk, Dennis Peyron och Sebastian Skjöld för att övervaka träningstiderna och flera tester. Till de deltagande delarna Till Tim Crosfield för språkrevision; Och till det ekonomiska stödet från Svenska idrotts- och hälsovetenskapsskolan.
Materials
| Western blot | |||
| Pierce 660nm Protein Assay Kit | Thermo Scientific, Rockford, IL, USA | 22662 | |
| SuperSignal West Femto Maximum Sensitivity Substrate | Thermo Scientific | 34096 | |
| Halt Protease Inhibitor Cocktail (100X) | Thermo Scientific | 78429 | |
| Restore PLUS Western Blot Stripping Buffer | Thermo Scientific | 46430 | |
| Pierce Reversible Protein Stain Kit for PVDF Membranes | Thermo Scientific | 24585 | |
| 10 st – 4–20% Criterion TGX Gel, 18 well, 30 µl | Bio-Rad Laboratories, Richmond, CA, USA | 567-1094 | |
| Immun-Blot PVDF Membrane | Bio-Rad | 162-0177 | |
| Precision Plus Protein Dual Color Standards | Bio-Rad | 161-0374 | |
| 2x Laemmli Sample Buffer | Bio-Rad | 161-0737 | |
| 10x Tris/Glycine | Bio-Rad | 161-0771 | |
| 2-Mercaptoethanol | Bio-Rad | 161-0710 | |
| Tween 20 | Bio-Rad | P1379-250ML | |
| Band analysis with Quantity One version 4.6.3.software | Bio-Rad | ||
| 1% phosphatase inhibitor coctail | Sigma-Aldrich, Saint Louis, Missouri, USA | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Antibodies | |||
| mTOR (1:1000) | Cell Signaling, Danvers, Massachusetts, USA | 2983 | |
| Akt (1:1000) | Cell Signaling, Danvers | 9272 | |
| Secondary anti-rabbit and anti-mouse HRP-linked (1:10000) | Cell Signaling, Danvers | ||
| Citrate synthase (CS) (1:1000) | Gene tex, San Antonio, California, USA | ||
| OXPHOS (1:1000) | Abcam, Cambridge, UK | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment – Analysis of muscle samples | |||
| Bullet Blender 1.5 for homogenizing | Next Advance, New York, USA | ||
| Plate reader | Tecan infinite F200 pro, Männedorf, Switzerland | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Histochemistry | |||
| Mayer hematoxylin | HistoLab, Västra Frölunda, Sweden | 1820 | |
| Oil Red o | Sigma-Aldrich, Saint Louis, Missouri, USA | 00625-25y | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 793566-2.5 kg | |
| Cobalt Chloride | Sigma-Aldrich | 60818-50G | |
| Amylase | Sigma-Aldrich | A6255-25MG | |
| ATP | Sigma-Aldrich | A2383-5G | |
| Glycine | VWR-chemicals / VWR-international, Spånga, Sweden | 101196X | |
| Calcium Chloride | VWR-chemicals / VWR-international | 22328.262 | |
| Iso-pentane | VWR-chemicals / VWR-international | 24872.298 | |
| Etanol 96% | VWR-chemicals / VWR-international | 20905.296 | |
| NaOH | MERCK, Stockholm, Sweden | 1.06498.1000 | |
| Na acetate | MERCK | 1.06268.1000 | |
| KCl | MERCK | 1.04936.1000 | |
| Ammonium Sulphide | MERCK | U1507042828 | |
| Acetic acid 100% | MERCK | 1.00063.2511 | |
| Schiffs´ Reagent | MERCK | 1.09033.0500 | |
| Periodic acid | MERCK | 1.00524.0025 | |
| Chloroform | MERCK | 1.02445.1000 | |
| pH-meter LANGE | HACH LANGE GMBH, Dusseldorf, Germany | ||
| Light microscope | Olympus BH-2, Olympus, Tokyo, Japan | ||
| Cryostat Leica CM1950 | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | ||
| Leica software Leica Qwin V3 | Leica Microsystems | ||
| Gel Doc 2000 – Bio-Rad, camera setup | Bio-Rad Laboratories AB, Solna, Sweden | ||
| Software program Quantift One – 4.6 (version 4.6.3; Bio Rad) | Bio-Rad Laboratories AB, Solna, Sweden | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Oral glucos tolerance test, OGTT | |||
| Glukos APL 75 g | APL, Stockholm, Sweden | 323,188 | |
| Automated analyser Biosen 5140 | EKF Diagnostics, Barleben, Germany | ||
| Insulin and C-peptide in plasma kit ELISA | Mercodia AB, Uppsala Sweden | 10-1132-01, 10-1134-01 | |
| Plate reader | Tecan infinite F200 pro, Männedorf, Switzerland | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Further equipment | |||
| Measures of fat-free-mass | FFM-Tanita T5896, Tanita, Tokyo, Japan | ||
| Strength training equipment for all training exercises | Cybex International Inc., Medway, Massachusetts, USA | ||
| Cycle ergometer | Monark Ergometer 893E, Monark Exercises, Varberg, Sweden | ||
| Heart rate monitor RS800, Polar | Polar Electro OY, Kampele, Finland | ||
| Oxycin-Pro – automatic ergo-spirometric device | Erich Jaeger GmbH, Hoechberg, Germany | ||
| Isokinetic dynamometer, Isomed 2000, knee muscle strength | D&R Ferstl GmbH, Henau, Germany | ||
| CED 1401 data acquisition system and Signal software | Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK | ||
| Software for muscle strength analysis, Spike 2, version 7 | Signal Hound, LA Center, WA, USA | ||
| Statistica software for statistical analyses | Statistica, Stat soft. inc, Tulsa, Oklahoma, USA | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Muscle biopsy equipment | |||
| Weil Blakesley conchotome | Wisex, Mölndal, Sweden | ||
| Local anesthesia | Carbocain, 20 mL, 20 mg/mL; Astra Zeneca, Södertälje, Sweden | 169,367 | |
| Surgical Blade | Feather Safety Razor CO, LTD, Osaka, Japan | 11048030 |
References
- Carrick-Ranson, G., et al. The effect of age-related differences in body size and composition on cardiovascular determinants of VO2max. J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. 68 (5), 608-616 (2013).
- Peterson, C. M., Johannsen, D. L., Ravussin, E. Skeletal muscle mitochondria and aging: a review. J. Aging. 2012, 194821 (2012).
- Russell, A. P., Foletta, V. C., Snow, R. J., Wadley, G. D. Skeletal muscle mitochondria: a major player in exercise, health and disease. Biochim. Biophys. Acta. 1840 (4), 1276-1284 (2014).
- Conley, K. E., Jubrias, S. A., Esselman, P. C. Oxidative capacity and ageing in human muscle. J. Physiol. 526 (Pt 1), 203-210 (2000).
- Holloszy, J. O. Adaptation of skeletal muscle to endurance exercise. Med. Sci. Sports. 7 (3), 155-164 (1975).
- Menshikova, E. V., Ritov, V. B., Fairfull, L., Ferrell, R. E., Kelley, D. E., Goodpaster, B. H. Effects of exercise on mitochondrial content and function in aging human skeletal muscle. J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. 61 (6), 534-540 (2006).
- Balakrishnan, V. S., et al. Resistance training increases muscle mitochondrial biogenesis in patients with chronic kidney disease. Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 5 (6), 996-1002 (2010).
- Ferrara, C. M., Goldberg, A. P., Ortmeyer, H. K., Ryan, A. S. Effects of aerobic and resistive exercise training on glucose disposal and skeletal muscle metabolism in older men. J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. 61 (5), 480-487 (2006).
- Frontera, W. R., Meredith, C. N., O’Reilly, K. P., Evans, W. J. Strength training and determinants of VO2max in older men. J. Appl. Physiol. (1985). 68 (1), 329-333 (1990).
- Toth, M. J., Miller, M. S., Ward, K. A., Ades, P. A. Skeletal muscle mitochondrial density, gene expression, and enzyme activities in human heart failure: minimal effects of the disease and resistance training. J. Appl. Physiol. (1985). 112 (11), 1864-1874 (2012).
- Zachwieja, J. J., Toffolo, G., Cobelli, C., Bier, D. M., Yarasheski, K. E. Resistance exercise and growth hormone administration in older men: effects on insulin sensitivity and secretion during a stable-label intravenous glucose tolerance test. Metabolism. 45 (2), 254-260 (1996).
- Davidson, L. E., et al. Effects of exercise modality on insulin resistance and functional limitation in older adults: a randomized controlled trial. Arch. Intern. Med. 169 (2), 122-131 (2009).
- DeFronzo, R. A., Tobin, J. D., Andres, R. Glucose clamp technique: a method for quantifying insulin secretion and resistance. Am. J. Physiol. 237 (3), E214-E223 (1979).
- Åstrand, P. O., Ryhming, I. A nomogram for calculation of aerobic capacity (physical fitness) from pulse rate during sub-maximal work. J. Appl. Physiol. 7 (2), 218-221 (1954).
- Björkman, F., Ekblom-Bak, E., Ekblom, &. #. 2. 1. 4. ;., Ekblom, B. Validity of the revised Ekblom Bak cycle ergometer test in adults. Eur. J. Appl. Physiol. 116 (9), 1627-1638 (2016).
- Seger, J. H., Westing, S. H., Hanson, M., Karlson, E., Ekblom, B. A new dynamometer measuring eccentric and eccentric muscle strength in accelerated, decelerated and isokinetic movements: validity and reproducibility. Eur. J. Appl. Physiol. 57 (5), 526-530 (1988).
- Westing, S. H., Seger, J. Y., Karlson, E., Ekblom, B. Eccentric and concentric torque-velocity characteristics of the quadriceps femoris in man. Eur. J. Appl. Physiol. 58 (1-2), 100-104 (1988).
- Aagaard, P., Simonsen, E. B., Andersen, J. L., Magnusson, P., Dyhre-Poulsen, P. Increased rate of force development and neural drive of human skeletal muscle following resistance training. J. Appl. Physiol. 93 (4), 1318-1326 (2002).
- Andersen, L. L., Aagaard, P. Influence of maximal muscle strength and intrinsic muscle contractile properties on contractile rate of force development. Eur. J. Appl. Physiol. 96 (1), 46-52 (2006).
- Henriksson, K. G. “Semi-open” muscle biopsy technique. A simple outpatient procedure. Acta Neurol. Scand. 59 (6), 317-323 (1979).
- Matsuda, M., DeFronzo, R. A. Insulin sensitivity indices obtained from oral glucose tolerance testing: comparison with the euglycemic insulin clamp. Diabetes Care. 22 (9), 1462-1470 (1999).
- American Diabetes, Association. Diagnosis and classification of diabetes mellitus. Diabetes Care. 28, S37-S42 (2005).
- Moberg, M., Apró, W., Ekblom, B., van Hall, G., Holmberg, H. C., Blomstrand, E. Activation of mTORC1 by leucine is potentiated by branched-chain amino acids and even more so by essential amino acids following resistance exercise. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 310 (11), C874-C884 (2016).
- Antharavally, B. S., Carter, B., Bell, P. A., Krishna Mallia, ., A, A high-affinity reversible protein stain for Western blots. Anal. Biochem. 329 (2), 276-280 (2004).
- Brooke, M. H., Kaiser KK, . Muscle fiber types: how many and what kind?. Arch. Neurol. 23 (4), 369-379 (1970).
- Brooke, M. H., Kaiser, K. K. Three "myosin adenosine triphosphatase" systems: the nature of their pH lability and sulfhydryl dependence. J. Histochem. Cytochem. 18 (9), 670-672 (1970).
- Andersen, P. Capillary density in skeletal muscle of man. Acta Physiol. Scand. 95 (2), 203-205 (1975).
- Frank, P., Andersson, E., Pontén, M., Ekblom, B., Ekblom, M., Sahlin, K. Strength training improves muscle aerobic capacity and glucose tolerance in elderly. Scand. J. Med. Sci. Sports. 26 (7), 764-773 (2016).
- Blomstrand, E., Celsing, F., Fridén, J., Ekblom, B. How to calculate human muscle fibre areas in biopsy samples–methodological considerations. Acta Physiol. Scand. 122 (4), 545-551 (1984).
- Cuthbertson, D., et al. Anabolic signaling deficits underlie amino acid resistance of wasting, aging muscle. FASEB J. 19 (3), 422-424 (2005).
- Vincent, K. R., Braith, R. W., Feldman, R. A., Kallas, H. E., Lowenthal, D. T. Improved cardiorespiratory endurance following 6 months of resistance exercise in elderly men and women. Arch. Intern. Med. 162 (6), 673-678 (2002).
- Cadore, E. L., et al. Effects of strength, endurance, and concurrent training on aerobic power and dynamic neuromuscular economy in elderly men. J. Strength Cond. Res. 25 (3), 758-766 (2011).
- Jubrias, S. A., Esselman, P. C., Price, L. B., Cress, M. E., Conley, K. E. Large energetic adaptations of elderly muscle to resistance and endurance training. J. Appl. Physiol. (1985). 90 (5), 1663-1670 (1985).
- Benton, C. R., Wright, D. C., Bonen, A. PGC-1alpha-mediated regulation of gene expression and metabolism: implications for nutrition and exercise prescriptions. Appl. Physiol. Nutr. Metab. 33 (5), 843-862 (2008).
