抽象的
最近,在慢性阻塞性肺病(COPD)患者的Quaddriceps股骨中,报道了谷氨酸(Glu)和降低的谷胱甘肽(GSH)水平降低。本研究的目的是调查Glu和GSH水平是否也在这些患者的隔膜中进行修饰。
男性COPD患者9例(1秒用力呼气量(FEV)1), 7例男性患者肺功能正常(平均±sd FEV)1包括提交给胸廓切开术的86±3%pred)。从隔膜(两组)和Quadriceps股骨(单独COPD组)取自活组织检查标本,以评估纤维尺寸,肌球蛋白重链表达,GSH水平和氨基酸谱。
COPD组的特点是纤维大小保持不变,I型纤维比例较高(平均±sem 70±3)与26±4%),膈肌谷氨酸和谷胱甘肽含量高于股四头肌。然而,COPD组和对照组的膈肌谷氨酸和谷胱甘肽水平相似。两种肌肉的谷氨酸水平与谷胱甘肽水平相关。谷氨酸或谷胱甘肽水平与纤维大小或比例无显著相关性。
本研究显示,慢性阻塞性肺疾病患者膈肌内谷氨酸和还原型谷胱甘肽水平仍有保留。在慢性阻塞性肺疾病中,谷氨酸和谷胱甘肽代谢的改变是肌肉特异性的,影响股四头肌而不影响膈肌。谷氨酸和还原型谷胱甘肽水平在两种肌肉中都是紧密相关的,与纤维类型分布和纤维大小无关。
这项研究得到了来自欧盟的BMH4-CT98-3406和QLK6-CT-2000-00417的资助,FIS 01/1324(西班牙)和马斯特里赫特大学医院(马斯特里赫特,荷兰)的研究资助。
最近的研究报告称,慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者下肢肌肉中谷氨酸(Glu)水平严重下降。在随机(混合)COPD组中均发现Glu水平下降1,2和同质组COPD合并肺气肿患者3..Glu浓度的降低被发现与所研究的肢体肌肉组无关,因为在胫骨前肌和股四头肌中都发现了Glu浓度的降低1,2.
进一步深入了解肌肉谷氨酸消耗的潜在原因和机制是非常重要的,因为谷氨酸参与了休息和运动期间的许多代谢途径4.Glu是合成谷胱甘肽(GSH)的合成中的第一和速率限制步骤的重要前兆,其肌肉中最重要的抗氧化剂之一。最近的一项研究显示COPD患者中的肌肉glu和gsh水平降低,Glu和Gsh水平在患者和对照中的高度相关性3..肌肉谷胱甘肽水平降低可能导致抗氧化/氧化失衡,增加肌肉对氧化应激和细胞损伤的易感性5.因此,避免细胞内Glu衰竭可能在预防氧化应激诱导的COPD患者肌肉损伤和肌肉功能障碍方面具有重要的临床意义。迄今为止,尚不清楚COPD中谷氨酸和谷胱甘肽水平的降低是否仅限于骨骼肌室,还是影响这些患者的所有横纹肌(包括膈肌)的普遍现象。此外,据目前作者所知,没有研究报道过健康人或慢性阻塞性肺病患者膈肌中氨基酸浓度。
在COPD患者中,横膈膜中肌球蛋白重链(MyHC) I型纤维(MyHC‐I)比例升高6,而在外周骨骼肌中发现MyHC‐I纤维比例下降7- - - - - -10.两项研究检验了肌肉氨基酸浓度和纤维类型比例之间的关系。关于谷氨酸的结果在不同的研究中有显著的不同。虽然在快速收缩的大鼠肌肉中发现了较低浓度的Glu,但在人股外侧肌MyHC II型(MyHC‐II)纤维的单独池中发现了较高浓度的Glu11,12.因此,慢性阻塞性肺疾病患者膈肌和股四头肌可能存在不同的Glu和GSH水平,以及与纤维类型差异的潜在联系,必须加以解决。
据推测,COPD患者谷氨酸和谷胱甘肽水平的降低影响包括横膈膜在内的所有横纹肌,而与纤维类型分布的改变无关。因此,在COPD患者和肺功能正常的患者开胸时,从膈肌取活检标本,在COPD组中,也从股四头肌取活检标本,以评估MyHC表达、GSH水平和氨基酸谱。
方法
研究人群
16例男性(62±10岁)因肺肿瘤行开胸手术。这些患者是通过西班牙巴塞罗那del Mar医院的肺癌多学科委员会和外科部门系统选择的。其中9名患者被诊断为慢性阻塞性肺病,其诊断依据是慢性支气管炎和/或肺气肿的临床病史、长期吸烟史和肺功能测试结果符合不可逆气流阻塞(一秒用力呼气量(FEV))1) <预测值和FEV的80%1/FVC比率<70% pred),根据欧洲呼吸学会标准188bet官网地址13.COPD患者和对照组排除标准均为哮喘、冠心病、低体重(BMI <20 kg·m)−2)、慢性代谢疾病(如。糖尿病、甲状腺功能减退或亢进)、整形外科疾病、怀疑的副肿瘤或肌病综合征、既往腹部或胸部手术,和/或使用类固醇、激素或癌症化疗的治疗。所有患者均为吸烟者或既往吸烟史(累计吸烟指数为59±28)与COPD患者为59±27包/年与控制病人)。这项研究是按照世界医学协会的人体研究指南进行的14.一个机构伦理委员会批准了这些协议。
肺和呼吸肌肉功能测试
强迫肺活量测定,吸气量(Datospir 92;SIBEL,巴塞罗那,西班牙)和胸气容积(Masterlab;Jaeger, Würzburg,德国)对每位患者进行了测量,并与地中海人群的参考值进行了比较15,16.当患者通过双向瓣膜(Hans Rudolph, Kansas City, MO, USA)呼吸时,测量功能剩余容量下最大吸气时的最大食管和膈压17.使用压力计(BP1050; BioPac Systems,Goleta,CA,USA)测量最大吸气压力,根据黑色和凯悦所描述的技术18与威尔逊的价值观相比较et al。19.动脉血样本分析动脉血氧(P啊,一个2)及二氧化碳张力(P,有限公司2)和pH值(abl330;辐射计,哥本哈根,丹麦)。此外,在受试者赤脚站着、穿着浅色室内服装的情况下,用电子束电子秤测量体重,电子束电子秤读数最接近0.1公斤。测量身高至最接近0.1厘米,并计算BMI(体重(公斤)除以身高(米)的平方)。
肌肉活检
在所有COPD和对照组患者中,在手术开始时从肋膈获得活检标本(约0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm)。此外,在COPD组中,同步从股外侧肌取活检标本。横膈膜样本取自附着区,距离腋窝中线的肋膈角约2cm。来自股外侧肌中部的样本被认为是股四头肌的代表。每个活检标本被分为两部分,这些部分随机用于组织形态和生化分析。活检标本在异戊烷中快速冷冻,在液氮中冷却,并在−70°C下保存,直到分析所需。
Histomorphometry
通过调整支架(以5°为增量)获得一块肌肉样本的切片(10µm),直到获得最小横截面面积(CSA),这被定义为MyHC‐I (CSA‐I)和‐II纤维(CSA‐II)的真正横向。20.,21.对横断面进行免疫组化处理21.CSA、MyHC‐I和‐II纤维的平均最小直径和比例使用光学显微镜(Olympus,系列BX50F3;奥林巴斯光学公司,东京,日本)连接到一个图像数字化相机(Pixera工作室,版本1.2;Pixera Corporation, Los Gatos, CA, USA)使用图像分析软件(NIH image, Version 1.60;美国马里兰州弗雷德里克)。每个膈肌和股外侧肌活检标本至少测量了100个纤维(平均纤维数为316±43)。22,23.MyHC‐I和‐II单克隆抗体用于识别MyHC‐I和‐II纤维(MHCs和MHCf克隆;生物起源,普尔,英国)在其他地方描述24.
肌肉氨基酸谱
剩余的冷冻肌肉组织用磺基水杨酸去蛋白,测定氨基酸浓度。加入玻璃珠(1mm)后,使用mini -beat (Biospec Products, Bartlesville, OK, USA)均匀化肌肉组织。采用全自动高效液相色谱法(HPLC)对膈肌和股外侧肌的氨基酸谱进行了分析。25,26.测定谷氨酰胺、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、精氨酸、组氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、色氨酸、α -氨基丁酸、天冬酰胺、瓜氨酸、谷氨酸、鸟氨酸、丝氨酸和牛磺酸的水平。肌肉标本的谷胱甘肽浓度在同一HPLC运行中进行了评估。支链氨基酸浓度由亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸浓度之和计算得出。计算氨基酸总浓度。
统计分析
结果用平均值±标准差表示,在图中,氨基酸和纤维类型的测量值用平均值±sem表示。COPD和对照组数据采用未配对t检验进行比较。为了评估COPD组股外侧肌和膈肌之间的肌肉测定差异是否显著,使用了配对t检验(或在异常分布情况下的Wilcoxon符号秩检验)。双尾概率值<0.05被认为是显著的。通过计算Pearson相关系数(方差不等时的斯皮尔曼非参数相关系数),研究肌肉氨基酸浓度、谷胱甘肽与各肌肉群纤维类型分布之间的关系。
结果
COPD患者9例(FEV152±4% pred,范围28-68% pred)和7个对照(FEV186±3% pred)参与了研究(表1)⇓).年龄、身高、体重和BMI在两组之间没有差异。COPD组的fvc明显低于对照组(p<0.01),残余体积明显高于对照组(p<0.05)。P啊,一个2COPD组较对照组低(8.99±1.08与10.9±1.85 kPa(67.6±8.1与81.7±13.9 mmHg),P <0.05)。P,有限公司2COPD组(5.49±0.36与4.81±0.36 kPa(41.3±2.7与36.2±2.7毫米汞柱),p < 0.01)。pH值无明显差异(7.43±0.03)与7.42±0.01)。
隔膜与股四头肌
COPD患者在膈肌中表现出更高比例的MyHC-I,而不是在Quadriceps股骨中(70与26%, p<0.001),因此MyHC‐II的比例较低(表2⇓).在COPD组中,膈肌和股四头肌之间的CSA‐I和‐II没有差异。
Glu(图1⇑)和谷胱甘肽(图1b⇑)水平在股四头肌明显低于膈肌(p<0.05)。横膈膜和股四头肌的氨基酸谱见表3⇓.两块肌肉的总氨基酸浓度没有差异(图1c)⇑).除Glu外,COPD组股四头肌中其他几种氨基酸的水平低于膈肌。此外,股四头肌的Glu/GSH比值较低(p<0.05)。然而,在骨骼肌中谷氨酰胺和牛磺酸,这两种氨基酸的浓度通常非常高,没有观察到差异。这可能解释了为什么在COPD组中,股四头肌和膈肌之间的总氨基酸浓度没有差异。
相关性
肌肉谷氨酸和谷胱甘肽水平之间存在高度显著的相关性(图2c)⇓)在隔膜(r = 0.84,p <0.01)和Quadriceps股骨(r = 0.88,p <0.01)。然而,在膈肌肌内glu或gsh水平和纤维型分布之间没有发现显着的关系(glu r = -0.01; gsh r = -0.26,ns)或quadriceps股骨(glu r = 0.32; gsh r = 0.29,ns)(图2a和2b⇓).在两种肌肉中,总氨基酸浓度与纤维类型分布和CSA‐I和‐II无关(数据未显示)。Glu或GSH水平与肌肉纤维大小(CSA‐I或‐II)之间没有明显的关系。最后,横膈膜和股四头肌的谷胱甘肽和谷氨酸(或其他氨基酸)水平与体重或BMI无关(数据未显示)。
讨论
这是第一个研究表明,COPD患者和肺功能正常的个体之间的膈肌谷氨酸和谷胱甘肽水平没有差异。尽管此前已有研究表明,COPD患者外周肌肉中的谷氨酸和谷胱甘肽水平降低,但本研究表明,这种氨基酸紊乱不是一种全身性(全身性)现象,提示膈肌在面对疾病时揭示了氨基酸的适应。
乍一看,令人惊讶的是,COPD患者的膈肌(而不是骨骼肌)能够保持正常的谷氨酸和谷胱甘肽水平。呼吸和外周肌肉暴露于许多可能对氨基酸水平产生负面影响的因素(营养不良、炎症、慢性低氧血症、药物、等。).然而,这种差异可能与膈肌肌纤维持续工作,以对抗持续气流阻塞和肺过度膨胀造成的机械负荷增加有关。这种活动的增加会持续多年,因此结构的改变可以代表慢性膈肌的适应。如果疾病施加的机械负荷能够模拟训练效果,则保留的谷氨酸和谷胱甘肽水平可被认为是膈细胞内的适应性代谢变化。事实上,外周肌肉训练已经被证明可以增加健康受试者的谷胱甘肽和谷氨酸含量4,27.
比较稳定状态和急性(运动或加重)状态的慢性机械负荷时,可能会出现差异。众所周知,机械应力的急性发作和诸如自由基、氧化和蛋白酶活性的增加等因素都能诱导或加重膈肌损伤28- - - - - -30..有证据表明,COPD患者在运动时,甚至在休息时,全身氧化应激会增加31,32,表明优化肌肉抗氧化水平在COPD中的重要性。最近的一些证据表明,目前的研究结果表明,在严重的COPD患者中,膈肌中保留的谷氨酸和谷胱甘肽水平可能是不理想的。事实上,在急性吸气负荷的COPD患者中已经发现膈肌损伤的易感性增加5.最近的研究表明,与对照组相比,COPD患者的膈肌表现出高达300%的损伤易感(通过肌节破坏评估)5.除了阴性形态学效应之外,还已知急性突出锻炼在COPD中对肌氨基酸代谢产生负面影响。最近,表明20分钟的中等强度运动导致骨骼肌氨基酸池的耗尽,包括Glu1.还需要进一步的研究来测试这是否也适用于急性呼吸肌肉负荷。
谷氨酸浓度与纤维类型的关系
COPD组膈肌中MyHC‐I纤维的高比例(70%)和股四头肌中MyHC‐I纤维的低比例(26%)与早期数据一致6,7,10.COPD患者的膈肌中IIb/x到I向更多的氧化代谢转移,下肢肌肉中I到IIb/x向更少的氧化代谢转移。到目前为止,已经进行了两项研究来检验氨基酸谱和肌肉纤维类型之间的关系11,12.在大鼠中,快收缩肌肉(跖肌和腓肠肌)与慢收缩肌肉(比目鱼肌)相比,一些氨基酸(包括谷氨酸)含量较低,但其他氨基酸含量较高11.在最近的一项研究中获得了不同的结果,在五个耐力训练的人的股外侧肌不同(单一)纤维类型的不同池中检查了氨基酸谱12.这项研究表明,MyHC‐II中的谷氨酸浓度比MyHC‐I纤维中的谷氨酸浓度高9%,而在大多数剩余氨基酸中可以找到类似的值。
在本研究中,COPD患者膈肌(30% MyHC‐II纤维)的Glu水平比股四头肌(74% MyHC‐II纤维)高63%。这表明,COPD中不同纤维类型的血清中Glu浓度的差异可能为>63%。此外,在股四头肌和横膈膜中Glu或总氨基酸水平与MyHC纤维比例之间没有发现显著的关系。这些发现表明,MyHC‐I纤维的低比例并不是导致COPD患者周围骨骼肌中Glu水平下降的原因,而这一直被观察到1,3.,33.除纤维类型分布外,其他因素在COPD两组肌肉之间的Glu水平(和总氨基酸谱)差异中发挥了重要作用。
谷胱甘肽浓度与纤维类型的关系
在本研究中,COPD患者膈肌中GSH的绝对浓度比股四头肌高42%。然而,GSH水平与MyHC‐I的比例之间没有显著的关系。这表明,除了氧化能力下降之外,其他因素也会导致COPD患者外周肌肉中谷胱甘肽浓度的下降。拉比诺维奇et al。27最近的研究表明,耐力训练并没有增加COPD患者周围肌肉中谷胱甘肽的水平。目前的数据与他们的发现一致,表明肌肉氧化能力的增强可能不能完全成功地保护COPD患者免受氧化应激。
非COPD组中MyHC‐I纤维的比例略高于Nguyen之前的报道et al。34Levine和同事们6,35(45和41%)。这可能与用于选择对照组的标准的差异有关。在本研究中,决定包括局部肺肿瘤的受试者。肺癌存在的可能性有助于隔膜中的隔膜中略高的MyHC-I纤维,尽管难以阐明确切的潜在机制。nguyen.et al。34Levine和同事们6,35包括具有温和肺部损伤的受试者,正在接受切除孤独的肺结核和脑死风琴供体。第一个组中的潜在肺病和接收到通风支持的时间量和第二组脑死导致的中央通风驱动的时间可能是一个重要的偏见。此外,研究之间的性别差异可能有助于对照组之间纤维键入的小差异。而目前的研究只包括男性患者,Nguyenet al。34Levine和同事们6,35进行了研究人群70,100和65%的研究。需要更多的研究来确认性别是否在隔膜肌中在纤维型分布中发挥作用。
谷氨酸浓度与谷胱甘肽浓度有关
据目前作者所知,这是第一个报告正常肺功能受试者和慢性阻塞性肺病患者膈肌中氨基酸浓度的研究。与股四头肌相比,COPD患者膈肌的Glu水平更高。其他几种氨基酸的含量(即。丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸和亮氨酸)在横膈膜中的含量也高于股四头肌。总氨基酸浓度差值(9%)远小于Glu浓度差值(63%)。然而,进一步讨论这些差异已超出了本文的范围。
在本研究中,股四头肌谷氨酸浓度与谷胱甘肽浓度高度相关,这与之前的数据一致3..此外,在横膈膜中,谷氨酸和谷胱甘肽的浓度也有较高的相关系数。这些数据表明,肌氨酸是抗氧化剂谷胱甘肽合成的第一步和限速步骤的重要前体,与研究的肌群(膈肌)无关与下肢肌肉)。
本研究的潜在局限性
在本研究中,没有对对照组志愿者的氨基酸水平和股四头肌的组织形态特征进行评估。从方法学的角度来看,纳入股四头肌中Glu浓度的控制值可能是互补的数据。然而,这些数据的缺乏并不影响本研究的主要目的或结论。目前的结果与其他评估COPD患者周围肌肉氨基酸水平的研究一致。尽管COPD组的股四头肌显示出与其他环境中观察到的Glu水平相当,但这些水平低于健康对照组的股四头肌1,3.,33.还应该提到的是,尽管组织形态学和生化分析使用的是单个肌肉节段,但这两个节段都来自同一活检标本。生化和组织形态分析的变异分别为13-21和4-14%。这些发现表明,用于不同分析的肌肉样本不具有代表性的可能性很低。最后,由于谷氨酸和谷胱甘肽浓度是每公斤湿重表示的,因此研究小组之间的水分含量差异可能会影响数据。在目前的研究中,没有测量肌肉样本的水分含量,而是重新评估了以前一项研究的数据33.COPD患者肌肉样本(77.0±0.7%,n=31)与对照组志愿者(77.3±0.7%,n=26)的水分含量无显著差异。
结论
本研究表明,在慢性阻塞性肺疾病患者的膈肌中谷氨酸和降低的谷胱甘肽水平被保留,这表明膈肌具有适应性代谢变化的能力,并相对“保护”免受疾病相关氨基酸和蛋白质代谢紊乱的影响。在慢性阻塞性肺疾病中,谷氨酸和谷胱甘肽代谢紊乱是肌肉特异性的,影响股四头肌而不影响膈肌。谷氨酸和减少的谷胱甘肽水平在两种肌肉中紧密相关,但不依赖于纤维类型分布和纤维大小。
- 收到了2003年2月28日。
- 接受2003年11月25日。
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