Платформа метабаломики. Изображение любезно предоставлено Робертом Герстеном
Говоря химически, вы становитесь другим человеком, когда бежите, согласно новому исследованию, которое показывает, как химические вещества изменяются в крови во время упражнений, сообщает 26 мая выпуск журнала Science Translational Medicine.
Используя систему, которая анализирует образцы крови с беспрецедентной детальностью, группа исследователей под руководством исследователей Массачусетской больницы общего профиля (MGH) разработала первый "химический снимок" метаболических эффектов упражнений. Их выводы, опубликованные в выпуске журнала Science Translational Medicine от 26 мая, могут улучшить понимание физиологических эффектов упражнений и привести к новым методам лечения сердечно-сосудистых заболеваний и диабета.
"Мы обнаружили новые метаболические признаки, которые четко отличают людей с хорошей физической формой от людей с меньшей физической формой во время упражнений," – говорит Грегори Льюис, доктор медицинских наук из кардиологического центра MGH, ведущий автор статьи. "Эти результаты имеют значение для разработки оптимальных программ тренировок и улучшенной оценки состояния сердечно-сосудистой системы, а также для разработки пищевых добавок для повышения работоспособности."
Благотворное влияние упражнений на здоровье, в том числе снижение риска сердечных заболеваний, инсульта и диабета 2 типа, хорошо известно, но биологические механизмы, лежащие в основе этих эффектов, неясны. Предыдущие исследования вызванных физической нагрузкой изменений метаболитов – биологических молекул, производимых в очень незначительных количествах – были сосредоточены на нескольких молекулах, измеряемых в большинстве больничных лабораторий. Используя новую систему на основе масс-спектрометрии, которая профилирует более 200 метаболитов одновременно, разработанную в сотрудничестве с коллегами из Института Броуда Гарварда и Массачусетского технологического института под руководством доктора философии Клэри Клиш, команда MGH проанализировала образцы крови, взятые из здоровые участники до, сразу после и через час после нагрузочных тестов, которые длились примерно 10 минут.
Связанные с упражнениями изменения наблюдались в более чем 20 метаболитах, отражающих переработку сахаров, жиров и аминокислот в качестве топлива, а также использование организмом АТФ, основного источника клеточной энергии. Несколько изменений коснулись метаболических путей, ранее не связанных с физическими упражнениями, включая повышение уровня ниацинамида, производного витамина, который, как известно, усиливает высвобождение инсулина. Другой эксперимент, в котором анализировались образцы, взятые из различных сосудистых участков, показал, что большинство изменений метаболитов происходило в тренирующих мышцах, хотя некоторые, по-видимому, возникали по всему телу. В обоих экспериментах несколько изменений метаболитов сохранялись через 60 минут после прекращения упражнений.
В эксперименте, предназначенном для оценки эффектов продолжительных упражнений, пробы до и после забега были взяты у 25 бегунов, завершивших Бостонский марафон 2006 года. В образцах, полученных после гонки, были обнаружены обширные изменения в нескольких метаболитах, некоторые из которых отличались от тех, которые производились при кратковременных упражнениях. Показатели повышенного метаболизма жиров, глюкозы и других углеводов повысились в ответ как на короткие, так и на длительные упражнения, но у марафонцев уровень аминокислот также значительно снизился, что отражает их использование аминокислот в качестве топлива для поддержания адекватного уровня глюкозы во время продолжительных упражнений.
Исследователи также проанализировали, как эти изменения метаболитов связаны с уровнем физической подготовки участников, определяемым пиковым потреблением кислорода в краткосрочных экспериментах и временем финиша для марафонцев. В обеих группах они обнаружили, что некоторые изменения, в том числе отражающие повышенный метаболизм жиров, были более выражены у участников, которые были в большей форме.
Следуя гипотезе о том, что метаболиты, которые увеличиваются в ответ на физическую нагрузку, действуют на пути, участвующие в клеточном дыхании и утилизации глюкозы, исследователи применили различные комбинации метаболитов к культивируемым мышечным клеткам. Они обнаружили, что комбинация из пяти молекул увеличивает экспрессию nur77, гена, который, как недавно было показано, регулирует уровень глюкозы и метаболизм липидов, что делает его возможной целью лечения комбинации факторов риска сердечно-сосудистых заболеваний, известных как метаболический синдром. Связь уровней nur77 с упражнениями была подтверждена экспериментом, который обнаружил, что экспрессия генов увеличилась в пять раз в мышцах мышей, которые тренировались в течение 30 минут.
"Наши результаты имеют значение для разработки как диагностических тестов для отслеживания и улучшения физических упражнений, так и для вмешательств, направленных на уменьшение последствий диабета или сердечных заболеваний путем улучшения метаболических «отпечатков пальцев» пациента," объясняет Роберт Герштен, доктор медицины, директор клинических и трансляционных исследований в кардиологическом центре MGH, старший автор исследования. "Улучшение здоровья людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями – наша цель номер один, но определение того, какие метаболиты становятся дефицитными и которые необходимо восполнять во время упражнений, также может привести к появлению следующего поколения спортивных напитков, которые могут помочь здоровым людям достичь наилучших результатов при выполнении упражнений."