差异剥皮单一肌肉纤维和整个大腿肌肉功能特征在年轻和年长的人体试验

文摘

我们旨在分析皮肤的力学性能单一的肌肉纤维来自股外侧肌(重要的)肌肉在整个完整的大腿肌肉和比较年轻和老年人之间的任何差异。16岁的年轻人(年),11个老男人(11年),年轻女性(7年),老年妇女(年)被招募。体内分析等速性能等力学性能,等距扭矩,和权力。特定的力量和最大缩短速度(Vo)测量单一的肌肉纤维。性别差异显示的功能性质的影响整个肌肉()和单一老化肌肉纤维比()。性别差异,而不是衰老,产生更显著的差异在总在单一肌肉纤维力学性能研究的年轻男性和年轻女性被发现之间的显著差异只在横截面积和签证官()。年龄和性别的差异反映了两个单独的肌肉纤维的力学性能和整个大腿肌肉,与整个肌肉产生更重要的功能属性。

1。介绍

人类骨骼肌衰老的特点是减少机械、形态学、和功能性质,如每个肌细胞的横截面积(CSA),特定的力量(SF)、最大收缩力,极大缩短速度(Vo) [1- - - - - -3]。然而,其他肌肉纤维机械老化研究没有发现肌肉纤维的特定力量和签证官非常不同(4- - - - - -6]。

此外,许多研究报道,衰老过程导致机械肌肉的变化,如增加肌无力和萎缩速度放缓2,7,8]。然而,这些研究的结果是有争议的差异,与年龄相关的概念的机械单一肌细胞水平变化。

不同的研究,从微观到宏观的,有调查的定量方面的肌肉变化,如肌肉(9]。不仅逐渐骨骼肌功能受损引起的量化等方面逐步减少肌肉(sarcopenia),但也由老年性肌肉(定性方面10]。这个宏观的定性方面也被认为是减少肌肉短期电力和/或最优速度缩短老化(11,12]。

然而,分钟的观察定性的变化导致肌肉功能老化本身更重要,作为微观变化通常是全身的早期迹象变化(13]。这些观察可以通过微观分析,获得单一的肌肉纤维。

在单一的肌肉纤维级,肌球蛋白重链(MHC)类型II-related快速纤维显示速度下降与衰老比缓慢的MHC I型,证明MHC II是敏感的衰老过程2]。然而,转向IIx型或混合型单一肌肉纤维也在老化,而其他研究表明,快速肌肉减少与衰老(14]。在先前的研究中,根据功能差异性别没有发现单一肌肉纤维水平(13]。性别或年龄差异有更明显的关系强度在整个肌肉水平比单一肌肉纤维水平,即使在相同的主题(6,15,16]。

检查相反的有争议的问题关于单一肌肉纤维与体内整个大腿肌肉功能在年轻和年长的男性和女性,我们假设(i)是有区别的年轻人和老年人,男人和女人之间的单一肌肉纤维水平和(2)的年龄和性别差异的单一肌肉纤维水平相对反射在整个肌肉水平。

确定性和/或老化导致力学性能差异在单一肌肉纤维和肌肉整体水平,我们比较年轻和年长的韩国男人和女人和分析皮肤的机械功能单一的肌肉纤维来自于重要的肌肉,相比之下整个大腿肌肉。

2。材料和方法

2.1。受试者的特征

本研究旨在探讨单一肌肉纤维的功能反应,整个大腿肌肉的健康的年轻男性(YM;年龄年,身高厘米,和重量公斤)、健康老年男性(OM;年,厘米,公斤),健康的年轻女性(YW;年,厘米,公斤)和健康老年妇女(噢;年,厘米,公斤)(表1)。总共有45个社区居住年轻和年老的成年人(16 YM 11 OM 11 YW,和7噢没有加入运动相关的活动最近3年)是从健康志愿者招募同意参加本研究从2014年2月到2015年4月。健康的成年人”指的是(我)得分≥10在短的物理性能电池(SPPB);(2)与nonmedication nondisease;和(iii)危险和不吸烟在完成一个全面的医疗评估,包括历史和物理测试17]。受试者提供书面知情同意在研究开始之前。机构审查委员会批准的这项研究是在首尔国立大学盆唐医院(b - 1307 - 212 - 008)。

2.2。等距、等速和动力性能测试的左大腿YM, OM, YW,噢

体内研究力学性能的大腿肌肉功能重要的肌肉活检之前,我们进行等距,等速和权力的膝盖弯曲和扩展性能测试(博智RS;耳背式,汉诺威,医学博士,美国)。受试者被牢牢地固定在一个座位坐的位置。等速和静力测试的速度和范围是60°/秒和65°,分别。而获得的力量值对象表现出最大的力量对电阻自动采取耳背式。测量参数如下:静力测试的左大腿,Iso;功率测试,订单;等速测试的左大腿扩展峰值扭矩,IsoKE;和等速测试的左大腿弯曲峰值扭矩,IsoKF(图3)。所有变量测量作为高峰值给出了牛顿米(Nm),除了阿宝,用瓦(W)表示。

2.3。肌肉活检

所有参与者在这个研究访问了三次(每个访问在不同的日期)(i)筛选参与者在第一次访问;(2)在第二次访问测试物理性能;和(3)第三次获得肌肉标本。肌肉标本获得了重要的肌肉的经皮局部麻醉下使用修改后的Bergstrom针(11750 - 06赛季和11750 - 07年;威克福德镇,迪克森,英国)。一分组织立即被浸泡在冷放松的解决方案(4°C),如下所述。组织被切割成小束肌肉纤维用于功能测试。包被存储在甘油50% (v / v)解决方案−20°C的后续功能的研究。所有包的功能测试在2周内进行分析,基于日期的退化在单一肌肉纤维力学(表质量4)。

2.4。单一的肌肉纤维解决方案

剥皮的单一肌肉纤维溶液由40毫米N,Nbis (2-hydroxyethyl) 2-aminoethanesulphonic酸(BES);10毫米乙二醇四乙酸(EGTA);6.56毫米氯化镁(MgCl₂);5.88毫米sodium-adenosine三磷酸(Na-ATP);46.35毫米——钾(K -)丙酸;15毫米磷酸肌酸;1毫米二硫苏糖醇;特里同x - 100 10%;和蛋白酶抑制剂如E64 0.01毫米,0.047毫米亮抑酶肽,0.25毫米phenylmethylsulfonyl氟化物(pH值7.0)。

放松的解决方案由100毫米氯化钾(氯化钾)MgCl 10毫米咪唑,1毫米₂,EGTA约2毫米,4.46毫米Na-ATP。

存储的甘油溶液的肌肉束由50%(卷/期)甘油,100毫米氯化钾,MgCl 10毫米咪唑,1毫米₂,EGTA约2毫米,4.46毫米Na-ATP。激活的解决方案包括40毫米BES、CaCO 10毫米₃MgCl -EGTA, 6.29毫米₂Na-ATP 6.12毫米、45.3毫米K-propionate磷酸肌酸和15毫米。免费的Ca^{2 +}pCa的浓度为4.0 (10⁻⁴米),pCa =−日志Ca^{2 +}激活的浓度。

2.5。功能的研究

单一肌肉纤维是经过仔细分离肌肉束化学剥皮后剥皮的解决方案在4°C到24小时。1 - 2毫米的纤维长度是安装在针与测力传感器和电机杠杆臂(型号403;极光科学、极光、加拿大安大略省)暴露在解决方案的试验装置。纤维是稳定轻松的解决方案具有一致的观察的长度(2.6 - -2.7μ米,这被认为是生理范围的肌节长度)(18,19]。肌节长度、直径和纤维长度测量(ASI软件,极光科学)。直径是获得的平均直径的长度从顶部和侧面用棱镜装备在显微镜(奥林巴斯IX71;奥林匹斯山,日本东京)。纤维CSA,假定为一个椭圆形,直径和深度的计算。我们使用20%修正CSA时用于计算科幻(力/ CSA) (20.]。

最大速度(Vo)是衡量使用松弛测试(21),而最大收缩力评估通过使用先前描述的方法(22]。采用实验执行每个测试纤维根据协议如图1:实验从0(步骤1);单个肌肉纤维的长度缩短90% 1 s(步骤2),然后在6 s长度是恢复(步骤3);解决方案是改变到激活放松解决方案在17岁年代的解决方案(步骤4);纤维长度就放缓了7、8、10、12,或13%,报90年代(步骤5)网上(见补充1的补充材料http://dx.doi.org/10.1155/2016/6206959);解决方案是改变回到98年代放松解决方案和原始长度的纤维恢复102年代(步骤6和步骤7);最后,数据收集完成后停止(步骤8)和协议(第9步)。从这个实验结果代表编程过程如图1。整个实验过程进行了15.3°C。

2.6。确定单个肌纤维MHC

确定单个肌肉纤维的同种型衡量一节中描述的方法2。5,一束束纤维的化学剥皮24 h在剥皮溶液含有50% (v / v)甘油在4°C (23,24]。总共有212纤维受到钠十二烷基硫酸聚丙烯酰胺凝胶电泳(sds - page) MHC同种型识别单个肌肉纤维测试后。凝胶是用来识别标志如图MHC亚型2。通过使用6% sds - page MHC成分决定。丙烯酰胺的浓度是4% (w / v)叠加凝胶和6%的分离胶,甘油和凝胶矩阵包括30%。sds - page的恒压运行30分钟90 V和140 V 5.5 h (22]。人类肌肉的蛋白质混合匀浆MHC I,花絮,IIx是用作MHC标准,迁移的顺序每个人MHC的凝胶显示根据先前所描述的方法(25)(图2)。凝胶含有单一肌肉纤维受到银染色法来识别每一个肌肉纤维的MHC亚型,并使用分析软件(微密度是由Bio-1D淡定;Vilber Laurat Marne-la-Vallee、法国)。IIx I /活动花絮,我/ IIx花絮/ IIx和I /花絮/ IIx一致被视为I / II混合动力车。

2.7。统计分析

所有数据提出了均值±标准差(SD),除了分析描述为一个线性混合模型价值(表2)。每个分类值分析了纤维类型从左边六世的受试者(表3),分析了输出功率的测量相比,本研究通过使用单向重复方差分析(图3)。识别三个或更多的团体间的显著差异后,我们使用了事后以及比较统计组之间的差异。我们还使用了一个线性混合模型单一肌肉纤维分析,显示每个纤维的代表性亚型为每个学科组(22)(表2)。SPSS 18.0版是用于整个统计分析。的值表示一个统计上的显著差异分析,这种程度的意义是申请相同的纤维。

3所示。结果

3.1。等速左大腿的肌肉性能研究

在等距膝盖扩展,为YM测量值,OM, YW,噢,,,分别为纳米(图3(一个))。等速扩展和左大腿的弯曲力值如下:IsoKE,纳米(YM),纳米(OM),纳米(YW)纳米(噢);IsoKF,纳米(YM),纳米(OM),纳米(YW)纳米(图(噢)3 (c))。耳背式也产生以下输出功率值:W (YM),W (OM),W (YW)W(噢)(图3 (b))。

在不同年龄组之间的比较,我们发现,有整体YM之间的显著差异和OM (),除了IsoKE(图3)。YW之间的显著差异观察和“等距测试和Po ();然而,两组之间没有统计学差异IsoKE或IsoKF。

性别差异,比如YM YW和OM之间,噢,也显著影响总体价值在Iso,阿宝,IsoKE和IsoKF ()。

3.2。力学性能单一的肌肉纤维

关于人类重要的单一肌肉纤维的力学性能,分析了212单肌肉纤维和分类根据CSA,科幻,签证官(表3)。CSA,科幻,签证官YM, YW显示更高的价值,但在统计学上没有显著不同于OM或在MHC I型肌肉纤维噢。

CSA和签证官的YM都显著大于那些YW MHC I型纤维(),但没有显著不同OM,噢。MHC IIa和混合纤维无显著差异的任何组比较。

3.3。MHC亚型的差异YM, OM, YW,噢

在单个肌肉纤维的MHC亚型分析中,MHC我主要表现在所有年龄和性别群体。其他亚型在本研究中发现活动花絮,IIx,或混合(I /花絮/ IIx、活动花絮/ IIx I / IIx,或I /花絮”),我们MHC亚型分类如我,活动花絮,混合(I /花絮/ IIx、活动花絮/ IIx I / IIx, I /活动花絮,或IIx)(表3)。所有组包含MHC I、活动花絮和混合亚型,除了噢,没有显示MHC花絮亚型。YM由59%的MHC I和24%的MHC花絮”,而OM的MHC I(62%)和MHC花絮”(21%)。MHC I YW包含86%的整个MHC亚型。噢,MHC I和I / II混合类型的86%和14%,分别。

4所示。讨论

我们研究人类VL-derived成熟单一肌肉纤维的力学性能与整个大腿肌肉的总功能在年轻和年长的男性和女性。我们的研究结果是一致的与先前的一项研究显示,纤维MHC类型分布变化更多的杂交MHC类型与衰老(14]。比较单一的肌肉纤维和整个大腿肌肉,性爱,而不是年龄,显示清晰的力学性能上的差异。我们发现在体外VL-derived单一肌肉纤维没有统计上的不同的生物力学值从四组类似的纤维,除了年轻群体的性别差异。这是在体内的研究相比,在相同的受试者显著的性别和年龄的差异。

4.1。年龄差距也与不同的功能单一的肌肉纤维?

物理性能随老化,失去肌肉和力量是一个重要的生理现象。尽管不同的表型差异引起的老化,功能属性在细胞水平上的差异不显著相关这一过程(5]。在单一的肌肉纤维层面,这是以前报道,VL-derived IIa单YM有较高价值的肌肉纤维()的收缩速度比OM (3]。另一项研究报告称,这种差异是否定之间的相同类型的纤维比较两组(6]。我们还发现在任何年龄差距参数无显著差异(表2和3),尽管有一个模式类似于以前的报告。从人类研究结果在肌细胞层面上与之前的研究相一致(9),表明这些差异可能来自不同的种族,生活方式,和/或人口规模。

4.2。性别差异反映在单一肌肉纤维级功能差异呢?

肌肉收缩的峰值强度根据性别不同。峰值强度损失的内在因素是来源于神经肌肉功能,在横桥依赖兴奋收缩偶联,改变机制(16,25- - - - - -31日]。每组有不同的CSA值,特别是I型相比有一个显著的模式与其他类型(CSA是男性比女性更大)。

这项研究表明,有一个显著的区别只在CSA和签证官YM - YW ()。Krivickas等人的然而,先前的研究显示,有一个显著的差异在科幻MHC I型和花絮纤维之间OM和噢)。他们还报道之间的显著差异在签证官OM和MHC IIa噢()[3,13]。我们假设的差异与之前的研究结果(如上所述)主要是由于研究对象的不同大小(916肌肉纤维从7 YM 7 YW, 12 OM,和12噢,(3];307年肌肉纤维从6 OM和10噢13];从16 YM 212肌肉纤维,11 OM, 11 YW,和7噢。)。

4.3。比较纤维类型组成

各种机械性能证明了不同MHC类型的纤维由于MHC subtype-dependent超然利率差异肌动蛋白和肌凝蛋白(肌动球蛋白)。这种相互关系可能导致不同的力学性能在不同的年龄和性别。

我们的研究结果并不特别表明,更多的杂交MHC类型形成与衰老自我们的横断面研究一直局限于发现MHC类型变化与衰老(32)(表3)。Frontera等的研究在纵向研究(8.9岁)与老年人还支持我们的结果小MHC类型分布的变化显示(33]。特别是,MHC I /花絮/ IIx类型被发现只有在OM和噢组。MHC I占大部分的纤维在所有四组。最常见的表达纤维类型在所有组MHC花絮”,除了噢。这表明大多数纤维表达MHC类型在人类重要的肌肉通常改变了衰老或机械应力在MHC I型和IIa(反之亦然);这可能也适用于纤维MHC类型转换MHC类型之间的我,看到花絮,II混合34,35]。不同的信号通路分别敏感响应表达式的特定亚型的纤维,如过氧物酶体proliferator-activated受体γ共激活剂1α对MHC I型(不活动引起的保护地或去神经)和核转录因子k B MHC类型IIx(通常是病理状态和老化引起的)(9]。

4.4。体内的评估大腿肌肉输出功率与体外研究及其相关性

全面了解肌肉功能根据年龄和性别的差异,我们添加了一个体内研究,评估了股四头肌肌肉力量。一般,整个大腿肌肉显示模式中,年龄和性有关的变化反映在肌肉力量输出性能的差异。我们表明,不同的性别,而不是不同的年龄,有一个清晰的模式不同的力学性能单一肌肉纤维和整个大腿肌肉的水平。此外,不同组的体内力学性能明显不同于单一肌肉纤维的功能。

这些因素也可能是积极改变了有益的干预措施。耐是最佳选择,培训通常转换myofibres缓慢的机械性能27]。有氧和偏心引起的收缩训练可能提高快速纤维的力学性能36- - - - - -38]。快速纤维生产五到六倍的功率输出缓慢的纤维,这是一个更好的选择,替代治疗练习改善老化的影响(39]。

这个体内研究的局限性之一是,我们无法获得精确的机械数据只有六世的准确功能链接的体外VL-derived单一肌肉纤维分析。机制控制人类骨骼肌的属性在分子水平上可以作为一个更好的模型来描述的整体特点肌肉设计积极的干预措施在未来的研究。

在结论中,我们使用强大的方法来测量体外肌肉功能,模拟了在单个肌肉生理状态的水平。人类VL-derived单一肌肉纤维从不同的年龄和性别分类的科目根据纤维MHC类型。绝大多数人类重要的肌肉由MHC I在所有组。有显著差异的CSA和签证官YM - YW ()。我们的研究结果表明,年龄和性别差异似乎反映出机械性能单一肌肉纤维水平和整个大腿肌肉水平;然而,性别差异更显著的在这两个层次。此外,我们发现,不同组织之间的各种功能性质更加突出在整个大腿肌肉比单一的肌肉纤维。这些数据提供了一个更大的理解人类肌肉的特点,应该有助于干预对竞技体育的发展,相关肌肉疾病的治疗,预防sarcopenia,促进肌肉的研究。

信息披露

Hyunseok Jee目前隶属于边界融合体育科学研究所(FRICSS),延世大学,首尔,韩国。

相互竞争的利益

作者没有利益冲突披露。

确认

作者感谢j·帕特里克·巴伦东京医科大学名誉教授和兼职教授,首尔国立大学盆唐医院,他编辑的手稿。本研究支持的生物和医学技术发展计划的国家研究基金(NRF)(没有。2011 - 0030135)和部分由教育部和韩国国家研究基金会(nrf - 2015 s1a5b8036349)。

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