BOSTON — Bewegung hat sich als Schutz vor einer Vielzahl von Krankheiten erwiesen und ist möglicherweise die stärkste Anti-Aging-Maßnahme, die der Wissenschaft bekannt ist. Während körperliche Aktivität die Gesundheit während des Alterns verbessern kann, nehmen ihre wohltuenden Wirkungen jedoch zwangsläufig ab. Die zellulären Mechanismen, die der Beziehung zwischen Bewegung, Fitness und Alterung zugrunde liegen, sind noch weitgehend unverstanden.
In einem im veröffentlichten Artikel Proceedings of the National Academy of Sciencesuntersuchten Forscher am Joslin Diabetes Center die Rolle eines zellulären Mechanismus bei der Verbesserung der körperlichen Fitness durch körperliches Training und identifizierten eine Anti-Aging-Intervention, die die mit dem Altern eintretende Verschlechterung im Modellorganismus verzögerte. Zusammen öffnen die Ergebnisse der Wissenschaftler die Tür zu neuen Strategien zur Förderung der Muskelfunktion während des Alterns.
„Übung wird vielfach eingesetzt, um die Lebensqualität zu verbessern und vor degenerativen Erkrankungen zu schützen, und beim Menschen reduziert ein langfristiges Trainingsprogramm die Gesamtmortalität“, sagte der Mitautor T. Keith Blackwell, MD, PhD, ein leitender Forscher und Abteilungsleiter für Inselzellen und regenerative Biologie bei Joslin. „Unsere Daten identifizieren einen wesentlichen Mediator für die Reaktionsfähigkeit auf Übungen und einen Einstiegspunkt für Interventionen zur Aufrechterhaltung der Muskelfunktion während des Alterns.“
Dieser wesentliche Vermittler ist der Zyklus der Fragmentierung und Reparatur der Mitochondrien, der spezialisierten Strukturen oder Organellen in jeder Zelle, die für die Energieerzeugung verantwortlich sind. Die Funktion der Mitochondrien ist für die Gesundheit von entscheidender Bedeutung, und die Störung der mitochondrialen Dynamik, des Zyklus der Reparatur dysfunktionaler Mitochondrien und der Wiederherstellung der Konnektivität zwischen den energieproduzierenden Organellen, wurde mit der Entwicklung und dem Fortschreiten chronischer, altersbedingter Krankheiten wie Herzerkrankungen in Verbindung gebracht Typ 2 Diabetes.
„Wenn wir feststellen, dass unsere Muskeln nach einer Trainingseinheit einem Muster der Ermüdung und Wiederherstellung unterliegen, durchlaufen sie diesen mitochondrialen dynamischen Zyklus“, sagte Blackwell, der auch amtierender Abteilungsleiter der Immunbiologie bei Joslin ist. „Die Muskulatur bewältigt dabei die Nachwirkungen der Stoffwechselbelastung und stellt ihre Funktionsfähigkeit wieder her.“
Blackwell und Kollegen – darunter der Mitautor Julio Cesar Batista Ferreira, PhD, Institute of Biomedical Sciences, University of Sao Paulo – untersuchten die Rolle der mitochondrialen Dynamik während des Trainings im Modellorganismus C. elegans, einem einfachen, gut untersuchten mikroskopischen Wurm Arten, die häufig in der Stoffwechsel- und Alterungsforschung verwendet werden.
Die Forscher beobachteten bei der Aufzeichnung von C. elegans-Würmern vom Wildtyp beim Schwimmen oder Krabbeln einen typischen altersbedingten Rückgang der körperlichen Fitness über die 15 Tage des Erwachsenenalters der Tiere. Die Wissenschaftler zeigten auch eine signifikante und fortschreitende Verschiebung hin zu fragmentierten und/oder desorganisierten Mitochondrien in den alternden Tieren. Zum Beispiel beobachteten sie bei jungen Würmern am ersten Tag des Erwachsenenalters, dass ein einziger Anfall von körperlicher Ermüdung nach einer Stunde auftritt. Die 60-minütige Sitzung verursachte auch eine Zunahme der mitochondrialen Fragmentierung in den Muskelzellen der Tiere, aber ein Zeitraum von 24 Stunden war ausreichend, um sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die mitochondriale Funktion wiederherzustellen.
Bei älteren (Tag 5 und Tag 10) Würmern kehrte die Leistung der Tiere nicht innerhalb von 24 Stunden auf den Ausgangswert zurück. Ebenso durchliefen die Mitochondrien der älteren Tiere einen Kreislauf der Fragmentierung und Reparatur, aber die dabei auftretende Netzwerkreorganisation war im Vergleich zu der der jüngeren Tiere geringer.
„Wir haben festgestellt, dass eine einzelne Trainingseinheit einen Zyklus von Müdigkeit und Erholung der körperlichen Fitness induziert, der von einem Zyklus des Wiederaufbaus des mitochondrialen Netzwerks begleitet wird“, sagte Erstautorin Juliane Cruz Campos, Postdoktorandin am Joslin Diabetes Center. „Das Altern dämpfte das Ausmaß, in dem dies auftrat, und führte zu einem parallelen Rückgang der körperlichen Fitness. Das deutete darauf hin, dass die mitochondriale Dynamik wichtig sein könnte, um die körperliche Fitness aufrechtzuerhalten und möglicherweise durch eine Trainingseinheit die körperliche Fitness zu verbessern.“
In einer zweiten Reihe von Experimenten ließen die Wissenschaftler Wildtypwürmer an 10 aufeinanderfolgenden Tagen eine Stunde pro Tag schwimmen, beginnend mit dem Einsetzen des Erwachsenenalters. Das Team stellte fest, dass – wie bei Menschen – das langfristige Trainingsprogramm die Fitness der Tiere im mittleren Alter am 10. Tag signifikant verbesserte und die Beeinträchtigung der mitochondrialen Dynamik, die typischerweise während des Alterns auftritt, milderte.
Schließlich testeten die Forscher bekannte lebensverlängernde Interventionen auf ihre Fähigkeit, die körperliche Leistungsfähigkeit im Alter zu verbessern. Würmer mit erhöhtem AMPK – einem Molekül, das ein wichtiger Regulator der Energie während des Trainings ist und auch die Umgestaltung der mitochondrialen Morphologie und des Stoffwechsels fördert – zeigten eine verbesserte körperliche Fitness. Sie demonstrierten auch die Aufrechterhaltung, aber nicht die Verbesserung der Trainingsleistung während des Alterns. Würmer, denen AMPK fehlt, zeigten während des Alterns eine verringerte körperliche Fitness sowie eine Beeinträchtigung des Erholungszyklus. Sie erhielten auch nicht die altersverzögernden Vorteile von Bewegung im Laufe der Lebensspanne.
„Ein wichtiges Ziel auf dem Gebiet des Alterns ist es, Interventionen zu identifizieren, die nicht nur die Lebensdauer verlängern, sondern auch die Gesundheit und Lebensqualität verbessern“, sagte Blackwell, der auch Professor für Genetik an der Harvard Medical School ist. „Bei alternden Menschen ist ein Rückgang der Muskelfunktion und der Belastungstoleranz ein großes Problem, das zu einer erheblichen Morbidität führt. Unsere Daten weisen auf potenziell fruchtbare Interventionspunkte hin, um diesem Rückgang vorzubeugen – höchstwahrscheinlich zusammen mit anderen Aspekten des Alterns. Es wird von großem Interesse sein zu bestimmen, wie die Plastizität des mitochondrialen Netzwerks die körperliche Fitness zusammen mit der Langlebigkeit und altersassoziierten Krankheiten beim Menschen beeinflusst.“
Weitere Autoren waren Takafumi Ogawa vom Joslin Diabetes Center; Luiz Henrique Marchesi Bozi (Co-Erstautor); Barbara Krum, Luiz Roberto Grassmann Poor, Nicholas Dresch Ferreira, Gabriel Santos Arini, Wheel Priests Albuquerque der Universität von Sao Paulo; Annika Traa von der McGill University; Alexander M. van der Bliek von der David Geffen School of Medicine an der University of California, Los Angeles; Afshin Beheshti vom NASA Ames Research Center; und Jeremy M. Van Raamsdonk von der Harvard Medical School.
Diese Arbeit wurde unterstützt von der Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) (Grants 2013/07937-8, 2015/22814-5, 2017/16694-2 und 2019/25049-9); Nationaler Forschungs- und Entwicklungsrat – Brasilien (CNPq) (Grants 303281/2015-4 und 407306/2013-7); Koordination für die Verbesserung des Hochschulpersonals – Brasilien (CAPES) Finanzcode 001 und Nationales Institut für Wissenschaft und Technologie und Zentrum für Forschung und Entwicklung von Redox-Prozessen in der Biomedizin; National Institutes of Health (NIH) (Grants R35 GM122610, R01 AG054215, DK123095, AG071966); das Joslin Diabetes Center (Stipendien P30 DK036836 und R01 GM121756); FAPESP-Postdoktorandenstipendien 2017/16540-5 und 2019/18444-9 sowie 2016/09611-0 und 2019/07221-9; der Karriereentwicklungspreis der American Heart Association (2022/926512); das Claudia Adams Barr-Programm; der Lavine Family Fund; der Pew Charitable Trust. William B. Mair (Harvard TH Chan School of Public Health) und Malene Hansen (Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute) stellten einige der in dieser Studie verwendeten Wurmstämme zur Verfügung. Andere Stämme wurden vom CGC bereitgestellt, das vom NIH finanziert wird (P40 OD010440).
Chouchani ist Gründer und Anteilseigner von Matchpoint Therapeutics. Die anderen Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.
Über das Joslin Diabetes Center
Das Joslin Diabetes Center ist weltweit bekannt für seine umfassende Expertise in der Diabetesbehandlung und -forschung. Als Teil von Beth Israel Lahey Health widmet sich Joslin der Suche nach einem Heilmittel für Diabetes und stellt sicher, dass Menschen mit Diabetes ein langes, gesundes Leben führen. Wir entwickeln und verbreiten innovative Patiententherapien und wissenschaftliche Entdeckungen auf der ganzen Welt. Joslin ist mit der Harvard Medical School und einem von nur 18 vom NIH benannten Diabetes-Forschungszentren in den Vereinigten Staaten verbunden.
Das Joslin Diabetes Center ist Teil von Beth Israel Lahey Health, einem Gesundheitssystem, das akademische medizinische Zentren und Lehrkrankenhäuser, Gemeinde- und Spezialkrankenhäuser, mehr als 4.800 Ärzte und 36.000 Mitarbeiter in einer gemeinsamen Mission zusammenbringt, um den Zugang zu hervorragender Versorgung und Fortschritt zu erweitern die Wissenschaft und Praxis der Medizin durch bahnbrechende Forschung und Lehre.
Tagebuch
Proceedings of the National Academy of Sciences