Effect of hypoxia on protein metabolism in human skeletal muscle

Wat is het effect van zuurstofarmoede op je spiermassa?

Stel je voor dat je twee weken in een omgeving vertoeft waar de ingeademde hoeveelheid zuurstof verminderd is tot twee derde van de zuurstofhoeveelheid aanwezig op zeeniveau. Heeft dat effect op je spiermassa?

Zuurstofarmoede
Leven op aarde is voor de mens enkel mogelijk door de aanwezigheid van de atmosfeer. De atmosfeer is het luchtomhulsel rond de aarde en bestaat uit een mengeling van verschillende gassen (de belangrijkste zijn 78% stikstof, 21% zuurstof en 0.03% CO2). Voor de celademhaling in aerobe organismen is zuurstof belangrijk.

Zuurstofarmoede of hypoxie is een conditie waarbij het lichaam over onvoldoende zuurstof beschikt. Dit kan het gevolg zijn van blootstelling aan hoogte. Bij het stijgen in de bergen daalt de atmosferische druk en zo ook de partiële drukken (het aandeel van elk onderdeel van het gasmengsel). Dit komt omdat de kolom lucht boven je in de atmosfeer kleiner wordt des te hoger je je bevindt, waardoor je op hoogte genoegen moet nemen met de een lagere hoeveelheid zuurstof ten opzichte van op zeeniveau. Dus hoe hoger je je bevindt, hoe minder zuurstof aanwezig in de lucht, waardoor je er minder kan inademen. Interessant genoeg kan hypoxie ook gesimuleerd worden op zeeniveau. Dit wordt gedaan door de zuurstof uit de atmosferische lucht te filteren, terwijl de atmosferische druk gelijk blijft. Op deze manier kunnen er kamers of zelfs hotels gemaakt worden waarvan je de deur opdoet en meteen op enkele duizenden meters hoogte binnen stapt. Zulk hotel is gebruikt in deze studie, maar later meer daarover.

De net aangehaalde voorbeelden gaven aan dat hypoxie kan gecreëerd worden door atmosferische lucht in te ademen waarvan de partiële zuurstofdruk verminderd is. Anderzijds kan hypoxie ook te wijten zijn aan ziekten gekenmerkt door een verminderde capaciteit om zuurstof in te ademen en/of te verdelen over lichaam zoals longlijden, hartfalen en ernstige bloedarmoede. Er is voldoende zuurstof aanwezig in de omgeving maar er is geen geschikte opname ervan door het lichaam ter hoogte van de longen of ter hoogte van het bloed, waar zuurstof vervoerd wordt.

Spiermassa
Spieren bestaan uit eiwitten, ook proteïnen genoemd. Deze proteïnen worden voortdurend opgebouwd en afgebroken, respectievelijk proteïne synthese en proteïne degradatie genoemd. Wist je bijvoorbeeld dat na enkele maanden alle proteïnen van je arm zijn afgebroken, om meteen daarna weer vervangen te worden door nieuwe? Elke paar maanden heb je dus als het ware een ‘nieuwe arm’. Spierweefsel is dus zeer plastisch en kan reageren op verschillende prikkels. Zo is er verlies aan spiermassa wanneer er meer proteïne degradatie is dan synthese, bijvoorbeeld door inactiviteit of is er opbouw van spiermassa, gekenmerkt door meer proteïne synthese dan degradatie, bijvoorbeeld door krachttraining. Vanzelfsprekend gebeurt dit niet van vandaag op morgen. De prikkel moet minstens enkele weken aanhouden om uiteindelijk effect te hebben op spiermassa.

Zuurstofarmoede en spiermassa
Het is aangenomen dat langdurige zuurstofarmoede (meer dan enkele weken) leidt tot een verlies van spiermassa. Dit verlies aan spiermassa kan toegeschreven worden aan een verminderde proteïne synthese, een toegenomen proteïne degradatie of een combinatie van beiden. Proteïne synthese en degradatie in menselijk spierweefsel wordt gereguleerd door o.a. enzymen markers. Het zijn de enzymen markers die we bestudeerd hebben om zo na te gaan wat het effect is van hypoxie op de spierhuishouding en meer specifiek proteïne synthese en degradatie.

Het doel van het project is meer inzicht te krijgen in de mechanismen die aan de basis liggen van proteïne synthese en degradatie in menselijk spierweefsel onder invloed van hypoxie. Hierdoor kan kennis vergaard worden dat in een verder stadium kan leiden tot de ontwikkeling van een behandeling tegen ziekten geassocieerd met zuurstofarmoede.

Aussies op hoogte
Hiervoor hebben aan de Victoria Universiteit in Melbourne (Australië) acht gezonde mannen gedurende twee weken op een hoogte van 3200 meter geleefd, nagebootst in een hoogte hotel (zie foto’s). Dit komt overeen met een ingeademde zuurstofconcentratie van twee derde van de normale zuurstofconcentratie aanwezig op zeeniveau. Deze proefpersonen werden voor en na hun verblijf uitvoerig onderlegd aan fysiologische testen, waarvan het nemen van een spierbiopt er een van was. Op deze spierbiopten hebben we analytische technieken toegepast om de enzymen markers te detecteren. Deze werden gekwantificeerd en vergeleken voor en na de periode op hoogte. Het sterke aan dit onderzoek is dat alle verstorende factoren zeer goed gecontroleerd werden. Zo moesten de proefpersonen net het zelfde eten en net evenveel sporten als de periode voor dat ze het hoogte hotel binnen gingen.

Onze hypothese was dat de markers in de spiercellen die zorgen voor spieropbouw minder tot expressie zouden komen na dit verblijf van twee weken op hoogte. Wat dan op lange termijn zou kunnen leiden tot verlies aan spiermassa.

Wat hebben we geleerd?
De gemiddelde resultaten geven aan dat er geen invloed is van langdurige hypoxie op de onderzochte enzymen markers. Je moet weten dat de te verwachten verschillen zeer klein zijn en dat er steeds veel variatie tussen de proefpersonen omwille van genetische, epi-genetische (ja zoek dat woord maar eens op) en omgevingsfactoren. Daarom zijn we nagegaan of er geen associaties zijn tussen de individuele waarden van de proefpersonen. En inderdaad, figuur 1 geeft aan dat er een duidelijke correlatie of associatie is tussen de verschillende enzymen die we gemeten hebben. Wanneer een marker stijgt in activatie, gaat de andere verminderen en vice versa. Dit kunnen we verwachten aangezien Adenosine Monophosphate-Activated Protein Kinase (AMPK) een blokkerende functie heeft op Ribosomal protein S6 kinase 1 (S6K1) (zie de legende van de figuur voor meer uitleg over de enzymen). We kunnen dus besluiten dat de moleculaire aanpassingen aan hoogte individueel bepaald zijn en dat er dus mogelijk ‘responders’ en ‘non-responders’ zijn. Je ziet het, de wetenschap staat niet stil en er zal nog veel onderzoek moeten gebeuren om een volledig idee te krijgen van welke invloed hypoxie heeft op onze spiercellen. Dat maakt het net zo interessant, niet?