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Dissertation: Christian Brinkmann


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Dissertation: Christian Brinkmann

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Deutsche Sporthochschule Köln
Institut für Kreislaufforschung und Sportmedizin / Abteilung für molekulare und zelluläre Sportmedizin
Brinkmann, Christian (2012): Einfluss körperlicher Aktivität auf den oxidativen Stress und die antioxidative Kapazität bei nicht-insulinpflichtigen Typ-2-Diabetikern - Peroxiredoxine als Radikalenpuffer in der Skelettmuskultur und den Erythozyten Zusammenfassung:
Zusammenfassung der Dissertation

Einleitung: Ein hohes Aufkommen freier Radikale (oxidativer Stress) wird als kausal für die Manifestation und Progression des Typ-2-Diabetes mellitus als auch der Diabetes-bedingten Folgeerkrankungen (z.B. Makro- und Mikroangiopathien) angesehen. Peroxiredoxine (PRDX) sind Teil der endogenen antioxidativen Kapazität und haben in den letzten Jahren verstärkt Aufmerksamkeit erfahren. Bisher ist allerdings kaum etwas über die Regulation und Funktionsweise dieser antioxidativen Proteine im diabetischen Organismus oder über die Effekte von Sport auf das PRDX-System bekannt. Daher war es Ziel dieser Arbeit zu untersuchen, inwiefern oxidativer Stress (gemessen als 8-Isoprostaglandin-F2α (8-Iso-PGF)) und die PRDX-Gehalte in der Skelettmuskulatur sowie in den Erythrozyten nicht-insulinpflichtiger Typ-2-Diabetiker durch die Stoffwechselerkrankung verändert werden. Zudem stand der Einfluss körperlichen Trainings/der körperlichen Leistungsfähigkeit auf die oxidative Stress-Situation und die Verfügbarkeit von PRDX (unter Ruhebedingungen) in der Skelettmuskulatur/den Erythrozyten dieses Patientenkollektivs im Fokus des Forschungsvorhabens. Es wurde darüber hinaus eruiert, wie sich akute sportliche Aktivität unmittelbar auf den oxidativen Stress und den Oxidationszustand von PRDX in roten Blutzellen bei Typ-2-Diabetikern (vor und nach einer Trainingsintervention) auswirkt. Methoden: Übergewichtige/Adipöse nicht-insulinpflichtige Typ-2-Diabetiker und übergewichtige/adipöse nicht-diabetische Kontrollpersonen unterzogen sich im ausgeruhten Zustand einer Muskelbiopsie am Musculus vastus lateralis. Außerdem wurde den Probanden venöses Blut unter Ruhebedingungen als auch unmittelbar nach akuter Belastung (Stufentest auf dem Fahrradergometer) abgenommen. Für die Detektion und zur semiquantitativen Bestimmung von 8-Iso-PGF, der PRDX-Isoformen (PRDX1-6) sowie überoxidierter PRDX (PRDX-SO2-3) kamen immunohistochemische Färbungen zum Einsatz, denen sich eine densitometrische Auswertung anschloss. Auf die gleiche Weise erfolgte die Analyse der entsprechenden Makromoleküle nach 3-monatigen Trainingsinterventionen (je nach Studiendesign Kraft- oder Ausdauertraining mit submaximalen Intensitäten), an denen die Typ-2-Diabetiker teilnahmen. Ergebnisse: Der oxidative Stress-Level war in der Skelettmusulatur bei den Typ-2-Diabetikern niedriger im Vergleich zu den Kontrollpersonen, während er sich in den Erythrozyten nicht signifikant unterschied. In der Skelettmuskulatur konnten alle 6 PRDX-Isoformen, in den Erythrozyten nur PRDX1 und PRDX2 immunohistochemisch erfasst werden. Bei den Diabetikern waren die Gehalte an PRDX2 und PRDX6 in den Skelettmuskelzellen sowie an PRDX1 in den Erythrozyten in Relation zu den Nicht-Diabetikern erhöht. Körperliches Training führte nicht zu einer Verminderung von 8-Iso-PGF in der Skelettmuskulatur, wohl aber in den roten Blutzellen. Regelmäßige sportliche Betätigung steigerte bei den Diabetikern die PRDX5-Gehalte in den Skelettmuskelzellen und die PRDX2-Gehalte in den Erythrozyten. Zusätzlich durchgeführte Regressionsanalysen zu den erythrozytären Variablen (Ordinate: 8-Iso-PGF, PRDX1, PRDX2, PRDX-SO2-3), jeweils aufgetragen gegen glykämische Werte (Abszisse: Glykohämoglobin (HbA1c), Nüchternglukose) und gegen Determinanten der körperlichen Leistungsfähigkeit (Abszisse: maximale Sauerstoffaufnahme (VO2peak), Wattleistung bei 4 mmol/l Laktat), ergaben positive Zusammenhänge zwischen: 8-Iso-PGF – HbA1c, 8-Iso-PGF – Nüchternglukose, PRDX2 – VO2peak, PRDX2 – Wattleistung bei 4 mmol/l Laktat. Während akuter Belastung konnte eine Zunahme von 8-Iso-PGF in den Erythrozyten der diabetischen Patienten als auch der Nicht-Diabetiker konstatiert werden, während eine Zunahme an PRDX-SO2-3 nur in den Erythrozyten der Typ-2-Diabetiker zu beobachten war. Nach Trainingsintervention verringerte sich der belastungs-bedingte Anstieg im oxidativen Stress in Relation zur maximalen Belastungszeit beim Stufentest, wohingegen das Ausmaß der Anstiege von PRDX-SO2-3 während Akutbelastung in den roten Blutzellen der Diabetiker zunahm. Schlussfolgerungen: Das PRDX-System scheint unter den patho-physiologischen Bedingungen beim Typ-2-Diabetes mellitus in der Skelettmuskulatur und den Erythrozyten hochreguliert werden zu können. Zudem eignet sich körperliches Training, die Präsenz von PRDX zu steigern. Aufgrund anderer Studienergebnisse kann vermutet werden, dass die Fähigkeit von PRDX zur Überoxidation (wie bei den Typ-2-Diabetikern unter akuter Belastung in Erythrozyten gezeigt) möglicherweise darin von Nutzen ist, dass überoxidierte PRDX als protektive Chaperone agieren können. Insgesamt tragen die beobachteten Veränderungen im PRDX-System wahrscheinlich zu einer Stärkung der antioxidativen Abwehr beim Typ-2-Diabetiker bei und können sich vermutlich positiv auf die Prävention von Radikalen-induzierten Schädigungen in Ruhe und bei akuter körperlicher Belastung auswirken.

Summary of the doctoral thesis

Introduction: A high level of free radicals (oxidative stress) is said to be causally linked to the manifestation and progression of type 2 diabetes mellitus as well as to diabetic secondary complications (e.g., macro-and microangiopathies). Peroxiredoxins (PRDX) are part of the endogenous antioxidative capacity and have gained increasing attention in recent years. However, to date only very little is known about the regulation and functioning of these antioxidative proteins in the diabetic organism or about the effects of sports on the PRDX system. Hence, the present thesis aimed to examine the extent to which oxidative stress (measured as 8-iso-prostaglandin-F2α (8-Iso-PGF)) and the PRDX contents in the skeletal muscle as well as in the erythrocytes of non-insulin-dependent type 2 diabetic men are altered by the metabolic disease. Moreover, this research project focused on the effect of physical training/physical fitness on the oxidative stress situation and the PRDX contents in the skeletal muscle/ erythrocytes of this particular patient group (at rest). It was further investigated how acute exercise directly affects oxidative stress and the oxidation state of PRDX in red blood cells of type 2 diabetic men (before and after a training intervention). Methods: Overweight/Obese non-insulin-dependent type 2 diabetic men and overweight/obese non-diabetic male control subjects underwent a muscle biopsy from the vastus lateralis muscle under resting conditions. In addition, venous blood was collected from the subjects at rest as well as immediately after acute exercise (step test on a bicycle ergometer). Immunohistochemical stainings were carried out to identify 8-Iso-PGF, the different PRDX isoforms (PRDX1-6) and overoxidized PRDX (PRDX-SO2-3), followed by a densitometric semiquantitative analysis. The same methods were applied to determine the amount of the respective macromolecules in type 2 diabetic men following a 3-month training intervention (submaximal intensity resistance or endurance training, depending on the study design). Results: The oxidative stress level was lower in the skeletal muscle of type 2 diabetic men compared with the control subjects, while it did not significantly differ in the erythrocytes. In the skeletal muscle, all 6 PRDX isoforms were immunohistochemically determined, whilst this only applied to PRDX1 and PRDX2 in the erythrocytes. The contents of PRDX2 and PRDX6 in the skeletal muscle cells of the diabetic patients as well as the PRDX1 contents in their erythrocytes were increased relative to the non-diabetic group. Physical training did not reduce 8-Iso-PGF in the skeletal muscle, but it did in the red blood cells. Regular physical activity raised the PRDX5 contents in the diabetic patients` skeletal muscle cells and the PRDX2 contents in their erythrocytes. Supplemental regression analyses regarding the erythrocyte variables (ordinate: 8-Iso-PGF, PRDX1, PRDX2, PRDX-SO2-3), each plotted against glycemic variables (abszissa: glycated hemoglobin (HbA1c), fasting glucose) and against determinants of physical fitness (abszissa: maximal oxygen consumption (VO2peak), the workload at 4 mmol/l lactate), showed positive relationships between: 8-Iso-PGF – HbA1c, 8-Iso-PGF – fasting glucose, PRDX2 – VO2peak, PRDX2 – the workload at 4 mmol/l lactate. An increase in 8-Iso-PGF was observed in the erythrocytes of type 2 diabetic patients as well as of non-diabetic subjects during acute exercise. However, an increase in overoxidized PRDX was evident only in the erythrocytes of type 2 diabetic men. Following physical training, the magnitude of exercise-induced oxidative stress decreased in relation to maximal exercise-time, as determined during the step test, whereas the magnitude of increases in PRDX-SO2-3 in the red blood cells of type 2 diabetic men was higher. Conclusions: It seems that the PRDX system can be up-regulated in the skeletal muscle and erythrocytes under the patho-physiological conditions of type 2 diabetes mellitus. Physical training furthermore increases PRDX availability. In accordance with other research results, it can be assumed that the ability of PRDX to overoxidize (as shown in the erythrocytes of type 2 diabetic men during acute exercise) could be useful considering that overoxidized PRDX can act as protective chaperones. Taken together, the changes observed in the PRDX system may contribute to the strengthening of the antioxidative defense capacity of type 2 diabetic men and can probably have a positive effect on the prevention of radicals-induced damages at rest and during acute exercise.



16.08.2017 - 03:16