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Metabolic and IL-6-Induced Inflammatory Responses in High-Intensity Intermittent Exercise among Type 2 Diabetes Patients with Sarcopenia

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DOI: 10.4236/oalib.1104622    116 Downloads   264 Views  

ABSTRACT

Objective: The aim of this study was to examine the effects of high-intensity intermittent exercise (HIIE) on features of immunometabolism by comparing elderly female sarcopenia and non-sarcopenia in elderly female patients with type 2 diabetes (T2MD). Differences in metabolism and inflammatory responses between the two groups were compared. Methods: 6 elderly female sarcopenia patients with T2MD served as sarcopenia group, and 7 elderly female non-sarcopenia patients with T2MD served as control subjects. Using dual energy X-ray absorptiometry (DXA) to the subjects’ body fat compositions was measured. All subjects underwent three high-intensity Wingate tests at 5-minute intervals, and peak and average power during each Wingate trial were recorded. Blood samples were collected immediately after the test was completed. Peripheral blood levels of the inflammatory cytokine IL-6, which is related to mitosis, were measured in both groups before and after HIIE by ELISA. Results: The non-sarcopenia group had a higher metabolic rate than the sarcopenia group. Sarcopenia had no significant effect on the differences in the IL-6 inflammatory response (p = 0.430). Conclusion: The metabolic energy and rate during HIIE differed between the two groups. Non-sarcopenia group exhibited higher metabolic levels. No significant difference between groups was observed in the IL-6 inflammatory response during HIIE.

1. はじめに

高齢2型糖尿病者はサルコぺニアになりやすく、その病症は筋肉量の减少、筋力及び体力の低下、そして、転倒や骨折のリスクは健常者よりはるかに高くなるので、2型糖尿病患者の暮らしに支障が出ている。筋肉は体の运动器官でもあり、代谢器官でもあるので、グルコースが代谢する主な场所になり[1]、糖质の代谢に重要な调节机能を果たしている。先行研究によると、运动时に筋肉のグリコーゲンの分解能力は低下し[2]、その同时に筋肉が摂取するグルコースの量は増え、细胞膜のグルコースの移転と细胞内のグルコースへの利用も多くなると报告される[3]。それだけではなく、筋肉はインシュリン抵抗が一番早く现れる器官で、体全体のインシュリン抵抗の进化にはとても重要である[4] [5]。そのほかに、筋肉はIL-6、IL-15、TNF-aなどの细胞因子の运动による免疫の改善、炎症の反応や免疫调节にかかわっているという研究もあったようである[6] [7] [8] [9]。それらの炎症因子、たとえばIL-6などはインシュリン抵抗の现れに密接な关系を持っている[5] [10]。要するに、筋肉は运动器官でもあり、代谢器官でもあり、免疫器官でもあるので、代谢や免疫において重要な役割を果たし、2型糖尿病と密接な相关をもっている。

高强度间欠的运动(HIIE)は短时间で行う全力的で、爆発的なハイスピードの运动で、代谢の出発物质の有効性とエネルギーの相互作用を伴っている[11]。HIIEや高强度间欠的训练(HIIT)に关する先行研究は主にスポーツ选手あるいは一般人を対象として行われたが[11] [12] [13] [14] [15]、2型糖尿病、高血圧、心臓血管疾患などの慢性疾患に关する研究の多くはHIIE またはHIITによっての介入治疗研究で[16] [17] [18]、筋力への影响に关する研究も含まれている[19]。これらの研究は慢性疾患のHIIEまたはHIITの研究にかかわっているが、慢性的な代谢疾患の筋肉量によって异なるHIIEの免疫代谢についての研究がまだ発表されていない。したがって、本研究の目的は筋肉量が异なる2型糖尿病の高齢の女性患者が行う高强度间欠的运动の免疫代谢(immunometabolism)の特性を评価することである。

2. 対象と研究方法

対象

2017年8月から11月までに青岛大学付属第十一病院で诊疗を受けた6名のサルコぺニアの高齢2型糖尿病女性(平均年齢は69.33 ± 7.89岁)を本研究のサルコぺニア群の対象にした一方で、同时期の7名の2型糖尿病非サルコぺニアの高齢の女性患者(平均年齢は70.43 ± 7.66岁)を非サルコぺニア群の対象にした。本研究は青岛大学付属病院の伦理审査を通り、対象に说明を行った(承认番号:QYFY2017025)。すべての対象は自主的に本研究に关与した。すべての対象に対象群に入ってからの一周间に一同の饮食と休憩をし、毎日中等度~高强度の运动を実施しないように指示した。

1) 诊断の基准:サルコぺニアの诊断の基准はAsian working group for sarcopenia (AWGS)の基准にしたがい[20]、歩行の速度は0.8 m/s以下で、女性の场合は、握力は18 kg以下で、筋肉量のSMI指标は5.40kg/m2である。

2) 付け加えの基准:a) 60歳以上の2型糖尿病の女性患者b) サルコぺニアの诊断の基准に合う2型糖尿病の高齢の女性患者(サルコぺニア群) c) SMI指标が正常な2型糖尿病患者(非サルコぺニア群)。

3) 対象外になる基准:a) ほかの持病を合并している女性患者b) 60歳以下の女性患者c) SMI低下であるが、握力や歩行の速度が正常な女性患者d) サルコぺニアに副作用を与えるホルモン关连の薬物を长期的に饮む女性患者e) 身体障害があるあるいは病状が深刻な女性患者。

3. 研究方法

3.1. 筋肉量の测定

二重エネルギーX线吸収法(DXA)で骨量を含めない除脂肪量を测定した(Lunar Prodigy; GE; USA)。すべての対象に金属制の饰り物を外し、平常な室温でベッドに横になり、両足を揃え、体を両手に挟むように指示し、二重エネルギーX线吸収を测定した。测定终了后、脂肪を除いた四肢の软组织量を采取し、脂肪を除いた四肢の软组织量を身长の二乗で除すことにより、筋肉量指标SMIを算出した,SMI = 四肢除去脂肪软组织量(AMM)/身长(m2) [20] 。

3.2. 握力と歩行速度の测定

握力测りで握力计を测定した(CAMRY; EH101; China)。测定は左右各二回ずつ実施し、その平均値を解析値とした。歩行速度の测定で6メートルの歩行実験を行った。対象に普段の歩行の速度で6メートルの距离を歩くように指示し、ストップウォッチで歩く时间を记録し、2回の歩行时间の平均値を歩行速度の値にした。

3.3. 高强度の间欠的なWingate Test

Wingate testは无酸素性エネルギー供给能力を评価している。受験者は2 - 4 minの准备动作后、休息3 - 5 min、运动开始に、最大努力でペダル回転数をあげ、30秒间すべて全力で维持するように指示する[21]。実験前の24 h间に中等度~高强度の运动を実施しないように指示し、朝食を摂取する前に高强度の间欠的なWingate testを5 minの休息を挟み、三回行った。テストの前、対象に室内のロードバイクに乗り、15 minのウォーミングアップのうちに全力でハイスピードの漕ぎを二回し、それに心拍数が150拍/minに达するように、その漕ぎを毎回8 sまで続けるように指示した。5分间の休息で心拍数が100拍/minに下がったら、自転车エルゴメーターというダイナモメーターで実験を行うようにした(Monark; 828E; Sweden)。始まった直后の30 s以内に対象にできるだけ早くロードバイクを漕ぎ、そのうちに漕ぎ姿を変えないように指示した。それから、対象が全力を出すように励ました。ピークパワーと平均パワーを记録した。そして、5 minの休息を挟み、そのようなWingate testを三回缲り返した。途中で具合が悪くなった対象がいたら、すぐにテストを中止するようにした。

3.4. サンプルの测定

1) 乳酸の测定:テストの前と毎回のWingate test终了の1min后に対象の耳の先の血液をサンプルとして采取し、Accutrend Plusで血中乳酸量(LA)を测定した(Roche; Germany)。数値はmmol/lで示されている。

2) 血糖の测定:テストの前と三回のWingate test终了后に対象の上腕部周りの静脉の血液を采取し、全自动生物化学分析器(日立;7080;Japan)で血糖の测定を行った。

3) IL-6の测定:テストの前と三回のWingatetest终了后に対象の上腕部周りの静脉の血液を采取し、ELISA法で静脉の血清の细胞因子IL-6を测定した(BIOSH; SUB10377; China)。

3.5. 统计学の方法

Spss21.0でデータを统计し、Shapiro-Wilkでデータの正规分布を検证した。サルコぺニア群と非サルコぺニア群の关连项目の平均値の差の比较はt検定を用いたが、HIIEの关连项目の比较はマッチングt検定で行われた。要因がピークパワーや平均パワー、IL-6、血中乳酸量、血糖の変化への影响を2要因反复测定分散分析で分析し、Mauchly球形検定で各変数が対称になるかどうかを検证し、必要な时にGreenhouse-Geisserで订正した。分散の标准偏差をBonferroniで検证した。また、η2で効果を算出した。p < 0.05の场合しか统计学的な意味がないと考えられる。

4. 结果

2つの群の基本状况は表1から见ると、サルコペニア有症群のSMI(t = −6.905, p < 0.001)、筋肉量(t = −3.649, p = 0.004)と握力(t = −3.484, p = 0.007)が着しく低下した。

高强度间欠的运动の间に、サルコペニアの影响(F1,11 = 7.05, p = 0.022, η2 = 0.39)およびテスト试合の効果(F2,22 = 191.40, p < 0.001, η2 = 0.95)にピークパワーに対する试験试行の効果があったが、交互作用を示さなかった(F2,22 = 0.06, p = 0.837, η2 = 0.01)。表2から见て、非サルコペニア有症群と比较してみれば、サルコペニア有症群のピークパワーが着しく低下した(p = 0.022; 95% CI = 15.643 - 167.088)。サルコペニア有症群の1回目は2回目よりピークパワーが高く(p < 0.001; 95% CI = 63.51 - 102.15)、3回目よりもピークパワーが高いが(p < 0.001; 95% CI = 106.80 - 175.87)、2回目は3回目よりもピークパワーが高い(p < 0.001; 95% CI = 37.38 - 79.62)。非サルコペニア有症群の1回目は2回目よりピークパワーが高い(p < 0.001; 95% CI = 64.77 - 105.80)、3回目よりもピークパワーが高いが(p < 0.001; 95% CI = 104.10 - 173.33)、2回目は3回目よりもピークパワーが高い(p = 0.001; 95% CI = 38.12 - 68.74)。

高强度间欠的运动の间に、サルコペニアの影响(F1,11 = 6.18, p = 0.030, η2 = 0.36)およびテスト试合の効果(F2,22 = 226.67, p < 0.001,η2 = 0.95)に平均パワ

Table 1. Initial indexes in the two groups of patients ( x ¯ ± s).

*Compared with the non-sarcopenia group, p < 0.05.

Table 2. Peak power and average power during three wingate tests in the two groups of patients ( x ¯ ± s).

aSignificant difference compared with the non-sarcopenia group, p < 0.05; bSignificant difference compared with the second Wingate test, p < 0.05; cSignificant difference compared with the third Wingate test, p < 0.05.

ーに対する试験试行の効果があったが、交互作用を示さなかった(F2,22 = 0.63, p = 0.465, η2 = 0.04)。表2から见て、非サルコペニア有症群と比较してみれば、サルコペニア有症群の平均パワーが着しく低下した(p = 0.022; 95% CI = −151.67 - −14.52)。サルコペニア有症群の1回目は2回目よりも平均パワーが高く(p < 0.001; 95% CI = 50.71 - 92.29)、3回目よりも平均パワーが高いが(p < 0.001; 95% CI = 109.88 - 147.12)、2回目は3回目よりも平均パワーが高い(p = 0.006; 95% CI = 25.16 - 88.84)。非サルコペニア有症群の1回目は2回目よりも平均パワーが高く(p < 0.001; 95% CI = 53.75 - 97.97)、3回目よりも平均パワーが高いが(p < 0.001; 95% CI = 103.62 - 139.53)、2回目は3回目よりも平均パワーが高い(p < 0.001; 95% CI = 33.58 - 57.85)。

高強度間欠的運動の間に、サルコペニアの影響(F1,11 = 6.16; p = 0.030; η2 = 0.36)およびテスト試合の効果(F3,33 = 281.16; p < 0.001; η2 = 0.96)に乳酸値に対する試験試行の効果があったが、交互作用を示さなかった(F3,33 = 3.22; P = 0.035; η2 = 0.23)。表3から見て、非サルコペニア有症群と比較してみれば、サルコペニア有症群の乳酸値が著しく低下した(p = 0.030; 95% CI = 0.125 - 2.095)。サルコペニア有症群の3回目の乳酸値は2回目よりもが高く(P = 0.001; 95% CI = 0.86 - 1.71)、1回目よりも高く(P < 0.001; 95% CI = 3.04 - 4.56)、初期値よりも高いが(P < 0.001; 95% CI = 6.66 - 9.81)、2回目の乳酸値は1回目より高く(P < 0.001; 95% CI = 1.91 - 3.12)、初期値よりもが高い(p < 0.001; 95% CI = 5.61 - 8.29)。1回目の乳酸値は初期値よりも高い(p < 0.001; 95% CI = 2.88 - 5.98)。非サルコペニア有症群の3回目の乳酸値は2回目より

Table 3. Blood lactic acid results before and after the three wingate tests in the patients in the two groups ( x ¯ ± s).

aSignificant difference compared with the non-sarcopenia group, p < 0.05; bSignificant difference compared with the first Wingate test, p < 0.05; cSignificant difference compared with the second Wingate test, p < 0.05; dSignificant difference compared with the third Wingate test, p < 0.05.

Table 4. Blood glucose results before and after the three wingate tests in the patients in the two groups ( x ¯ ± s).

aSignificant difference compared with the non-sarcopenia group, p < 0.05; bSignificant difference compared with the after HIIE, p < 0.05.

も高く(p = 0.001; 95% CI = 1.02 - 2.50)、1回目よりも高く(p < 0.001; 95% CI = 3.59 - 6.55)、初期値よりも高いが(p < 0.001; 95% CI = 8.95 - 11.45)、2回目の乳酸値は1回目よりもが高い(p < 0.001; 95% CI = 2.16 - 4.47)、2回目の乳酸値は初期値よりもが高い(p < 0.001; 95% CI = 7.12 - 9.77)。1回目の乳酸値は初期値よりも高い(p < 0.001; 95% CI = 3.79 - 6.47)。

高強度間欠的運動の間に、サルコペニアの影響(F1,11 = 5.30; p = 0.042; η2 = 0.33)およびモーメントの効果(F1,11 = 73.86; p < 0.001; η2 = 0.87)に血糖値に対する試験試行の効果があったが、交互作用を示さなかった(F1,11 = 3.32; p = 0.096; η2 = 0.23)。サルコペニア有症群の血糖値の変化が著しい(8.23 ± 0.48 mmol/l VS 9.53 ± 0.81 mmol/l)、(p = 0.001; 95% CI = −1.73 - −0.87)。非サルコペニア有症群の血糖値の変化が著しい(8.57 ± 0.68 mmol/l VS 10.57 ± 0.54 mmol/l)、(p = 0.001, 95%CI = −2.79 - −1.21) (表4)。

ただし、高強度間欠的運動の間に、モーメントの効果(F1,11 = 23.55; p = 0.001; η2 = 0.68)にIL-6値に対する試験試行の効果があったが.サルコペニアの影響(F1,11 = 0.67; p = 0.430; η2 = 0.06)および交互作用(F1,11 = 1.37; p = 0.266; η2 = 0.11)を示さなかった。图1から見ると、サルコペニア有症群のIL-6値の変化が著しい(30.98 ± 7.68 pg/ml VS 34.68 ± 9.33 pg/ml),(p = 0.006, 95% CI = −5.78 - −1.62)。非サルコペニア有症群のIL-6値の変化が著しい(26.39 ± 5.97 pg/ml VS 32.44 ± 7.77 pg/ml),(p = 0.012, 95% CI = −10.26 - −1.85) (图1)。

5. 考察

筋肉は運動機能を持つだけではなく、化学エネルギーが機械エネルギーや熱エネルギーに転換する場所である。また、エネルギーの貯蔵、消費や転換及び体の新陳代謝や生命活動など重要なことに関係している。したがって、2型糖尿病になっても、筋肉は代謝のバランスの維持やエネルギーの

Figure 1. IL-6 levels before and after HIIE.

保存に役立つと推測される。先行研究では、サルコぺニアになるとIL-6が上がるということが報告されている[22]。IL-6は筋肉の蛋白質の合成を妨げ、蛋白質の分解に直接に関与するので、筋肉量の減少につながっている[22]。それから、四肢の筋力の低下に大いにかかわっている[23] [24]。それによって、IL-6はインシュリン抵抗と関係があるばかりではなく、サルコぺニアにもかかわっていると見られる。先行研究では、筋肉が運動時にIL-6を大量に分泌するのは筋肉の収縮がIL-6の遺伝子を活性化したことと関係していると示されている[25] [26]。一方で、shigemotoなど[27]によると、サルコぺニアは運動神経の細胞を減少させ、筋力の低下になると報告されている。しだがって、筋力の低下は患者の運動時の筋力の収縮力と速度をより低くし、IL-6の遺伝子をより速く活性化させないので、IL-6の反応を弱めたと推測される。だから、本研究は最初にサルコぺニアの高齢2型糖尿病女性のHIIEのエネルギー代謝状況と炎症細胞因子IL-6の変化が2型糖尿病非サルコぺニアの高齢の女性患者より低いという仮説を想定した。

本研究では、サルコぺニア群や非サルコぺニア群の代謝状況は明らかに差があり(血中乳酸や血糖における)、HIIEになった2型糖尿病非サルコぺニアの高齢の女性患者がより高く代謝レベルを保ち、HIIEのピークパワーや平均パワーがサルコぺニアの高齢2型糖尿病女性よりはるかに高いと考えられる。Wingate testのピークパワーや平均パワーはそれぞれATP-CPシステムや解糖系のエネルギーの供給状況を評価することになった。運動時に筋肉の収縮を維持するために、筋肉が摂取するグルコースの量が増えるので[28]、サルコぺニア患者と比べると、筋肉量がより多い高齢2型糖尿病女性に必要なグルコースがより多く求められ、より高い代謝のレベルになれると考えられる。Wingate testについての最近の研究では、下肢の筋肉量と嫌気代謝は正の相関関係を示していると報告された[29]ので、サルコぺニアは2型糖尿病の高齢の女性患者の代謝レベルの低下につながっていると考えられる。

運動時にIL-6が急速にエネルギー基質の利用率を高め、体の活動量と時間の長さによって変わっていくと発見された[11]。これらの研究のによって、本研究は最初、サルコぺニアがIL-6の反応を弱め、IL-6が運動時のエネルギー基質への調整機能も低下するという仮説を行った。Meyerなど[30]は一回きりと繰り返しの短時間の無酸素運動についての研究では、IL-6が運動後に増えると推測した。Gökbelなど[31]は青年の男子を対象としたWingateテストによって血漿のIL-6が増えると示した。それに、Febbraioなど[25]も2型糖尿病患者を対象としたロードバイク漕ぎの25分間テストを通してIL-6の増加が明らかだと発見した。本研究において、対象がHIIEになってから、IL-6も大いに増加すると考えられる。そういう点が先行研究と一致したのだ。本研究では、サルコぺニア群と非サルコぺニア群の代謝レベルの差が示されたけれども、IL-6の差については、時間の長さが原因の一つだと判明されたが、サルコぺニアの影響が判明されなかった。つまり、サルコぺニアはIL-6の炎症反応に直接な関係を持っていないということである。本研究ではサルコぺニア群の対象は運動前にIL-6の数が非サルコぺニア群より高いが、サルコぺニア患者のIL-6についての先行研究ほどそんなに差が出ていない。それは2型糖尿病患者自身がIL-6の異常を起こさせたからと推測された。IL-6はサルコぺニアにかかわっているだけではなく、インシュリン抵抗を分泌する重要な炎症細胞因子である。Febbraioなど[25]によると、2型糖尿病患者の運動が誘発するIL-6の形成は健常者より強まる傾向があると報告されている。けれども、サルコぺニア患者と2型糖尿病サルコぺニア患者の病症が類似していると報告される研究がまだ見つからない。したがって、サルコぺニアとIL-6の関係が2型糖尿病患者の代謝に影響するメカニズムがあるかどうかをはっきりさせるために、より深く研究を進めていかなければならない。

本研究はいくつかの限界を含んでいる。まず、サンプルの数が比較的に少ない。また、エネルギー基質と炎症細胞因子がより多く本研究に取り入れられなかった。さらに、運動はサルコぺニアに大きい影響を及ぼすので、対象の普段の体の活動量を参考として研究に取り入れることも有意義なことである。だから、これからそういう点について研究を続けていくと考えられる。要するに、本研究ではサルコぺニア群と非サルコぺニア群のIL-6炎症反応は大きな差が出ていないと考えられる。

6. 結論

1) サルコぺニアは2型糖尿病の高齢の女性患者の代謝レベルの低下につながっている。

2) 2型糖尿病の高齢の女性患者に対して、サルコぺニア群と非サルコぺニア群のIL-6炎症反応は大きな差が出ていない。

利益相反自己申告

申告すべきものはなし。

Conflicts of Interest

The authors declare no conflicts of interest.

Cite this paper

Liu, Z. , Xia, F. , Zhao, X. and Zhou, D. (2018) Metabolic and IL-6-Induced Inflammatory Responses in High-Intensity Intermittent Exercise among Type 2 Diabetes Patients with Sarcopenia. Open Access Library Journal, 5, 1-11. doi: 10.4236/oalib.1104622.

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